цикл Кребса

Топик к лекции
ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ (ЦИКЛ КРЕБСА)
Цикл трикарбоновых кислот впервые был открыт английским биохимиком Г. Кребсом. Он
первым постулировал значение данного цикла для полного сгорания пирувата, главным
источником которого является гликолитическое превращение углеводов. В дальнейшем было
показано, что цикл трикарбо-новых кислот является тем центром, в котором сходятся практически
все метаболические пути. Таким образом, цикл Кребса – общий конечный путь окисления
ацетильных групп (в виде ацетил-КоА), в которые превращается в процессе катаболизма большая
часть органических молекул, играющих роль «клеточного топлива»: углеводов, жирных кислот и
аминокислот.
Образовавшийся в результате окислительного декарбоксилирования пирувата в митохондриях
ацетил-КоА вступает в цикл Кребса. Данный цикл происходит в матриксе митохондрий и состоит
из восьми последовательных реакций (рис. 10.9). Начинается цикл с присоединения ацетил-КоА к
оксалоацетату и образования лимонной кислоты (цитрата). Затем лимонная кислота
(шестиуглеродное соединение) путем ряда дегидрирований (отнятие водорода) и двух
декарбоксилирований (отщепление СО2) теряет два углеродных атома и снова в цикле Кребса
превращается в оксалоацетат (четырехуглеродное соединение), т.е. в результате полного оборота
цикла одна молекула ацетил-КоА сгорает до СО2 и Н2О, а молекула окса-лоацетата
регенерируется. Рассмотрим все восемь последовательных реакций (этапов) цикла Кребса.
Рис. 10.9. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса).
Цитратсинтаза:
Первая реакция катализируется ферментом цит-рат-синтазой, при этом ацетильная группа ацетилКоА конденсируется с оксалоацетатом, в результате чего образуется лимонная кислота:
По-видимому, в данной реакции в качестве промежуточного продукта образуется связанный с
ферментом цитрил-КоА. Затем последний самопроизвольно и необратимо гидролизуется с
образованием цитрата и HS-KoA.
У Цитратсинтазы есть 437 аминокислотных остатков, объединены в два основных подразделения,
состоящие из 20 альфа-спиралей. Эти альфа-спиралей составляют примерно 75% от третичной
структуры цитратсинтазы. Между этими двумя подразделениями, одной расщелиной существует
активный центр. Два связанных сайтов можно найти в активном центре, один для лимонной
кислоты или оксалоацетат, а другой для коэнзима А. АЦ содержит три ключевых остатков: His274,
His320 и Asp375 которые являются весьма избирательным в их взаимодействии с субстратом.
Цитратсинтазы имеет три ключевых аминокислот в активном центре, которые катализируют
превращение ацетил-КоА (H3CO-SCoA) и оксалоацетат (COO-CH2COCOO-) в цитрата (COOCH2COHCOOCH2COO-) и H-SCoA в альдольной реакции конденсации. Этот переход начинается
с отрицательно заряженными кислорода в R Asp375 в группе, депротонивая альфа-углерода
ацетил КоА. Это подталкивает к электронной форме двойной связи с карбонильными углерода,
которая, в свою очередь вынуждает C = O до забрать протонов для кислорода одного из атомов
азота в R-группы His274. Это нейтрализует R-группы (за счет формирования одинокая пара на
азот) и завершает образование енольной промежуточных (CH2COH-SCoA). На данный момент,
аминокислоты неподеленной пары His274 сформированных в последнем шаге нападения
протонов, который был добавлен кислорода в последнем шаге. Кислорода, то реформы
карбонильной связи, что освобождает половину C = C начать нуклеофильной атаки в оксалоацетат
в карбонильных углерода (COO-CH2COCOO-). Это освобождает половину карбонильной связи с
депротонированиям одной аминогруппы His320, который нейтрализует один из атомов азота в Rгруппой.
Это
результат
того
нуклеофильного
в
формировании
citroyl-КоА
(COOCH2CHCOOCH2COHSCoA2-). На данный момент, молекула воды принес и
депротонирована по аминогруппе His320 и гидролиз инициативе. Один из неподеленных пар
кислорода атакует карбонильных углерода citroyl-КоА. Это формирует тетраэдрических
промежуточных, и в результате выброса из-SCoA как карбонильных реформ. -SCoA
протонировано сформировать HSCoA. Наконец, гидроксильных добавил к карбонильной в
предыдущем шаге депротонированного и цитрата (-COOCH2COHCOO-CH2COO-) образуется .
Аконитаза:
В результате второй реакции образовавшаяся лимонная кислота подвергается дегидратированию с
образованием цис-аконитовой кислоты, которая, присоединяя молекулу воды, переходит в
изолимонную кислоту (изоцитрат). Катализирует эти обратимые реакции гидратации–
фермент
аконитатгидратаза
(аконитаза).
В
результате
происходит
дегидратации
взаимоперемещение Н и ОН в молекуле цитрата:
CIT=H2O+ACON и ACON+H2O=ICIT - превращение цитрат а в изоцитрат . Содержит железо в
Fe2+ - состоянии. Процесс протекает в две в две стадии: сначала происходит дегидратация с
образованием цис-аконитат а (часть его остается в комплексе с ферментом), а затем - гидратация и
образование изоцитрата.
Реакция ингибируется фторацетат ом, который сначала превращается во фторацетил-CoA;
последний конденсируется с оксалоацетат ом, образуя фторцитрат. Непосредственным
ингибитором аконитазы является фторцитрат; при ингибировании накапливается цитрат.
аконитаза взаимодействует с цитратом асимметрично: она всегда действует на ту часть молекулы
цитрата, которая образовалась из оксалоацетат а. Это сначала было трудно объяснить, так как
лимонная кислота является внешне симметричным соединением. Однако положение в
пространстве двух групп - CH2COOH лимонной кислоты относительно групп - OH и - COOH
неидентично. Об асимметричном действии аконитазы свидетельствует "судьба" меченого ацетилCoA (т. е. положение атомов 14C) в интермедиатах цикла лимонной кислоты. Возможно, что цисаконитат не является обязательным интермедиатом между цитратом и изоцитратом и образуется
на боковой ветви основного пути.
Изоцитратдегидрогеназа:
Третья реакция, по-видимому, лимитирует скорость цикла Кребса. Изолимонная кислота
дегидрируется в присутствии НАД-зависимой изо-цитратдегидрогеназы.
ICIT+NAD=NADH+CO2+AKG - дегидрогенирование изоцитрат а с образованием оксалосукцинат
а и затем декарбоксилирование оксалосукцината с образованием альфа-кетоглутарат а. Важным
компонентом реакции декарбоксилирования являются ионы Mn2+ (или Mg2+). Судя по имеющимся
данным, оксалосукцинат, образующийся на промежуточной стадии реакции, остается в комплексе
с ферментом. Описаны три различных формы изоцитратдегидрогеназы. Одна из них, NAD+зависимая, найдена только в митохондриях. Две другие формы фермента являются NADP+зависимыми ( изоцитратдегидрогеназа(NADP) ), причем одна из них также находится в
митохондриях, а другая в цитозоле. Окисление изоцитрата, связанное с работой дыхательной
цепи, осуществляется почти исключительно NAD+-зависимым ферментом.
В
ходе
изоцитратдегидрогеназной
реакции
изолимонная
кислота
одновременно
декарбоксилируется. НАД-зависимая изоцитратдегидрогеназа является аллостерическим
ферментом, которому в качестве специфического активатора необходим АДФ. Кроме того,
фермент для проявления своей активности нуждается в ионах Mg2+или Мn2+.
Во время четвертой реакции происходит окислительное декарбокси-лирование α-кетоглутаровой
кислоты с образованием высокоэнергетического соединения сукцинил-КоА. Механизм этой
реакции сходен с таковым реакции окислительного декарбоксилирования пирувата до ацетилКоА,
α-кетоглутаратдегидрогеназный
комплекс
напоминает
по
своей
структуре
пируватдегидрогеназный комплекс. Как в одном, так и в другом случае в реакции принимают
участие 5 коферментов: ТПФ, амид липоевой кислоты, HS-KoA, ФАД и НАД+.
Альфа-кетоглутаратдегидрогеназа:
Сотоит из многих копий трех энзимов: EI, в данном случае им является а КГД, а остальные два
компонента, E2 КГД и E3 КГД, очень сходны в обоих комплексах.
Пятая реакция катализируется ферментом сукцинил-КоА-синтета-зой. В ходе этой реакции
сукцинил-КоА при участии ГТФ и неорганического фосфата превращается в янтарную кислоту
(сукцинат). Одновременно происходит образование высокоэргической фосфатной связи ГТФ за
счет высокоэргической тиоэфирной связи сукцинил-КоА:
Сукцинилкофетмент А синтетаза:
Катализирует образование сукцината и коэнзим- А, 4-углеродного обмена веществ, из сукцинилКоА.
В результате шестой реакции сукцинат дегидрируется в фумаровую кислоту. Окисление
сукцината катализируется сукцинатдегидрогеназой, в молекуле которой с белком прочно
(ковалентно) связан кофермент ФАД. В свою очередь сукцинатдегидрогеназа прочно связана с
внутренней ми-тохондриальной мембраной:
Сукцинатдегидрогеназа:
Сукцинатдегидрогеназа
является ферментный комплекс, связанный с внутренней
митохондриальной мембраны митохондрий млекопитающих и многих бактериальных клеток. Это
единственный фермент, который участвует в обоих цикла лимонной кислоты и цепи транспорта
электронов.
Седьмая реакция осуществляется под влиянием фермента фума-ратгидратазы (фумаразы).
Образовавшаяся при этом фумаровая кислота гидратируется, продуктом реакции является
яблочная кислота (малат).
Фумараза:
Фумаразы представляет собой фермент, который катализирует обратимой гидратации /
обезвоживания фумарата в S-малат. Фумаразы поставляется в двух формах: митохондрий
и цитозоля. Митохондриальных изоферментов вовлечен в цикл Кребса (также известный
как цикл лимонной кислоты), а также цитозольного изофермент принимает участие в
метаболизме аминокислот и фумарата. Субклеточная локализации, устанавливается
наличие сигнальной последовательности аминокислот на вокзал митохондриальных
форме, а внутриклеточной локализации в цитозольного форме устанавливается abence в
последовательность сигналов, нашли в митохондриях различных.
Наконец, в ходе восьмой реакции цикла трикарбоновых кислот под влиянием митохондриальной
НАД-зависимой малатдегидрогеназы происходит окисление L-малата в оксалоацетат:
Малатдегидрогеназы (ЕС 1.1.1.37) является ферментом цикла лимонной кислоты, который
катализирует превращение яблочной в оксалоацетат (с использованием NAD +) и
наоборот (это обратимая реакция). Малатдегидрогеназы не следует путать с яблочной
фермент, который катализирует превращение яблочной до пирувата производства
NADPH.
Малатдегидрогеназы также участвует в глюконеогенез, синтез глюкозы из небольших
молекул. Пирувата в митохондриях действует пируваткарбоксилазы сформировать
оксалоацетат, цикла лимонной кислоты промежуточных. Для того, чтобы получить
оксалоацетат из митохондрий, малатдегидрогеназы сводит ее к яблочной, и затем
пересекает внутреннюю мембрану митохондрий. После того как в цитозоле, малат
окисляется обратно в оксалоацетат по цитозольного малатдегидрогеназы. Наконец,
phosphoenol-пирувата карбокси киназы (PEPCK) преобразует оксалоацетат к phosphoenol
пирувата.
Стадии цикла Кребса
Субстраты
Продукты
Оксалоацетат
+
Цитрат +
1
Ацетил-CoA + CoA-SH
H2O
Фермент
Цитратсинтаза
Тип реакции
Альдольная
конденсация
Комментари
й
лимитирующ
ая стадия,
превращает
C4
оксалоацетат
в С6
2 Цитрат
3
4
цис-аконитат
+
H2O
Дегидратация
цис-акониат +
изоцитрат
H2O
Изоцитрат +
NAD+
обратимая
изомеризация
аконитаза
гидратация
Оксалосукцин
ат +
NADH + H +
Окисление
изоцитратдегидрогеназа
образуется
NADH
(эквивалент
2.5 ATP)
необратимая
декарбоксилирован
стадия,
ие
образуется C5
α-кетоглутарат
Оксалосукцин
+
5
ат
CO2
образуется
NADH
(эквивалентн
α-кетоглутарат сукцинил-CoA
Окислительное
о 2.5 ATФ),
+
+
альфакетоглутаратдегидроген
декарбоксилирован
6
+
+
регенерация
NADH + H + аза
NAD +
ие
C4 цепи
CoA-SH
CO2
(освобождает
ся CoA-SH)
сукцинил-CoA сукцинат +
7 +
CoA-SH +
GDP + Pi
GTP
8
фумарат +
сукцинат +
убихинол
убихинон (Q)
(QH2)
сукцинилкофермент А
синтетаза
АДФ->ATP,[1]
субстратное
образуется 1
фосфорилирование ATP (или 1
GTF)
сукцинатдегидрогеназа
Окисление
фумарат +
9
H2O
L-малат
фумараза
H2Oприсоединение
(гидратация)
1 L-малат +
оксалоацетат
+
малатдегидрогеназа
окисление
используется
FAD как
простетическ
ая группа
(FAD>FADH2 на
первой
стадии
реакции) в
ферменте,[1]
образуется
эквивалент
1.5 ATP
образуется
NADH
0 NAD+
NADH + H+
Общее уравнение одного оборота цикла Кребса:
Ацетил-КоА → 2CO2 + КоА + 8e−
(эквивалетно
2.5 ATP)