Вітання! Незабаром літо, а значить, усі другокурсники медвузів складатимуть біохімію. Складна річ, насправді. Щоб трохи допомогти тим, хто повторює матеріал до іспитів, я вирішив зробити статтю, в якій розповім вам про «золоте кільце» біохімії — цикл Кребса. Його також називають цикл трикарбонових кислот та цикл лимонної кислоти, це все синоніми.
Самі реакції я розпишу в. Зараз я розповім про те, навіщо потрібний цикл Кребса, де він проходить і в чому його особливості. Сподіваюся, вийде зрозуміло та доступно.
Спочатку давайте розберемо що таке обмін речовин. Це основа, без якої розуміння Цикла Кребса неможливе.
Метаболізм
Одна з найважливіших властивостей живого (згадуємо) - це обмін речовин з навколишнім середовищем. Справді, тільки жива істота може щось поглинати з довкілля, і потім у неї виділяти.
У біохімії обмін речовин прийнято називати "метаболізм". Обмін речовин, обмін енергією з довкіллям – це метаболізм.
Коли ми, припустимо, з'їли бутерброд із куркою, ми отримали білки (курка) та вуглеводи (хліб). У процесі травлення білки розпадуться до амінокислот, а вуглеводи – до моноцукорів. Те, що я описав зараз, називається катаболізм, тобто розпад складних речовин на простіші. Перша частина метаболізму – це катаболізм.
Ще один приклад. Тканини у нашому організмі постійно оновлюються. Коли відмирає стара тканина, її уламки розтягують макрофаги, і замінюється новою тканиною. Нова тканина створюється у процесі синтезу білка з амінокислот. Синтез білка відбувається у рибосомах. Створення нового білка (складної речовини) з амінокислот (простої речовини) – це анаболізм.
Отже, анаболізм – це протилежність катаболізму. Катаболізм – це руйнування речовин, анаболізм – це створення речовин. До речі, щоби їх не плутати, запам'ятайте асоціацію: «Анаболіки. Кров'ю і потом". Це голлівудський фільм (досить нудний, на мій погляд) про спортсменів, які застосовують анаболіки для зростання м'язів. Анаболіки - зростання, синтез. Катаболізм – зворотний процес.
Точка перетину розпаду та синтезу.
Цикл Кребса як ступінь катаболізму.
Як пов'язані метаболізм та цикл Кребса? Справа в тому, що саме цикл Кребса є однією з найважливіших точок, в якій сходяться шляхи анаболізму та катаболізму. Саме в цьому полягає його значення.
Давайте розберемо це на схемах. Катаболізм можна умовно подати як розщеплення білків, жирів та вуглеводів у нашій травній системі. Отже, ми з'їли їжу з білків, жирів та вуглеводів, що далі?
- Жири – на гліцерин та жирні кислоти (можуть бути й інші компоненти, я вирішив взяти найпростіший приклад);
- Білки – на амінокислоти;
- Полісахаридні молекули вуглеводів - на самотні моносахариди.
Далі, в цитоплазмі клітини, піде перетворення цих простих речовин на піровиноградну кислоту(Вона ж - піруват). З цитоплазми піровиноградна кислота потрапить у мітохондрію, де перетвориться на ацетил коензим А. Будь ласка, запам'ятайте ці дві речовини – піруват та ацетил КоА, вони дуже важливі.
Давайте подивимося, як відбувається етап, який ми зараз розписали:
Важлива деталь: амінокислоти можуть перетворюватися на ацетил КоА відразу, минаючи стадію піровиноградної кислоти. Жирні кислоти відразу перетворюються на ацетил КоА. Врахуємо це та підредагуємо нашу схемку, щоб вийшло правильно:
Перетворення простих речовин на піруват відбуваються в цитоплазмі клітин. Після цього піруват надходить у мітохондрії, де успішно перетворюється на ацетил КоА.
Навіщо піруват перетворюється на ацетил КоА? Саме для того, щоби запустити наш цикл Кребса. Таким чином, ми можемо зробити ще один напис у схемі, і вийде правильна послідовність:
Внаслідок реакцій циклу Кребса утворюються важливі для життєдіяльності речовини, головні з яких:
- НАДH(НікотинАмідАденінДіНуклеотид+ катіон водню) та ФАДH 2(ФлавінАденінДіНуклеотид+молекула водню). Я спеціально виділив великими літерами складові термінів, щоб легше було читати, в нормі їх пишуть одним словом. НАДH і ФАДH 2 виділяються в ході циклу Кребса, щоб потім взяти участь у перенесенні електронів у дихальний ланцюг клітини. Іншими словами, ці дві речовини відіграють найважливішу роль у клітинному диханні.
- АТФтобто аденозинтрифосфат. Ця речовина має два зв'язки, розрив яких дає велику кількість енергії. Цією енергією постачаються багато життєво важливих реакцій;
Також виділяються вода та вуглекислий газ. Давайте відобразимо це на нашій схемі:
До речі, весь цикл Кребса відбувається у мітохондріях. Саме там, де проходить і підготовчий етап, тобто перетворення пірувату на ацетил КоА. Недарма до речі мітохондрії називають «енергетична станція клітини».
Цикл Кребса як початок синтезу
Цикл Кребса дивовижний тим, що він не лише дає нам цінні АТФ (енергію) та коферменти для клітинного дихання. Якщо подивіться на попередню схему, ви зрозумієте, що цикл Кребса – це продовження катаболізму. Але водночас він є першою сходинкою анаболізму. Як це можливо? Як той самий цикл може і руйнувати, і створювати?
Виявляється, окремі продукти реакцій циклу Кребса можуть частково вирушати синтез нових складних речовин залежно від потреб організму. Наприклад, на глюконеогенез - це синтез глюкози з простих речовин, які не є вуглеводами.
- Реакції циклу Кребса каскадні. Вони відбуваються одна за одною, і кожна попередня реакція запускає наступну;
- Продукти реакцій циклу Кребса частково йдуть на запуск наступної реакції, а частково - синтез нових складних речовин.
Спробуймо відобразити це на схемі, щоб цикл Кребса був позначений саме як точка перетину розпаду та синтезу.
Блакитними стрілочками я відзначив шляхи анаболізму, тобто створення нових речовин. Як бачите, цикл Кребса дійсно є точкою перетину багатьох процесів і руйнування та творення.
Найважливіше
- Цикл Кребса – перехресна точка метаболічних шляхів. Їм закінчується катаболізм (розпад), ним починається анаболізм (синтез);
- Продукти реакцій Цикл Кребса частково йдуть для запуску наступної реакції циклу, а частково вирушають створення нових складних речовин;
- Цикл Кребса утворює коферменти НАДH і ФАДН 2 які переносять електрони для клітинного дихання, а також енергію у вигляді АТФ;
- Цикл Кребса відбувається у мітохондріях клітин.
Не кожен із нас знає про таке явище як цикл Кребса. Що це таке? Простим мовою це явище можна охарактеризувати як хімічні реакції в організмі людини, внаслідок яких відбувається вироблення аденозинтрифосфату.
Це явище було досліджено Гансом Кребсом, німецьким вченим у 30-х роках 20-го століття. У цей час він із своїм помічником вивчали циркуляцію сечовини. У період, коли була Друга світова війна, вчений перебрався жити до Англії, де його дослідження показали, що деякі кислоти можуть каталізувати процеси в організмі людини. За це дослідження вченому вручили Нобелівську премію.
Що таке цикл Кребса?
Енергія в організмі людини залежить від глюкози, це речовина, що міститься в крові. Щоб трансформувати глюкозу в енергію, у клітинах організму містяться мітохондрії. Коли весь процес трансформації проходить, з глюкози виходить речовина аденозинтрифосфат, скорочено АТФ. Саме АТФ є основним джерелом енергії в людському організмі.
Структура одержуваної речовини дає можливість вбудовуватися в білок, щоб забезпечувати необхідною кількістю енергії органи і системи людини. Сама глюкоза безпосередньо не може трансформуватися в АТФ, тому для цього процесу потрібні складні механізми. Саме таким механізмом є цикл Кребса.
Якщо простою мовою пояснювати цей процес, можна сказати, що цикл Кребса – це ланцюг хімічних реакцій, які у нашому організмі, точніше у кожній його клітині. Цей процес є циклом, і називається він так, тому що відбувається нескінченно. Коли цикл Кребса проходить повністю, в результаті виробляється речовина аденозинтрифосфат. Це енергетична основа для того, щоб організм людини міг функціонувати.
Інакше цей цикл називають диханням клітин. Другу назву процес отримав через те, що всі його стадії вимагають присутності кисню. Під час цього процесу відбувається виробництво амінокислот та вуглеводів. Тому можна судити, що цикл виконує ще одну функцію - будівельну.
Для того, щоб вищеописаний процес міг реалізуватися, в організмі людини має бути достатньо мікроелементів, їх має бути не менше ста. До необхідних складових входять і вітаміни. Якщо мікроелементів недостатньо, не вистачає хоча б одного з них, цикл не буде настільки ефективним. Неефективність циклу Кребса призводить до того, що порушується метаболізм в організмі.
Регуляція циклу
Регуляція такого явища, як цикл Кребса, має великий вплив на роботу організму людини. Вона важлива у тому, що він міг пристосовуватися до того, як змінюються умови довкілля, і навіть до того, як змінюються фізіологічні системи. Є фактори регуляторні, які поділяються на кілька груп:
- регуляція, яка відбувається з вуглесодержащими субстратами, а також продуктами, які є проміжними у самому циклі;
- регуляція за допомогою аденілових нуклеотидів, які можуть бути як коферментами, і продуктами кінцевого процесу.
На початку необхідно розібрати в тому, що являють собою функції продуктів при проходженні циклу, що є проміжними. Звернімо увагу на роль оксалоацетату. Це дуже важливий елемент, оскільки коли його тканинні запаси зменшуються, цикл перестає повторюватися.
При цьому виснажується дуже важливе джерело енергії організму, і наслідки цього клітин є жахливими. Наслідки згубні ще тому, що немає достатньої кількості оксалоацетату, який потрібен для того, щоб діяв ацетил-КоА. Ацетил-КоА утворюється під час катаболізму вуглеводів та жирів. При цьому накопичуються двовуглецеві фрагменти. Коли вони конденсуються, то в тканинах накопичується надмірна кількість ацетоацетату. Крім нього, накопичуються й інші схожі тіла. При цьому в людському організмі розвивається кетоз, що є патологічним станом.
У кожному випадку, коли відбувається утворення ацетил-КоА, та його багато, то оксалоацетату не вистачає для того, щоб його конденсувати. При кожному із цих циклів відбувається кетоз. Простіше можна сказати, що кетоз провокує недолік оксалоацетату, якщо його рівень нижчий від кількості ацетил-КоА.
У разі кетозу в організмі відбувається порушення між процесами окислення жирів і катаболізмом вуглеводів. Дане явище обумовлено тим, що останні можуть виробляти оксалоцеатат при карбоксілювання пірувату. Ця реакція відбувається процес каталізації. Каталізується вона у мітохондріях біотиновим ферментом. Це основний механізм, у результаті в організмі виробляються вуглеводи. Так утворюється СО2, який надалі бере участь у циклі Кребса. Він також забезпечує процес глюконеогенезу фрагментами, що містять вуглеводи.
Реакції цього циклу ведуть до того, що утворюється оксалоацетат. Його регуляція відбувається як зворотний зв'язок, і це забезпечується тим, що оксалоацетат діє як конкурентний інгібітор сукцинатдегідрогенази. При цьому фермент має значення регулятора в даному циклі.
Підсумовуючи, слід сказати, що цикл Кребса є процесами у клітинах організму, здатні виробляти енергію щодо його нормального функціонування. Якщо цей процес відбувається неправильно, то це призводить до патологічного стану та порушеного обміну речовин в організмі людини.
Відео
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 окислюватись. 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 скелетних 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.
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 складають так званийбіохімічний 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 основнимрегулятором 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,у 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.
Основна маса хімічної енергії вуглецю 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 низку хімічних реакцій, у яких продукти розщеплення вуглеводів окислюються до діоксиду вуглецю і 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.