Цикл трикарбоновых кислот

 

Другая модификация  цикла Кребса (так называемый 4-аминобутиратный шунт) – это превращение кетоглутаровой кислоты в сукцинат через глутамат, 4-аминобутират и янтарный семиальдегид (3-формилпропионовую кислоту). Эта модификация важна в ткани мозга, где около 10% глюкозы расщепляется по этому пути.

Тесное сопряжение цикла  Кребса с дыхательной цепью, особенно в митохондриях животных, а также ингибирование большинства ферментов цикла под действием АТФ, предопределяют снижение активности цикла при высоком фосфорильном потенциале клетки, т.е. при высоком соотношении концентраций АТФ/АДФ. У большинства растений, бактерий и многих грибов тесное сопряжение преодолевается развитием несопряженных альтернативных путей окисления, позволяющих поддерживать одновременно дыхательную активность и активность цикла на высоком уровне даже при высоком фосфорильном потенциале.

 

 

Рис. 2. Схема цикла трикарбоновых кислот

 

 

Регуляция превращения пирувата в ацетил-СоА и цикла трикарбоновых кислот

Поскольку цикл трикарбоновых кислот занимает центральное положение в обмене веществ и энергии, его регуляция играет кардинальную роль у аэробных организмов. Интенсивность функционирования цикла в первую очередь определяется скоростью поступления  «топлива» т.е. ацетил-СоА, предшественниками которого являются пируват и жирные кислоты. Важную роль в регуляции поставки ацетил-СоА играет ковалентная модификация пируватдегидрогеназного комплекса. В качестве вспомогательных ферментов в регуляции пируватдегидрогеназного комплекса служат киназа пируватдегидрогеназы и фосфатаза фосфопируватдегидрогеназы. Киназа пируватдегидрогеназы при достаточно высокой концентрации АТР в клетке катализирует реакцию фосфорилирования серинового остатка в активном центре пируватдегидрогеназы, что приводит к образованию неактивной формы фермента — фосфопируватдегидрогеназы.

Активация неактивной пируватдегидрогеназы осуществляется при снижении уровня АТР в клетке, что происходит в результате отщепления фосфатной группы от серинового остатка под действием фосфа- тазы фосфопируватдегидрогеназы. Важно отметить, что активаторами фосфатазы фосфопируватдегидрогеназы являются ионы Са²⁺, концентрация которых увеличивается при дефиците АТР. Кроме того, роль аллостерических ингибиторов пируватдегидрогеназного комплекса играют NADH и ацетил-СоА. Вполне логично можно было бы считать, что и реакция конденсации ацетил-СоА с оксалоацетатом — важная регуляторная реакция цикла. Действительно, ее скорость находится в тесной взаимосвязи с наличием в матриксе митохондрий АТР, который является специфическим ингибитором цит- ратсинтазы в ряде типов клеток.

Установлено, что АТР  повышает константу К_м для ацетил-СоА; иными словами, с увеличением содержания АТР в реакционной системе снижается насыщение фермента ацетил-СоА и в результате уменьшается скорость синтеза цитрата. Уровень АТР в клетке определяется скоростью окисления NADH в цепи переноса электронов, которая, в свою очередь, зависит от концентрации ADP и Р.. Если в процессе катаболизма образуется больше АТР, чем это необходимо для энергетических потребностей клетки, концентрация ADP падает до низкого уровня, выключая, таким образом, процесс синтеза АТР.

Важную роль в регуляции  активности цитратсинтазы играет также концентрация второго субстрата — оксалоацетата, концентрация которого в митохондриях очень низка и зависит от условий метаболизма. Существенное влияние на цитратсинтазу оказывает также концентрация сукцинил-СоА, ингибирующего ферментативную активность за счет снижения сродства к ацетил-СоА. Ингибирующий эффект на фермент могут оказывать также жирные кислоты, являющиеся предшественником ацетил-СоА. Кроме того, роль ингибиторов цитратсинтазы у некоторых организмов могут играть NADH и цитрат.

Второй регуляторной реакцией является окисление изоцитрата, катализируемое NAD-специфичной изоцитратдегидрогеназой. Действие фермента в клетках животных, некоторых микроорганизмов стимулируется ADP или АМР, которые повышают его сродство к субстрату. В растениях роль положительного модулятора изоцитратдегидрогеназ- ной активности играет цитрат. В клетках различных типов NADH и NADPH ингибируют фермент путем конкуренции с NAD+.

Третьей регуляторной реакцией цикла является окислительное декарбоксилирование 2-оксоглутарата, катализируемое 2-оксоглута- ратдегидрогеназным комплексом; ингибиторами этого комплекса являются сукцинил-СоА и NADH.

Еще одним способом регуляции  цикла трикарбоновых кислот, связанным с фосфорилированием адениловой системы, является реакция субстратного фосфорилирования, требующая GDP. В этом случае определяющую роль играет соотношение GTP/GDP.

В заключение можно сказать, что когда величины отношений NADH/NAD+, ATP/ADP, ацетил-СоА/СоА, сукцинил-СоА/СоА высоки, клетка в достаточной мере обеспечена энергией, и поток превращаемых соединений в цикле замедлен. Если эти соотношения низки, клетка испытывает потребность в энергии, и этот поток веществ через цикл ускоряется. Короче говоря, поступление двухуглеродных фрагментов в цикл трикарбоновых кислот и скорость цикла снижаются при высоком уровне энергии в клетке; эти процессы усиливаются при интенсивном расходе энергии.

 

Методы исследования

 

После окончания Гамбургского университета Кребс начал работать в качестве ассистента-лаборанта у О. Варбурга в институте биологии кайзера Вильгельма в Берлине.

Варбург разработал экспериментальный  метод исследования клеточного дыхания  – потребления кислорода и  выделения углекислого газа в  процессе метаболизма углеводов, жиров и белков. Вместо того чтобы изучать дыхание у интактных животных или исследовать целые органы, Варбург стал использовать тонкие срезы свежих тканей, помещенные в герметичный сосуд с датчиком давления. Когда в процессе биохимических реакций ткани поглощали кислород, давление в сосуде снижалось, и это служило объективным показателем дыхательной активности.

В 1937 г. Кребс, используя экспериментальную систему, сходную с установкой Варбурга, описал цикл трикарбоновых кислот.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Практическая часть

 

1. Гликолиз заканчивается образованием 2 молекул ПВК и 2 молекул АТФ.

 

2. Энергетический выход ЦТК - 2 молекулы АТФ.

 

3. В образовании молочной кислоты из ПВК участвует фермент лактатдегидрогеназа.

 

4. В образовании этилового спирта из ацетальдегида участвует фермент алкогольдегидрогеназа.

 

 

Заключение

 

Представление о цикле  Кребса позволяет понять, каким образом  из питательных веществ в организме  вырабатывается энергия. К. изучал последовательность превращения в организме энергии  питательных веществ, с тем чтобы определить, каким образом углеводы переходят в другие соединения. Проанализировав формулы более 20 органических кислот, близких к углеводам, К. убедился в том, что молочная и пировиноградная кислоты способны сами по себе претерпевать определенную последовательность превращений. В конечном счете он в своих опытах стал использовать пировиноградную кислоту.

Открытие циклического принципа промежуточных обменных реакций  стало вехой в развитии биохимии, т. к. дало ключ к пониманию путей метаболизма. Кроме того, оно стимулировало другие экспериментальные работы и расширило представления о последовательностях клеточных реакций.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

 

1. Березов Т. Т., Коровкин Б. Ф. Биологическая химия: Учебник. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Медицина, 1998. — 704 с.
2. Бохински Р. Современные воззрения в биохимии. — М.: Мир, 1987. — 544 с.
3. Гудвин Т., Мерсер Э. Введение в биохимию растений: В 2 т. — М.: Мир, 1986. —Т. 1. — 392 с.
4. Кретович В. Л. Биохимия растений: Учебник. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 1986. — 502 с.
5. Кнорре Д. Г., Мызина С. Д. Биологическая химия: Учебник. — 2-е изд., пере
6. раб. и доп. — М.: Высш. шк., 1998. — 479 с.
7. Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В. Биохимия человека: В 2 т. — М.: Мир, 1993. — Т. 1. — 378 с.
8. Мецлер Д. Биохимия: В 3 т. — М.: Мир, 1980. — Т. 2. — 606 с.
9. Страйер Л. Биохимия: В 3 т. — М.: Мир, 1985. — Т. 2. — 307 с.
10. Скулачев В. П. Аккумулирование энергии в клетке. — М.: Наука, 1969. — 440 с.
11. Эллиот В., Эллиот Д. Биохимия и молекулярная биология / Под ред. А. И. Арчакова, М. П. Кипичникова, А. И. Медведева, В. П. Скулачева — М.: Изд-во НИИ Биомедицинской химии РАН, 1999. — 372 с.
12. Buchanan В. В., Gruissen W., Jones R. J. Biochemistry and molecular Biology of Plants. — Pub. Rockville, 2000. — 1368 p.
13. Moran L.A., Scrimgeour K. G., Horton H. R. Ochs R. S., Rawn J. D. Biochemistry. — 2 Ed. — Neil Patterson Pub., Englewood Cliffs, 1994. — 1200 с.
14. http://n-t.ru/nl/mf/krebs.htm
15. http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/himiya/KREBS_HANS_ADOLF.html
16. http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/88b6e189-9af6-fa6a-df88-c73a6d8a3a8b/1012330A.htm
17. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D1%80%D0%B5%D0%B1%D1%81,_%D0%A5%D0%B0%D0%BD%D1%81_%D0%90%D0%B4%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D1%84#.D0.9E.D1.81.D0.BD.D0.BE.D0.B2.D0.BD.D1.8B.D0.B5_.D1.80.D0.B0.D0.B1.D0.BE.D1.82.D1.8B
18. http://www.xumuk.ru/biologhim/151.html