מחזור חומצה טריקרבוקסילית (מחזור קרבס)

גליקוליזה ממירה גלוקוז לפירובט ומפיקה שתי מולקולות ATP ממולקולת גלוקוז - זהו חלק קטן מהאנרגיה הפוטנציאלית של מולקולה זו.

בתנאים אירוביים, פירובט הופך מגליקוליזה לאצטיל-CoA ומתחמצן ל-CO 2 במחזור החומצה הטרי-קרבוקסילית (מחזור חומצת לימון). במקרה זה, האלקטרונים המשתחררים בתגובות של מחזור זה עוברים את NADH ו-FADH 2 ל-0 2 - המקבל הסופי. הובלה אלקטרונית קשורה ליצירת שיפוע פרוטונים של הממברנה המיטוכונדריאלית, שהאנרגיה שלו משמשת לאחר מכן לסינתזה של ATP כתוצאה מזרחון חמצוני. בואו נסתכל על התגובות הללו.

בתנאים אירוביים, החומצה הפירובית (שלב 1) עוברת דה-קרבוקסילציה חמצונית, שהיא יעילה יותר מהפיכה לחומצה לקטית, עם היווצרות אצטיל-CoA (שלב 2), שניתן לחמצן לתוצרים הסופיים של פירוק גלוקוז - CO 2 ו-H 2 0 (שלב שלישי). G. Krebs (1900-1981), ביוכימאי גרמני, שחקר את החמצון של חומצות אורגניות בודדות, שילב את התגובות שלהן למחזור אחד. לכן, מחזור החומצה הטריקרבוקסילית נקרא לעתים קרובות מחזור קרבס לכבודו.

החמצון של חומצה פירובית לאצטיל-CoA מתרחש במיטוכונדריה בהשתתפות שלושה אנזימים (פירובאט דהידרוגנאז, ליפואמיד דהידרוגנאז, ליפואילאצטילטרנספראז) וחמישה קו-אנזימים (NAD, FAD, תיאמין פירופוספט, חומצה ליפואית אמיד, קו-אנזים A). ארבעת הקו-אנזימים הללו מכילים ויטמיני B (B x, B 2, B 3, B 5), מה שמעיד על הצורך בוויטמינים אלו לחמצון תקין של פחמימות. בהשפעת מערכת אנזימים מורכבת זו, פירובט בתגובת הדקרבוקסילציה החמצונית הופך לצורה הפעילה של חומצה אצטית - אצטיל קואנזים A:

בתנאים פיזיולוגיים, פירובאט דהידרוגנאז הוא אנזים בלתי הפיך באופן בלעדי, מה שמסביר את חוסר האפשרות להמיר חומצות שומן לפחמימות.

נוכחות של קשר מאקרו-אירגי במולקולת אצטיל-CoA מעידה על תגובתיות גבוהה של תרכובת זו. בפרט, אצטיל-CoA יכול לפעול במיטוכונדריה ליצירת אנרגיה; בכבד, עודף אצטיל-CoA משמש לסינתזה של גופי קטון; בציטוזול, הוא מעורב בסינתזה של מולקולות מורכבות כמו סטרידים וחומצות שומן .

אצטיל-CoA המתקבל בתגובה של דה-קרבוקסילציה חמצונית של חומצה פירובית נכנסת למחזור החומצה הטריקרבוקסילית (מחזור קרבס). מחזור קרבס - המסלול הקטבולי הסופי לחמצון פחמימות, שומנים, חומצות אמינו, הוא בעצם "דוד מטבולי". התגובות של מחזור קרבס, המתרחשות אך ורק במיטוכונדריה, נקראות גם מחזור חומצת הלימון או מחזור החומצה הטריקרבוקסילית (TCA).

אחד התפקידים החשובים ביותר של מחזור החומצה הטריקרבוקסילית הוא יצירת קו-אנזימים מופחתים (3 מולקולות של NADH + H + ו-1 מולקולה של FADH 2) ולאחר מכן העברת אטומי מימן או האלקטרונים שלהם למקבל הסופי, חמצן מולקולרי. הובלה זו מלווה בירידה גדולה באנרגיה החופשית, שחלקה משמשת בתהליך של זרחון חמצוני לאחסון בצורה של ATP. מובן שמחזור החומצה הטריקרבוקסילית הוא אירובי, תלוי בחמצן.

1. התגובה הראשונית של מחזור החומצה הטריקרבוקסילית היא עיבוי של אצטיל-CoA וחומצה אוקסלואצטית בהשתתפות האנזים מיטוכונדריאלי מטריקס ציטראט סינתאז ליצירת חומצת לימון.

2. בהשפעת האנזים אקוניטאז המזרז סילוק של מולקולת מים מהציטראט, האחרון מומר

לחומצה ציס-אקונית. מים מתחברים עם חומצה ציס-אקונית והופכים לחומצה איזוציטרית.

3. לאחר מכן האנזים isocitrate dehydrogenase מזרז את תגובת הדהידרוגנזה הראשונה של מחזור חומצת לימון, כאשר חומצה איזוציטרית הופכת לחומצה α-ketoglutaric בתגובות דקרבוקסילציה חמצונית:

בתגובה זו נוצרת המולקולה הראשונה של CO 2 והמולקולה הראשונה של מחזור NADH 4- H +.

4. המרה נוספת של חומצה α-ketoglutaric ל succinyl-CoA מזורזת על ידי קומפלקס מולטי-אנזים של α-ketoglutaric dehydrogenase. תגובה זו אנלוגית מבחינה כימית לתגובת פירובאט דהידרוגנאז. זה כולל חומצה ליפואית, תיאמין פירופוספט, HS-KoA, NAD +, FAD.

כתוצאה מתגובה זו, נוצרת שוב המולקולה של NADH + H + ו-CO 2.

5. למולקולת succinyl-CoA יש קשר מאקרו-אירגי, שהאנרגיה שלו נשמרת בתגובה הבאה בצורה של GTP. בהשפעת האנזים succinyl-CoA synthetase, succinyl-CoA הופך לחומצה סוקסינית חופשית. שימו לב שניתן לקבל חומצה סוקסינית גם מתילמלוניל-CoA על ידי חמצון של חומצות שומן עם מספר אי-זוגי של אטומי פחמן.

תגובה זו היא דוגמה לזרחון מצע, שכן מולקולת ה-GTP עתירת האנרגיה במקרה זה נוצרת ללא השתתפות שרשרת הובלת האלקטרונים והחמצן.

6. חומצה סוקסינית מתחמצנת לחומצה פומארית בתגובת הסוקסינאט דהידרוגנאז. Succinate dehydrogenase, אנזים טיפוסי המכיל ברזל גופרית שהקו-אנזים שלו הוא FAD. Succinate dehydrogenase הוא האנזים היחיד המקובע על הממברנה המיטוכונדריאלית הפנימית, בעוד שכל שאר אנזימי המחזור ממוקמים במטריקס המיטוכונדריאלי.

7. לאחר מכן, הידרציה של חומצה פומארית לחומצה מאלית בהשפעת האנזים פומאראז בתגובה הפיכה בתנאים פיזיולוגיים:

8. התגובה הסופית של מחזור החומצה הטריקרבוקסילית היא תגובת ה-malate dehydrogenase הכוללת את האנזים הפעיל של malate dehydrogenase התלוי ב-NAD~ במיטוכונדריה, שבה נוצרת המולקולה השלישית של NADH + H + מופחת:

היווצרות חומצה אוקסלואצטית (אוקסלואצטט) משלימה סיבוב אחד של מחזור החומצה הטרי-קרבוקסילית. חומצה אוקסלואצטית יכולה לשמש בחמצון של מולקולת האצטיל-CoA השנייה, ומחזור תגובות זה יכול לחזור על עצמו פעמים רבות, מה שמוביל ללא הרף לייצור חומצה אוקסלואצטית.

לפיכך, חמצון של מולקולה אחת של אצטיל-CoA כמצע מחזורי במחזור ה-TCA מוביל לייצור מולקולת GTP אחת, שלוש מולקולות NADP+H+ ומולקולת FADH 2 אחת. החמצון של חומרים מפחיתים אלה בשרשרת החמצון הביולוגית

יון מוביל לסינתזה של 12 מולקולות ATP. חישוב זה ברור מהנושא "חימצון ביולוגי": הכללת מולקולת NAD + אחת במערכת הובלת האלקטרונים מלווה בסופו של דבר ביצירת 3 מולקולות ATP, הכללת מולקולת FADH 2 מספקת יצירת 2 מולקולות ATP ו מולקולת GTP אחת שווה ערך למולקולת ATP 1.

שים לב ששני אטומי פחמן של אדטיל-CoA נכנסים למחזור החומצה הטריקרבוקסילית ושני אטומי פחמן יוצאים מהמחזור כ-CO2 בתגובות דקרבוקסילציה המזוזות על ידי איזוציטראט דהידרוגנאז ואלפא-קטוגלוטרט דהידרוגנאז.

עם חמצון מוחלט של מולקולת גלוקוז בתנאים אירוביים ל-CO 2 ו- H 2 0, היווצרות האנרגיה בצורה של ATP היא:

• 4 מולקולות ATP במהלך הפיכת מולקולת גלוקוז ל-2 מולקולות של חומצה פירובית (גליקוליזה);
• 6 מולקולות ATP שנוצרו בתגובת 3-phosphoglyceraldehyde dehydrogenase (גליקוליזה);
• 30 מולקולות ATP נוצרו במהלך החמצון של שתי מולקולות חומצה פירובית בתגובת פירובאט דהידרוגנאז ובטרנספורמציות שלאחר מכן של שתי מולקולות אצטיל-CoA ל-CO 2 ו- H 2 0 במחזור החומצה הטרי-קרבוקסילית. לכן, תפוקת האנרגיה הכוללת במהלך החמצון המוחלט של מולקולת גלוקוז יכולה להיות 40 מולקולות ATP. עם זאת, יש לקחת בחשבון שבמהלך חמצון הגלוקוז בשלב המרת הגלוקוז לגלוקוז-6-פוספט ובשלב ההמרה של פרוקטוז-6-פוספט לפרוקטוז-1,6-דיפוספט, נערכו שתי מולקולות ATP. מְאוּכָּל. לכן, תפוקת האנרגיה ה"נטו" במהלך החמצון של מולקולת גלוקוז היא 38 מולקולות ATP.

אתה יכול להשוות את האנרגיה של גליקוליזה אנאירובית וקטבוליזם אירובי של גלוקוז. מתוך 688 קק"ל של אנרגיה הכלולים באופן תיאורטי במולקולת 1 גרם של גלוקוז (180 גרם), 20 קק"ל נמצאים בשתי מולקולות ATP שנוצרות בתגובות של גליקוליזה אנאירובית, ו-628 קק"ל באופן תיאורטי נשארים בצורה של חומצת חלב.

בתנאים אירוביים, מתוך 688 קק"ל של מולקולת גרם של גלוקוז ב-38 מולקולות ATP, התקבלו 380 קק"ל. לפיכך, יעילות ניצול הגלוקוז בתנאים אירוביים גבוהה פי 19 בערך מאשר בגליקוליזה אנאירובית.

יש לציין כי כל תגובות החמצון (חמצון של פוספט טריוז, חומצה פירובית, ארבע תגובות חמצון של מחזור החומצה הטריקרבוקסילית) מתחרות בסינתזה של ATP מ-ADP ו-Pneor (אפקט פסטר). המשמעות היא שלמולקולת NADH+H+ המתקבלת בתגובות החמצון יש בחירה בין התגובות של מערכת הנשימה, המעבירה מימן לחמצן, לבין האנזים LDH, שמעביר מימן לחומצה פירובית.

בשלבים המוקדמים של מחזור החומצות הטריקרבוקסיליות, החומצות שלה יכולות לצאת מהמחזור כדי להשתתף בסינתזה של תרכובות תאים אחרות מבלי להפריע לתפקוד המחזור עצמו. גורמים שונים מעורבים בוויסות הפעילות של מחזור החומצות הטריקרבוקסיליות. ביניהם, קודם כל, יש להזכיר את צריכת מולקולות אצטיל-CoA, את פעילות קומפלקס פירובאט דהידרוגנאז, פעילות מרכיבי שרשרת הנשימה והזרחון החמצוני הקשור אליו, וכן את רמת האוקסלואצטיק. חוּמצָה.

חמצן מולקולרי אינו מעורב ישירות במחזור החומצה הטרי-קרבוקסילית, אך התגובות שלו מתבצעות רק בתנאים אירוביים, שכן NAD ~ ו- FAD יכולים להתחדש במיטוכונדריה רק ​​כאשר אלקטרונים מועברים לחמצן מולקולרי. יש להדגיש כי גליקוליזה, בניגוד למחזור החומצה הטריקרבוקסילית, אפשרית גם בתנאים אנאירוביים, שכן NAD~ מתחדשת כאשר חומצה פירובית עוברת לחומצה לקטית.

בנוסף ליצירת ATP, למחזור החומצות הטריקרבוקסיליות יש משמעות חשובה נוספת: המחזור מספק מבנים מתווכים לביו-סינתזה שונות של הגוף. לדוגמה, רוב אטומי הפורפירין מקורם ב-succinyl-CoA, חומצות אמינו רבות הן נגזרות של חומצות α-keto-glutaric ו-oxalo-acetic, וחומצה פומארית מתרחשת במהלך סינתזה של אוריאה. זה מבטא את האינטגרליות של מחזור החומצות הטריקרבוקסיליות במטבוליזם של פחמימות, שומנים וחלבונים.

כפי שמוצג על ידי תגובות הגליקוליזה, היכולת של רוב התאים לייצר אנרגיה טמונה במיטוכונדריה שלהם. מספר המיטוכונדריות ברקמות השונות קשור לתפקודים הפיזיולוגיים של רקמות ומשקף את יכולתן להשתתף במצבים אירוביים. לדוגמה, לתאי דם אדומים אין מיטוכונדריה ולכן אין להם את היכולת לייצר אנרגיה באמצעות חמצן כמקבל האלקטרונים הסופי. עם זאת, בשריר הלב הפועל בתנאים אירוביים, מחצית מנפח הציטופלזמה של התא מיוצגת על ידי מיטוכונדריה. הכבד תלוי גם בתנאים אירוביים לתפקידיו השונים, והפטוציטים של יונקים מכילים עד 2,000 מיטוכונדריות לתא.

המיטוכונדריה כוללת שני ממברנות - חיצוניות ופנימיות. הממברנה החיצונית פשוטה יותר, מורכבת מ-50% שומן ו-50% חלבון, ויש לה מעט פונקציות יחסית. הממברנה הפנימית מורכבת יותר מבחינה מבנית ותפקודית. כ-80% מנפחו הם חלבונים. הוא מכיל את רוב האנזימים המעורבים בהובלת אלקטרונים ובזרחון חמצוני, מתווכים מטבוליים ונוקלאוטידים אדנין בין הציטוזול למטריצה ​​המיטוכונדריאלית.

נוקלאוטידים שונים המעורבים בתגובות חיזור, כגון NAD + , NADH, NADP + , FAD ו- FADH 2 אינם חודרים לממברנה המיטוכונדריאלית הפנימית. Acetyl-CoA אינו יכול לעבור מהתא המיטוכונדריאלי לציטוזול, שם הוא נדרש לסינתזה של חומצות שומן או סטרולים. לכן, אצטיל-CoA תוך-מיטוכונדריאלי מומר בתגובת ציטראט-סינתאז של מחזור החומצה הטריקרבוקסילית ונכנס לציטוזול בצורה זו.

לאחר מכן נכנס האצטיל-SCoA שנוצר בתגובת ה-PVC-דהידרוגנאז מחזור חומצה טריקרבוקסילית(CTC, מחזור חומצת לימון, מחזור קרבס). בנוסף לפירובט, חומצות קטו המגיעות מקטבוליזם מעורבות במחזור. חומצות אמינואו כל חומר אחר.

מחזור חומצה טריקרבוקסילית

המחזור נכנס פנימה מטריצה ​​מיטוכונדריאליתומייצגת חִמצוּןמולקולות אצטיל-SCoAבשמונה תגובות רצופות.

בתגובה הראשונה הם נקשרים אצטילו אוקסלואצטט(חומצה אוקסלואצטית) להיווצר ציטראט(חומצת לימון), ואז חומצת לימון מתאזמרת ל isocitrateושתי תגובות דה-הידרוגנציה עם שחרור נלווה של CO 2 והפחתה של NAD.

בתגובה החמישית נוצר GTP, זו התגובה זרחון מצע. לאחר מכן, דה-הידרוגנציה תלוית FAD מתרחשת ברצף סוקסינאט(חומצה סוצינית), הידרציה פומריחומצה מאלאט(חומצה מאלית), ולאחר מכן דהידרוגנציה תלוית NAD עם היווצרות של אוקסלואצטט.

כתוצאה מכך, לאחר שמונה תגובות של המחזור שובנוצר אוקסלואצטט .

שלושת התגובות האחרונות מרכיבות את מה שנקרא המוטיב הביוכימי (דהידרוגנציה תלויה FAD, הידרציה ו-NAD תלויה דהידרוגנציה, הוא משמש להחדרת קבוצת קטו למבנה הסוקסינאט. מוטיב זה קיים גם בתגובות חמצון β של חומצת שומן בסדר הפוך (הפחתה, דההידרציה והתאוששות) מוטיב זה נצפה בתגובות סינתזה של חומצות שומן.

פונקציות DTC

1. אנרגיה

• דוֹר אטומי מימןלפעולת שרשרת הנשימה, כלומר שלוש מולקולות NADH ומולקולת FADH2 אחת,
• סינתזה של מולקולה בודדת GTP(שווה ערך ל-ATP).

2. אנאבולי. ב-CTC נוצרים

• מבשר heme succinyl-SCoA,
• חומצות קטו שניתן להמיר לחומצות אמינו - α-ketoglutarateעבור חומצה גלוטמית, אוקסלואצטטעבור אספרטיק,
• חומצה לימון, משמש לסינתזה של חומצות שומן,
• אוקסלואצטט, משמש לסינתזה של גלוקוז.

תגובות אנבוליות של TCA

ויסות מחזור החומצה הטריקרבוקסילית

ויסות אלוסטרי

אנזימים המזרזים את התגובה הראשונה, השלישית והרביעית של TCA רגישים ל ויסות אלוסטרימטבוליטים:

ויסות זמינות אוקסלואצטט

רֹאשׁו בסיסיהרגולטור של TCA הוא אוקסלואצטט, או ליתר דיוק הזמינות שלו. הנוכחות של אוקסלואצטט מערבת אצטיל-SCoA במחזור ה-TCA ומתחילה את התהליך.

בדרך כלל יש לתא איזוןבין היווצרות אצטיל-SCoA (מגלוקוז, חומצות שומן או חומצות אמינו) לבין כמות האוקסלואצטט. המקור של אוקסלואצטט הוא פירובט, (נוצר מגלוקוז או אלנין), שמקורו ב חומצה אספרטיתכתוצאה מ-transamination או מחזור AMP-IMF, וגם מ חומצות פריהמחזור עצמו (סוקסיני, α-ketoglutaric, malic, Citric), שיכול להיווצר במהלך הקטבוליזם של חומצות אמינו או להגיע מתהליכים אחרים.

סינתזה של אוקסלואצטט מפירובאט

ויסות פעילות האנזים פירובאט קרבוקסילאזבוצע בהשתתפות אצטיל-SCoA. זה אלוסטרי מפעילאנזים, ובלעדיו, פירובאט קרבוקסילאז כמעט אינו פעיל. כאשר אצטיל-SCoA מצטבר, האנזים מתחיל לפעול ונוצר אוקסלואצטט, אך כמובן רק בנוכחות פירובט.

גם רוב חומצות אמינובמהלך הקטבוליזם שלהם, הם מסוגלים להפוך למטבוליטים של TCA, אשר עוברים לאחר מכן לאוקסלואצטט, אשר גם שומר על פעילות המחזור.

חידוש מאגר מטבוליטים של TCA מחומצות אמינו

תגובות של חידוש מחזור עם מטבוליטים חדשים (אוקסלואצטט, ציטראט, α-ketoglutarate וכו') נקראות אנפלרוטי.

תפקידו של אוקסלואצטט במטבוליזם

דוגמה לתפקיד משמעותי אוקסלואצטטמשמש להפעלת סינתזה של גופי קטון ו חמצת קטופלזמת דם ב לא מספיקכמות האוקסלואצטט בכבד. מצב זה נצפה במהלך חוסר פיצוי של סוכרת תלוית אינסולין (סוכרת מסוג 1) ובמהלך הרעבה. עם הפרעות אלו, תהליך הגלוקוניאוגנזה מופעל בכבד, כלומר. היווצרות גלוקוז מאוקסלואצטט וממטבוליטים אחרים, הגוררת ירידה בכמות האוקסלואצטט. הפעלה סימולטנית של חמצון חומצות שומן והצטברות של אצטיל-SCoA מעוררת מסלול גיבוי לניצול קבוצת האצטיל - סינתזה של גופי קטון. במקרה זה, הגוף מפתח חומצה של הדם ( חמצת קטו) עם תמונה קלינית אופיינית: חולשה, כאבי ראש, נמנום, ירידה בטונוס השרירים, טמפרטורת הגוף ולחץ הדם.

שינוי בקצב תגובות TCA והסיבות להצטברות של גופי קטון בתנאים מסוימים

שיטת הרגולציה המתוארת בהשתתפות אוקסלואצטט היא המחשה של הניסוח היפה " שומנים נשרפים בלהבת הפחמימות". זה מרמז ש"הלהבה הבוערת" של גלוקוז מובילה להופעת פירובט, ופירובאט הופך לא רק לאצטיל-SCoA, אלא גם ל אוקסלואצטט.הנוכחות של אוקסלואצטט מבטיחה הכללה של קבוצת אצטיל שנוצרה ממנה חומצות שומןבצורה של אצטיל-SCoA, בתגובה הראשונה של ה-TCA.

במקרה של "שריפה" בקנה מידה גדול של חומצות שומן, אשר נצפית בשרירים במהלך עבודה פיזיתובכבד תַעֲנִית, קצב הכניסה של אצטיל-SCoA בתגובת TCA יהיה תלוי ישירות בכמות האוקסלואצטט (או גלוקוז מחומצן).

אם כמות האוקסלואצטט ב הפטוציטלא מספיק (ללא גלוקוז או שהוא לא מחומצן לפירובט), אז קבוצת האצטיל תעבור לסינתזה של גופי קטון. זה קורה מתי צום ממושךו סוכרת סוג 1.

דיברתי על מה זה בכלל, למה יש צורך במחזור קרבס ואיזה מקום הוא תופס בחילוף החומרים. עכשיו בואו נרד לתגובות הממשיות של המחזור הזה.

אני אעשה הזמנה מיד - עבורי באופן אישי, שינון תגובות היה תרגיל חסר משמעות לחלוטין עד שסידרתי את השאלות לעיל. אבל אם כבר הבנתם את התיאוריה, אני מציע לעבור לתרגול.

אתה יכול לראות דרכים רבות לכתוב את מחזור קרבס. האפשרויות הנפוצות ביותר הן כאלה:

אבל דרך כתיבת התגובות מספר הלימוד הישן והטוב בביוכימיה מאת מחברי ברזוב ט.ת נראתה לי נוחה ביותר. ו-Korovkina B.V.

תגובה ראשונה

אצטיל-CoA ואוקסלואצטט המוכרים לנו כבר מתחברים והופכים לציטראט, כלומר ל חוּמצַת לִימוֹן.

תגובה שניה

עכשיו אנחנו לוקחים חומצת לימון והופכים אותה חומצה איזוציטרית. שם נוסף לחומר זה הוא isocitrate.

למעשה, התגובה הזו קצת יותר מסובכת, דרך שלב ביניים - היווצרות חומצה ציס-אקונית. אבל החלטתי לפשט כדי שתזכור טוב יותר. במידת הצורך, תוכל להוסיף כאן את השלב החסר אם אתה זוכר את כל השאר.

למעשה, שתי הקבוצות הפונקציונליות פשוט הוחלפו.

תגובה שלישית

אז יש לנו חומצה איזוציטרית. עכשיו צריך לעשות decarboxylated (כלומר, לצבוט את COOH) ולייבש (כלומר, לצבוט את H). החומר המתקבל הוא א-קטוגלוטרט.

תגובה זו יוצאת דופן בכך שנוצר כאן קומפלקס NADH 2. המשמעות היא שהטרנספורטר של ה-NAD קולט מימן כדי להתחיל את שרשרת הנשימה.

אני אוהב את הגרסה של התגובות של מחזור קרבס בספר הלימוד של ברזוב וקורובקין בדיוק בגלל שהאטומים והקבוצות הפונקציונליות שמעורבות בתגובות נראים בבירור מיד.

תגובה רביעית

שוב, איך השעון עובד nicotineAmideAdenineDinucleotide, כלומר מֵעַל. הנשא המפואר הזה מופיע כאן, כמו בשלב האחרון, כדי ללכוד את המימן ולשאת אותו לשרשרת הנשימה.

אגב, החומר שנוצר - succinyl-CoA, לא צריך להפחיד אותך. סוקסינאט הוא שם נוסף לחומצה סוקסינית, המוכר לכם מאז ימי הכימיה הביו-אורגנית. Succinyl-Coa הוא תרכובת של חומצה סוקסינית עם קו-אנזים A. אנו יכולים לומר שזהו אסטר של חומצה סוקסינית.

תגובה חמישית

בשלב האחרון אמרנו שסוקסיניל-CoA הוא אסטר של חומצה סוקסינית. ועכשיו נשיג את עצמנו חומצה סוצינית, כלומר succinate, מ succinyl-CoA. נקודה חשובה ביותר: בתגובה זו היא זו זרחון מצע.

זרחון באופן כללי (זה יכול להיות חמצוני ומצע) הוא תוספת של קבוצת זרחן PO 3 ל-GDP או ATP על מנת להשיג תוצאה מלאה GTP, או, בהתאמה, ATP. המצע שונה בכך שאותה קבוצת זרחן מנותקת מכל חומר המכיל אותו. ובכן, במילים פשוטות, זה מועבר מ-SUBSTRATE ל-HDF או ADP. לכן זה נקרא "זרחון מצע".

שוב: ברגע תחילת הזרחון המצע יש לנו מולקולת דיפוספט - גואנוזין דיפוספט או אדנוזין דיפוספט. זרחון מורכב מהעובדה שמולקולה עם שני שאריות חומצה זרחתית - GDP או ADP "מושלמת" למולקולה עם שלושה שאריות חומצה זרחתית כדי לקבל גואנוזין TRIphosphate או אדנוזין TRIphosphate. תהליך זה מתרחש במהלך ההמרה של succinyl-CoA ל succinate (כלומר, לחומצה succinic).

בתרשים ניתן לראות את האותיות F (n). זה אומר "פוספט לא אורגני". פוספט אנאורגני עובר מהמצע ל-GDP, כך שתוצרי התגובה מכילים GTP טוב ובדרגה גבוהה. עכשיו בואו נסתכל על התגובה עצמה:

תגובה שישית

המהפך הבא. הפעם תהפוך החומצה הסוצינית שקיבלנו בשלב הקודם פומרטשימו לב לקשר הכפול החדש.

התרשים מראה בבירור כיצד מעורבת התגובה תַחבִּיב: נושא הפרוטונים והאלקטרונים הבלתי נלאים הזה קולט מימן וגורר אותו ישירות לשרשרת הנשימה.

תגובה שביעית

אנחנו כבר בקו הסיום. השלב הלפני אחרון של מחזור קרבס הוא הפיכת פומארט ל-L-malate. L-malate הוא שם אחר חומצה ל-מאלית, מוכר מהקורס של כימיה ביו-אורגנית.

אם תסתכלו על התגובה עצמה, תראו שראשית היא הולכת לשני הכיוונים, ושנית, המהות שלה היא הידרציה. כלומר, fumarate פשוט מצמיד מולקולת מים לעצמו, וכתוצאה מכך חומצה L-מאלית.

תגובה שמינית

התגובה האחרונה של מחזור קרבס היא חמצון של חומצה L-מאלית לאוקסלואצטט, כלומר ל חומצה אוקסלואצטית. כפי שאתה מבין, "אוקסלואצטט" ו"חומצה אוקסלואצטית" הן מילים נרדפות. אתם בוודאי זוכרים שחומצה אוקסלואצטית היא מרכיב בתגובה הראשונה של מחזור קרבס.

כאן אנו מציינים את המוזרות של התגובה: היווצרות NADH 2, שיוביל אלקטרונים לשרשרת הנשימה. אל תשכחו גם תגובות 3,4 ו-6, שבהן נוצרים גם נשאי אלקטרונים ופרוטונים לשרשרת הנשימה.

כפי שאתה יכול לראות, הדגשתי במיוחד באדום את התגובות שבמהלכן נוצרות NADH ו-FADH2. אלו חומרים חשובים מאוד לשרשרת הנשימה. בירוק הדגשתי את התגובה שבה מתרחשת זרחון מצע ומתקבל GTP.

איך לזכור את כל זה?

למעשה, זה לא כל כך קשה. לאחר שקראתי במלואו את שני המאמרים שלי, כמו גם את ספר הלימוד וההרצאות שלך, אתה רק צריך להתאמן בכתיבת התגובות האלה. אני ממליץ לזכור את מחזור קרבס בבלוקים של 4 תגובות. כתבו את 4 התגובות הללו מספר פעמים, בחרו אסוציאציה לכל אחת שמתאימה לזיכרון שלכם.

למשל, מיד נזכרתי בתגובה השנייה בקלות רבה, שבה נוצרת חומצה איזוציטרית מחומצת לימון (לדעתי היא מוכרת לכולם מילדות).

אתה יכול גם להשתמש בתזכירים מנמוניים כגון: אננס שלם ופרוסת סופלה היום זה בעצם ארוחת הצהריים שלי, המתאים לסדרה - ציטראט, cis-aconitate, isocitrate, alpha-ketoglutarate, succinyl-CoA, succinate, fumarate, malate, oxaloacetate. יש עוד הרבה כאלה.

אבל, למען האמת, כמעט אף פעם לא אהבתי שירים כאלה. לדעתי קל יותר לזכור את רצף התגובות עצמו. עזרתי מאוד על ידי חלוקת מחזור קרבס לשני חלקים, שכל אחד מהם התאמנתי לכתוב מספר פעמים בשעה. ככלל, זה קרה בזוגות כמו פסיכולוגיה או ביואתיקה. זה מאוד נוח - מבלי להסיח את דעתך מההרצאה, אתה יכול ממש להקדיש דקה לכתיבת התגובות כפי שאתה זוכר אותן, ואז לבדוק עם האפשרות הנכונה.

אגב, באוניברסיטאות מסוימות, לצורך מבחנים ומבחנים בביוכימיה, המורים אינם דורשים ידע על התגובות עצמן. אתה רק צריך לדעת מהו מחזור קרבס, היכן הוא מתרחש, מהן התכונות והמשמעות שלו, וכמובן, את שרשרת הטרנספורמציות עצמה. ניתן לתת שם רק לשרשרת ללא נוסחאות, תוך שימוש רק בשמות של חומרים. גישה זו אינה הגיונית, לדעתי.

אני מקווה שהמדריך שלי למחזור החומצה הטריקרבוקסילית עזר לך. ואני רוצה להזכיר לך ששני המאמרים האלה אינם תחליף מלא להרצאות וספרי הלימוד שלך. כתבתי אותם רק כדי שתבינו בערך מה זה מחזור קרבס. אם פתאום אתה רואה טעות כלשהי במדריך שלי, אנא כתוב עליה בתגובות. תודה על תשומת הלב!

(TsTK, מחזור ציטראט, מחזור קרבס)

TCA, כמו התגובות של חמצון מיטוכונדריה, מתרחש במיטוכונדריה. זוהי סדרה של תגובות נסגרות במחזור.

מולקולות ה-PAA המתקבלות מגיבות עם מולקולת Acetyl-CoA חדשה והמחזור חוזר שוב מהיווצרות הציטראט ועד להפיכתו ל-PAA.

ארבעה מתוך תשעה מצעי MtO מעורבים בתגובות של מחזור זה.

מתרחשת סדרה של תגובות דהידרוגנאז. מתוכם, ה-3, ה-4 וה-8 מתרחשים בהשתתפות דהידרוגנאז תלויי NAD, וכל אחת מהתגובות הללו מאפשרת לקבל 3 מולקולות ATP. בשלב ה-6 מתרחשת תגובת דהידרוגנאז תלוית FAD, הקשורה ליצירת 2 מולקולות ATP (P/O = 2).

בשלב החמישי נוצרת מולקולת ATP אחת על ידי זרחון מצע.

בסך הכל, 12 מולקולות ATP נוצרות עבור מחזור אחד של מחזור TCA.

המשמעות של ה-TCA היא ששאריות חומצה אצטית מתפרקות עם היווצרות כמות גדולה של ATP. בנוסף, CO 2 ו H 2 O נוצרים משאריות אצטט כמוצרים סופיים של חילוף החומרים.

CO 2 נוצר במהלך ה-CTC פעמיים:

1. בשלב השלישי (חימצון של איזוציטרט)

2. בשלב הרביעי (חימצון אלפא-קטוגלוטרט).

אם מוסיפים עוד מולקולה אחת של CO 2, שנוצרת לפני תחילת ה-CTC - במהלך הפיכת PVC לאצטיל-CoA, אז אפשר לדבר על שלוש מולקולות CO 2 שנוצרות במהלך פירוק ה-PVC. בסך הכל, מולקולות אלו, שנוצרות במהלך פירוק ה-PVC, מהוות עד 90% מהפחמן הדו-חמצני, המופרש מהגוף.

משוואת CTC סופית

משמעות ביולוגית של CTC

התפקיד העיקרי של ה-CTC הוא היווצרות של כמות גדולה של ATP.

1. CTK הוא המקור העיקרי ל-ATP. האנרגיה להיווצרות כמות גדולה של ATP מסופקת על ידי פירוק מלא של אצטיל-CoA ל-CO 2 ו- H 2 O.

2. CTC הוא שלב סופני אוניברסלי של קטבוליזם של חומרים מכל המעמדות.

3. TCA ממלא תפקיד חשוב בתהליכי האנבוליזם (תוצרי ביניים של TCA):

מציטראט → סינתזת חומצות שומן

מסינתזת חומצות אמינו אלפא-קטוגלוטרט ו-PAA →

מ פייק → סינתזת פחמימות

מתוך succinyl-CoA → סינתזה של heme hemoglobin

CTC לוויסות עצמי אוטונומי

ישנם שני אנזימים מרכזיים ב-TCA:

1) ציטראט סינתאז (תגובה ראשונה)

2) isocitrate dehydrogenase (תגובה שלישית)

שני האנזימים מעוכבים אלוסטרית על ידי עודף ATP ו-NADH 2. Isocitrate dehydrogenase מופעל חזק על ידי ADP. אם אין ADP, אז האנזים הזה אינו פעיל. בתנאים של מנוחה אנרגטית, ריכוז ה-ATP עולה, וקצב תגובות ה-TCA נמוך - סינתזת ה-ATP פוחתת.

Isocitrate dehydrogenase מעוכב על ידי ATP הרבה יותר חזק מאשר ציטראט סינתאז; לכן, בתנאים של מנוחה אנרגיה, ריכוז הציטראט עולה, והוא חודר לציטופלזמה לאורך שיפוע הריכוז על ידי דיפוזיה קלה. בציטופלזמה, הציטראט הופך לאצטיל-CoA, המעורב בסינתזה של חומצות שומן.

4. מחזור חומצה טריקרבוקסילית

המרכיב השני של מסלול הקטבוליזם הכולל הוא ה-CTC. מחזור זה התגלה בשנת 1937 על ידי קרבס וג'ונסון. בשנת 1948, קנדי ​​ולהנינגר הוכיחו כי אנזימי ה-TCA ממוקמים במטריקס המיטוכונדריאלי.

4.1. כימיה של מחזור החומצה הטריקרבוקסילית.חומצה אצטית חופשית אינה ניתנת לחמצון על ידי דה-הידרוגנציה. לכן, הוא נמצא בצורתו הפעילה (אצטיל-CoA) הקשור בעבר לאוקסלואצטט (PAA, חומצה אוקסלואצטית), וכתוצאה מכך היווצרות ציטראט.

1. אצטיל-CoA מתחבר עם אוקסלואצטט בתגובת עיבוי אלדול המזוזלת על ידי סינתאז ציטראט. נוצר Citril-CoA. Citryl-CoA עובר הידרוליזה בהשתתפות מים לציטראט ו-HS-CoA.

2. Aconitate hydratase (אבל conitase) מזרז את ההמרה של ציטראט לאיזוציטרט באמצעות שלב חומצה ציס-אקוניטית. על פי מנגנון הפעולה, אקוניטאז הוא גם הידראז וגם איזומראז.

3. isocitrate dehydrogenaseמזרז את דה-הידרוגנציה של חומצה איזוציטרית לאוקסלוסוצ'ינט (חומצה אוקסלוסוצ'נית), אשר לאחר מכן עוברת decarboxylated ל-2-oxoglutarate (α-ketoglutarate). הקואנזים הוא NAD+ (במיטוכונדריה) ו-NADP+ (בציטוסול ובמיטוכונדריה).

4. קומפלקס 2-אוקסוגלוטרט דהידרוגנאז (קומפלקס α-ketoglutarate dehydrogenase)מזרז את ה-decarboxylation החמצוני של 2-oxoglutarate ל-succinyl-CoA. רב אנזימטי 2-אוקסוגלוטרט דהידרוגנאזהקומפלקס דומה לקומפלקס פירובאט דהידרוגנאז והתהליך ממשיך בדומה לדה-קרבוקסילציה חמצונית של פירובט.

5. Succinylthiokinaseמזרז פירוק של succinyl-CoA לחומצה סוקסינית וקו-אנזים A. האנרגיה לפירוק של succinyl-CoA מצטברת בצורה של guanosine triphosphate (GTP). בתגובת רפוספורילציה מצמדת, ADP מזורחן ל-ATP, וניתן לזרחן מחדש את מולקולות ה-GDP המשוחררות ( זרחון מצע). בצמחים, האנזים ספציפי ל-ADP ו-ATP.

6. סוקסינאט דהידרוגנאזמזרז את ההמרה של סוקסינאט לחומצה פומארית. האנזים הוא סטריאוספציפי, הוא חלבון אינטגרלי, שכן הוא מוטבע בממברנה הפנימית של המיטוכונדריה ומכיל חלבוני FAD וחלבוני ברזל-גופרית כקבוצות תותבות. FADH 2 אינו מופרד מהאנזים, ושני אלקטרונים מועברים בהמשך לקו-אנזים Q של שרשרת הובלת האלקטרונים של קרום המיטוכונדריה הפנימית.

7.Fumarate hydratase (fumarase)מזרז את ההמרה של חומצה פומארית לחומצה מאלית (מאלאט) בהשתתפות מים. האנזים הוא סטריאוספציפי, ויוצר רק L-malate.

8.מלאט דהידרוגנאזמזרז את החמצון של חומצה מאלית לאוקסלואצטט. קואנזים מאלאט דהידרוגנאז - NAD +. יתר על כן, אוקסלואצטט מתעבה שוב עם אצטיל-CoA והמחזור חוזר על עצמו.

4.2. משמעות ביולוגית וויסות מחזור החומצה הטריקרבוקסילית.מחזור החומצות הטריקרבוקסיליות הוא מרכיב במסלול הקטבוליזם הכולל שבו מולקולות הדלק של פחמימות, חומצות שומן וחומצות אמינו מתחמצנות. רוב מולקולות הדלק נכנסות ל-TCA בצורה של אצטיל-CoA (איור 1). כל תגובות ה- TCA מתנהלות בצורה מתואמת באותו כיוון. הערך הכולל של D G 0 ¢ = -40 kJ / mol.

בקרב הרופאים, יש כבר זמן רב משפט קטלני "שומנים נשרפים בלהבת הפחמימות". יש להבין זאת כחמצון של אצטיל-CoA, שמקורו העיקרי הוא חמצון β של חומצות שומן, לאחר עיבוי עם אוקסלואצטט, הנוצר בעיקר מפחמימות (במהלך הקרבוקסילציה של פירובט). עם הפרעות במטבוליזם של פחמימות או הרעבה, נוצר מחסור באוקסלואצטט, המוביל לירידה בחמצון של אצטיל-CoA ב-TCA.

איור.1. תפקידו של TCA בנשימה תאית. מיצוי שלב 1 (CTC) של 8 אלקטרונים ממולקולת האצטיל-CoA; שלב 2 (שרשרת הובלה של אלקטרונים) הפחתה של שתי מולקולות חמצן ויצירת שיפוע פרוטון (~36 H +); שלב 3 (ATP synthase) שימוש באנרגיה של שיפוע הפרוטון ליצירת ATP (~9 ATP) (Berg J.M., Tymoczko J.L., Stryer L. Biochemistry. N-Y: W.H.Freeman and Company, 2002 ).

התפקיד המטבולי העיקרי של TCA יכול להיות מיוצג כשני תהליכים: 1) סדרה של תגובות חיזור, כתוצאה מהן מתחמצנת קבוצת האצטיל לשתי מולקולות CO2; 2) דה-הידרוגנציה מרובעת, המובילה ליצירת 3 מולקולות NADH + H + מולקולת FADH 2 אחת. חמצן נדרש לתפקוד ה-CTC בעקיפין כמקבל אלקטרונים בקצה שרשראות הובלה של אלקטרונים ולחידוש של NAD+ ו-FAD.

לסינתזה ולהידרוליזה של ATP יש חשיבות עיקרית לוויסות TCA.

1. Isocitrate dehydrogenase מופעל אלוסטרילית על ידי ADP על ידי הגברת הזיקה של האנזים לסובסטרט. NADH מעכב אנזים זה על ידי החלפת NAD + . ATP גם מעכב איזוציטראט דהידרוגנאז. חשוב שהמרת מטבוליטים ל-TCA דורשת NAD+ ו-FAD במספר שלבים, שכמותם מספיקה רק בתנאים של טעינת אנרגיה נמוכה.

2. הפעילות של קומפלקס 2-oxoglutarate dehydrogenase (α-ketoglutarate dehydrogenase) מווסתת בדומה לוויסות הקומפלקס pyruvate dehydrogenase . קומפלקס זה מעוכב על ידי succinyl-CoA ו-NADH (תוצרים סופיים של טרנספורמציות המזרזות על ידי קומפלקס 2-oxoglutarate dehydrogenase). בנוסף, קומפלקס 2-oxogluttarate dehydrogenase מעוכב על ידי מטען האנרגיה הגבוה של התא. אז, קצב הטרנספורמציות ב-TCA יורד עם אספקה ​​מספקת של ATP לתא (איור 11.2). במספר חיידקים, ציטראט סינתאז מעוכב באופן אלוסטרי על ידי ATP על ידי הגדלת ה-KM עבור אצטיל-CoA.

תכנית הרגולציה של המסלול הכללי של קטבוליזם מוצגת באיור 2.

אורז. 2. ויסות הנתיב הכללי של הקטבוליזם. המולקולות העיקריות המווסתות את תפקוד ה-TCA הן ATP ו-NADH. נקודות הרגולציה העיקריות הן איזוציטראט דהידרוגנאז ו-2-oxoglutarate dehydrogenase קומפלקס.

4.3. תפקיד אנרגטי של המסלול הכללי של קטבוליזם

במסלול הקטבוליזם הכללי, נוצרות 3 מולקולות של CO 2 ממולקולה 1 של חומצה פירובית בתגובות הבאות: במהלך דקרבוקסילציה חמצונית של חומצה פירובית, במהלך דקרבוקסילציה של חומצה איזוציטרית, ובמהלך דקרבוקסילציה של חומצה 2-אוקסוגלוטרית. בסך הכל, במהלך החמצון של מולקולה 1 של חומצה פירובית, נלקחים חמישה זוגות של אטומי מימן, מתוכם זוג אחד הוא מסוקסינאט ונכנס ל-FAD עם היווצרות FADH 2, וארבעה זוגות - עבור 4 מולקולות של NAD + עם היווצרות של 4 מולקולות של NADH + H + במהלך דקרבוקסילציה חמצונית של חומצה פירובית., חומצות 2-אוקסוגלוטריות, דהידרוגנציה של איזוציטרט ומלאט. בסופו של דבר, אטומי מימן מועברים לחמצן עם יצירת מולקולות 5 H 2 O, והאנרגיה המשתחררת מצטברת בתגובות זרחן חמצוני בצורה של מולקולות ATP.

סכום סופי:

1. דה-קרבוקסילציה חמצונית של פירובט ~ 2.5 ATP.

2. ב-TCA ובשרשרות נשימתיות נלוות ~ 9 ATP.

3. בתגובה של זרחון סובסטרט של CTK ~ 1 ATP.

ב-TCA ובתגובות קשורות של זרחון חמצוני, נוצרים כ-10 ATP במהלך החמצון של קבוצת האצטיל של מולקולת אצטיל-CoA אחת

בסך הכל, בנתיב הכללי של קטבוליזם, כתוצאה מהתמורות של מולקולה אחת של חומצה פירובית, משתחררות כ-12.5 מולקולות ATP.