Реакции цикла кребса. ★★★FITNESS LIVE★★★Спортивное питание Аэробное окисление аминокислот в цикле кребса

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:

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!

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.

Каждому известно, что для нормальной работы организм нуждается в регулярном поступлении целого ряда питательных веществ, которые нужны для здорового метаболизма и, соответственно, баланса процессов выработки и расходования энергии. Процесс выработки энергии, как известно, протекает в митохондриях, которые благодаря этой особенности и получили название энергетических центров клеток. А последовательность химических реакций, которая позволяет получить энергию для работы каждой клеточки тела, называется циклом Кребса.

Цикл Кребса - чудеса, которые происходят в митохондриях

Энергия, получаемая посредством цикла Кребса (также ЦТК - цикл трикарбоновых кислот), идет на нужды отдельных клеток, которые в свою очередь составляют различные ткани и, соответственно, органы и системы нашего организма. Поскольку без энергии организм попросту не может существовать, митохондрии постоянно работают над тем, чтобы бесперебойно поставлять в клетки необходимую им энергию.

Аденозин трифосфат (АТФ) - именно это соединение является универсальным источником энергии, необходимым для протекания всех биохимических процессов в нашем организме.

ЦТК - это центральный метаболический путь, в результате которого завершается окисление метаболитов:

• жирных кислот;
• аминокислот;
• моносахаридов.

В процессе аэробного распада эти биомолекулы расщепляются на меньшие молекулы, которые используются для получения энергии или синтеза новых молекул.

Цикл трикарбоновых кислот состоит из 8 этапов, т.е. реакций:

1. Образование лимонной кислоты:

2. Образование изолимонной кислоты:

3. Дегидрирование и прямое декарбоксилирование изолимонной кислоты.

4. Окислительное декарбоксилирование α-кетоглутаровой кислоты

5. Субстратное фосфорилирование

6. Дегидрирование янтарной кислоты сукцинат-дегидрогеназой

7. Образование яблочной кислоты ферментом фумаразой

8. Образование оксалацетата

Таким образом, после завершения реакций, которые составляют цикл Кребса:

• одна молекула ацетил-КоА (образованная в результате распада глюкозы) окисляется до двух молекул углекислого газа;
• три молекулы NAD восстанавливаются до NADH;
• одна молекула ФАД восстанавливается до ФАДН 2 ;
• образуется одна молекула ГТФ (эквивалент АТФ).

Молекулы НАДН и ФАДН 2 действуют как переносчики электронов и используются для образования АТФ на следующей стадии метаболизма глюкозы - окислительном фосфорилировании.

Функции цикла Кребса:

• катаболическая (окисление ацетильных остатков топливных молекул до конечных продуктов обмена);
• анаболическая (субстраты цикла Кребса - основа для синтеза молекул, в т.ч. аминокислот и глюкозы);
• интегративная (ЦТК - связующее звено между анаболическими и катаболическими реакциями);
• водорододонорная (поставка 3 НАДН.Н + и 1 ФАДН 2 на дыхательную цепь митохондрий);
• энергетическая.

Недостаток элементов, необходимых для нормального протекания цикла Кребса, может привести к серьезным проблемам в организме, связанным с нехваткой энергии.

Благодаря метаболической гибкости организм способен использовать в качестве источника энергии не только глюкозу, но и жиры, расщепление которых также дает молекулы, образующие пировиноградную кислоту (задействуется в цикле Кребса). Таким образом, протекающий надлежащим образом ЦТК обеспечивает получение энергии и строительных блоков для образования новых молекул.

У эукариот все реакции цикла Кребса протекают внутри митохондрий, причём катализирующие их ферменты, кроме одного, находятся в свободном состоянии в митохондриальном матриксе. У прокариот реакции цикла протекают в цитоплазме. При работе цикла Кребса окисляются различные продукты обмена, в частности токсичные недоокисленные продукты распада алкоголя, поэтому стимуляцию цикла Кребса можно рассматривать как меру биохимической детоксикации.

СубстратыПродуктыФерментТип реакцииКомментарий 1 Оксалоацета т + Ацетил-CoA + H 2 O Цитрат + CoA-SH Цитратсинта за Альдольная конденсация лимитирующая стадия, превращает C 4 оксалоацетат в С 6 2Цитрат цис-аконитат + H 2 O аконитаза 3 цис-акониат + H 2 O изоцитрат гидратация изоцитратдеги дрогеназа декарбоксилир ующая Окисление 4 Изоцитрат + NAD + Оксалосукцин ат + NADH + H + 5 Оксалосукци нат α- кетоглутарат + CO 2 декарбокси лирование необратимая стадия, образуется C 5

СубстратыПродуктыФермент Тип реакции Комментарий 6 α- кетоглутар ат + NAD + + CoA-SH сукцинил- CoA + NADH + H + + CO 2 альфакетоглу таратдегидро геназный комплекс (3 фермента) Окислитель ное декарбокси лирование образуется NADH (эквивалентно 2.5 АТФ), регенерация C 4 цепи (освобождается CoA-SH) 7 сукцинил- CoA + GDP + P i сукцинат + CoA-SH + GTP сукцинилкоф ермент А синтетаза субстратно е фосфорили рование АДФ->ATP, образуется 1 ATP (или 1 GTF) 8 сукцинат + убихинон (Q) фумарат + убихинол (QH 2) сукцинатдеги дрогеназа Окисление используется FAD как простетическая группа (FAD->FADH 2 на первой стадии реакции) в ферменте, образуется эквивалент 1.5 ATP ATP, образуется 1 ATP (или 1 GTF) 8 сукцинат + убихинон (Q) фумарат + убихинол (QH 2) сукцинатдеги дрогеназа Окисление используется FAD как простетическая группа (FAD->FADH 2 на первой стадии реакции) в ферменте, образуется эквивалент 1.5 ATP">

СубстратыПродуктыФермент Тип реакции Комментарий 9 фумарат + H 2 O L-малатфумараза H 2 O- присоедин ение 10 L-малат + NAD + оксалоаце тат + NADH + H + малатдегидро геназа окисление образуется NADH (эквивалентно 2.5 ATP) Общее уравнение одного оборота цикла Кребса: Ацетил-КоААцетил-КоА 2CO 2 + КоА + 8e КоАe

Цикл Кребса регулируется «по механизму отрицательной обратной связи», при наличии большого количества субстратов, цикл активно работает, а при избытке продуктов реакции тормозится. Регуляция осуществляется и при помощи гормонов. Такими гормонами являются: инсулин и адреналин. Глюкагон стимулирует синтез глюкозы и ингибирует реакции цикла Кребса. Как правило работа цикла Кребса не прерывается за счёт анаплеротических реакций, которые пополняют цикл субстратами: Пируват + СО 2 + АТФ = Оксалацетат(субстрат Цикла Кребса) + АДФ + Фн.

1.Интегративная функция цикл является связующим звеном между реакциями анаболизма и катаболизма. 2.Катаболическая функция превращение различных веществ в субстраты цикла: Жирные кислоты, пируват,Лей,Фен Ацетил- КоА. Арг, Гис, Глу α-кетоглутарат. Фен, тир фумарат. 3.Анаболическая функция использование субстратов цикла на синтез органических веществ: Оксалацетат глюкоза, Асп, Асн. Сукцинил-КоА синтез гема. CО 2 реакции карбоксилирования.

1.Водорододонорная функция цикл Кребса поставляет на дыхательную цепь митохондрий протоны в виде трех НАДН.Н + и одного ФАДН 2. 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 фосфорилировани синтезируется 1 ГТФ, а затем из него синтезируется АТФ посредствам трансфосфорилировани: ГТФ + АДФ = АТФ + ГДФ.

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: Щуку ацетил лимонил, А нарцисса конь боялся, Он над ним изолимонно Альфа-кето-глютарался. Сукцинился коэнзимом, Янтарился фумарово, Яблочек припас на зиму, В щуку обратился снова. (щавелевоуксусная кислота, лимонная кислота, цис- аконитовая кислота, изолимонная кислота, α- кетоглутаровая кислота, сукцинил-CoA, янтарная кислота, фумаровая кислота, яблочная кислота, щавелевоуксусная кислота).

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

Цикл трикарбоновых кислот

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

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

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

В итоге после восьми реакций цикла вновь образуется оксалоацетат.

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

Функции ЦТК

1. Энергетическая

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

2. Анаболическая . В ЦТК образуются

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

Анаболические реакции ЦТК

Регуляция цикла трикарбоновых кислот

Аллостерическая регуляция

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

Регуляция доступностью оксалоацетата

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

Обычно в клетке имеется баланс между образованием ацетил-SКоА (из глюкозы, жирных кислот или аминокислот) и количеством оксалоацетата. Источником оксалоацетата являются

1) Пировиноградная кислота , образуемая из глюкозы или аланина,

Синтез оксалоацетата из пирувата

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

2) Получение из аспарагиновой кислоты в результате трансаминирования или из цикла АМФ-ИМФ,

3) Поступление из фруктовых кислот самого цикла (янтарной, α-кетоглутаровой, яблочной, лимонной), образуемых при катаболизме аминокислот или в других процессах. Большинство аминокислот при своем катаболизме способны превращаться в метаболиты ЦТК, которые далее идут в оксалоацетат, чем также поддерживается активность цикла.

Пополнение пула метаболитов ЦТК из аминокислот

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

Роль оксалоацетата в метаболизме

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

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

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

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

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

цикл Кребса – представляет собой замкнутую систему биохимических окислительно-восстановительных реакций. Цикл назван по имени английского биохимика Ханса Кребса, который постулировал и экспериментально подтвердил основные реакции аэробного окисления. За проведенные исследования Кребс получил Нобелевскую премию (1953). Цикл имеет еще два названия:

цикл трикарбоновых кислот, так как он включает реакции превращения трикарбоновых кислот (кислот, содержащих три карбоксильные группы);

Цикл лимонной кислоты, так как первой реакцией цикла является образование лимонной кислоты.

Цикл Кребса включает 10 реакций, четыре из которых окислительно-восстановительные. В ходе реакций освобождается 70% энергии.

Чрезвычайно велика биологическая роль этого цикла, поскольку это общий конечный пункт окислительного распада всех основных пищевых продуктов. Это главный механизм окисления в клетке, образно его называют метаболическим «котлом». В процессе окисления топливных молекул (углеводов, аминокислот, жирных кислот происходит обеспечение организма энергией в виде АТФ. Топливные молекулы вступают в цикл Кребса после превращения в ацетил-Ко-А.

Кроме того, цикл трикарбоновых кислот поставляет промежуточные продукты для процессов биосинтеза. Этот цикл происходит в матриксе митохондрий. Рассмотрим реакции цикла Кребса

Цикл начинается с конденсации четырехуглеродного компонента оксалоацетата и двухуглеродного компонента ацетил-Ко-А. Реакция катализируется цитратсинтазой и представляет собой альдольную конденсацию с последующим гидролизом. Промежуточным продуктом является цитрил-Ко-А, который гидролизуется на цитрат и КоА:

Реакции 4 и 5 представляют собой окислительное декарбоксилирование, катализируются изоцитратдегидрогеназой, промежуточным продуктом реакций является оксалосукцинат.

Сукцинил-КоА + ~ Ф +ГДФ Сукцинат + ГТФ +КоА

Фосфорильная группа ГТФ легко переносится на АДФ с образованием АТФ:

ГТФ + АДФ АТФ + ГДФ

Это единственная реакция цикла, являющаяся реакцией субстратного фосфорилирования.

VIII. Это третья окислительно-восстановительная реакция:

X. Четвертая окислительно-восстановительная реакция:

В цикле Кребса образуются углекислый газ, протоны, электроны. Четыре реакции цикла являются окислительно-восстановительными, катализируются ферментами – дегидрогеназами, содержащими коферменты НАД, ФАД. Коферменты захватывают образующиеся Н + и ē и передают их в дыхательную цепь (цепь биологического окисления). Элементы дыхательной цепи находятся на внутренней мембране митохондрий.