Структура занятия.

1. Теоретическая часть:

1. Повторение теоретического материала по теме «Тканевое дыхание», «ЦТК».

2. Рассказ преподавателя (углубление материала).

Цикл Кребса представляет собой амфиболический путь; функции его связаны не только с катаболизмом, но и с анаболическими процессами, для которых он поставляет молекулы-предшественники. Цикл Кребса – общий конечный путь окислительного катаболизма всех видов клеточного топлива в аэробных условиях.

Окисление углеводов, липидов и белков (аминокислот) приводит к образованию активного ацетата, т.е. ацетил-КоА:

О

С

СН₃

S-КоА

Окисление почти 100% атомов углерода жирных кислот, 60% атомов углерода углеводов и 50% атомов углерода белков (аминокислот) проходит через образование ацетил-КоА. Некоторое количество энергии высвобождается при дезаминировании аминокислот до альфа-кетокислот и окислительном декарбоксилировании альфа-кетокислот до ацетил-КоА, но небольшая часть ее остается в ацетил-КоА. Таким образом, ацетил-КоА – основной продукт интеграции обмена и окисление ацетата до СО₂ и Н₂О является основой энергообеспеченности организма.

При изучении механизма этого процесса было установлено, что он ускоряется некоторыми дикарбоновыми кислотами, имеющими четыре атома углерода в цепи – янтарной, фумаровой, яблочной и ЩУК (особенно последней). Было также отмечено, что этот процесс значительно активируется трикарбоновыми кислотами, в частности, лимонной; было доказано, что превращение дикарбоновых кислот в лимонную происходит в результате реакции между ацетатом и ЩУК. Первыми субстратами окисления уксусной кислоты являются трикарбоновые кислоты и процесс назвали поэтому циклом трикарбоновых кислот или циклом Кребса, по имени ученого изучившего механизм этого окисления. Так как первой образуется лимонная кислота, то этот цикл называют циклом лимонной кислоты или цитратным циклом. Цикл ТКК протекает в митохондриях под влиянием ферментов, локализованных на мембранах.

1. Первым звеном этого цикла является цитратсинтазная реакция.

О О ОН

С ~ S-КоА ↔ С ~ S-КоА + Н⁺ ↔ С ~ S-КоА или

СН₃ СН₂ СН₂

Енольные формы ацетил-КоА

О О

С ~ S-КоА + Н⁺ + О = С – СООН ↔С ~ S-КоА

СН₂ СН₂ СН₂

СООН НО–С–СООН

ЩУК СН₂

СООН

Цитрил-КоА

О О

С ~ S-КоА С

ОН

СН₂ СН₂

НО–С–СООН + НОН ↔ НО–С–СООН + НS-КоА

СН₂ СН₂

СООН СООН

Цитрил-КоА Лимонная кислота

Сначала под влиянием фермента цитратсинтазы активируется водород метильной группы ацетил-КоА, в результате ацетил-КоА превращается в енольную форму. Возможно образование двух енольных форм – карбонильной с ионизированным водородом и оксиформы.

Затем ацетил-КоА присоединяется к ЩУК с образованием активной формы лимонной кислоты – цитрил-КоА. Таким образом, цитратсинтаза в этой реакции играет роль енолазы (превращает в енольную форму ацетил-КоА), лигазы (соединяет енольную форму ацетил-КоА со ЩУК) и гидролазы ( гидролизует цитрил-оА на лимонную кислоту и НS-КоА).

2. Образовавшаяся лимонная кислота под влиянием фермента аконитатгидролазы дегидратируется и превращается в цис-аконитовую кислоту, которая после присоединения Н₂О превращается в изолимонную:

СООН СООН СООН

СН₂ СН₂ СН₂

– НОН + НОН

НО–С–СООН С–СООН Н–С–СООН

β СН₂ СН β СНОН

α СООН СООН α СООН

Лимонная Цис-аконитовая Изолимонная

кислота кислота кислота

3. Изолимонная кислота окисляется далее путем отщепления двух атомов водорода и превращается в щавелевоянтарную кислоту, которая декарбоксилируется до альфа-кетоглутаровой. Обе реакции катализируются одним ферментом – изоцитратдегидрогеназой. Этот фермент существует в двух формах, одна из которых функционирует с НАД, а вторая с НАДФ. В результате присоединения двух атомов водорода от изолимонной кислоты НАД и НАДФ восстанавливаются соответственно до НАД·Н + Н⁺ и НАДФ·Н + Н⁺:

СООН СООН СООН

СН₂ СН₂ СН₂

+ НАДФ⁺

Н–С–СООН Н–С–СООН СН₂ + СО₂

– НАДФ·Н + Н⁺ – СО₂

СНОН изоцитратдегидро- С=О С=О

геназа

СООН СООН СООН

Изолимонная Янтарная Альфа-кетоглутаровая

кислота кислота кислота

Атомы водорода, связанные с НАД (НАД·Н + Н⁺) далее переносятся по цепи дыхательных ферментов на кислород с образованием Н₂О, т.е. процесс идет по линии катаболизма.

Атомы водорода, связанные с НАДФ (НАДФ·Н + Н⁺) используются для биосинтеза разных соединений (высших жирных кислот, холестерина, стероидных гормонов и др.), т.е. процесс идет по линии анаболизма.

4. Альфа-кетоглутаровая кислота по структуре подобна пировиноградной. Она подвергается такому же сложному окислительному декарбоксилированию под влиянием сложной полиферментной системы (альфа-кетоглутаратдегидрогеназы). Эта система состоит из специфической белковой части и тех же коферментов (ТПФ, НS-КоА, липоевой кислоты, НАД и ФАД), также Мg²⁺.

В результате деарбоксилирования альфа-кетоглутаровой кислоты образуется сукцинил-КоА, имеющий макроэргическую карбоксил-тиоловую связь, в которой накапливается энергия окислительного декарбоксилирования. При этом выделяется вторая молекула СО₂ и отщепляется вторая пара атомов водорода, связывающаяся с НАД, который восстанавливается в НАД·Н + Н⁺:

СООН СООН

СН₂ СН₂

α-кетоглутаратдегидрогеназа

СН₂ СН₂ + НАД·Н + Н⁺

С=О С=О

СООН S-КоА

α-кетоглутаровая к-та Сукцинил-КоА

5. Далее сукцинил-КоА реагирует с неорганическим фосфором и превращается в сукцинилфосфат, а НS-КоА высвобождается и может снова включаться в различные звенья обмена веществ. Затем сукцинилфосфат реагирует с ГДФ и превращается в янтарную кислоту, а ГДФ присоединяя к себе фосфат, превращается в ГТФ. ГТФ реагирует с АДФ, образуя АТФ:

СООН СООН

СН₂ СН₂

СН₂ + Н₃РО₄ СН₂ + НS-КоА

С=О С=О

ОН

S-КоА О–Р=О

ОН

Сукцинил-КоА

Сукцинилфосфат

СООН СООН

СН₂ СН₂

СН₂ + ГДФ СН₂ + ГТФ

С=О СООН

ОН

О–Р=О Янтарная

ОН кислота

Сукцинилфосфат

В итоге при окислении изолимонной кислоты в янтарную (дикарбоновую) отщепляется две молекулы СО₂. Следовательно, окислилось два атома углерода, т.е. столько, сколько было в уксусной кислоте.

6. Янтарная кислота под влиянием сукцинат-дегидрогеназы при участии ФАД окисляется в фумаровую:

СООН СООН

СН₂ ФАД СН₂

+ ФАДН₂

СН₂ СН₂

СООН СООН

Янтарная Фумаровая

кислота кислота

7. Фумаровая кислота под влиянием фумаратдегидрогеназы гидратируется и превращается в яблочную:

СООН СООН

СН СНОН

+ НОН

СН СН₂

СООН СООН

Фумаровая Яблочная

кислота кислота

8. Яблочная кислота под влиянием малатдегидрогеназы при участии НАД окисляется (теряет два атома водорода) до ЩУК, т.е. до того субстрата, от которого начался цикл ТКК:

СООН СООН

СНОН С=О

+ НАД⁺ + НАД·Н + Н⁺

СН₂ СН₂

СООН СООН

Яблочная к-та ЩУК

Восстановленная ЩУК может вступать в реакцию с другой молекулой ацетил-КоА и процесс начнется сначала. Таким образом, определенное количество ЩУК может вступать несколько раз в реакции с ацетил-КоА и, следовательно, обеспечить окисление большого количества уксусной кислоты (образовавшейся из углеводов, липидов, белков и других соединений) до СО₂ и Н₂О. Но бесконечно этот процесс повторяться не может, замкнутого круга не существует. Часть ЩУК в митохондриях окисляется, превращаясь вследствие декарбоксилирования в пировиноградную кислоту, которая, подвергаясь окислительному декарбоксилированию, превращается в ацетил-КоА. Ацетил-КоА вступает в реакцию с другой молекулой ЩУК и окисляется до Н₂О и СО₂ в цикле ТКК. Остальная часть ее за счет энергии дыхания снова используется для синтеза гликогена, который накапливается и используется для различных потребностей организма.