Цикл трикарбоновых кислот ( цикл Кребса )

Цикл Кребса представляет собой высокоорганизованную циклическую систему взаимных превращений трикарбоновых и дикарбоновых кислот, катализируемую мультиэнзимной ферментной системой, представляющую собой основу клеточного метаболизма. Он функционирует в матриксе митохондрий. Этот метаболический путь назван именем его первооткрывателя, выдающегося биохимика, лауреата Нобелевской премии Ганса Кребса. Последовательность реакций цикла Кребса представлена на нижеследующей схеме. Несмотря на то, что метаболический путь является замкнутым, его началом считается реакция конденсации ацетильного остатка, активаторомпереносчиком которого является КоА, и щавелевоуксусной кислоты ( ЩУК или, иначе, оксалоацетат ) с образованием цитрата или лимонной кислоты. Эта реакция катализируется ферментов я_цитратсинтазойя. и часто называется цитратсинтазной реакцией.

Cхема реакций цикла Кребса

Далее в ходе двух последовательных реакций цитрат через цисаконитат превращается в изоцитрат. Обе эти реакции: отщепление и присоединение воды катализируется одним и тем же ферментом я_аконитазойя.. Следующая реакция уже носит окислительный характер: изоцитрат подвергается дегидрированию. Отщепленные от изоцитрата атомы водорода переносятся на НАД+ (точнее, на НАД+ переносится гидрид-ион, а протон уходит в окружающую водную фазу). Энергия этого окислительного процесса, а в основном накапливается в виде энергии восстановленного НАДН+Н+. Одновременно с дегидрированием происходит отщепление карбоксильной группы изоцитрата в виде СО2, и трикарбоновая кислота превращается в дикарбоновую 2оксоглутарат. Эта реакция катализируется ферментом я_изоцитратдегидрогеная_зойя..

Образовавшийся 2оксоглутарат на следующем этапе вновь подвергается окислительному декарбоксилированию. Он теряет 2 атома водорода, которые опять же переносятся на НАД+, и от него отщепляется молекула СО2. В результате 2оксуглатарат превращается сукцинилКоА. Это превращение катализируется я_надмолекулярным поя_лиферментным 2оксоглутаратдегидрогеназным комплексомя. , в состав которого входят ферменты трех типов, а также 5 кофакторов: НАД+, ФАД, КоА, ТДФ и ЛК. Энергия этого окислительного процесса накапливается, вопервых, в виде энергии восстановленного НАДН+Н+, вовторых, в виде энергии макроэргической связи сукцинилКоА. В следующей реакции, катализируемой я_сукциниля.~я_КоАсинтетазой,я. эта энергия трансформируется в энергию макроэргической связи ГТФ, а сукцинил~КоА превращается в сукцинат.

Далее сукцинат под действием ферментая_ сукцинатдегидрогеназы теряет 2 атома водорода и превращается в фумарат, а два атома водорода вместе с запасом энергии, выделяющейся при окислении, переносятся на ФАД. Фумарат под действиемя_ фумаразыя. присоединяет воду и переходит в малат. Малат, в свою очередь, под действиемя_ мая_латдегидрогеназыя. окисляется путем дегидрирования в щавелевоуксусную кислоту, замыкая тем самым цикл. Отщепленные от малата атомы водорода переносятся на НАД+, в восстановленной форме которого накапливается энергия окисления.

Что же происходит в цикле ? Это лучше всего рассмотреть на суммарном уравнении цикла, из которого исключены все промежуточные продукты:

Сравнение левой и правой частей суммарного уравнения показывает, что в ходе одного оборота цикла остаток ацетата расщепляется до 2 СО2, образуется 3 молекулы восстановленного НАД+ и 1 молекула восстановленного ФАД, в которых накапливается энергия окислительных реакций цикла. Кроме того, часть энергии окисления аккумулируется в макроэргической связи ГТФ. Из 250 ккал энергии, выделяющейся при окислении 1 моля ацетила, примерно 200 ккал энергии накапливается, а около 50 ккал переходит в теплоту и рассеивается.

Из уравнения также следует, что в окислительных реакциях цикла не участвует кислород, все они идут путем дегидрирования. Атомы кислорода, необходимые для образования СО2, происходят из молекул воды.

Работа цикла Кребса регулируется с помощью термодинамических и кинетических механизмов контроля. Термодинамические механизмы контролируют направление потока метаболитов в цикле Кребса, тогда как кинетические механизмы ответственны за регуляцию интенсивности потока метаболитов по циклу.

Пусковой реакцией цикла Кребса является цитратсинтазная реакция. Она сопровождается большой потерей свободной реакции (DG= 7,7 ккал/М) и в условиях матрикса митохондрий цитратсинтазная реакция практически необратима, хотя в цитозоле цитрат может превращаться в ацетилКоА и оксалоацетат с использованием энергии АТФ. Большой потерей свободной энергии сопровождается и превращение 2оксоглутарата в сукцинилКоА (DG = 8,0ккал/М ), в условиях клетки она абсолютно необратима. Таким образом, за счет включения в систему реакций цикла двух реакций, необратимых в условиях матрикса митохондрий, движение метаболитов в системе возможно только в одном направлении в направлении окисления ацетильных остатков.

Регуляция интенсивности потока метаболитов в цикле выглядит весьма сложно, однако проблема значительно упрощается, если принять во внимание, что одной из главных функций цикла является снабжение клеток энергией. Обеспеченность клетки можно количественно охарактеризовать величиной её энергетического заряда, который определяется по уравнению:

[АТФ] + ½[АДФ]

Эн.З. = [АТФ] + [АДФ] + [АМФ]

Когда клетка хорошо обеспечена энергия, большая часть содержащихся в ней адениновых нуклеотидов находится в виде АТФ и величина энергетического заряда приближается к 1,0, составляя в среднем 0,70,8. Если же клетка потратила большую часть энергии, то значение энергетического потенциала снижается меньше 0,5, и в ней нарастает концентрация АДФ и АМФ. Иначе говоря, высокая концентрация АТФ в клетке это признак её хорошей обеспеченности энергией, а высокая концентрация АДФ и АМФ признак нехватки энергии в клетке. Отсюда, работа цикла Кребса должна тормозиться высокой концентрацией АТФ ( энергии в клетке достаточно и целесообразно приберечь «энергетическое топливо») и стимулироваться при повышении в ней концентраций АДФ и АМФ ( энергии в клетке нехватает, необходимо включить механизм, обеспечивающий клетку энергией).

Аналогичную роль может играть и соотношение НАДН+Н+/НАД+ в клетке. Высокая концентрация НАДН+Н в клетке свидетельство того, что клетка достаточно хорошо обеспечена энергией, а высокая концентрация НАД+ сигнал о том, что энергия израсходована. В таком случае при высоких концентрациях НАДН+Н работа цикла Кребса должна притормаживаться, тогда как при повышении концентрации НАД+интенсивность потока метаболитов по циклу Кребса должна возрастать.

При рассмотрения вопроса о регуляции работы цикла следует учесть еще одно обстоятельство: промежуточные метаболиты цикла Кребса трикарбоновые и дикарбоновые кислоты являются сильными органическими кислотами и их избыточное накопление в клетке ( или в матриксе митохондрий ) нежелательно изза угрозы сдвига рН среды в кислую сторону, что может сопровождаться дезорганизацией работы ферментных систем, весьма чувствительных к изменениям водородного показателя.

Кинетический контроль работы цикла осуществляется за счет, вопервых, изменения концентрации субстратов, в особенности за счет изменения концентрации оксалоацетата и ацетилКоА, и , вовторых, за счет изменения активности регуляторных ферментов цикла. К ним относятся цитратсинтаза, изоцитратдегидрогеназа, 2оксоглутаратдегидрогеназный мультиэнзимный комплекс и сукцинатдегидрогеназа.

Скорость потока метаболитов по циклу Кребса, прежде всего, контролируется на его пусковой стадии, т.е. на уровне цитратсинтазной реакции. Этот контроль, вопервых, осуществляется путем изменения концентрации оксалоацетата в клетке и, вовторых, за счет изменения активности цинтратсинтазы, катализирующей эту реакцию. Активность цитрансинтазы по алостерическому механизму угнетается высокими концентрациями АТФ и НАДН+Н+ и сукцинилКоА. Угнетение активности фермента высокими концентрации АТФ и НАДН+Н+ позволяет сберегать»энергетическое топливо» при хорошей обеспеченности клетки энергией, а ингибирующее действие избытка сукцинилКоА направлено на предотвращение накопления в клетке промежуточных продуктов цикла.

Второе регуляторное звено изоцитратдегидрогеназная реакция. Изоцитратдегидрогеназа аллостерически ингибируется высокими концентрациями АТФ и НАДН+Н+, в то время как АДФ является аллостерическим активатором фермента. Кроме того, по некоторым сведениям аллостерическим активатором изоцитратдегидрогеназы является её субстрат изоцитрат.

Третьим пунктом регуляции является 2оксоглутаратдегидрогеназная реакция, причем в регуляции активности 2оксоглутаратдегидрогеназного полиферментного комплекса участвуют 2 механизма: механизм ковалентной модификации и механизм аллостерической модуляции. При высокой концентрации АТФ в клетке идет фосфорилирование комплекса и его активность снижается, причем фосфорилирование стимулируется по аллостерическому механизму высокими концентрациями в клетке АТФ, НАДН+Н+и сукцинилКоА. Дефосфорилирование комплекса, т.е. перевод его в активную форму аллостерически стимулируется повышенными концентрациями АМФ.

И, наконец, активность фермента сукцинатдегидрогеназы, катализирующего превращение сукцината в фумарат, угнетается по механизму конкурентного ингибирования высокими концентрациями малата и оксалоацетата. Это ингибирование направлено на предотвращение избыточного накопления промежуточных продуктов цикла в клетке.

В целом, при повышении концентрации АТФ и НАДН+Н+в клетках интенсивность потока метаболитов в цикле Кребса падает за счет аллостерического ингибирования и негативного эффекта ковалентной модификации; в то время как накопление АДФ и АМФ в клетке стимулирует работу цикла.

Дата добавления: 2014-07-14; просмотров: 763; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!