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 СО_2. 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 циклическийхарактер.

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.

Анаболическаяроль 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.

Водороддонорнаярольсостоит 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?

Глава 3

Обмен углеводов

· Понятие об углеводах, распространение в природе и значение для организма животных.

· Переваривание и всасывание углеводов.

· Анаэробное окисление углеводов.

· Аэробный гликолиз.

· Пентозофосфатный путь превращения углеводов.

· Глюконеогенез.

· Метилмалонатный путь.

· Биосинтез гликогена (гликогенез).

· Регуляция обмена углеводов.

· Нарушения обмена углеводов.

· ПОНЯТИЕ ОБ УГЛЕВОДАХ, РАСПРОСТРАНЕНИЕ В ПРИРОДЕ