Цикл трикарбоновых кислот Кребса: последовательность реакций, суммарное уравнение, регуляция работы цикла и его биологическая роль

Цикл трикарбоновых кислот Кребса - это высокоорганизованная циклическая система взаимопревращений ди- и трикарбоновых кислот, катализируемых мультиферментным комплексом. Он составляет основу клеточного метаболизма. Этот метаболический путь является замкнутым его началом считается цитратсинтазная реакция в ходе которой конденсация Ацетил-КоА и оксалоацитата дает цитрат. Далее следует реакция отщепление воды катализируемая ферментом аконитазой продуктом реакции является цис-аконитовая кислота. Этот же фермент (аконитаза) катализирует реакцию гидратации в итоге образуется изомер изоцитрат.

Окислител. реакция кот катализируется ферментом изоцитратдегидрогиназа дает а-кетоглутаровую кислоту. В ходе реакции отщепляется СО2, Е окислительного превращения аккумулируется в восстановленном НАД. Далее а-кетоглютаровая кислота под действием а-кетоглюторатдегидрогиназного комплекса превращается в сукценил-КоА. Сукцинил-КоА-Фермент катализирует реакцию в ходе которой из ГДФ и фосфорной кислоты образуется ГТФ(АТФ)и отщепляется фермент сукцинаттиокиназа. В итоге образуется янтарная кислота – сукцинат. Сукцинат далее вступает вновь в реакцию окисления с участием фермента сукцинатдегидрогиназы. Это ФАД зависимый фермент. сукцинат окисляется с образованием фумаровой кислоты. Происходит немедленное присоединение воды с участием фермента фумаразы и образуется малат (яблочная кислота). Малат, с участием малатдегидрогиназы содержащий НАД, окисляется в итоге образуется ЩУК т е происходит регенерация первого продукта ЩУК может снова вступать в реакцию конденсации с ацетил-КоА с образованием лимонной. СНЗ-С + ЗНАД + ФАД + ГДФ + НЗРО4 + 2Н2О -> 2СО2 + ЗНАДН+Н* + ФАДН2 + ГТФ + HSKoA

Главная роль ЦТК – образование большого количества АТФ.

1. ЦТК - главный источник АТФ. Е, образ. большим количеством, АТФ дает полный распад Ацетил-КоА до СО2 и Н2О.

2. ЦТК - это универсальный терминальный этап катаболизма веществ всех классов.

3. ЦТК играет важную роль в процессах анаболизма (промежуточные продукты ЦТК): - из цитрата -> синтез жирных кислот; - из aльфа-кетоглутарата и ЩУК --> синтез аминокислот; - из ЩУК -> синтез углеводов; - из сукцинил-КоА ---> синтез гема гемоглобина

Биологическое окисление как главный путь расщепления питательных веществ в организме, его функции в клетке. Особенности биологического окисления в сравнении с окислительными процессами в небиологических объектах. Способы окисления веществ в клетках; ферменты, катализирующие окислительные реакции в организме.

Биол. окисление как главный путь расщепления питательных веществ. Его функции в клетке. Ферменты, катализирующие окислительные реакции в организме.

Биологическое окисление(БО) - это совокупность окислит. процессов в живом организме, протекающих с обязательным участием кислорода. Синоним – тканевое дыхание. Окисление одного вещества невозможно без восстановления другого вещества.

Важнейшей функцией БО является высвобождение Е, заключенной в хим. связях питательных веществ. Выделяющееся Е используется для осущ-ния энергозависимых процессов, протекающ. в клетках, а также для поддержания температуры тела. Второй функцией БО является пластическая: в ходе расщепления питательных веществ образуются низкомолекулярные промежуточные продукты, используемые в дальнейшем для биосинтезов. Например, при окислительном распаде глюкозы образуется ацетилКоА, который далее может пойти на синтез холестерола или высших жирных кислот. Третьей функцией БО является генерация восстановительных потенциалов, которые в дальнейшем используются в восстановительных биосинтезах. Главным источником восстановительных потенциалов в биосинтетических реакциях клеточного метаболизма является НАДФН+Н+, образующийся из НАДФ+ за счет атомов водорода, переносимых на него в ходе некоторых реакций дегидрирования. Четвертая функция БО участие в процессах детоксикации,т.е. обезвреживания ядовитых соединений или поступающих из внешней среды, или образующихся в организме.

Различные соединения в клетках могут окисляться тремя способами:

1. путем дегидрирования. Принято различать два вида дегидрирования: аэробное и анаэробное. если первичным акцептором отщепляемых атомов водорода служит кислород, дегидрирование является аэробным; если же первичным акцептором отщепляемых атомов водорода служит какое-либо другое соединение, дегидрирование является анаэробным. Примерами таких соединений акцепторов водорода могут служить НАД, НАДФ, ФМН, ФАД, окисленный глутатион (ГSSГ), дегидроаскорбиновая кислота и др.

2. Путем присоединения к молекулам окисляемого вещества кислорода, т.е. путем оксигенирования.

3. Путем отдачи электронов. Все живые организмы принято делить на организмы аэробные и организмы анаэробные. Аэробные организмы нуждаются в кислороде, который,во-первых, используется в реакциях оксигенирования, во-вторых, служит конечным акцептором атомов водорода, отщепленных от окисляемого субстрата. Причем, около 95% всего поглощаемого кислорода служит конечным акцептором атомов водорода, отщепленных в ходе окисления от различных субстратов, и лишь 5% поглощаемого кислорода участвует в реакциях оксигенации.

Все ферменты, участвующие в катализе ОВР в организме относятся к классу оксидоредуктаз. В свою очередь, все ферменты этого класса могут быть разделены на 4 группы:

1. Ферменты, катализир. реакции дегидрирования или дегидрогеназы.

а). Аэробные дегидрогеназы или оксидазы. б). Анаэробные дегидрогеназы с типовой реакцией:

2. Ферменты, катализир. реакции оксигенирования или оксигеназы. а). Монооксигеназы б). Диоксигеназы

3. Ферменты, катализирующие отщепление электронов от окисляемых субстратов. называются цитохромы. 4. К оксидоредуктазам относится также группа вспомогательных ферментов, таких как каталаза или пероксидаза. Они играют защитную роль в клетке, разрушая перекись водорода или органические гидроперекиси, образующиеся в ходе окислительных процессов и представляющие собой достаточно агрессивные соединения, способные повреждать клеточные структуры.

НАД- и ФАД- зависимые анаэробные дегидрогеназы, их важнейшие субстраты. Главная цепь дыхательных ферментов в митохондриях, ее структурная организация. Разность редокс-потенциалов окисляемых субстратов и кислорода как движущая сила для перемещения электронов в дыхательной цепи. Энергетика переноса электронов в дыхательной цепи.

Главная цепь дыхательных ферментов в митохондриях, ее структурная организация и биологическая роль. Цитохромы, цитохромоксидаза, химическая природа и роль в окислительных процессах.

В ходе многочисленных реакций дегидрирования, происходящих как во второй фазе катаболизма, так и в цикле Кребса, образуются восстановленные формы коферментов: НАДН+Н+ и ФАДН2. Эти реакции катализируются многочисленными пиридинзависимыми и флавинзависимыми дегидрогеназами. В то же время пул коферментов в клетке ограничен, поэтому восстановленные формы коферментов должны «разряжаться», т.е. передавать полученные атомы водорода на другие соединения с тем, чтобы в конечном итоге они были переданы у аэробных организмов на свой конечный акцептор кислород. Этот процесс «разрядки» или окисления восстановленных НАДН+Н+ и ФАДН2 выполняет метаболический путь, известный под названием главная цепь дыхательных ферментов. Она локализована во внутренней мембране митохондрий.

Главная цепь дыхательных ферментов состоит из 3 сложных надмолекулярнных белковых комплексов, катализирующих последовательную передачу электронов и протонов с восстановленного НАДН+Н на кислород:

Первый надмолекулярный комплекс катализирует перенос 2 электронов и 2 протонов с восстановленного НАДН+Н+ на КоQ с образованием восстановленной формы последнего КоQH2. В состав надмолекулярного комплекса входит около 20 полипептидных цепей, в качестве простетических групп некоторых из них входит молекула фламинмононуклеотида(ФМН) и один или несколько так называемых железосерных центров (FeS)n. Электроны и протоны с НАДН+Н+вначале переносятся на ФМН с образованием ФМНН2, затем электроны с ФМНН2 переносятся через железосерные центры на КоQ, после чего к КоQ присоединяются протоны с образованием его восстановленной формы:

Следующий надмолекулярный комплекс также состоит из нескольких белков: цитохрома b, белка, имеющего в своем составе железосерный центр и цитохрома С1. В состав любого цитохрома входит геминовая группировка с входящим в неё атомом железа элемента с переменной валентностью, способного и принимать электрон, и отдавать его. Начиная с КоQН2 пути электронов и протонов расходятся. Электроны с КоQН2 передаются по цепи цитохромов, причем одновременно по цепи передается по 1 электрону, а протоны с КоQН2 уходят в окружающую среду.

Цитохром С оксидазный комплекс состоит из двух цитохромов: цитохрома а и цитохрома а3. Цитохром а имеет в своем составе геминовую группировку, а цитохром а3 кроме геминовой группировки в своем составе содержит еще и атом Cu. Электрон при участии этого комплекса переносится с цитохрома С на кислород.

НАД+, КоQ и цитохром С не входят в состав ни одного из описанных комплексов. НАД+ служит коллектором-переносчиком протонов и электронов с большого ряда окисляемых в клетках субстратов. Функцию коллектора электронов и протонов выполняет также КоQ, принимая их с некоторых окисляемых субстратов (например, с сукцината или ацилКоА) и передавая электроны на систему цитохромов с выводом протоны в окружающую среду. Цитохром С также может принимать электроны непосредственно с окисляемых субстратов и передавать их далее на четвертый комплекс ЦДФ. Так, при окислении сукцината работает сукцинат-КоQ-оксидаредуктазный комплекс (Комплекс II), передающий протоны и электроны с сукцината непосредственно на КоQ, минуя НАД+:

Для того, чтобы молекула кислорода превратилась в 2 иона О2, на нее должны быть перенесены 4 электрона. Принято считать, что по цепи переносчиков электронов последовательно переносится 4 электрона с двух молекул НАДН+Н+ и до принятия всех четырех электронов молекула кислорода остается связанной в активном центре цитохрома а3. После принятия 4 электронов два иона О2 связывают по два протона каждый, образуя таким образом 2 молекулы воды.

В цепи дыхательных ферментов используется основная масса поступающего в организм кислорода до 95%. Мерой интенсивности процессов аэробного окисления в той или иной ткани служит дыхательный коэффициент (QO2), который обычно выражается в количестве микролитров кислорода, поглощенных тканью за 1 час в расчете на 1 мг сухого веса ткани (мкл.час1.мг1). Для миокарда он равен 5, для ткани надпочечников 10, для ткани коркового вещества почек 23, для печени 17, для кожи 0,8. Поглощение кислорода тканями сопровождается одновременным образованием в них углекислоты и воды. Этот процесс поглощения тканями О2 с одновременным выделением СО2 получил название тканевое дыхание.

Окислительное фосфорилирование как механизм аккумуляции энергии в клетке. Окислительное фосфорилирование в цепи дыхательных ферментов. Коэффициент Р/О. Окислительное фосфорилирование на уровне субстрата, его значение для клетки. Ксенобиотики-ингибиторы и разобщители окисления и фосфорилирования.

Окислительное фосфорилирование — один из важнейших компонентов клеточного дыхания, приводящего к получению энергии в виде АТФ. Субстратами окислительного фосфорилирования служат продукты расщепления органических соединений — белки, жиры и углеводы.

Однако чащевсего в качестве субстрата используются углеводы. Так, клетки головного мозга не способны использовать для дыхания никакой другой субстрат, кроме углеводов.

Предварительно сложные углеводы расщепляются до простых, вплоть до образования глюкозы. Глюкоза является универсальным субстратом в процессе клеточного дыхания. Окисление глюкозы подразделяется на 3 этапа:

1. гликолиз;

2. окислительное декарбоксилирование или цикл Кребса;

3. окислительное фосфорилирование.

При этом гликолиз является общей фазой для аэробного и анаэробного дыхания.

Мерой эффективности процесса окислительного фосфорилирования в цепи дыхательных ферментов служит коэффициент Р/О; количество атомов фосфора, включенных из неорганического фосфата в состав АТФ, в расчете на 1 связанный атом кислорода, пошедший на образование воды в ходе работы дыхательной цепи. При окислении НАДН+Н+ он равен 3, при окислении ФАДН2(КоQН2) он составляет 2 и при окислении восстановленного цитохрома С он равен 1.

Ингибиторы окислительного фосфорилирования. Ингибиторы блокируют V комплекс:

1. Олигомицин — блокируют протонные каналы АТФ-синтазы.

2. Атрактилозид, циклофиллин — блокируют транслоказы.