3 модуль / Lekcija_11_Ruseckaja_Krebs_Cycle

План.

1.Последовательность реакций, протекающих в ЦТК.

2.Значение ЦТК

3.Регуляция ЦТК.

Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) (цикл Кребса, цикл лимонной кислоты) – заключительный этап катаболизма, в ходе которого ацетил-КоА окисляется до двух молекул СО2. Атомы водорода при участии НАД- и ФАД-зависимых ферментов передаются в цепь переноса электронов, в результате чего происходит образрвание АТФ и воды.

1. Последовательность реакций, протекающих в ЦТК.

1 реакция катализируется ферментом цитратсинтазой (класс лиазы). Реакция необратима за счет гидролиза макроэргической связи:

Этот фермент является аллостерическим. Его активирует АДФ, а ингибируют АТФ и НАДН.

2. Фермент Аконитат-гидратаза катализирует обратимое присоединение и отщепление воды от лимонной кислоты (т.к. превращения происходят по двойной связи цис-аконитовой кислоты, то этот фермент относится к классу лиазы):

3. Фермент НАД-зависимая изоцитратдегидрогеназа одновременно дегидрирует и декарбоксилирует изоцитрат. Восстановленный НАДН отдает протоны и электроны в дыхательную цепь митохондрий (МХ), где образуется 3 АТФ. Такой способ синтеза АТФ называется окислительное фосфорилирование – это синтез АТФ с участием энергии переноса электронов ферментами внутренней мембраны МХ:

Этот фермент является аллостерическим. Его активирует АДФ, ионы магния и марганца, а ингибируют АТФ и НАДН. НАД-зависимая изоцитратдегидрогеназа регулирует скорость реакций ЦТК в целом.

4. Мультиферментный комплекс α–кетоглутаратдегидрогеназа (аллостерический фермент) катализирует окислительное декарбоксилирование α–кетоглутарата (М=2·106 Да). Комплекс α– кетоглутаратдегидрогеназа по своему строению аналогичен ПДГ (тоже содержит 3 фермента и 5 коферментов: 1-й фермент называется α–кетоглутаратдекарбоксилаза, 2-й – дигидролипоилтранссукцинилаза, 3-й - дигидролипоилдегидрогеназа. Коферменты такие же как в ПДГ: ТПФ, ЛК, КоА, ФАД, НАД). Суммарная α–кетоглутаратдегидрогеназная реакция (необратимая):

5. Фермент Сукцинил-КоА-синтетаза катализирует превращение сукцинил-КоА в сукцинат (янтарную кислоту). Эта реакция сопровождается реакцией субстратного фосфорилирования – синтез АТФ с использованием энергии макроэргического субстрата (сукцинил-КоА содержит макроэргическую связь). При этом образуется 1 АТФ:

6. Фермент сукцинатдегидрогеназа (СДГ) катализирует дегидрирование сукцината в фумаровую кислоту. СДГ содержит простетическую группу – ФАД. Восстановленный ФАДН2 отдает протоны и электроны в МХ дыхательную цепь, где путем окислительного фосфорилирования образуется 2 АТФ. СДГ отщепляет протоны, находящиеся в транс-положении сукцината:

Конкурентным ингибитором СДГ является малоновая кислота.

7.Фермент фумарат-гидратаза (фумараза) присоединяет молекулу воды по месту двойной связи (класс лиазы) с образованием яблочной кислоты (малата):

8.Фермент малатдегидрогеназа (МДГ) дегидрирует малат с образованием оксалоацетата или щавелевоуксусной кислоты (ЩУК), которая затем вновь включается в новый цикл реакций ЦТК. МДГ содержит НАД, который восстанавливается.

НАДН отдает протоны и электроны в МХ дыхательную цепь, где в реакции окислительного фосфорилирования образуется 3 АТФ.

Суммарная реакции ЦТК:

Ацетил-КоА + 3 НАД + ФАД + 2 Н2О→ КоА ~SH + СО2 + 3 НАДН + ФАДН2 + АТФ Окислительное фосфорилирование: 3 НАДН = 9 АТФ + ФАДН2 = 2 АТФ Субстратное фосфорилирование: 1 АТФ ВСЕГО: 12 АТФ

2.Значение ЦТК

1.Основное значение ЦТК для организма, для живой клетки – образование субстратов биологического окисления (изолимонной кислоты, α-кетоглутарата, янтарной, яблочной кислот).

Окисляясь, эти субстраты, служат источниками электронов, поступающих в дыхательную цепь (во внутренней мембране МХ). В реакциях цикла Кребса образуется 3 НАДН и 1 ФАДН2, в дыхательной цепи образуется 3*3=9 АТФ + 2 АТФ = 11 АТФ (окислительное фосфорилирование) +1 АТФ (субстратное фосфорилирование). ИТОГО: 12 АТФ. Цикл Кребса тесно связан в своей работе с дыхательной цепью. Ферменты и субстраты ЦТК, так же как компоненты дыхательной цепи расположены в матриксе МХ и во внутренней мембране МХ соответственно.

2.Анаплеротическая функция ЦТК. В ЦТК окисляются не только молекулы активного ацетата, но также и ряд других веществ, которые при своих превращениях образуют субстраты ЦТК:

-Глутаминовая кислота в процессах трансаминирования превращается в α-кетоглутарат. Орнитин, пролин, гистидин, глутамин также являются источниками глутамата.

-аспарагиновая кислота является источником оксалоацетата (ЩУК) в процессах трансаминирования.

-фумаровая кислота может поставляться из цикла мочевинообразования, идущего в клетках печени.

3.Анаболическая функция ЦТК. ЦТК является поставщиком субстратов, идущих на синтез ряда важных веществ в организме:

α-кетоглутарат является источником глутаминовой кислоты (особенно в клетках головного мозга).

Оксалоацетат (ЩУК) источник для образования аспарагиновой кислоты и аспарагина. Обе аминокислоты используются в синтезе белков, а также участвуют в азотистом обмене организма.

Сукцинил-КоА является источником синтеза порфиринового кольца (синтез гема).

ГДФ и ГТФ широко используются организмом в активации жирных кислот, синтезе нуклеиновых кислот и белков.

Таким образом, ЦТК является не только основным «метаболическим котлом», в котором «сгорают» белки, жиры и УВ. Он имеет большое значение в синтетических процессах организма. Поэтому ЦТК можно с полным правом характеризовать как амфиболическую стадию обмена веществ.

3. Регуляция ЦТК.

Скорость реакций ЦТК зависит от скорости окисления в дыхательной цепи.

1.Активируют реакции ЦТК гормоны инсулин и глюкокортикоиды.

2.Активируют активность ферментов ЦТК витамины В1, В2, РР, В3.

3.Активируют активность ферментов ЦТК ионы металлов Fe2+, Mg2+, Mn2+.

4.Отношение АТФ/АДФ. Чем меньше это соотношение (т.е. чем меньше АТФ и больше АДФ), тем интенсивнее идет дыхание, обеспечивающее выработку АТФ. При увеличении концентрации АДФ увеличивается скорость дыхания, т.е. интенсивнее потребляются субстраты ЦТК и скорость реакций ЦТК увеличивается (т.е. усиливается превращение АДФ в АТФ).

5.Соотношение НАД+/НАДН зависит от скорости потребления АТФ. При недостатке НАД+ активность дегидрогеназ ЦТК будет снижаться, т.к. НАД+ является акцептором протонов от субстратов ЦТК.

6.Цитратсинтаза ингибируется АТФ по аллостерическому механизму (по принципу обратной связи как конечный продукт окисления).

7.Изоцитратдегидрогеназа ингибируется АТФ и НАДН, а активируется АДФ.

8.α-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс ингибируется АТФ.