מהי התוצאה של מחזור קרבס, היווצרות ATP. מחזור קרבס, תפקיד ביולוגי, תגובות עיקריות

לאחר מכן נכנס אצטיל-SCoA שנוצר בתגובת PVK dehydrogenase מחזור חומצה טריקרבוקסילית(מחזור TCA, מחזור חומצת לימון, מחזור קרבס). בנוסף לפירובט, חומצות קטו המגיעות מקטבוליזם מעורבות במחזור חומצות אמינואו כל חומר אחר.

מחזור חומצה טריקרבוקסילית

המחזור ממשיך פנימה מטריצה ​​מיטוכונדריאליתומייצגת חִמצוּןמולקולות אצטיל-SCoAבשמונה תגובות רצופות.

בתגובה הראשונה הם נקשרים אצטילו אוקסלואצטט(חומצה אוקסלואצטית) להיווצר ציטראט(חומצת לימון), אז מתרחשת איזומריזציה של חומצת לימון isocitrateושתי תגובות דה-הידרוגנציה עם שחרור נלווה של CO 2 והפחתה של NAD.

בתגובה החמישית נוצר GTP, זו התגובה זרחון מצע. לאחר מכן, דה-הידרוגנציה תלוית FAD מתרחשת ברצף סוקסינאט(חומצה סוצינית), הידרציה פומארובהחומצה ל מאלאט(חומצה מאלית), ולאחר מכן דה-הידרוגנציה תלוית NAD וכתוצאה מכך היווצרות אוקסלואצטט.

כתוצאה מכך, לאחר שמונה תגובות של המחזור שובנוצר אוקסלואצטט .

שלושת התגובות האחרונות מהוות את המוטיב הביוכימי שנקרא (דהידרוגנציה תלויה FAD, הידרציה ו- NAD תלויה דהידרוגנציה, היא משמשת להחדרת קבוצת קטו למבנה הסוקסינאט. מוטיב זה קיים גם בתגובות חמצון β של שומן חומצות. בסדר הפוך (הפחתה, דההידרציה והפחתה) מוטיב זה נצפה בתגובות סינתזה של חומצות שומן.

פונקציות של TsTK

1. אנרגיה

• דוֹר אטומי מימןלתפקוד של שרשרת הנשימה, כלומר שלוש מולקולות של NADH ומולקולה אחת של FADH2,
• סינתזה של מולקולה בודדת GTF(שווה ערך ל-ATP).

2. אנאבולי. ב-TCC נוצרים

• מבשר heme succinyl-SCoA,
• חומצות קטו שניתן להמיר לחומצות אמינו - α-ketoglutarateעבור חומצה גלוטמית, אוקסלואצטטעבור חומצה אספרטית,
• חומצה לימון, משמש לסינתזה של חומצות שומן,
• אוקסלואצטט, משמש לסינתזה של גלוקוז.

תגובות אנבוליות של מחזור TCA

ויסות מחזור החומצה הטריקרבוקסילית

ויסות אלוסטרי

אנזימים המזרזים את התגובה הראשונה, השלישית והרביעית של מחזור ה-TCA רגישים ל ויסות אלוסטרימטבוליטים:

ויסות של זמינות אוקסלואצטט

רָאשִׁיו בסיסיהרגולטור של מחזור ה-TCA הוא אוקסלואצטט, או ליתר דיוק הזמינות שלו. הנוכחות של oxaloacetate מגייסת אצטיל-SCoA למחזור TCA ומתחילה את התהליך.

בדרך כלל יש לתא איזוןבין היווצרות אצטיל-SCoA (מגלוקוז, חומצות שומן או חומצות אמינו) לבין כמות האוקסלואצטט. המקור לאוקסלואצטט הוא פירובט, (נוצר מגלוקוז או אלנין), המתקבל מ חומצה אספרטיתכתוצאה מ-transamination או מחזור AMP-IMP, וגם מ חומצות פריהמחזור עצמו (סוקסיני, α-ketoglutaric, malic, Citric), שיכול להיווצר במהלך הקטבוליזם של חומצות אמינו או להגיע מתהליכים אחרים.

סינתזה של אוקסלואצטט מפירובאט

ויסות פעילות האנזים פירובאט קרבוקסילאזבוצע בהשתתפות אצטיל-SCoA. זה אלוסטרי מפעילאנזים, ובלעדיו פירובאט קרבוקסילאז כמעט אינו פעיל. כאשר אצטיל-SCoA מצטבר, האנזים מתחיל לפעול ונוצר אוקסלואצטט, אך כמובן רק בנוכחות פירובט.

גם הרוב חומצות אמינובמהלך הקטבוליזם שלהם, הם מסוגלים להפוך למטבוליטים של מחזור ה-TCA, אשר עוברים לאחר מכן לאוקסלואצטט, אשר גם שומר על פעילות המחזור.

חידוש מאגר המטבוליטים של מחזור TCA מחומצות אמינו

תגובות של חידוש המחזור עם מטבוליטים חדשים (אוקסלואצטט, ציטראט, α-ketoglutarate וכו') נקראות אנפלרוטי.

תפקידו של אוקסלואצטט במטבוליזם

דוגמה לתפקיד משמעותי אוקסלואצטטמשמש להפעלת הסינתזה של גופי קטון ו קטואצידוזיספלזמת דם ב לא מספיקכמות אוקסלואצטט בכבד. מצב זה נצפה במהלך חוסר פיצוי של סוכרת תלוית אינסולין (סוכרת מסוג 1) ובמהלך צום. עם הפרעות אלה, תהליך הגלוקוניאוגנזה מופעל בכבד, כלומר. היווצרות גלוקוז מאוקסלואצטט וממטבוליטים אחרים, הגוררת ירידה בכמות האוקסלואצטט. הפעלה בו-זמנית של חמצון חומצות שומן והצטברות אצטיל-SCoA מעוררת מסלול גיבוי לניצול קבוצת האצטיל - סינתזה של גופי קטון. במקרה זה, מתפתחת חומצת דם בגוף ( קטואצידוזיס) עם תמונה קלינית אופיינית: חולשה, כאבי ראש, נמנום, ירידה בטונוס השרירים, טמפרטורת הגוף ולחץ הדם.

שינויים בקצב תגובות מחזור TCA והסיבות להצטברות של גופי קטון בתנאים מסוימים

שיטת הרגולציה המתוארת בהשתתפות אוקסלואצטט היא המחשה של הניסוח היפה " שומנים נשרפים בלהבות הפחמימות"זה מרמז ש"להבת הבעירה" של גלוקוז מובילה להופעת פירובט, ופירובאט הופך לא רק לאצטיל-SCoA, אלא גם ל אוקסלואצטט.הנוכחות של אוקסלואצטט מבטיחה את הכללת קבוצת האצטיל שנוצרה ממנה חומצות שומןבצורה של אצטיל-SCoA, בתגובה הראשונה של מחזור TCA.

במקרה של "בעירה" בקנה מידה גדול של חומצות שומן, אשר נצפית בשרירים במהלך עבודה פיזיתובכבד תַעֲנִית, קצב הכניסה של אצטיל-SCoA לתגובת מחזור TCA יהיה תלוי ישירות בכמות האוקסלואצטט (או גלוקוז מחומצן).

אם כמות האוקסלואצטט ב הפטוציטזה לא מספיק (אין גלוקוז או שהוא לא מחומצן לפירובט), אז קבוצת האצטיל תעבור לסינתזה של גופי קטון. זה קורה מתי צום ארוךו סוכרת מסוג 1.

מחזור קרבס.

הפייק "אכל" את האצטט,

התוצאה היא ציטראט.

דרך cis-aconitate

זה יהיה איזוציטרי.

מתן מימן ל-OVER,

הוא מאבד CO 2.

אני מאוד שמח על זה

אלפא-קטו-גלוטראט.

חמצון מגיע:

NAD יגנוב מימן,

B 1 וליפואט

הם ממהרים עם קואנזים A,

CO 2 נאסף.

והאנרגיה בקושי

הופיע בסוציניל,

מיד נולד ATF.

ומה שנשאר היה סוקסינאט.

עכשיו הוא הגיע ל-FAD -

הוא צריך מימן.

לאחר שאיבדו מימנים,

זה הפך להיות סתם קשקוש.

פומאראט שתה מים,

כן, זה הפך למלט.

הנה ה-NAD הגיע למלאות,

מימן רכש.

PIKE הופיע שוב

והתחבא בשקט

גארד אצטט...

אנזימיםבתרשים הזה יש.

קו-אנזימים- האם זה NAD, NADP, ATP, GTP? ואז יש.

תָכְנִית:

מולקולות ה-PCA שהתקבלו מגיבות עם מולקולת Acetyl-CoA חדשה והמחזור חוזר על עצמו.

מאזן אנרגיה של מהפכה אחת: 3 NADH 2 + 1 FADH 2 (נשלח בהמשך לשרשרת הנשימה של זרחון חמצוני) + 1 GTP (NADH 2 -> 3 ATP, FADH 2 -> 2 ATP, GTP -> 1 ATP) = 12 ATP.

ויסות מחזור TCA: 4 אנזימים רגולטוריים: ציטראט סינתאז, isocitrate DG, α-KG DG ו-SDH. מחזור ה-TCA מעוכב בעיקר על ידי NADH 2 ו-ATP, שהם תוצרים של מחזור ה-TCA ושרשרת הזרחן החמצוני. מחזור TCA מופעל בעיקר על ידי NAD + ו-ADP.

מסלול החמצון לשימוש בחמצן בתא הוא זרחון חמצוני מיטוכונדריאלי. הרכב קומפלקסים נשימתיים של שרשרת החיזור, לוקליזציה ותפקודים, מאפייני רקמה בילדות. תַקָנָה.

מסלול אוקסידאז לשימוש בחמצן בתא:

הוא מתרחש במיטוכונדריה, צורך 90% מ-O2 ומספק תהליך של זרחון חמצוני.

זרחן חמצוני- סינתזה של ATP מ-ADP ו-H 3 PO 4 עקב אנרגיית תנועת האלקטרונים לאורך שרשרת הנשימה.

זהו המקור העיקרי ל-ATP בתאים אירוביים

זרחון חמצוני מורכב מהתהליכים חִמצוּןו זרחן.

1) תהליך חמצון

תהליך החמצון מתרחש כאשר אלקטרונים נעים לאורך שרשרת הנשימה מהמצעים של נשימת רקמות לחמצן. שרשרת הנשימה של זרחון חמצוני מורכבת מ-4 קומפלקסים חלבונים המוטבעים בקרום הפנימי של המיטוכונדריה וממולקולות ניידות קטנות של יוביקינון וציטוכרום C המסתובבות בשכבת השומנים של הממברנה בין קומפלקסי החלבון.

א. קומפלקס I – קומפלקס NADH 2 dehydrogenase – הגדול מבין מתחמי האנזים הנשימתיים, מכיל חלבוני FMN ו-5 ברזל-גופרית (Fe 2 S 2 ו- Fe 4 S 4) כקו-אנזימים.

ב. מתחם II – SDH. מכיל FAD וחלבון ברזל-גופרית כקו-אנזימים.

ג. קומפלקס III – קומפלקס b-c 1 (אנזים QH 2 DG). כל מונומר מכיל 3 hemes הקשורים לציטוכרומים b 562, b 566, c 1 וחלבון ברזל גופרית.

ד. קומפלקס IV - קומפלקס ציטוכרום אוקסידאז. כל מונומר מכיל 2 ציטוכרומים (a ו-3) ו-2 אטומי נחושת.

ה. קו-אנזים Q (אוביקינון). העברות 2H + ו-2e -.

ו. ציטוכרום C. חלבון קרום מסיס במים היקפי. מכיל מולקולת heme.

שלבי תנועה e - לאורך שרשרת הנשימה

א. 2e - מ-NADH 2, עוברים דרך קומפלקס I (חלבון FMN→SFe) ל-CoQ, האנרגיה המשתחררת במקרה זה מבטיחה שאיבה של H+.

ב. CoQ עם 2е - לוקח 2H+ ממים מהמטריקס והופך ל-CoQH 2 (הפחתת CoQ מתרחשת גם בהשתתפות קומפלקס II).

ג. CoQH 2 מעביר 2e - לקומפלקס III, ו-2H + לחלל הבין-ממברני.

ד. ציטוכרום C מעביר e - c של קומפלקס III לקומפלקס IV.

ה. Complex IV משליך e-על O 2, האנרגיה המשתחררת במקרה זה מבטיחה שאיבה של H+.

הפוטנציאל האלקטרוכימי הנוצר על קרום המיטוכונדריה הפנימי משמש ל:

א. זרחון של ADP ל-ATP;

ב. הובלה של חומרים על פני הממברנה המיטוכונדריאלית;

ג. ייצור חום.

2) תהליך זרחון

תהליך הזרחון מתבצע על ידי ATP synthetase (H + -ATPase), אשר צורך 40-45% מהאנרגיה החופשית המשתחררת במהלך החמצון. H + -ATPase הוא חלבון אינטגרלי של הממברנה הפנימית של המיטוכונדריה; הוא מורכב מ-2 קומפלקסים חלבונים F 0 ו-F 1.

א. קומפלקס הידרופובי F 0שקוע בממברנה ומשמש כבסיס המקבע ATP synthase בממברנה. הוא מורכב ממספר יחידות משנה היוצרות תעלה שדרכה מועברים פרוטונים לתוך המטריצה.

ב. מתחם F 1בולט לתוך המטריצה ​​המיטוכונדריאלית. הוא מורכב מ-9 יחידות משנה (3α, 3β, γ, δ, ε). יחידות המשנה α ו- β מוערמות בזוגות ליצירת "ראש"; בין תת-היחידות a-ו-β יש 3 מרכזים פעילים שבהם מתרחשת סינתזת ATP; γ, δ, ε - יחידות משנה מחברות את קומפלקס F 1 עם F 0.

סינתזה ATP מבטיח המרה הדדית הפיכה של האנרגיה של הפוטנציאל האלקטרוכימי ושל האנרגיה של קשרים כימיים.

הפוטנציאל האלקטרוכימי של הממברנה הפנימית גורם ל-H+ לנוע מהחלל הבין-ממברני דרך ערוץ סינתאז ATP אל המטריצה ​​המיטוכונדריאלית. עם כל העברה של פרוטונים דרך ערוץ F o, האנרגיה של הפוטנציאל האלקטרוכימי מושקעת על הפיכת המוט, וכתוצאה מכך הקונפורמציה של תת-היחידות a-ו-β משתנה באופן מחזורי וכל 3 המרכזים הפעילים נוצרים על ידי זוגות של תת-יחידות α ו-β מזרזות את השלב הבא של המחזור: 1) קישור של ADP ו-H 3 PO 4; 2) יצירת הקשר הפוספואנהידריד של ATP; 3) שחרור של המוצר הסופי ATP.

מחזור חומצות טריקרבוקסיליות (מחזור קרבס)

גליקוליזה ממירה גלוקוז לפירובט ומפיקה שתי מולקולות ATP ממולקולת גלוקוז - חלק קטן מהאנרגיה הפוטנציאלית של אותה מולקולה.

בתנאים אירוביים, פירובט הופך מגליקוליזה לאצטיל-CoA ומתחמצן ל-CO2 במחזור החומצה הטרי-קרבוקסילית (מחזור חומצת לימון). במקרה זה, האלקטרונים המשתחררים בתגובות של מחזור זה עוברים דרך NADH ו-FADH 2 עד 0 2 - המקבל הסופי. הובלת אלקטרונים קשורה ליצירת שיפוע פרוטונים בממברנת המיטוכונדריה, שהאנרגיה שלו משמשת לאחר מכן לסינתזה של ATP כתוצאה מזרחון חמצוני. בואו נשקול את התגובות הללו.

בתנאים אירוביים, החומצה הפירובית (שלב 1) עוברת דה-קרבוקסילציה חמצונית, יעילה יותר מהפיכה לחומצה לקטית, עם היווצרות של אצטיל-CoA (שלב שני), שניתן לחמצן לתוצרים הסופיים של פירוק גלוקוז - CO 2 ו- H 2 0 (שלב שלישי). G. Krebs (1900-1981), ביוכימאי גרמני, שחקר את החמצון של חומצות אורגניות בודדות, שילב את התגובות שלהן למחזור אחד. לכן, מחזור החומצה הטריקרבוקסילית נקרא לעתים קרובות מחזור קרבס לכבודו.

החמצון של חומצה פירובית לאצטיל-CoA מתרחש במיטוכונדריה בהשתתפות שלושה אנזימים (פירובאט דהידרוגנאז, ליפואמיד דהידרוגנאז, ליפואיל אצטילטרנספראז) וחמישה קואנזימים (NAD, FAD, תיאמין פירופוספט, חומצה ליפואית אמיד, קו-אנזים A). ארבעת הקו-אנזימים הללו מכילים ויטמיני B (B x, B 2, B 3, B 5), מה שמעיד על הצורך בוויטמינים אלו לחמצון תקין של פחמימות. בהשפעת מערכת אנזימים מורכבת זו, פירובט הופך בתגובת דקרבוקסילציה חמצונית לצורה הפעילה של חומצה אצטית - אצטיל קואנזים A:

בתנאים פיזיולוגיים, פירובאט דהידרוגנאז הוא אנזים בלתי הפיך באופן בלעדי, מה שמסביר את חוסר האפשרות להמיר חומצות שומן לפחמימות.

נוכחות של קשר בעל אנרגיה גבוהה במולקולת אצטיל-CoA מעידה על תגובתיות גבוהה של תרכובת זו. בפרט, אצטיל-CoA יכול לפעול במיטוכונדריה ליצירת אנרגיה; בכבד, עודף אצטיל-CoA משמש לסינתזה של גופי קטון; בציטוזול הוא משתתף בסינתזה של מולקולות מורכבות כמו סטרואידים וחומצות שומן.

אצטיל-CoA המתקבל בתגובה של דה-קרבוקסילציה חמצונית של חומצה פירובית נכנסת למחזור החומצה הטרי-קרבוקסילית (מחזור קרבס). מחזור קרבס, המסלול הקטבולי האחרון לחמצון פחמימות, שומנים וחומצות אמינו, הוא בעצם "קלחת מטבולית". התגובות של מחזור קרבס, המתרחשות אך ורק במיטוכונדריה, נקראות גם מחזור חומצת לימון או מחזור חומצה טרי-קרבוקסילית (מחזור TCA).

אחד התפקידים החשובים ביותר של מחזור החומצה הטרי-קרבוקסילית הוא יצירת קו-אנזימים מופחתים (3 מולקולות של NADH + H + ו-1 מולקולה של FADH 2) ולאחר מכן העברת אטומי מימן או האלקטרונים שלהם למקבל הסופי - חמצן מולקולרי. הובלה זו מלווה בירידה גדולה באנרגיה החופשית, שחלקה משמשת בתהליך של זרחון חמצוני לאחסון בצורה של ATP. ברור שמחזור החומצה הטריקרבוקסילית הוא אירובי, תלוי בחמצן.

1. התגובה הראשונית של מחזור החומצה הטרי-קרבוקסילית היא עיבוי של אצטיל-CoA וחומצה אוקסלואצטית בהשתתפות האנזים המטריצה ​​המיטוכונדריאלי ציטראט סינתאז ליצירת חומצת לימון.

2. בהשפעת האנזים אקוניטאז המזרז סילוק של מולקולת מים מציטרט, האחרון פונה

לחומצה ציס-אקונית. מים מתחברים עם חומצה ציס-אקונית והופכים לחומצה איזוציטרית.

3. האנזים isocitrate dehydrogenase מזרז את תגובת הדהידרוגנאז הראשונה של מחזור חומצת לימון, כאשר חומצה איזוציטרית הופכת על ידי דה-קרבוקסילציה חמצונית לחומצה α-ketoglutaric:

בתגובה זו נוצרת המולקולה הראשונה של CO 2 והמולקולה הראשונה של מחזור NADH 4- H +.

4. המרה נוספת של חומצה α-ketoglutaric ל succinyl-CoA מזורזת על ידי קומפלקס מולטי-אנזים של α-ketoglutaric dehydrogenase. תגובה זו אנלוגית מבחינה כימית לתגובת פירובאט דהידרוגנאז. זה כולל חומצה ליפואית, תיאמין פירופוספט, HS-KoA, NAD +, FAD.

כתוצאה מתגובה זו, נוצרת שוב מולקולת NADH + H + ו-CO 2.

5. למולקולת succinyl-CoA יש קשר בעל אנרגיה גבוהה, שהאנרגיה שלו נשמרת בתגובה הבאה בצורה של GTP. בהשפעת האנזים succinyl-CoA synthetase, succinyl-CoA הופך לחומצה סוקסינית חופשית. שימו לב שניתן לקבל חומצה סוקסינית גם מתילמלוניל-CoA על ידי חמצון של חומצות שומן עם מספר אי-זוגי של אטומי פחמן.

תגובה זו היא דוגמה לזרחון סובסטרט, שכן מולקולת ה-GTP עתירת האנרגיה במקרה זה נוצרת ללא השתתפות שרשרת הובלת האלקטרונים והחמצן.

6. חומצה סוקסינית מתחמצנת לחומצה פומארית בתגובת הסוקסינאט דהידרוגנאז. Succinate dehydrogenase, אנזים טיפוסי המכיל ברזל-גופרית, שהקו-אנזים שלו הוא FAD. Succinate dehydrogenase הוא האנזים היחיד המעוגן לממברנה המיטוכונדריאלית הפנימית, בעוד שכל שאר אנזימי המחזור ממוקמים במטריקס המיטוכונדריאלי.

7. לאחר מכן, הידרציה של חומצה פומארית לחומצה מאלית בהשפעת האנזים fumarase בתגובה הפיכה בתנאים פיזיולוגיים:

8. התגובה הסופית של מחזור החומצה הטריקרבוקסילית היא תגובת ה-malate dehydrogenase בהשתתפות האנזים הפעיל מיטוכונדריאלי NAD~-dependent malate dehydrogenase, שבה נוצרת המולקולה השלישית של NADH + H + מופחת:

היווצרות חומצה אוקסלואצטית (אוקסלואצטט) משלימה מהפכה אחת של מחזור החומצה הטרי-קרבוקסילית. חומצה אוקסלאצטית יכולה לשמש בחמצון של מולקולה שנייה של אצטיל-CoA, ומעגל התגובות הזה יכול לחזור על עצמו פעמים רבות, מה שמוביל ללא הרף לייצור חומצה אוקסלואצטית.

לפיכך, חמצון של מולקולה אחת של אצטיל-CoA במחזור ה-TCA כמצע של המחזור מוביל לייצור מולקולה אחת של GTP, שלוש מולקולות של NADP+H+ ומולקולה אחת של FADH 2. חמצון של חומרים מפחיתים אלה בשרשרת החמצון הביולוגית

lenition מוביל לסינתזה של 12 מולקולות ATP. חישוב זה ברור מהנושא "חימצון ביולוגי": הכללת מולקולת NAD + אחת במערכת הובלת האלקטרונים מלווה בסופו של דבר ביצירת 3 מולקולות ATP, הכללת מולקולת FADH 2 מבטיחה יצירת 2 מולקולות ATP, ומולקולת GTP אחת שווה ערך למולקולת ATP 1.

שים לב ששני אטומי פחמן של אדטיל-CoA נכנסים למחזור החומצה הטריקרבוקסילית ושני אטומי פחמן עוזבים את המחזור כ-CO 2 בתגובות דקרבוקסילציה המזוזות על ידי איזוציטראט דהידרוגנאז ו-alpha-ketoglutarate dehydrogenase.

עם חמצון מוחלט של מולקולת גלוקוז בתנאים אירוביים ל-C0 2 ו- H 2 0, היווצרות האנרגיה בצורה של ATP היא:

• 4 מולקולות ATP במהלך הפיכת מולקולת גלוקוז ל-2 מולקולות של חומצה פירובית (גליקוליזה);
• 6 מולקולות ATP שנוצרו בתגובת 3-פוספוגליצראלדהיד דהידרוגנאז (גליקוליזה);
• 30 מולקולות ATP נוצרו במהלך החמצון של שתי מולקולות של חומצה פירובית בתגובת פירובאט דהידרוגנאז ובטרנספורמציות שלאחר מכן של שתי מולקולות של אצטיל-CoA ל-CO 2 ו- H 2 0 במחזור החומצה הטרי-קרבוקסילית. לכן, תפוקת האנרגיה הכוללת מחמצון מוחלט של מולקולת גלוקוז יכולה להיות 40 מולקולות ATP. עם זאת, יש לקחת בחשבון שבמהלך חמצון הגלוקוז נצרכות שתי מולקולות ATP בשלב המרת הגלוקוז לגלוקוז-6-פוספט ובשלב ההמרה של פרוקטוז-6-פוספט לפרוקטוז-1,6- דיפוספט. לכן, תפוקת האנרגיה ה"נטו" מחמצון מולקולת גלוקוז היא 38 מולקולות ATP.

אתה יכול להשוות את האנרגטיקה של גליקוליזה אנאירובית וקטבוליזם אירובי של גלוקוז. מתוך 688 קק"ל של אנרגיה הכלולים באופן תיאורטי במולקולת 1 גרם של גלוקוז (180 גרם), 20 קק"ל נמצאים בשתי מולקולות של ATP שנוצרות בתגובות של גליקוליזה אנאירובית, ו-628 קק"ל באופן תיאורטי נשארים בצורה של חומצת חלב.

בתנאים אירוביים, מ-688 קק"ל של מולקולת גרם של גלוקוז ב-38 מולקולות ATP, מתקבלים 380 קק"ל. לפיכך, היעילות של שימוש בגלוקוז בתנאים אירוביים גבוהה פי 19 בערך מאשר בגליקוליזה אנאירובית.

יש לציין כי כל תגובות החמצון (חמצון של פוספט טריוז, חומצה פירובית, ארבע תגובות חמצון של מחזור החומצה הטריקרבוקסילית) מתחרות בסינתזה של ATP מ-ADP וזרחן (אפקט פסטר). משמעות הדבר היא שלמולקולה המתקבלת NADH + H + בתגובות חמצון יש בחירה בין התגובות של מערכת הנשימה, העברת מימן לחמצן, לבין האנזים LDH, המעביר מימן לחומצה פירובית.

בשלבים המוקדמים של מחזור החומצות הטריקרבוקסיליות, החומצות שלה יכולות לצאת מהמחזור כדי להשתתף בסינתזה של תרכובות תאים אחרות מבלי לשבש את תפקוד המחזור עצמו. גורמים שונים מעורבים בוויסות פעילות מחזור החומצה הטרי-קרבוקסילית. ביניהם יש לציין בעיקר אספקת מולקולות אצטיל-CoA, פעילות קומפלקס פירובאט דהידרוגנאז, פעילות מרכיבי שרשרת הנשימה וזרחון חמצוני נלווה, וכן רמת חומצה אוקסלואצטית.

חמצן מולקולרי אינו מעורב ישירות במחזור החומצה הטרי-קרבוקסילית, אך התגובות שלו מבוצעות רק בתנאים אירוביים, שכן ניתן לשחזר NAD ~ ו- FAD במיטוכונדריה רק ​​על ידי העברת אלקטרונים לחמצן מולקולרי. יש להדגיש כי גליקוליזה, בניגוד למחזור החומצה הטריקרבוקסילית, אפשרית גם בתנאים אנאירוביים, שכן NAD~ מתחדשת במהלך המעבר של חומצה פירובית לחומצה לקטית.

בנוסף להיווצרות ATP, למחזור החומצה הטריקרבוקסילית יש משמעות חשובה נוספת: המחזור מספק מבנים מתווכים לביו-סינתזות שונות של הגוף. לדוגמה, רוב האטומים של פורפירינים מגיעים מסוצ'יניל-CoA, חומצות אמינו רבות הן נגזרות של חומצות α-ketoglutaric ו- oxaloacetic, וחומצה פומארית מתרחשת בתהליך של סינתזת אוריאה. זה מדגים את שלמותו של מחזור החומצה הטריקרבוקסילית במטבוליזם של פחמימות, שומנים וחלבונים.

כפי שמראות התגובות של הגליקוליזה, היכולת של רוב התאים לייצר אנרגיה טמונה במיטוכונדריה שלהם. מספר המיטוכונדריות ברקמות השונות קשור לתפקודים הפיזיולוגיים של הרקמות ומשקף את יכולתן להשתתף במצבים אירוביים. לדוגמה, לתאי דם אדומים אין מיטוכונדריה ולכן אין להם את היכולת לייצר אנרגיה באמצעות חמצן כמקבל האלקטרונים הסופי. עם זאת, בשריר הלב הפועל בתנאים אירוביים, מחצית מנפח הציטופלזמה של התא מיוצג על ידי מיטוכונדריה. הכבד תלוי גם בתנאים אירוביים לתפקידיו השונים, והפטוציטים של יונקים מכילים עד 2,000 מיטוכונדריות לתא.

המיטוכונדריה כוללת שני ממברנות - חיצוניות ופנימיות. הממברנה החיצונית פשוטה יותר, מורכבת מ-50% שומנים ו-50% חלבונים, ובעלת פונקציות מועטות יחסית. הממברנה הפנימית מורכבת יותר מבחינה מבנית ותפקודית. כ-80% מנפחו הם חלבונים. הוא מכיל את רוב האנזימים המעורבים בהובלת אלקטרונים ובזרחון חמצוני, מתווכים מטבוליים ונוקלאוטידים של אדנין בין הציטוזול למטריצה ​​המיטוכונדריאלית.

נוקלאוטידים שונים המעורבים בתגובות חיזור, כגון NAD +, NADH, NADP +, FAD ו-FADH 2, אינם חודרים לממברנה המיטוכונדריאלית הפנימית. Acetyl-CoA אינו יכול לעבור מהתא המיטוכונדריאלי לציטוזול, שם הוא נדרש לסינתזה של חומצות שומן או סטרולים. לכן, אצטיל-CoA תוך-מיטוכונדריאלי הופך לתגובת ציטראט סינתאז של מחזור החומצה הטריקרבוקסילית ונכנס לציטוזול בצורה זו.

מחזור חומצות טריקרבוקסיליות- מחזור חומצת הלימון או מחזור קרבס הוא מסלול מיוצג נרחב באורגניזמים של בעלי חיים, צמחים וחיידקים לטרנספורמציות חמצוניות של חומצות די-וטרי-קרבוקסיליות הנוצרות כמוצרי ביניים במהלך פירוק וסינתזה של חלבונים, שומנים ופחמימות. התגלה על ידי H. Krebs ו-W. Johnson (1937). מחזור זה הוא הבסיס לחילוף החומרים והוא מבצע שתי פונקציות חשובות - אספקת אנרגיה לגוף ושילוב כל הזרימות המטבוליות העיקריות, הן קטבוליות (ביולוגיות) והן אנאבוליות (ביוסינתזה).

מחזור קרבס מורכב מ-8 שלבים (תוצרי ביניים מודגשים בשני שלבים בתרשים), שבמהלכם מתרחשים הדברים הבאים:

1) חמצון מוחלט של שאריות האצטיל לשתי מולקולות CO 2,

2) נוצרות שלוש מולקולות של ניקוטינמיד אדנין דינוקלאוטיד מופחת (NADH) ואחד מופחת פלאבין אדנין דינוקלאוטיד (FADH 2), שהוא מקור האנרגיה העיקרי המיוצר במחזור

3) מולקולה אחת של גואנוזין טריפוספט (GTP) נוצרת כתוצאה ממה שנקרא חמצון המצע.

באופן כללי, הנתיב מועיל מבחינה אנרגטית (DG 0 " = –14.8 קק"ל.)

מחזור קרבס, הממוקם במיטוכונדריה, מתחיל בחומצת לימון (ציטראט) ומסתיים ביצירת חומצה אוקסלואצטית (אוקסלואצטט - OA). המצעים של המחזור כוללים חומצות טריקרבוקסיליות - ציטרית, ציס-אקוניטית, איזוציטרית, אוקסלוסוצ'ינטית (אוקסלוסוצ'ינט) וחומצות דיקרבוקסיליות - 2-קטוגלוטארית (KG), סוקסינית, פומארית, מאלית (מאלאט) ואוקסלואצטית. מצעים של מחזור קרבס כוללים גם חומצה אצטית, שבצורתה הפעילה (כלומר בצורת אצטיל קואנזים A, אצטיל-SCoA) משתתפת בהתעבות עם חומצה אוקסלואצטית, מה שמוביל להיווצרות חומצת לימון. זה שאריות האצטיל הכלולים במבנה של חומצת לימון מחומצן; אטומי פחמן מתחמצנים ל-CO 2, אטומי מימן מתקבלים חלקית על ידי קו-אנזימים של דהידרוגנאז, ועוברים חלקית לתמיסה, כלומר לסביבה בצורה פרוטונית.

חומצה פירובית (pyruvate), שנוצרת במהלך הגליקוליזה ותופסת את אחד המקומות המרכזיים במסלולים מטבוליים מצטלבים, מסומנת בדרך כלל כתרכובת המוצא ליצירת אצטיל-CoA. בהשפעת אנזים בעל מבנה מורכב - pyruvate dehydrogenase (CP1.2.4.1 - PDHase), פירובט מתחמצן ליצירת CO 2 (דה-קרבוקסילציה ראשונה), אצטיל-CoA ומופחת על ידי NAD ( ס"מ. תרשים). עם זאת, חמצון של פירובט רחוק מלהיות הדרך היחידה ליצור אצטיל-CoA, שהוא גם תוצר אופייני של חמצון של חומצות שומן (אנזים תיאלאז או סינתטאז חומצת שומן) ותגובות אחרות של פירוק פחמימות וחומצות אמינו. כל האנזימים המעורבים בתגובות של מחזור קרבס ממוקמים במיטוכונדריה, רובם מסיסים, ו-succinate dehydrogenase (KF1.3.99.1) קשור קשר הדוק למבני ממברנה.

היווצרות חומצת לימון, שבסינתזה שלה מתחיל המחזור עצמו, בעזרת ציטראט סינתאז (EC4.1.3.7 - האנזים המתעבה בתרשים), היא תגובה אנרגונית (עם ספיגת אנרגיה), ויישומה. אפשרי עקב השימוש בקשר העשיר באנרגיה של שארית האצטיל עם KoA [CH 3 CO~SKoA]. זהו השלב העיקרי של ויסות המחזור כולו. לאחר מכן, איזומריזציה של חומצת לימון לחומצה איזוציטרית דרך שלב הביניים של היווצרות חומצה ציס-אקונית (לאנזים aconitase KF4.2.1.3, יש סטריאוספציפיות מוחלטת - רגישות למיקומו של מימן). התוצר של טרנספורמציה נוספת של חומצה איזוציטרית בהשפעת הדהידרוגנאז המקביל (isocitrate dehydrogenase KF1.1.1.41) הוא ככל הנראה חומצה אוקסלוסוצינית, שהדקרבוקסילציה שלה (מולקולת CO 2 השנייה) מובילה ל-CG. גם שלב זה מוסדר בקפדנות. במספר מאפיינים (משקל מולקולרי גבוה, מבנה מרובה רכיבים מורכב, תגובות שלביות, חלקית אותם קו-אנזימים וכו') KH dehydrogenase (EC1.2.4.2) דומה ל-PDHase. תוצרי התגובה הם CO 2 (דה-קרבוקסילציה שלישית), H + ו- succinyl-CoA. בשלב זה מופעל סינתזה של succinyl-CoA, הנקרא אחרת succinate thiokinase (EC6.2.1.4), המזרז את התגובה ההפיכה של היווצרות succinate חופשי: Succinyl-CoA + P inorg + GDP = Succinate + KoA + GTP. במהלך תגובה זו מתרחשת מה שנקרא זרחון סובסטרט, כלומר. יצירת גואנוזין טריפוספט (GTP) עשיר באנרגיה על חשבון גואנוזין דיפוספט (GDP) ופוספט מינרלי (P inorg) תוך שימוש באנרגיה של succinyl-CoA. לאחר היווצרות הסוקסינאט נכנס לפעולה סוצ'ינט דהידרוגנאז (KF1.3.99.1), פלבופרוטאין, המוביל לחומצה פומארית. FAD מחובר לחלק החלבון של האנזים והוא הצורה הפעילה מבחינה מטבולית של ריבופלבין (ויטמין B 2). אנזים זה מאופיין גם בסטריאוספציפיות מוחלטת בסילוק מימן. Fumarase (EC4.2.1.2) מבטיח את האיזון בין חומצה פומארית וחומצה מאלית (גם סטריאו-ספציפית), ו-malic acid dehydrogenase (malate dehydrogenase EC1.1.1.37, הדורש את הקואנזים NAD +, הוא גם סטריאוספציפי) מוביל להשלמה של מחזור קרבס, כלומר להיווצרות חומצה אוקסלואצטית. לאחר מכן, תגובת העיבוי של חומצה אוקסלואצטית עם אצטיל-CoA חוזרת על עצמה, מה שמוביל להיווצרות חומצת לימון, והמחזור מתחדש.

Succinate dehydrogenase הוא חלק מהקומפלקס המורכב יותר succinate dehydrogenase (קומפלקס II) של שרשרת הנשימה, ומספק מקבילים מפחיתים (NAD-H 2), הנוצרים במהלך התגובה, לשרשרת הנשימה.

באמצעות הדוגמה של PDHase, אתה יכול להכיר את העיקרון של ויסות מפל של פעילות מטבולית עקב זרחון-דה-פוספורילציה של האנזים המקביל על ידי קינאז מיוחד ופוספטאז PDHase. שניהם מחוברים ל-PDGase.

ההנחה היא שהקטליזה של תגובות אנזימטיות בודדות מתבצעת כחלק מ"סופר-קומפלקס" על-מולקולרי, מה שנקרא "מטבולון". היתרונות של ארגון אנזימים כזה הם שאין דיפוזיה של קופקטורים (קו-אנזימים ויוני מתכת) ומצעים, וזה תורם לתפעול יעיל יותר של המחזור.

היעילות האנרגטית של התהליכים הנחשבים נמוכה, עם זאת, 3 מולים של NADH ו-1 מול של FADH2 שנוצרו במהלך החמצון של פירובט והתגובות הבאות של מחזור קרבס הם תוצרים חשובים של טרנספורמציות חמצון. החמצון הנוסף שלהם מתבצע על ידי אנזימים של שרשרת הנשימה גם במיטוכונדריה וקשור לזרחון, כלומר. היווצרות ATP עקב אסטריפיקציה (יצירת אסטרים אורגנו-זרחנים) של פוספט מינרלי. גליקוליזה, הפעולה האנזימטית של PDHase ומחזור קרבס - סה"כ 19 תגובות - קובעות את החמצון המוחלט של מולקולה אחת של גלוקוז ל-6 מולקולות CO 2 עם היווצרות של 38 מולקולות ATP - קלף מיקוח זה "מטבע אנרגיה" של התא. תהליך החמצון של NADH ו-FADH 2 על ידי אנזימים של שרשרת הנשימה יעיל מאוד מבחינה אנרגטית, מתרחש באמצעות חמצן אטמוספרי, מוביל להיווצרות מים ומשמש כמקור משאבי האנרגיה העיקרי של התא (יותר מ-90%). עם זאת, אנזימים של מחזור קרבס אינם מעורבים ביישום הישיר שלו. לכל תא אנושי יש בין 100 ל-1000 מיטוכונדריות, המספקות אנרגיה חיונית.

הבסיס לתפקוד האינטגרלי של מחזור קרבס בחילוף החומרים הוא שפחמימות, שומנים וחומצות אמינו מחלבונים ניתנות להמרה בסופו של דבר לחומרי ביניים (חומרי ביניים) של מחזור זה או לסנתז מהם. יש לשלב את הסרת חומרי הביניים מהמחזור במהלך אנבוליזם עם המשך הפעילות הקטבולית של המחזור להיווצרות מתמדת של ATP הנחוצה לביו-סינתזה. לפיכך, הלולאה חייבת לבצע שתי פונקציות בו זמנית. יחד עם זאת, ריכוז חומרי הביניים (בעיקר OA) עלול לרדת, מה שעלול להוביל לירידה מסוכנת בייצור האנרגיה. כדי למנוע זאת, ישנם "שסתומי בטיחות" הנקראים תגובות אנפלירוטיות (מיוונית "למלא"). התגובה החשובה ביותר היא סינתזה של OA מ- pyruvate, המתבצעת על ידי pyruvate carboxylase (EC6.4.1.1), הממוקמת אף היא במיטוכונדריה. כתוצאה מכך, כמות גדולה של OA מצטברת, מה שמבטיח סינתזה של ציטראט וחומרי ביניים אחרים, מה שמאפשר למחזור קרבס לתפקד כרגיל ובמקביל מבטיח את הסרת תוצרי הביניים לציטופלזמה לצורך ביו-סינתזה שלאחר מכן. כך, ברמת מחזור קרבס, מתרחשת אינטגרציה מתואמת יעילה של תהליכי האנבוליזם והקטבוליזם בהשפעת מנגנוני ויסות רבים ועדינים, כולל הורמונליים.

בתנאים אנאירוביים, במקום מחזור קרבס, הענף החמצוני שלו מתפקד ל-KG (תגובות 1, 2, 3) ותפקודי הענף הרדוקטיבי שלו מ-OA ל-succinate (תגובות 8®7®6). במקרה זה, אנרגיה רבה אינה מאוחסנת והמחזור מספק רק חומרי ביניים לסינתזה תאית.

כאשר הגוף עובר ממנוחה לפעילות, מתעורר הצורך לגייס אנרגיה ותהליכים מטבוליים. זה, במיוחד, מושג בבעלי חיים על ידי דחיית התגובות האיטיות ביותר (1-3) וחמצון עיקרי של סוקסינאט. במקרה זה, KG, המצע הראשוני של מחזור קרבס המקוצר, נוצר בתגובת הטרנסאמינציה המהירה (העברת קבוצת אמינים)

גלוטמט + OA = CG + אספרטאט

שינוי נוסף של מחזור קרבס (מה שנקרא 4-aminobutyrate shunt) הוא ההמרה של KG ל-succinate באמצעות גלוטמט, 4-aminobutyrate ו-succinic semialdehyde (3-formylpropionic acid). שינוי זה חשוב ברקמת המוח, שבה כ-10% מהגלוקוז מתפרק דרך המסלול הזה.

הצימוד ההדוק של מחזור קרבס עם שרשרת הנשימה, במיוחד במיטוכונדריה של בעלי חיים, כמו גם עיכוב רוב האנזימים של המחזור בהשפעת ATP, קובעים ירידה בפעילות המחזור בפוטנציאל פוספוריל גבוה של המחזור. תא, כלומר. ביחס ריכוז ATP/ADP גבוה. ברוב הצמחים, החיידקים והפטריות הרבות מתגברים על הצימוד ההדוק על ידי פיתוח מסלולי חמצון אלטרנטיביים בלתי מצמודים, המאפשרים לשמור על נשימה ופעילות מחזורית בו זמנית ברמה גבוהה גם בפוטנציאל פוספוריל גבוה.

איגור רפאנוביץ'

כולם יודעים שלצורך תפקוד תקין הגוף זקוק לאספקה ​​סדירה של מספר רכיבים תזונתיים הנחוצים לחילוף חומרים בריא ובהתאם לאיזון תהליכי הפקת האנרגיה וההוצאה. תהליך הפקת האנרגיה, כידוע, מתרחש במיטוכונדריה, אשר, הודות לתכונה זו, נקראים מרכזי האנרגיה של התאים. ורצף התגובות הכימיות המספק אנרגיה לעבודה של כל תא בגוף נקרא מחזור קרבס.

מחזור קרבס - ניסים שקורים במיטוכונדריה

האנרגיה המתקבלת באמצעות מחזור קרבס (גם מחזור TCA - מחזור החומצה הטרי-קרבוקסילית) הולכת לצרכים של תאים בודדים, אשר בתורם מרכיבים רקמות שונות ובהתאם, איברים ומערכות בגופנו. מכיוון שהגוף פשוט לא יכול להתקיים ללא אנרגיה, המיטוכונדריה פועלות ללא הרף לספק לתאים את האנרגיה הדרושה להם.

אדנוזין טריפוספט (ATP) - תרכובת זו היא מקור אוניברסלי לאנרגיה הנחוצה לכל התהליכים הביוכימיים בגופנו.

מחזור ה-TCA הוא המסלול המטבולי המרכזי, וכתוצאה מכך הושלם החמצון של מטבוליטים:

• חומצות שומן;
• חומצות אמינו;
• חד סוכרים.

במהלך פירוק אירובי, הביו-מולקולות הללו מתפרקות למולקולות קטנות יותר המשמשות להפקת אנרגיה או לסינתזה של מולקולות חדשות.

מחזור החומצה הטריקרבוקסילית מורכב מ-8 שלבים, כלומר. תגובות:

1. היווצרות חומצת לימון:

2. היווצרות חומצה איזוציטרית:

3. דהידרוגנציה ודקרבוקסילציה ישירה של חומצה איזוציטרית.

4. דקרבוקסילציה חמצונית של חומצה α-ketoglutaric

5. זרחון מצע

6. דהידרוגנציה של חומצה סוקסינית עם succinate dehydrogenase

7. יצירת חומצה מאלית על ידי האנזים fumarase

8. היווצרות אוקסלאצטט

כך, לאחר השלמת התגובות המרכיבות את מחזור קרבס:

• מולקולה אחת של אצטיל-CoA (הנוצרת כתוצאה מפירוק גלוקוז) מתחמצנת לשתי מולקולות של פחמן דו חמצני;
• שלוש מולקולות NAD מופחתות ל-NADH;
• מולקולת FAD אחת מופחתת ל-FADN 2;
• נוצרת מולקולה אחת של GTP (שווה ערך ל-ATP).

המולקולות NADH ו-FADH 2 פועלות כנשאי אלקטרונים ומשמשות לייצור ATP בשלב הבא של חילוף החומרים של הגלוקוז - זרחון חמצוני.

פונקציות של מחזור קרבס:

• קטבולי (חמצון שאריות אצטיל של מולקולות דלק למוצרים מטבוליים סופיים);
• אנבוליים (מצעים של מחזור קרבס - הבסיס לסינתזה של מולקולות, כולל חומצות אמינו וגלוקוז);
• אינטגרטיבי (TCC הוא הקשר בין תגובות אנבוליות וקטבוליות);
• תורם מימן (אספקה ​​של 3 NADH.H + ו-1 FADH 2 לשרשרת הנשימה המיטוכונדריאלית);
• אֵנֶרְגִיָה.

חוסר באלמנטים הדרושים לתפקוד תקין של מחזור קרבס עלול להוביל לבעיות חמורות בגוף הקשורות לחוסר אנרגיה.

הודות לגמישות המטבולית, הגוף מסוגל להשתמש לא רק בגלוקוז כמקור אנרגיה, אלא גם בשומנים, שפירוקם מייצר גם מולקולות היוצרות חומצה פירובית (המעורבת במחזור קרבס). לפיכך, מחזור TCA שזורם כהלכה מספק אנרגיה ואבני בניין ליצירת מולקולות חדשות.