ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ- ОБЩИЙ КОНЕЧНЫЙ ПУТЬ ОКИСЛЕНИЯ БЕЛКОВ, УГЛЕВОДОВ И ЛИПИДОВ

Изолимонная кислота дегидрируется в присутствии НАД-зависимой изоцитратдегидрогеназы. В ходе изоцитратдегидрогеназной реакции изолимонная кислота одновременно декарбоксилируется.

4-я реакция -окислительное декарбоксилирование α-кетоглутарата.

Происходит окислительное декарбоксилирование α-кетоглутаровой кислоты с образованием высокоэнергетического соединения сукцинил-КоА. Механизм этой реакции сходен с таковым реакции окислительного декарбоксилирования пирувата до ацетил-КоА, α-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс напоминает по своей структуре пируватдегидрогеназный комплекс. Как в одном, так и в другом случае в реакции принимают участие 5 коферментов: ТПФ, амид липоевой кислоты, HS-KoA, ФАД и НАД+.

5-я реакция - субстратное фосфорилирование

Катализируется ферментом сукцинаттиокиназой. В ходе этой реакции сукцинил-КоА при участии ГТФ и неорганического фосфата превращается в янтарную кислоту (сукцинат). Одновременно происходит образование высокоэргической фосфатной связи ГТФ за счет высокоэргической тиоэфирной связи сукцинил-КоА:

6,7 и 8-я реакции - регенерация оксалоацетата.

Врезультате шестой реакции сукцинат дегидрируется в фумаровую кислоту. Окисление сукцината катализируется сукцинатдегидрогеназой, в молекуле которой с белком прочно (ковалентно) связан кофермент ФАД. В свою очередь сукцинатдегидрогеназа прочно связана с внутренней митохондриальной мембраной:

Седьмая реакция осуществляется под влиянием фермента фумаразы. Образовавшаяся при этом фумаровая кислота гидратируется, продуктом реакции является яблочная кислота (малат).

Входе восьмой реакции цикла трикарбоновых кислот под влиянием митохондриальной НАД-зависимой малатдегидрогеназы происходит окисление L-малата в оксалоацетат:

5. Схема цикла Кребса

Интегративная: цикл является связующим звеном между реакциями анаболизма и катаболизма. Цикл Кребса объединяет пути катаболизма углеводов, белков и жиров, т.к. в нем утилизируется молекулы ацетилКоА, образующиеся при расщеплении этих веществ.

Катаболическая: превращение различных веществ в субстраты цикла: Жирные кислоты, пируват, Лей, Фен → в Ацетил-КоА.

Арг, Гис, Глу → в α-кетоглутарат. Фен, тир → в фумарат.

Анаболическая: использование субстратов цикла на синтез органических веществ:

Энергетическая: цикл Кребса поставляет ЦПЭ протоны в виде трех НАДН+Н+ и одного ФАДН2.

6. Анаболическая роль ЦТК

Некоторые субстраты ЦТК используются для синтеза новых веществ: α- кетоглутарат, сукцинат, оксалоацетат - для синтеза заменимых аминокислот. Концентрация любого промежуточного продукта ЦТК остаюется постоянной, поскольку при использовании любого вещества активируются реакции, пополняющие

ЦТК поставляет промежуточные продукты для процессов биосинтеза.

Рис. 5. Использование метаболитов ЦТК в синтезе различных соединений

Из α-оксоглутарата (α-кетоглутарата) синтезируется 5-ти углеродная глутаминовая кислота (глутамат), а затем из глутамата синтезируются глутамин, аргинин и пролин.

Из оксалоацетата (содержит 4 углеродных атома) синтезируются:

аспарагиновая кислота (аспартат), которая далее может аминироваться с образованием аспарагина;

глюкоза (процесс глюконеогенеза). Этот путь активируется при недостаточности глюкозы в клетке Из сукцинил-СоА синтезируются порфирины и гем.

ЦТКэто амфиболический цикл, так как выполняет как катаболическую, так и анаболическую функцию. Цикл трикарбоновых кислот процесс с выраженной катаболической функцией. Двууглеродные фрагменты, которые вносит молекула ацетил-СоА, подвергаются в нем пол-ному окислению до СО2. Вместе с тем, промежуточные продукты цикла трикарбоновых кислот начинают новые биосинтетические пути.

Анаболические (биосинтетические процессы) приводят к снижению концентрации промежуточных продуктов цикла трикарбоновых кислот. Они быстро истощают пул промежуточных продуктов цикла. Поэтому их запас постоянно пополняется за счет молекул из других источников.

Реакции, пополняющие цитратный цикл - это анаплеротические реакции.

Особенно важной анаплеротической реакцией в организме человека является превращение пирувата в оксалоацетат.

Эта реакция поддерживает необходимую высокую концентрацию оксалоацетата в митохондриях и обеспечивает субстратом первую цитратсинтазную реакцию цикла.

У здоровых людей эта АТФ-зависимая реакция позволяет включать в глюконеогенез лактат и аминокислоты, распадающиеся до пирувата. В отличие от пирувата ацетил-СоА не является анаплеротическим метаболитом, поскольку полностью окисляется до СО2.

7. Связь реакций ОПК с ЦПЭ

Общий путь катаболизма (ОПК), включающий пируватдегидрогеназный комплекс (ПДК) и цикл трикарбоновых кислот (ЦТК), локализованные в митохондриальном матриксе, с одной стороны, и цепь переноса электронов локализованная во внутренней митохондриальной мембране, с другой, функционально связаны между собой. Реакции дегидрирования происходящие

в ЦТК служат источником атомов водорода (НАДН+Н+ и ФАДН2) для дыхательной цепи

Рис. 6. Взаимосвязь ЦТК с окислительным фосфорилированием.

Промежуточные метаболиты цикла являются субстратами окисления (изоцитрат, α-кетоглутарат, сукцинат и малат). В цикле происходит их окисление (дегидрирование) под действием НАД+ и ФАД-зависимых дегидрогеназ. При этом НАД+ и ФАД восстанавливаются. Водород из цикла Кребса (в виде НАДН+Н+ и ФАДН2) поступает в дыхательную цепь, где он используется как своего рода топливо. В дыхательной цепи происходит перенос протонов и электронов водорода на кислород с образованием воды. Выделяющаяся при этом энергия используется на образование АТФ.

Суммарное уравнение превращения ацетил-КоА в цикле Кребса:

или:

В ЦТК образуется 3 молекулы НАДН+Н+ и одна молекула ФАДН2. Окисление НАДН+Н+ в дыхательной цепи митохондрий дает по 3 молекулы АТФ на каждую молекулу НАДН+Н+ и по 2 молекулы АТФ на каждую молекулу ФАДН2. Одна молекула ГТФ образуется за счет субстратного фосфорилирования на этапе превращении сукцинил-КоА в сукцинат, а затем может превращаться в АТФ по реакции: ГТФ + АДФ = АТФ + ГДФ. Таким образом, при полном окислении 1 молекулы ацетил-КоА до СО2 и Н2О генерируется 12 молекул АТФ.

С учетом окислительного декарбоксилирования ПВК (НАДН+Н+→3 мол АТФ) энергетический эффект окисления 1 молекулы ПВК до СО2 и Н2О

составляет 15 молекул АТФ.

9. Регуляция общих путей катаболизма:

Общим принципом регуляции ОПК является то, что они активируются при низком энергетическом потенциале клетки и совместно ингибируются при высоком энергетическом клеточном потенциале. Энергетический потенциал клетки характеризует высокое значение отношения: АТФ/АДФ и НАДН/ НАД+.

Рис. 7. Регуляция общих путей катаболизма

Скорость ОПК регулируется на уровне четырех регуляторных реакций, катализируемых ферментами:

пируватдегидрогеназныи комплексом,

цитратсинтазой,

изоцитратдегидрогеназой,

α-кетоглутаратдегидрогеназным комплексом.

Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса. Регуляция на уровне ПДК имеет важное значение для обеспечения цитратного цикла «топливными» молекулами - ацетилом-КоА.

Образование ацетил-КоА из пирувата - необратимый ключевой этап метаболизма, который регулируется пируватдегидрогеназным комплексом.

Активность пируватдегидрогеназного комплекса регулируется различными способами:

доступностью субстратов,

путём ковалентной модификации: фосфорилированием - дефосфорилированием,

аллостерически.

Ковалентная модификация ПДК осуществляется фосфорилированием и дефосфорилированием в определённых участках пируватдегидрогеназного комплекса (ПДК) по остаткам серина. В состав ПДК входят 2 регуляторные субъединицы:

(рис. 8):

Рис. 8. Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса.

При накоплении продуктов пируватдегидрогеназной реакции (ацетилКоА и НАДH) тормозится превращение пирувата в ацетилКоА, поскольку АсКоА и НАДН являются аллостерическими активаторами киназы ПДК, которая фосфорилирует ПДК и переводит ее в неактивную форму. Такая ситуация создаётся, например, в печени при голодании: из жировых депо в печень поступают жирные кислоты, из которых образуется ацетил-КоА,

концентрации внутримитохондриального Са2+. Такой механизм активации ПДК особенно важен в мышцах и жировой ткани.

Пируват, НАД+, НSКоА аллостерически активируют нефосфорилированную форму ПДК, в то время как НАДН и АсКоА выступают в качестве ее ингибитора.

Регуляция цикла Кребса.

Лимитирующим ферментом ЦТК (катализирующим самую медленную реакцию) является изоцитратДГ. Он активируется АДФ, НАД+, ингибируется АТФ, восстановленной формой НАДН•Н+. Когда в клетке достаточно АТФ (покой), скорость цикла снижается, при распаде же АТФ образуется АДФ, избыток которого активирует самую медленную реакцию и, следовательно, скорость всего цикла в целом.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ЗАРЯД КЛЕТКИ (ЭЗК)

Многие процессы метаболизма регулируются соотношением АТФ/АДФ. Это соотношение характеризует энергетический статус (состояние) клетки (Энергетический Заряд Клетки - ЭЗК).

[АТФ]+ 1/2[АДФ]

ЭЗК = -----------------------------

[АТФ] + [АДФ] + [АМФ]

Теоретически ЭЗК может меняться от 0 до 1. Обычно в норме величина ЭЗК поддерживается в клетке в пределах 0.85-0.90.

ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ! Метаболические пути, приводящие к образованию АТФ, ингибируются высоким ЭЗК; метаболические пути, ведущие к использованию АТФ, активируются высоким ЭЗК.