Koks yra Krebso ciklo rezultatas, ATP susidarymas. Krebso ciklas, biologinis vaidmuo, pagrindinės reakcijos

Tada patenka į PVK dehidrogenazės reakciją susidaręs acetil-SCoA trikarboksirūgšties ciklas(TCA ciklas, citrinų rūgšties ciklas, Krebso ciklas). Be piruvato, cikle dalyvauja keto rūgštys, gaunamos iš katabolizmo amino rūgštys ar bet kokios kitos medžiagos.

Trikarboksirūgšties ciklas

Ciklas tęsiasi mitochondrijų matrica ir atstovauja oksidacija molekulių acetil-SCoA aštuoniose iš eilės reakcijose.

Pirmoje reakcijoje jie jungiasi acetilas Ir oksaloacetatas(oksaloacto rūgštis), kad susidarytų citratas(citrinų rūgštis), tada vyksta citrinų rūgšties izomerizacija izocitratas ir dvi dehidrogenavimo reakcijos kartu su CO 2 išsiskyrimu ir NAD mažinimu.

Penktoje reakcijoje susidaro GTP, tai yra reakcija substrato fosforilinimas. Toliau nuo FAD priklausomas dehidrogenavimas vyksta nuosekliai sukcinatas(gintaro rūgštis), drėkinimas fumarova rūgštis į malatas(obuolių rūgštis), tada nuo NAD priklausomas dehidrogenavimas, dėl kurio susidaro oksaloacetatas.

Dėl to po aštuonių ciklo reakcijų vėl susidaro oksaloacetatas .

Paskutinės trys reakcijos sudaro vadinamąjį biocheminį motyvą (nuo FAD priklausomas dehidrinimas, hidratacija ir nuo NAD priklausomas dehidrinimas, naudojamas keto grupei įvesti į sukcinato struktūrą. Šis motyvas yra ir riebalų β-oksidacijos reakcijose). rūgštys atvirkštine tvarka (redukcijos, de hidratacija ir redukcija) šis motyvas stebimas riebalų rūgščių sintezės reakcijose.

TsTK funkcijos

1. Energija

• karta vandenilio atomai kvėpavimo grandinės funkcionavimui, būtent trys NADH molekulės ir viena FADH2 molekulė,
• vienos molekulės sintezė GTF(atitinka ATP).

2. Anabolinis. TCC sudaromi

• Hemo pirmtakas sukcinil-SCoA,
• keto rūgštys, kurios gali būti paverstos amino rūgštimis - α-ketoglutaratas dėl glutamo rūgšties, oksaloacetatas dėl asparto rūgšties,
• citrinos rūgštis, naudojamas riebalų rūgščių sintezei,
• oksaloacetatas, naudojamas gliukozės sintezei.

Anabolinės TCA ciklo reakcijos

Trikarboksirūgšties ciklo reguliavimas

Allosterinis reguliavimas

Fermentai, katalizuojantys 1, 3 ir 4 TCA ciklo reakcijas, yra jautrūs allosterinis reguliavimas metabolitai:

Oksaloacetato prieinamumo reguliavimas

Pagrindinis Ir pagrindinis TCA ciklo reguliatorius yra oksaloacetatas, tiksliau, jo prieinamumas. Oksalacetato buvimas įtraukia acetil-SCoA į TCA ciklą ir pradeda procesą.

Paprastai ląstelė turi pusiausvyrą tarp acetil-SCoA susidarymo (iš gliukozės, riebalų rūgščių arba aminorūgščių) ir oksaloacetato kiekio. Oksaloacetato šaltinis yra piruvatas, (susidaro iš gliukozės arba alanino), gaunamas iš asparto rūgštis dėl transaminacijos arba AMP-IMP ciklo, taip pat nuo vaisių rūgštys pats ciklas (gintaro, α-ketoglutaro, obuolių, citrinų), kuris gali susidaryti vykstant aminorūgščių katabolizmui arba atsirasti dėl kitų procesų.

Oksaloacetato sintezė iš piruvato

Fermentų aktyvumo reguliavimas piruvato karboksilazė atliekami dalyvaujant acetil-SCoA. Tai alosterinis aktyvatorius fermentas, o be jo piruvato karboksilazė praktiškai neaktyvi. Kai kaupiasi acetil-SCoA, fermentas pradeda veikti ir susidaro oksaloacetatas, bet, žinoma, tik esant piruvatui.

Taip pat dauguma amino rūgštys katabolizmo metu jie gali virsti TCA ciklo metabolitais, kurie vėliau pereina į oksaloacetatą, kuris taip pat palaiko ciklo aktyvumą.

TCA ciklo metabolitų telkinio papildymas iš aminorūgščių

Ciklo papildymo naujais metabolitais (oksaloacetatu, citratu, α-ketoglutaratu ir kt.) reakcijos vadinamos. anaplerozinis.

Oksalacetato vaidmuo metabolizme

Reikšmingo vaidmens pavyzdys oksaloacetatas padeda suaktyvinti ketoninių kūnų sintezę ir ketoacidozė kraujo plazma at nepakankamas oksaloacetato kiekis kepenyse. Ši būklė stebima nuo insulino priklausomo cukrinio diabeto (1 tipo cukrinio diabeto) dekompensacijos ir nevalgius. Esant šiems sutrikimams, kepenyse suaktyvėja gliukoneogenezės procesas, t.y. gliukozės susidarymas iš oksaloacetato ir kitų metabolitų, dėl kurio sumažėja oksaloacetato kiekis. Vienu metu suaktyvėjus riebalų rūgščių oksidacijai ir acetil-SCoA kaupimuisi, atsiranda atsarginis acetilo grupės panaudojimo būdas. ketoninių kūnų sintezė. Tokiu atveju organizme vystosi kraujo rūgštėjimas ( ketoacidozė) būdingas klinikinis vaizdas: silpnumas, galvos skausmas, mieguistumas, sumažėjęs raumenų tonusas, kūno temperatūra ir kraujospūdis.

TCA ciklo reakcijų greičio pokyčiai ir ketoninių kūnų kaupimosi priežastys tam tikromis sąlygomis

Aprašytas reguliavimo metodas, kuriame dalyvauja oksaloacetatas, yra gražios formulės iliustracija. Riebalai dega angliavandenių liepsnose Tai reiškia, kad dėl gliukozės „degimo liepsnos“ atsiranda piruvatas, o piruvatas virsta ne tik acetil-SCoA, bet ir oksaloacetatas. Oksalacetato buvimas užtikrina acetilo grupės, susidariusios iš riebalų rūgštys acetil-SCoA pavidalu, pirmoje TCA ciklo reakcijoje.

Esant didelio masto riebalų rūgščių „degimui“, kuris stebimas raumenyse per fizinis darbas ir kepenyse pasninkas, acetil-SCoA patekimo į TCA ciklo reakciją greitis tiesiogiai priklausys nuo oksaloacetato (arba oksiduotos gliukozės) kiekio.

Jei oksaloacetato kiekis hepatocitų nepakanka (nėra gliukozės arba ji nėra oksiduota iki piruvato), tada acetilo grupė pateks į ketoninių kūnų sintezę. Tai atsitinka, kai ilgalaikis badavimas Ir 1 tipo cukrinis diabetas.

Krebso ciklas.

Lydeka "suvalgė" acetatą,

Rezultatas yra citratas.

Per cis-akonitatą

Tai bus izocitratas.

Vandenilio tiekimas OVER,

Jis praranda CO 2.

Dėl to labai džiaugiuosi

Alfa-keto-glutaratas.

Ateina oksidacija:

NAD pavogs vandenilį,

B 1 ir lipoatas

Jie skuba su kofermentu A,

CO 2 surenkamas.

O jėgų vos netrūksta

Atsirado sukcinilo,

Iškart gimė ATF.

O kas liko – sukcinatas.

Dabar jis pateko į FAD -

Jam reikia vandenilio.

Netekęs vandenilio,

Tai tapo tiesiog fumaratas.

Fumaratas gėrė vandenį,

Taip, jis virto malatu.

Štai NAD susimąstė,

Pirktas vandenilis.

Vėl pasirodė PIKE

Ir tyliai pasislėpė

Apsauginis acetatas...

Fermentaišioje diagramoje yra.

Kofermentai- ar tai NAD, NADP, ATP, GTP? Tada yra.

Schema:

Susidariusios PCA molekulės reaguoja su nauja Acetil-CoA molekule ir ciklas kartojasi dar kartą.

Vieno apsisukimo energijos balansas: 3 NADH 2 + 1 FADH 2 (toliau siunčiama į oksidacinio fosforilinimo kvėpavimo grandinę) + 1 GTP (NADH 2 -> 3 ATP, FADH 2 -> 2 ATP, GTP -> 1 ATP) = 12 ATP.

TCA ciklo reguliavimas: 4 reguliuojantys fermentai: citrato sintazė, izocitrato DG, α-KG DG ir SDH. TCA ciklą daugiausia slopina NADH 2 ir ATP, kurie yra TCA ciklo ir oksidacinės fosforilinimo grandinės produktai. TCA ciklą daugiausia aktyvuoja NAD + ir ADP.

Oksidazės būdas deguoniui panaudoti ląstelėje yra mitochondrijų oksidacinis fosforilinimas. Redokso grandinės kvėpavimo kompleksų sudėtis, lokalizacija ir funkcijos, audinių charakteristikos vaikystėje. reglamentas.

Oksidazės kelias deguonies panaudojimui ląstelėje:

Jis atsiranda mitochondrijose, sunaudoja 90% O2 ir užtikrina oksidacinio fosforilinimo procesą.

Oksidacinis fosforilinimas- ATP sintezė iš ADP ir H 3 PO 4 dėl elektronų judėjimo išilgai kvėpavimo grandinės energijos.

Tai yra pagrindinis ATP šaltinis aerobinėse ląstelėse

Oksidacinis fosforilinimas susideda iš procesų oksidacija Ir fosforilinimas.

1) Oksidacijos procesas

Oksidacijos procesas vyksta, kai elektronai kvėpavimo grandine juda iš audinių kvėpavimo substratų į deguonį. Oksidacinio fosforilinimo kvėpavimo grandinė susideda iš 4 baltymų kompleksų, įterptų į vidinę mitochondrijų membraną, ir mažų judrių ubichinono ir citochromo C molekulių, kurios cirkuliuoja membranos lipidiniame sluoksnyje tarp baltymų kompleksų.

a. I kompleksas – NADH 2 dehidrogenazės kompleksas – Didžiausias iš kvėpavimo fermentų kompleksų, jame kaip kofermentai yra FMN ir 5 geležies-sieros (Fe 2 S 2 ir Fe 4 S 4) baltymai.

b. II kompleksas – SDH. Sudėtyje yra FAD ir geležies-sieros baltymų kaip kofermentų.

c. III kompleksas – kompleksas b-c 1 (fermentas QH 2 DG). Kiekviename monomere yra 3 hemai, susiję su citochromais b 562, b 566, c 1 ir geležies-sieros baltymu.

d. IV kompleksas – citochromo oksidazės kompleksas. Kiekviename monomere yra 2 citochromai (a ir 3) ir 2 vario atomai.

e. Kofermentas Q (ubichinonas). Perkelia 2H + ir 2e -.

f. Citochromas C. Periferinis vandenyje tirpus membraninis baltymas. Sudėtyje yra hemo molekulė.

Judėjimo etapai e – išilgai kvėpavimo grandinės

a. 2e - iš NADH 2, pereina per I kompleksą (FMN→SFe baltymas) į CoQ, šiuo atveju išsiskirianti energija užtikrina H + pumpavimą.

b. CoQ su 2е - paima 2H+ iš vandens iš matricos ir virsta CoQH 2 (CoQ sumažinimas taip pat vyksta dalyvaujant kompleksui II).

c. CoQH 2 perkelia 2e - į kompleksą III, o 2H + - į tarpmembraninę erdvę.

d. Citochromas C perkelia III komplekso e - c į IV kompleksą.

e. Kompleksas IV išleidžia e - ant O 2 , šiuo atveju išsiskirianti energija užtikrina H + siurbimą .

Ant vidinės mitochondrijų membranos susidaręs elektrocheminis potencialas naudojamas:

a. ADP fosforilinimas į ATP;

b. medžiagų pernešimas per mitochondrijų membraną;

c. šilumos gamyba.

2) Fosforilinimo procesas

Fosforilinimo procesą vykdo ATP sintetazė (H + -ATPazė), kuri sunaudoja 40-45% oksidacijos metu išsiskiriančios laisvos energijos. H + -ATPazė yra vientisas mitochondrijų vidinės membranos baltymas, susidedantis iš 2 baltymų kompleksų F 0 ir F 1.

a. Hidrofobinis kompleksas F 0 panardintas į membraną ir tarnauja kaip pagrindas, fiksuojantis ATP sintazę membranoje. Jį sudaro keli subvienetai, kurie sudaro kanalą, per kurį protonai transportuojami į matricą.

b. Kompleksas F1 išsikiša į mitochondrijų matricą. Jį sudaro 9 subvienetai (3α, 3β, γ, δ, ε). α ir β subvienetai yra sukrauti poromis, kad susidarytų „galva“; tarp a- ir β-subvienetų yra 3 aktyvūs centrai, kuriuose vyksta ATP sintezė; γ, δ, ε – subvienetai jungia F 1 kompleksą su F 0.

ATP sintetazė užtikrina grįžtamąjį elektrocheminio potencialo energijos ir cheminių jungčių energijos tarpusavio virsmą.

Dėl elektrocheminio vidinės membranos potencialo H+ iš tarpmembraninės erdvės per ATP sintazės kanalą patenka į mitochondrijų matricą. Su kiekvienu protonų perkėlimu per F o kanalą elektrocheminio potencialo energija išleidžiama strypo pasukimui, dėl to a- ir β-subvienetų konformacija cikliškai keičiasi ir visi 3 aktyvieji centrai susidaro iš porų. α- ir β-subvienetai katalizuoja kitą ciklo fazę: 1) ADP ir H 3 PO 4 surišimą; 2) ATP fosfoanhidridinės jungties susidarymas; 3) galutinio produkto ATP išleidimas.

TRIKARBOKSIRŪGŠČIŲ CIKLAS (KREBS CYCLE)

Glikolizė paverčia gliukozę piruvatu ir iš gliukozės molekulės gamina dvi ATP molekules – nedidelę tos molekulės potencialios energijos dalį.

Aerobinėmis sąlygomis piruvatas iš glikolizės paverčiamas acetil-CoA ir oksiduojamas į CO2 trikarboksirūgšties cikle (citrinų rūgšties ciklas). Šiuo atveju elektronai, išsiskiriantys šio ciklo reakcijose, praeina NADH ir FADH 2 iki 0 2 – galutinio akceptoriaus. Elektronų pernešimas yra susijęs su protonų gradiento susidarymu mitochondrijų membranoje, kurios energija vėliau naudojama ATP sintezei dėl oksidacinio fosforilinimo. Panagrinėkime šias reakcijas.

Aerobinėmis sąlygomis piruvo rūgštis (1 stadija) oksiduojasi, efektyviau nei virsta pieno rūgštimi, susidarant acetil-CoA (2 pakopa), kuris gali būti oksiduojamas iki galutinių gliukozės skilimo produktų – CO 2 ir H. 2 0 (3 etapas). Vokiečių biochemikas G. Krebsas (1900-1981), ištyręs atskirų organinių rūgščių oksidaciją, jų reakcijas sujungė į vieną ciklą. Todėl jo garbei trikarboksirūgšties ciklas dažnai vadinamas Krebso ciklu.

Piruvo rūgšties oksidacija į acetil-CoA vyksta mitochondrijose, dalyvaujant trims fermentams (piruvato dehidrogenazei, lipoamido dehidrogenazei, lipoilacetiltransferazei) ir penkiems kofermentams (NAD, FAD, tiamino pirofosfatui, lipoinės rūgšties amidui, kofermentui A). Šiuose keturiuose kofermentuose yra B grupės vitaminų (B x, B 2, B 3, B 5), o tai rodo šių vitaminų poreikį normaliai angliavandenių oksidacijai. Veikiant šiai sudėtingai fermentų sistemai, piruvatas oksidacinėje dekarboksilinimo reakcijoje virsta aktyvia acto rūgšties forma – acetilkofermentu A:

Fiziologinėmis sąlygomis piruvato dehidrogenazė yra išskirtinai negrįžtamas fermentas, o tai paaiškina, kad riebalų rūgščių neįmanoma paversti angliavandeniais.

Didelės energijos jungtis acetil-CoA molekulėje rodo didelį šio junginio reaktyvumą. Visų pirma, acetil-CoA gali veikti mitochondrijose, gaminant energiją kepenyse, acetil-CoA perteklius naudojamas ketoninių kūnų sintezei, dalyvaujant sudėtingų molekulių, tokių kaip steroidai ir riebalų rūgštys, sintezei.

Acetil-CoA, gautas oksidacinio piruvo rūgšties dekarboksilinimo reakcijos metu, patenka į trikarboksirūgšties ciklą (Krebso ciklą). Krebso ciklas, galutinis katabolinis angliavandenių, riebalų ir aminorūgščių oksidacijos kelias, iš esmės yra „metabolinis katilas“. Krebso ciklo reakcijos, vykstančios išskirtinai mitochondrijose, dar vadinamos citrinų rūgšties ciklu arba trikarboksirūgšties ciklu (TCA ciklas).

Viena iš svarbiausių trikarboksirūgšties ciklo funkcijų yra redukuotų kofermentų (3 molekulės NADH + H + ir 1 molekulės FADH 2) generavimas, po kurio seka vandenilio atomų arba jų elektronų perkėlimas į galutinį akceptorių – molekulinį deguonį. Šį transportavimą lydi didelis laisvosios energijos sumažėjimas, dalis jos naudojama oksidacinio fosforilinimo procese, kad būtų galima saugoti ATP. Akivaizdu, kad trikarboksirūgšties ciklas yra aerobinis, priklausomas nuo deguonies.

1. Pradinė trikarboksirūgšties ciklo reakcija yra acetil-CoA ir oksaloacto rūgšties kondensacija, dalyvaujant mitochondrijų matricos fermentui citrato sintazei, kad susidarytų citrinų rūgštis.

2. Veikiamas fermento akonitazės, kuris katalizuoja vandens molekulės pašalinimą iš citrato, pastarasis virsta

iki cis-akonito rūgšties. Vanduo susijungia su cis-akonito rūgštimi ir virsta izocitro rūgštimi.

3. Tada fermentas izocitrato dehidrogenazė katalizuoja pirmąją citrinų rūgšties ciklo dehidrogenazės reakciją, kai izocitro rūgštis oksidacinio dekarboksilinimo būdu paverčiama α-ketoglutaro rūgštimi:

Šioje reakcijoje susidaro pirmoji CO 2 molekulė ir pirmoji NADH 4- H + ciklo molekulė.

4. Tolesnį α-ketoglutaro rūgšties pavertimą sukcinil-CoA katalizuoja α-ketoglutaro dehidrogenazės daugiafermentinis kompleksas. Ši reakcija yra chemiškai analogiška piruvato dehidrogenazės reakcijai. Tai apima lipoinę rūgštį, tiamino pirofosfatą, HS-KoA, NAD +, FAD.

Dėl šios reakcijos vėl susidaro NADH + H + ir CO 2 molekulė.

5. Sukcinil-CoA molekulė turi didelės energijos ryšį, kurio energija kaupiama kitoje reakcijoje GTP pavidalu. Veikiamas fermento sukcinil-CoA sintetazės sukcinil-CoA virsta laisva gintaro rūgštimi. Atkreipkite dėmesį, kad gintaro rūgštį taip pat galima gauti iš metilmalonil-CoA oksiduojant riebalų rūgštis su nelyginiu anglies atomų skaičiumi.

Ši reakcija yra substrato fosforilinimo pavyzdys, nes šiuo atveju didelės energijos GTP molekulė susidaro nedalyvaujant elektronų ir deguonies transportavimo grandinei.

6. Sukcinato dehidrogenazės reakcijoje gintaro rūgštis oksiduojama į fumaro rūgštį. Sukcinato dehidrogenazė, tipiškas geležies turintis fermentas, kurio kofermentas yra FAD. Sukcinato dehidrogenazė yra vienintelis fermentas, pritvirtintas prie vidinės mitochondrijų membranos, o visi kiti ciklo fermentai yra mitochondrijų matricoje.

7. Po to vyksta fumaro rūgšties hidratacija į obuolių rūgštį, veikiant fermentui fumarazei, vykstant grįžtamai reakcijai fiziologinėmis sąlygomis:

8. Galutinė trikarboksirūgšties ciklo reakcija yra malato dehidrogenazės reakcija, dalyvaujant aktyviam mitochondrijų fermentui nuo NAD~ priklausomam malato dehidrogenazei, kurioje susidaro trečioji redukuoto NADH + H + molekulė:

Oksaloacto rūgšties (oksaloacetato) susidarymas užbaigia vieną trikarboksirūgšties ciklo apsisukimą. Oksalaacto rūgštis gali būti naudojama oksiduojant antrąją acetil-CoA molekulę, o šis reakcijų ciklas gali būti kartojamas daug kartų, todėl nuolat susidaro oksaloacto rūgštis.

Taigi, vienos acetil-CoA molekulės oksidacija TCA cikle kaip ciklo substratas sukelia vienos GTP molekulės, trijų NADP + H + ir vienos FADH 2 molekulės gamybą. Šių reduktorių oksidacija biologinėje oksidacijos grandinėje

Lenicija sukelia 12 ATP molekulių sintezę. Šis skaičiavimas aiškus iš temos „Biologinė oksidacija“: vienos NAD + molekulės įtraukimas į elektronų pernešimo sistemą galiausiai yra lydimas 3 ATP molekulių susidarymo, FADH 2 molekulės įtraukimas užtikrina 2 ATP molekulių susidarymą ir viena GTP molekulė prilygsta 1 ATP molekulei.

Atkreipkite dėmesį, kad du adetil-CoA anglies atomai patenka į trikarboksirūgšties ciklą, o du anglies atomai palieka ciklą kaip CO2 dekarboksilinimo reakcijose, kurias katalizuoja izocitrato dehidrogenazė ir alfa-ketoglutarato dehidrogenazė.

Visiškai oksiduojant gliukozės molekulę aerobinėmis sąlygomis iki C0 2 ir H 2 0, energija ATP pavidalu susidaro:

• 4 ATP molekulės, kai gliukozės molekulė virsta 2 piruvo rūgšties molekulėmis (glikolizė);
• 6 ATP molekulės susidarė 3-fosfogliceraldehido dehidrogenazės reakcijoje (glikolizėje);
• 30 ATP molekulių, susidarančių oksiduojantis dviem piruvo rūgšties molekulėms piruvato dehidrogenazės reakcijoje ir vėliau dviem acetil-CoA molekulėms transformuojant į CO 2 ir H 2 0 trikarboksirūgšties cikle. Todėl visa gliukozės molekulės oksidacijos energija gali būti 40 ATP molekulių. Tačiau reikia atsižvelgti į tai, kad gliukozės oksidacijos metu sunaudojamos dvi ATP molekulės gliukozės pavertimo gliukozės-6-fosfatu ir fruktozės-6-fosfato pavertimo fruktoze-1,6-e stadijoje. difosfatas. Todėl „grynoji“ gliukozės molekulės oksidacijos energija yra 38 ATP molekulės.

Galite palyginti anaerobinės glikolizės ir aerobinio gliukozės katabolizmo energiją. Iš 688 kcal energijos, teoriškai esančios 1 grame gliukozės molekulėje (180 g), 20 kcal yra dviejose ATP molekulėse, susidarančiose anaerobinės glikolizės reakcijose, o 628 kcal teoriškai lieka pieno rūgšties pavidalu.

Aerobinėmis sąlygomis iš 688 kcal gramo gliukozės molekulės 38 ATP molekulėse gaunama 380 kcal. Taigi, gliukozės naudojimo efektyvumas aerobinėmis sąlygomis yra maždaug 19 kartų didesnis nei anaerobinės glikolizės metu.

Pažymėtina, kad visos oksidacijos reakcijos (triozės fosfato, piruvo rūgšties oksidacija, keturios trikarboksirūgšties ciklo oksidacijos reakcijos) konkuruoja ATP sintezėje iš ADP ir fosforo (Pastero efektas). Tai reiškia, kad oksidacijos reakcijose susidaranti molekulė NADH + H + gali rinktis tarp kvėpavimo sistemos reakcijų, pernešančių vandenilį į deguonį, ir fermento LDH, pernešančio vandenilį į piruvinės rūgšties.

Ankstyvosiose trikarboksirūgšties ciklo stadijose jo rūgštys gali išeiti iš ciklo, kad dalyvautų kitų ląstelių junginių sintezėje, nesutrikdydamos paties ciklo veikimo. Trikarboksirūgšties ciklo aktyvumo reguliavime dalyvauja įvairūs veiksniai. Tarp jų pirmiausia reikėtų paminėti acetil-CoA molekulių aprūpinimą, piruvato dehidrogenazės komplekso aktyvumą, kvėpavimo grandinės komponentų aktyvumą ir su tuo susijusį oksidacinį fosforilinimą, taip pat oksaloacto rūgšties kiekį.

Molekulinis deguonis tiesiogiai trikarboksirūgšties cikle nedalyvauja, tačiau jo reakcijos vyksta tik aerobinėmis sąlygomis, nes NAD ~ ir FAD mitochondrijose gali atsinaujinti tik perkeliant elektronus į molekulinį deguonį. Reikėtų pabrėžti, kad glikolizė, priešingai nei trikarboksirūgšties ciklas, galima ir anaerobinėmis sąlygomis, nes NAD~ atsinaujina piruvo rūgšties virsmo pieno rūgštimi metu.

Be ATP susidarymo, trikarboksirūgšties ciklas turi ir kitą svarbią reikšmę: ciklas suteikia tarpines struktūras įvairioms organizmo biosintezėms. Pavyzdžiui, dauguma porfirinų atomų yra iš sukcinil-CoA, daugelis aminorūgščių yra α-ketoglutaro ir oksaloacto rūgščių dariniai, o fumaro rūgštis atsiranda karbamido sintezės procese. Tai parodo trikarboksirūgšties ciklo vientisumą angliavandenių, riebalų ir baltymų metabolizme.

Kaip rodo glikolizės reakcijos, daugumos ląstelių gebėjimas generuoti energiją slypi jų mitochondrijose. Mitochondrijų skaičius įvairiuose audiniuose yra susijęs su fiziologinėmis audinių funkcijomis ir atspindi jų gebėjimą dalyvauti aerobinėse sąlygose. Pavyzdžiui, raudonieji kraujo kūneliai neturi mitochondrijų, todėl neturi galimybės generuoti energijos naudojant deguonį kaip galutinį elektronų akceptorių. Tačiau, kai širdies raumuo veikia aerobinėmis sąlygomis, pusę ląstelės citoplazmos tūrio sudaro mitochondrijos. Kepenys taip pat priklauso nuo aerobinių sąlygų savo įvairioms funkcijoms, o žinduolių hepatocituose vienoje ląstelėje yra iki 2 tūkstančių mitochondrijų.

Mitochondrijas sudaro dvi membranos – išorinė ir vidinė. Išorinė membrana yra paprastesnė, susidedanti iš 50% riebalų ir 50% baltymų, ir atlieka palyginti nedaug funkcijų. Vidinė membrana yra struktūriškai ir funkciškai sudėtingesnė. Maždaug 80% jo tūrio sudaro baltymai. Jame yra daugumos fermentų, dalyvaujančių elektronų pernešime ir oksidaciniame fosforilinime, medžiagų apykaitos tarpininkai ir adenino nukleotidai tarp citozolio ir mitochondrijų matricos.

Įvairūs nukleotidai, dalyvaujantys redokso reakcijose, tokie kaip NAD +, NADH, NADP +, FAD ir FADH 2, neprasiskverbia į vidinę mitochondrijų membraną. Acetil-CoA negali pereiti iš mitochondrijų skyriaus į citozolį, kur jis reikalingas riebalų rūgščių arba sterolių sintezei. Todėl intramitochondrinis acetil-CoA paverčiamas trikarboksirūgšties ciklo citrato sintazės reakcija ir tokia forma patenka į citozolį.

TRIKARBOKSIRŪGŠČIŲ CIKLAS– citrinų rūgšties ciklas arba Krebso ciklas yra plačiai atstovaujamas gyvūnų, augalų ir mikrobų organizmuose vykstantis di- ir trikarboksirūgšties, susidarančios kaip tarpiniai produktai skaidant ir sintezuojant baltymus, riebalus ir angliavandenius, oksidacinio virsmo kelias. Atrado H. Krebsas ir W. Johnsonas (1937). Šis ciklas yra medžiagų apykaitos pagrindas ir atlieka dvi svarbias funkcijas – aprūpina organizmą energija ir integruoja visus pagrindinius medžiagų apykaitos srautus, tiek katabolinius (biodegradacija), tiek anabolinius (biosintezė).

Krebso ciklas susideda iš 8 etapų (tarpiniai produktai diagramoje pažymėti dviem etapais), kurių metu įvyksta:

1) visiškas acetilo liekanos oksidavimas iki dviejų CO 2 molekulių,

2) susidaro trys redukuoto nikotinamido adenino dinukleotido (NADH) ir vieno redukuoto flavino adenino dinukleotido (FADH 2) molekulės, kurios yra pagrindinis cikle gaminamos energijos šaltinis ir

3) viena guanozintrifosfato (GTP) molekulė susidaro dėl vadinamosios substrato oksidacijos.

Apskritai, kelias yra energetiškai naudingas (DG 0 " = –14,8 kcal.)

Krebso ciklas, lokalizuotas mitochondrijose, prasideda citrinų rūgštimi (citratu) ir baigiasi oksaloacto rūgšties (oksaloacetato – OA) susidarymu. Ciklo substratai yra trikarboksirūgštys - citrinų, cis-akonito, izocitrinos, oksalosukcinato (oksalosukcinato) ir dikarboksilo rūgštys - 2-ketoglutaro (KG), gintaro, fumaro, obuolių (malato) ir oksaloacto. Krebso ciklo substratuose taip pat yra acto rūgštis, kuri savo aktyvia forma (ty acetilkofermento A, acetil-SCoA pavidalu) dalyvauja kondensacijoje su oksaloacto rūgštimi, dėl kurios susidaro citrinų rūgštis. Tai acetilo liekana, įtraukta į citrinos rūgšties struktūrą, kuri oksiduojasi; anglies atomai oksiduojasi iki CO 2, vandenilio atomus iš dalies priima dehidrogenazių kofermentai ir iš dalies patenka į tirpalą, tai yra į aplinką protonuota forma.

Piruvo rūgštis (piruvatas), kuri susidaro glikolizės metu ir užima vieną iš centrinių vietų susikertančiuose metabolizmo keliuose, dažniausiai nurodoma kaip pradinis junginys acetil-CoA susidarymui. Veikiamas sudėtingos struktūros fermento - piruvatdehidrogenazės (CP1.2.4.1 - PDHase), piruvatas oksiduojamas, kad susidarytų CO 2 (pirmasis dekarboksilinimas), acetil-CoA ir redukuojamas NAD ( cm. diagrama). Tačiau piruvato oksidacija toli gražu nėra vienintelis būdas susidaryti acetil-CoA, kuris taip pat yra būdingas riebalų rūgščių (tiolazės fermento arba riebalų rūgščių sintetazės) oksidacijos ir kitų angliavandenių ir aminorūgščių skilimo reakcijų produktas. Visi Krebso ciklo reakcijose dalyvaujantys fermentai yra lokalizuoti mitochondrijose, dauguma jų yra tirpūs, o sukcinato dehidrogenazė (KF1.3.99.1) yra glaudžiai susijusi su membranų struktūromis.

Citrinų rūgšties, kurios sintezės metu prasideda tikrasis ciklas, susidarymas citrato sintazės (EC4.1.3.7 - diagramoje kondensuojantis fermentas) pagalba yra endergoninė reakcija (su energijos absorbcija) ir jos įgyvendinimas. yra įmanomas naudojant daug energijos turintį acetilo liekanos ryšį su KoA [CH3CO~SKoA]. Tai yra pagrindinis viso ciklo reguliavimo etapas. Po to per tarpinę cis-akonito rūgšties susidarymo stadiją vyksta citrinų rūgšties izomerizacija į izocitriną (fermentas akonitazė KF4.2.1.3, turi absoliutų stereospecifiškumą – jautrumą vandenilio vietai). Tolimesnės izocitro rūgšties transformacijos, veikiamos atitinkamos dehidrogenazės (isocitrato dehidrogenazės KF1.1.1.41), produktas, matyt, yra oksalo gintaro rūgštis, kurios dekarboksilinimas (antroji CO 2 molekulė) veda į CG. Šis etapas taip pat yra griežtai reglamentuotas. Daugeliu charakteristikų (didelė molekulinė masė, sudėtinga daugiakomponentė struktūra, laipsniškos reakcijos, iš dalies tie patys kofermentai ir kt.) KH dehidrogenazė (EC1.2.4.2) primena PDHazę. Reakcijos produktai yra CO 2 (trečiasis dekarboksilinimas), H + ir sukcinil-CoA. Šiame etape aktyvuojama sukcinil-CoA sintetazė, kitaip vadinama sukcinato tiokinaze (EC6.2.1.4), katalizuojanti grįžtamąją laisvojo sukcinato susidarymo reakciją: Succinyl-CoA + P inorg + GDP = Succinate + KoA + GTP. Šios reakcijos metu vyksta vadinamasis substrato fosforilinimas, t.y. energijos turtingo guanozino trifosfato (GTP) susidarymas guanozino difosfato (BVP) ir mineralinio fosfato (P inorg) sąskaita naudojant sukcinil-CoA energiją. Susidarius sukcinatui, pradeda veikti sukcinato dehidrogenazė (KF1.3.99.1), flavoproteinas, todėl susidaro fumaro rūgštis. FAD yra susijęs su baltymine fermento dalimi ir yra metaboliškai aktyvi riboflavino (vitamino B 2) forma. Šiam fermentui taip pat būdingas absoliutus stereospecifiškumas šalinant vandenilį. Fumarazė (EC4.2.1.2) užtikrina pusiausvyrą tarp fumaro rūgšties ir obuolių rūgšties (taip pat stereospecifinė), o obuolių rūgšties dehidrogenazė (malato dehidrogenazė EC1.1.1.37, kuriai reikalingas kofermentas NAD +, taip pat yra stereospecifinė) lemia užbaigimą. Krebso ciklo, ty oksaloacto rūgšties susidarymo. Po to kartojama oksaloacto rūgšties kondensacijos reakcija su acetil-CoA, dėl kurios susidaro citrinų rūgštis, o ciklas atnaujinamas.

Sukcinato dehidrogenazė yra sudėtingesnio kvėpavimo grandinės sukcinato dehidrogenazės komplekso (II komplekso) dalis, tiekianti į kvėpavimo grandinę redukuojančius ekvivalentus (NAD-H2), susidariusius reakcijos metu.

Naudojant PDHazės pavyzdį, galima susipažinti su medžiagų apykaitos aktyvumo kaskadinio reguliavimo principu dėl atitinkamo fermento fosforilinimo-defosforilinimo specialia kinaze ir fosfataze PDHase. Abu jie yra prijungti prie PDGase.

Daroma prielaida, kad atskirų fermentinių reakcijų katalizė atliekama kaip supramolekulinio „superkomplekso“, vadinamojo „metabolono“, dalis. Tokios fermentų organizavimo privalumai yra tai, kad nėra kofaktorių (kofermentų ir metalo jonų) ir substratų difuzijos, o tai prisideda prie efektyvesnio ciklo veikimo.

Nagrinėjamų procesų energetinis efektyvumas yra mažas, tačiau 3 moliai NADH ir 1 molis FADH2, susidarę piruvato oksidacijos ir vėlesnių Krebso ciklo reakcijų metu, yra svarbūs oksidacinių virsmų produktai. Tolimesnę jų oksidaciją kvėpavimo grandinės fermentai vykdo ir mitochondrijose ir yra susijusi su fosforilinimu, t.y. ATP susidarymas dėl mineralinio fosfato esterinimo (organinių fosforo esterių susidarymo). Glikolizė, fermentinis PDHazės veikimas ir Krebso ciklas – iš viso 19 reakcijų – lemia visišką vienos gliukozės molekulės oksidaciją iki 6 molekulių CO 2, susidarant 38 molekulėms ATP – tai derybinė „energijos valiuta“. ląstelė. NADH ir FADH 2 oksidacijos procesas kvėpavimo grandinės fermentais yra energetiškai labai efektyvus, vyksta naudojant atmosferos deguonį, veda prie vandens susidarymo ir yra pagrindinis ląstelės energijos išteklių šaltinis (daugiau nei 90%). Tačiau Krebso ciklo fermentai nedalyvauja tiesioginiame jo įgyvendinime. Kiekvienoje žmogaus ląstelėje yra nuo 100 iki 1000 mitochondrijų, kurios suteikia energijos gyvybei.

Krebso ciklo integravimo funkcijos metabolizme pagrindas yra tas, kad angliavandeniai, riebalai ir aminorūgštys iš baltymų galiausiai gali būti paverčiami šio ciklo tarpiniais produktais (tarpiniais produktais) arba susintetinami iš jų. Tarpinių produktų pašalinimas iš ciklo anabolizmo metu turi būti derinamas su ciklo katabolinio aktyvumo tęsimu, kad nuolat susidarytų biosintezei reikalingas ATP. Taigi, kilpa vienu metu turi atlikti dvi funkcijas. Tuo pačiu metu gali sumažėti tarpinių produktų (ypač OA) koncentracija, todėl gali pavojingai sumažėti energijos gamyba. Siekiant to išvengti, yra „apsauginiai vožtuvai“, vadinami anaplerotinėmis reakcijomis (iš graikų kalbos „užpildyti“). Svarbiausia reakcija yra OA sintezė iš piruvato, kurią vykdo piruvato karboksilazė (EC6.4.1.1), taip pat lokalizuota mitochondrijose. Dėl to kaupiasi didelis kiekis OA, kuris užtikrina citrato ir kitų tarpinių produktų sintezę, leidžiančią normaliai funkcionuoti Krebso ciklui ir tuo pačiu užtikrina tarpinių produktų pašalinimą į citoplazmą tolesnei biosintezei. Taigi Krebso ciklo lygiu efektyviai koordinuota anabolizmo ir katabolizmo procesų integracija vyksta veikiant daugybei subtilių reguliavimo mechanizmų, įskaitant hormoninius.

Anaerobinėmis sąlygomis vietoj Krebso ciklo jo oksidacinė šaka veikia iki KG (1, 2, 3 reakcijos), o redukcinė šaka veikia nuo OA iki sukcinato (reakcijos 8®7®6). Šiuo atveju daug energijos nesukaupiama, o ciklas tiekia tik tarpinius produktus ląstelių sintezei.

Kai organizmas iš poilsio pereina į veiklą, atsiranda poreikis mobilizuoti energiją ir medžiagų apykaitos procesus. Visų pirma tai pasiekiama gyvūnams šuntuojant lėčiausias reakcijas (1–3) ir vyraujant sukcinato oksidacijai. Šiuo atveju KG, pradinis sutrumpinto Krebso ciklo substratas, susidaro greitos transaminacijos reakcijoje (amino grupės perkėlimas)

Glutamatas + OA = CG + aspartatas

Kitas Krebso ciklo modifikavimas (vadinamasis 4-aminobutirato šuntas) yra KG pavertimas sukcinatu per glutamatą, 4-aminobutiratą ir gintaro semialdehidą (3-formilpropiono rūgštį). Ši modifikacija svarbi smegenų audinyje, kur šiuo keliu suskaidoma apie 10 % gliukozės.

Glaudus Krebso ciklo susiejimas su kvėpavimo grandine, ypač gyvūnų mitochondrijose, taip pat daugumos ciklo fermentų slopinimas veikiant ATP, lemia ciklo aktyvumo sumažėjimą esant dideliam fosforo potencialui. ląstelė, t.y. esant dideliam ATP/ADP koncentracijos santykiui. Daugumoje augalų, bakterijų ir daugelio grybų glaudus ryšys įveikiamas sukuriant neatsiejamus alternatyvius oksidacijos kelius, kurie leidžia palaikyti aukštą kvėpavimą ir ciklo aktyvumą vienu metu net esant dideliam fosforilo potencialui.

Igoris Rapanovičius

Visi žino, kad normaliam kūno funkcionavimui reikia reguliariai tiekti daugybę maistinių medžiagų, reikalingų sveikai medžiagų apykaitai ir atitinkamai energijos gamybos ir sąnaudų procesų pusiausvyrai. Energijos gamybos procesas, kaip žinoma, vyksta mitochondrijose, kurios dėl šios savybės vadinamos ląstelių energijos centrais. O cheminių reakcijų seka, suteikianti energijos kiekvienos kūno ląstelės darbui, vadinama Krebso ciklu.

Krebso ciklas – stebuklai, vykstantys mitochondrijose

Energija, gauta per Krebso ciklą (taip pat TCA ciklą – trikarboksirūgšties ciklą), eina į atskirų ląstelių poreikius, kurios savo ruožtu sudaro įvairius audinius ir atitinkamai mūsų kūno organus bei sistemas. Kadangi kūnas tiesiog negali egzistuoti be energijos, mitochondrijos nuolat dirba, kad nuolat aprūpintų ląsteles reikalinga energija.

Adenozino trifosfatas (ATP) – šis junginys yra universalus energijos šaltinis, būtinas visiems biocheminiams procesams mūsų organizme.

TCA ciklas yra centrinis metabolizmo kelias, dėl kurio baigiasi metabolitų oksidacija:

• riebalų rūgštys;
• amino rūgštys;
• monosacharidai.

Aerobinio skilimo metu šios biomolekulės suskaidomos į mažesnes molekules, kurios naudojamos energijai gaminti arba naujoms molekulėms sintetinti.

Trikarboksirūgšties ciklas susideda iš 8 etapų, t.y. reakcijos:

1. Citrinų rūgšties susidarymas:

2. Izocitro rūgšties susidarymas:

3. Izocitro rūgšties dehidrinimas ir tiesioginis dekarboksilinimas.

4. Oksidacinis α-ketoglutaro rūgšties dekarboksilinimas

5. Substrato fosforilinimas

6. Gintaro rūgšties dehidrogenavimas sukcinato dehidrogenaze

7. Obuolių rūgšties susidarymas veikiant fermentui fumarazei

8. Oksalacetato susidarymas

Taigi, pasibaigus Krebso ciklą sudarančioms reakcijoms:

• viena acetil-CoA molekulė (susidaro skaidant gliukozę) oksiduojama iki dviejų anglies dioksido molekulių;
• trys NAD molekulės redukuojamos į NADH;
• viena FAD molekulė redukuojama iki FADN 2;
• susidaro viena GTP (atitinka ATP) molekulė.

Molekulės NADH ir FADH 2 veikia kaip elektronų nešėjai ir yra naudojamos ATP gaminti kitame gliukozės metabolizmo etape – oksidaciniame fosforilinant.

Krebso ciklo funkcijos:

• katabolinis (kuro molekulių acetilo likučių oksidavimas iki galutinių medžiagų apykaitos produktų);
• anaboliniai (Krebso ciklo substratai - molekulių, įskaitant aminorūgštis ir gliukozę, sintezės pagrindas);
• integracinis (TCC yra ryšys tarp anabolinių ir katabolinių reakcijų);
• vandenilio donoras (3 NADH.H + ir 1 FADH 2 tiekimas į mitochondrijų kvėpavimo grandinę);
• energijos.

Normaliam Krebso ciklo funkcionavimui reikalingų elementų trūkumas gali sukelti rimtų organizmo problemų, susijusių su energijos trūkumu.

Dėl medžiagų apykaitos lankstumo organizmas gali naudoti ne tik gliukozę kaip energijos šaltinį, bet ir riebalus, kuriuos skaidant taip pat susidaro piruvo rūgštį (dalyvauja Krebso cikle) formuojančios molekulės. Taigi tinkamai tekantis TCA ciklas suteikia energijos ir statybinių blokų naujoms molekulėms formuotis.