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.

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 (ЦТК). Биологическое значение ЦТК. Челночные механизмы переноса водорода

Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК, лимоннокислый цикл, цикл Кребса): ЦТК, как и реакции митохондриального окисления, протекает в митохондриях. Представляет собой серию реакций, замкнутых в цикл.

Образовавшиеся молекулы щавелево-уксусной кислоты (ЩУК) реагируют с новой молекулой Ацетил-КоА, и цикл повторяется вновь от образования цитрата до его превращения в ЩУК. В реакциях ЦТК участвуют 4 из 9 субстратов митохондрального окисления (МтО).

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

В 5-й реакции 1 молекула АТФ образуется путем субстратного фосфорилирования.

За один оборот ЦТК образуется 12 молекул АТФ. Смысл ЦТК аключа- ется в том, чтобы остатки уксусной кислоты расщепились с образованием большого количества АТФ. Кроме того, из ацетатных остатков образуются С02 и Н20 как конечные продукты обмена веществ.

С02 образуется в ходе ЦТК дважды:

В 3-й реакции (окисление изоцитрата);

в 4-й реакции (окисление а-кетоглутарата).

Если прибавить еще 1 молекулу С0 2 , которая образуется до начала ЦТК- при превращении пировиноградной кислоты (ПВК) в Ацетил-КоА, то можно говорить о 3 молекулах С0 2 , образующихся при распаде ПВК. Суммарно эти молекулы, образующиеся при распаде ПВК, составляю до 90% углекислоты, которая выводится из организма.

Главная роль ЦТК - образование большого количества АТФ.

Значение ЦТК:

главный источник АТФ. Энергию для образования большого количества АТФ дает полный распад Ацетил-КоА до С0 2 и Н 2 0;

универсальный терминальный этап катаболизма веществ всех классов;

• - играет важную роль в процессах анаболизма (промежуточные продукты ЦТК):
  • а) из цитрата-» синтез жирных кислот;
  • б) из а-кетоглутарата и ЩУК (щавеливо- уксусная кислота)-» синтез аминокислот;
  • в) из ЩУК-» синтез углеводов;
  • г) из сукцинил-КоА-» синтез гема гемоглобина.

Автономная саморегуляция ЦТК. В ЦТК два ключевых фермента: цит- ратсинтаза (1-я реакция) и изоцитратдегидрогеназа (3-я реакция).

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

Изоцитратдегидрогеназа ингибируется АТФ намного сильнее, чем цит- ратсинтаза, 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.

Челночные механизмы переноса водорода. Никотинамидные дегидрогеназы находятся не только в матриксе митохондрий, но и в цитоплазме. Митохондриальная мембрана непроницаема для НАД, поэтому НАДН2, который образуется в цитозоле, может передать свой водород в митохондрию только с помощью специальных субстратных челночных механизмов. В митондрию из цитозоля передается не сам НАДН2, а только водород, отнятый от него. Переносимый водород включается в молекулу вещества-челнока, способного проникать через митохондриальную мембрану. В митохондрии вещество-челнок отдает водород на митохондриальный НАД или ФАД и возвращается обратно в цитозоль.

Два типа челночных механизмов:

Малат- аспартатный (наиболее универсален для клеток организма). С высокой скоростью работает в миокарде, почечной ткани, печени. В этой транспортной системе водород от цитоплазматического НАД передается на митохондриальный НАД, поэтому в митохондриях образуется 3 молекулы АТФ и не происходит потери энергии при переносе водорода. Для ткани печени малат- аспартат- ная система особенно важна, так как из митохондрии выводится Ацетил- КоА (в виде цитрата), а водород попадает в митохондрию (в составе малата).

Таким образом, происходит не только челночный транспорт водорода от цитоплазматического НАД к митохондриальному, но и обратный транспорт Ацетил-КоФ из митохондий в цитоплазму в виде цитрата. В цитоплазме Аце- тил-КоА может быть использован для синтеза жирных кислот; ЩУК может вернуться в цитоплазму и другим способом, вступив в реакцию трансаминиро- вания с глутаминовой кислотой;

Глицерофосфатный (встречается реже).

Водород от цитоплазматического НАД передается на митохондриальный ФАД, и в митохондриях образуется 2 молекулы АТФ вместо 3- происходит потеря энергии при переносе водорода.

В клетке существует не только челночный транспорт водорода от цитоплазматического НАД к митохондриальному. Происходит и обратный транспорт Ацетил-КоА из митохондрий в цитоплазму в виде цитрата. В цитоплазме Ацетил-КоА может быть использован для синтеза жирных кислот.

Таким образом, дыхательный обмен одновременно составляет ведущее звено потока веществ , объединяющего метаболические пути расщепления и образования углеводов, белков, жиров, нуклеиновых кислот (рис. 15).

Рис. 15

• Общее представление. Характеристика этапов ЦТК.
• Конечные продукты ЦТК.
• Биологическая роль ЦТК.
• Регуляция ЦТК.
• Нарушения работы ЦТК.

· ОБЩЕЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ. ХАРАКТЕРИСТИКА ЭТАПОВ ЦТК

Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) представляет собой магистральный, циклический, метаболический путь , в котором происходит окисление активной уксусной кислоты и некоторых других соединений, образующихся при распаде углеводов, липидов, белков и который обеспечивает дыхательную цепь восстановленными коферментами.

ЦТК был открыт в 1937 году Г. Кребсом . Он обобщил имевшиеся к тому времени экспериментальные исследования и построил полную схему процесса.

Реакции ЦТК протекают в митохондриях в аэробных условиях .

В начале цикла (рис. 6) происходит конденсация активной уксусной кислоты (ацетил-КоА) со щавелево-уксусной кислотой (оксалоацетатом) с образованием лимонной кислоты (цитрата) . Эта реакция катализируется цитратсинтазой .

Далее цитрат изомеризуется в изоцитрат . Изомеризация цитрата осуществляется путем дегидратации с образованием цис-аконитата и его последующей гидратацией. Катализ обеих реакций обеспечивает аконитаза .

На 4-й стадии цикла происходит окислительное декарбоксилирование изоцитрата под действием изоцитратдегидрогеназы (ИЦДГ) с образованием a-кетоглутаровой кислоты , НАДН(Н +) или НАДФН(Н +) и СО 2. НАД-зависимая ИДГ локализована в митохондриях, а НАДФ-зависимый фермент присутствует в митохондриях и цитоплазме.

В ходе 5-й стадии осуществляется окислительное декарбоксилирование a-кетоглутарата с образованием активной янтарной кислоты (сукцинил-КоА) , НАДН(Н) и СО 2 . Этот процесс катализирует a-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс , состоящий из трех ферментов и пяти коферментов. Ферменты: 1) a-кетоглутаратдегидрогеназа, связанная с коферментом ТПФ; 2) транссукцинилаза, коферментом которой является липоевая кислота;

3) дигидролипоилдегидрогеназа, связанная с ФАД. В работе a-кетоглутаратдегидрогеназ-

ного комплекса принимают участие также коферменты КоА-SH и НАД.

На 6-й стадии происходит расщепление макроэргической тиоэфирной связи сукцинил-КоА, сопряженное с фосфорилированием ГДФ. Образуются янтарная кислота (сукцинат) и ГТФ (на уровне субстратного фосфорилирования) . Реакция катализируется сукцинил-КоА-синтетазой (сукцинилтиокиназой) . Фосфорильная группа ГТФ может переноситься на АДФ: ГТФ +АДФ ® ГДФ + АТФ . Катализ реакции происходит при участии фермента нуклеозиддифосфокиназы.

В ходе 7-й стадии осуществляется окисление сукцината под действием сукцинатдегидрогеназы с образованием фумарата и ФАДН 2 .

На 8-й стадии фумаратгидратаза обеспечивает присоединение воды к фумаровой кислоте с образованием L - яблочной кислоты (L- малата) .

L-малат на 9-й стадии под действием малатдегидрогеназы окисляется до оксалоацетата , в реакции также образуется НАДН(Н +). На оксалоацетате метаболический путь замыкается и снова повторяется , приобретая циклический характер.

Рис. 6. Схема реакций цикла трикарбоновых кислот.

· КОНЕЧНЫЕ ПРОДУКТЫ ЦТК

Суммарное уравнение ЦТК имеет следующий вид:

// О

СН 3 – С~ S-КоА + 3 НАД + + ФАД + АДФ + Н 3 РО 4 + 3 Н 2 О ®

® 2 СО 2 + 3 НАДН(Н +) + ФАДН 2 + АТФ + КоА-SH

Таким образом конечными продуктами цикла (в расчете на 1 оборот) являются восстановленные коферменты - 3 НАДН(Н +) и 1 ФАДН 2 , 2 молекулы углекислого газа, 1 молекула АТФ и 1 молекула КоА- SH.

· БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ЦТК

Цикл Кребса выполняет интеграционную, амфиболическую (т.е. катаболическую и анаболическую ), энергетическую и водороддонорную роль.

Интеграционная роль состоит в том, что ЦТК представляет собой конечный общий путь окисления топливных молекул – углеводов, жирных кислот и аминокислот.

В ЦТК происходит окисление ацетил-КоА – это катаболическая роль .

Анаболическая роль цикла заключается в том, что он поставляет промежуточные продукты для биосинтетических процессов. Например, оксалоацетат используется для синтеза аспартата, a-кетоглутарат – для образования глутамата , сукцинил-КоА – для синтеза гема .

Одна молекула АТФ образуется в ЦТК на уровне субстратного фосфорилирования – это энергетическая роль.

Водороддонорная рольсостоит в том, что ЦТК обеспечивает восстановленными коферментами НАДН(Н +) и ФАДН 2 дыхательную цепь, в которой происходит окисление водорода этих коферментов до воды, сопряженное с синтезом АТФ. При окислении одной молекулы ацетил-КоА в ЦТК образуются 3 НАДН(Н +) и 1 ФАДН 2

Выход АТФ при окислении ацетил-КоА составляет 12 молекул АТФ (1 АТФ в ЦТК на уровне субстратного фосфорилирования и 11 молекул АТФ при окислении 3 молекул НАДН(Н +) и 1 молекулы ФАДН 2 в дыхательной цепи на уровне окислительного фосфорилирования).

· РЕГУЛЯЦИЯ ЦТК

Скорость функционирования ЦТК точно подогнана к потребности клеток в АТФ, т.е. цикл Кребса сопряжен с дыхательной цепью, функционирующей только в аэробных условиях. Важной регуляторной реакцией цикла является синтез цитрата из ацетил-КоА и оксалоацетата, протекающий при участии цитратсинтазы . Высокий уровень АТФ ингибирует данный фермент. Вторая регуляторная реакция цикла – изоцитратдегидрогеназная . АДФ и НАД + активируют фермент, НАДН(Н +) и АТФ ингибируют . Третьей регуляторной реакцией является окислительное декарбоксилирование a-кетоглутарата . НАДН(Н +),сукцинил-КоА и АТФ ингибируют a-кетоглутаратдегидрогеназу.

· НАРУШЕНИЯ РАБОТЫ ЦТК

Нарушение функционирования ЦТК может быть связано:

С недостатком ацетил-КоА;

С недостатком оксалоацетата (он образуется при карбоксилировании пирувата, а последний в свою очередь при распаде углеводов). Несбалансированность рациона по углеводам влечет за собой включение ацетил-КоА в кетогенез (образование кетоновых тел), что приводит к кетозам;

С нарушением активности ферментов по пичине недостатка витаминов, входящих в состав соответствующих коферментов (недостаток витамина В 1 приводит к недостатку ТПФ и нарушению функционирования a-кетоглутаратдегидрогеназного комплекса; недостаток витамина В 2 ведет к недостатку ФАД и нарушению активности сукцинатдегидрогеназы; недостаток витамина В 3 влечет за собой недостаток кофермента ацилирования КоА-SH и нарушение активности a-кетоглутаратдегидрогеназного комплекса; недостаток витамина В 5 приводит к недостатку НАД и нарушению активности изоцитратдегидрогеназы, a-кетоглутаратдегидрогеназного комплекса и малатдегидрогеназы; недостаток липоевой кислоты также приводит к нарушению функционирования a-кетоглутаратдегидрогеназного комплекса);

С недостатком кислорода (нарушен синтез гемоглобина и функционирование дыхательной цепи, а накапливающийся НАДН(Н +) выступает в этом случае в роли аллостерического ингибитора изоцитратдегидрогеназы и a-кетоглутаратдегидрогеназного комплекса)

· кОнТрольные вопросы

Цикл лимонной кислоты (цикл Кребса)

Биоорганические вещества, такие, как глюкоза, обладают большим запасом энергии. При окислении глюкозы кислородом

высвобождается энергия Гиббса AG = -2880 кДж/моль. Эта энергия может запасаться в клетке в форме химической энергии фосфатных связей аденозилтрифос- фата АТР. Образующиеся молекулы АТР диффундируют в различные участки клетки, где используется энергия. АТР - это переносчик энергии. Клетка использует эту энергию для выполнения работы. Однако при гликолизе тратится лишь незначительная часть энергии, запасенной в глюкозе (несколько процентов). Основная ее часть передается в цикле Кребса (рис. 9.4), сопряженном с клеточным дыханием.

Рис. 9.4.

I - оксалоацетат, 1а ацетил*СоЛ, 2 - лимонная кислота (цитрат). 3 - иэоцитрат. 4 - оксалосукцинат. 5 - кетоглугарат. 6 - янтарная кислота (сукцинат). 7 - фумарат. 8 - яблочная кислота (малат)

Цикл Кребса, или цикл лимонной кислоты, или цикл 3-карбоновых кислот, представляет собой ряд последовательных реакций, протекающих в митохондриях. В ходе этих реакций осуществляется катаболизм ацетильных групп СН3СО-, передаваемых от пирувата, конечного продукта гликолиза. Пируват вступает в реакции цикла Кребса, предварительно превращаясь в ацетил-СоА.

Цикл Кребса, как и гликолиз, представляет собой метаболический путь, состоящий из последовательных стадий - реакций. В отличие от гликолиза, этот путь замкнутый, циклический.

1. Ацетил-СоА - продукт катаболизма углеводов, белков и липидов - вступает в цикл, реагируя (конденсируется) с солью щавелевоуксусной кислоты (оксало- ацстатом). При этом образуется соль лимонной кислоты (цитрат):

2. Цитрат изомеризуется в изоцитрат. Реакция катализируется ферментом ако- нитазой и проходит через образование аконитата с последующим его превращением в изоцитрат:

3. Изоцитрат окисляется до а-кетоглутарата. Реакция катализируется ферментом изоцитратдегидрогеназой:

4. а-Кетоглутарат подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием сукцинил-СоА. Катализируеся а-кетоглутарат дегидрогеназой:

5. Сукцинил-СоА превращается в сукцинат. Реакция катализируется ферментом сукцинат-СоА-лигазой:

6. Сукцинат превращается в фумарат. Реакция катализируется ферментом дегидрогеназой:

7. Фумарат гидратируется по двойной связи с образованием малата (соль яблочной кислоты). Катализируется фумаратгидратазой:

8. Манат окисляется до оксапоацетата. Катализируется мапатдегидрогеназой:

Рис. 9.5.

На восьмой стадии цикл замыкается и начинается его новое прохождение.

Все стадии цикла лимонной кислоты протекают во внутренней среде митохондрий - матриксе (рис. 9.5). Здесь находятся все ферменты этого метаболического пути.

Митохондрия (от греч. «mitos» - нить и «chondrion» - зернышко) имеет вытянутую форму; длина 1,5-2 мкм, диаметр 0,5-1 мкм. Органеллы клеток животных находятся в жидкой среде клетки - цитоплазме (см. рис. 6.2).

Внутреннее пространство митохондрий окружено двумя непрерывными мембранами. При этом наружная мембрана гладкая, а внутренняя образует многочисленные складки, или кристы. Внутримитохондриальное пространство ограничено внутренней мембраной, заполнено жидкой средой - матриксом, который примерно на 50% состоит из белка и имеет очень тонкую структуру. Удлиненная форма митохондрий не универсальна. В некоторых тканях, например в поперечно-полосатых скелетных мышцах, митохондрии иногда принимают самые причудливые очертания.

В митохондриях сосредоточено большое количество ферментов.

В клетке может находиться от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч митохондрий. Для одного и того же типа клеток число митохондрий более или менее постоянно. Однако следует помнить, что количество митохондрий может меняться в зависимости от стадии развития клетки и ее функциональной активности, а в целом от интенсивности нагрузок на организм.

Митохондрии - энергетические станции, вырабатывающие энергию для жизнедеятельности организма. Особенно много митохондрий в мышечных клетках, где требуются большие затраты энергии.

Образованные в цикле Кребса высокоэнергетические вещества NADH и FADFb (см. рис. 9.4) передают свою энергию в реакции ресинтеза АТР из ADP:

В результате на каждую молекулу NADH образуются 3 молекулы АТР. Эта реакция окислительно-восстановительная, т. е. сопровождается переносом электронов от восстановителя NADH к окислителям (см. разд. 4.3). В качестве окислителя выступает кислород О2. Эта реакция называется окислительным фосфорилированием ADP в АТР.

Окислительное фосфорилирование происходит во внутренней митохондриальной мембране. В трех участках дыхательной цепи запасается энергия в результате синтеза АТР из ADP и Р,.

Реакция протекает в несколько стадий на внутренних мембранах митохондрий (см. рис. 9.5), в системе ферментов, называемой дыхательной цепью. Сюда из клеточной плазмы поступают молекулы ADP. Соответствующий окислительновосстановительный процесс называется клеточным дыханием. Именно здесь расходуется кислород, которым мы дышим.

Молекулы АТР, образованные в матриксе, выходят из митохондрий в плазму клетки, где участвуют в различных биохимических реакциях, протекающих с расходом энергии.

Таким образом, энергия, высвобождающаяся в процессе переноса электронов от восстановителей, используется для окислительного фосфорилирования ADP в АТР.

Предполагают, что энергия, высвобождающаяся вдыхательной цепи, затрачивается непосредственно на перевод внутренней мембраны в новое, богатое энергией конформационное состояние, которое, в свою очередь, становится движущей силой окислительного фосфорилирования, приводящего к образованию АТР. В настоящее время наиболее серьёзное обоснование получила гипотеза хемоосмо- тического сопряжения Митчела.

Таким образом, биосинтез АТР в животном организме осуществляется из ADP и неорганического фосфата Р, при активировании последнего за счёт энергии окисления органических соединений при метаболических процессах.

Окисление органических соединений в живых системах не всегда сопряжено с фосфорилированием, и фосфорилирование не обязательно должно быть окислительным.

Известно несколько сотен реакций окисления. Не менее десятка из них сопряжено с одновременным активированием неорганического фосфата. Такие реакции называют реакциями субстратного фосфорилирования. Здесь реакции расщепления субстрата сопровождаются передачей энергии непосредственно неорганическому фосфату. В результате образуется другой фосфорилированный субстрат с макроэргической связью. В этом случае в процессе не участвует дыхательная цепь ферментов и не происходит превращение энергии, выделяемой при переносе электронов на кислород, в энергию фосфатной связи АТР.

В качестве примера субстратного фосфорилирования можно привести реакцию превращения сукницил-СоА в янтарную кислоту с образованием GTP из GDP и фосфата Р, в лимоннокислом цикле.

В растениях источником энергии для активирования неорганического фосфата и обеспечения синтеза АТР служит энергия солнечного света, улавливаемая фото- синтетическим аппаратом клетки. Такое фосфорилирование называют фотосин- тетическим.

Для удовлетворения потребностей человеческого организма в энергии молекулы АТР на протяжении суток тысячи и тысячи раз расщепляются до молекул ADP и Р, с последующим ресинтезом АТР. Кроме того, скорость ресинтеза АТР должна меняться в широких пределах - от минимальной во время сна до максимальной в периоды напряженной мышечной работы.

Из сказанного можно сделать вывод, что окислительное фосфорилирование не просто непрерывный жизненно важный процесс. Он должен регулироваться в широких пределах, что достигается путем тренировки.

Суммарное уравнение реакций гликолиза и цикла лимонной кислоты записывается следующим образом:

Стандартная энергия Гиббса окисления 1 моля глюкозы СбН^Об равна ДG* = = -2880 кДж (см. разд. 5.1). Стандартная энергия Гиббса гидролиза 38 молей АТР (запасенная энергия) равна ДG°" = -38*30 = -1180 кДж, т. е. запасается лишь 40% энергии глюкозы (коэффициент полезного действия дыхания). Остальная энергия выделяется из организма в виде тепла Q. Этим объясняется разогрев и повышение температу ры тела при интенсивной работе (см. рис. 5.2).

Глюкоза выполняет функцию клеточного топлива в нашем организме. Она получается главным образом либо в процессе пищеварения из углеводов, либо путем синтеза из резервных жиров.