Цикл трикарбоновых кислот

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО  ХОЗЯЙСТВА

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

ФГБОУ ВПО «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 
АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. ИМПЕРАТОРА ПЕТРА I»

 

КАФЕДРА БОТАНИКИ, ЗАЩИТЫ РАСТЕНИЙ, БИОХИМИИ И МИКРОБИОЛОГИИ

 

 

 

Курсовая работа

 

На тему: «Цикл трикарбоновых кислот»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент ТТ-2-3

Мельникова А.В.

 

Проверил: доцент

Мараева О.Б.

 

 

 

 

 

 

Воронеж

2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Конечным продуктом  гликолитического пути является пировиноградная  кислота (ПВК). У аэробных организмов (животные, растения, многие микроорганизмы) пируват подвергается дальнейшему превращению - окислительному декарбоксилированию с образованием ацетил-СоА. Этот активированный ацетильный комплекс далее полностью окисляется до СО₂ и Н₂О, вовлекаясь таким образом в цикл Кребса или цикл трикарбоновых кислот (ЦТК)

Этот цикл назван в  честь Ганса Кребса - английского  биохимика, лауреата Нобелевской премии, определившего последовательность реакций цикла.

Сущность цикла заключается  и заключается в окислительном разложении ацетильного остатка, в результате чего освобождаемая энергия в виде АТФ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Обзор литературных источников

В 1937 г., изучая промежуточные стадии обмена углеводов, Кребс сделал важнейшее открытие в биохимии. Он описал цикл лимонной кислоты, или цикл трикарбоновых кислот, который в настоящее время называется циклом Кребса. Этот цикл представляет собой общий конечный путь распада углеводов, белков и жиров до углекислого газа и воды и является главным источником энергии для большинства живых организмов.

Цикл Кребса в метаболизме  играет огромную роль. Он выполняет  следующие функции:

Интегративную - объединяет пути катаболизма углеводов, жиров, белков; во всех аэробных организмах он выступает в роли центрального метаболического пути углерода.

Амфиболическую - выполняет не только катаболитическю функцию распада ацетильных остатков, но и анаболитическую, поскольку субстраты цикла используются для синтеза других веществ.

Энергетическую - совместно с цепью переноса электронов является основным поставщиком химической энергии.

Окислительное декарбоксилирование пирувата с образованием ацетил-СоА и реакции цикла трикарбоновых кислот осуществляются в клеточных органеллах — митохондриях. Биохимические функции цикла указывают на то, что ацетат и любой компонент цикла должны быть хорошими источниками энергии и их можно употреблять с пищей как ценные энергетические вещества, лишь бы они, поступив в клетку, могли достигнуть ферментной системы, находящейся в митохондриях. Однако основным источником энергии аэробных организмов является углеводный материал, из которого она извлекается в ходе совместных процессов гликолиза и цикла трикарбоновых кислот. Сопряжение этих путей происходит на уровне превращения пируват ® ацетил-СоА, катализируемого пируватдегигрогеназным комплексом.

В ходе реакции происходят окислительное декарбоксилирование  ПВК с образованием тиоэфира:

 

Окислительное декарбоксилирование пирувата

Пируватдегидрогеназный комплекс представляет собой мультиферментную систему, включающую три фермента, каждый из которых катализирует определенную стадию окислительного декарбоксилирования. Этот комплекс хорошо изучен (табл. 1).

 

Таблица 1 Пируват дегидрогеназный комплекс

Фермент	Число цепей в молекуле	Кофактор	Катализируемая реакция
Пируватдегидрогеназный компонент	24	ТРР	Декарбоксилирование пирувата
Дигидролипоилтрансацетилаза	12	Липоамид	Окисление С2-фрагмента и перенос  на CoA-SH
Дигидролипоилдегидрогеназа	12	FAD	Регенерирование окисленной формы  липоамида

 

В процессе окислительного декарбоксилирования принимают  участие пять кофакторов: тиаминпирофосфат (ТРР), липоамид, CoA-SH, FAD, NAD и три фермента: пируватдегидрогеназа, трансацетилаза и дигидролипоилдегидрогеназа.

На первой стадии пируват соединяется с ТРР и подвергается де карбоксилированию.

На второй стадии гидроксиэтильная группа, связанная с ТРР, окисляется с образованием ацетильной группы и одновременно переносит ся на липоамид. Окисление катализируется дигидролипоилтрансаце тилазным компонентом. Липоамид представляет собой остаток липоевой кислоты, присоединенный к специфической лизиновой боковой цепи трансацетилазного компонента:

Окислителем в  реакции служит S-S группа липоамида, восстанавливающаяся в SH-группы:

 

Затем ацетильная группа переносится в ацетиллипоамида на СоА, образуя ацетил-СоА:

 

При переходе ацетильной группы на СоА  сохраняется богатая энергией тиофирная  связь.

На третьей, завершающей, стадии происходит восстановление окислительной формы  липоамида. Реакция катализируется дигидролипоилдегидрогеназным компонентом:

Все промежуточные продукты окислительного декарбоксилирова- ния  пирувата прочно связываются с комплексом. Скорость их превращения весьма тонко регулируется: она подавляется АТР и NADH и возрастает в присутствии ADP и NAD⁺.

Реакции цикла трикарбоновых кислот

Последовательность  всех реакций цикла Кребса показана на рис. 1 Данная схема представлена перед рассмотрением отдельных реакций цикла с целью создания целостного представления о данном пути. Упрощенно описывая этот достаточно сложный метаболический процесс, можно отметить, что в ходе его функционирования цитрат, представляющий собой С₆-соеди- нение, изомеризуется до изоцитрата. Последний последовательно превращается в С₅-соединение — 2-оксоглутарат и затем в С₄-соединения: сукцинат, фумарат, малат и оксалоацетат, являющийся исходным интермедиатом цикла. Таким образом, цикл завершается, а ацетильный остаток, вступающий в данный путь в виде ацетил-СоА, окисляется, что обеспечивает генерирование высокоэнергетических восстановленных коферментов - NADH и FADH₂, а также молекулы GTR в тканях животных или ATP в растительных тканях.

Цикл трикарбоновых  кислот состоит из 8 стадий, катализируемых 8 специфическими ферментами. Он начинается с конденсации ацетильного остатка (ацетил-СоА) с оксалоацетатом, в результате чего образуется цитрат.

Рис. 1 Цикл трикарбоновых  кислот

Реакция конденсации ацетил-СоА с оксалоацетатом — синтетическая, ведущая к образованию С-С-связи и к появлению трикарбоновой кислоты — цитрата:

Необходимая энергия для синтеза С-С-связи обеспечивается гидролизом тиоэфирной связи ацетил-СоА. Реакция катализируется цит-ратсинтазой, которая высокоспецифична к ацетил-СоА. Поскольку это первая реакция цикла, именно она играет важную роль в регуляции цикла в целом, о чем будет сказано ниже.

Вторая реакция цикла трикарбоновых кислот — обратимое превращение цитрата в изоцитрат. Реакция протекает через стадию образования цис-аконитата и катализируется ферментом аконитатгидратазой. Под действием этого фермента цитрат теряет молекулу воды и превращается в ненасыщенный цис-аконитат, который, не отделяясь от активного центра аконитазы, вновь присоединяет воду, но уже иным путем и образует изоцитрат:

Равновесие этой реакции в физиологических условиях сильно сдвинуто влево. На долю цитрата приходится 90 %, а изоцитрата — лишь 6 %. Течение процесса в нужном направлении обеспечивается постоянным уходом изоцитрата в результате его последующих превращений.

Третья реакция цикла трикарбоновых кислот — окислительное декарбоксилирование изоцитрата под действием фермента изоцитратдегидрогеназы, в результате чего образуется 2-оксоглутарат:

Это первая окислительно-восстановительная реакция в цикле три- карбоновых кислот; в цикле она играет основную регуляторную роль. NAD-зависимая изоцитратдегидрогеназа, функционирующая в ЦТК, является олигомерным ферментом, состоит из 8 субъединиц, имеет молекулярную массу 330 000, локализована только в митохондриях. Ее активатором является ADP, ингибитором — NADH.

Четвертая реакция цикла — окислительное декарбоксилирование 2-оксоглутарата с образованием сукцинил-СоА:

 

Реакция катализируется мультиферментным комплексом, аналогичным пируватдегидрогеназному комплексу, называемым 2-оксоглу- таратдегидрогеназным комплексом.

Пятая реакция — превращение сукцинил-СоА в сукцинат — осуществляется при участии фермента сукцинил-СоА-синтетазы:

 

 

Выделяющаяся при этом энергия сохраняется путем образования GTP. Эта реакция является реакцией субстратного фосфорилирова- ния, протекает в три стадии, в которых участвует один и тот же фермент Е:

1. Сукцинил-СоА + Е + Р_i ® Е-сукцинил~Р + CoA-SH;
2. Е-сукцинил~Р ® Е~Р + сукцинат;
3. Е~Р + GDP ® Е + GTP.

Образовавшийся GTP при участии митохондриальной нуклеозиддифосфаткиназы вступает в реакцию перефосфорилирования с ADP, в результате чего образуется АТР:

 

GTP + ADP ® GDP + ATP

 

Шестая реакция — дегидрирование сукцината до фумарата под действием сукцинатдегидрогеназы. Акцептором водорода в этой реакции является FAD; поскольку FAD ковалентно связан с боковой цепью сукцинатдегидрогеназы, ее часто называют флавопротеином. Фермент обладает абсолютной специфичностью; атомы водорода отщепляются только в транс-положении. Если бы такая специфичность отсутствовала, образовывалась бы смесь (50:50) двух изомеров: малеиновой (цис-) и фумаровой (транс-) кислот. Однако под действием сукцинатдегидрогеназы образуется только фумарат:

 

 

 

Сукцинатдегидрогеназа локализована на митохондриальной мембране. Все остальные ферменты цикла трикарбоновых кислот локализованы в матриксе митохондрий.

Седьмая реакция — гидратация фумарата с образованием малата, катализируемая фумаразой (фумаратгидратазой). Подобно сукцинат- дегидрогеназе, этот фермент также обладает абсолютной стереоспецифичностью: ионы Н⁺ и ОН~ присоединяются к фумарату только по транс-типу, в результате чего образуется L-малат:

Восьмая реакция — регенерация исходного соединения цикла — оксалоацетата в результате окисления L-малата под действием малат- дегидрогеназы. Акцептором водорода здесь является NAD⁺:

 

Образовавшийся оксалоацетат вступает в реакцию конденсации с новой молекулой ацетил-СоА и начинается следующий виток цикла, показанный в упрощенном виде на рис. 2

Итак, основными реакциями цикла трикарбоновых кислот являются реакции декарбоксилирования и дегидрирования, в результате которых происходит освобождение энергии, аккумулированной в ацетил-СоА. В ходе одного полного оборота цикла в процессе декарбоксилирования (реакции 3, 4) два атома углерода ацетила превращаются в С0₂; осуществляются четыре реакции дегидрирования (реакции 3, 4, 6 и 8). В трех реакциях дегидрирования участвует NAD⁺, в одной реакции (шестой) — FAD. И, наконец, в пятой реакции в результате субстратного фосфорилирова- ния образуется одна молекула GTP, что эквивалентно одной молекуле ATP. NAD⁺ и FAD регенерируются в цепи переноса электронов, в которой терминальным акцептором электронов является кислород. Именно в этом смысле цикл трикарбоновых кислот представляет собой аэробный (зависимый от кислорода) путь.

Промежуточные соединения цикла трикарбоновых кислот играют большую роль в процессах анаболизма; они принимают участие в синтезе аминокислот, липидов. Оксалоацетат является исходным соединением в синтезе углеводов, известным под названием глюконеогенеза. Образовавшийся из оксалоацетата фосфоенолпируват — предшественник синтеза глюкозы. Конечный продукт цикла, С0₂, частично используется в реакциях карбоксилирования.

Таким образом, цикл трикарбоновых кислот является одной из важнейших «узловых станций» обмена веществ и энергии, на которой пересекаются пути превращения различных соединений, что обеспечивает единство и неразрывную связь различных типов обмена веществ в организме.

В анаэробных условиях вместо цикла Кребса функционируют его окислительная ветвь до α-кетоглутаровой кислоты (реакции 1, 2, 3) и восстановительная – от оксалоацетата до сукцината (реакции 8®7®6). При этом много энергии не запасается и цикл поставляет только интермедиаты для клеточных синтезов.

При переходе организма  от покоя к активности возникает потребность в мобилизации энергии и обменных процессов. Это, в частности, достигается у животных шунтированием наиболее медленных реакций (1–3) и преимущественным окислением сукцината. При этом кетоглутаровая кислота – исходный субстрат укороченного цикла Кребса – образуется в реакции быстрого переаминирования (переноса аминной группы)

 

Глутамат + оксалоацетат = α-кетоглутарат + аспартат