Главная страница Случайная страница
КАТЕГОРИИ:
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
Глава 2. Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК)
|
|
Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК)
- Общее представление. Характеристика этапов ЦТК.
- Конечные продукты ЦТК.
- Биологическая роль ЦТК.
- Регуляция ЦТК.
- Нарушения работы ЦТК.
· ОБЩЕЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ. ХАРАКТЕРИСТИКА ЭТАПОВ ЦТК
Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) представляет собой магистральный, циклический, метаболический путь, в котором происходит окисление активной уксусной кислоты и некоторых других соединений, образующихся при распаде углеводов, липидов, белков и который обеспечивает дыхательную цепь восстановленными коферментами.
ЦТК был открыт в 1937 году Г. Кребсом. Он обобщил имевшиеся к тому времени экспериментальные исследования и построил полную схему процесса.
Реакции ЦТК протекают в митохондриях в аэробных условиях.
В начале цикла (рис. 6) происходит конденсация активной уксусной кислоты (ацетил-КоА) со щавелево-уксусной кислотой (оксалоацетатом) с образованием лимонной кислоты (цитрата). Эта реакция катализируется цитратсинтазой.
Далее цитрат изомеризуется в изоцитрат. Изомеризация цитрата осуществляется путем дегидратации с образованием цис-аконитата и его последующей гидратацией. Катализ обеих реакций обеспечивает аконитаза.
На 4-й стадии цикла происходит окислительное декарбоксилирование изоцитрата под действием изоцитратдегидрогеназы (ИЦДГ) с образованием a-кетоглутаровой кислоты, НАДН(Н+) или НАДФН(Н+) и СО2. НАД-зависимая ИДГ локализована в митохондриях, а НАДФ-зависимый фермент присутствует в митохондриях и цитоплазме.
В ходе 5-й стадии осуществляется окислительное декарбоксилирование a-кетоглутарата с образованием активной янтарной кислоты (сукцинил-КоА), НАДН(Н) и СО2. Этот процесс катализирует a-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс, состоящий из трех ферментов и пяти коферментов. Ферменты: 1) a-кетоглутаратдегидрогеназа, связанная с коферментом ТПФ; 2) транссукцинилаза, коферментом которой является липоевая кислота;
3) дигидролипоилдегидрогеназа, связанная с ФАД. В работе a-кетоглутаратдегидрогеназ-
ного комплекса принимают участие также коферменты КоА-SH и НАД.
На 6-й стадии происходит расщепление макроэргической тиоэфирной связи сукцинил-КоА, сопряженное с фосфорилированием ГДФ. Образуются янтарная кислота (сукцинат) и ГТФ (на уровне субстратного фосфорилирования). Реакция катализируется сукцинил-КоА-синтетазой (сукцинилтиокиназой). Фосфорильная группа ГТФ может переноситься на АДФ: ГТФ +АДФ ® ГДФ + АТФ. Катализ реакции происходит при участии фермента нуклеозиддифосфокиназы.
В ходе 7-й стадии осуществляется окисление сукцината под действием сукцинатдегидрогеназы с образованием фумарата и ФАДН2.
На 8-й стадии фумаратгидратаза обеспечивает присоединение воды к фумаровой кислоте с образованием L - яблочной кислоты (L- малата).
L-малат на 9-й стадии под действием малатдегидрогеназы окисляется до оксалоацетата, в реакции также образуется НАДН(Н+). На оксалоацетате метаболический путь замыкается и снова повторяется, приобретая циклический характер.
Рис. 6. Схема реакций цикла трикарбоновых кислот.
· КОНЕЧНЫЕ ПРОДУКТЫ ЦТК
Суммарное уравнение ЦТК имеет следующий вид:
О
СН3 – С~ S-КоА + 3 НАД+ + ФАД + АДФ + Н3РО4 + 3 Н2О ®
® 2 СО2 + 3 НАДН(Н+) + ФАДН2 + АТФ + КоА-SH
Таким образом конечными продуктами цикла (в расчете на 1 оборот) являются восстановленные коферменты - 3 НАДН(Н+) и 1 ФАДН2, 2 молекулы углекислого газа, 1 молекула АТФ и 1 молекула КоА - SH.
· БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ЦТК
Цикл Кребса выполняет интеграционную, амфиболическую (т.е. катаболическую и анаболическую), энергетическую и водороддонорную роль.
Интеграционная роль состоит в том, что ЦТК представляет собой конечный общий путь окисления топливных молекул – углеводов, жирных кислот и аминокислот.
В ЦТК происходит окисление ацетил-КоА – это катаболическая роль.
Анаболическая роль цикла заключается в том, что он поставляет промежуточные продукты для биосинтетических процессов. Например, оксалоацетат используется для синтеза аспартата, a-кетоглутарат – для образования глутамата, сукцинил-КоА – для синтеза гема.
Одна молекула АТФ образуется в ЦТК на уровне субстратного фосфорилирования – это энергетическая роль.
Водороддонорная рольсостоит в том, что ЦТК обеспечивает восстановленными коферментами НАДН(Н+) и ФАДН2 дыхательную цепь, в которой происходит окисление водорода этих коферментов до воды, сопряженное с синтезом АТФ. При окислении одной молекулы ацетил-КоА в ЦТК образуются 3 НАДН(Н+) и 1 ФАДН2
Выход АТФ при окислении ацетил-КоА составляет 12 молекул АТФ (1 АТФ в ЦТК на уровне субстратного фосфорилирования и 11 молекул АТФ при окислении 3 молекул НАДН(Н+) и 1 молекулы ФАДН2 в дыхательной цепи на уровне окислительного фосфорилирования).
· РЕГУЛЯЦИЯ ЦТК
Скорость функционирования ЦТК точно подогнана к потребности клеток в АТФ, т.е. цикл Кребса сопряжен с дыхательной цепью, функционирующей только в аэробных условиях. Важной регуляторной реакцией цикла является синтез цитрата из ацетил-КоА и оксалоацетата, протекающий при участии цитратсинтазы. Высокий уровень АТФ ингибирует данный фермент. Вторая регуляторная реакция цикла – изоцитратдегидрогеназная. АДФ и НАД + активируют фермент, НАДН(Н+) и АТФ ингибируют. Третьей регуляторной реакцией является окислительное декарбоксилирование a-кетоглутарата. НАДН(Н+), сукцинил-КоА и АТФ ингибируют a-кетоглутаратдегидрогеназу.
· НАРУШЕНИЯ РАБОТЫ ЦТК
Нарушение функционирования ЦТК может быть связано:
- с недостатком ацетил-КоА;
- с недостатком оксалоацетата (он образуется при карбоксилировании пирувата, а последний в свою очередь при распаде углеводов). Несбалансированность рациона по углеводам влечет за собой включение ацетил-КоА в кетогенез (образование кетоновых тел), что приводит к кетозам;
- с нарушением активности ферментов по пичине недостатка витаминов, входящих в состав соответствующих коферментов (недостаток витамина В1 приводит к недостатку ТПФ и нарушению функционирования a-кетоглутаратдегидрогеназного комплекса; недостаток витамина В2 ведет к недостатку ФАД и нарушению активности сукцинатдегидрогеназы; недостаток витамина В3 влечет за собой недостаток кофермента ацилирования КоА-SH и нарушение активности a-кетоглутаратдегидрогеназного комплекса; недостаток витамина В5 приводит к недостатку НАД и нарушению активности изоцитратдегидрогеназы, a-кетоглутаратдегидрогеназного комплекса и малатдегидрогеназы; недостаток липоевой кислоты также приводит к нарушению функционирования a-кетоглутаратдегидрогеназного комплекса);
- с недостатком кислорода (нарушен синтез гемоглобина и функционирование дыхательной цепи, а накапливающийся НАДН(Н+) выступает в этом случае в роли аллостерического ингибитора изоцитратдегидрогеназы и a-кетоглутаратдегидрогеназного комплекса)
· кОнТрольные вопросы по теме:
«ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ»
1. Какие соединения являются источниками ацетил-КоА, ЩУК, a-кетоглутарата для
работы ЦТК?
2. Какие реакции ЦТК являются источниками восстановленных коферментов для ды-
хательной цепи?
3. В чем заключается интеграционная, амфиболическая и энергетическая роль ЦТК?
4. Рассчитайте выход АТФ при окислении ацетил-КоА? Укажите сколько АТФ при
этом образуется на уровне окислительно фосфорилирования, а какое количество АТФ на
уровне субстратного фосфорилирования.
5. Назовите регуляторные ферменты ЦТК. Как влияет высокий и низкий уровень АТФ
на активность ключевых ферментов ЦТК?
6. Почему при недостатке витаминов группы В происходит нарушение функциониро-
вания ЦТК?
7. В реакциях ЦТК отсутствует кислород, однако цикл работает только в аэробных
условиях. Объясните почему?