ЦТК – заключительный этап катаболизма углеводов, липидов и белков, в ходе которого двухуглеродный остаток ацетила разлагается до 2-х молекул углекислого газа.
1. Начальная реакция – конденсация ацетила и молекулы оксалоацетата с образование лимонной кислоты (цитрата)
Фермент : цитратсинтаза. Скорость реакции зависит от количества оксалоацетата, который является одновременно субстратом и аллостерическим активатором для цитратсинтазы.
2. Превращение лимонной кислоты в изолимонную (цитрата в изоцитрат). Реакция протекает в два этапа с образованием промежуточного продукта – цис-аконитовой кислоты.
Фермент: аконитаза. В условиях клетки равновесие в системе этих двух реакций сдвинуто в сторону образования изоцитрата, из-за постоянной его убыли в последующей реакции.
3. Окисление (дегидрирование) изолимонной кислоты (изоцитрата). Это первая реакция дегидрирования в ЦТК, которая служит потенциальным источником энергии. В ходе этой реакции происходит отщепление первой молекулы углекислого газа.
Фермент: изоцитратдегидрогеназа . В качестве кофермента содержит НАД + . Это основной регуляторный фермент цикла, его эффекторы: активатор – НАД + , ингибитор – НАДН.
Так как начальные промежуточные продукты изучаемого процесса являются трикарбоновыми кислотами, то его называют циклом трикарбоновых кислот, а по исследователю – циклом Кребса.
4. Окислительное декарбоксилирование a-кетоглутаровой кислоты. Это вторая реакция дегидрирования в ЦТК и вторая реакция, сопровождающаяся образованием конечного продукта – СО 2 . Равновесие в этой реакции настолько сдвинуто вправо, что её можно считать физиологически необратимой
Фермент: мультиэнзимный комплекс a-кетоглутаратдегидрогеназа . В состав комплекса входят 3 фермента:
1. a-кетоглутаратдекарбоксилаза
2. трансацилаза
3. дигидролипоилдегидрогеназа
Комплекс включает 5 коферментов: ТДФ, липоевая кислота, НS-КоА, ФАД, НАД + .
5. Реакция III-го субстратного фосфорилирования
Эта реакция сопряжена с образование АТФ.
Фермент : сукцинаттиокиназа.
Субстратное фосфорилирование это способ синтеза АТФ или ГТФ за счёт энергии макроэргических молекул. Биологическая роль процесса – быстрое получение АТФ в клетке без затраты кислорода.
6. Окисление янтарной кислоты (сукцината). 3-я реакция дегидрирования.
Фермент: сукцинатдегидрогеназа. В качестве кофермента содержит ФАД. Это единственный фермент ЦТК который находится не в растворимой части матрикса, а связан с внутренней мембраной митохондрий. В качестве конкурентного ингибитора этого фермента может быть использована малоновая кислота – структурный аналог янтарной кислоты.
7. Образование яблочной кислоты (малата)
Фермент : фумараза. Этотфермент обладает стереохимической специфичностью и способен присоединять воду по двойной связи только в транс конформации.
8. Окисление яблочной кислоты (малата) – 4-я реакция дегидрирования.
Фермент: малатдегидрогеназа. В качестве кофермента содержит НАД + .
Образующий в ходе реакций оксалоацетат является одновременно начальным субстратом, что и делает процесс циклическим.
Биологическая роль цикла Кребса :
ЦТК это центральный метаболический путь, который связан с превращением всех остальных классов биомолекул. Выполняет две основные функции
1. энергетическая функция. ЦТК является основным поставщиком водородов в составе НАДН и ФАДН 2 в дыхательную цепь. В последующем, е, содержащиеся в составе этих водородов, переносятся при участии ферментов дыхательной цепи на кислород с образованием конечного продукта окисления – воды, а выделяющаяся при этом энергия используется на синтез АТФ. ЦТК это аэробный процесс, требующий постоянного участия кислорода. В отсутствии кислорода происходит накопление восстановленных форм НАДН и ФАДН и, как следствие торможение реакций дегидрирования ЦТК.
Кроме того, в ходе реакций ЦТК образуется 1 моль ГТФ в реакции субстратного фосфорилирования.
2. Амфиболическая функция.
Под амфиболической функцией цикла Кребса понимают использование интермедиатов (промежуточных продуктов) цикла на синтез других молекул. Например, сукцинил-КоА является исходным соединением в синтезе гема; a-кетоглутарат – аминокислот (глутамата, глутамина, пролина, гистидина) .
Использование промежуточных продуктов цикла Кребса на синтетические процессы приводит к снижению уровня оксалоацетата в митохондриях, торможению цикла и нарушению энергетического обмена. Для того чтобы этого не происходило, в митохондриях существуют реакции, пополняющие фонд оксалоацетата.
Реакции, пополняющие запас оксалоацетата в митохондрии называются анаплеротическими.
1. Карбоксилирование пирувата:
Фермент: пируваткарбоксилаза
2. Трансаминирование аспарагиновой кислоты:
Аспартат + a-КГ оксалоацетат + глутамат
Фермент: аспартатаминотрансфераза.
Регуляция цикла Кребса.
Регуляция осуществляется по двум механизмам:
1. Фосфорилирование-дефосфорилирование. При высоком уровне АТФ в митохондриях происходит фосфорилирование 1-го фермента – цитратсинтазы и скорость реакций цикла Кребся снижается. При снижении АТФ и накоплении АДФ происходит дефосфорилирование фермента и его активность повышается.
2. Аллостерическая регуляция. По такому механизму осуществляется регуляция двух ферментов.
Цитратсинтаза активируется оксалоацетатом.
Изоцитратдегидрогеназа (основной регуляторный фермент) активируется НАД + и ингибируется НАДН 2
a-кетоглутаратдегидрогеназа ингибируется продуктом реакции – сукцинил-КоА.
Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК ) или цикл лимонной кислоты или цикл Кребса – путь окислительных превращений ди- и трикарбоновых кислот, образующихся в качестве промежуточных продуктов при распаде и синтезе белков, жиров и углеводов.
Цикл трикарбоновых кислот представлен в клетках всех организмов: растений, животных и микроорганизмов.
Этот цикл является основой метаболизма и выполняет две важных функции :
- снабжения организма энергией ;
- интеграции всех главных метаболических потоков, как катаболических (биорасщепление), так и анаболических (биосинтез) .
Напомню, что реакции аэробного гликолиза локализованы в цитоплазме клетки и приводят к образованию пирувата (ПВК ).
!!! Последующие превращения пирувата протекают в матриксе митохондрий .
В матриксе пируват превращается в ацетил-КоА – макроэргическое соединение . Реакция катализируется ферментом НАД-зависимой пируватдекарбоксилазой :
Восстановленная формаНАДН∙Н + , образовавшаяся в результате этой реакции, поступает в дыхательную цепь и генерирует 6 молекул АТФ (в пересчете на 1 молекулу глюкозы).
!!! ЦТК представляет собой последовательность из восьми реакций, протекающих в матриксе митохондрий (Рис. 9.6 ):
Рис. 9.6. Схема цикла трикарбоновых кислот
1) Необратимая реакция конденсации ацетил-КоА со щавелевоуксусной кислотой (оксалоацетатом), катализируемая ферментом цитратсинтетазой , с образованием лимонной кислоты (цитрата ).
2) Обратимая реакция изомеризация лимонной кислоты (цитрата ) в изолимонную кислоту (изоцитрат ), в процессе которой происходит перенос гидроксигруппы к другому атому углерода , катализируется ферментом аконитазой .
Реакция идёт через образование промежуточного продукта
цис-аканитовой кислоты
(цис-аконитата
).
3) Необратимая
реакция окислительного декарбоксилирования изолимонной кислоты
(изоцитрата
): гидроксигруппа изолимонной кислоты
окисляется до карбонильной группы
с помощью окисленной формы НАД +
и одновременно отщепляется карбоксильная группа в
β-положении
с образованием α-кетоглутаровой кислоты
(α-кетоглутарата
). Промежуточный продукт этой реакции щавелевоянтарная кислота
(оксалосукцинат
).
Это первая реакция цикла, в которой происходит восстановление окисленной формы НАД + -кофермента до НАДН∙Н + , фермента изоцитратдегидрогеназы .
Восстановленная форма НАДН∙Н поступает в дыхательную цепь , там окисляется до НАД + , что приводит к образованию 2 молекул АТФ .
4) Обратимая
реакция окислительного декарбоксилирования
α-кетоглутаровой кислоты
до макроэргического
соединения сукцинил-КоА
. Реакцию катализирует фермент 2-оксоглутаратдегидрогеназный комплекс
.
5) Реакция является единственной в цикле реакцией ; катализируется ферментом сукцинил-КоА-синтетазой. В этой реакции сукцинил-КоА при участии гуанодиндифосфата (ГДФ ) и неорганического фосфата (H 3 PO 4 ) превращается в янтарную кислоту (сукцинат ).
!!! Одновременно происходит синтез макроэргического соединения ГТФ за счёт макроэргической связи тиоэфирной связи сукцинил-КоА .
6) Реакция дегидрирования янтарной кислоты (сукцината ) с образованием фумаровой кислоты (фумарата ).
Реакция катализируется сложным ферментом сукцинатдегидрогеназой , в молекуле которой кофермент ФАД + ковалентно связан, а белковой частью фермента. Окисленная форма ФАД + в результате реакции восстанавливается до ФАД∙Н 2 .
Восстановленная форма ФАД∙Н 2 поступает в дыхательную цепь , там регенерирует до окисленной формы ФАД + , что приводит к образованию двух молекул АТФ.
7) Реакция гидратации фумаровой кислоты (фумарата ) до яблочной кислоты (малата фумаразой .
8) Реакция дегидрирования яблочной кислоты до щавелеуксусной кислоты (оксалоацетата ). Реакция катализируется ферментом НАД + -зависимой-малатдегидрогеназой .
В результате реакции окисленная форма НАД восстанавливается до восстановленной формы НАДН∙Н + .
Восстановленная форма НАДН∙Н поступает в дыхательную цепь , там окисляется до НАД + , что приводит к образованию 2 молекул АТФ .
Суммарное уравнение ЦТК можно записать следующим образом:
Ацетил-КоА + 3НАД + + ФАД + + ГДФ + H 3 PO 4 =
2CO 2 + H 2 O + HS-КоА + 3НАДН∙Н + ФАД∙Н 2 + ГТФ
Как видно из схемы суммарного уравнения ЦТК в этом процессе восстанавливаются:
Три молекулы НАДН∙Н (реакции 3, 4, 8);
Одна молекула ФАД∙Н 2 (реакция 6).
При аэробном окислении из этих молекул в электрон-транспортной цепи в процессе окислительного фосфорилирования образуется при окислении:
- одной молекулы НАДН∙Н – 3 молекулы АТФ ;
- одной молекулы ФАД∙Н 2 – 2 молекулы АТФ .
- одна молекула ГТФ образуется в реакции субстратного фосфорилирования (реакция 5 ).
Всё это составит: 9 (3х3) АТФ + 2 АТФ + 1 АТФ (ГТФ ) = 12 АТФ . Следовательно, энергетический баланс окисления ацетил-КоА (2 молекулы пирувата из аэробного гликолиза ) в ЦТК составляет 24 молекулы АТФ .
!!! Полное окисление глюкозы :
8 молекул АТФ
гликолиза + 6 молекул АТФ
окислительного декарбоксилирование пирувата в цетил-КоА
+ 24 молекулы АТФ
ЦТК =
38 молекул АТФ
на молекулу глюкозы.
Цикл трикарбоновых кислот был открыт в 1937 г. Г. Кребсом. В этой связи он получил название “цикл Кребса”. Данный процесс является цент-ральным путем метаболизма. Он происходит в клетках организмов, стоящих на разных ступенях эволюционного развития (микроорганизмы, растения, животные).
Исходным субстратом цикла трикарбоновых кислот является ацетил-коэнзим А. Этот метаболит представляет собой активную форму уксусной кислоты. Уксусная кислота выступает в качестве общего промежуточного продукта распада почти всех органических веществ, содержащихся в клетках живых организмов. Это связано с тем, что органические молекулы являются соединениями углерода, которые естественно могут распадаться до двухуглеродных фрагментов уксусной кислоты.
Свободная уксусная кислота обладает сравнительно слабой реакционной способностью. Ее превращения происходят в довольно жестких условиях, которые нереальны в живой клетке. Поэтому в клетках происходит активация уксусной кислоты путем ее соединения с коэнзимом А. В результате образуется метаболически активная форма уксусной кислоты – ацетил-коэнзим А.
Коэнзим А представляет собой низкомолекулярное соединение, которое состоит из фосфоаденозина, остатка пантотеновой кислоты (витамина В3) и тиоэтаноламина. Остаток уксусной кислоты присоединяется к сульфгидрильной группе тиоэтаноламина. При этом образуется тиоэфир – ацетил-коэнзим А, представляющий собой исходный субстрат цикла Кребса.
Ацетил-коэнзим А
Схема превращения промежуточных продуктов в цикле Кребса представлена на рис. 67. Процесс начинается с конденсации ацетил-коэнзима А с оксалоацетатом (щавелевоуксусной кислотой, ЩУК), в результате которой образуется лимонная кислота (цитрат). Реакция катализируется ферментом цитратсинтазой.
Рисунок 67 – Схема превращения промежуточных продуктов в цикле
трикарбоновых кислот
Далее под действием фермента аконитазы лимонная кислота превращается в изолимонную. Изолимонная кислота подвергается процессам окисления и декарбоксилирования. В этой реакции, катализируемой ферментом НАД-зависимой изоцитратдегидрогеназы, в качестве продуктов образуются углекислый газ, восстановленный НАД, а также a-кетоглутаровая кислота, которая затем вовлекается в процесс окислительного декарбоксилирования (рис. 68).
Рисунок 68 – Образование a-кетоглутаровой кислоты в цикле Кребса
Процесс окислительного декарбоксилирования a-кетоглутарата катализируется ферментами a-кетоглутаратдегидрогеназного мультиферментного комплекса. Этот комплекс состоит из трех различных ферментов Для его функционирования требуются коферменты. Коферменты a-кето-глутаратдегидрогеназного комплекса включают следующие водорастворимые витамины:
· витамин В 1 (тиамин) – тиаминпирофосфат;
· витамин В 2 (рибофлавин) – ФАД;
· витамин В 3 (пантотеновая кислота) – коэнзим А;
· витамин В 5 (никотинамид) – НАД;
· витаминоподобное вещество – липоевую кислоту.
Схематически процесс окислительного декарбоксилирования a-кето-глутаровой кислоты можно представить в виде следующего балансового уравнения реакции:
Продуктом этого процесса является тиоэфир остатка янтарной кис-лоты (сукцината) с коэнзимом А – сукцинил-коэнзим А. Тиоэфирная связь сукцинил-коэнзима А является макроэргической.
Следующая реакция цикла Кребса представляет собой процесс субстратного фосфорилирования. В ней происходит гидролиз тиоэфирной связи сукцинил-коэнзима А под действием фермента сукцинил-КоА-синтетазы с образованием янтарной кислоты (сукцината) и свободного коэнзима А. Этот процесс сопровождается освобождением энергии, которая тут же используется для фосфорилирования ГДФ, в результате которого образуется молекула макроэргического фосфата ГТФ. Субстратное фосфорилирование в цикле Кребса:
где Ф н – ортофосфорная кислота.
Образующийся в процессе окислительного фосфорилирования ГТФ может использоваться в качестве источника энергии в различных энергозависимых реакциях (в процессе биосинтеза белка, активации жирных кислот и др.). Помимо этого, ГТФ может использоваться для образования АТФ в нуклеозиддифосфаткиназной реакции
Продукт сукцинил-КоА-синтетазной реакции – сукцинат далее окисляется с участием фермента сукцинатдегидрогеназы. Этот энзим представляет собой флавиновую дегидрогеназу, в состав которой в качестве кофермента (простетической группы) входит молекула ФАД. В результате реакции янтарная кислота окисляется в фумаровую. Одновременно с этим происходит восстановление ФАД.
где Е – ФАД простетическая группа, связанная с полипептидной цепью фермента.
Образовавшаяся в сукцинатдегидрогеназной реакции фумаровая кислота, под действием фермента фумаразы (рис. 69), присоединяет молекулу воды и превращается в яблочную кислоту, которая затем окисляется в малатдегидрогеназной реакции в щавелево-уксусную кислоту (оксалоацетат). Последний может вновь использоваться в цитратсинтазной реакции для синтеза лимонной кислоты (рис. 67). За счет этого превращения в цикле Кребса имеют циклический характер.
Рисунок 69 – Метаболизм яблочной кислоты в цикле Кребса
Балансовое уравнение цикла Кребса может быть представлено в виде:
Из него видно, что в цикле происходит полное окисление ацетильного радикала остатка из ацетил-коэнзима А до двух молекул СО 2 . Этот процесс сопровождается образованием трех молекул восстановленного НАД, одной молекулы восстановленного ФАД и одной молекулы макроэргичес-кого фосфата – ГТФ.
Цикл Кребса происходит в матриксе митохондрий. Это связано с тем, что именно здесь находится большинство его ферментов. И только единственный фермент – сукцинатдегидрогеназа – встроен во внутреннюю митохондриальную мембрану. Отдельные энзимы цикла трикарбоновых кислот объединены в функциональный полиферментный комплекс (метаболон), связанный с внутренней поверхностью внутренней митохондриальной мембраны. За счет объединения ферментов в метаболон существенно повышается эффективность функционирования данного метаболического пути и появляются дополнительные возможности для его тонкой регуляции.
Особенности регуляции цикла трикарбоновых кислот во многом определяются его значением. Этот процесс выполняет следующие функции:
1) энергетическую. Цикл Кребса представляет собой наиболее мощный источник субстратов (восстановленных коферментов – НАД и ФАД) для тканевого дыхания. Помимо этого в нем происходит запасание энергии в форме макроэргического фосфата – ГТФ;
2) пластическую . Промежуточные продукты цикла Кребса являются предшественниками для синтеза различных классов органических веществ – аминокислот, моносахаридов, жирных кислот и т.д.
Таким образом, цикл Кребса выполняет двойственную функцию: с одной стороны, он является общим путем катаболизма, играющим центральную роль в энергетическом обеспечении клетки, а с другой, – обеспечивает биосинтетические процессы субстратами. Подобные обменные процессы получили название амфиболических. Цикл Кребса представляет собой типичный амфиболический цикл.
Регуляция обменных процессов в клетке тесно связана с существованием “ключевых” ферментов. Ключевыми являются те ферменты процесса, которые определяют его скорость. Как правило, одним из “ключевых” ферментов процесса является энзим, катализирующий его начальную реакцию.
Для “ключевых” ферментов характерны следующие особенности. Эти ферменты
· катализируют необратимые реакции;
· обладают наименьшей активностью по сравнению с другими энзимами, принимающими участие в процессе;
· представляют собой аллостерические ферменты.
Ключевыми ферментами цикла Кребса являются цитратсинтаза и изоцитратдегидрогеназа. Подобно ключевым ферментам других метаболических путей их активность регулируется по принципу отрицательной обратной связи: она снижается при повышении концентрации промежуточных продуктов цикла Кребса в митохондриях. Так, в качестве ингибиторов цитратсинтазы выступают лимонная кислота и сукцинил-коэнзим А, а в качестве изоцитратдегидрогеназы – восстановленный НАД.
АДФ является активатором изоцитратдегидрогеназы. В условиях повышения потребности клетки в АТФ как источника энергии, когда в ней увеличивается содержание продуктов распада (АДФ), возникают предпосылки для повышения скорости окислительно-восстановительных превращений в цикле Кребса и, следовательно, возрастания уровня ее энергетического обеспечения.
В 30-х годах двадцатого века немецкий учёный Ганс Кребс вместе со своим учеником занимается изучением циркуляции мочевины. Во время Второй мировой войны, Кребс перебирается в Англию где и приходит к выводу, что некоторые кислоты катализируют процессы в нашем организме. За это открытие ему была вручена Нобелевская премия.
Как известно, энергетический потенциал организма зависит от глюкозы, которая содержится в нашей крови. Также, клетки человеческого организма содержат митохондрии, которые помогают в переработке глюкозы с целью её превращения в энергию. После некоторых преобразований глюкоза превращается в вещество под названием «аденозинтрифосфат» (АТФ) – главный источник энергии клеток. Его структура такова, что он может встраиваться в белок, и это соединение будет обеспечивать энергией все системы органов человека. Напрямую глюкоза не может стать АТФ, поэтому используются сложные механизмы для получения нужного результата. Им и является цикл Кребса.
Если говорить совсем уж простым языком, то цикл Кребса — это цепочка химических реакций, происходящих в каждой клетке нашего тела, которая называется циклом потому, что продолжается непрерывно. Конечным результатом данного цикла реакций является производство аденозинтрифосфата — вещества, которое представляет собой энергетическую основу жизнедеятельности организма. По-другому этот цикл называется клеточным дыханием, так как большинство его стадий происходят с участием кислорода. Кроме того, выделяют важнейшую функцию цикла Кребса – пластическую (строительную), так как во время цикла вырабатываются важные для жизнедеятельности элементы: углеводы, аминокислоты и т. д.
Для осуществления всего вышеизложенного необходимо наличие более ста различных элементов, в том числе витаминов. При отсутствии или недостатке хотя бы одного из них цикл будет недостаточно эффективным, что приведёт к нарушению метаболизма во всём теле человека.
Этапы цикла Кребса
- Первый этап заключается в расщеплении молекул глюкозы на две молекулы пировиноградной кислоты. Пировиноградная кислота выполняет важную метаболическую функцию, от её действия напрямую зависит работа печени. Доказано, что данное соединение содержится в некоторых фруктах, ягодах и даже в мёде; её успешно применяют в косметологии, как способ борьбы с отмершими клетками эпителия (гоммаж). Также, в результате реакции может образоваться лактат (молочная кислота), которая имеется в поперечнополосатой мускулатуре, крови (точнее в эритроцитах) и мозге человека. Важный элемент в работе сердца и нервной системы. Происходит реакция декарбоксилирования, то есть отщепление карбоксильной (кислотной) группы аминокислот, в процессе которой образуется кофермент А – он выполняет функцию транспортировки углерода в различных обменных процессах. При соединении с молекулой оксалоацетата (щавелевой кислоты) получается цитрат, который фигурирует в буферных обменах, т. е. «на себе» переносит полезные вещества в нашем организме и помогает им усваиваться. На данном этапе кофермент А полностью высвобождается, плюс, мы получаем молекулу воды. Данная реакция является необратимой.
- Вторая стадия характеризуется дегидрированием (отщеплением молекул воды) от цитрата, что дают нам цис-аконитат (аконитовая кислота), который помогает в образовании изоцитрата. По концентрации данного вещества, например, можно определить качество фруктов или фруктового сока.
- Третий этап. Здесь от изолимонной кислоты отделяется карбоксильная группа, что в результате даёт кетоглутаровую кислоту. Альфа-кетоглутарат участвует в улучшении всасывания аминокислот из поступающей пищи, улучшает метаболизм и предупреждает появление стрессов. Также образовывается NADH – вещество необходимое для нормального протекания окислительных и обменных процессов в клетках.
- На следующем этапе при отделении карбоксильной группы образуется сукцинил-КоА, который является важнейшим элементом в образовании анаболических веществ (белков и т.д.). Возникает процесс гидролиза (соединение с молекулой воды) и высвобождается энергия АТФ.
- На последующих стадия цикл начнёт замыкаться, т.е. сукцинат снова потеряет молекулу воды, что превращает его в фумарат (вещество способствующее переносу водорода к коферментам). К фумарату присоединяется вода и образуется малат (яблочная кислота), она окисляется, что снова приводит к появлению оксалоацетата. Оксалоацетата, в свою очередь, выступает в роли катализатора в вышеуказанных процессах, его концентрациях в митохондриях клеток постоянна, но, при этом, довольна низкая.
Таким образом можно выделить важнейшие функции данного цикла:
- энергетическая;
- анаболическая (синтез органических веществ – аминокислот, жирных белков и т.д.);
- катаболическая: превращение некоторых веществ в катализаторы – элементы, способствующие выработке энергии;
- транспортная, в основном происходит транспортировка водорода, участвующего в дыхании клеток.
Краткие исторические сведения
Наш любимый цикл – ЦТК, или Цикл трикарбоновых кислот – жизнь на Земле и под Землей и в Земле… Стоп, а вообще это самый удивительный механизм – он универсален, является путем окисления продуктов распада углеводов, жиров, белков в клетках живых организмов, в результате получаем энергию для деятельности нашего тела.
Открыл этот процесс собственно Кребс Ганс, за что и получил Нобелевскую премию!
Родился он в августе 25 - 1900 года в Германии город Хильдесхайм. Получил медицинское образование Гамбургского университета, продолжил биохимические исследования под руководством Отто Вaрбурга в Берлине.
В 1930 открыл вместе со студентом своим процесс обезвреживания аммиака в организме, который был у многих представителей живого мира, в том числе и человека. Этот цикл – цикл образования мочевины, который также известен под именем цикла Кребса №1.
Когда к власти пришел Гитлер, Ганс эмигрировал в Великобританию, где продолжает заниматься наукой в Кембриджском и Шеффилдском университетах. Развивая исследования биохимика из Венгрии Альберта Сент-Дьёрди, получает озарение и делает самый знаменитый цикл Кребса № 2, или по-другому "цикл Сент-Дьёрди – Кребса" - 1937.
Результаты исследований посылаются в журнал "Nature", который отказывает в напечатании статьи. Тогда текст перелетает в журнал "Enzymologia" в Голландии. Кребс получает Нобелевскую премию в 1953 по физиологии и медицине.
Открытие было удивительным: в 1935 Сент-Дьёрди находит, что янтарная, оксалоуксусная, фумаровая и яблочная кислоты (все 4 кислоты - естественные химические компоненты клеток животных) усиливают процесс окисления в грудной мышце голубя. Которая была измельчена.
Именно в ней процессы метаболические идут с наибольшей скоростью.
Ф. Кнооп и К.Мартиус в 1937 году находят, что лимонная кислота превращается в изолимонную через продукт промежуточный, цис – аконитовую кислоту. Кроме того изолимонная кислота могла превращаться в а-кетоглутаровую, а та – в янтарную.
Кребс заметил действие кислот на поглощение О2 грудной мышцей голубя и выявил из активирующее действие на окисление ПВК и образование Ацетил-Коэнзима А. Кроме того процессы в мышце угнетались малоновой кислотой, которая похожа на янтарную и могла конкурентно ингибировать ферменты, у которых субстрат – янтарная кислота.
Когда Кребс добавлял малоновую кислоту к среде реакции, то начиналось накопление а-кетоглутаровой, лимонной и янтарной кислот. Таким образом понятно, что действие совместное а-кетоглутаровой, лимонной кислот приводит к образованию янтарной.
Ганс исследовал еще более 20 веществ, но они не влияли на окисление. Сопоставив полученные данные, Кребс получил цикл. В самом начале исследователь не мог точно сказать начинается процесс с лимонно или изолимонной кислоты, поэтому назвал "цикл трикарбоновых кислот".
Сейчас мы знаем, что первой является лимонная кислота, поэтому правильно - цитратный цикл или цикл лимонной кислоты.
У эукариот реакции ЦТК протекают в митохондриях, при этом все ферменты для катализа, кроме 1, содержатся в свободном состоянии в матриксе митохондрии, исключение - сукцинатдегидрогеназа - локализуется на внутренней мембране митохондрии, встраивается в липидный бислой. У прокариот реакции цикла протекают в цитоплазме.
Познакомимся с участниками цикла:
1) Ацетил-Коэнзим А:- ацетильная группа - Acetyl group
- коэнзим А - Coenzyme A:
2) ЩУК – Оксалоацетат - Щавелево-Уксусная кислота:
как бы состоит из двух частей: щавелевая и уксусная кислота.
3-4) Лимонная и Изолимонная кислоты:
5) а-Кетоглутаровая кислота:
6) Сукцинил-Коэнзим А:
7) Янтарная кислота:
8) Фумаровая кислота:
9) Яблочная кислота:
Как же происходят реакции? В целом мы все привыкли к виду кольца, что и представлено снизу на картинке. Еще ниже все расписано по этапам:
1. Конденсация Ацетил-Коэнзима А и Щавелево-Уксусной кислоты ➙ лимонная кислота.
Превращение Ацетил-Коэнзима А берут начало с конденсации со Щавелево-Уксусной кислотой, в результате образуется лимонная кислота.
Реакция не требует расхода АТФ, так как энергия для этого процесса обеспечивается в результате гидролиза тиоэфирной связи с Ацетил-Коэнзимом А, которая является макроэргической:
2. Лимонная кислота через цис-аконитовую переходит в изолимонную.
Происходит изомеризация лимонной кислоты в изолимонную. Фермент превращения - аконитаза - дегидратирует вначале лимонную кислоту с образованием цис-аконитовой кислоты, потом соединяет воду к двойной связи метаболита, образуя изолимонную кислоту:
3. Изолимонная дегидрируется с образованием а-кетоглутаровой и СО2.
Изолимонная кислота окисляется специфической дегидрогеназой, кофермент которой - НАД.
Одновременно с окислением идет декарбоксилирование изолимонной кислоты. В результате превращений образуется α-кетоглутаровая кислота.
4. Альфа-кетоглутаровая кислота дегидрируется ➙ сукцинил-коэнзим А и СО2.
Следующая стадия - окислительное декарбоксилирование α-кетоглутаровой кислоты.
Катализируется α-кетоглутаратдегидрогеназным комплексом, который аналогичен по механизму, структуре и действию пируватдегидрогеназному комплексу. В результате образуется сукцинил-КоА.
5. Сукцинил-коэнзим А ➙ янтарная кислота.
Сукцинил-КоА гидролизуется до свободной янтарной кислоты, выделяющаяся энергия сохраняется путем образования гуанозинтрифосфата. Эта стадия - единственная в цикле, прикоторой прямо выделится энергия.
6. Янтарная кислота дегидрируется ➙ фумаровая.
Дегидрирование янтарной кислоты ускоряется сукцинатдегидрогеназой, коферментом ее является ФАД.
7. Фумаровая гидратируется ➙ яблочная.
Фумаровая кислота, которая образуется при дегидрировании янтарной кислоты, гидратируется и образуется яблочная.
8. Яблочная кислота дегидрируется ➙ Щавелево-Уксусная - цикл замыкается.
Заключительный процесс - дегидрирование яблочной кислоты, катализируемое малатдегидрогеназой;
Результат стадии - метаболит, с которого начинается цикл трикарбоновых кислот - Щавелево-Уксусная кислота.
В 1 реакцию следующего цикла вступит другая м-ла Ацетил-Коэнзима А.
Как запомнить этот цикл? Просто!
1) Очень образное выражение:Целый Ананас И Кусочек Суфле Сегодня Фактически Мой Обед , что соответствует- цитрат, цис-аконитат, изоцитрат, (альфа-)кетоглутарат, сукцинил-CoA, сукцинат, фумарат, малат, оксалоацетат.
2) Другое длинное стихотворение:
ЩУКа съела ацетат, получается цитрaт,
Через цисaконитaт будет он изоцитрaт.
Вoдoрoды отдaв НАД, oн теряет СО2,
Этoму безмернo рaд aльфa-кетоглутaрaт.
Окисление грядет - НАД похитил вoдoрoд,
ТДФ, коэнзим А забирают СО2.
А энергия едва в сукциниле пoявилась,
Сразу АТФ рoдилась и oстался сукцинат.
Вот дoбрался он дo ФАДа - вoдoрoды тому надo,
Фумарат воды напился, и в малат oн превратился.
Тут к малату НАД пришел, вoдoрoды приобрел,
ЩУКа снoва oбъявилась и тихoнькo затаилась.
3) Оригинальное стихотворение – покороче:
ЩУКу АЦЕТИЛ ЛИМOНил,
Нo нарЦИСсA КOНь боялся,
Oн над ним ИЗOЛИМOННо
AЛЬФA - КЕТOГЛУТAРался.
CУКЦИНИЛся КOЭНЗИМом,
ЯНТAРился ФУМАРOВo,
ЯБЛОЧек припаc на зиму,
Обернулcя ЩУКой снова.
