Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) или цикл лимонной кислоты или цикл Кребса – путь окислительных превращений ди- и трикарбоновых кислот, образующихся в качестве промежуточных продуктов при распаде и синтезе белков, жиров и углеводов.
Цикл трикарбоновых кислот представлен в клетках всех организмов: растений, животных и микроорганизмов.
Этот цикл является основой метаболизма и выполняет две важных функции:
Снабжения организма энергией;
Интеграции всех главных метаболических потоков, как катаболических (биорасщепление), так и анаболических (биосинтез).
Напомню, что реакции аэробного гликолиза локализованы в цитоплазме клетки и приводят к образованию пирувата (ПВК).
Последующие превращения пирувата протекают в матриксе митохондрий.
В матриксе пируват превращается в ацетил-КоА – макроэргическое соединение. Реакция катализируется ферментом НАД-зависимой пируватдекарбоксилазой:
Восстановленная форма НАДН∙Н + , образовавшаяся в результате этой реакции, поступает в дыхательную цепь и генерирует 6 молекул АТФ (в пересчете на 1 молекулу глюкозы).
ЦТК представляет собой последовательность из восьми реакций, протекающих в матриксе митохондрий (Рис. 1):
Рис. 1. Схема цикла трикарбоновых кислот
1) Необратимая реакция конденсации ацетил-КоА со щавелевоуксусной кислотой (оксалоацетатом), катализируемая ферментом цитратсинтетазой, с образованием лимонной кислоты (цитрата ).
2) Обратимая реакция изомеризация лимонной кислоты (цитрата ) в изолимонную кислоту (изоцитрат ), в процессе которой происходит перенос гидроксигруппы к другому атому углерода, катализируется ферментом аконитазой .
Реакция идёт
через образование промежуточного
продукта
цис-аканитовой кислоты (цис-аконитата
).
3) Необратимая
реакция окислительного декарбоксилирования изолимонной
кислоты
(изоцитрата
): гидроксигруппа изолимонной
кислоты
окисляется до
карбонильной группы с помощью окисленной формы НАД +
и
одновременно отщепляется карбоксильная
группа в
β-положении с образованием α-кетоглутаровой кислоты
(α-кетоглутарата
).
Промежуточный продукт этой реакции щавелевоянтарная кислота
(оксалосукцинат
).
Это первая реакция цикла, в которой происходит восстановление окисленной формы НАД + -кофермента до НАДН∙Н + , фермента изоцитратдегидрогеназы.
Восстановленная форма НАДН∙Н поступает в дыхательную цепь, там окисляется до НАД + , что приводит к образованию 2 молекул АТФ .
4) Обратимая
реакция окислительного
декарбоксилирования
α-кетоглутаровой
кислоты
до макроэргического
соединения сукцинил-КоА
. Реакцию катализирует фермент 2-оксоглутаратдегидрогеназный комплекс.
5) Реакция является единственной в цикле реакцией субстратного фосфорилирования; катализируется ферментом сукцинил-КоА-синтетазой. В этой реакции сукцинил-КоА при участии гуанодиндифосфата (ГДФ ) и неорганического фосфата (H 3 PO 4 ) превращается в янтарную кислоту (сукцинат ).
Одновременно происходит синтез макроэргического соединения ГТФ за счёт макроэргической связи тиоэфирной связи сукцинил-КоА.
6) Реакция дегидрирования янтарной кислоты (сукцината ) с образованием фумаровой кислоты (фумарата).
Реакция катализируется сложным ферментом сукцинатдегидрогеназой, в молекуле которой кофермент ФАД + ковалентно связан, а белковой частью фермента. Окисленная форма ФАД + в результате реакции восстанавливается до ФАД∙Н 2 .
Восстановленная форма ФАД∙Н 2 поступает в дыхательную цепь, там регенерирует до окисленной формы ФАД + , что приводит к образованию двух молекул АТФ.
7) Реакция гидратации фумаровой кислоты (фумарата ) до яблочной кислоты (малата ). Реакция катализируется ферментом фумаразой.
8) Реакция дегидрирования яблочной кислоты до щавелеуксусной кислоты (оксалоацетата ). Реакция катализируется ферментом НАД + -зависимой-малатдегидрогеназой.
В результате реакции окисленная форма НАД восстанавливается до восстановленной формы НАДН∙Н + .
Восстановленная форма НАДН∙Н поступает в дыхательную цепь, там окисляется до НАД + , что приводит к образованию 2 молекул АТФ.
Суммарное уравнение ЦТК можно записать следующим образом:
Ацетил-КоА + 3НАД + + ФАД + + ГДФ + H 3 PO 4 =
2 CO 2 + H 2 O + HS -КоА + 3НАДН∙Н + ФАД∙Н 2 + ГТФ
Как видно из схемы суммарного уравнения ЦТК в этом процессе восстанавливаются:
Три молекулы НАДН∙Н (реакции 3, 4, 8);
Одна молекула ФАД∙Н 2 (реакция 6).
При аэробном окислении из этих молекул в электрон-транспортной цепи в процессе окислительного фосфорилирования образуется при окислении:
Одной молекулы НАДН∙Н – 3 молекулы АТФ ;
ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ (ЦИКЛ КРЕБСА)
Цикл трикарбоновых кислот впервые был открыт английским биохимиком Г. Кребсом. Он первым постулировал значение данного цикла для полного сгорания пирувата, главным источником которого является гликолитическое превращение углеводов . В дальнейшем было показано, что цикл трикарбо-новых кислот является тем центром, в котором сходятся практически все метаболические пути. Таким образом, цикл Кребса – общий конечный путь окисления ацетильных групп (в виде ацетил-КоА), в которые превращается в процессе катаболизма большая часть органических молекул , играющих роль «клеточного топлива »: углеводов , жирных кислот и аминокислот .
Образовавшийся в результате окислительного декарбоксилирования пирувата в митохондриях ацетил-КоА вступает в цикл Кребса . Данный цикл происходит в матриксе митохондрий и состоит из восьми последовательных реакций (рис. 10.9). Начинается цикл с присоединения ацетил-КоА к оксалоацетату и образования лимонной кислоты (цитрата ). Затем лимонная кислота (шестиуглеродное соединение) путем ряда дегидрирований (отнятие водорода ) и двух декарбоксилирований (отщепление СО 2) теряет два углеродных атома и снова в цикле Кребса превращается в оксалоацетат (четырехуглеродное соединение), т.е. в результате полного оборота цикла одна молекула ацетил-КоА сгорает до СО 2 и Н 2 О, а молекула окса-лоацетата регенерируется. Рассмотрим все восемь последовательных реакций (этапов) цикла Кребса .
Рис. 10.9. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса ).
Первая реакция катализируется ферментом цит-рат-синтазой, при этом ацетильная группа ацетил-КоА конденсируется с оксалоацетатом, в результате чего образуется лимонная кислота :
По-видимому, в данной реакции в качестве промежуточного продукта образуется связанный с ферментом цитрил-КоА. Затем последний самопроизвольно и необратимо гидролизуется с образованием цитрата и HS-KoA.
В результате второй реакции образовавшаяся лимонная кислота подвергается дегидратированию с образованием цис-аконитовой кислоты , которая, присоединяя молекулу воды , переходит в изолимонную кислоту (изоцитрат). Катализирует эти обратимые реакции гидратации–дегидратации фермент аконитатгидратаза (аконитаза). В результате происходит взаимоперемещение Н и ОН в молекуле цитрата :
Третья реакция , по-видимому, лимитирует скорость цикла Кребса . Изолимонная кислота дегидрируется в присутствии НАД-зависимой изо-цитратдегидрогеназы.
В ходе изоцитратдегидрогеназной реакции изолимонная кислота одновременно декарбоксилируется. НАД-зависимая изоцитратдегидрогеназа является аллостерическим ферментом , которому в качестве специфического активатора необходим АДФ . Кроме того, фермент для проявления своей активности нуждается в ионах Mg 2+ или Мn 2+ .
Во время четвертой реакции происходит окислительное декарбокси-лирование α-кетоглутаровой кислоты с образованием высокоэнергетического соединения сукцинил-КоА. Механизм этой реакции сходен с таковым реакции окислительного декарбоксилирования пирувата до ацетил-КоА, α-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс напоминает по своей структуре пируватдегидрогеназный комплекс. Как в одном, так и в другом случае в реакции принимают участие 5 коферментов : ТПФ, амид липоевой кислоты , HS-KoA, ФАД и НАД + .
Пятая реакция катализируется ферментом сукцинил-КоА-синтета-зой. В ходе этой реакции сукцинил-КоА при участии ГТФ и неорганического фосфата превращается в янтарную кислоту (сукцинат ). Одновременно происходит образование высокоэргической фосфатной связи ГТФ за счет высокоэргической тиоэфирной связи сукцинил-КоА:
В результате шестой реакции сукцинат дегидрируется в фумаровую кислоту . Окисление сукцината катализируется сукцинатдегидрогеназой , в молекуле которой с белком прочно (ковалентно) связан кофермент ФАД. В свою очередь сукцинатдегидрогеназа прочно связана с внутренней ми-тохондриальной мембраной :
Седьмая реакция осуществляется под влиянием фермента фума-ратгидратазы (фумаразы ). Образовавшаяся при этом фумаровая кислота гидратируется, продуктом реакции является яблочная кислота (малат). Следует отметить, что фумаратгидратаза обладает стереоспецифичностью (см. главу 4) – в ходе реакции образуется L-яблочная кислота :
Наконец, в ходе восьмой реакции цикла трикарбоновых кислот под влиянием митохондриальной НАД-зависимой малатдегидрогеназы происходит окисление L-малата в оксалоацетат:
Как видно, за один оборот цикла, состоящего из восьми ферментативных реакций , происходит полное окисление («сгорание») одной молекулы ацетил-КоА. Для непрерывной работы цикла необходимо постоянное поступление в систему ацетил-КоА, а коферменты (НАД + и ФАД), перешедшие в восстановленное состояние, должны снова и снова окисляться. Это окисление осуществляется в системе переносчиков электронов в дыхательной цепи (в цепи дыхательных ферментов ), локализованной в мембране митохондрий . Образовавшийся ФАДН 2 прочно связан с СДГ, поэтому он передает атомы водорода через KoQ. Освобождающаяся в результате окисления ацетил-КоА энергия в значительной мере сосредоточивается в макроэргических фосфатных связях АТФ . Из 4 пар атомов водорода 3 пары переносят НАДН на систему транспорта электронов ; при этом в расчете на каждую пару в системе биологического окисления образуется 3 молекулы АТФ (в процессе сопряженного ), а всего, следовательно, 9 молекул АТФ (см. главу 9). Одна пара атомов от сукцинатдегидрогеназы-ФАДН 2 попадает в систему транспорта электронов через KoQ, в результате образуется только 2 молекулы АТФ . В ходе цикла Кребса синтезируется также одна молекула ГТФ (субстратное фосфорилирование ), что равносильно одной молекуле АТФ . Итак, при окислении одной молекулы ацетил-КоА в цикле Кребса и системе окислительного фосфорилирования может образоваться 12 молекул АТФ .
Если подсчитать полный энергетический эффект гликолитического расщепления глюкозы и последующего окисления двух образовавшихся молекул пирувата до СО 2 и Н 2 О, то он окажется значительно большим.
Как отмечалось, одна молекула НАДН (3 молекулы АТФ ) образуется при окислительном декарбоксилировании пирувата в ацетил-КоА. При расщеплении одной молекулы глюкозы образуется 2 молекулы пирувата, а при окислении их до 2 молекул ацетил-КоА и последующих 2 оборотов цикла трикарбоновых кислот синтезируется 30 молекул АТФ (следовательно, окисление молекулы пирувата до СО 2 и Н 2 О дает 15 молекул АТФ ). К этому количеству надо добавить 2 молекулы АТФ , образующиеся при аэробном гликолизе , и 6 молекул АТФ , синтезирующихся за счет окисления 2 молекул внемитохондриального НАДН, которые образуются при окислении 2 молекул глицеральдегид-3-фосфата в дегидрогеназной реакции гликолиза . Следовательно, при расщеплении в тканях одной молекулы глюкозы по уравнению С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 -> 6СО 2 + 6Н 2 О синтезируется 38 молекул АТФ . Несомненно, что в энергетическом отношении полное расщепление глюкозы является более эффективным процессом, чем анаэробный гликолиз .
Необходимо отметить, что образовавшиеся в процессе превращения глицеральдегид-3-фосфата 2 молекулы НАДН в дальнейшем при окислении могут давать не 6 молекул АТФ , а только 4. Дело в том, что сами молекулы внемитохондриального НАДН не способны проникать через мембрану внутрь митохондрий . Однако отдаваемые ими электроны могут включаться в митохондриальную цепь биологического окисления с помощью так называемого глицеролфосфатного челночного механизма (рис. 10.10). Ци-топлазматический НАДН сначала реагирует с цитоплазматическим ди-гидроксиацетонфосфатом, образуя глицерол-3-фосфат. Реакция катализи-
Рис. 10.10. Глицеролфосфатный челночный механизм. Объяснение в тексте.
руется НАД-зависимой цитоплазматической глицерол-3-фосфат-дегидроге-назой:
Дигидроксиацетонфосфат + НАДН + Н + <=> Глицерол-3-фосфат + НАД + .
Образовавшийся глицерол-3-фосфат легко проникает через митохонд-риальную мембрану . Внутри митохондрии другая (митохондриальная) глицерол-3-фосфат-дегидрогеназа (флавиновый фермент ) снова окисляет глицерол-3-фосфат до диоксиацетонфосфата:
Глицерол-3-фосфат + ФАД <=> Диоксиацетонфосфат + ФАДН 2 .
Восстановленный флавопротеин (фермент-ФАДН 2) вводит на уровне KoQ приобретенные им электроны в цепь биологического окисления и сопряженного с ним окислительного фосфорилирования , а диоксиаце-тонфосфат выходит из митохондрий в цитоплазму и может вновь взаимодействовать с цитоплазматическим НАДН + Н + . Таким образом, пара электронов (из одной молекулы цитоплазматического НАДН + Н +), вводимая в дыхательную цепь с помощью глицеролфосфатного челночного механизма, дает не 3, а 2 АТФ .
Рис. 10.11. Малат-аспартатная челночная система для переноса восстанавливающих эквивалентов от цитозольного НАДН в митохондриальный матрикс. Объяснение в тексте.
В дальнейшем было показано, что с помощью данного челночного механизма лишь в скелетных мышцах и мозге осуществляется перенос восстановленных эквивалентов от цитозольного НАДН + Н + в митохондрии .
В клетках печени , почек и сердца действует более сложная малат-ас-партатная челночная система. Действие такого челночного механизма становится возможным благодаря присутствию малатдегидрогеназы и ас-партатаминотрансферазы как в цитозоле, так и в митохондриях .
Установлено, что от цитозольного НАДН + Н + восстановленные эквиваленты сначала при участии фермента малатдегидрогеназы (рис. 10.11) переносятся на цитозольный оксалоацетат. В результате образуется малат, который с помощью системы, транспортирующей дикарбоновые кислоты , проходит через внутреннюю мембрану митохондрии в матрикс. Здесь малат окисляется в оксалоацетат, а матриксный НАД + восстанавливается в НАДН + Н + , который может теперь передавать свои электроны в цепь дыхательных ферментов , локализованную на внутренней мембране митохондрии . В свою очередь образовавшийся оксалоацетат в присутствии глутамата и фермента АсАТ вступает в реакцию трансаминирования . Образующиеся аспарат и α-кетоглутарат с помощью специальных транспортных систем способны проходить через мембрану митохондрий .
Транспортирование в цитозоле регенерирует оксалоацетат, что вызывает к действию следующий цикл. В целом процесс включает легкообратимые реакции , происходит без потребления энергии, «движущей силой» его является постоянное восстановление НАД + в цитозоле гли-церальдегид-3-фосфатом, образующимся при катаболизме глюкозы .
Итак, если функционирует малат-аспартатный механизм, то в результате полного окисления одной молекулы глюкозы может образоваться не 36, а 38 молекул АТФ (табл. 10.1).
В табл. 10.1 приведены реакции , в которых происходит образование высокоэргических фосфатных связей в ходе катаболизма глюкозы , с указанием эффективности процесса в аэробных и анаэробных условиях
Министерство образования Российской федерации
Самарский Государственный технический университет
Кафедра «Органической химии»
Реферат на тему:
«ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ (ЦИКЛ КРЕБСА)»
Выполнил студент: III – НТФ – 11
Ерошкина Н.В.
Проверил.
(лимонно-кислый цикл или цикл Кребса)
В аэробных условиях образовавшийся ацетил-СоА вступает в цикл Кребса. В цикле Кребса после реакций отнятия и присоединения воды, декарбоксилирования и дегидрирования ацетильный остаток, поступивший в цикл в виде ацетил-СоА, полностью расщепляется. Суммарная реакция записывается в следующем виде:
СН 3 СО ~ S-СоА + 3Н 2 О + АДФ + Н 3 РО 4 →
НS-СоА + 2СО 2 + 4[Н 2 ] + АТФ
Цикл Кребса проходит одинаково у животных и растений. Это является еще одним доказательством единства происхождения. Цикл происходит в строме митохондрий. Рассмотрим его подробней:
Первая реакция цикла – перенос ацетильного остатка от ацетил-СоА на щавелево-уксусную кислоту (ЩУК) с образованием лимонной кислоты (цитрат) (рис. 3.2).
В ходе реакции, катализируемой цитратсинтазой, растрачивается макроэргическая связь ацетил-СоА, т. е. та энергия, какая была запасена в процессе окисления пирувата перед началом цикла. Это значит, как и гликолиз, цикл Кребса начинается не с запасания энергии в клетке, а с расходования.
Подчеркнем, что цепь преобразований, образующих этот цикл и направленных, в конечном счете, на разрушение углеродного состава ряда кислот, начинается с их увеличения: двухуглеродный фрагмент (уксусная кислота) присоединяется к четырехугольному фрагменту ЩУК с образованием шестиуглеродной трикарбоновой кислоты цитрата, которая может запасаться в клетках в больших количествах.
Таким образом, цикл Кребса – процесс каталитический и начинается не с катаболизма (разрушения), а с синтеза цитрата. Цитратсинтетаза, катализирующая эту реакцию, относится к регуляторным ферментам: она ингибируется НАДН и АТФ. НАДН – конечный продукт, в форме которого запасается энергия, освобождаемая в процессе дыхания. Чем активней цитратсинтетаза, тем быстрей пойдут и другие реакции цикла, быстрей пойдет дегидрирование веществ с образованием НАДН. Однако увеличение количества последнего вызывает ингибирование фермента, и цикл затормозится. Это пример реакции по принципу обратной связи.
Следующая серия реакций – преобразование цитрата в активную изолимонную кислоту (изоцитрат). Она протекает при участии воды и по сути сводится до внутримолекулярного преобразования лимонной кислоты. Промежуточным продуктом этого преобразования является цис-аконитовая кислота:
 |
Катализируются обе реакции аконитазой. Затем изоцитрат дегидрируется с участием изоцитратдегидрогеназы, коферментом которой является НАД + . В результате окисления образуется щавелево-янтарная кислота (оксалосукцинат).
Последняя кислота декарбоксилируется. Отсоединяющийся СО 2 принадлежит ацетильному остатку, вступившему в цикл в виде ацетил-СоА. В результате декарбоксилирования образуется очень активная α-кетоглутаровая кислота (кетоглутарат).
α-Кетоглутарат, в свою очередь, подвергается тем же изменением, которые происходят перед началом цикла с пируватом: одновременное окисление и декарбоксилирование.
В реакции принимает участие α-кетоглутарат дегидрогеназный комплекс:
α-кетоглутарат + НАД + + СоА–SН →
сукцинил-S-СоА + СО 2 + НАДН + Н + →
сукцинил–S–СОА + АДФ + Н 3 РО 4 →
янтарная кислота + АТФ + СоА–SН
Освободившийся СО 2 является другой частицей, которая отщепляется от ацетильного остатка. Образовавшийся в результате этих сложных преобразованием янтарная кислота (сукцинат) вновь дегидрируется, и образуется фумаровая кислота (фумарат). Реакция происходит с помощью сукцинатдегидрогеназы. Фумарат после присоединения молекулы воды легко преобразуется в яблочную кислоту (малат). В реакции принимает участие фумаратгидротаза.
Яблочная кислота, окисляясь, преобразуется в ЩУК при участии НАД + – специфической малатдегидрогеназы.
Напомним, что ЩУК конечный продукт цикла Кребса – образуется и при фотосинтезе С 4 -растений (цикл Хетча – Слека) при карбоксилировании ФЕП на свету, и в темноте у растений типа САМ.
Таким образом, цикл Кребса заканчивается и может начинаться сначала. Одно условие – подача новых молекул ацетил-СоА.
Главное значение цикл Кребса состоит в запасании энергии, которая освобождается в результате разрушения пирувата, в макроэргических связях АТФ. Поставляя в клетку АТФ, цикл Кребса может являться регулятором других процессов, идущих с затратой энергии, таких как транспорт воды и солей, синтез и транспорт органических веществ. Чем быстрей проходит преобразование веществ в цикле, тем больше может синтезироваться АТФ, тем быстрей пойдут указанные процессы.
Промежуточные вещества, образуемые в цикле, могут использоваться на синтез белков, жиров, углеводов. Например, ацетил-СоА – необходимый продукт для синтеза жирных кислот, кетоглутарат может в результате восстановительного аминирования преобразовываться в глутаминовую, а фумарат или ЩУК – в аспарагиновую кислоты.
Суммарный результат цикла Кребса сводится, таким образом, к тому, что каждая ацетильная группа (двухуглеродный фрагмент), которая образуется из пирувата (трехуглеродный фрагмент) расщепляется до СО 2 . Во время этого процесса восстанавливается НАД + , ФАД + и синтезируется АТФ.
В регуляции цикла ди- и трикарбоновых кислот важное значение имеет соотношение между НАДН и НАД + , а также концентрация АТФ. Высокое содержание АТФ и НАДН угнетает активность таких ферментов цикла Кребса, как пируватдегидрогеназа, цитратсинтетаза, изоцитратдегидрогеназа, малатдегидрогеназа. Повышение концентрации оксалоацетата угнетает ферменты, активность которых связана с его синтезом, – сукцинатдегидрогеназы и малатдегидрогеназы. Окисление 2-оксиглутаровой кислоты ускоряется аденилатами, а сукцината – АТФ, АДФ и убихиноном. В цикле Кребса имеется и ряд других пунктов регулирования.
Глиоксилатный путь
При прорастании богатых жиром семян ход цикла Кребса немного изменяется. Это разновидность цикла Кребса, в которой участвует глиоксиловая кислота, получила название глиоксилатного цикла (рис.3.3).
Первые этапы преобразований до образования изоцитрата (изолимонной кислоты) идут подобно циклу Кребса. Затем ход реакций изменяется. Изоцитрат при участии изоцитратлиазы расщепляется на янтарную и глиоксиловую кислоты:
 |
Сукцинат (янтарная к-та) выходит из цикла, а глиоксилат связывается с ацетил-СоА и образуется малат. Реакция катализируется малатсинтазой. Малат окисляется до ЩУК и цикл заканчивается. Кроме двух ферментов – изоцитратазы (изоцитратлиазы) и малатсинтазы, все остальные такие же, что и в цикле Кребса. При окислении малата восстанавливается молекула НАД + . Источником ацетил-СоА для этого цикла служат жирные кислоты, образующиеся при разрушении жиров. Суммарное уравнение цикла можно записать в виде:
2СН 3 СО-S-СоА + 2Н 2 О + НАД + →
2НS-СоА + СООН-СН 2 -СН 2 -СООН + НАДН + Н +
Глиоксилатный цикл происходит в специальных органеллах – глиоксисомах.
Какое значение имеет этот цикл? Восстановленный НАДН может окисляться с образованием трех молекул АТФ. Сукцинат (янтарная кислота) выходит из глиоксисомы и поступает в митохондрию, где включается в цикл Кребса. Тут он преобразуется в ЩУК, затем в пируват, фосфоенолпируват и дальше в сахар.
Таким образом, с помощью глиоксилатного цикла жиры могут преобразовываться в углеводы. Это очень важно особенно при прорастании семян, так как сахара могут транспортироваться из одной части растения в другую, а жиры лишены такой возможности. Глиоксилат может служить материалом для синтеза порфиринов, а это значит и хлорофилла.
Краткие исторические сведения
Наш любимый цикл – ЦТК, или Цикл трикарбоновых кислот – жизнь на Земле и под Землей и в Земле… Стоп, а вообще это самый удивительный механизм – он универсален, является путем окисления продуктов распада углеводов, жиров, белков в клетках живых организмов, в результате получаем энергию для деятельности нашего тела.
Открыл этот процесс собственно Кребс Ганс, за что и получил Нобелевскую премию!
Родился он в августе 25 - 1900 года в Германии город Хильдесхайм. Получил медицинское образование Гамбургского университета, продолжил биохимические исследования под руководством Отто Вaрбурга в Берлине.
В 1930 открыл вместе со студентом своим процесс обезвреживания аммиака в организме, который был у многих представителей живого мира, в том числе и человека. Этот цикл – цикл образования мочевины, который также известен под именем цикла Кребса №1.
Когда к власти пришел Гитлер, Ганс эмигрировал в Великобританию, где продолжает заниматься наукой в Кембриджском и Шеффилдском университетах. Развивая исследования биохимика из Венгрии Альберта Сент-Дьёрди, получает озарение и делает самый знаменитый цикл Кребса № 2, или по-другому "цикл Сент-Дьёрди – Кребса" - 1937.
Результаты исследований посылаются в журнал "Nature", который отказывает в напечатании статьи. Тогда текст перелетает в журнал "Enzymologia" в Голландии. Кребс получает Нобелевскую премию в 1953 по физиологии и медицине.
Открытие было удивительным: в 1935 Сент-Дьёрди находит, что янтарная, оксалоуксусная, фумаровая и яблочная кислоты (все 4 кислоты - естественные химические компоненты клеток животных) усиливают процесс окисления в грудной мышце голубя. Которая была измельчена.
Именно в ней процессы метаболические идут с наибольшей скоростью.
Ф. Кнооп и К.Мартиус в 1937 году находят, что лимонная кислота превращается в изолимонную через продукт промежуточный, цис – аконитовую кислоту. Кроме того изолимонная кислота могла превращаться в а-кетоглутаровую, а та – в янтарную.
Кребс заметил действие кислот на поглощение О2 грудной мышцей голубя и выявил из активирующее действие на окисление ПВК и образование Ацетил-Коэнзима А. Кроме того процессы в мышце угнетались малоновой кислотой, которая похожа на янтарную и могла конкурентно ингибировать ферменты, у которых субстрат – янтарная кислота.
Когда Кребс добавлял малоновую кислоту к среде реакции, то начиналось накопление а-кетоглутаровой, лимонной и янтарной кислот. Таким образом понятно, что действие совместное а-кетоглутаровой, лимонной кислот приводит к образованию янтарной.
Ганс исследовал еще более 20 веществ, но они не влияли на окисление. Сопоставив полученные данные, Кребс получил цикл. В самом начале исследователь не мог точно сказать начинается процесс с лимонно или изолимонной кислоты, поэтому назвал "цикл трикарбоновых кислот".
Сейчас мы знаем, что первой является лимонная кислота, поэтому правильно - цитратный цикл или цикл лимонной кислоты.
У эукариот реакции ЦТК протекают в митохондриях, при этом все ферменты для катализа, кроме 1, содержатся в свободном состоянии в матриксе митохондрии, исключение - сукцинатдегидрогеназа - локализуется на внутренней мембране митохондрии, встраивается в липидный бислой. У прокариот реакции цикла протекают в цитоплазме.
Познакомимся с участниками цикла:
1) Ацетил-Коэнзим А:- ацетильная группа - Acetyl group
- коэнзим А - Coenzyme A:
2) ЩУК – Оксалоацетат - Щавелево-Уксусная кислота:
как бы состоит из двух частей: щавелевая и уксусная кислота.
3-4) Лимонная и Изолимонная кислоты:
5) а-Кетоглутаровая кислота:
6) Сукцинил-Коэнзим А:
7) Янтарная кислота:
8) Фумаровая кислота:
9) Яблочная кислота:
Как же происходят реакции? В целом мы все привыкли к виду кольца, что и представлено снизу на картинке. Еще ниже все расписано по этапам:
1. Конденсация Ацетил-Коэнзима А и Щавелево-Уксусной кислоты ➙ лимонная кислота.
Превращение Ацетил-Коэнзима А берут начало с конденсации со Щавелево-Уксусной кислотой, в результате образуется лимонная кислота.
Реакция не требует расхода АТФ, так как энергия для этого процесса обеспечивается в результате гидролиза тиоэфирной связи с Ацетил-Коэнзимом А, которая является макроэргической:
2. Лимонная кислота через цис-аконитовую переходит в изолимонную.
Происходит изомеризация лимонной кислоты в изолимонную. Фермент превращения - аконитаза - дегидратирует вначале лимонную кислоту с образованием цис-аконитовой кислоты, потом соединяет воду к двойной связи метаболита, образуя изолимонную кислоту:
3. Изолимонная дегидрируется с образованием а-кетоглутаровой и СО2.
Изолимонная кислота окисляется специфической дегидрогеназой, кофермент которой - НАД.
Одновременно с окислением идет декарбоксилирование изолимонной кислоты. В результате превращений образуется α-кетоглутаровая кислота.
4. Альфа-кетоглутаровая кислота дегидрируется ➙ сукцинил-коэнзим А и СО2.
Следующая стадия - окислительное декарбоксилирование α-кетоглутаровой кислоты.
Катализируется α-кетоглутаратдегидрогеназным комплексом, который аналогичен по механизму, структуре и действию пируватдегидрогеназному комплексу. В результате образуется сукцинил-КоА.
5. Сукцинил-коэнзим А ➙ янтарная кислота.
Сукцинил-КоА гидролизуется до свободной янтарной кислоты, выделяющаяся энергия сохраняется путем образования гуанозинтрифосфата. Эта стадия - единственная в цикле, прикоторой прямо выделится энергия.
6. Янтарная кислота дегидрируется ➙ фумаровая.
Дегидрирование янтарной кислоты ускоряется сукцинатдегидрогеназой, коферментом ее является ФАД.
7. Фумаровая гидратируется ➙ яблочная.
Фумаровая кислота, которая образуется при дегидрировании янтарной кислоты, гидратируется и образуется яблочная.
8. Яблочная кислота дегидрируется ➙ Щавелево-Уксусная - цикл замыкается.
Заключительный процесс - дегидрирование яблочной кислоты, катализируемое малатдегидрогеназой;
Результат стадии - метаболит, с которого начинается цикл трикарбоновых кислот - Щавелево-Уксусная кислота.
В 1 реакцию следующего цикла вступит другая м-ла Ацетил-Коэнзима А.
Как запомнить этот цикл? Просто!
1) Очень образное выражение:Целый Ананас И Кусочек Суфле Сегодня Фактически Мой Обед , что соответствует- цитрат, цис-аконитат, изоцитрат, (альфа-)кетоглутарат, сукцинил-CoA, сукцинат, фумарат, малат, оксалоацетат.
2) Другое длинное стихотворение:
ЩУКа съела ацетат, получается цитрaт,
Через цисaконитaт будет он изоцитрaт.
Вoдoрoды отдaв НАД, oн теряет СО2,
Этoму безмернo рaд aльфa-кетоглутaрaт.
Окисление грядет - НАД похитил вoдoрoд,
ТДФ, коэнзим А забирают СО2.
А энергия едва в сукциниле пoявилась,
Сразу АТФ рoдилась и oстался сукцинат.
Вот дoбрался он дo ФАДа - вoдoрoды тому надo,
Фумарат воды напился, и в малат oн превратился.
Тут к малату НАД пришел, вoдoрoды приобрел,
ЩУКа снoва oбъявилась и тихoнькo затаилась.
3) Оригинальное стихотворение – покороче:
ЩУКу АЦЕТИЛ ЛИМOНил,
Нo нарЦИСсA КOНь боялся,
Oн над ним ИЗOЛИМOННо
AЛЬФA - КЕТOГЛУТAРался.
CУКЦИНИЛся КOЭНЗИМом,
ЯНТAРился ФУМАРOВo,
ЯБЛОЧек припаc на зиму,
Обернулcя ЩУКой снова.
Цикл трикарбоновых кислот
Ци́кл трикарбо́новых кисло́т (цикл Кре́бса , цитра́тный цикл ) - центральная часть общего пути катаболизма , циклический биохимический аэробный процесс, в ходе которого происходит превращение двух- и трёхуглеродных соединений, образующихся как промежуточные продукты в живых организмах при распаде углеводов, жиров и белков, до CO 2 . При этом освобождённый водород направляется в цепь тканевого дыхания, где в дальнейшем окисляется до воды, принимая непосредственное участие в синтезе универсального источника энергии - АТФ .
Цикл Кребса - это ключевой этап дыхания всех клеток , использующих кислород, центр пересечения множества метаболических путей в организме. Кроме значительной энергетической роли циклу отводится также и существенная пластическая функция, то есть это важный источник молекул-предшественников, из которых в ходе других биохимических превращений синтезируются такие важные для жизнедеятельности клетки соединения как аминокислоты, углеводы, жирные кислоты и др.
Функции
- Интегративная функция - цикл является связующим звеном между реакциями анаболизма и катаболизма.
- Катаболическая функция
- превращение различных веществ в субстраты цикла:
- Жирные кислоты, пируват,Лей,Фен - Ацетил-КоА.
- Арг, Гис, Глу - α-кетоглутарат.
- Фен, тир - фумарат.
- Анаболическая функция
- использование субстратов цикла на синтез органических веществ:
- Оксалацетат - глюкоза , Асп, Асн.
- Сукцинил-КоА - синтез гема.
- CО 2 - реакции карбоксилирования.
- Водорододонорная функция - цикл Кребса поставляет на дыхательную цепь митохондрий протоны в виде трех НАДН.Н + и одного ФАДН 2 .
- Энергетическая функция - 3 НАДН.Н + дает 7.5 моль АТФ, 1 ФАДН 2 дает 1.5 моль АТФ на дыхательной цепи. Кроме того в цикле путем субстратного фосфорилирования синтезируется 1 ГТФ, а затем из него синтезируется АТФ посредствам трансфосфорилирования: ГТФ + АДФ = АТФ + ГДФ.
Мнемонические правила
Для более легкого запоминания кислот, участвующих в цикле Кребса, существует мнемоническое правило:
Целый Ананас И Кусочек Суфле Сегодня Фактически Мой Обед , что соответствует ряду - цитрат, (цис-)аконитат, изоцитрат, (альфа-)кетоглутарат, сукцинил-CoA, сукцинат, фумарат, малат, оксалоацетат.
Существует также следующее мнемоническое стихотворение (его автором является ассистент кафедры биохимии КГМУ Е. В. Паршкова ):
Щук у ацетил лимон ил, Но нарцис са кон ь боялся, Он над ним изолимон но Альфа-кетоглутар ался. Сукцинил ся коэнзим ом, Янтар ился фумар ово, Яблоч ек припас на зиму, Обернулся щук ой снова.(щавелевоуксусная кислота, лимонная кислота, цис-аконитовая кислота, изолимонная кислота, α-кетоглутаровая кислота, сукцинил-KoA, янтарная кислота, фумаровая кислота, яблочная кислота, щавелевоуксусная кислота).
Другой вариант стихотворения
ЩУКа съела ацетат, получается цитрат через цис-аконитат будет он изоцитрат водороды отдав НАД, он теряет СО 2 этому безмерно рад альфа-кетоглутарат окисление грядет - НАД похитил водород ТДФ, коэнзимА забирают СО 2 а энергия едва в сукциниле появилась сразу ГТФ родилась и остался сукцинат вот добрался он до ФАДа - водороды тому надо фумарат воды напился, и в малат он превратился тут к малату НАД пришел, водороды приобрел ЩУКа снова объявилась и тихонько затаилась Караулить ацетат...
Примечания
Ссылки
- Цикл трикарбоновых кислот (англ.)