Siklus asam trikarboksilat (siklus Krebs)

Siklus asam trikarboksilat pertama kali ditemukan oleh ahli biokimia Inggris G. Krebs. Dia adalah orang pertama yang mendalilkan pentingnya siklus ini untuk pembakaran sempurna piruvat, sumber utamanya adalah konversi glikolitik. karbohidrat. Kemudian ditunjukkan bahwa siklus trikarboksilat asam adalah pusat di mana hampir semua jalur metabolisme bertemu. Dengan demikian, Siklus Krebs- jalur akhir yang sama oksidasi asetil kelompok (dalam bentuk asetil-KoA), di mana ia diubah dalam proses katabolisme kebanyakan organik molekul, memainkan peran "seluler bahan bakar»: karbohidrat, asam lemak dan asam amino.

Terbentuk sebagai hasil oksidasi dekarboksilasi piruvat dalam mitokondria asetil-KoA masuk Siklus Krebs. Siklus ini terjadi dalam matriks mitokondria dan terdiri dari delapan reaksi berurutan(Gbr. 10.9). Siklus dimulai dengan penambahan asetil-KoA ke oksaloasetat dan pembentukan asam sitrat (garam sitrat). Kemudian asam lemon(senyawa enam karbon) dengan seri dehidrogenasi(mengambil hidrogen) dan dua dekarboksilasi(pemecahan CO 2) kehilangan dua karbon atom dan lagi di Siklus Krebs berubah menjadi oksaloasetat (senyawa berkarbon empat), yaitu sebagai hasil dari putaran penuh dari siklus satu molekul asetil-KoA terbakar menjadi CO2 dan H2O, dan molekul oksaloasetat diregenerasi. Pertimbangkan semua delapan reaksi berurutan(tahapan) Siklus Krebs.

Beras. 10.9.Siklus asam trikarboksilat (Siklus Krebs).

Pertama reaksi dikatalisasi enzim cit-rat-sintase, sedangkan asetil gugus asetil-KoA mengembun dengan oksaloasetat, menghasilkan pembentukan asam lemon:

Rupanya, dalam hal ini reaksi berkaitan dengan enzim citril-CoA. Kemudian yang terakhir secara spontan dan ireversibel terhidrolisis untuk membentuk garam sitrat dan HS-KoA.

Sebagai hasil dari yang kedua reaksi terbentuk asam lemon mengalami dehidrasi dengan pembentukan cis-aconitic asam, yang, dengan menambahkan molekul air, pergi ke asam isositrat(isositrat). Mengkatalisis reversibel ini reaksi hidrasi-dehidrasi enzim aconitate hydratase (aconitase). Akibatnya, terjadi pergerakan timbal balik antara H dan OH dalam molekul garam sitrat:

Ketiga reaksi sepertinya membatasi kecepatan Siklus Krebs. asam isositrat terdehidrogenasi dengan adanya iso-citrate dehydrogenase yang bergantung pada NAD.

Selama dehidrogenase isositrat reaksi asam isositrat dekarboksilasi secara bersamaan. Isocitrate dehydrogenase yang bergantung pada NAD bersifat alosterik enzim, yang secara spesifik penggerak diperlukan ADP. Di samping itu, enzim untuk mengekspresikan aktivitas perlu ion Mg2+ atau Mn2+ .

Selama keempat reaksi dekarboksilasi oksidatif dari -ketoglutarat asam dengan pembentukan senyawa berenergi tinggi suksinil-KoA. Mekanisme ini reaksi mirip dengan itu reaksi oksidatif dekarboksilasi piruvat menjadi asetil-KoA, kompleks -ketoglutarat dehidrogenase menyerupai kompleks piruvat dehidrogenase dalam strukturnya. Baik dalam satu kasus maupun kasus lainnya, reaksi ambil bagian 5 koenzim: TPP, amida asam lipoat, HS-KoA, FAD dan NAD+.

Kelima reaksi dikatalisasi enzim suksinil-KoA-sintetase. Selama ini reaksi suksinil-CoA dengan partisipasi GTP dan fosfat anorganik berubah menjadi asam suksinat (suksinat). Pada saat yang sama, pembentukan ikatan fosfat berenergi tinggi dari GTP terjadi karena ikatan tioeter berenergi tinggi dari suksinil-KoA:

Akibatnya, yang keenam reaksi suksinat dehidrasi menjadi asam fumarat. Oksidasi suksinat dikatalisasi suksinat dehidrogenase, di molekul yang sejak protein terikat kuat (kovalen) koenzim MODE. Pada gilirannya suksinat dehidrogenase sangat terkait dengan mitokondria internal selaput:

ketujuh reaksi dilakukan di bawah pengaruh enzim hidratase fumarat ( fumarase). Dibentuk pada saat yang sama asam fumarat terhidrasi, produk reaksi adalah asam apel(malat). Perlu dicatat bahwa fumarat hidratase memiliki stereospesifisitas(lihat bab 4) – selama reaksi L-apel terbentuk AC id:

Akhirnya, selama kedelapan reaksi siklus asam trikarboksilat di bawah pengaruh mitokondria yang bergantung pada NAD malat dehidrogenase sedang terjadi oksidasi L-malat menjadi oksaloasetat:

Seperti yang dapat dilihat, dalam satu putaran siklus, terdiri dari delapan enzimatik reaksi, menyelesaikan oksidasi("pembakaran") dari satu molekul asetil-KoA. Untuk operasi siklus yang berkelanjutan, pasokan asetil-KoA yang konstan ke sistem diperlukan, dan koenzim(NAD + dan FAD), yang telah melewati keadaan tereduksi, harus dioksidasi berulang kali. Ini oksidasi dilakukan dalam sistem pembawa elektron di rantai pernapasan(di rantai pernapasan enzim) terlokalisasi di selaput mitokondria. FADH 2 yang dihasilkan sangat terkait dengan SDH, sehingga mentransmisikan atom hidrogen melalui KoQ. dirilis sebagai hasilnya oksidasi Energi asetil-KoA sebagian besar terkonsentrasi pada ikatan fosfat makroergik ATP. Dari 4 uap atom hidrogen 3 pasangan mentransfer NADH ke sistem transportasi elektron; sambil mengandalkan masing-masing pasangan dalam sistem biologis oksidasi terbentuk 3 molekul ATP(selama terkonjugasi ), dan secara total, oleh karena itu, 9 molekul ATP(lihat bab 9). Satu pasangan atom dari suksinat dehidrogenase-FADH 2 memasuki sistem transportasi elektron melalui KoQ, menghasilkan hanya 2 molekul ATP. Selama Siklus Krebs satu juga disintesis molekul GTP (substrat fosforilasi), yang setara dengan satu molekul ATP. Jadi, di oksidasi satu molekul asetil-KoA dalam Siklus Krebs dan sistem fosforilasi oksidatif dapat membentuk 12 molekul ATP.

Jika kita menghitung efek energi total dari pembelahan glikolitik glukosa dan selanjutnya oksidasi dua muncul molekul piruvat menjadi CO 2 dan H 2 O, maka akan jauh lebih besar.

Seperti yang dicatat, satu molekul NADH (3 molekul ATP) terbentuk selama oksidatif dekarboksilasi piruvat menjadi asetil-KoA. Saat membelah satu molekul glukosa terbentuk 2 molekul piruvat, dan oksidasi sampai 2 molekul asetil-KoA dan 2 putaran berikutnya siklus asam trikarboksilat disintesis 30 molekul ATP(karena itu, oksidasi molekul piruvat menjadi CO 2 dan H 2 O menghasilkan 15 molekul ATP). Untuk nomor ini harus ditambahkan 2 molekul ATP terbentuk selama aerobik glikolisis, dan 6 molekul ATP, disintesis oleh oksidasi 2 molekul NADH ekstramitokondria, yang terbentuk selama oksidasi 2 molekul gliseraldehida-3-fosfat dalam dehidrogenase reaksi glikolisis. Oleh karena itu, ketika membelah menjadi tisu satu molekul glukosa menurut persamaan C 6 H 12 O 6 + 6O 2 -> 6CO 2 + 6H 2 O, 38 disintesis molekul ATP. Tidak diragukan lagi, dalam hal energi, pemisahan lengkap glukosa adalah proses yang lebih efisien daripada anaerobik glikolisis.

Perlu dicatat bahwa 2 molekul NADH di masa depan dengan oksidasi bisa memberi tidak 6 molekul ATP, tetapi hanya 4. Faktanya adalah mereka sendiri molekul NADH ekstramitokondria tidak mampu menembus selaput dalam mitokondria. Namun, mereka memberi elektron dapat dimasukkan dalam rantai mitokondria biologis oksidasi menggunakan apa yang disebut mekanisme antar-jemput gliserol fosfat (Gbr. 10.10). NADH sitoplasma pertama kali bereaksi dengan dihidroksiaseton fosfat sitoplasma untuk membentuk gliserol-3-fosfat. Reaksi katalisis

Beras. 10.10. Mekanisme antar-jemput gliserol fosfat. Penjelasan dalam teks.

dikendalikan oleh gliserol-3-fosfat dehidrogenase sitoplasma yang bergantung pada NAD:

Dihidroksiaseton fosfat + NADH + H +<=>Gliserol-3-fosfat + NAD +.

Gliserol-3-fosfat yang dihasilkan dengan mudah menembus melalui mitokondria selaput. Dalam mitokondria lain (mitokondria) gliserol-3-fosfat dehidrogenase (flavin enzim) mengoksidasi gliserol-3-fosfat lagi menjadi dihidroksiaseton fosfat:

Gliserol-3-fosfat + FAD<=>Dihidroksiaseton fosfat + FADH2.

pulih flavoprotein(enzim-FADH 2) diperkenalkan pada tingkat KoQ yang diperolehnya elektron ke dalam rantai biologis oksidasi dan terkait dengannya fosforilasi oksidatif, dan dihidroksiaseton fosfat keluar dari mitokondria di sitoplasma dan dapat kembali berinteraksi dengan NADH + H + sitoplasma. Dengan demikian, pasangan elektron(dari satu molekul sitoplasma NADH + H +), dimasukkan ke dalam rantai pernapasan menggunakan mekanisme antar-jemput gliserol fosfat, memberikan bukan 3, tetapi 2 ATP.

Beras. 10.11. Sistem antar-jemput malat-aspartat untuk transfer ekuivalen pereduksi dari NADH sitosol ke matriks mitokondria. Penjelasan dalam teks.

Selanjutnya, ditunjukkan bahwa mekanisme antar-jemput ini hanya digunakan di otot rangka dan otak untuk mentransfer ekuivalen tereduksi dari NADH + H + sitosol ke mitokondria.

PADA sel hati, ginjal dan jantung, sistem antar-jemput malat-sebagai-partat yang lebih kompleks beroperasi. Pengoperasian mekanisme antar-jemput seperti itu menjadi mungkin karena kehadiran malat dehidrogenase dan aspartat aminotransferase baik di sitosol maupun di mitokondria.

Ditemukan bahwa dari NADH + H + sitosolik tereduksi, pertama dengan partisipasi enzim malat dehidrogenase(Gbr. 10.11) ditransfer ke oksaloasetat sitosol. Akibatnya, malat terbentuk, yang, dengan bantuan sistem yang mengangkut asam dikarboksilat, melewati bagian dalam selaput mitokondria ke dalam matriks. Di sini, malat dioksidasi menjadi oksaloasetat, dan matriks NAD + direduksi menjadi NADH + H + , yang sekarang dapat mentransfer elektron di rantai pernapasan enzim, terlokalisasi di bagian dalam selaput mitokondria. Pada gilirannya, oksaloasetat yang dihasilkan dengan adanya glutamat dan enzim ASAT masuk ke reaksi transaminasi. Aspartat dan -ketoglutarat yang dihasilkan, dengan bantuan sistem transportasi khusus, dapat melewati selaput mitokondria.

Transportasi di sitosol meregenerasi oksaloasetat, yang memicu siklus berikutnya. Secara umum, prosesnya termasuk mudah reversibel reaksi, terjadi tanpa konsumsi energi, "kekuatan pendorong" adalah konstan pemulihan NAD + di sitosol oleh gliseraldehida-3-fosfat, yang terbentuk selama katabolisme glukosa.

Jadi, jika mekanisme malat-aspartat berfungsi, maka sebagai akibat dari oksidasi satu molekul glukosa mungkin bukan 36, tapi 38 molekul ATP(Tabel 10.1).

Di meja. 10.1 diberikan reaksi, di mana pembentukan ikatan fosfat berenergi tinggi terjadi selama katabolisme glukosa, menunjukkan efisiensi proses dalam kondisi aerobik dan anaerobik

Kementerian Pendidikan Federasi Rusia

Universitas Teknik Negeri Samara

Departemen Kimia Organik

Abstrak dengan topik:

"SIKLUS ASAM TRICABOXIC (SIKLUS KREBS)"

Diisi oleh siswa: III - NTF - 11

Eroshkina N.V.

Diperiksa.

Proses fermentasi anaerobik berfungsi sebagai sumber energi utama bagi semua makhluk hidup pada masa ketika tidak ada oksigen di atmosfer bumi. Penampilannya secara fundamental membuka kemungkinan baru untuk memperoleh energi. Oksigen adalah agen pengoksidasi yang baik, dan ketika zat organik dioksidasi, energi yang dilepaskan sepuluh kali lebih banyak daripada selama fermentasi. Jadi, selama oksidasi glukosa C 6 H 12 O 6 + 6O 2 → 6H 2 O + 6CO 2, 686 kkal per mol dilepaskan, sedangkan pada reaksi fermentasi asam laktat hanya 47 kkal per mol.

Secara alami, sel-sel mulai menggunakan peluang yang telah terbuka. Sintesis ATP dalam kondisi aerobik jauh lebih efisien daripada sintesis anaerobik: jika 2 molekul ATP terbentuk selama penggunaan 1 molekul glukosa selama fermentasi, maka selama fosforilasi oksidatif - sekitar 30 (menurut data lama - 38). Kita akan berbicara lebih banyak tentang keseimbangan energi dalam Pelajaran 12.

Berbagai zat organik mengalami transformasi oksidatif - metabolit perantara dari metabolisme asam amino, gula, asam lemak, dll. Tidak masuk akal untuk membuat jalur metabolisme sendiri untuk masing-masing zat tersebut. Jauh lebih mudah untuk mengoksidasi semua zat ini terlebih dahulu dengan satu, zat pengoksidasi terpadu, dan kemudian mengoksidasi bentuk tereduksi yang dihasilkan dari "zat pengoksidasi universal" dengan oksigen. Nicotinamide adenine dinucleotide, NAD, digunakan sebagai zat antara redoks universal di dalam sel; kita sudah membicarakan senyawa ini dalam pelajaran 10. Seperti yang ditunjukkan dalam pelajaran 10, zat ini dapat ada dalam dua bentuk: NAD+ teroksidasi dan NADH tereduksi. Transformasi bentuk pertama menjadi bentuk kedua membutuhkan suplai dua elektron dan satu ion H +.

Sistem memainkan peran antar-jemput redoks yang mentransfer elektron dari berbagai zat organik ke oksigen: pada tahap pertama, NAD + mengambil elektron dari zat organik, mengoksidasinya akhirnya menjadi CO 2 dan H 2 O (tentu saja, tidak dalam satu tahap, tetapi melalui banyak koneksi perantara); pada tahap kedua, oksigen mengoksidasi NADH yang terbentuk selama tahap pertama dan mengembalikannya kembali ke keadaan teroksidasi.

Jadi, dalam bentuk paling umum, himpunan reaksi penguraian berbagai zat dalam kondisi aerobik (yaitu, dengan adanya oksigen) dapat direpresentasikan sebagai berikut:

1)	senyawa organik +
2)

Reaksi tahap pertama berlangsung baik di sitoplasma atau di mitokondria, sedangkan reaksi tahap kedua hanya terjadi di mitokondria. Dalam pelajaran ini, kita hanya akan mempertimbangkan reaksi kelompok pertama, reaksi kelompok kedua akan dipelajari dalam pelajaran ke-12.

Ada koenzim lain dalam sel - FAD (flavin adenine dinucleotide) - yang juga berfungsi sebagai antar-jemput redoks, tetapi digunakan dalam reaksi yang lebih sedikit daripada NAD; itu disintesis dari vitamin B2 - riboflavin.

Mari kita lihat jalur metabolisme spesifik - konversi oksidatif glukosa dan asam lemak. Glikolisis aerobik dimulai dengan reaksi yang sama seperti glikolisis anaerobik yang telah kita bahas (lihat pelajaran 10). Namun, tahap akhir dari proses akan berjalan secara berbeda. Saat melakukan glikolisis anaerobik, sel menghadapi masalah: apa yang harus dilakukan dengan NADH tereduksi, yang terbentuk selama reaksi gliseraldehida-3-fosfat dehidrogenase? Jika tidak dioksidasi kembali menjadi NAD +, maka proses akan cepat berhenti, oleh karena itu, dalam glikolisis anaerobik, reaksi terakhir - laktat dehidrogenase - hanya berfungsi untuk mengembalikan koenzim ini ke bentuk aslinya. Dalam kondisi aerobik, tidak ada masalah seperti itu. Sebaliknya, NAD∙H berfungsi sebagai sumber energi paling berharga dalam metabolisme oksigen - sistem pembawa khusus mengirimkannya dari sitosol ke mitokondria, di mana ia dioksidasi, dan ATP disintesis karena energi ini.

Ketika glikolisis terjadi dalam kondisi aerobik, asam piruvat tidak akan direduksi, tetapi akan diangkut ke mitokondria dan dioksidasi. Pertama, ia akan berubah menjadi residu asam asetat, asetil, yang terikat secara kovalen pada koenzim khusus - yang disebut koenzim A.

Reaksi ireversibel ini dilakukan oleh enzim piruvat dehidrogenase mitokondria, yang mengoksidasi asam piruvat menjadi asetil koenzim A dengan pelepasan karbon dioksida. Enzim ini mengandung beberapa koenzim yang diperlukan untuk kerjanya: tiamin pirofosfat (terbentuk dari vitamin B 1 - tiamin), asam lipoat (kadang-kadang digunakan sebagai suplemen makanan yang meningkatkan kesehatan) dan FAD (kami sudah menulisnya di atas). Ini adalah protein yang sangat kompleks, terdiri dari banyak subunit, berat molekulnya beberapa juta dalton.

Koenzim A, yang melekat pada residu asetil, disintesis dari asam pantotenat, yang juga merupakan vitamin (vitamin B 5). Asetil-koenzim A adalah makroerg yang kaya energi seperti ATP (lihat pelajaran 9).

Piruvat dehidrogenase memainkan peran penting dalam regulasi katabolisme glukosa aerobik. Enzim ini dihambat oleh NADH dan asetil-KoA, produk akhirnya, dengan cara umpan balik negatif. Regulasi dilakukan dengan menggunakan mekanisme yang kompleks, termasuk modifikasi alosterik dan kovalen protein ini. Enzim ini juga dihambat oleh asam lemak. Asam lemak adalah sumber energi yang lebih kalori, dan selain itu, mereka kurang berharga untuk melakukan proses sintetis di dalam sel, oleh karena itu, dengan adanya glukosa (bagaimanapun, piruvat terbentuk darinya) dan asam lemak, itu disarankan untuk mengoksidasi asam lemak terlebih dahulu.

Kemudian asetil-koenzim A akan dioksidasi menjadi CO 2 dan H 2 O dalam proses yang disebut siklus Krebs (untuk menghormati G. Krebs, yang pertama kali mendeskripsikannya pada tahun 1937).

Peran utama siklus Krebs dalam metabolisme energi sel adalah untuk memperoleh koenzim tereduksi NAD∙H dan FAD∙H 2, yang kemudian akan dioksidasi oleh oksigen untuk mensintesis ATP dari ADP dan fosfat (kita akan mempertimbangkan proses ini dalam pelajaran 12). Pemulihan koenzim dicapai dengan oksidasi lengkap residu asam asetat menjadi CO2 dan H2O.

Siklus dimulai dengan transfer residu asam asetat dari asetil-KoA ke asam oksaloasetat (dalam lingkungan netral, ini adalah ion oksaloasetat), akibatnya asam sitrat (lebih tepatnya, ion sitrat) terbentuk, dan koenzim A dilepaskan. Reaksi ini dikatalisis oleh enzim sitrat sintase dan bersifat ireversibel.

Asam organik yang terlibat dalam tahap ini memiliki tiga gugus karboksil, kadang-kadang seluruh siklus disebut "siklus asam trikarboksilat", tetapi nama ini sangat disayangkan - sudah pada tahap berikutnya satu gugus karboksil hilang. Oleh karena itu, siklus ini sering disebut sebagai "siklus asam trikarboksilat dan dikarboksilat".

Dalam kedua kasus, karbon dioksida dilepaskan, zat pengoksidasi NAD + direduksi menjadi NAD H, dan residu asam yang dipersingkat ditambahkan ke koenzim A selama reaksi A. Reaksi -ketoglutarat dehidrogenase sama ireversibelnya dengan piruvat dehidrogenase reaksi, dan enzim yang mengkatalisisnya mengandung koenzim yang sama.

Produk reaksi suksinil-koenzim A sama kaya energinya dengan asetil-koenzim A. Adalah bodoh untuk membuang energi ini menjadi panas, dan sel tidak mengizinkan limbah seperti itu. Suksinil-KoA tidak hanya dihidrolisis menjadi asam suksinat (lebih tepatnya, ion suksinat) dan koenzim A, selama reaksi ini, GTP disintesis dari GDP dan fosfat, dan GTP sama makroergiknya dengan ATP.

Asam suksinat mengalami oksidasi lebih lanjut. Namun, agen pengoksidasinya bukanlah NAD + biasa, tetapi koenzim lain - FAD. Alam menggunakan koenzim khusus ini sama sekali tidak untuk meracuni kehidupan siswa dan anak sekolah yang mempelajari siklus Krebs. Faktanya adalah bahwa dalam asam suksinat, gugus yang sangat lembam -CH 2 -CH 2 - mengalami oksidasi. Ingat jalannya kimia organik - alkana, secara umum, sedikit reaktif dibandingkan dengan alkohol dan aldehida, jauh lebih sulit untuk mengoksidasinya. Di sini juga, sel dipaksa untuk menggunakan oksidan flavin yang lebih kuat, dan bukan nikotinamida biasa. Pada saat yang sama, asam suksinat berubah menjadi asam fumarat, reaksi dipercepat oleh enzim suksinat dehidrogenase.

Reaksi terakhir dari siklus adalah oksidasi asam malat menjadi asam oksaloasetat, NAD + yang terkenal berfungsi sebagai zat pengoksidasi, dan reaksi dikatalisis oleh enzim malat dehidrogenase.

NADH dan FAD∙H 2 yang dihasilkan kemudian dioksidasi di mitokondria, menyediakan energi untuk sintesis ATP. Siklus Krebs juga menghasilkan 1 molekul GTP, senyawa kaya energi yang mampu mentransfer residu fosfat ke ADP dan membentuk ATP. Molekul asam oksaloasetat meninggalkan siklus tanpa perubahan apa pun - ia berfungsi sebagai katalis untuk oksidasi asetil koenzim A, dan kembali ke keadaan semula pada akhir setiap putaran siklus. Enzim siklus Krebs terletak di matriks mitokondria (kecuali untuk suksinat dehidrogenase, terletak di membran mitokondria bagian dalam).

Dalam siklus Krebs, beberapa enzim diatur sekaligus. Isositrat dehidrogenase dihambat oleh NADH, produk akhir siklus, dan diaktifkan oleh ADP, suatu zat yang terbentuk selama pengeluaran energi. Reversibilitas reaksi malat dehidrogenase juga memainkan peran penting dalam regulasi siklus. Pada konsentrasi tinggi NAD∙H, reaksi ini berlangsung dari kanan ke kiri, menuju pembentukan malat. Akibatnya, konsentrasi oksaloasetat turun, dan laju reaksi sitrat sintase menurun. Malat yang dihasilkan dapat digunakan dalam proses metabolisme lainnya. Sitrat sintase juga dihambat secara alosterik oleh ATP. Aktivitas -ketoglutarat dehidrogenase juga diatur.

Siklus Krebs terlibat dalam transformasi oksidatif tidak hanya glukosa, tetapi juga asam lemak dan asam amino. Setelah penetrasi melalui membran luar, asam lemak pertama kali diaktifkan di sitoplasma dengan penambahan koenzim A, sementara dua ikatan makroergik ATP dikonsumsi:

R–COOH + HS–KoA + ATP = R–CO–S–KoA + AMP + P–P.

Pirofosfat segera dipecah oleh enzim pirofosfatase, menggeser kesetimbangan reaksi ke kanan.

Asil-koenzim A kemudian ditransfer ke mitokondria.

Dalam organel ini, sistem enzimatik yang disebut -oksidasi asam lemak beroperasi. Proses -oksidasi berlangsung secara bertahap. Pada setiap tahap, fragmen dua karbon dalam bentuk asetil koenzim A dipecah dari asam lemak, dan NAD + direduksi menjadi NAD H dan FAD menjadi FAD H 2 .

Selama reaksi pertama, gugus -CH 2 -CH 2 - yang terletak di dekat atom karbon karbonil, teroksidasi. Seperti dalam kasus oksidasi suksinat dalam siklus Krebs, FAD berfungsi sebagai agen pengoksidasi. Kemudian (reaksi kedua) ikatan rangkap dari senyawa tak jenuh yang terbentuk dihidrasi, sedangkan atom karbon ketiga menjadi terhidroksilasi - asam -hidroksi terbentuk melekat pada koenzim A. Selama reaksi ketiga, gugus alkohol ini dioksidasi menjadi keto kelompok, NAD + digunakan sebagai agen pengoksidasi. Akhirnya, molekul lain dari koenzim A bereaksi dengan menghasilkan -ketoasil koenzim A. Akibatnya, asetil koenzim A terputus, dan asil-KoA diperpendek oleh dua atom karbon. Sekarang proses siklik akan dilanjutkan pada putaran kedua, residu asam lemak akan dipersingkat oleh satu asetil-KoA lagi, dan seterusnya sampai asam lemak terurai sempurna. Dari empat reaksi -oksidasi, hanya yang pertama yang ireversibel, sisanya reversibel, perjalanannya dari kiri ke kanan dipastikan oleh keluaran produk akhir yang konstan.

Secara total, -oksidasi palmitoil-koenzim A berlangsung menurut persamaan:

Asetil-KoA kemudian memasuki siklus Krebs. NADH dan FAD∙H 2 dioksidasi di mitokondria, menyediakan energi untuk sintesis ATP.

Katabolisme asam amino juga berlangsung melalui siklus Krebs. Asam amino yang berbeda memasuki siklus melalui jalur metabolisme yang berbeda, dan pertimbangan mereka terlalu rumit untuk kursus ini.

Siklus Krebs digunakan oleh sel tidak hanya untuk kebutuhan energi, tetapi juga untuk sintesis sejumlah zat yang dibutuhkannya. Ini adalah jalur metabolisme sentral dalam proses katabolik dan anabolik sel.

Hans Krebs sendiri pertama-tama secara teoritis menyarankan bahwa transformasi asam di- dan trikarboksilat berlangsung secara siklis, dan kemudian melakukan serangkaian eksperimen di mana ia menunjukkan interkonversi asam-asam ini dan kemampuannya untuk merangsang glikolisis aerobik. Namun, bukti kuat untuk aliran jalur metabolisme ini dengan cara ini, dan bukan sebaliknya, diperoleh dengan menggunakan eksperimen dengan pelabelan isotop.

Bayangkan Anda telah mengganti isotop alami biasa dengan isotop radioaktif dalam metabolit perantara tertentu dari siklus Krebs. Sekarang zat ini, seolah-olah, memiliki label radioaktif, dan ini memungkinkan untuk melacak nasibnya lebih lanjut. Senyawa berlabel seperti itu dapat ditambahkan ke ekstrak sel dan, setelah beberapa saat, lihat apa yang berubah menjadi. Untuk melakukan ini, Anda dapat memisahkan molekul kecil dari makromolekul (misalnya, dengan pengendapan yang terakhir) dan memisahkan campurannya menggunakan metode kromatografi (lihat pelajaran 8). Maka tinggal menentukan zat mana yang mengandung radioaktivitas. Misalnya, jika Anda menambahkan asam sitrat berlabel radioaktif ke dalam ekstrak, maka segera label tersebut akan ditemukan dalam asam cis-aconitic dan isocitric, dan setelah beberapa waktu dalam -ketoglutarat. Jika diberi label asam -ketoglutarat, maka label tersebut pertama-tama akan menjadi suksinil-koenzim A dan asam suksinat, kemudian menjadi asam fumarat. Jadi, dengan menambahkan berbagai zat berlabel radioaktif dan menentukan ke mana label radioaktif itu pergi, adalah mungkin untuk mengetahui urutan reaksi pada setiap tahap jalur metabolisme.

Radioaktivitas dapat ditentukan dengan berbagai cara. Cara termudah adalah untuk menerangi emulsi fotografi, karena radioaktivitas itu sendiri ditemukan oleh A. Becquerel justru karena kemampuan radiasi radioaktif untuk menerangi pelat fotografi. Misalnya, jika kita memisahkan campuran zat dengan kromatografi lapis tipis dan kita tahu di mana titik zat tertentu berada, maka kita cukup menempelkan pelat fotografi ke kromatogram kita. Kemudian bagian pelat fotografi yang bersentuhan dengan tempat yang mengandung radioaktivitas akan disinari. Tetap hanya untuk melihat zat mana yang fotoemulsi menyala di dekat bintik-bintik, dan orang dapat segera mengatakan bahwa ke dalam zat inilah label radioaktif dilewatkan.

Metode ini disebut autoradiografi . Ini dapat digunakan untuk mempelajari tidak hanya molekul kecil, tetapi juga yang besar - misalnya, dengan menambahkan uridin berlabel radioaktif ke sel hidup. Seperti yang kita katakan dalam pelajaran 7, nukleotida uridin adalah bagian dari RNA, jadi makromolekul ini akan segera diberi label radioaktif. Sekarang dimungkinkan untuk melacak lokasi dan transportasi RNA dalam sel. Untuk melakukan ini, Anda perlu memperbaiki sel sehingga makromolekul mengendap dan tidak hanyut selama prosedur lebih lanjut, mengisinya dengan emulsi fotografi dan setelah beberapa saat melihat melalui mikroskop, di mana area yang diterangi muncul.

Autoradiografi memungkinkan untuk secara langsung mengamati nasib molekul dalam sel. Namun, metode ini juga memiliki kelemahan - metode ini hanya memberikan karakteristik kualitatif dari keberadaan label radioaktif dan tidak memungkinkan untuk mengukurnya secara kuantitatif. Untuk pengukuran kuantitatif yang tepat, metode yang berbeda digunakan. Partikel yang dipancarkan dari isotop radioaktif menyebabkan pancaran zat khusus - sintilator. Intensitas cahaya ini dapat diukur secara akurat menggunakan perangkat khusus - penghitung kilau. Dengan mengukur pancaran secara akurat, kita dapat secara akurat menentukan jumlah isotop radioaktif. Namun, penggunaan pencacah kilau hanya mengukur jumlah total isotop radioaktif dalam sampel. Jika kita membanjiri suspensi sel dengan larutan sintilator, kita dapat menentukan jumlah total senyawa radioaktif, tetapi tidak distribusinya pada organel. Untuk melakukan ini, kita harus mengisolasi organel sel individu dan mengukur radioaktivitas di dalamnya.

Biasanya dalam penelitian biokimia digunakan isotop seperti tritium 3 H, karbon 14 C, fosfor 32 P dan belerang 35 S.

Sebagian besar energi kimia karbon dilepaskan dalam kondisi aerobik dengan partisipasi oksigen. Siklus Krebs juga disebut siklus asam sitrat, atau respirasi seluler. Banyak ilmuwan mengambil bagian dalam menguraikan reaksi individu dari proses ini: A. Szent-Gyorgyi, A. Lehninger, X. Krebs, setelah siapa siklus ini dinamai, S. E. Severin dan lainnya.

Ada korelasi erat antara pencernaan karbohidrat anaerobik dan aerobik. Pertama-tama, itu diekspresikan dengan adanya asam piruvat, yang menyelesaikan pemecahan karbohidrat secara anaerobik dan memulai respirasi seluler (siklus Krebs). Kedua fase dikatalisis oleh enzim yang sama. Energi kimia dilepaskan selama fosforilasi dan disimpan dalam bentuk makroerg ATP. Koenzim yang sama (NAD, NADP) dan kation berpartisipasi dalam reaksi kimia. Perbedaannya adalah sebagai berikut: jika pencernaan anaerobik karbohidrat sebagian besar terlokalisasi di hyaloplasma, maka reaksi respirasi seluler terjadi terutama di mitokondria.

Dalam kondisi tertentu, antagonisme diamati antara dua fase. Jadi, dengan adanya oksigen, glikolisis menurun tajam (efek Pasteur). Produk glikolisis dapat menghambat metabolisme aerobik karbohidrat (efek Crabtree).

Siklus Krebs memiliki sejumlah reaksi kimia, sebagai akibatnya produk pemecahan karbohidrat dioksidasi menjadi karbon dioksida dan air, dan energi kimia terakumulasi dalam senyawa makroergik. Selama pembentukan "pembawa" - asam oksaloasetat (SOC). Selanjutnya, kondensasi terjadi dengan "pembawa" residu asam asetat yang diaktifkan. Ada asam trikarboksilat - sitrat. Selama reaksi kimia, ada "pergantian" residu asam asetat dalam siklus. Dari setiap molekul asam piruvat, terbentuk delapan belas molekul adenosin trifosfat. Pada akhir siklus, "pembawa" dilepaskan, yang bereaksi dengan molekul baru dari residu asam asetat yang diaktifkan.

Siklus Krebs: reaksi

Jika produk akhir dari pencernaan anaerobik karbohidrat adalah asam laktat, maka di bawah pengaruh laktat dehidrogenase dioksidasi menjadi asam piruvat. Bagian dari molekul asam piruvat digunakan untuk sintesis "pembawa" BJC di bawah pengaruh enzim piruvat karboksilase dan dengan adanya ion Mg2 +. Bagian dari molekul asam piruvat adalah sumber pembentukan "asetat aktif" - asetilkoenzim A (asetil-KoA). Reaksi dilakukan di bawah pengaruh piruvat dehidrogenase. Asetil-KoA mengandung yang mengakumulasi sekitar 5-7% energi. Massa utama energi kimia terbentuk sebagai hasil dari oksidasi "asetat aktif".

Di bawah pengaruh sitrat sintetase, siklus Krebs itu sendiri mulai berfungsi, yang mengarah pada pembentukan asam sitrat. Asam ini, di bawah pengaruh aconitate hydratase, mengalami dehidrasi dan berubah menjadi asam cis-aconitic, yang, setelah penambahan molekul air, menjadi isocitric. Kesetimbangan dinamis terbentuk antara tiga asam trikarboksilat.

Asam isositrat dioksidasi menjadi asam oksalosuksinat, yang didekarboksilasi dan diubah menjadi asam alfa-ketoglutarat. Reaksi dikatalisis oleh enzim isositrat dehidrogenase. Asam alfa-ketoglutarat, di bawah pengaruh enzim 2-okso-(alfa-keto)-glutarat dehidrogenase, mengalami dekarboksilasi, menghasilkan pembentukan suksinil-KoA yang mengandung ikatan makroergik.

Pada tahap berikutnya, suksinil-KoA, di bawah aksi enzim suksinil-KoA sintetase, mentransfer ikatan makroergik ke GDP (asam guanosin difosfat). GTP (asam guanosin trifosfat) di bawah pengaruh enzim GTP-adenylate kinase memberikan ikatan makroergik ke AMP (asam adenosin monofosfat). Siklus Krebs: rumus - GTP + AMP - GDP + ADP.

Di bawah pengaruh enzim suksinat dehidrogenase (SDH) dioksidasi menjadi fumarat. Koenzim SDH adalah flavin adenin dinukleotida. Fumarat, di bawah pengaruh enzim fumarat hidratase, diubah menjadi asam malat, yang pada gilirannya dioksidasi, membentuk BOC. Dengan adanya asetil-KoA dalam sistem reaksi, BFA kembali dimasukkan dalam siklus asam trikarboksilat.

Jadi, hingga 38 molekul ATP terbentuk dari satu molekul glukosa (dua - karena glikolisis anaerob, enam - sebagai akibat dari oksidasi dua molekul NAD H + H +, yang terbentuk selama oksidasi glikolitik, dan 30 - karena TCA). Efisiensi CTC adalah 0,5. Sisa energi dihamburkan sebagai panas. Di TCA, 16-33% asam laktat dioksidasi, sisa massanya digunakan untuk resintesis glikogen.

Siklus asam trikarboksilat juga dikenal sebagai siklus Krebs, karena keberadaan siklus tersebut diusulkan oleh Hans Krebs pada tahun 1937.
Untuk ini, 16 tahun kemudian, ia dianugerahi Hadiah Nobel dalam Fisiologi atau Kedokteran. Jadi, penemuannya sangat signifikan. Apa arti dari siklus ini dan mengapa begitu penting?

Apa pun yang dikatakan orang, Anda masih harus memulai cukup jauh. Jika Anda mulai membaca artikel ini, maka setidaknya dari desas-desus Anda tahu bahwa sumber energi utama untuk sel adalah glukosa. Itu selalu hadir dalam darah dalam konsentrasi yang hampir tidak berubah - untuk ini ada mekanisme khusus yang menyimpan atau melepaskan glukosa.

Di dalam setiap sel terdapat mitokondria - organel terpisah ("organ" sel) yang memproses glukosa untuk mendapatkan sumber energi intraseluler - ATP. ATP (asam adenosin trifosfat) serbaguna dan sangat nyaman untuk digunakan sebagai sumber energi: itu terintegrasi langsung ke dalam protein, memberi mereka energi. Contoh paling sederhana adalah protein myosin, berkat otot mana yang dapat berkontraksi.

Glukosa tidak dapat diubah menjadi ATP, meskipun mengandung sejumlah besar energi. Bagaimana cara mengekstrak energi ini dan mengarahkannya ke arah yang benar tanpa menggunakan cara barbar (menurut standar seluler) seperti membakar? Penting untuk menggunakan solusi, karena enzim (katalis protein) memungkinkan beberapa reaksi berlangsung lebih cepat dan lebih efisien.

Langkah pertama adalah konversi molekul glukosa menjadi dua molekul piruvat (asam piruvat) atau laktat (asam laktat). Dalam hal ini, sebagian kecil (sekitar 5%) energi yang tersimpan dalam molekul glukosa dilepaskan. Laktat diproduksi oleh oksidasi anaerobik - yaitu, tanpa adanya oksigen. Ada juga cara untuk mengubah glukosa dalam kondisi anaerobik menjadi dua molekul etanol dan karbon dioksida. Ini disebut fermentasi, dan kami tidak akan mempertimbangkan metode ini.


...Sama seperti kita tidak akan membahas secara rinci mekanisme glikolisis itu sendiri, yaitu pemecahan glukosa menjadi piruvat. Karena, mengutip Leinger, "Konversi glukosa menjadi piruvat dikatalisis oleh sepuluh enzim yang bekerja secara berurutan." Mereka yang ingin dapat membuka buku teks tentang biokimia dan berkenalan secara rinci dengan semua tahapan proses - telah dipelajari dengan sangat baik.

Tampaknya jalur dari piruvat ke karbon dioksida seharusnya cukup sederhana. Namun ternyata hal itu dilakukan melalui proses sembilan tahap, yang disebut siklus asam trikarboksilat. Kontradiksi yang tampak dengan prinsip ekonomi (tidak bisakah lebih sederhana?) sebagian disebabkan oleh fakta bahwa siklus menghubungkan beberapa jalur metabolisme: zat yang terbentuk dalam siklus adalah prekursor molekul lain yang tidak lagi terkait dengan respirasi ( misalnya, asam amino), dan senyawa lain yang akan dibuang akan berakhir dalam siklus dan "dibakar" untuk energi atau didaur ulang menjadi senyawa yang persediaannya terbatas.

Langkah pertama yang secara tradisional dipertimbangkan dalam kaitannya dengan siklus Krebs adalah dekarboksilasi oksidatif piruvat menjadi residu asetil (Acetyl-CoA). CoA, jika ada yang tidak tahu, adalah koenzim A, yang memiliki gugus tiol dalam komposisinya, yang dapat membawa residu asetil.


Pemecahan lemak juga menyebabkan asetil, yang juga memasuki siklus Krebs. (Mereka disintesis dengan cara yang sama - dari Asetil-KoA, yang menjelaskan fakta bahwa hanya asam dengan jumlah atom karbon genap yang hampir selalu ada dalam lemak).

Asetil-KoA mengembun dengan oksaloasetat menghasilkan sitrat. Ini melepaskan koenzim A dan molekul air. Tahap ini tidak dapat diubah.

Sitrat didehidrogenasi menjadi cis-akonitat, asam trikarboksilat kedua dalam siklus tersebut.

Cis-aconitat menempel kembali molekul air, berubah menjadi asam isositrat. Tahap ini dan tahap sebelumnya dapat dibalik. (Enzim mengkatalisis reaksi maju dan mundur - Anda tahu, kan?)

Asam isositrat didekarboksilasi (ireversibel) dan secara bersamaan dioksidasi untuk menghasilkan asam ketoglutarat. Pada saat yang sama, NAD +, pulih, berubah menjadi NADH.

Langkah selanjutnya adalah dekarboksilasi oksidatif. Tetapi dalam kasus ini, bukan suksinat yang terbentuk, tetapi suksinil-KoA, yang dihidrolisis pada tahap berikutnya, mengarahkan energi yang dilepaskan ke sintesis ATP.

Ini menghasilkan molekul NADH lain dan molekul FADH2 (koenzim selain NAD, yang, bagaimanapun, juga dapat dioksidasi dan direduksi, menyimpan dan melepaskan energi).

Ternyata oksaloasetat berfungsi sebagai katalis - tidak menumpuk dan tidak dikonsumsi dalam prosesnya. Jadi - konsentrasi oksaloasetat dalam mitokondria dipertahankan cukup rendah. Tetapi bagaimana menghindari akumulasi produk lain, bagaimana mengoordinasikan kedelapan tahap siklus?

Untuk ini, ternyata, ada mekanisme khusus - semacam umpan balik negatif. Segera setelah konsentrasi produk tertentu naik di atas norma, ini menghalangi kerja enzim yang bertanggung jawab untuk sintesisnya. Dan untuk reaksi reversibel, bahkan lebih sederhana: ketika konsentrasi produk terlampaui, reaksi mulai berjalan ke arah yang berlawanan.

Dan beberapa komentar kecil

Semua orang tahu bahwa agar berfungsi dengan baik, tubuh membutuhkan asupan teratur sejumlah nutrisi yang dibutuhkan untuk metabolisme yang sehat dan, karenanya, keseimbangan proses produksi dan pengeluaran energi. Proses produksi energi, seperti yang Anda ketahui, terjadi di mitokondria, yang, berkat fitur ini, disebut pusat energi sel. Dan urutan reaksi kimia yang memungkinkan Anda mendapatkan energi untuk kerja setiap sel tubuh disebut siklus Krebs.

Siklus Krebs - keajaiban yang terjadi di mitokondria

Energi yang diterima melalui siklus Krebs (juga TCA - siklus asam trikarboksilat) digunakan untuk kebutuhan sel individu, yang pada gilirannya membentuk berbagai jaringan dan, karenanya, organ dan sistem tubuh kita. Karena tubuh tidak bisa hidup tanpa energi, mitokondria terus bekerja untuk terus memasok sel dengan energi yang mereka butuhkan.

Adenosin trifosfat (ATP) - senyawa inilah yang merupakan sumber energi universal yang diperlukan untuk aliran semua proses biokimia dalam tubuh kita.

TCA adalah jalur metabolisme pusat, sebagai akibatnya oksidasi metabolit selesai:

• asam lemak;
• asam amino;
• monosakarida.

Dalam proses peluruhan aerobik, biomolekul ini dipecah menjadi molekul yang lebih kecil yang digunakan untuk energi atau sintesis molekul baru.

Siklus asam trikarboksilat terdiri dari 8 tahap, yaitu reaksi:

1. Pembentukan asam sitrat:

2. Pembentukan asam isositrat:

3. Dehidrogenasi dan dekarboksilasi langsung asam isositrat.

4. Dekarboksilasi oksidatif asam -ketoglutarat

5. Fosforilasi substrat

6. Dehidrogenasi asam suksinat oleh suksinat dehidrogenase

7. Pembentukan asam malat oleh enzim fumarase

8. Pembentukan oksalasetat

Jadi, setelah selesainya reaksi yang membentuk siklus Krebs:

• satu molekul asetil-KoA (terbentuk sebagai hasil pemecahan glukosa) dioksidasi menjadi dua molekul karbon dioksida;
• tiga molekul NAD direduksi menjadi NADH;
• satu molekul FAD direduksi menjadi FADH2;
• satu molekul GTP (setara dengan ATP) diproduksi.

Molekul NADH dan FADH2 bertindak sebagai pembawa elektron dan digunakan untuk menghasilkan ATP pada langkah selanjutnya dalam metabolisme glukosa, fosforilasi oksidatif.

Fungsi siklus Krebs:

• katabolik (oksidasi residu asetil dari molekul bahan bakar menjadi produk akhir metabolisme);
• anabolik (substrat siklus Krebs - dasar untuk sintesis molekul, termasuk asam amino dan glukosa);
• integratif (CTK - hubungan antara reaksi anabolik dan katabolik);
• donor hidrogen (pengiriman 3 NADH.H+ dan 1 FADH2 ke rantai respirasi mitokondria);
• energi.

Kurangnya elemen yang diperlukan untuk siklus normal Krebs dapat menyebabkan masalah serius dalam tubuh yang terkait dengan kekurangan energi.

Karena fleksibilitas metabolisme, tubuh tidak hanya dapat menggunakan glukosa sebagai sumber energi, tetapi juga lemak, yang pemecahannya juga menghasilkan molekul yang membentuk asam piruvat (terlibat dalam siklus Krebs). Dengan demikian, CTC yang mengalir dengan baik menyediakan energi dan blok bangunan untuk pembentukan molekul baru.