Протікають циклічні реакції трикарбонових кислот. Трикарбонових кислот цикл

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 роботиі 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.

Цикл Кребса називають ще циклом лимонної кислоти або клітинним диханням. Цикл перетворення лимонної кислоти в живих клітинах був відкритий і вивчений німецьким біохіміком Гансом Кребсом, за цю свою роботу він (разом з Ф. Ліпманом) був удостоєний Нобелівської премії (1953). У розшифровці окремих реакцій цього процесу взяли участь багато вчених: А. Сент-Дьєрдьї, А. Ленінджер, С. Є. Северін та інші.

Цикл Кребса кінцевий шлях окислення ацетильних груп, на які перетворюється у процесі катаболізму більшість органічних молекул, які відіграють роль "клітинного палива" - вуглеводів, жирних кислот і амінокислот.

За один оберт циклу, що складається з восьми ферментативних реакцій, відбувається повне окислення однієї молекули. На рівні циклу Кребса поєднуються шляхи розпаду вуглеводів, ліпідів та білків. Метаболіти циклу Кребса використовуються для синтезу інших речовин (щавлевооцтова кислота → глюкоза, аспарагінова кислота ). Цей цикл відбувається в матриксі мітохондрій.

Цикл Кребса – головна система, що постачає водень для дихального ланцюга мітохондрій.

Всі шляхи катаболізму зводяться до утворення тривуглецевої сполуки -піровиноградної кислоти, яка потім шляхом окисного декарбоксилювання в присутності коферменту-тіамінпірофосфату піддається декарбоксилювання з утворенням ацетил-КоА. Ацетилкофермент «згоряє» в циклі Кребса до двох молекул СО 2 .

1. Першою реакцією циклу Кребса є утворення цитрату – лимонної кислоти

2.У другій реакції через стадію дегідратації та утворення цис-аконітової кислоти відбувається утворення ізолімонної кислоти.

Зауважте, що приєднання молекули води до цис-аконітової кислоти йде проти правила Марковникова.

3. У третій реакції, яка, мабуть, лімітує швидкість циклу Кребса, ізолімонна кислота дегідрується в присутності НАД-залежної ізоцитратдегідрогенази:

4. У четвертій реакції відбувається окисне декарбоксилювання α-кетоглутарової кислоти до сукциніл-КоА. Механізм цієї реакції подібний до реакції окислювального декарбоксилювання пірувату до ацетил-КоА.

5. 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:

6. У шостій реакції сукцинат дегідрується у фумарову кислоту. Окислення сукцинату каталізується сукцинатдегідрогеназою, в молекулі якої з білком ковалентно пов'язаний кофермент ФАД+:

7. 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 (малат):

8. У восьмій реакції циклу трикарбонових кислот під впливом мітохондріальної НАД-залежної малатдегідрогенази відбувається окислення L-малату в оксалоацетат:

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.

Схематичне зображення циклу Кребса:

У ЦТК два ключові ферменти:

1) цитратсинтаза (1-а реакція)

2) ізоцитратдегідрогеназу (3-та реакція)

Обидва ферменти аллостерически інгібуються надлишком АТФ і НАДН 2 . Ізоцитратдегідрогеназу сильно активується АДФ. Якщо АДФ немає, цей фермент неактивний. У разі енергетичного спокою концентрація АТФ збільшується, і швидкість реакцій ЦТК мала - синтез АТФ зменшується. Ізоцитратдегідрогеназа інгібується АТФ набагато сильніше, ніж цитратсинтаза, тому в умовах енергетичного спокою підвищується концентрація цитрату, і він виходить у цитоплазму за градієнтом концентрацій шляхом полегшеної дифузії. У цитоплазмі цитрат перетворюється на Ацетил-КоА, який бере участь у синтезі жирних кислот. Проміжні продукти метаболізму циклу Кребса йдуть синтез інших речовин. З α-кетоглутарату та щавлевооцтової кислоти (оксалоацетату) синтезуються амінокислоти, із щавлевооцтової кислоти – вуглеводи, із сукциніл-КоА → синтез гему гемоглобіну. Відновлені коферменти НАДН 2 і ФАДН 2, що утворилися, в дихальному ланцюгу окислюються з утворенням води, АТФ і побічного продукту – перекису водню.

Цикл трикарбонових кислот

Цикл трикарбонових кислот (цикл Кребса, цитратний цикл) - центральна частина загального шляху катаболізму, циклічний біохімічний аеробний процес, в ході якого відбувається перетворення двох-і тривуглецевих сполук, що утворюються як проміжні продукти в живих організмах при розпаді вуглеводів, жирів та білків, до CO2. При цьому звільнений водень прямує у ланцюг тканинного дихання, де надалі окислюється до води, беручи безпосередню участь у синтезі універсального джерела енергії – АТФ.

Цикл Кребса - це ключовий етап дихання всіх клітин, що використовують кисень, центр перетину множини метаболічних шляхів в організмі. Крім значної енергетичної ролі циклу відводиться також істотна пластична функція, тобто це важливе джерело молекул-попередників, з яких у ході інших біохімічних перетворень синтезуються такі важливі для життєдіяльності клітини сполуки як амінокислоти, вуглеводи, жирні кислоти та ін.

Функції

Інтегративна функція- цикл є сполучною ланкою між реакціями анаболізму та катаболізму.
Катаболічна функція- перетворення різних речовин на субстрати циклу:
- Жирні кислоти, піруват, Лей, Фен - Ацетил-КоА.
- Арг, Гіс, Глу - α-кетоглутарат.
- Фен, тир – фумарат.
Анаболічна функція- Використання субстратів циклу на синтез органічних речовин:
- Оксалацетат - глюкоза, АСП, Асн.
- Сукциніл-КоА – синтез гему.
- CО 2 - реакції карбоксилювання.
Водорододонорна функція- цикл Кребса постачає на дихальний ланцюг мітохондрій протони у вигляді трьох НАДН.Н+ та одного ФАДН 2 .
Енергетична функція- 3 НАДН.Н+ дає 7.5 моль АТФ, 1 ФАДН 2 дає 1.5 моль АТФ на дихальному ланцюзі. Крім того, в циклі шляхом субстратного фосфорилювання синтезується 1 ГТФ, а потім з нього синтезується АТФ за допомогою трансфосфорилювання: ГТФ + АДФ = АТФ + ГДФ.

Мнемонічні правила

Для легкого запам'ятовування кислот, що у циклі Кребса, існує мнемонічне правило:

Цілий Ананас І Шматок Суфле Сьогодні Фактично Мій Обідщо відповідає ряду - цитрат, (цис-)аконітат, ізоцитрат, (альфа-)кетоглутарат, сукциніл-CoA, сукцинат, фумарат, малат, оксалоацетат.

Існує також наступний мнемонічне вірш (його автором є асистент кафедри біохімії КДМУ Є. В. Паршкова):

Щуку ацетил лимонмул, Але нар цисз а кінь боявся, Він над ним ізолімонале Альфа-кетоглутарався. Сукцинілся коензимом, Бурштинився фумарово, Яблучек припас на зиму, Обернувся щукой знову.

(Щавельнооцтова кислота, лимонна кислота, цис-аконітова кислота, ізолімонна кислота, α-кетоглутарова кислота, сукциніл-KoA, янтарна кислота, фумарова кислота, яблучна кислота, щавлевооцтова кислота).

Інший варіант вірша

ЩУКа з'їла ацетат, виходить цитрат через цис-аконітат буде він ізоцитрат водню віддавши НАД, він втрачає СО 2 цьому безмірно радий альфа-кетоглутарат окислення прийде - НАД викрав водень ТДФ, коензимА забирають СО 2 а енергія ось дістався він до Фада - водні тому треба фумарат води напився, і в малат він перетворився тут до малату НАД прийшов, водні придбав ЩУКа знову з'явилася і тихенько причаїлася караулити ацетат ...

Примітки

Посилання

Цикл трикарбонових кислот (англ.)

Цикл трикарбонових кислот (ЦТК) або цикл лимонної кислотиабо цикл Кребса – шлях окисних перетворень ді-і трикарбонових кислот, що утворюються як проміжні продукти при розпаді та синтезі білків, жирів і вуглеводів.

Цикл трикарбонових кислот представлений у клітинах усіх організмів: рослин, тварин та мікроорганізмів.

Цей циклє основою метаболізмута виконує двіважливих функції:

- постачання організму енергією ;

- інтеграції всіх головних метаболічних потоків, як катаболічних (біорозщеплення), так і анаболічних (біосинтез) .

Нагадаю, що реакції аеробного гліколізулокалізовані в цитоплазміклітини та призводять до утворення пірувата (ПВК).

!!! Наступні перетворення пірувата протікають у матриксі мітохондрій.

У матриксі піруват перетворюється на ацетил-КоА – макроергічна сполука. Реакція каталізується ферментом НАД-залежною піруватдекарбоксилазою:

Відновлена форма НАДН∙Н+,що утворилася в результаті цієї реакції, надходить у дихальний ланцюгта генерує 6 молекул АТФ(У перерахунку на 1 молекулу глюкози).

!!! ЦТК є послідовністю з восьми реакцій, що протікають у матриксі. мітохондрій (Мал. 9.6):

Мал. 9.6. Схема циклу трикарбонових кислот

1) Необоротнареакція конденсації ацетил-КоА зі щавлевооцтової кислотою (оксалоацетатом), що каталізується ферментом цитратсинтетазою, з освітою лимонної кислоти (цитрата ).

2) Оборотнареакція ізомеризація лимонної кислоти (цитрата ) в ізолімонну кислоту (ізоцитрат ), у процесі якої відбувається перенесення гідроксигрупи до іншого атома вуглецю, що каталізується ферментом аконітазою .

Реакція йде через освіту проміжного продукту
цис-аканітової кислоти (цис-аконітата ).

3) Необоротнареакція окисного декарбоксилювання ізолімонної кислоти (ізоцитрата ): гідроксигрупа ізолімонної кислотиокислюється до карбонільної групиза допомогою окисленої форми НАД + і одночасно відщеплюється карбоксильна група в
β-положенніз освітою α-кетоглутарової кислоти
(α-кетоглутарата ). Проміжний продукт цієї реакції щавлевоеянтарна кислота (оксалосукцинат ).

Це перша реакція циклу, в якій відбувається відновлення окисленої форми НАД+-коферменту до НАДН∙Н+, ферменту ізоцитратдегідрогенази.

Відновлена форма НАДН∙Ннадходить у дихальний ланцюгтам окислюється до НАД +що призводить до освіти 2 молекул АТФ .

4) Оборотнареакція окисного декарбоксилювання
α-кетоглутарової кислоти до макроергічногоз'єднання сукциніл-КоА . Реакцію каталізує фермент 2-оксоглутаратдегідрогеназний комплекс.

5) Реакціяє єдиною в циклі реакцією; каталізується ферментом сукциніл-КоА-синтетазою.У цій реакції сукциніл-КоАза участю гуанондиндифосфату (ГДФ ) та неорганічного фосфату (H 3 PO 4 ) перетворюється в бурштинову кислоту (сукцинат ).

!!! Одночасно відбувається синтез макроергічної сполуки ГТФ за рахунокмакроергічного зв'язку тіоефірного зв'язкусукциніл-КоА.

6) Реакція дегідрування бурштинової кислоти (сукцинату ) з освітою фумарової кислоти (фумарату).

Реакція каталізується складним ферментом сукцинатдегідрогеназою, у молекулі якої кофермент ФАД +ковалентно пов'язаний, а білковою частиною ферменту. Окислена форма ФАД +в результаті реакції відновлюється до ФАД∙Н 2.

Відновлена форма ФАД∙Н 2надходить у дихальний ланцюг, там регенерує до окисленої форми ФАД +що призводить до освіти двохмолекул АТФ.

7) Реакція гідратації фумарової кислоти (фумарату ) до яблучної кислоти (малата фумаразою.

8) Реакція дегідрування яблучної кислоти до щавлеоцтової кислоти (оксалоацетату ). Реакція каталізується ферментом НАД+-залежною-малатдегідрогеназою.

В результаті реакції окислена форма НАД відновлюєтьсядо відновленої форми НАДН∙Н+.

Відновлена форма НАДН∙Ннадходить у дихальний ланцюгтам окислюється до НАД +що призводить до освіти 2 молекул АТФ.

Сумарне рівнянняЦТК можна записати так:

Ацетил-КоА + 3НАД + + ФАД + + ГДФ + H 3 PO 4 =

2CO 2 + H 2 O + HS-КоА + 3НАДН∙Н + ФАД∙Н 2 + ГТФ

Як видно із схеми сумарного рівняння ЦТК у цьому процесі відновлюються:

Три молекули НАДН∙Н(Реакції 3, 4, 8);

Одна молекула ФАД∙Н 2(Реакція 6).

При аеробному окисленні з цих молекул в електронно-транспортному ланцюгу в процесі окислювального фосфорилювання утворюється при окисленні:

- однієюмолекули НАДН∙Н – 3 молекули АТФ ;

- однієюмолекули ФАД∙Н 2 – 2 молекули АТФ.

- однамолекула ГТФутворюється у реакції субстратного фосфорилювання (реакція 5).

Все це складе: 9 (3х3) АТФ + 2 АТФ + 1 АТФ (ГТФ ) = 12 АТФ . Отже, енергетичний балансокислення ацетил-КоА (2 молекули пірувата з аеробного гліколізу) в ЦТКскладає 24 молекули АТФ .

!!! Повне окиснення глюкози :

8 молекул АТФ гліколізу + 6 молекул АТФ окисного декарбоксилювання пірувату в цетил-КоА + 24 молекули АТФ ЦТК =
38 молекул АТФ на молекулу глюкози.

Цикл трикарбонових кислот

Цикл протікає в матриксі мітохондрійі є окисленнямолекули ацетил-SКоАу восьми послідовних реакціях.

У результаті після восьми реакцій циклу зновуутворюється оксалоацетат .

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: