Цикл трикарбонових кислот

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

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

Функції

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

Мнемонічні правила

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

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

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

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

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

Інший варіант вірша

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

Примітки

Посилання

• Цикл трикарбонових кислот (англ.)

ТРИКАРБОНОВИХ КИСЛОТ ЦИКЛ

ТРИКАРБОНОВИХ КИСЛОТ ЦИКЛ - цикл лимонної кислоти або цикл Кребса - широко представлений в організмах тварин, рослин і мікробів шлях окисних перетворень ді-і трикарбонових кислот, що утворюються як проміжні продукти при розпаді та синтезі білків, жирів і вуглеводів. Відкритий Х.Кребсом та У.Джонсоном (1937). Цей цикл є основою метаболізму та виконує дві важливі функції – постачання організму енергією та інтеграції всіх головних метаболічних потоків, як катаболічних (біорозщеплення), так і анаболічних (біосинтез).

Цикл Кребса складається з 8 стадій (у двох стадіях на схемі виділено проміжні продукти), під час яких відбувається:

1) повне окислення ацетильного залишку до двох молекул СО2,

2) утворюються три молекули відновленого нікотинамідаденіндинуклеотиду (НАДН) і одна відновленого флавінаденіндинуклеотиду (ФАДН2), що є головним джерелом енергії, що виробляється в циклі та

3) утворюється одна молекула гуанозинтрифосфату (ГТФ) у результаті так званого субстратного окиснення.

Загалом шлях енергетично вигідний (DG0" = –14,8 ккал.)

Цикл Кребса, локалізований у мітохондріях, починається з лимонної кислоти (цитрат) і закінчується утворенням щавлевооцтової кислоти (оксалоацетату – ОА). До субстратів циклу відносяться трикарбонові кислоти – лимонна, цис-аконітова, ізолімонна, щавлевоеянтарна (оксалосукцинат) та дикарбонові кислоти – 2-кетоглутарова (КГ), янтарна, фумарова, яблучна (малат) та щавлевооцтова. До субстратів циклу Кребса слід віднести і оцтову кислоту, яка в активній формі (тобто у вигляді ацетилкоферменту А, ацетил-SКоА) бере участь у конденсації з щавлевооцтовою кислотою, що призводить до утворення лимонної кислоти. Окислюється саме ацетильний залишок, що увійшов до структури лимонної кислоти, піддається окисленню; атоми вуглецю окислюються до CO2, атоми водню частково акцептуються коферментами дегідрогеназ, частково в протонованій формі переходять у розчин, тобто в довкілля.

Як вихідне з'єднання для утворення ацетил-КоА зазвичай вказується піровиноградна кислота (піруват), що утворюється при гліколізі і займає одне з центральних місць у шляхах обміну речовин, що перехрещуються. Під впливом ферменту складної структури – піруватдегідрогенази (КФ1.2.4.1 – ПДГаза) пірувата окислюється з утворенням CO2 (перше декарбоксилювання), ацетил-КоА та відновлюється НАД (див. схему). Однак окислення пірувату - далеко не єдиний шлях утворення ацетил-КоА, який також є характерним продуктом окислення жирних кислот (фермент тіолазу або синтетазу жирних кислот) та інших реакцій розкладання вуглеводів та амінокислот. Усі ферменти, що у реакціях циклу Кребса, локалізовані в мітохондріях, причому більшість їх розчинні, а сукцинатдегидрогеназа (КФ1.3.99.1) міцно пов'язані з мембранними структурами.

Утворення лимонної кислоти, з синтезу якої і починається власне цикл, за допомогою цитратсинтази (КФ4.1.3.7 – конденсуючий фермент на схемі), є ендергонічною реакцією (з поглинанням енергії), і її реалізація можлива завдяки використанню багатої енергією зв'язку ацетильного залишку з KoA [СН3СО~SKoA]. Це головна стадія регулювання всього циклу. Далі слідує ізомеризація лимонної кислоти в ізолімонну через проміжну стадію утворення цис-аконітової кислоти (фермент аконітазу КФ4.2.1.3, має абсолютну стереоспецифічність – чутливість до розташування водню). Продуктом подальшого перетворення ізолімонної кислоти під впливом відповідної дегідрогенази (ізоцитратдегідрогеназу КФ1.1.1.41) є, мабуть, щавлевоеянтарна кислота, декарбоксилювання якої (друга молекула CO2) призводить до КГ. Ця стадія також суворо регулюється. За низкою характеристик (висока молекулярна маса, складна багатокомпонентна структура, ступінчасті реакції, частково ті ж коферменти тощо) КГдегідрогеназа (КФ1.2.4.2) нагадує ПДГазу. Продуктами реакції є CO2 (третє декарбоксилювання), Н+ та сукциніл-КоА. На цій стадії включається сукциніл-КоА-синтетаза, інакше звана сукцинаттіокіназою (КФ6.2.1.4), що каталізує оборотну реакцію утворення вільного сукцинату: Сукциніл-КоА + Рнеорг + ГДФ = Сукцинат + KoA + ГТФ. За цієї реакції здійснюється так зване субстратне фосфорилювання, тобто. утворення багатого енергією гуанозинтрифосфату (ГТФ) за рахунок гуанозиндифосфату (ГДФ) та мінерального фосфату (Рнеорг) з використанням енергії сукциніл-КоА. Після утворення сукцинату вступає в дію сукцинатдегідрогеназу (КФ1.3.99.1) – флавопротеїд, що призводить до фумарової кислоти. ФАД з'єднаний з білковою частиною ферменту і є метаболічно активною формою рибофлавіну (вітамін В2). Цей фермент також характеризується абсолютною стереоспецифічністю елімінування водню. Фумараза (КФ4.2.1.2) забезпечує рівновагу між фумаровою кислотою та яблучною (також стереоспецифічна), а дегідрогеназа яблучної кислоти (малатдегідрогеназа КФ1.1.1.37, яка потребує коферменту НАД+, також стереоспецифічна) утворенню щавлевооцтової кислоти. Після цього повторюється реакція конденсації щавлевооцтової кислоти з ацетил-КоА, що призводить до утворення лимонної кислоти, і відновлюється цикл.

Сукцинатдегідрогеназа входить до складу більш складного сукцинатдегідрогеназного комплексу (комплексу II) дихального ланцюга, поставляючи відновлювальні еквіваленти, (НАД-Н2), що утворюються при реакції, в дихальний ланцюг.

На прикладі ПДГази можна познайомитися з принципом каскадної регуляції активності метаболізму за рахунок фосфорилювання-дефосфорилування відповідного ферменту спеціальними кіназою та фосфатазою ПДГази. Обидві вони приєднані до ПДГази.

ТРИКАРБОНОВИХ КИСЛОТ ЦИКЛ

Передбачається, що каталіз індивідуальних ферментативних реакцій здійснюється у складі надмолекулярного надкомплексу, так званого метаболону. Переваги такої організації ферментів полягають у тому, що немає дифузії кофакторів (коферментів та іонів металів) та субстратів, а це сприяє більш ефективній роботі циклу.

Енергетична ефективність розглянутих процесів невелика, проте що утворюються при окисленні пірувату та наступних реакціях циклу Кребса 3 молячи НАДН і 1 моль ФАДН2 є важливими продуктами окисних перетворень. Подальше їх окислення здійснюється ферментами дихального ланцюга й у мітохондріях і з фосфорилированием, тобто. освітою АТФ за рахунок етерифікації (освіти фосфороорганічних ефірів) мінерального фосфату. Гліколіз, ферментна дія ПДГази та цикл Кребса – всього у сумі 19 реакцій – визначають повне окислення однієї молекули глюкози до 6 молекул CO2 з утворенням 38 молекул АТФ – цієї розмінної «енергетичної валюти» клітини. Процес окислення НАДН і ФАДН2 ферментами дихального ланцюга енергетично дуже ефективний, відбувається з використанням кисню повітря, призводить до утворення води і є основним джерелом енергетичних ресурсів клітини (понад 90%). Однак у його безпосередньої реалізації ферменти циклу Кребса не беруть участі. У кожній клітині людини є від 100 до 1000 мітохондрій, які забезпечують життєдіяльність енергією.

В основі інтегруючої функції циклу Кребса в метаболізмі лежить те, що вуглеводи, жири та амінокислоти з білків можуть перетворюватися в кінцевому рахунку на інтермедіати (проміжні сполуки) цього циклу або синтезуватися з них. Виведення інтермедіатів із циклу при анаболізмі має поєднуватися з продовженням катаболічної активності циклу для постійного утворення АТФ, необхідного для біосинтезів. Таким чином, цикл має одночасно виконувати дві функції. При цьому концентрація інтермедіатів (особливо ОА) може знижуватися, що може призвести до небезпечного зниження виробництва енергії. Для запобігання служать «запобіжні клапани», які називають анаплеротичними реакціями (від грецьк. «наповнювати»). Найважливішою є реакція синтезу ОА з пірувату, що здійснюється піруваткарбоксилазою (КФ6.4.1.1), також локалізованою в мітохондріях. В результаті накопичується велика кількість ОА, що забезпечує синтез цитрату та ін інтермедіатів, що дозволяє циклу Кребса нормально функціонувати і, разом з тим, забезпечувати виведення інтермедіатів в цитоплазму для подальших біосинтезів. Таким чином, на рівні циклу Кребса відбувається ефективно скоординована інтеграція процесів анаболізму та катаболізму під дією численних та тонких регуляторних механізмів, у тому числі гормональних.

В анаеробних умовах замість циклу Кребса функціонують його окислювальна гілка до КГ (реакції 1, 2, 3) та відновлювальна – від ОА до сукцинату (реакції 8 7 6). При цьому багато енергії не запасається і цикл постачає лише інтермедіати для клітинних синтезів.

При переході організму від спокою до активності виникає потреба у мобілізації енергії та обмінних процесів. Це, зокрема, досягається у тварин шунтуванням найбільш повільних реакцій (1-3) та переважним окисленням сукцинату. При цьому КГ – вихідний субстрат укороченого циклу Кребса – утворюється у реакції швидкого переамінування (перенесення амінної групи)

Глутамат + ОА = КГ + аспартат

Інша модифікація циклу Кребса (так званий 4-амінобутиратний шунт) – це перетворення КГ на сукцинат через глутамат, 4-амінобутират та бурштиновий семіальдегід (3-формілпропіонову кислоту). Ця модифікація важлива в тканині мозку, де близько 10% глюкози розщеплюється цим шляхом.

Тісне сполучення циклу Кребса з дихальним ланцюгом, особливо в мітохондріях тварин, а також інгібування більшості ферментів циклу під дією АТФ, визначають зниження активності циклу при високому фосфорильному потенціалі клітини, тобто. при високому співвідношенні концентрацій АТФ/АДФ. Більшість рослин, бактерій та багатьох грибів тісне сполучення долається розвитком несопряженных альтернативних шляхів окислення, дозволяють підтримувати одночасно дихальну активність і активність циклу високому рівні навіть за високому фосфорильному потенціалі.

Ігор Рапанович

ТРИКАРБОНОВИХ КИСЛОТ ЦИКЛ

попередня

← 1 2 3 наступна

Література

Страйєр Л. Біохімія. Пров. з англ. М., Світ, 1985

Бохінскі Р. Сучасні погляди на біохімії. Пер з англ., М., Світ, 1987

Кнорре Д.Г., Мизіна С.Д. Біологічна хімія М., Вища школа, 2003

Кольман Я., Рем До.-Г. Наочна біохімія. М., Світ, 2004

Кожному відомо, що для нормальної роботи організм потребує регулярного надходження цілого ряду поживних речовин, які потрібні для здорового метаболізму і, відповідно, балансу процесів вироблення та витрачання енергії. Процес вироблення енергії, як відомо, протікає в мітохондріях, які завдяки цій особливості й одержали назву енергетичних центрів клітин. А послідовність хімічних реакцій, що дозволяє отримати енергію до роботи кожної клітини тіла, називається циклом Кребса.

Цикл Кребса - чудеса, що відбуваються в мітохондріях

Енергія, одержувана за допомогою циклу Кребса (також ЦТК – цикл трикарбонових кислот), йде на потреби окремих клітин, які у свою чергу складають різні тканини та, відповідно, органи та системи нашого організму. Оскільки без енергії організм просто не може існувати, мітохондрії постійно працюють над тим, щоб безперебійно постачати до клітин необхідну їм енергію.

Аденозин трифосфат (АТФ) - саме ця сполука є універсальним джерелом енергії, необхідною для протікання всіх біохімічних процесів у нашому організмі.

ЦТК – це центральний метаболічний шлях, в результаті якого завершується окислення метаболітів:

• жирних кислот;
• амінокислот;
• моносахаридів.

У процесі аеробного розпаду ці біомолекули розщеплюються на менші молекули, які використовуються для одержання енергії або синтезу нових молекул.

Цикл трикарбонових кислот складається із 8 етапів, тобто. реакцій:

1. Утворення лимонної кислоти:

2. Утворення ізолімонної кислоти:

3. Дегідрування та пряме декарбоксилювання ізолімонної кислоти.

4. Окислювальне декарбоксилювання α-кетоглутарової кислоти

5. Субстратне фосфорилювання

6. Дегідрування янтарної кислоти сукцинат-дегідрогеназою

7. Утворення яблучної кислоти ферментом фумаразою

8. Освіта оксалацетату

Таким чином, після завершення реакцій, які складають цикл Кребса:

• одна молекула ацетил-КоА (утворена внаслідок розпаду глюкози) окислюється до двох молекул вуглекислого газу;
• три молекули NAD відновлюються до NADH;
• одна молекула ФАД відновлюється до ФАДН 2;
• утворюється одна молекула ГТФ (еквівалент АТФ).

Молекули НАДН та ФАДН 2 діють як переносники електронів та використовуються для утворення АТФ на наступній стадії метаболізму глюкози - окисному фосфорилюванні.

Функції циклу Кребса:

• катаболічна (окислення ацетильних залишків паливних молекул до кінцевих продуктів обміну);
• анаболічна (субстрати циклу Кребса – основа для синтезу молекул, у т.ч. амінокислот та глюкози);
• інтегративна (ЦТК - сполучна ланка між анаболічними та катаболічними реакціями);
• водорододонорна (постачання 3 НАДН.Н+ та 1 ФАДН 2 на дихальний ланцюг мітохондрій);
• енергетична.

Нестача елементів, необхідних для нормального перебігу циклу Кребса, може призвести до серйозних проблем в організмі, пов'язаних із нестачею енергії.

Завдяки метаболічній гнучкості організм здатний використовувати як джерело енергії не тільки глюкозу, але і жири, розщеплення яких також дає молекули, що утворюють піровиноградну кислоту (задіюється в циклі Кребса). Таким чином, ЦТК, що протікає належним чином, забезпечує отримання енергії та будівельних блоків для утворення нових молекул.

ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВИХ КИСЛОТ (ЦИКЛ КРЕБСА)

Гліколіз перетворює глюкозу на піруват і продукує дві молекули АТФ з молекули глюкози - це невелика частина потенційної енергії цієї молекули.

При аеробних умовах піруват з гліколізу перетворюється на ацетил-КоА і окислюється С0 2 в циклі трикарбонових кислот (цикл лимонної кислоти). При цьому електрони, що звільняються в реакціях цього циклу, проходять НАДН і ФАДН 2 на 02 - кінцевий акцептор. Електронний транспорт пов'язаний зі створенням протонного градієнта мембрани мітохондрій, енергія якого потім використовується на синтез АТФ в результаті окисного фосфорилювання. Розглянемо ці реакції.

В аеробних умовах піровиноградна кислота (1-й етап) піддається окисному декарбоксилюванню, більш ефективному, ніж трансформація в молочну кислоту, з утворенням ацетил-КоА (2-й етап), який може окислюватися до кінцевих продуктів розпаду глюкози - С02 і Н2 0 (3-й етап). Г. Кребс (1900-1981), німецький біохімік, вивчивши окислення окремих органічних кислот, об'єднав їхні реакції у єдиний цикл. Тому на його честь цикл трикарбонових кислот часто називають циклом Кребса.

Окислення піровиноградної кислоти до ацетил-КоА відбувається в мітохондріях за участю трьох ферментів (піруватде-гідрогеназа, ліпоаміддегідрогеназа, ліпоілацетилтрансфера-за) і п'яти коферментів (НАД, ФАД, тіамінпірофосфат, Амід). У складі цих чотирьох коферментів знаходяться вітаміни групи В (Вх, В2, В3, В5), що свідчить про необхідність цих вітамінів для нормального окислення вуглеводів. Під впливом цієї складної ферментної системи піруват в реакції окисного декарбоксилювання перетворюється на активну форму оцтової кислоти - ацетил-коензим А:

За фізіологічних умов піруватдегідрогеназу - виключно незворотний фермент, що пояснює неможливість конверсії жирних кислот у вуглеводи.

Наявність макроергічного зв'язку в молекулі ацетил-КоА вказує на високу реакційну здатність цієї сполуки. Зокрема, ацетил-КоА може виступати в мітохондріях для генерації енергії, у печінці надлишок ацетил-КоА надходить на синтез кетонових тіл, у цитозолі бере участь у синтезах складних молекул, таких як стериди та жирні кислоти.

Отриманий у реакції окисного декарбоксилування піровиноградної кислоти ацетил-КоА вступає в цикл трикарбонових кислот (цикл Кребса). Цикл Кребса – фінальний катаболічний шлях окислення вуглеводів, жирів, амінокислот, є по суті «метаболічним котлом». Реакції циклу Кребса, що протікають виключно в мітохондріях, також називають циклом лимонної кислоти або циклу трикарбонових кислот (ЦТК).

Однією з найважливіших функцій циклу трикарбонових кислот є генерація відновлених коферментів (3 молекули НАДН + Н + та 1 молекула ФАДН 2) з подальшим перенесенням атомів водню або їх електронів до кінцевого акцептора - молекулярного кисню. Цей транспорт супроводжується великим зменшенням вільної енергії, частина якої використовується у процесі окисного фосфорилювання для запасання у формі АТФ. Зрозуміло, що цикл трикарбонових кислот є аеробним, залежним від кисню.

1. Початкова реакція циклу трикарбонових кислот представляє конденсацію ацетил-КоА та щавлево-оцтової кислоти за участю ферменту цитратсинтази мітохондріального матриксу з утворенням лимонної кислоти.

2. Під впливом ферменту аконітази, що каталізує видалення молекули води з цитрату, останній перетворюється

в цис-аконітову кислоту. Вода комбінує з цис-аконітової кислотою, перетворюючись на ізолімонну.

3. Потім фермент ізоцитратдегідрогеназу каталізує першу дегідрогеназну реакцію циклу лимонної кислоти, коли ізолімонна кислота перетворюється на реакції окисного декарбоксилювання в а-кетоглутарову:

У цій реакції утворюється перша молекула С0 2 і перша молекула НАДН 4 Н + циклу.

4. Подальше перетворення а-кетоглутарової кислоти на сукциніл-КоА каталізується мультиферментним комплексом а-кетоглутарової дегідрогенази. Ця реакція хімічно є аналогом піруватдегідрогеназної реакції. У ній беруть участь ліпоєва кислота, тіамінпірофосфат, HS-KoA, НАД+, ФАД.

В результаті цієї реакції знову утворюється молекула НАДН + Н + і С02.

5. Молекула сукциніл-КоА має макроергічний зв'язок, енергія якого зберігається у наступній реакції у формі ГТФ. Під впливом ферменту сукциніл-КоА-синтетази сукциніл-КоА перетворюється на вільну бурштинову кислоту. Зазначимо, що янтарна кислота також може бути одержана з метилмалоніл-КоА при окисленні жирних кислот з непарним числом атомів вуглецю.

Ця реакція є прикладом субстратного фосфорилювання, оскільки макроергічна молекула ГТФ у разі утворюється без участі ланцюга транспорту електронів і кисню.

6. Бурштинова кислота окислюється в фумарову кислоту в сукцинатдегідрогеназної реакції. Сукцинатдегідрогеназа, типовий залізосеромісткий фермент, коферментом якого є ФАД. Сукцинатдегідрогеназа - єдиний фермент, що фіксується на внутрішній мітохондріальній мембрані, тоді як всі інші ферменти циклу знаходяться в мітохондріальному матриксі.

7. Потім гідратація фумарової кислоти в яблучну кислоту під впливом ферменту фумарази в оборотній реакції за фізіологічних умов:

8. Фінальною реакцією циклу трикарбонових кислот є малатдегідрогеназна реакція за участю активного ферменту мітохондріальної НАД~-залежної малатдегідрогенази, в якій утворюється третя молекула відновленого НАДН + Н + :

Утворенням щавлево-оцтової кислоти (оксалоацетату) завершується один оберт циклу трикарбонових кислот. Щавлево-оцтова кислота може бути використана в окисленні другої молекули ацетил-КоА, і цей цикл реакцій може неодноразово повторюватися, постійно призводячи до отримання щавлево-оцтової кислоти.

Таким чином, окислення в ЦТК однієї молекули ацетил-КоА як субстрату циклу призводить до отримання однієї молекули ГТФ, трьох молекул НАДФ + Н + та однієї молекули ФАДН 2 . Окислення цих відновників у ланцюгу біологічного окис-

лення призводить до синтезу 12 молекул АТФ. Цей розрахунок зрозумілий з теми «Біологічне окислення»: включення однієї молекули НАД + у систему транспорту електронів супроводжується зрештою утворенням 3 молекул АТФ, включення молекули ФАДН 2 забезпечує утворення 2 молекул АТФ та одна молекула ГТФ еквівалентна 1 молекулі АТФ.

Зазначимо, що два атоми вуглецю адетил-КоА вступають у цикл трикарбонових кислот і два атоми вуглецю залишають цикл у вигляді С0 2 у реакціях декарбоксилювання, що каталізуються ізоцитратдегідрогеназою та альфа-кетоглутарат-дегідрогогеназою.

При повному окисленні молекули глюкози в аеробних умовах до С02 і Н20 освіта енергії у формі АТФ становить:

• 4 молекули АТФ при конверсії молекули глюкози в 2 молекули піровиноградної кислоти (гліколіз);
• 6 молекул АТФ, що утворюються в 3-фосфогліцеральдегід-дегідрогеназної реакції (гліколіз);
• 30 молекул АТФ, що утворюються при окисленні двох молекул піровиноградної кислоти в піруватдегідрогеназної реакції та в подальших перетвореннях двох молекул ацетил-КоА до С02 і Н20 у циклі трикарбонових кислот. Отже, загальний вихід енергії за повного окислення молекули глюкози може становити 40 молекул АТФ. Однак слід взяти до уваги, що при окисленні глюкози на стадії перетворення глюкози на глюкозо-6-фосфат і на стадії перетворення фруктозо-6-фосфату на фруктозо-1,6-дифосфат витрачено дві молекули АТФ. Тому чистий вихід енергії при окисленні молекули глюкози становить 38 молекул АТФ.

Можна порівняти енергетику анаеробного гліколізу та аеробного катаболізму глюкози. З 688 ккал енергії, теоретично укладених в 1 г молекули глюкози (180 г), 20 ккал знаходяться у двох молекулах АТФ, що утворюються в реакціях анаеробного гліколізу, і 628 ккал теоретично залишаються у формі молочної кислоти.

В аеробних умовах із 688 ккал грам-молекули глюкози у 38 молекулах АТФ отримано 380 ккал. Таким чином, ефективність використання глюкози в аеробних умовах вища, ніж в анаеробному гліколізі, приблизно в 19 разів.

Слід зазначити, що всі реакції окислення (окислення триозофосфату, піровиноградної кислоти, чотири реакції окислення циклу трикарбонових кислот) конкурують у синтезі АТФ з АДФ та Ф неор (ефект Пастера). Це означає, що молекула НАДН + Н +, що утворюється, в реакціях окислення має вибір між реакціями дихальної системи, що переносять водень на кисень, і ферментом ЛДГ, що передає водень на піровиноградну кислоту.

На ранніх стадіях циклу трикарбонових кислот кислоти можуть виходити з циклу для участі в синтезі інших сполук клітини без порушень функціонування самого циклу. Різні фактори залучаються до регуляції активності циклу трикарбонових кислот. Серед них у першу чергу слід назвати надходження молекул ацетил-КоА, активність піруватдегідрогеназного комплексу, активність компонентів дихального ланцюга та пов'язане з ним окисне фосфорилювання, а також рівень щавлево-оцтової кислоти.

Молекулярний кисень безпосередньо не бере участі в циклі трикарбонових кислот, проте його реакції здійснюються тільки в аеробних умовах, так як НАД і ФАД можуть бути регенеровані в мітохондріях лише при перенесенні електронів на молекулярний кисень. Слід підкреслити, що гліколіз, на відміну від циклу трикарбонових кислот, можливий і при анаеробних умовах, оскільки НАД регенерується при переході піровиноградної кислоти в молочну.

Крім утворення АТФ, цикл трикарбонових кислот має ще одне важливе значення: цикл забезпечує структурами-посередниками різноманітні біосинтези організму. Наприклад, більшість атомів порфіринів походить із сукциніл-КоА, багато амінокислот є похідними а-кето-глутарової та щавлево-оцтової кислот, а фумарова кислота має місце в процесі синтезу сечовини. У цьому вся проявляється інтегральність циклу трикарбонових кислот обміні вуглеводів, жирів, білків.

Як показують реакції гліколізу, здатність більшості клітин генерувати енергію полягає в їх мітохондріях. Число мітохондрій у різних тканинах пов'язане з фізіологічними функціями тканин та відображає їхню можливість участі в аеробних умовах. Наприклад, еритроцити не мають мітохондрій і, отже, не мають здатності генерувати енергію, використовуючи кисень як кінцевий акцептор електронів. Однак у серцевому м'язі, що функціонує в аеробних умовах, половина об'єму цитоплазми клітин представлена ​​мітохондріями. Печінка також залежить від аеробних умов для своїх різних функцій і гепатоцити ссавців містять до 2 тис. мітохондрій в одній клітині.

Мітохондрії включають дві мембрани - зовнішню та внутрішню. Зовнішня мембрана більш проста, що складається з 50% жирів та 50% білків, має порівняно мало функцій. Внутрішня мембрана структурно та функціонально видається складнішою. Приблизно 80% її обсягу становлять білки. Вона містить більшість ферментів, що беруть участь в електронному транспорті та окисному фосфорилюванні, метаболічні посередники та аденін-нуклеотиди між цитозолем та мітохондріальним матриксом.

Різні нуклеотиди, що залучаються в окислювально-відновні реакції, такі як НАД + , НАДН, НАДФ + , ФАД і ФАДН 2 не проникають крізь внутрішню мітохондріальну мембрану. Ацетил-КоА не може надходити з мітохондріального відділу в цитозоль, де він потрібний для синтезу жирних кислот або стеролів. Тому внутрішньомітохондріальний ацетил-КоА конвертується у цитрат-синтазну реакцію циклу трикарбонових кислот і в такому вигляді надходить у цитозоль.

ЦТК – заключний етап катаболізму вуглеводів, ліпідів і білків, під час якого двовуглецевий залишок ацетилу розкладається до 2 молекул вуглекислого газу.

1. Початкова реакція – конденсація ацетилу та молекули оксалоацетату з утворенням лимонної кислоти (цитрату)

Фермент: цитратсинтазу.Швидкість реакції залежить від кількості оксалоацетату, який є одночасно субстратом та алостеричним активатором для цитратсинтази.

2. Перетворення лимонної кислоти на ізолімонну (цитрата на ізоцитрат). Реакція протікає у два етапи з утворенням проміжного продукту – цис-аконітової кислоти.

Фермент: аконітазу.В умовах клітини рівновага в системі цих двох реакцій зрушена у бік утворення ізоцитрату, через постійну його втрату наступної реакції.

3. Окислення (дегідрування) ізолімонної кислоти (ізоцитрату). Це перша реакція дегідрування в ЦТК, яка є потенційним джерелом енергії. У результаті цієї реакції відбувається відщеплення першої молекули вуглекислого газу.

Фермент : ізоцитратдегідрогеназу. Як кофермент містить НАД + . Це основний регуляторний фермент циклу, його ефектори: активатор – НАД+, інгібітор – НАДН.

Оскільки початкові проміжні продукти досліджуваного процесу є трикарбоновими кислотами, його називають циклом трикарбонових кислот, а, по досліднику – циклом Кребса.

4. Окислювальне декарбоксилювання a-кетоглутарової кислоти. Це друга реакція дегідрування в ЦТК і друга реакція, що супроводжується утворенням кінцевого продукту - 2 . Рівновага в цій реакції настільки зрушена вправо, що її можна вважати фізіологічно незворотною

Фермент:мультиензимний комплекс a- кетоглутаратдегідрогеназа. До складу комплексу входять 3 ферменти:

1. a-кетоглутаратдекарбоксилаза

2. трансацилаза

3. дигідроліпоїлдегідрогеназа

Комплекс включає 5 коферментів: ТДФ, ліпоєва кислота, НS-КоА, ФАД, НАД+.

5. Реакція ІІІ-го субстратного фосфорилювання

Ця реакція пов'язана з утворенням АТФ.

Фермент: сукцинаттіокіназа.

Субстратне фосфорилюванняце спосіб синтезу АТФ чи ГТФ рахунок енергії макроергічних молекул. Біологічна роль процесу – швидке отримання АТФ у клітині без витрати кисню.

6. Окислення янтарної кислоти (сукцинату). 3-тя реакція дегідрування.

Фермент:сукцинатдегідрогеназу.Як кофермент містить ФАД. Це єдиний фермент ЦТК який знаходиться не в розчинній частині матриксу, а пов'язаний із внутрішньою мембраною мітохондрій. Як конкурентний інгібітор цього ферменту може бути використана малонова кислота - структурний аналог бурштинової кислоти.

7. Утворення яблучної кислоти (малату)

Фермент: фумараза.Цей фермент має стереохімічну специфічність і здатний приєднувати воду по подвійному зв'язку тільки в транс конформації.

8. Окислення яблучної кислоти (малату) – 4-та реакція дегідрування.

Фермент: малатдегідрогеназу.Як кофермент містить НАД + .

Оксалоацетат, що утворює в ході реакцій, є одночасно початковим субстратом, що і робить процес циклічним.

Біологічна роль циклу Кребса :

ЦТК це центральний метаболічний шлях, який пов'язаний із перетворенням решти класів біомолекул. Виконує дві основні функції

1. Енергетична функція. ЦТК є основним постачальником водень у складі НАДН та ФАДН 2 у дихальний ланцюг. Надалі, е, які у складі цих водень, переносяться з участю ферментів дихальної ланцюга на кисень з утворенням кінцевого продукту окислення – води, а що виділяється у своїй енергія використовується синтез АТФ. ЦТК це аеробний процес, що вимагає постійної участі кисню. У відсутності кисню відбувається накопичення відновлених форм НАДН і ФАДН і, як наслідок, гальмування реакцій дегідрування ЦТК.

Крім того, в ході реакцій ЦТК утворюється 1 моль ГТФ реакції субстратного фосфорилювання.

2. Амфіболічна функція.

Під амфіболічною функцією циклу Кребсарозуміють використання інтермедіатів (проміжних продуктів) циклу синтез інших молекул. Наприклад, сукциніл-КоА є вихідною сполукою у синтезі гему; a-кетоглутарат – амінокислот (глутамату, глутаміну, проліну, гістидину).

Використання проміжних продуктів циклу Кребса на синтетичні процеси призводить до зниження рівня оксалоацетату в мітохондріях, гальмування циклу та порушення енергетичного обміну. Для того, щоб цього не відбувалося, у мітохондріях існують реакції, що поповнюють фонд оксалоацетату.

Реакції, що поповнюють запас оксалоацетату в мітохондрії, називаються анаплеротичними.

1. Карбоксилювання пірувату:

Фермент:піруваткарбоксилаза

2. Трансамінування аспарагінової кислоти:

Аспартат + a-КГ оксалоацетат + глутамат

Фермент: аспартатамінотрансфераза.

Регулювання циклу Кребса.

Регуляція здійснюється за двома механізмами:

1. Фосфорилювання-дефосфорилювання. При високому рівні АТФ у мітохондріях відбувається фосфорилювання 1-го ферменту - цитратсинтазита швидкість реакцій циклу Кребся знижується. При зниженні АТФ та накопиченні АДФ відбувається дефосфорилювання ферменту та його активність підвищується.

2. Алостеричне регулювання. За таким механізмом здійснюється регулювання двох ферментів.

Цитратсинтазаактивується оксалоацетатом.

Ізоцитратдегідрогеназу(основний регуляторний фермент) активується НАД + та інгібується НАДН 2

a-кетоглутаратдегідрогеназаінгібується продуктом реакції – сукциніл-КоА.