ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ (ЦИКЛ КРЕБСА)

Гликолиз превращает глюкозу в пируват и продуцирует две молекулы АТФ из молекулы глюкозы - это небольшая часть потенциальной энергии этой молекулы.

При аэробных условиях пируват из гликолиза превращается в ацетил-КоА и окисляется в С0 2 в цикле трикарбоновых кислот (цикл лимонной кислоты). При этом электроны, освобождающиеся в реакциях этого цикла, проходят НАДН и ФАДН 2 на 0 2 - конечный акцептор. Электронный транспорт сопряжен с созданием протонного градиента мембраны митохондрий, энергия которого используется затем на синтез АТФ в результате окислительного фосфорилирования. Рассмотрим эти реакции.

В аэробных условиях пировиноградная кислота (1-й этап) подвергается окислительному декарбоксилированию, более эффективному, чем трансформация в молочную кислоту, с образованием ацетил-КоА (2-й этап), который может окисляться до конечных продуктов распада глюкозы - С0 2 и Н 2 0 (3-й этап). Г. Кребс (1900-1981), немецкий биохимик, изучив окисление отдельных органических кислот, объединил их реакции в единый цикл. Поэтому в его честь цикл трикарбоновых кислот часто называют циклом Кребса.

Окисление пировиноградной кислоты до ацетил-КоА происходит в митохондриях при участии трех ферментов (пируватде- гидрогеназа, липоамиддегидрогеназа, липоилацетилтрансфера- за) и пяти коферментов (НАД, ФАД, тиаминпирофосфат, амид липоевой кислоты, коэнзим А). В составе этих четырех коферментов находятся витамины группы В (В х, В 2 , В 3 , В 5), что свидетельствует о необходимости этих витаминов для нормального окисления углеводов. Под влиянием этой сложной ферментной системы пируват в реакции окислительного декарбоксилирования превращается в активную форму уксусной кислоты - ацетил- коэнзим А:

При физиологических условиях пируватдегидрогеназа - исключительно необратимый фермент, что объясняет невозможность конверсии жирных кислот в углеводы.

Наличие макроэргической связи в молекуле ацетил-КоА указывает на высокую реакционную способность этого соединения. В частности, ацетил-КоА может выступать в митохондриях для генерации энергии, в печени избыток ацетил-КоА поступает на синтез кетоновых тел, в цитозоле участвует в синтезах сложных молекул, таких как стериды и жирные кислоты.

Полученный в реакции окислительного декарбоксилирова- ния пировиноградной кислоты ацетил-КоА вступает в цикл три- карбоновых кислот (цикл Кребса). Цикл Кребса - финальный катаболический путь окисления углеводов, жиров, аминокислот, является по существу «метаболическим котлом». Реакции цикла Кребса, протекающие исключительно в митохондриях, также носят название цикла лимонной кислоты или цикла три- карбоновых кислот (ЦТК).

Одной из важнейших функций цикла трикарбоновых кислот является генерация восстановленных коферментов (3 молекулы НАДН + Н + и 1 молекула ФАДН 2) с последующим переносом атомов водорода или их электронов к конечному акцептору - молекулярному кислороду. Этот транспорт сопровождается большим уменьшением свободной энергии, часть которой используется в процессе окислительного фосфорилирования для запасания в форме АТФ. Понятно, что цикл трикарбоновых кислот является аэробным, зависимым от кислорода.

1. Начальная реакция цикла трикарбоновых кислот представляет конденсацию ацетил-КоА и щавелево-уксусной кислоты с участием фермента цитратсинтазы митохондриального матрикса с образованием лимонной кислоты.

2. Под влиянием фермента аконитазы, катализирующего удаление молекулы воды из цитрата, последний превращается

в цыс-аконитовую кислоту. Вода комбинирует с цыс-аконито- вой кислотой, превращаясь в изолимонную.

3. Затем фермент изоцитратдегидрогеназа катализирует первую дегидрогеназную реакцию цикла лимонной кислоты, когда изолимонная кислота превращается в реакции окислительного декарбоксилирования в а-кетоглутаровую:

В этой реакции образуется первая молекула С0 2 и первая молекула НАДН 4- Н + цикла.

4. Дальнейшее превращение а-кетоглутаровой кислоты в сукцинил-КоА катализируется мультиферментным комплексом а-кетоглутаровой дегидрогеназы. Эта реакция химически является аналогом пируватдегидрогеназной реакции. В ней участвуют липоевая кислота, тиаминпирофосфат, HS-KoA, НАД + , ФАД.

В результате этой реакции вновь образуется молекула НАДН + Н + и С0 2 .

5. Молекула сукцинил-КоА имеет макроэргическую связь, энергия которой сохраняется в следующей реакции в форме ГТФ. Под влиянием фермента сукцинил-КоА-синтетазы сукци- нил-КоА превращается в свободную янтарную кислоту. Отметим, что янтарная кислота также может быть получена из ме- тилмалонил-КоА при окислении жирных кислот с нечетным числом атомов углерода.

Эта реакция является примером субстратного фосфорилирования, так как макроэргическая молекула ГТФ в данном случае образуется без участия цепи транспорта электронов и кислорода.

6. Янтарная кислота окисляется в фумаровую кислоту в сук- цинатдегидрогеназной реакции. Сукцинатдегидрогеназа, типичный железосеросодержащий фермент, коферментом которого является ФАД. Сукцинатдегидрогеназа - единственный фермент, фиксируемый на внутренней митохондриальной мембране, тогда как все другие ферменты цикла находятся в митохондриальном матриксе.

7. Затем следует гидратация фумаровой кислоты в яблочную кислоту под влиянием фермента фумаразы в обратимой реакции при физиологических условиях:

8. Финальной реакцией цикла трикарбоновых кислот является малатдегидрогеназная реакция с участием активного фермента митохондриальной НАД~-зависимой малатдегидро- геназы, в которой образуется третья молекула восстановленного НАДН + Н + :

Образованием щавелево-уксусной кислоты (оксалоацетата) завершается один оборот цикла трикарбоновых кислот. Щавелево-уксусная кислота может быть использована в окислении второй молекулы ацетил-КоА, и этот цикл реакций может неоднократно повторяться, постоянно приводя к получению щавелево-уксусной кислоты.

Таким образом, окисление в ЦТК одной молекулы ацетил- КоА как субстрата цикла приводит к получению одной молекулы ГТФ, трех молекул НАДФ + Н + и одной молекулы ФАДН 2 . Окисление этих восстановителей в цепи биологического окис-

ления приводит к синтезу 12 молекул АТФ. Этот расчет понятен из темы «Биологическое окисление»: включение одной молекулы НАД + в систему транспорта электронов сопровождается в конечном счете образованием 3 молекул АТФ, включение молекулы ФАДН 2 обеспечивает образование 2 молекул АТФ и одна молекула ГТФ эквивалентна 1 молекуле АТФ.

Отметим, что два атома углерода адетил-КоА вступают в цикл трикарбоновых кислот и два атома углерода покидают цикл в виде С0 2 в реакциях декарбоксилирования, катализируемых изоцитратдегидрогеназой и альфа-кетоглутарат-дегид- рогеназой.

При полном окислении молекулы глюкозы в аэробных условиях до С0 2 и Н 2 0 образование энергии в форме АТФ составляет:

• 4 молекулы АТФ при конверсии молекулы глюкозы в 2 молекулы пировиноградной кислоты (гликолиз);
• 6 молекул АТФ, образующиеся в 3-фосфоглицеральдегид- дегидрогеназной реакции (гликолиз);
• 30 молекул АТФ, образующиеся при окислении двух молекул пировиноградной кислоты в пируватдегидрогеназной реакции и в последующих превращениях двух молекул аце- тил-КоА до С0 2 и Н 2 0 в цикле трикарбоновых кислот. Следовательно, общий выход энергии при полном окислении молекулы глюкозы может составлять 40 молекул АТФ. Однако следует принять во внимание, что при окислении глюкозы на стадии превращения глюкозы в глюкозо-6-фосфат и на стадии превращения фруктозо-6-фосфата во фруктозо-1,6-дифосфат затрачено две молекулы АТФ. Поэтому «чистый» выход энергии при окислении молекулы глюкозы составляет 38 молекул АТФ.

Можно сравнить энергетику анаэробного гликолиза и аэробного катаболизма глюкозы. Из 688 ккал энергии, теоретически заключенных в 1 грамм-молекуле глюкозы (180 г), 20 ккал находятся в двух молекулах АТФ, образующихся в реакциях анаэробного гликолиза, и 628 ккал теоретически остаются в форме молочной кислоты.

В аэробных условиях из 688 ккал грамм-молекулы глюкозы в 38 молекулах АТФ получено 380 ккал. Таким образом, эффективность использования глюкозы в аэробных условиях выше, чем в анаэробном гликолизе, примерно в 19 раз.

Следует указать, что все реакции окисления (окисление три- озофосфата, пировиноградной кислоты, четыре реакции окисления цикла трикарбоновых кислот) конкурируют в синтезе АТФ из АДФ и Ф неор (эффект Пастера). Это значит, что образующаяся молекула НАДН + Н + в реакциях окисления имеет выбор между реакциями дыхательной системы, переносящими водород на кислород, и ферментом ЛДГ, передающим водород на пировиноградную кислоту.

На ранних стадиях цикла трикарбоновых кислот его кислоты могут выходить из цикла для участия в синтезе других соединений клетки без нарушений функционирования самого цикла. Различные факторы вовлекаются в регуляцию активности цикла трикарбоновых кислот. Среди них в первую очередь следует назвать поступление молекул ацетил-КоА, активность пируватдегидрогеназного комплекса, активность компонентов дыхательной цепи и сопряженное с ней окислительное фосфорилирование, а также уровень щавелево-уксусной кислоты.

Молекулярный кислород непосредственно не участвует в цикле трикарбоновых кислот, однако его реакции осуществляются только в аэробных условиях, так как НАД~ и ФАД могут быть регенерированы в митохондриях лишь при переносе электронов на молекулярный кислород. Следует подчеркнуть, что гликолиз, в отличие от цикла трикарбоновых кислот, возможен и при анаэробных условиях, так как НАД~ регенерируется при переходе пировиноградной кислоты в молочную.

Помимо образования АТФ, цикл трикарбоновых кислот имеет еще одно важное значение: цикл обеспечивает структурами-посредниками различные биосинтезы организма. Например, большинство атомов порфиринов происходит из сукцинил- КоА, многие аминокислоты являются производными а-кето- глутаровой и щавелево-уксусной кислот, а фумаровая кислота имеет место в процессе синтеза мочевины. В этом проявляется интегральность цикла трикарбоновых кислот в обмене углеводов, жиров, белков.

Как показывают реакции гликолиза, способность большинства клеток генерировать энергию заключена в их митохондриях. Число митохондрий в различных тканях связано с физиологическими функциями тканей и отражает их возможность участия в аэробных условиях. Например, эритроциты не имеют митохондрий и, следовательно, не обладают способностью генерировать энергию, используя кислород как конечный акцептор электронов. Однако в сердечной мышце, функционирующей в аэробных условиях, половина объема цитоплазмы клеток представлена митохондриями. Печень также зависит от аэробных условий для своих различных функций, и гепатоциты млекопитающих содержат до 2 тыс. митохондрий в одной клетке.

Митохондрии включают две мембраны - внешнюю и внутреннюю. Внешняя мембрана более простая, состоящая из 50% жиров и 50% белков, имеет сравнительно мало функций. Внутренняя мембрана структурно и функционально представляется более сложной. Примерно 80% ее объема составляют белки. Она содержит большинство ферментов, участвующих в электронном транспорте и окислительном фосфорилировании, метаболические посредники и аденин-нуклеотиды между цитозолем и митохондриальным матриксом.

Различные нуклеотиды, вовлекаемые в окислительно-восстановительные реакции, такие как НАД + , НАДН, НАДФ + , ФАД и ФАДН 2 , не проникают сквозь внутреннюю митохондриальную мембрану. Ацетил-КоА не может поступать из митохондриального отдела в цитозоль, где он требуется для синтеза жирных кислот или стеролов. Поэтому внутримитохондри- альный ацетил-КоА конвертируется в цитрат-синтазной реакции цикла трикарбоновых кислот и в таком виде поступает в цитозоль.

Образующийся в ПВК-дегидрогеназной реакции ацетил-SКоА далее вступает в цикл трикарбоновых кислот (ЦТК, цикл лимонной кислоты, цикл Кребса). Кроме пирувата, в цикл вовлекаются кетокислоты, поступающие из катаболизма аминокислот или каких-либо иных веществ.

Цикл трикарбоновых кислот

Цикл протекает в матриксе митохондрий и представляет собой окисление молекулы ацетил-SКоА в восьми последовательных реакциях.

В первой реакции связываются ацетил и оксалоацетат (щавелевоуксусная кислота) с образованием цитрата (лимонной кислоты), далее происходит изомеризация лимонной кислоты до изоцитрата и две реакции дегидрирования с сопутствующим выделением СО 2 и восстановлением НАД.

В пятой реакции образуется ГТФ, это реакция субстратного фосфорилирования . Далее последовательно происходит ФАД-зависимое дегидрирование сукцината (янтарной кислоты), гидратация фумаровой кислоты до малата (яблочная кислота), далее НАД-зависимое дегидрирование с образованием в итоге оксалоацетата .

В итоге после восьми реакций цикла вновь образуется оксалоацетат.

Последние три реакции составляют так называемый биохимический мотив (ФАД-зависимое дегидрирование, гидратация и НАД-зависимое дегидрирование, он используется для введения кетогруппы в структуру сукцината. Этот мотив также присутствует в реакциях β-окисления жирных кислот . В обратной последовательности (восстановление, де гидратация и восстановление) этот мотив наблюдается в реакциях синтеза жирных кислот .

Функции ЦТК

1. Энергетическая

• генерация атомов водорода для работы дыхательной цепи , а именно трех молекул НАДН и одной молекулы ФАДН2 ,
• синтез одной молекулы ГТФ (эквивалентна АТФ).

2. Анаболическая . В ЦТК образуются

• предшественник гема – сукцинил-SКоА ,
• кетокислоты, способные превращаться в аминокислоты – α-кетоглутарат для глутаминовой кислоты, оксалоацетат для аспарагиновой,
• лимонная кислота , используемая для синтеза жирных кислот ,
• оксалоацетат , используемый для синтеза глюкозы .

Анаболические реакции ЦТК

Регуляция цикла трикарбоновых кислот

Аллостерическая регуляция

Ферменты, катализирующие 1-ю, 3-ю и 4-ю реакции ЦТК, являются чувствительными к аллостерической регуляции метаболитами:

Регуляция доступностью оксалоацетата

Главным и основны регулятором ЦТК является оксалоацетат , а точнее его доступность. Наличие оксалоацетата вовлекает в ЦТК ацетил-SКоА и запускает процесс.

Обычно в клетке имеется баланс между образованием ацетил-SКоА (из глюкозы, жирных кислот или аминокислот) и количеством оксалоацетата. Источником оксалоацетата является пируват , (образуемый из глюкозы или аланина), получение из аспарагиновой кислоты в результате трансаминирования или цикла АМФ-ИМФ, и также поступление из фруктовых кислот самого цикла (янтарной, α-кетоглутаровой, яблочной, лимонной), которые могут образоваться при катаболизме аминокислот или поступать из других процессов.

Синтез оксалоацетата из пирувата

Регуляция активности фермента пируваткарбоксилазы осуществляется при участии ацетил-SКоА . Он является аллостерическим активатором фермента, и без него пируваткарбоксилаза практически неактивна. Когда ацетил-SКоА накапливается, то фермент начинает работать и образуется оксалоацетат, но, естественно, только при наличии пирувата.

Также большинство аминокислот при своем катаболизме способны превращаться в метаболиты ЦТК, которые далее идут в оксалоацетат, чем также поддерживается активность цикла.

Пополнение пула метаболитов ЦТК из аминокислот

Реакции пополнения цикла новыми метаболитами (оксалоацетат, цитрат, α-кетоглутарат и т.п) называются анаплеротическими .

Роль оксалоацетата в метаболизме

Примером существенной роли оксалоацетата служит активация синтеза кетоновых тел и кетоацидоз плазмы крови при недостаточном количестве оксалоацетата в печени . Такое состояние наблюдается при декомпенсации инсулинзависимого сахарного диабета (СД 1 типа) и при голодании. При указанных нарушениях в печени активирован процесс глюконеогенеза , т.е. образования глюкозы из оксалоацетата и других метаболитов, что влечет за собой снижение количества оксалоацетата. Одновременная активация окисления жирных кислот и накопление ацетил-SКоА запускает резервный путь утилизации ацетильной группы – синтез кетоновых тел . В организме при этом развивается закисление крови (кетоацидоз ) с характерной клинической картиной: слабость, головная боль, сонливость, снижение мышечного тонуса, температуры тела и артериального давления.

Изменение скорости реакций ЦТК и причины накопления кетоновых тел при некоторых состояниях

Описанный способ регуляции при участии оксалоацетата является иллюстрацией к красивой формулировке "Жиры сгорают в пламени углеводов ". В ней подразумевается, что "пламень сгорания" глюкозы приводит к появлению пирувата, а пируват превращается не только в ацетил-SКоА, но и в оксалоацетат. Наличие оксалоацетата гарантирует включение ацетильной группы, образуемой из жирных кислот в виде ацетил-SКоА, в первую реакцию ЦТК.

В случае масштабного "сгорания" жирных кислот, которое наблюдается в мышцах при физической работе и в печени при голодании , скорость поступления ацетил-SКоА в реакции ЦТК будет напрямую зависеть от количества оксалоацетата (или окисленной глюкозы).

Если количество оксалоацетата в гепатоците недостаточно (нет глюкозы или она не окисляется до пирувата), то ацетильная группа будет уходить на синтез кетоновых тел . Такое происходит при длительном голодании и сахарном диабете 1 типа .

Я рассказывал о том, что это вообще такое, для чего цикл Кребса нужен и какое место в метаболизме он занимает. Теперь давайте приступим к самим реакциям этого цикла.

Сразу оговорюсь — лично для меня заучивание реакций было совершенно бессмысленным занятием до того, пока я не разобрал вышеуказанные вопросы. Но если вы уже разобрались с теорией, предлагаю перейти к практике.

Вы можете увидеть множество способов написания цикла Кребса. Чаще всего встречаются варианты вроде этого:

Но мне удобнее всего показался способ написания реакций из старого доброго учебника по биохимии от авторов Берёзова Т.Т. и Коровкина Б.В.

Первая реакция

Уже знакомые нам Ацетил-КоА и Оксалоацетат соединяются и превращаются в цитрат, то есть в лимонную кислоту .

Вторая реакция

Теперь берём лимонную кислоту и превращаем её изолимонную кислоту . Другое название этого вещества — изоцитрат.

На самом деле, эта реакция идёт несколько сложнее, через промежуточную стадию — образование цис-аконитовой кислоты. Но я решил упростить, чтобы вы получше запомнили. При необходимости вы сможете добавить сюда недостающую ступень, если будете помнить всё остальное.

По сути, две функциональные группы просто поменялись местами.

Третья реакция

Итак, у нас получилась изолимонная кислота. Теперь её нужно декарбоксилировать (то есть отщипнуть COOH) и дегидрировать (то есть отщипнуть H) . Получившееся вещество — это a-кетоглутарат .

Эта реакция примечательна тем, что здесь образуется комплекс HAДH 2 . Это значит, что переносчик НАД подхватывает водород, чтобы запустить дыхательную цепь.

Мне нравится вариант реакций Цикла Кребса в учебнике Берёзова и Коровкина именно тем, что сразу отлично видно атомы и функциональные группы, которые участвуют в реакциях.

Четвёртая реакция

Снова как часы работает никотинАмидАденинДинуклеотид, то есть НАД . Это славный переносчик появляется здесь, как и в прошлом шаге, чтобы захватить водород и унести его в дыхательную цепь.

Кстати, получившееся вещество — сукцинил-КоА , не должно вас пугать. Сукцинат — это другое название янтарной кислоты, хорошо знакомой вам со времён биоорганической химии. Сукцинил-Коа — это соединение янтарной кислоты с коэнзимом-А. Можно сказать, что это эфир янтарной кислоты.

Пятая реакция

В прошлом шаге мы говорили, что сукцинил-КоА — это эфир янтарной кислоты. А теперь мы получим саму янтарную кислоту , то есть сукцинат, из сукцинила-КоА. Крайне важный момент: именно в этой реакции происходит субстратное фосфорилирование .

Фосфорилирование вообще (оно бывает окислительное и субстратное) — это добавление фосфорной группы PO 3 к ГДФ или АТФ, чтобы получить полноценный ГТФ , или соответственно, АТФ. Субстратное отличается тем, что эта самая фосфорная группа отрывается от какого-либо вещества, её содержащую. Ну проще говоря, она переносится с СУБСТРАТА на ГДФ или АДФ. Поэтому и называется — «субстратное фосфорилирование».

Ещё раз: на момент начала субстратного фосфорилирования у нас имеется дифосфатная молекула — гуанозинДифосфат или аденозинДифосфат. Фосфорилирование заключается в том, что молекула с двумя остатками фосфорной кислоты — ГДФ или АДФ «достраивается» до молекулы с тремя остатками фосфорной кислоты, чтобы получились гуанозинТРИфосфат или аденозинТРИфосфат. Этот процесс происходит во время превращения сукцинила-КоА в сукцинат (то есть, в янтарную кислоту).

На схеме вы можете увидеть буквы Ф (н). Это значит «неорганический фосфат». Неорганический фосфат переходит от субстрата на ГДФ, чтобы в продуктах реакции был хороший, полноценный ГТФ. Теперь давайте посмотрим на саму реакцию:

Шестая реакция

Следующее превращение. На сей раз янтарная кислота, которую мы получили в прошлом этапе, превратится в фумарат , обратите внимание на новую двойную связь.

На схеме отлично видно, как в реакции участвует ФАД : этот неутомимый переносчик протонов и электронов подхватывает водород и утаскивает его непосредственно в дыхательную цепь.

Седьмая реакция

Мы уже на финишной прямой. Предпоследняя стадия Цикла Кребса — это реакция превращения фумарата в L-малат. L-малат — это другое название L-яблочной кислоты , знакомой ещё с курса биоорганической химии.

Если вы посмотрите на саму реакцию, вы увидите, что, во-первых, она проходит в обе стороны, а во-вторых, её суть — гидратирование. То есть фумарат просто присоединяет к себе молекулу воды, в итоге получается L-яблочная кислота.

Восьмая реакция

Последняя реакция Цикла Кребса — это окисление L-яблочной кислоты до оксалоацетата, то есть до щавелевоуксусной кислоты . Как вы поняли, «оксалоацетат» и «щавелевоуксусная кислота» — это синонимы. Вы, наверное, помните, что щавелевоуксусная кислота является компонентом первой реакции цикла Кребса.

Здесь же отмечаем особенность реакции: образование НАДH 2 , который понесёт электроны в дыхательную цепь. Не забудьте также реакции 3,4 и 6, там также образуются переносчики электронов и протонов для дыхательной цепи.

Как видите, я специально выделил красным цветом реакции, в ходе которых образуются НАДH и ФАДH2. Это очень важные вещества для дыхательной цепи. Зелёным я выделил реакцию, в рамках которой происходит субстратное фосфорилирование, и получается ГТФ.

Как это всё запомнить?

На самом деле, не так уж и сложно. Полностью прочитав две моих статьи, а также ваш учебник и лекции, вам нужно просто потренироваться писать эти реакции. Я рекомендую запомнить цикл Кребса блоками по 4 реакции. Напишите эти 4 реакции несколько раз, для каждой подбирая ассоциацию, подходящую именно вашей памяти.

Например, мне сразу очень легко запомнилась вторая реакция, в которой из лимонной кислоты (она, думаю, всем знакома с детства) образуется изолимонная кислота.

Вы можете так же использовать мнемонические запоминалки, такие как: «Целый Ананас И Кусочек Суфле Сегодня Фактически Мой Обед , что соответствует ряду - цитрат, цис -аконитат, изоцитрат, альфа-кетоглутарат, сукцинил-CoA, сукцинат, фумарат, малат, оксалоацетат». Есть ещё куча подобных.

Но, если честно, мне не нравились такие стихи практически никогда. По-моему, проще запомнить саму последовательность реакций. Мне отлично помогло разделение цикла Кребса на две части, каждую из которых я тренировался писать по несколько раз в час. Как правило, это происходило на парах вроде психологии или биоэтики. Это весьма удобно — не отвлекаясь от лекции, вы можете потратить буквально минутку, написав реакции так, как вы их запомнили, а затем сверить с правильным вариантом.

Кстати, в некоторых вузах на зачётах и экзаменах по биохимии преподаватели не требуют знания самих реакций. Нужно знать только что такое цикл Кребса, где он происходит, в чём его особенности и значение, и, разумеется, саму цепочку превращений. Только цепочку можно называть без формул, используя лишь названия веществ. Такой подход не лишён смысла, на мой взгляд.

Надеюсь, моё руководство по циклу трикарбоновых кислот вам помогло. А я хочу напомнить, что эти две статьи не являются полноценной заменой вашим лекциям и учебникам. Я написал их лишь для того, чтобы вы примерно понимали, что такое цикл Кребса. Если вы вдруг увидели какую-то ошибку в моём руководстве, пожалуйста, отпишитесь о ней в комментариях. Спасибо за внимание!

(ЦТК, лимоннокислый цикл, цикл Кребса)

ЦТК, как и реакции митохондриального окисления, протекает в митохондриях. Представляет собой серию реакций, замкнутых в цикл.

Образовавшиеся молекулы ЩУК реагируют с новой молекулой Ацетил-КоА и цикл повторяется вновь от образования цитрата до его превращения в ЩУК.

В реакциях этого цикла участвуют четыре из девяти субстратов МтО.

Происходит серия дегидрогеназных реакций. Из них 3-я, 4-я и 8-я происходят с участием НАД-зависимых дегидрогеназ, и каждая из этих реакций позволяет получить 3 молекулы АТФ. На 6-й стадии происходит ФАД-зависимая дегидрогеназная реакция, которая сопряжена с образованием 2-х молекул АТФ (Р/О = 2).

На 5-й стадии 1 молекула АТФ образуется путем субстратного фосфорилирования.

Итого за 1 оборот ЦТК образуется 12 молекул АТФ.

Смысл ЦТК заключается в том, чтобы остатки уксусной кислоты расщепились с образованием большого количества АТФ. Кроме того, из ацетатных остатков образуется СО 2 и Н 2 О, как конечные продукты обмена веществ.

СО 2 образуется в ходе ЦТК дважды:

1. на третьей стадии (окисление изоцитрата)

2. на четвертой стадии (окисление альфа-кетоглутарата).

Если прибавить еще 1 молекулу СО 2 , которая образуется до начала ЦТК - при превращении ПВК в Ацетил-КоА, то можно говорить о трех молекулах СО 2 , образующихся при распаде ПВК. Суммарно эти молекулы, образующиеся при распаде ПВК, составляют до 90% углекислоты, которая выводится из организма.

ИТОГОВОЕ УРАВНЕНИЕ ЦТК

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ЦТК

ГЛАВНАЯ РОЛЬ ЦТК - ОБРАЗОВАНИЕ БОЛЬШОГО КОЛИЧЕСТВА АТФ.

1. ЦТК - главный источник АТФ. Энергию для образования большого количества АТФ дает полный распад Ацетил-КоА до СО 2 и Н 2 О.

2. ЦТК - это универсальный терминальный этап катаболизма веществ всех классов.

3. ЦТК играет важную роль в процессах анаболизма (промежуточные продукты ЦТК):

Из цитрата → синтез жирных кислот

Из aльфа-кетоглутарата и ЩУК → синтез аминокислот

Из ЩУК → синтез углеводов

Из сукцинил-КоА → синтез гема гемоглобина

АВТОНОМНАЯ САМОРЕГУЛЯЦИЯ ЦТК

В ЦТК два ключевых фермента:

1) цитратсинтаза (1-я реакция)

2) изоцитратдегидрогеназа (3-я реакция)

Оба фермента аллостерически ингибируются избытком АТФ и НАДН 2 . Изоцитратдегидрогеназа сильно активируется АДФ. Если АДФ нет, то этот фермент неактивен. В условиях энергетического покоя концентрация АТФ увеличивается, и скорость реакций ЦТК мала - синтез АТФ уменьшается.

Изоцитратдегидрогеназа ингибируется АТФ намного сильнее, чем цитратсинтаза, поэтому в условиях энергетического покоя повышается концентрация цитрата, и он выходит в цитоплазму по градиенту концентраций путем облегченной диффузии. В цитоплазме цитрат превращается в Ацетил-КоА, который участвует в синтезе жирных кислот.

4. Цикл трикарбоновых кислот

Вторым компонентом общего пути катаболизма является ЦТК. Этот цикл был открыт в 1937 г. Кребсом и Джонсоном. В 1948 г. Кеннеди и Ленинджер доказали, что ферменты ЦТК локализованы в матриксе митохондрий.

4.1. Химизм цикла трикарбоновых кислот. Свободную уксусную кислоту невозможно окислить путем дегидрирования. Поэтому она в активной форме (ацетил-КоА) предварительно связывается с оксалоацетатом (ЩУК, щавелевоуксусной кислотой), в результате чего образуется цитрат.

1. Ацетил-КоА соединяется с оксалоацетатом в реакции альдольной конденсации, катализируемой цитратсинтазой . Образуется цитрил-КоА. Цитрил-КоА при участии воды гидролизуется до цитрата и НS -КоА.

2. Аконитат-гидратаза (аконитаза ) катализирует превращение цитрата в изоцитрат через стадию цис-аконитовой кислоты. Аконитаза по механизму действия одновременно гидратаза и изомераза.

3. Изоцитратдегидрогеназа катализирует дегидрирование изолимонной кислоты в оксалосукцинат (щавелевоянтарную кислоту), которая затем декарбоксилируется в 2-оксоглутарат (α-кетоглутарат). Коферментом является НАД + (в митохондриях) и НАДФ + (в цитозоле и митохондриях).

4. 2-Оксоглутаратдегидрогеназный комплекс (α-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс) катализирует окислительное декарбоксилирование 2-оксоглутарата в сукцинил-КоА. Мультиферментный 2-оксоглутаратдегидрогеназный комплекс похож на пируватдегидрогеназный комплекс и процесс протекает аналогично окислительному декарбоксилированию пирувата.

5. Сукцинилтиокиназа катализирует расщепление сукцинил-КоА на янтарную кислоту и кофермент А. Энергия расщепления сукцинил-КоА накапливается в виде гуанозинтрифосфата (ГТФ). В сопряженной реакции перефосфорилирования АДФ фосфорилируется в АТФ, а освобождающиеся молекулы ГДФ могут вновь фосфорилироваться (субстратное фосфорилирование ). У растений фермент специфичен к АДФ и АТФ.

6. Сукцинатдегидрогеназа катализирует превращение сукцината в фумаровую кислоту. Фермент стереоспецифичен, является интегральным белком, так как вмонтирован во внутреннюю мембрану митохондрий и в качестве простетических групп содержит ФАД и железосерные белки. ФАДН 2 не отделяется от фермента, а два электрона далее передаются на кофермент Q цепи переноса электронов внутренней мембраны митохондрий.

7.Фумарат-гидратаза (фумараза) катализирует превращение фумаровой кислоты в яблочную (малат) с участием воды. Фермент стереоспецифичен, образует только L -малат.

8.Малатдегидрогеназа катализирует окисление яблочной кислоты в оксалоацетат. Кофермент малатдегидрогеназы - НАД + . Далее оксалоацетат вновь конденсируется с ацетил-КоА и цикл повторяется.

4.2. Биологическое значение и регуляция цикла трикарбоновых кислот. Цикл трикарбоновых кислот – компонент общего пути катаболизма, в котором происходит окисление топливных молекул углеводов, жирных кислот и аминокислот. Большинство топливных молекул поступают в ЦТК в виде ацетил-КоА (рис. 1). Все реакции ЦТК протекают согласованно в одном направлении. Суммарная величина D G 0 ¢ = -40 кДж/моль.

В среде врачей давно бытует крылатая фраза «Жиры горят в пламени углеводов». Ее надо понимать как окисление ацетил-КоА, основным источником которого является β-окисление жирных кислот, после конденсации с оксалоацетатом, образуемой, главным образом, из углеводов (при карбоксилировании пирувата). При нарушениях обмена углеводов или голодании создается дефицит оксалоацетата, ведущий к уменьшению окисления ацетил-КоА в ЦТК.

Рис.1. Роль ЦТК в клеточном дыхании. 1 стадия (ЦТК) извлечение из молекулы ацетил-КоА 8 электронов; 2 стадия (цепи переноса электронов) восстановление двух молекул кислорода и формирование протонного градиента (~36 Н +); 3 стадия (АТФ-синтаза) использование энергии протонного градиента для образования АТФ (~9 АТФ) (Berg J .M ., Tymoczko J .L ., Stryer L . Biochemistry . N -Y : W .H .Freeman and Company , 2002).

Основная метаболическая роль ЦТК может быть представлена в виде двух процессов: 1) серия окислительно-восстановительных реакций, в результате которых ацетильная группа окисляется до двух молекул СО 2 ; 2) четырехкратное дегидрирование, ведущее к образованию 3 молекул НАДН+Н + и 1 молекулы ФАДН 2 . Кислород необходим для функционирования ЦТК опосредованно как акцептор электронов в конце цепей переноса электронов и для регенерации НАД + и ФАД.

Основное значение для регуляции ЦТК имеет синтез и гидролиз АТФ.

1. Изоцитратдегидрогеназа аллостерически активируется АДФ путем повышения сродства фермента к субстрату. НАДН ингибирует этот фермент, замещая НАД + . АТФ также ингибирует изоцитратдегидрогеназу. Важно, что превращения метаболитов в ЦТК требуют на нескольких стадиях НАД + и ФАД, количество которых достаточно только в условиях низкого энергетического заряда.

2. Активность 2-оксоглутаратдегидрогеназного (α-кетоглутаратдегидрогеназного) комплекса регулируется аналогично регуляции пируватдегидрогеназного комплекса. Этот комплекс ингибируется сукцинил-КоА и НАДН (конечными продуктами превращений, катализируемых 2-оксоглутаратдегидрогеназным комплексом). Кроме того, 2-оксоглуттаратдегидрогеназный комплекс ингибируется высоким энергетическим зарядом клетки. Итак, скорость превращений в ЦТК уменьшается при достаточной обеспеченности клетки АТФ (рис. 11.2). У ряда бактерий цитратсинтаза аллостерически ингибируется АТФ посредством повышения Км для ацетил-КоА.

Схема регуляции общего пути катаболизма представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Регуляция общего пути катаболизма. Основными молекулами, регулирующими функционирование ЦТК являются АТФ и НАДН. Основными пунктами регуляции являются изоцитратдегидрогеназа и 2-оксоглутаратдегидрогеназный комплекс.

4.3. Энергетическая роль общего пути катаболизма

В общем пути катаболизма из 1 молекулы пировиноградной кислоты образуется 3 молекулы СО 2 в следующих реакциях: при окислительном декарбоксилировании пировиноградной кислоты, при декарбоксилировании изолимонной кислоты и при декарбоксилировании 2-оксоглутаровой кислоты. Всего при окислении 1 молекулы пировиноградной кислоты отнимается пять пар атомов водорода, из них одна пара – от сукцината и поступает на ФАД с образованием ФАДН 2 , а четыре пары – на 4 молекулы НАД + с образованием 4 молекул НАДН+Н + при окислительном декарбоксилировании пировиноградной, 2-оксоглутаровой кислот, дегидрировании изоцитрата и малата. В конечном итоге атомы водорода переносятся на кислород с образованием 5 молекул Н 2 О, а выделившаяся энергия аккумулируется в реакциях окислительного фосфорилирования в виде молекул АТФ.

Общий итог:

1. Окислительное декарбоксилирование пирувата ~ 2,5 АТФ.

2. В ЦТК и сопряженных дыхательных цепях ~ 9 АТФ.

3. В реакции субстратного фосфорилирования ЦТК ~ 1 АТФ.

В ЦТК и сопряженных реакциях окислительного фосфорилирования образуется примерно10 АТФ при окислении ацетильной группы одной молекулы ацетил-КоА

Итого в общем пути катаболизма в результате превращений 1 молекулы пировиноградной кислоты выделяется примерно 12,5 молекул АТФ.