Ацетил-SКоА, що утворюється в ПВК-дегідрогеназної реакції, далі вступає в цикл трикарбонових кислот (ЦТК, цикл лимонної кислоти, цикл Кребса). Крім пірувату, до циклу залучаються кетокислоти, що надходять з катаболізму. амінокислотабо будь-яких інших речовин.
Цикл трикарбонових кислот
Цикл протікає в матриксі мітохондрійі є окисленнямолекули ацетил-SКоАу восьми послідовних реакціях.
У першій реакції зв'язуються ацетилі оксалоацетат(Щавельнооцтова кислота) з утворенням цитрата(лимонної кислоти), далі відбувається ізомеризація лимонної кислоти до ізоцитратаі дві реакції дегідрування з супутнім виділенням 2 і відновленням НАД.
У п'ятій реакції утворюється ГТФ, це реакція субстратного фосфорилювання. Далі послідовно відбувається ФАД-залежне дегідрування. сукцинату(бурштинової кислоти), гідратація фумаровийкислоти до малата(яблучна кислота), далі НАД-залежне дегідрування з утворенням у результаті оксалоацетату.
У результаті після восьми реакцій циклу зновуутворюється оксалоацетат .
Останні три реакції становлять так званий біохімічний мотив (ФАД-залежне дегідрування, гідратація та НАД-залежне дегідрування, він використовується для введення кетогрупи в структуру сукцинату. Цей мотив також присутній у реакціях β-окислення жирних кислот. У зворотній послідовності (відновлення, дегідратація та відновлення) цей мотив спостерігається в реакціях синтезу жирних кислот.
Функції ЦТК
1. Енергетична
- генерація атомів воднюдля роботи дихального ланцюга, а саме трьох молекул НАДН та однієї молекули ФАДН2,
- синтез однієї молекули ГТФ(Еквівалентна АТФ).
2. Анаболічна. У ЦТК утворюються
- попередник гема - сукциніл-SКоА,
- кетокислоти, здатні перетворюватися на амінокислоти – α-кетоглутаратдля глутамінової кислоти, оксалоацетатдля аспарагінової,
- лимонна кислота, що використовується для синтезу жирних кислот ,
- оксалоацетат, що використовується для синтезу глюкози.
Анаболічні реакції ЦТК
Регуляція циклу трикарбонових кислот
Алостеричне регулювання
Ферменти, що каталізують 1-у, 3-ю та 4-ту реакції ЦТК, є чутливими до алостеричної регуляціїметаболітами:
Регуляція доступністю оксалоацетату
Головнимі основнірегулятором ЦТК є оксалоацетат, а точніше його доступність. Наявність оксалоацетату залучає до ЦТК ацетил-SКоА та запускає процес.
Зазвичай у клітці є балансміж утворенням ацетил-SКоА (з глюкози, жирних кислот або амінокислот) та кількістю оксалоацетату. Джерелом оксалоацетату є піруват, (утворений з глюкози або аланіну), отримання з аспарагінової кислотив результаті трансамінування або циклу АМФ-ІМФ, а також надходження з фруктових кислотсамого циклу (бурштинової, α-кетоглутарової, яблучної, лимонної), які можуть утворитися при катаболізмі амінокислот або надходити з інших процесів.
Синтез оксалоацетату з пірувату
Регуляція активності ферменту піруваткарбоксилазиздійснюється за участю ацетил-SКоА. Він є алостеричним активаторомферменту, і без нього піруваткарбоксилаза практично неактивна. Коли ацетил-SКоА накопичується, фермент починає працювати і утворюється оксалоацетат, але, природно, тільки за наявності пірувату.
Також більшість амінокислотпри своєму катаболізмі здатні перетворюватися на метаболіти ЦТК, які йдуть в оксалоацетат, чим також підтримується активність циклу.
Поповнення пулу метаболітів ЦТК із амінокислот
Реакції поповнення циклу новими метаболітами (оксалоацетат, цитрат, α-кетоглутарат тощо) називаються анаплеротичними.
Роль оксалоацетату у метаболізмі
прикладом суттєвої ролі оксалоацетатуслужить активація синтезу кетонових тіл і кетоацидозплазми крові при недостатнімкількості оксалоацетату у печінці. Такий стан спостерігається при декомпенсації інсулінзалежного цукрового діабету (ЦД 1 типу) та при голодуванні. При зазначених порушеннях у печінці активовано процес глюконеогенезу, тобто. утворення глюкози з оксалоацетату та інших метаболітів, що спричиняє зниження кількості оксалоацетату. Одночасна активація окислення жирних кислот та накопичення ацетил-SКоА запускає резервний шлях утилізації ацетильної групи. синтез кетонових тіл . В організмі при цьому розвивається закислення крові. кетоацидоз) з характерною клінічною картиною: слабкість, головний біль, сонливість, зниження м'язового тонусу, температури тіла та артеріального тиску.
Зміна швидкості реакцій ЦТК та причини накопичення кетонових тіл при деяких станах
Описаний спосіб регуляції за участю оксалоацетату є ілюстрацією до красивого формулювання " Жири згоряють у полум'ї вуглеводів". У ній мається на увазі, що "полум'я згоряння" глюкози призводить до появи пірувату, а піруват перетворюється не тільки на ацетил-SКоА, а й на оксалоацетат.Наявність оксалоацетату гарантує включення ацетильної групи, що утворюється з жирних кислоту вигляді ацетил-SКоА, першу реакцію ЦТК.
У разі масштабного "згоряння" жирних кислот, яке спостерігається в м'язах при фізичної роботи і в печінці при голодуванні, швидкість надходження ацетил-SКоА в реакції ЦТК безпосередньо залежатиме від кількості оксалоацетату (або окисленої глюкози).
Якщо кількість оксалоацетату в гепатоцитінедостатньо (немає глюкози або вона не окислюється до пірувату), то ацетильна група йтиме на синтез кетонових тіл. Таке відбувається за тривалому голодуванніі цукровому діабеті 1 типу.
Основна маса хімічної енергіївуглецю вивільняється в аеробних умовах за участю кисню. Цикл Кребса називають ще циклом лимонної кислоти або клітинним диханням. У розшифровці окремих реакцій цього процесу взяли участь багато вчених: А. Сент-Дьєрдьї, А. Ленінджер, X. Кребс, іменем якого названий цикл, С. Є. Северін та інші.
Між анаеробним та аеробним розщепленням вуглеводів існує тісний корелятивний зв'язок. Насамперед, вона виявляється у наявності піровиноградної кислоти, якої завершується анаеробне розщеплення вуглеводів і починається клітинне дихання (цикл Кребса). Обидві фази каталізуються одними і тими самими ферментами. Хімічна енергія вивільняється при фосфорилуванні, резервується як макроергів АТФ. У хімічних реакціях беруть участь одні й самі коферменти (НАД, НАДФ) і катіони. Відмінності полягають у наступному: якщо анаеробне розщеплення вуглеводів переважно локалізоване в гіалоплазмі, реакції клітинного дихання проходять в основному в мітохондріях.
За деяких умов спостерігається антагонізм між обома фазами. Так, за наявності кисню гліколіз різко зменшується (ефект Пастера). Продукти гліколізу можуть гальмувати аеробний обмін вуглеводів (ефект Кребтрі).
Цикл Кребса має цілу низку хімічних реакцій, В результаті яких продукти розщеплення вуглеводів окислюються до діоксиду вуглецю та води, а хімічна енергія акумулюється в макроергічних сполуках. Під час утворюється «носій» - щавлевооцтова кислота (ЩІК). Надалі відбувається конденсація з «носієм» активованого залишку оцтової кислоти. Виникає трикарбонова кислота – лимонна. У ході хімічних реакцій відбувається «обіг» залишку оцтової кислоти в циклі. З кожної молекули піровиноградної кислоти утворюється вісімнадцять молекул аденозинтрифосфатної кислоти. Наприкінці циклу вивільняється носій, який вступає в реакцію з новими молекулами активованого залишку оцтової кислоти.
Цикл Кребса: реакції
Якщо кінцевим продуктом анаеробного розщеплення вуглеводів є молочна кислота, то під впливом лактатдегідрогенази вона окислюється до піровиноградної кислоти. Частина молекул піровиноградної кислоти йде на синтез «носія» ЩОК під впливом ферменту піруваткарбоксилази та за наявності іонів Mg2+. Частина молекул піровиноградної кислоти є джерелом утворення «активного ацетату» - ацетилкоензиму А (ацетил-КоА). Реакція здійснюється під впливом піруватдегідрогенази. Ацетил-КоА містить у якій акумулюється близько 5-7% енергії. Переважна більшість хімічної енергії утворюється внаслідок окислення «активного ацетату».
Під впливом цитратсинтетази починає функціонувати власне цикл Кребса, що призводить до утворення цитратної кислоти. Ця кислота під впливом аконітат-гідратази дегідрується і перетворюється на цис-аконітову кислоту, яка після приєднання молекули води перетворюється на ізолімонну. Між трьома трикарбоновими кислотами встановлюється динамічна рівновага.
Ізолімонна кислота окислюється до щавлевоеянтарної, яка декарбоксилюється і перетворюється на альфа-кетоглутарову кислоту. Реакція каталізується ензимом ізоцитратдегідрогеназою. Альфа-кетоглутарова кислота під впливом ензиму 2-оксо-(альфа-кето)-глутаратдегідрогенази декарбоксилюється, в результаті чого утворюється сукциніл-КоА, що містить макроергічний зв'язок.
На наступній стадії сукциніл-КоА під дією ферменту сукциніл-КоА-синтетази передає макроергічний зв'язок ГДФ (гуанозиндифосфатної кислоти). ГТФ (гуанозинтрифосфатна кислота) під впливом ензиму ГТФ-аденілаткінази віддає макроергічний зв'язок АМФ (аденозинмонофосфатної кислоти). Цикл Кребса: формули – ГТФ+АМФ – ГДФ+АДФ.
Під впливом ензиму сукцинатдегідрогенази (СДГ) окислюється до фумарової. Коферментом СДГ є флавінаденіндинуклеотид. Фумарат під впливом ферменту фумаратгідратази перетворюється на яблучну кислоту, яка у свою чергу окислюється, утворюючи ЩІК. При наявності в системі, що реагує, ацетил-КоА ЩОК знову включається в цикл трикарбонових кислот.
Отже, з однієї молекули глюкози утворюється до 38 молекул АТФ (дві - за рахунок анаеробного гліколізу, шість - в результаті окислення двох молекул НАД Н + Н +, які утворилися під час гліколитичної оксиредукції, і 30 - за рахунок ЦТК). Коефіцієнт корисної дії ЦТК дорівнює 0,5. Інша енергія розсіюється як теплоти. У ЦТК окислюється 16-33% лактатної кислоти, решта її маси йде на ресинтез глікогену.
Цикл трикарбонових кислот вперше було відкрито англійським біохіміком Кребсом. Він першим постулював значення даного циклу для повного згоряння пірувату, головним джерелом якого є гліколітичне перетворення вуглеводів. Надалі було показано, що цикл трикарбонових кислот є "фокусом", в якому сходяться практично всі метаболічні шляхи.
Отже, ацетил-КоА, що утворився в результаті окисного декарбоксилювання пірувату, вступає в цикл Кребса. Цей цикл складається з восьми послідовних реакцій (рис. 91). Починається цикл з конденсації ацетил-КоА з оксалоацетатом та утворення лимонної кислоти. ( Як видно нижче, в циклі окислення піддається власне не ацетил-КоА, а більше складне з'єднання- Лимонна кислота (трикарбонова кислота).)
Потім лимонна кислота (шестивуглецеве з'єднання) шляхом ряду дегідрувань (відібрання водню) і дскарбоксилувань (відщеплення СО 2) втрачає два вуглецевих атоми і знову в циклі Кребса з'являється оксалоацетат (чотиривуглецеве з'єднання), т.е. згоряє до 2 і Н 2 Про, а молекула оксалоацетату регенерується. Нижче наводяться усі вісім послідовних реакцій (етапів) циклу Кребса.
У першій реакції, що каталізується ферментом цитратсинтазою, ацетил-КоА конденсується з оксалоацетатом. В результаті утворюється лимонна кислота:
Очевидно, у цій реакції як проміжний продукт утворюється пов'язаний з ферментом цитрил-КоА. Потім останній мимовільно та незворотно гідролізується з утворенням цитрату та HS-KoA.
У другій реакції циклу лимонна кислота, що утворилася, піддається дегідратуванню з утворенням цис-аконітової кислоти, яка, приєднуючи молекулу води, переходить в ізолімонну кислоту. Каталізує ці оборотні реакції гідратації-дегідратації фермент аконітат-гідратаза:
У третій реакції, яка, мабуть, лімітує швидкість циклу Кребса, ізолімонна кислота дегідрується в присутності НАД-залежної ізоцитратдегідрогенази:
(У тканинах існує два типи ізоцитратдегідрогеназ: НАД-і НАДФ-залежні. Встановлено, що роль основного каталізатора окислення ізолімонної кислоти у циклі Кребса виконує НАД-залежна ізоцитратдегідрогеназа.)
В ході ізоцитратдегідрогеназної реакції ізолімонна кислота декарбоксилюється. НАД-залежна ізоцитратдегідрогеназа є алостеричним ферментом, якому як специфічний активатор необхідний АДФ. Крім того, фермент для прояву своєї активності потребує іонів Mg 2+ або Мn 2+ .
У четвертій реакції відбувається окисне декарбоксилювання α-кетоглутарової кислоти до сукциніл-КоА. Механізм цієї реакції подібний до реакції окислювального декарбоксилювання пірувату до ацетил-КоА. α-Кетоглутаратдегідрогеназний комплекс нагадує за своєю структурою піруватдегідрогеназний комплекс. Як в одному, так і в іншому випадку, в ході реакції беруть участь п'ять коферментів: TДФ, амід ліпоєвої кислоти, HS-KoA, ФАД та НАД. Сумарно цю реакцію можна написати так:
П'ята реакція каталізується ферментом сукциніл-КоА-синтетазою. У ході цієї реакції сукциніл-КоА за участю ГДФ та неорганічного фосфату перетворюється на бурштинову кислоту (сукцинат). Одночасно відбувається утворення високоергічного фосфатного зв'язку ГТФ1 за рахунок високоергічного тіоефірного зв'язку сукциніл-КоА:
(ГТФ, що утворився, віддає потім свою кінцеву фосфатну групу на АДФ, внаслідок чого утворюється АТФ. Утворення високоергічного нуклеозидтрифосфату в ході сукциніл-КоА-синтетазної реакції – приклад фосфорилювання на рівні субстрату.)
У шостій реакції сукцинат дегідрується у фумарову кислоту. Окислення сукцинату каталізується сукцинатдегідрогеназою, в молекулі якої з білком ковалентно пов'язаний кофермент ФАД:
У сьомій реакції фумарова кислота, що утворилася, гідратується під впливом ферменту фумаратгідратази. Продуктом цієї реакції є яблучна кислота (малат). Слід зазначити, що фумаратгідратаза має стереоспецифічність, - в ході цієї реакції утворюється L-яблучна кислота:
Нарешті, у восьмій реакції циклу трикарбонових кислот під впливом мітохондріальної НАД-залежної малатдегідрогенази відбувається окислення L-малату в оксалоацетат:
Як видно, за один оберт циклу, що складається з восьми ферментативних реакцій, відбувається повне окислення ("згоряння") однієї молекули ацетил-КоА. Для безперервної роботи циклу необхідне постійне надходження до системи ацетил-КоА, а коферменти (НАД і ФАД), що перейшли у відновлений стан, повинні знову і знову окислюватись. Це окислення здійснюється у системі переносників електронів (або ланцюга дихальних ферментів), локалізованої в мітохондріях.
Ацетил-КоА, що звільняється в результаті окислення, енергія значною мірою зосереджується в макроергічних фосфатних зв'язках АТФ. З чотирьох пар атомів водню три пари переносяться через НАД систему транспорту електронів; при цьому в розрахунку на кожну пару в системі біологічного окислення утворюються три молекули АТФ (у процесі сполученого окисного фосфорилювання), а всього, отже, дев'ять молекул АТФ. Одна пара атомів потрапляє у систему транспорту електронів через ФАД, - у результаті утворюються 2 молекули АТФ. У ході реакцій циклу Кребса синтезується також 1 молекула ГТФ, що дорівнює 1 молекулі АТФ. Отже, при окисленні ацетил-КоА у циклі Кребса утворюється 12 молекул АТФ.
Як зазначалося, 1 молекула НАДН 2 (3 молекули АТФ) утворюється при окисному декарбоксилуванні пірувату в ацетил-КоА. Так як при розщепленні однієї молекули глюкози утворюються дві молекули пірувату, то при окисленні їх до 2 молекул ацетил-КоА і наступних двох обертів циклу трикарбонових кислот синтезується 30 молекул АТФ (отже, окислення однієї молекули пірувату до 2 і Н 2 O дає 15 молекул АТФ).
До цього треба додати 2 молекули АТФ, що утворюються при аеробному гліколізі, і 4 молекули АТФ, що синтезуються за рахунок окислення 2 молекул позамітохондріального НАДН 2 , які утворюються при окисленні 2 молекул гліцеральдегід-3-фосфату в дегідрогеназної реакції. Разом отримаємо, що при розщепленні в тканинах 1 молекули глюкози за рівнянням: C 6 H 12 0 6 + 60 2 -> 6СO 2 + 6Н 2 O синтезується 36 молекул АТФ, що сприяє накопиченню в макроергічних фосфатних зв'язках аденозин3 1240 кДж (або, за іншими даними, 36 Х 38 ~ 1430 кДж) вільної енергії. Іншими словами, з усієї вільної при аеробному окисленні глюкози вільної енергії (окодо 2840 кДж) до 50% її акумулюється в мітохондріях у формі, яка може бути використана для виконання різних фізіологічних функцій. Безперечно, що в енергетичному відношенні повне розщеплення глюкози є більш ефективним процесом, ніж гліколіз. Необхідно відзначити, що утворилися в процесі перетворення гліцеральдегід-3-фосфату 2 молекули НАДН 2 в подальшому при окисленні дають не 6 молекул АТФ, а тільки 4. Справа в тому, що самі молекули позамітохондріального НАДН 2 не здатні проникати через мембрану всередину. Однак електрони, що віддаються ними, можуть включатися в мітохондріальний ланцюг біологічного окислення за допомогою так званого гліцерофосфатного човникового механізму (рис. 92). Як видно на малюнку, цитоплазматичний НАДН 2 спочатку реагує з цитоплазматичним дигідроксіацетонфосфатом, утворюючи гліцерол-3-фосфат. Реакція каталізується НАД-залежною цитоплазматичною гліцерол-3-фосфат-дегідрогеназою.
Короткі історичні відомості
Наш улюблений цикл – ЦТК, або Цикл трикарбонових кислот – життя на Землі та під Землею та в Землі… Стоп, а взагалі це найдивовижніший механізм – він універсальний, є шляхом окислення продуктів розпаду вуглеводів, жирів, білків у клітинах живих організмів, у результаті отримуємо енергію для діяльності нашого тіла.
Відкрив цей процес власне Кребс Ганс, за що й отримав Нобелівську премію!
Народився він у серпні 25 – 1900 року в Німеччині місто Хільдесхайм. Отримав медична освітаГамбурзького університету, продовжив біохімічні дослідження під керівництвом Отто Варбурга в Берліні.
У 1930 році відкрив разом зі студентом своїм процес знешкодження аміаку в організмі, який був у багатьох представників живого світу, у тому числі й людини. Цей цикл – цикл утворення сечовини, який також відомий під назвою циклу Кребса №1.
Коли до влади прийшов Гітлер, Ганс емігрував до Великобританії, де продовжує займатися наукою в Кембриджському та Шефілдському університетах. Розвиваючи дослідження біохіміка з Угорщини Альберта Сент-Дьорді, отримує осяяння і робить найзнаменитіший цикл Кребса № 2, або по-іншому "цикл Сент-Дьорді - Кребса" – 1937.
Результати досліджень надсилаються до журналу "Nature", який відмовляє у надрукуванні статті. Тоді текст перелітає до журналу "Enzymologia" у Голландії. Кребс отримує Нобелівську премію в 1953 з фізіології та медицини.
Відкриття було дивним: у 1935 р. Сент-Дьорді знаходить, що бурштинова, оксалооцтова, фумарова та яблучна кислоти (усі 4 кислоти - природні хімічні компоненти клітин тварин) посилюють процес окислення в грудному м'язі голуба. Яка була подрібнена.
Саме в ній метаболічні процеси йдуть з найбільшою швидкістю.
Ф. Кнооп і К.Мартіус в 1937 знаходять, що лимонна кислота перетворюється на ізолімонну через продукт проміжний, цис - аконітову кислоту. Крім того ізолімонна кислота могла перетворюватися на а-кетоглутарову, а та – на бурштинову.
Кребс помітив дію кислот на поглинання О2 грудним м'язом голуба і виявив активну дію на окислення ПВК та утворення Ацетил-Коензиму А. Крім того процеси в м'язі пригнічувалися малоновою кислотою, яка схожа на бурштинову і могла конкурентно інгібувати ферменти, у яких субстрат – бурштинова .
Коли Кребс додавав малонову кислоту до середовища реакції, то починалося накопичення а-кетоглутарової, лимонної та янтарної кислот. Таким чином зрозуміло, що дія спільна а-кетоглутарової, лимонної кислот призводить до утворення бурштинової.
Ганс досліджував ще понад 20 речовин, але вони не впливали на окиснення. Зіставивши отримані дані, Кребс отримав цикл. На самому початку дослідник не міг точно сказати починається процес з лимонної або ізолімонної кислоти, тому назвав "цикл трикарбонових кислот".
Зараз ми знаємо, що першою є лимонна кислота, тому правильно – цитратний цикл чи цикл лимонної кислоти.
У еукаріотів реакції ЦТК протікають у мітохондріях, при цьому всі ферменти для каталізу, крім 1, містяться у вільному стані в матриксі мітохондрії, виняток - сукцинатдегідрогеназу - локалізується на внутрішній мембрані мітохондрії, вбудовується в ліпідний бішар. У прокаріотів реакції циклу протікають у цитоплазмі.
Познайомимося із учасниками циклу:
1) Ацетил-Коензим А:- ацетильна група - Acetyl group
- коензим А - Coenzyme A:
2) ЩУК – Оксалоацетат – Щавеліво-Оцтова кислота:
ніби складається з двох частин: щавлева та оцтова кислота.
3-4) Лимонна та Ізолімонна кислоти:
5) а-Кетоглутарова кислота:
6) Сукциніл-Коензим А:
7) Бурштинова кислота:
8) Фумарова кислота:
9) Яблучна кислота:
Які ж відбуваються реакції? Загалом ми всі звикли до виду кільця, що представлено знизу на картинці. Ще нижче все розписано за етапами:
1. Конденсація Ацетил-Коензиму А та Щавелево-Оцтової кислоти ➙ лимонна кислота.
Перетворення Ацетил-Коензиму А беруть початок з конденсації зі Щавелево-Оцтовою кислотою, у результаті утворюється лимонна кислота.
Реакція не потребує витрати АТФ, оскільки енергія для цього процесу забезпечується в результаті гідролізу тіоефірного зв'язку з Ацетил-Коензимом А, яка є макроергічною:
2. Лимонна кислота через цис-аконітову перетворюється на ізолімонну.
Відбувається ізомеризація лимонної кислоти в ізолімонну. Фермент перетворення - аконітазу - дегідратує спочатку лимонну кислоту з утворенням цис-аконітової кислоти, потім з'єднує воду до подвійного зв'язку метаболіту, утворюючи ізолімонну кислоту:
3. Ізолімонна дегідрується з утворенням а-кетоглутарової та СО2.
Ізолімонна кислота окислюється специфічною дегідрогеназою, кофермент якої – НАД.
Одночасно з окисленням йде декарбоксилювання ізолімонної кислоти. В результаті перетворень утворюється -кетоглутаровая кислота.
4. Альфа-кетоглутарова кислота дегідрується ➙ сукциніл-коензим А та СО2.
Наступна стадія - окисне декарбоксилювання α-кетоглутарової кислоти.
Каталізується α-кетоглутаратдегідрогеназним комплексом, який аналогічний за механізмом, структурою та дією піруватдегідрогеназного комплексу. В результаті утворюється сукциніл-КоА.
5. Сукциніл-коензим А ➙ янтарна кислота.
Сукциніл-КоА гідролізується до вільної бурштинової кислоти, енергія, що виділяється, зберігається шляхом утворення гуанозинтрифосфату. Ця стадія - єдина в циклі, на якій прямо виділиться енергія.
6. Бурштинова кислота дегідрується ➙ фумарова.
Дегідрування янтарної кислоти прискорюється сукцинатдегідрогеназою, коферментом її є ФАД.
7. Фумарова гідратується ➙ яблучна.
Фумарова кислота, яка утворюється при дегідруванні янтарної кислоти, гідратується та утворюється яблучна.
8. Яблучна кислота дегідрується ➙ Щавелево-Оцтова – цикл замикається.
Заключний процес - дегідрування яблучної кислоти, що каталізується малатдегідрогеназою;
Результат стадії – метаболіт, з якого починається цикл трикарбонових кислот – Щавелево-Оцтова кислота.
У 1 реакцію наступного циклу вступить інша м-ла Ацетил-Коензима А.
Як запам'ятати цей цикл? Просто!
1) Дуже образний вираз:Цілий Ананас І Шматок Суфле Сьогодні Фактично Мій Обід, Що відповідає- цитрат, цис-аконітат, ізоцитрат, (альфа-)кетоглутарат, сукциніл-CoA, сукцинат, фумарат, малат, оксалоацетат.
2) Інший довгий вірш:
ЩУКа з'їла ацетат, виходить цитрaт,
Через цисаконітaт буде він ізоцитрaт.
Вороди віддавши НАД, він втрачає СО2,
Цьому безмірно ради альфа-кетоглутарат.
Окислення прийде - НАД викрав водень,
ТДФ, коензим А забирають СО2.
А енергія тільки в сукцинілі з'явилася,
Відразу АТФ народилася і залишився сукцинат.
Ось дібрався він до ФАДа - водники тому над,
Фумарат води напився, і на малат він перетворився.
Тут до малату НАД прийшов, водороди придбав,
ЩУКа знову з'явилася і тихенько причаїлася.
3) Оригінальний вірш – коротший:
ЩУКУ АЦЕТИЛ ЛІМОНІЛ,
Але нарЦИС КОНЬ боявся,
Він над ним ІЗОЛІМОННО
АЛЬФА - КЕТОГЛУТAРався.
CУКЦІНИЛСЯ КОЕНЗИМом,
ЯНТАРИВСЯ ФУМАРОВО,
Яблучок припас на зиму,
Обернувся ЩУКою знову.
ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВИХ КИСЛОТ (ЦИКЛ КРЕБСА)
Цикл трикарбонових кислот вперше було відкрито англійським біохіміком Г. Кребсом.Він першим постулював значення даного циклу для повного згоряння пірувату, головним джерелом якого є гліколітичне перетворення вуглеводів. Надалі було показано, що цикл трикарбонових кислотє центром, у якому сходяться майже всі метаболічні шляхи. Таким чином, цикл Кребса– загальний кінцевий шлях окислення ацетильнихгруп (у вигляді ацетил-КоА), на які перетворюється в процесі катаболізмубільшість органічних молекул, що відіграють роль «клітинного палива»: вуглеводів, жирних кислоті амінокислот.
Окислювальний, що утворився в результаті декарбоксилюванняпірувата в мітохондріяхацетил-КоА вступає в цикл Кребса. Цей цикл відбувається в матриксі мітохондрійі складається з восьми послідовних реакцій(Рис. 10.9). Починається цикл із приєднання ацетил-КоА до оксалоацетату та утворення лимонної кислоти (цитрата). Потім лимонна кислота(шестивуглецеве з'єднання) шляхом ряду дегідрувань(відібрання водню) та двох декарбоксилювання(відщеплення СО 2) втрачає два вуглецевих атомаі знову в циклі Кребсаперетворюється на оксалоацетат (чотиривуглецеве з'єднання), тобто. в результаті повного обороту циклу одна молекулаацетил-КоА згоряє до СО 2 та Н 2 Про, а молекулаокса-лоацетату регенерується. Розглянемо всі вісім послідовних реакцій(Етапів) циклу Кребса.
Мал. 10.9.Цикл трикарбонових кислот (цикл Кребса).
Перша реакціякаталізується ферментомцит-рат-синтазою, при цьому ацетильнагрупа ацетил-КоА конденсується з оксалоацетатом, внаслідок чого утворюється лимонна кислота:
Очевидно, у цій реакціїяк проміжний продукт утворюється пов'язаний з ферментомцитрил-КоА. Потім останній мимовільно та незворотно гідролізується з утворенням цитратата HS-KoA.
В результаті другий реакціїщо утворилася лимонна кислотапіддається дегідратуванню з утворенням цис-аконітової кислоти, яка, приєднуючи молекулу води, переходить у ізолімонну кислоту(Ізоцитрат). Каталізує ці оборотні реакціїгідратації-дегідратації ферментаконітатгідратаза (аконітаза). В результаті відбувається взаємопереміщення Н і ВІН молекулі цитрата:
Третя реакція, мабуть, лімітує швидкість циклу Кребса. Ізолімонна кислотадегідрується у присутності НАД-залежної ізо-цитратдегідрогенази.
У ході ізоцитратдегідрогеназної реакції ізолімонна кислотаодночасно декарбоксилюється. НАД-залежна ізоцитратдегідрогеназа є алостеричним ферментом, якому як специфічне активаторанеобхідний АДФ. Крім того, ферментдля прояву своєї активностіпотребує іонах Mg 2+ чи Мn 2+ .
Під час четвертої реакціївідбувається окисне декарбоксилювання α-кетоглутарової кислотиз утворенням високоенергетичної сполуки сукциніл-КоА Механізм цієї реакціїподібний до такого реакціїокислювального декарбоксилюванняпірувата до ацетил-КоА, α-кетоглутаратдегідрогеназний комплекс нагадує за своєю структурою піруватдегідрогеназний комплекс. Як в одному, так і в іншому випадку реакціїберуть участь 5 коферментів: ТПФ, амід ліпоєвої кислоти, HS-KoA, ФАД та НАД + .
П'ята реакціякаталізується ферментомсукциніл-КоА-синтета-зой. У ході цієї реакціїсукциніл-КоА за участю ГТФ та неорганічного фосфатуперетворюється в бурштинову кислоту (сукцинат). Одночасно відбувається утворення високоергічного фосфатного зв'язку ГТФ за рахунок високоергічного тіоефірного зв'язку сукциніл-КоА:
В результаті шостий реакції сукцинатдегідрується в фумарову кислоту. Окислення сукцинатукаталізується сукцинатдегідрогеназою, в молекуліякої з білкомміцно (ковалентно) пов'язаний коферментФад. В свою чергу сукцинатдегідрогеназуміцно пов'язана з внутрішньою мі-тохондріальною мембраною:
Сьома реакціяздійснюється під впливом ферментуфума-ратгідратази ( фумарази). При цьому утворена фумарова кислотагідратується, продуктом реакціїє яблучна кислота(Малат). Слід зазначити, що фумаратгідратаза має стереоспецифічністю(див. розділ 4) – у ході реакціїутворюється L-яблучна кислота:
Нарешті, під час восьмої реакції циклу трикарбонових кислотпід впливом мітохондріальної НАД-залежної малатдегідрогеназивідбувається окислення L-малату в оксалоацетат:
Як видно, за один оберт циклу, що складається з восьми ферментативних реакцій, відбувається повне окислення(«згоряння») однієї молекулиацетил-КоА. Для безперервної роботи циклу необхідне постійне надходження до системи ацетил-КоА, а коферменти(НАД+ і ФАД), що перейшли у відновлений стан, повинні знову і знову окислюватися. Це окисленняздійснюється у системі переносників електронівв дихального ланцюга(у ланцюги дихальних ферментів), локалізованої в мембрані мітохондрій. ФАДН 2, що утворився, міцно пов'язаний з СДГ, тому він передає атоми воднючерез KoQ. Звільняється в результаті окисленняацетил-КоА енергія значною мірою зосереджується у макроергічних фосфатних зв'язках АТФ. З 4 пар атомів водню 3 парипереносять НАДН на систему транспорту електронів; при цьому в розрахунку на кожну паруу системі біологічного окисленняутворюється 3 молекули АТФ(у процесі сполученого ), а всього, отже, 9 молекул АТФ(Див. розділ 9). Одна пара атоміввід сукцинатдегідрогенази-ФАДН 2 потрапляє до системи транспорту електронівчерез KoQ, в результаті утворюється лише 2 молекули АТФ. В ході циклу Кребсасинтезується також одна молекулаГТФ (субстратне фосфорилювання), що рівносильно одній молекулі АТФ. Отже, за окисленняоднієї молекулиацетил-КоА в циклі Кребсата системі окисного фосфорилюванняможе утворитися 12 молекул АТФ.
Якщо підрахувати повний енергетичний ефект гліколітичного розщеплення глюкозита наступного окисленнядвох утворених молекулпірувата до СО 2 і Н 2 Про, він виявиться значно більшим.
Як зазначалося, одна молекулаНАДН (3 молекули АТФ) утворюється при окисному декарбоксилюванняпірувата в ацетил-КоА. При розщепленні однієї молекули глюкозиутворюється 2 молекулипірувата, а при окисленняїх до 2 молекулацетил-КоА та наступних 2 оборотів циклу трикарбонових кислотсинтезується 30 молекул АТФ(отже, окислення молекулипірувата до СО 2 і Н 2 дає 15 молекул АТФ). До цієї кількості треба додати 2 молекули АТФ, що утворюються при аеробному гліколіз, та 6 молекул АТФ, що синтезуються за рахунок окислення 2 молекулпозамітохондріального НАДН, які утворюються при окислення 2 молекулгліцеральдегід-3-фосфату в дегідрогеназній реакції гліколізу. Отже, при розщепленні в тканинаходнієї молекули глюкозиза рівнянням З 6 Н 12 Про 6 + 6О 2 -> 6СО 2 + 6Н 2 Про синтезується 38 молекул АТФ. Безперечно, що в енергетичному відношенні повне розщеплення глюкозиє більш ефективним процесом, ніж анаеробний гліколіз.
Необхідно відзначити, що гліцеральдегід-3-фосфату 2, що утворилися в процесі перетворення молекулиНАДН надалі при окисленняможуть давати не 6 молекул АТФ, а лише 4. Справа в тому, що самі молекулипозамітохондріального НАДН не здатні проникати через мембранувсередину мітохондрій. Проте віддані ними електрониможуть включатися в мітохондріальний ланцюг біологічного окисленняза допомогою так званого гліцеролфосфатного човникового механізму (рис. 10.10). Цитоплазматичний НАДН спочатку реагує з цитоплазматичним дігідроксіацетонфосфатом, утворюючи гліцерол-3-фосфат. Реакціякаталіз-
Мал. 10.10.Гліцеролфосфатний човниковий механізм. Пояснення у тексті.
ється НАД-залежної цитоплазматичної гліцерол-3-фосфат-дегідрогеназою:
Дигідроксіацетонфосфат + НАДН + Н +<=>Гліцерол-3-фосфат + НАД +.
Гліцерол-3-фосфат, що утворився, легко проникає через мітохонд-ріальну. мембрану. Усередині мітохондріїінша (мітохондріальна) гліцерол-3-фосфат-дегідрогеназа (флавіновий) фермент) знову окислює гліцерол-3-фосфат до діоксиацетонфосфату:
Гліцерол-3-фосфат + ФАД<=>Діоксіацетонфосфат + ФАДН 2 .
Відновлений флавопротеїн(Фермент-ФАДН 2) вводить на рівні KoQ придбані ним електрониу ланцюг біологічного окисленняі пов'язаного з ним окисного фосфорилювання, а діоксиаце-тонфосфат виходить із мітохондрійв цитоплазмуі може знову взаємодіяти з цитоплазматичним НАДН + Н +. Таким чином, пара електронів(з однієї молекулицитоплазматичного НАДН + Н +), що вводиться в дихальний ланцюгза допомогою гліцеролфосфатного човникового механізму, що дає не 3, а 2 АТФ.
Мал. 10.11.Малат-аспартатна човникова система для перенесення відновлювальних еквівалентів від цитозольного НАДН до мітохондріального матриксу. Пояснення у тексті.
Надалі було показано, що за допомогою даного човникового механізму лише в кістякових м'язах та мозку здійснюється перенесення відновлених еквівалентів від цитозольного НАДН + Н + мітохондрії.
У клітинах печінки, нирок і серця діє складніша малат-аспартатна човникова система. Дія такого човникового механізму стає можливою завдяки присутності малатдегідрогеназита ас-партатамінотрансферази як у цитозолі, так і в мітохондріях.
Встановлено, що від цитозольного НАДН+Н+ відновлені еквіваленти спочатку за участю ферменту малатдегідрогенази(Мал. 10.11) переносяться на цитозольний оксалоацетат. В результаті утворюється малат, який за допомогою системи транспортує дикарбонові кислоти, проходить через внутрішню мембрану мітохондріїу матрикс. Тут малат окислюється в оксалоацетат, а матриксний НАД+ відновлюється в НАДН+Н+, який може тепер передавати свої електронив ланцюг дихальних ферментів, локалізовану на внутрішній мембрані мітохондрії. У свою чергу оксалоацетат, що утворився в присутності глутамату і ферментуАсАТ входить у реакцію трансамінування. Аспарат і α-кетоглутарат, що утворюються, за допомогою спеціальних транспортних систем здатні проходити через мембрану мітохондрій.
Транспортування в цитозолі регенерує оксалоацетат, що викликає до дії наступний цикл. В цілому процес включає легкооборотні реакції, відбувається без споживання енергії, «рушійною силою» його є постійне відновленняНАД + у цитозолі глі-церальдегід-3-фосфатом, що утворюється при катаболізмі глюкози.
Отже, якщо функціонує малат-аспартатний механізм, то в результаті повного окисленняоднієї молекули глюкозиможе утворитися не 36, а 38 молекул АТФ(Табл. 10.1).
У табл. 10.1 наведено реакції, у яких відбувається утворення високоергічних фосфатних зв'язків у ході катаболізму глюкози, із зазначенням ефективності процесу в аеробних та анаеробних умовах
Міністерство освіти Російської Федерації
Самарський Державний технічний університет
Кафедра «Органічної хімії»
Реферат на тему:
«ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВИХ КИСЛОТ (ЦИКЛ КРЕБСА)»
Виконав студент: ІІІ – НТФ – 11
Єрошкіна Н.В.
Перевірив.
