Цикл Кребса

Першим етапом катаболізму глюкози являється гліколіз, в результаті якого ми отримуємо піруват.Нагадаю, що в результаті гліколізу ми отримуємо 4 молекули АТФ та 2 молекули NADH.Якщо кисню в клітині немає, то піруват перетвориться в молочну кислоту за допомогою фермента лактат дегідрогеназа(ЛДГ).В іншому випадку, в аеробних умовах, піруват піде в мітохондрію, де перетвориться в ацетил-КоА, який потім з’єднається з оксалоацетатом та утворить цитрат, який потім пройде через купу реакцій і ми знову отримаємо оксалоацетат.Ось чому це називається циклом.В результаті цього циклу сформуються 6 молекул NADH та 2 FADH, які потім підуть в реакцію окислювального фосфорилюванння, та згенерують АТФ.

Реакції циклу Кребса

Перша реакція.
За допомогою спеціального каналу піруват потрапляє в матрикс мітохондрії, де знаходиться піруват дегідрогеназний комплекс(ПДК), який складається з трьох субодиниць – E1, E2, E3.Цей комплекс забезпечує декарбоксилювання пірувату, його окиснення, в результаті чого формується NADH та приєднує кофермент А.
Кофакторами для цього комплексу являються тіамін пірофосфат(похідне вітаміну B1), FAD та NAD, ліпоєва кислота та власне кофермент А(КоА).
В результаті формується ацетил-КоА.

Друга реакція.
Далі ацетил-КоА об’єднується з оксалоацетатом під дією фермента цитрат синтаза, яка утворює з цього всього цитрат, а кофермент А просто відщеплюється від всього цього.

Третя реакція.
Цитрат під дією аконітази перетворюється в аконітат, який знову під дією тієї ж самої аконітази перетворюється в ізоцитрат.

Четверта реакція.
Ізоцитрат втрачає один карбон(реакція декарбоксилювання) та окиснюється під дією фермента ізоцитрат дегідрогеназа, в результаті чого утворюється альфа-кетоглутарат з NADH та CO₂ як побічний продукт реакції.

П’ята реакція.
Альфа-кетоглутарат під дією альфа-кетоглутарат дегідрогенази знову втрачає один карбон(декарбоксилювання) та окиснюється, а ще приєднує кофермент А.В результаті ми маємо сукциніл-КоА з NADH та CO₂ як побічний продукт реакції.

Шоста реакція.
Сукциніл-КоА під дією сукциніл-КоА синтази перетворюється в сукцинат(янтарна кислота).Як ми бачимо, тут не має КоА, відповідно, цей фермент його просто від’єднує.Але, на цьому етапі до молекули ГДФ додається ще один фосфат, в результаті ми маємо ГТФ, який в свою чергу, пожертвує цей новоприбулий фосфат на користь АДФ -> утворюється АТФ.

Сьома реакція.
На внутрішній мембрані мітохондрії “сидить” сукцинат дегідрогеназа(або ще називають комплекс ІІ), яка забере два гідрогена(окиснить) у сукцината, в результаті ми маємо фумарат.А ці два гідрогени відновлять FAD до FADH₂.

Восьма реакція.
Фермент фумараза додає воду(гідратація) до фумарата, в результаті чого утвориться малат.

Дев’ята реакція.
Малат під дією малат дегідрогенази окиснюється, в результаті чого ми маємо оксалоацетат, а один гідроген піде на користь NAD + , який відновиться до NADH+H + .

Регуляція циклу Кребса

Піруват дегідрогеназний комплекс пригнічується своїм же продуктом діяльності – ацетил-КоА та високою концентрацією АТФ та NADH в клітині.Стимулюється його діяльність при низькому енергетичному рівні клітини(низька концентрація АТФ, висока АДФ та АМФ).Ну і звісно, інсулін через свій рецептор стимулює протеїнкіназу B(Б), яка активує фосфатазу піруват дегідрогеназного комплексу, цей фермент в свою чергу заважає кіназі піруват дегідрогеназного комплексу(активується протеїнкіназою А при дії глюкагону/адреналіну).Фосфорилювання цього комплексу проявляє на нього пригнічуючий ефект, а дефосфорилювання – активує.

Цитрат синтаза пригнічується своїм же продуктом діяльності – цитратом, а також АТФ та NADH.Стимулюється її діяльність при низькій концентрації АТФ.

Ізоцитрат дегідрогеназа пригнічується при високій концентрації АТФ, стимулюється АДФ та кальцієм(грає велику роль в м’язах).

Альфа-кетоглутарат дегідрогеназа інгібується своїм продуктом діяльності – сукцинілом КоА а також NADH, стимулюється іонами кальцію.

Тестовий контроль

Реакції циклу трикарбонових кислот можуть відбуватись

Цикл Кребса

Цикл Кребса, інакше званий циклом лимонної кислоти, найважливіший метаболічний цикл у аеробних організмів.

Цикл Кребса – це цикл послідовного окисного перетворення ди- і трикарбонових кислот, що забезпечує повне окислення продуктів метаболізму в клітинах жирів, білків і вуглеводів до СО₂ і Н₂О.

При обміні всіх основних речовин в клітині утворюється активізована оцтова кислота або активний проміжний субстрат – ацетілоцтова кислота:

Щавелевооцтова кислота ацетил КоА -> перетворюється в лимонну кислоту.

У 1920 році Т. Тунбергом було відзначено, що багато органічних кислот окислюються в організмі з великою швидкістю.

У 1935 році Сент-Дьордьом було встановлено, що деякі ди- і трикарбонові кислоти прискорюють окислення глюкози в тканинах.

Г. Кребс досліджував процес окислення пірувату і встановив, що цитрат прискорює процес окислення глюкози. У 1937 році Г. Кребс і В.Джонс визначили, що процес окислення глюкози носить циклічний характер, і описали цей цикл, за що в 1953 році Г. Кребс був удостоєний Нобелівської премії.

Цикл трикарбонових кислот складається з 8 послідовних реакцій.

Перша з них – це утворення через конденсацію щавелево-оцтової кислоти і ацетил КоА лимонної кислоти. Реакцію каталізує цитрат-синтазу за рахунок макроергічної енергії (СН₃-С ~ КоА).

Ацетил КоА утворюється в організмі різними шляхами:

• з ліпідів;
• при 3-окислюванні жирних кислот;
• при декарбоксилюванні пірувату;
• з білків.

Амінокислоти фенілаланін, лізин, тирозин, лейцин і ізолейцин відразу можуть перетворюватися в ацетил КоА, а аланін, цистеїн, серіїн і гліцин попередньо утворюють піруват.

Цикл порушується, насамперед, через відсутність первинного продукту – оксалоацетату.

У цьому випадку в печінці накопичуються ацетильні групи, які не здатні окислюватися, і починають активно перетворюватися на кетонові тіла. До кетонових тіл відносяться:

• оксимасляна;
• ацетооцтова кислота;
• ацетон.

Синтез кетонових тіл відбувається за одним з таких шляхів:

• Конденсацією, під дією тіолази з двох молекул ацетил КоА або декарбоксирилирування піровиноградної кислоти.
• У результаті синтезу ацетооцтової кислоти з ацетил Ко А.
• У результаті утворення ацетооцтової кислоти при окислюванні кетогенних амінокислот: лейцину, тирозину, фенілаланіну, ізолейцину.

Найбільш частим шляхом є перший. Їх надмірна кількість веде до утворення метаболічного ацидозу. Це найчастіше відбувається при низькій здатності вступати в реакцію конденсації ацетил КоА з оксалоацетатом. Нестача оксалоацетата може формуватися, коли в печінці метаболізується велика кількість етилового спирту, а також при голодуванні і при цукровому діабеті.

Друга реакція – це перетворення лимонної кислоти в ізолимонну (через цисаконітову).

Рівновага їх в організмі наступна:

Окислення ізолимонної кислоти з одночасним декарбоксилюванням призводить до утворення α-кетоглютарової кислоти. Каталізується ця реакція ізоцем-ратдегідрогеназою.

Роль її дуже велика, так як вона лімітує швидкість всього циклу трикарбонових кислот.

У мітохондріях локалізується фермент, залежний від NAD-коферменту.

• Активаторами цього ферменту є АТФ і цитрат.
• інгібітором – НАД-Н.

Залежна від НАДФ ізоцитратдегідрогеназа присутня в незначній кількості. Цей процес складний на першому етапі – діє α-кетоглюта-ратдегндрогеназа у присутності ТПФ (тіаміну); а-кетоглюторат де-карбоксилюється, і четфехвуглецевий залишок приєднується до ТПФ, де бере участь і α-кетоглютаратдегідрогеназа.

Далі транссукцинілаза, яка використовує як кофермент ліпоєву кислоту, окисляє четфехвуглецевий залишок до сукцинілу і переносить його на ліпоєву кислоту, з одночасним її відновленням:

4-вуглецевий залишок + ліпоєва кислота (окислена форма) + сукциніліпоат.

На третій стадії цієї реакції, під дією транс-сукцинілази, сукцинільний залишок переноситься на КоА з утворенням сукциниіл-КоА. Потім відновлюється форма аналога ліпоєвої кислоти, окислюється під дією флавіного ферменту – липа-міддегідрогенази.

Процес призводить до утворення субстрату три-карбонових кислот – ацетил КоА, який є потужним інгібітором всієї реакції.

Таким чином, окислення оксікетоглютарової кислоти складний багатоступінчастий процес, який протікає за участю кофактора ТПФ (тіаміну) і з використанням, в проміжній стадії, ліпоєвої кислоти, з одночасним її відновленням.

Кінцевий продукт окислення а-кетоглютарової кислоти – ацетил КоА – є потужним інгібітором всієї цієї реакції окислення α-кетоглютарової кислоти.

Глютаматдегідрогеназа відіграє важливу роль в проміжному лабіринті, так як аміногрупи більшості амінокислот переносяться на другий кетоглютарат, з утворенням глутамату, який глутаматдегідрогеназа знову перетворює на сечовину і виводиться з організму. При зворотному ході реакції з амонію і кетоглютарату може утворитися глутамінова кислота.

Таким чином, ГОГ регулює внутрішньоклітинну концентрацію амонію.

Цей фермент є сполучною ланкою між метаболізмом амінокислот і повною лимонною кислотою. Фермент слабо пов’язаний з мітохондріальними мембранами. Для нормального функціонування циклу Кребса необхідне надходження всередину матриксу мітохондрій пірувату або іншого потенційного джерела ацетил КоА.

Ацилпереносячі білки шляхом активного транспорту наповнюють субстратом мітохондрії, що визначає швидкість циклу Кребса. Цикл Кребса лімітується активністю:

• піруватдегідрогенази;
• глутаматдегідрогенази;
• ізоцитратдегідрогенази.

Особливу роль відіграє регуляція комплексу окислювального декарбоксилювання пірофосфату – незворотної реакції, яка поставляє субстрат циклу Кребса – ацетил КоА.

Ця реакція швидко інгібується власними продуктами NAD-H і ацетил КоА. Мітохондрії не проникні для НАД-Н. Тим часом інтенсивне утворення НАД-Н відбувається поза мітохондрій – в цитоплазмі.

Окислення НАД-Н мітохондріями забезпечується енергією фосфорилювання.

Досягнення перенесення НАД-Н мітохондріями відбувається за такою схемою: а-гліцерофосфатдегідрогеназа відновлюється діоксіацетофосфатом в α-гліцерофосфаті за рахунок НАД-Н.

α-гліцерофосфат, який утворився, акцептує протони й електрони від позамітохондріальної НАД-Н, вільно проникає в мітохондрії, де інша дегідрогеназа, подібна д цитоплазматичної, знову окисляє його в діоксіацетофосфат, з утворенням НАД-Н. Це і забезпечує перенесення електронів у ланцюзі окислення.

Таким чином, мітохондрії, сформовані в процесі тривалої еволюції в клітинному організмі, виконують ключову роль в її життєдіяльності, забезпечують енергетичну систему метаболізму.

У процесі взаємодії організму з екстремальними факторами навколишнього середовища (тривалий вплив на організм низьких температур) мітохондрії в клітинах життєвоважливих органів (повітроносні шляхи, міокард) зазнають велике функціональне навантаження і можуть не витримати його і піддаються передчасному руйнуванню.