Cyklus trikarboxylových kyselín (Krebsov cyklus)

Cyklus trikarboxylovej kyseliny prvýkrát objavil anglický biochemik G. Krebs. Ako prvý postuloval význam tohto cyklu pre úplné spálenie pyruvátu, ktorého hlavným zdrojom je glykolytická premena sacharidy. Neskôr sa ukázalo, že cyklus trikarboxyl kyseliny je centrom, kde sa zbiehajú takmer všetky metabolické dráhy. teda Krebsov cyklus- spoločná koncová cesta oxidácia acetyl skupín (vo forme acetyl-CoA), na ktoré sa v procese premieňa katabolizmus väčšina organických molekuly, ktorý hrá úlohu „bunkového palivo»: sacharidy, mastné kyseliny a aminokyseliny.

Vzniká v dôsledku oxidácie dekarboxylácia pyruvát v mitochondrie vstupuje acetyl-CoA Krebsov cyklus. Tento cyklus prebieha v matrici mitochondrie a skladá sa z ôsmich postupné reakcie(obr. 10.9). Cyklus začína pridaním acetyl-CoA k oxaloacetátu a tvorbou kyselina citrónová (citrát). Potom kyselina citrónová(šesťuhlíková zlúčenina) sériou dehydrogenácii(brať preč vodík) a dve dekarboxylácie(štiepenie CO 2) stráca dva uhlíky atóm a znova dovnútra Krebsov cyklus sa mení na oxalacetát (štvoruhlíková zlúčenina), t.j. v dôsledku úplného otočenia cyklu molekula acetyl-CoA horí na CO 2 a H 2 O a molekula oxalacetát sa regeneruje. Zvážte všetkých osem postupné reakcie(fázy) Krebsov cyklus.

Ryža. 10.9.Cyklus trikarboxylovej kyseliny (Krebsov cyklus).

najprv reakciu katalyzovaný enzým cit-krysa-syntáza, pričom acetyl acetyl-CoA skupina kondenzuje s oxalacetátom, čo vedie k vzniku kyselina citrónová:

Zrejme v tomto reakcie Spojené s enzým citril-CoA. Potom tento spontánne a nevratne hydrolyzuje za vzniku citrát a HS-KoA.

V dôsledku druhej reakcie tvorené kyselina citrónová podlieha dehydratácii s tvorbou cis-akonitu kyseliny, ktorý pridaním molekula voda, Ide do kyselina izocitrónová(izocitrát). Katalyzuje tieto reverzibilné reakcie hydratácia-dehydratácia enzým akonitáza hydratáza (akonitáza). V dôsledku toho dochádza k vzájomnému pohybu H a OH v molekula citrát:

Po tretie reakciu zdá sa, že obmedzuje rýchlosť Krebsov cyklus. kyselina izocitrónová dehydrogenované v prítomnosti NAD-dependentnej izocitrátdehydrogenázy.

Počas izocitrátdehydrogenázy reakcie kyselina izocitrónová súčasne dekarboxylované. Izocitrátdehydrogenáza závislá od NAD je alosterická enzým, ktorý ako špecif aktivátor potrebné ADP. okrem toho enzým vyjadriť svoje činnosť potrebuje ióny Mg2+ alebo Mn2+.

Počas štvrtého reakcie oxidatívna dekarboxylácia α-ketoglutarovej kyseliny s tvorbou vysokoenergetickej zlúčeniny sukcinyl-CoA. Mechanizmus tohto reakcie podobný tomu reakcie oxidačné dekarboxylácia pyruvát na acetyl-CoA, komplex α-ketoglutarátdehydrogenázy sa svojou štruktúrou podobá komplexu pyruvátdehydrogenázy. V jednom aj druhom prípade reakcie zúčastniť sa 5 koenzýmy: TPP, amid kyselina lipoová, HS-KoA, FAD a NAD+.

Po piate reakciu katalyzovaný enzým sukcinyl-CoA-syntetáza. Počas tohto reakcie sukcinyl-CoA za účasti GTP a anorganický fosfát mení sa v kyselina jantárová (sukcinát). Súčasne dochádza k tvorbe vysokoenergetickej fosfátovej väzby GTP v dôsledku vysokoenergetickej tioéterovej väzby sukcinyl-CoA:

V dôsledku toho šiesty reakcie sukcinát dehydrovaný do kyselina fumarová. Oxidácia sukcinát katalyzovaný sukcinátdehydrogenáza, v molekula ktoré odvtedy proteín pevne (kovalentne) viazaný koenzým FAD. Vo svojom poradí sukcinátdehydrogenáza silne spojené s vnútornými mitochondriami membrána:

siedmy reakciu vykonávané pod vplyvom enzým fumarát hydratáza ( fumarázy). Vznikol v rovnakom čase kyselina fumarová hydratovaný, produkt reakcie je Kyselina jablková(malát). Treba poznamenať, že fumarát hydratáza má stereošpecifickosť(pozri kapitolu 4) – počas reakcie Vznikne L-jablko kyselina:

Napokon počas ôsmej reakcie cyklus trikarboxylovej kyseliny pod vplyvom mitochondriálnej NAD-dependentnej malátdehydrogenáza deje oxidácia L-malát na oxalacetát:

Ako je možné vidieť, v jednom otočení cyklu, pozostávajúceho z ôsmich enzymatických reakcie, kompletné oxidácia("spaľovanie") jedného molekuly acetyl-CoA. Pre nepretržitú prevádzku cyklu je nevyhnutná stála dodávka acetyl-CoA do systému a koenzýmy(NAD + a FAD), ktoré prešli do redukovaného stavu, sa musia znova a znova oxidovať. Toto je oxidácia vykonávané v nosnom systéme elektróny v dýchacieho reťazca(v dýchacieho reťazca enzýmy) lokalizované v membrána mitochondrie. Výsledný FADH 2 je silne spojený s SDH, takže prenáša atómov vodík cez KoQ. v dôsledku toho prepustený oxidácia acetyl-CoA energia je z veľkej časti koncentrovaná v makroergických fosfátových väzbách ATP. Od 4 para atómov vodík 3 páry preniesť NADH do dopravného systému elektróny; pričom počíta s každým pár v systéme biologickej oxidácia tvorené 3 molekuly ATP(počas konjugovaného ), a celkovo teda 9 molekuly ATP(pozri kapitolu 9). Jeden pár atómov z sukcinátdehydrogenázy-FADH 2 vstupuje do transportného systému elektróny cez KoQ, výsledkom čoho sú iba 2 molekuly ATP. Počas Krebsov cyklus jeden je tiež syntetizovaný molekula GTP (substrát fosforylácia), čo je ekvivalentné jednej molekula ATP. Takže, o oxidácia jeden molekuly acetyl-CoA v Krebsov cyklus a systém Oxidačná fosforylácia môže vzniknúť 12 molekuly ATP.

Ak vypočítame celkový energetický efekt glykolytického štiepenia glukózy a následné oxidácia dve vznikajúce molekuly pyruvát na CO 2 a H 2 O, potom bude oveľa väčší.

Ako bolo uvedené, jeden molekula NADH (3 molekuly ATP) vzniká pri oxidácii dekarboxylácia pyruvát na acetyl-CoA. Pri rozdelení jedného molekuly glukózy vytvorený 2 molekuly pyruvát a oxidácia až 2 molekuly acetyl-CoA a následné 2 otáčky cyklus trikarboxylovej kyseliny syntetizované 30 molekuly ATP(preto, oxidácia molekuly pyruvát na C02 a H20 dáva 15 molekuly ATP). K tomuto číslu treba pripočítať 2 molekuly ATP vznikajú pri aeróbnom glykolýza a 6 molekuly ATP, syntetizoval oxidácia 2 molekuly extramitochondriálne NADH, ktoré vznikajú počas oxidácia 2 molekuly glyceraldehyd-3-fosfát v dehydrogenáze reakcie glykolýza. Preto pri delení na tkanív jeden molekuly glukózy podľa rovnice C 6 H 12 O 6 + 6O 2 -> 6CO 2 + 6H 2 O sa syntetizuje 38 molekuly ATP. Energeticky nepochybne úplné štiepanie glukózy je účinnejší proces ako anaeróbny glykolýza.

Treba poznamenať, že 2 molekuly NADH v budúcnosti s oxidácia nemôžem dať 6 molekuly ATP, ale len 4. Faktom je, že oni sami molekuly extramitochondriálne NADH nie sú schopné preniknúť cez membrána vnútri mitochondrie. Avšak dávajú elektróny môžu byť zahrnuté do mitochondriálneho reťazca biologických oxidácia pomocou takzvaného glycerolfosfátového kyvadlového mechanizmu (obr. 10.10). Cytoplazmatický NADH najskôr reaguje s cytoplazmatickým dihydroxyacetónfosfátom za vzniku glycerol-3-fosfátu. Reakcia katalýza

Ryža. 10.10. Glycerolfosfátový kyvadlový mechanizmus. Vysvetlenie v texte.

je riadená cytoplazmatickou glycerol-3-fosfátdehydrogenázou závislou od NAD:

Dihydroxyacetón fosfát + NADH + H +<=>Glycerol-3-fosfát + NAD +.

Výsledný glycerol-3-fosfát ľahko preniká cez mitochondrie membrána. Vnútri mitochondrie iná (mitochondriálna) glycerol-3-fosfátdehydrogenáza (flavín enzým) oxiduje glycerol-3-fosfát opäť na dihydroxyacetónfosfát:

Glycerol-3-fosfát + FAD<=>Dihydroxyacetón fosfát + FADH 2.

obnovené flavoproteín(enzým-FADH 2) zavádza na úrovni ním získaného KoQ elektróny do reťazca biologických oxidácia a s tým spojené Oxidačná fosforylácia a vychádza dihydroxyacetónfosfát mitochondrie v cytoplazme a môže opäť interagovať s cytoplazmatickým NADH + H +. teda pár elektróny(od jedného molekuly cytoplazmatický NADH + H +), zavedený do dýchacieho reťazca pomocou glycerolfosfátového kyvadlového mechanizmu dáva nie 3, ale 2 ATP.

Ryža. 10.11. Malátno-aspartátový kyvadlový systém na prenos redukčných ekvivalentov z cytosolického NADH do mitochondriálnej matrice. Vysvetlenie v texte.

Následne sa ukázalo, že tento kyvadlový mechanizmus sa používa iba v kostrových svaloch a mozgu na prenos redukovaných ekvivalentov z cytosolického NADH + H + do mitochondrie.

AT bunky pečeň obličky a srdce, funguje zložitejší kyvadlový systém malátu ako častice. Prevádzka takéhoto kyvadlového mechanizmu je možná vďaka prítomnosti malátdehydrogenáza a aspartátaminotransferázy v cytosóle aj v mitochondrie.

Zistilo sa, že z cytosolických NADH + H + znížené ekvivalenty, najskôr s účasťou enzým malátdehydrogenáza(obr. 10.11) sa prenesú do cytosólového oxalacetátu. V dôsledku toho vzniká malát, ktorý pomocou systému, ktorý transportuje dikarboxylové kyseliny, prechádza cez vnútorné membrána mitochondrie do matrice. Tu sa malát oxiduje na oxaloacetát a matrica NAD + sa redukuje na NADH + H + , ktorý teraz môže prenášať svoje elektróny v dýchacieho reťazca enzýmy, lokalizované na vnútornej strane membrána mitochondrie. Na druhej strane, výsledný oxalacetát v prítomnosti glutamátu a enzým ASAT vstupuje do reakciu transaminácia. Výsledný aspartát a α-ketoglutarát sú pomocou špeciálnych transportných systémov schopné prechádzať cez membrána mitochondrie.

Transport v cytosóle regeneruje oxalacetát, ktorý spúšťa ďalší cyklus. Vo všeobecnosti proces zahŕňa ľahko reverzibilné reakcie, nastáva bez spotreby energie, jeho „hnacia sila“ je konštantná zotavenie NAD + v cytosóle glyceraldehyd-3-fosfátom, ktorý vzniká pri katabolizmus glukózy.

Takže, ak funguje mechanizmus malát-aspartát, potom v dôsledku úplného oxidácia jeden molekuly glukózy môže tvoriť nie 36, ale 38 molekuly ATP(Tabuľka 10.1).

V tabuľke. 10.1 sú uvedené reakcie, pri ktorej dochádza k tvorbe vysokoenergetických fosfátových väzieb počas katabolizmus glukózy, čo naznačuje účinnosť procesu za aeróbnych a anaeróbnych podmienok

Ministerstvo školstva Ruskej federácie

Štátna technická univerzita v Samare

Katedra organickej chémie

Abstrakt na tému:

"CYKLUS TRIABOXICKÝCH KYSELÍN (KREBSOV CYKLUS)"

Ukončil študent: III - NTF - 11

Eroshkina N.V.

Skontrolované.

Procesy anaeróbnej fermentácie slúžili ako hlavný zdroj energie pre všetko živé v tých časoch, keď v zemskej atmosfére nebol kyslík. Jeho vzhľad otvoril zásadne nové možnosti získavania energie. Kyslík je dobré oxidačné činidlo a pri oxidácii organických látok sa uvoľní desaťkrát viac energie ako pri fermentácii. Takže pri oxidácii glukózy C 6 H 12 O 6 + 6O 2 → 6H 2 O + 6CO 2 sa uvoľní 686 kcal na mol, kým pri reakcii mliečneho kvasenia len 47 kcal na mol.

Prirodzene, bunky začali využívať príležitosti, ktoré sa im otvorili. Syntéza ATP za aeróbnych podmienok je oveľa efektívnejšia ako anaeróbna syntéza: ak pri využití 1 molekuly glukózy počas fermentácie vzniknú 2 molekuly ATP, potom pri oxidatívnej fosforylácii - asi 30 (podľa starých údajov - 38). Viac o energetickej bilancii si povieme v lekcii 12.

Oxidačnými premenami prechádzajú rôzne organické látky – intermediárne metabolity metabolizmu aminokyselín, cukrov, mastných kyselín atď. Bolo by nelogické vytvárať pre každú z nich vlastnú metabolickú dráhu. Oveľa pohodlnejšie je najprv všetky tieto látky okysličiť jedným, jednotným oxidačným činidlom a výslednú redukovanú formu takéhoto „univerzálneho oxidačného činidla“ potom oxidovať kyslíkom. Nikotínamid adenín dinukleotid, NAD, sa používa ako tento univerzálny redoxný medziprodukt v bunke; o tejto zlúčenine sme už hovorili v lekcii 10. Ako je uvedené v lekcii 10, táto látka môže existovať v dvoch formách: oxidovaný NAD + a redukovaný NAD∙H. Na premenu prvej formy na druhú sú potrebné dva elektróny a jeden H + ión.

systém zohráva úlohu redoxného raketoplánu, ktorý prenáša elektróny z rôznych organických látok na kyslík: v prvom štádiu NAD + odoberá elektróny z organických látok, ktoré ich prípadne oxiduje na CO 2 a H 2 O (samozrejme nie v jednom štádiu, ale prostredníctvom mnohých medziľahlých spojení); v druhom stupni kyslík oxiduje NAD∙H vytvorený počas prvého stupňa a vracia ho späť do oxidovaného stavu.

Takže v najvšeobecnejšej forme možno súbor rozkladných reakcií rôznych látok za aeróbnych podmienok (t. j. v prítomnosti kyslíka) znázorniť takto:

1)	organické zlúčeniny +
2)

Reakcie prvého štádia prebiehajú buď v cytoplazme alebo v mitochondriách, zatiaľ čo reakcie druhého štádia prebiehajú iba v mitochondriách. V tejto lekcii budeme brať do úvahy iba reakcie prvej skupiny, reakcie druhej skupiny budeme študovať v 12. lekcii.

V bunke je ďalší koenzým - FAD (flavínadeníndinukleotid) - ktorý tiež slúži ako redoxný raketoplán, ale používa sa v menšom počte reakcií ako NAD; je syntetizovaný z vitamínu B 2 - riboflavínu.

Pozrime sa na konkrétne metabolické dráhy – oxidačnú premenu glukózy a mastných kyselín. Aeróbna glykolýza začína rovnakými reakciami ako anaeróbna glykolýza, o ktorej sme už uvažovali (pozri lekciu 10). Záverečné fázy procesu však budú prebiehať inak. Pri vykonávaní anaeróbnej glykolýzy bunka čelila problému: čo robiť so zníženým NAD∙H, ktorý vzniká počas reakcie glyceraldehyd-3-fosfát dehydrogenázy? Ak nedôjde k jeho oxidácii späť na NAD +, proces sa rýchlo zastaví, preto pri anaeróbnej glykolýze posledná reakcia - laktátdehydrogenáza - slúžila práve na vrátenie tohto koenzýmu do pôvodnej formy. Za aeróbnych podmienok takýto problém neexistuje. Naopak NAD∙H slúži ako najcennejší zdroj energie v metabolizme kyslíka - špeciálny nosný systém ho dodáva z cytosolu do mitochondrií, kde dochádza k jeho oxidácii a vďaka tejto energii sa syntetizuje ATP.

Keď nastane glykolýza za aeróbnych podmienok, kyselina pyrohroznová sa neredukuje, ale bude transportovaná do mitochondrií a oxidovaná. Najprv sa zmení na zvyšok kyseliny octovej, acetyl, kovalentne naviazaný na špeciálny koenzým - takzvaný koenzým A.

Túto ireverzibilnú reakciu uskutočňuje mitochondriálny enzým pyruvátdehydrogenáza, ktorá oxiduje kyselinu pyrohroznovú na acetylkoenzým A za uvoľnenia oxidu uhličitého. Tento enzým obsahuje niekoľko koenzýmov potrebných pre jeho prácu: tiamín pyrofosfát (vzniká z vitamínu B 1 - tiamín), kyselinu lipoovú (niekedy sa používa ako zdraviu prospešný doplnok stravy) a FAD (o tom sme už písali vyššie). Je to veľmi komplexný proteín, pozostávajúci z mnohých podjednotiek, jeho molekulová hmotnosť je niekoľko miliónov daltonov.

Koenzým A, na ktorý je naviazaný acetylový zvyšok, sa syntetizuje z kyseliny pantoténovej, ktorá je tiež vitamínom (vitamín B 5). Acetyl-koenzým A je makroerg, ktorý je rovnako bohatý na energiu ako ATP (pozri lekciu 9).

Pyruvátdehydrogenáza hrá dôležitú úlohu v regulácii aeróbneho katabolizmu glukózy. Tento enzým je inhibovaný NAD∙H a acetyl-CoA, jeho konečnými produktmi, spôsobom negatívnej spätnej väzby. Regulácia sa uskutočňuje pomocou komplexného mechanizmu, ktorý zahŕňa alosterickú aj kovalentnú modifikáciu tohto proteínu. Tento enzým je tiež inhibovaný mastnými kyselinami. Mastné kyseliny sú kalorickejším zdrojom energie a okrem toho sú menej hodnotné na uskutočňovanie syntetických procesov v bunke, preto v prítomnosti glukózy (koniec koncov sa z nej tvorí pyruvát) aj mastných kyselín je vhodné najskôr oxidovať mastné kyseliny.

Potom bude acetyl-koenzým A oxidovaný na CO 2 a H 2 O v procese nazývanom Krebsov cyklus (na počesť G. Krebsa, ktorý ho prvýkrát opísal v roku 1937).

Hlavnou úlohou Krebsovho cyklu v energetickom metabolizme bunky je získanie redukovaných koenzýmov NAD∙H a FAD∙H 2, ktoré sa následne oxidujú kyslíkom na syntézu ATP z ADP a fosfátu (tento proces zvážime v lekcii 12). Obnova koenzýmov sa dosiahne úplnou oxidáciou zvyšku kyseliny octovej na CO2 a H20.

Cyklus začína prenosom zvyšku kyseliny octovej z acetyl-CoA na kyselinu oxaloctovú (v neutrálnom prostredí je to oxalacetátový ión), v dôsledku čoho vzniká kyselina citrónová (presnejšie citrátový ión) a uvoľňuje sa koenzým A. Táto reakcia je katalyzovaná enzýmom citrátsyntáza a je ireverzibilná.

Organické kyseliny zapojené do tohto štádia majú tri karboxylové skupiny, niekedy sa celý cyklus nazýva „cyklus trikarboxylových kyselín“, ale tento názov je nešťastný - už v ďalšom štádiu sa jedna karboxylová skupina stratí. Preto sa cyklus často označuje ako „cyklus trikarboxylových a dikarboxylových kyselín“.

V oboch prípadoch sa uvoľňuje oxid uhličitý, oxidačné činidlo NAD + sa redukuje na NAD ∙ H a skrátený zvyšok kyseliny sa počas reakcie pridáva ku koenzýmu A. A. Reakcia α-ketoglutarátdehydrogenázy je rovnako ireverzibilná ako pyruvátdehydrogenáza. a enzým, ktorý ju katalyzuje, obsahuje rovnaké koenzýmy.

Reakčný produkt sukcinyl-koenzým A je rovnako energeticky bohatý ako acetyl-koenzým A. Bolo by hlúpe rozptýliť túto energiu na teplo a bunka takéto plytvanie nepripúšťa. Sukcinyl-CoA nie je jednoducho hydrolyzovaný na kyselinu jantárovú (presnejšie sukcinátový ión) a koenzým A, počas tejto reakcie sa GTP syntetizuje z GDP a fosfátu a GTP je rovnako makroergický ako ATP.

Kyselina jantárová podlieha ďalšej oxidácii. Jeho oxidačným činidlom však nie je obvyklý NAD +, ale iný koenzým – FAD. Príroda tento konkrétny koenzým vôbec nepoužívala na otrávenie života študentov a školákov študujúcich Krebsov cyklus. Faktom je, že v kyseline jantárovej podlieha oxidácii veľmi inertná skupina -CH2-CH2. Pamätajte na priebeh organickej chémie - alkány sú vo všeobecnosti mierne reaktívne v porovnaní s alkoholmi a aldehydmi, je oveľa ťažšie ich oxidovať. Aj tu je bunka nútená použiť silnejší flavínový oxidant, a nie bežný nikotínamid. Zároveň sa kyselina jantárová mení na kyselinu fumarovú, reakciu urýchľuje enzým sukcinátdehydrogenáza.

Poslednou reakciou cyklu je oxidácia kyseliny jablčnej na kyselinu oxaloctovú, ako oxidačné činidlo slúži známy NAD + a reakciu katalyzuje enzým malátdehydrogenáza.

Výsledné NAD∙H a FAD∙H2 sú potom oxidované v mitochondriách, čím poskytujú energiu pre syntézu ATP. Krebsov cyklus tiež produkuje 1 molekulu GTP, energeticky bohatú zlúčeninu schopnú preniesť fosfátový zvyšok na ADP a vytvoriť ATP. Molekula kyseliny oxaloctovej opúšťa cyklus bez akýchkoľvek zmien - slúži ako katalyzátor oxidácie acetylkoenzýmu A a sama sa vracia do pôvodného stavu na konci každého otočenia cyklu. Enzýmy Krebsovho cyklu sa nachádzajú v mitochondriálnej matrici (okrem sukcinátdehydrogenázy sa nachádza na vnútornej mitochondriálnej membráne).

V Krebsovom cykle je regulovaných niekoľko enzýmov naraz. Izocitrátdehydrogenáza je inhibovaná NAD∙H, konečným produktom cyklu, a aktivovaná ADP, látkou vznikajúcou pri výdaji energie. Reverzibilita reakcie malátdehydrogenázy tiež hrá dôležitú úlohu v regulácii cyklu. Pri vysokých koncentráciách NAD∙H táto reakcia prebieha sprava doľava smerom k tvorbe malátu. Výsledkom je, že koncentrácia oxaloacetátu klesá a rýchlosť reakcie citrátsyntázy sa znižuje. Výsledný malát môže byť použitý v iných metabolických procesoch. Citrátsyntáza je tiež alostericky inhibovaná ATP. Aktivita α-ketoglutarátdehydrogenázy je tiež regulovaná.

Krebsov cyklus sa podieľa na oxidačných premenách nielen glukózy, ale aj mastných kyselín a aminokyselín. Po preniknutí cez vonkajšiu membránu sa mastné kyseliny najskôr aktivujú v cytoplazme pridaním koenzýmu A, pričom sa spotrebujú dve makroergické väzby ATP:

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

Pyrofosfát je okamžite štiepený enzýmom pyrofosfatázou, čím sa rovnováha reakcie posúva doprava.

Acyl-koenzým A sa potom prenesie do mitochondrií.

V týchto organelách funguje enzymatický systém takzvanej β-oxidácie mastných kyselín. Proces β-oxidácie prebieha v etapách. V každom štádiu sa z mastnej kyseliny odštiepi dvojuhlíkový fragment vo forme acetylkoenzýmu A a NAD+ sa redukuje na NAD∙H a FAD na FAD∙H2.

Počas prvej reakcie sa oxiduje skupina -CH2-CH2-, ktorá sa nachádza v blízkosti karbonylového uhlíkového atómu. Rovnako ako v prípade oxidácie sukcinátu v Krebsovom cykle slúži FAD ako oxidačné činidlo. Potom (druhá reakcia) sa dvojitá väzba vzniknutej nenasýtenej zlúčeniny hydratuje, pričom tretí atóm uhlíka sa hydroxyluje - vzniká β-hydroxykyselina naviazaná na koenzým A. Počas tretej reakcie sa táto alkoholová skupina oxiduje na ketoskupinu. skupiny, NAD + sa používa ako oxidačné činidlo. Nakoniec ďalšia molekula koenzýmu A reaguje s výsledným β-ketoacylkoenzýmom A. Výsledkom je odštiepenie acetylkoenzýmu A a skrátenie acyl-CoA o dva atómy uhlíka. Teraz bude cyklický proces pokračovať v druhom chode, zvyšok mastnej kyseliny sa skráti ešte o jeden acetyl-CoA a tak ďalej, kým sa mastná kyselina úplne neodštiepi. Zo štyroch β-oxidačných reakcií je len prvá nevratná, ostatné sú vratné, ich prechod zľava doprava je zabezpečený neustálym výstupom konečných produktov.

Celkovo β-oxidácia palmitoyl-koenzýmu A prebieha podľa rovnice:

Acetyl-CoA potom vstupuje do Krebsovho cyklu. NAD∙H a FAD∙H 2 sú oxidované v mitochondriách a poskytujú energiu pre syntézu ATP.

Katabolizmus aminokyselín tiež prebieha Krebsovým cyklom. Rôzne aminokyseliny vstupujú do cyklu rôznymi metabolickými cestami a ich zvažovanie je pre tento priebeh príliš komplikované.

Krebsov cyklus bunka využíva nielen na energetické potreby, ale aj na syntézu množstva látok, ktoré potrebuje. Je to centrálna metabolická dráha v katabolických aj anabolických procesoch bunky.

Sám Hans Krebs najprv teoreticky navrhol, že premeny di- a trikarboxylových kyselín prebiehajú cyklicky, a potom urobil sériu experimentov, v ktorých ukázal vzájomné premeny týchto kyselín a ich schopnosť stimulovať aeróbnu glykolýzu. Silný dôkaz o toku tejto metabolickej dráhy týmto spôsobom a nie inak sa však získal pomocou experimentov s izotopovým značením.

Predstavte si, že ste v určitom intermediárnom metabolite Krebsovho cyklu nahradili obyčajný prírodný izotop rádioaktívnym. Teraz táto látka nesie rádioaktívne označenie, čo umožňuje sledovať jej ďalší osud. Takto označenú zlúčeninu možno pridať do bunkového extraktu a po chvíli vidieť, na čo sa premení. Na tento účel môžete oddeliť malé molekuly od makromolekúl (napríklad ich vyzrážaním) a oddeliť ich zmes pomocou chromatografickej metódy (pozri lekciu 8). Potom zostáva len určiť, ktoré látky obsahujú rádioaktivitu. Napríklad, ak do extraktu pridáte rádioaktívne označenú kyselinu citrónovú, veľmi skoro sa označenie nájde v kyseline cis-akonitovej a izocitrónovej a po určitom čase v α-ketoglutarovej. Ak sa pridá označená kyselina α-ketoglutarová, značka prejde najskôr na sukcinylkoenzým A a kyselinu jantárovú, potom na kyselinu fumarovú. Pridaním rôznych rádioaktívne označených látok a určením, kam sa rádioaktívna značka dostala, je teda možné zistiť postupnosť reakcií v ktoromkoľvek štádiu metabolickej dráhy.

Rádioaktivitu možno určiť rôznymi spôsobmi. Najjednoduchšie je osvetliť fotografickú emulziu, pretože samotnú rádioaktivitu objavil A. Becquerel práve kvôli schopnosti rádioaktívneho žiarenia osvetliť fotografickú platňu. Ak sme napríklad tenkovrstvovou chromatografiou oddelili zmes látok a vieme, kde sa škvrna konkrétnej látky nachádza, potom môžeme na náš chromatogram jednoducho priložiť fotografickú platňu. Potom sa osvetlí časť fotografickej dosky, ktorá bola v kontakte so škvrnou obsahujúcou rádioaktivitu. Zostáva len vidieť, ktoré látky sa emulzia rozsvietila v blízkosti škvŕn akých látok a hneď sa dá povedať, že práve do týchto látok prešla rádioaktívna nálepka.

Táto metóda sa nazýva autorádiografia . Dá sa použiť na štúdium nielen malých molekúl, ale aj veľkých – napríklad pridaním rádioaktívne označeného uridínu do živej bunky. Ako sme povedali v lekcii 7, uridínové nukleotidy sú súčasťou RNA, takže táto makromolekula bude čoskoro rádioaktívne označená. Teraz je možné sledovať umiestnenie a transport RNA v bunke. K tomu je potrebné bunky zafixovať, aby sa makromolekuly pri ďalších procedúrach vyzrážali a neodplávali, naplniť ich fotografickou emulziou a po chvíli sa cez mikroskop pozrieť, kde sa objavili osvetlené miesta.

Autorádiografia umožňuje priamo sledovať osud molekúl v bunke. Metóda má však aj nevýhodu - poskytuje iba kvalitatívnu charakteristiku prítomnosti rádioaktívnej značky a neumožňuje ju kvantitatívne merať. Na presné kvantitatívne merania sa používa iná metóda. β-častice emitované z rádioaktívnych izotopov spôsobujú žiaru špeciálnych látok - scintilátorov. Intenzitu tejto žiary je možné presne merať pomocou špeciálneho prístroja – scintilačného počítača. Presným meraním žiary vieme presne určiť množstvo rádioaktívneho izotopu. Použitie scintilačného počítača však meria iba celkové množstvo rádioaktívneho izotopu vo vzorke. Ak zaplavíme bunkovú suspenziu roztokom scintilátora, môžeme určiť celkové množstvo rádioaktívnej zlúčeniny, ale nie jej distribúciu v organelách. Aby sme to dosiahli, budeme musieť izolovať jednotlivé bunkové organely a merať v nich rádioaktivitu.

V biochemickom výskume sa zvyčajne používajú také izotopy ako trícium 3H, uhlík 14C, fosfor 32P a síra 35S.

Väčšina chemickej energie uhlíka sa uvoľňuje za aeróbnych podmienok za účasti kyslíka. Krebsov cyklus sa tiež nazýva cyklus kyseliny citrónovej alebo bunkové dýchanie. Na dešifrovaní jednotlivých reakcií tohto procesu sa podieľali mnohí vedci: A. Szent-Gyorgyi, A. Lehninger, X. Krebs, po ktorom je cyklus pomenovaný, S. E. Severin a ďalší.

Existuje úzka korelácia medzi anaeróbnym a aeróbnym trávením sacharidov. V prvom rade sa prejavuje v prítomnosti kyseliny pyrohroznovej, ktorá dokončuje anaeróbne štiepenie uhľohydrátov a začína bunkové dýchanie (Krebsov cyklus). Obe fázy sú katalyzované rovnakými enzýmami. Chemická energia sa uvoľňuje počas fosforylácie a je rezervovaná vo forme makroergov ATP. Na chemických reakciách sa zúčastňujú rovnaké koenzýmy (NAD, NADP) a katióny. Rozdiely sú nasledovné: ak je anaeróbne trávenie sacharidov prevažne lokalizované v hyaloplazme, tak reakcie bunkového dýchania prebiehajú hlavne v mitochondriách.

Za určitých podmienok sa medzi týmito dvoma fázami pozoruje antagonizmus. Takže v prítomnosti kyslíka glykolýza prudko klesá (Pasteurov efekt). Produkty glykolýzy môžu inhibovať aeróbny metabolizmus uhľohydrátov (efekt Crabtree).

Krebsov cyklus má množstvo chemických reakcií, v dôsledku ktorých sa produkty rozkladu uhľohydrátov oxidujú na oxid uhličitý a vodu a chemická energia sa hromadí v makroergických zlúčeninách. Počas tvorby "nosiča" - kyseliny oxaloctovej (SOC). Následne dochádza ku kondenzácii s "nosičom" aktivovaného zvyšku kyseliny octovej. Existuje trikarboxylová kyselina - citrónová. Počas chemických reakcií dochádza v cykle k „obrátke“ zvyšku kyseliny octovej. Z každej molekuly kyseliny pyrohroznovej sa vytvorí osemnásť molekúl adenozíntrifosfátu. Na konci cyklu sa uvoľní „nosič“, ktorý reaguje s novými molekulami aktivovaného zvyšku kyseliny octovej.

Krebsov cyklus: reakcie

Ak je konečným produktom anaeróbneho rozkladu uhľohydrátov kyselina mliečna, potom sa vplyvom laktátdehydrogenázy oxiduje na kyselinu pyrohroznovú. Časť molekúl kyseliny pyrohroznovej sa využíva na syntézu „nosiča“ BJC pod vplyvom enzýmu pyruvátkarboxylázy a za prítomnosti Mg2+ iónov. Časť molekúl kyseliny pyrohroznovej je zdrojom tvorby „aktívneho acetátu“ – acetylkoenzýmu A (acetyl-CoA). Reakcia sa uskutočňuje pod vplyvom pyruvátdehydrogenázy. Obsahuje acetyl-CoA, ktorý akumuluje asi 5-7% energie. Hlavná masa chemickej energie vzniká v dôsledku oxidácie "aktívneho acetátu".

Pod vplyvom citrátsyntetázy začína fungovať samotný Krebsov cyklus, ktorý vedie k tvorbe kyseliny citrátovej. Táto kyselina vplyvom akonitáthydratázy dehydratuje a mení sa na kyselinu cis-akonitovú, ktorá sa po pridaní molekuly vody stáva izocitrónovou. Medzi tromi trikarboxylovými kyselinami sa vytvorí dynamická rovnováha.

Kyselina izocitrónová sa oxiduje na kyselinu oxalosukcínovú, ktorá sa dekarboxyluje a premení na kyselinu alfa-ketoglutarovú. Reakciu katalyzuje enzým izocitrátdehydrogenáza. Kyselina alfa-ketoglutarová sa pod vplyvom enzýmu 2-oxo-(alfa-keto)-glutarátdehydrogenázy dekarboxyluje, čo vedie k tvorbe sukcinyl-CoA obsahujúceho makroergickú väzbu.

V ďalšom štádiu sukcinyl-CoA pôsobením enzýmu sukcinyl-CoA syntetázy prenáša makroergickú väzbu na GDP (kyselina guanozíndifosfát). GTP (kyselina guanozíntrifosfátová) pod vplyvom enzýmu GTP-adenylátkinázy vytvára makroergickú väzbu na AMP (kyselina adenozínmonofosfátová). Krebsov cyklus: vzorce - GTP + AMP - HDP + ADP.

Pod vplyvom enzýmu sukcinátdehydrogenáza (SDH) sa oxiduje na fumarovú. Koenzýmom SDH je flavínadeníndinukleotid. Fumarát sa vplyvom enzýmu fumarát hydratázy premieňa na kyselinu jablčnú, ktorá sa zase oxiduje a vytvára BOC. V prítomnosti acetyl-CoA v reakčnom systéme je BFA opäť zahrnutý do cyklu trikarboxylových kyselín.

Z jednej molekuly glukózy sa teda vytvorí až 38 molekúl ATP (dve - v dôsledku anaeróbnej glykolýzy, šesť - v dôsledku oxidácie dvoch molekúl NAD H + H +, ktoré vznikli pri glykolytickej oxidácii, a 30 - v dôsledku TCA). Účinnosť CTC je 0,5. Zvyšok energie sa rozptýli ako teplo. V TCA sa oxiduje 16-33% kyseliny mliečnej, zvyšok jej hmoty sa používa na resyntézu glykogénu.

Cyklus trikarboxylových kyselín je známy aj ako Krebsov cyklus, keďže existenciu takéhoto cyklu navrhol Hans Krebs v roku 1937.
Za to mu o 16 rokov neskôr udelili Nobelovu cenu za fyziológiu a medicínu. Objav je teda veľmi významný. Aký je význam tohto cyklu a prečo je taký dôležitý?

Čokoľvek môže niekto povedať, stále musíte začať dosť ďaleko. Ak ste sa zaviazali čítať tento článok, tak aspoň z počutia viete, že hlavným zdrojom energie pre bunky je glukóza. V krvi je neustále prítomný v takmer nezmenenej koncentrácii - na to existujú špeciálne mechanizmy, ktoré ukladajú alebo uvoľňujú glukózu.

Vo vnútri každej bunky sú mitochondrie – samostatné organely („orgány“ bunky), ktoré spracovávajú glukózu, aby získali vnútrobunkový zdroj energie – ATP. ATP (kyselina adenozíntrifosforečná) je všestranná a veľmi vhodná na použitie ako zdroj energie: je priamo integrovaná do bielkovín a dodáva im energiu. Najjednoduchším príkladom je proteín myozín, vďaka ktorému sú svaly schopné kontrakcie.

Glukóza sa nedá premeniť na ATP, napriek tomu, že obsahuje veľké množstvo energie. Ako extrahovať túto energiu a nasmerovať ju správnym smerom bez toho, aby ste sa uchýlili k barbarským (podľa bunkových štandardov) spôsobom, akým je spaľovanie? Je potrebné použiť riešenia, pretože enzýmy (proteínové katalyzátory) umožňujú, aby niektoré reakcie prebiehali oveľa rýchlejšie a efektívnejšie.

Prvým krokom je premena molekuly glukózy na dve molekuly pyruvátu (kyselina pyrohroznová) alebo laktátu (kyselina mliečna). V tomto prípade sa uvoľní malá časť (asi 5 %) energie uloženej v molekule glukózy. Laktát vzniká anaeróbnou oxidáciou – teda pri nedostatku kyslíka. Existuje tiež spôsob, ako premeniť glukózu v anaeróbnych podmienkach na dve molekuly etanolu a oxidu uhličitého. Toto sa nazýva fermentácia a túto metódu nebudeme zvažovať.


...Tak ako sa nebudeme podrobne zaoberať mechanizmom samotnej glykolýzy, teda rozkladu glukózy na pyruvát. Pretože, aby som citoval Leingera, "Konverzia glukózy na pyruvát je katalyzovaná desiatimi enzýmami pôsobiacimi postupne." Tí, ktorí si želajú, si môžu otvoriť učebnicu biochémie a podrobne sa zoznámiť so všetkými fázami procesu - bola veľmi dobre študovaná.

Zdalo by sa, že cesta od pyruvátu k oxidu uhličitému by mala byť celkom jednoduchá. Ukázalo sa však, že sa uskutočňuje deväťstupňovým procesom, ktorý sa nazýva cyklus trikarboxylových kyselín. Tento zjavný rozpor s princípom hospodárnosti (nemohlo by to byť jednoduchšie?) je čiastočne spôsobené tým, že cyklus spája niekoľko metabolických dráh: látky vznikajúce v cykle sú prekurzormi iných molekúl, ktoré už nesúvisia s dýchaním ( napríklad aminokyseliny) a akékoľvek iné zlúčeniny, ktoré sa majú zlikvidovať, skončia v cykle a sú buď „spálené“ na energiu, alebo sa recyklujú do tých, ktorých je nedostatok.

Prvým krokom, ktorý sa tradične považuje vo vzťahu ku Krebsovmu cyklu, je oxidačná dekarboxylácia pyruvátu na acetylový zvyšok (Acetyl-CoA). CoA, ak niekto nevie, je koenzým A, ktorý má vo svojom zložení tiolovú skupinu, na ktorej môže niesť acetylový zvyšok.


Rozklad tukov vedie aj k acetylom, ktoré tiež vstupujú do Krebsovho cyklu. (Sú syntetizované podobne – z Acetyl-CoA, čo vysvetľuje fakt, že v tukoch sú takmer vždy prítomné len kyseliny s párnym počtom atómov uhlíka).

Acetyl-CoA kondenzuje s oxalacetátom za vzniku citrátu. Tým sa uvoľní koenzým A a molekula vody. Táto fáza je nezvratná.

Citrát sa dehydrogenuje na cis-akonitát, druhú trikarboxylovú kyselinu v cykle.

Cis-akonitát pripája späť molekulu vody a mení sa už na kyselinu izocitrónovú. Táto a predchádzajúce fázy sú reverzibilné. (Enzýmy katalyzujú dopredné aj spätné reakcie - viete, však?)

Kyselina izocitrónová sa dekarboxyluje (nevratne) a súčasne oxiduje za vzniku kyseliny ketoglutarovej. Súčasne sa NAD +, zotavuje, mení na NADH.

Ďalším krokom je oxidačná dekarboxylácia. V tomto prípade však nevzniká sukcinát, ale sukcinyl-CoA, ktorý sa v ďalšom štádiu hydrolyzuje a nasmeruje uvoľnenú energiu na syntézu ATP.

Vznikne tak ďalšia molekula NADH a molekula FADH2 (koenzým iný ako NAD, ktorý sa však dá aj oxidovať a redukovať, čím sa ukladá a uvoľňuje energia).

Ukazuje sa, že oxalacetát funguje ako katalyzátor - nehromadí sa a v procese sa nespotrebuje. Je to tak - koncentrácia oxaloacetátu v mitochondriách je udržiavaná dosť nízka. Ako sa však vyhnúť hromadeniu ďalších produktov, ako zladiť všetkých osem fáz cyklu?

Na to, ako sa ukázalo, existujú špeciálne mechanizmy - druh negatívnej spätnej väzby. Akonáhle koncentrácia určitého produktu stúpne nad normu, blokuje to prácu enzýmu zodpovedného za jeho syntézu. A pre reverzibilné reakcie je to ešte jednoduchšie: keď sa prekročí koncentrácia produktu, reakcia jednoducho začne ísť opačným smerom.

A pár drobných poznámok

Každý vie, že pre správne fungovanie potrebuje telo pravidelný príjem množstva živín, ktoré sú potrebné pre zdravý metabolizmus a podľa toho aj rovnováhu procesov tvorby a výdaja energie. Proces výroby energie, ako viete, prebieha v mitochondriách, ktoré sa vďaka tejto vlastnosti nazývajú energetické centrá buniek. A postupnosť chemických reakcií, ktorá vám umožňuje získať energiu pre prácu každej bunky tela, sa nazýva Krebsov cyklus.

Krebsov cyklus – zázraky, ktoré sa dejú v mitochondriách

Energia prijatá Krebsovým cyklom (tiež TCA - cyklus trikarboxylových kyselín) ide na potreby jednotlivých buniek, z ktorých sa následne skladajú rôzne tkanivá a tým aj orgány a systémy nášho tela. Keďže telo jednoducho nemôže existovať bez energie, mitochondrie neustále pracujú na tom, aby neustále zásobovali bunky energiou, ktorú potrebujú.

Adenozíntrifosfát (ATP) - práve táto zlúčenina je univerzálnym zdrojom energie potrebnej pre priebeh všetkých biochemických procesov v našom tele.

TCA je centrálna metabolická dráha, v dôsledku ktorej je dokončená oxidácia metabolitov:

• mastné kyseliny;
• aminokyseliny;
• monosacharidy.

V procese aeróbneho rozpadu sa tieto biomolekuly rozkladajú na menšie molekuly, ktoré sa využívajú na energiu alebo syntézu nových molekúl.

Cyklus trikarboxylových kyselín pozostáva z 8 stupňov, t.j. reakcie:

1. Tvorba kyseliny citrónovej:

2. Tvorba kyseliny izocitrónovej:

3. Dehydrogenácia a priama dekarboxylácia kyseliny izocitrónovej.

4. Oxidačná dekarboxylácia kyseliny α-ketoglutarovej

5. Fosforylácia substrátu

6. Dehydrogenácia kyseliny jantárovej sukcinátdehydrogenázou

7. Tvorba kyseliny jablčnej pomocou enzýmu fumarázy

8. Tvorba oxalacetátu

Po dokončení reakcií, ktoré tvoria Krebsov cyklus:

• jedna molekula acetyl-CoA (vzniká v dôsledku rozkladu glukózy) sa oxiduje na dve molekuly oxidu uhličitého;
• tri molekuly NAD sú redukované na NADH;
• jedna molekula FAD je redukovaná na FADH2;
• vzniká jedna molekula GTP (ekvivalent ATP).

Molekuly NADH a FADH 2 pôsobia ako nosiče elektrónov a používajú sa na tvorbu ATP v ďalšom kroku metabolizmu glukózy, oxidatívnej fosforylácii.

Funkcie Krebsovho cyklu:

• katabolické (oxidácia acetylových zvyškov molekúl paliva na konečné produkty metabolizmu);
• anabolické (substráty Krebsovho cyklu - základ pre syntézu molekúl vrátane aminokyselín a glukózy);
• integračné (CTK - prepojenie medzi anabolickými a katabolickými reakciami);
• donor vodíka (dodanie 3 NADH.H + a 1 FADH 2 do dýchacieho reťazca mitochondrií);
• energie.

Nedostatok prvkov potrebných pre normálny priebeh Krebsovho cyklu môže viesť k vážnym problémom v organizme spojeným s nedostatkom energie.

Vďaka metabolickej flexibilite je telo schopné využiť ako zdroj energie nielen glukózu, ale aj tuky, ktorých rozkladom vznikajú aj molekuly tvoriace kyselinu pyrohroznovú (zapojenú do Krebsovho cyklu). Správne prúdiace CTC teda poskytuje energiu a stavebné kamene pre tvorbu nových molekúl.