Лекция 8. Тема: Цикл Кребса. 1. 2. 3. 4. План: Специфические и общий пути катаболизма пищевых веществ. Окислительное декарбоксилирование пирувата. Цикл Кребса. Регуляция энергетического обмена.
1. Специфические и общий пути катаболизма пищевых веществ. • Начальные этапы катаболизма (специфические пути катаболизма) основных пищевых веществ (белков, жиров и углеводов) происходят при участии ферментов специфичных для каждого класса веществ и завершаются образованием двух метаболитов – пировиноградной кислоты (ПВК - С 3) и уксусной кислоты (С 2) в форме ацетил-Ко. А.
• После образования ПВК дальнейший путь распада веществ до конечных продуктов СО 2 и Н 2 О происходит через одну и ту же совокупность реакций независимо от того, из каких исходных субстратов образовался пируват (общий путь катаболизма – ОПК). Общий путь катаболизма включает: • Реакцию окислительного декарбоксилирования пирувата. • Цикл Кребса (цитратный цикл, цикл трикарбоновых кислот)
• В общем пути катаболизма образуются первичные доноры водорода для ЦПЭ, которые окисляются НАД+-зависимыми и ФАД-зависимыми дегидрогеназами, передающими водород в ЦПЭ. • Реакции общего пути катаболизма происходят в матриксе митохондрий и восстановленные коферменты передают водород непосредственно на компоненты ЦПЭ, расположенные во внутренней мембране митохондрий.
2. Окислительное декарбоксилирование пирувата. • Первая реакция ОПК – реакция окислительного декарбоксилирования пирувата: • Эту реакцию катализирует сложно организованный пируватдегидрогеназный комплекс (ПДК).
ПДК состоит из трёх типов каталитических протомеров, образующих три фермента: Е 1 – пируватдекарбоксилазу, Е 2 – дигидролипоилтрансацетилазу и Е 3 – дигидролипоилдегидрогеназу. Каждый фермент содержит разное количество протомеров. ПДК содержит в своём составе прочно связанные с белками коферменты. Коферменты НАД+ и HS-Ко. А включаются в состав комплекса только в момент реакций и освобождаются при завершении процесса в составе конечных продуктов – Ацетил-Ко. А и НАДН+Н+.
Все ферменты, входящие в состав комплекса, располагаются в пространстве таким образом, что обеспечивают одновременное протекание однотипных реакций в нескольких местах комплекса. Промежуточные метаболиты передаются от одного активного центра к другому, что делает работу ПДК максимально эффективной. В состав ПДК входят также регуляторные протомеры: киназа и фосфатаза ПДК.
3. Цикл Кребса. Ацетил-Ко. А, образовавшийся в реакции, катализируемой ПДК, далее вступает в цикл Кребса. Цикл Кребса – основной источник доноров водорода для ЦПЭ. Этот метаболический путь состоит из реакций, в результате которых ацетильный остаток ацетил-Ко. А окисляется до СО 2 и Н 2 О.
• Первая реакция цикла представляет собой конденсацию оксалоацетата с ацетил-Ко. А, катализируемую цитратсинтазой. В этой реакции выделяется большое количество энергии (ΔG=-8 ккал/моль), что сдвигает равновесие в сторону образования цитрата и определяет дальнейшее направление реакций цикла Кребса. На образование цитрата в каждом обороте цикла затрачивается одна молекула оксалоацетата; по завершении цикла происходит регенерация оксалоацетата. Таким образом, одна молекула оксалоацетата может многократно использоваться для окисления ацетильных остатков, выполняя функцию своеобразного катализатора цикла.
• В одном обороте цикла, включающем 8 реакций, происходят 2 реакции декарбоксилирования с образованием двух молекул СО 2. В 4 реакциях цикла Кребса происходит дегидрирование с образованием восстановленных коферментов: 3 молекул НАДН и 1 молекулы ФАДН 2 в составе сукцинатдегидрогеназы. • Ацетильный остаток ацетил-Ко. А (С 2) полностью окисляется в цикле Кребса, в результате чего в ЦПЭ синтезируется 11 молекул АТФ путём окислительного фосфорилирования.
Одна молекула АТФ в цикле Кребса синтезируется путём субстратного фосфорилирования. В этой реакции донором энергии для синтеза ГТФ является молекула сукцинил-Ко. А. ГТФ и АТФ являются энергетическими эквивалентами. Энергия ГТФ может трансформироваться в энергию АТФ при участии нуклеозиддифосфокиназы: ГТФ + АДФ ↔ ГДФ + АТФ. Следовательно, суммарный выход АТФ при окислении 1 молекулы ацетил-Ко. А составляет 12 молекул; из них 11 молекул образуется путём окислительного фосфорилирования и 1 путём субстратного.
Анаболические функции общего пути катаболизма. Метаболиты ОПК служат предшественниками в синтезе ряда веществ в организме: аминокислот, глюкозы, жирных кислот и других соединений. Убыль метаболитов цикла Кребса восполняется с помощью анаплеротических реакций, главной из которых является реакция карбоксилирования пирувата: Метаболиты цикла Кребса являются донорами водорода для образования восстановленных коферментов – НАДФН, участвующих в реакциях синтеза жирных кислот, стероидов и других веществ.
4. Регуляция энергетического обмена. Синтез АТФ в клетке регулируется потребностью в энергии, что достигается согласованной регуляцией скоростей реакции ЦПЭ и ОПК. Основными сигналами о состоянии энергетического обмена служат уровень АТФ и АДФ, НАД+ и НАДН. Общий фонд этих метаболитов в клетке относительно постоянен. Таким образом, если увеличивается потребление АТФ и его концентрация снижается, концентрация АДФ возрастает. Подобно этому снижение концентрации НАДН сопровождается повышением концентрации НАД+, что приводит к увеличению скорости реакций, катализируемых НАДзависимыми ферментами, и к увеличению скорости общего пути катаболизма в целом.
Увеличение концентрации АДФ при повышении физиологической активности ускоряет окисление НАДН в ЦПЭ (дыхательный контроль) и приводит к увеличению скорости синтеза АТФ. Кроме того, АДФ аллостерически активирует некоторые ферменты ОПК (пируватдегидрогеназный комплекс, изоцитратдегидрогеназу). Такая согласованная регуляция ЦПЭ и ОПК приводит к тому, что вместо использованных молекул АТФ синтезируется адекватное количество новых; чем больше использовано АТФ, тем больше его синтезируется.
Скорость ОПК регулируется на уровне четырёх регуляторных реакций, катализируемых: - Пируватдегидрогеназным комплексом. - Цитратсинтазой. изоцитратдегидрогеназой (самая медленная реакция цикла Кребса). - α-Кетоглутаратдегидрогеназным комплексом.
В составе ПДК содержатся две регуляторные субъединицы – киназа и фосфатаза. В результате фосфорилирования под действием киназы ПДК переходит в неактивную форму, при дефосфорилировании фосфатазой – активируется. Киназа ПДК аллостерически активируется НАДН, ацетил-Ко. А и АТФ и ингибируется пируватом, АДФ, HS-Ко. А, Са 2+.
Поступая в клетки глюкоза распадается с образованием пирувата. Высокая концентрация пирувата влияет на активность ПДК двумя способами: 1. поддерживает ПДК в дефосфорилированной активной форме, так как пируват сильный ингибитор киназы ПДК; 2. аллостерически активирует дефосфорилированную активную форму ПДК, действуя согласованно с другими активаторами – субстратами реакций НАД+ и HS-Ко. А. В результате создаются условия для образования ацетил-Ко. А из глюкозы. В печени ацетил-Ко. А используется для синтеза жирных кислот.
В адипоцитах под влиянием инсулина увеличивается концентрация Са 2+ в митохондриях, что активирует фосфатазу ПДК и переводит его в активное дефосфорилированное состояние. В результате создаются условия для превращений: Пируват → ацетил-Ко. А → Жирные кислоты → Жиры (основная форма запасания энергии в организме).
Регуляция ионами Са 2+ особенно важна в мышцах. Потенциал действия увеличивает концентрацию кальция в митохондриях, что одновременно ингибирует киназу и активирует фосфатазу; это быстро переводит ПДК в активную дефосфорилированную форму. Одновременно Са 2+ активирует регуляторные ферменты цикла Кребса и ацетил-Ко. А быстро окисляется, обеспечивая синтез АТФ для мышц.
Цитратсинтаза не является аллостерическим ферментом. Активность фермента регулируется, главным образом, концентрациями оксалоацетата – субстрата фермента и цитрата – продукта реакции. Когда отношение НАДН – НАД+ снижается, ускоряется превращение малата в оксалоацетат и увеличивается скорость образования цитрата; при повышении концентрации цитрата скорость его синтеза соответственно снижается.
Изоцитратдегидрогеназа – самый медленный фермент цикла Кребса. Фермент аллостерически активируется АДФ и Са 2+. Кроме того, активность изоцитратдегидрогеназы зависит от величины отношения НАДН – НАД+, как у всех НАД-зависимых дегидрогеназ.
α-Кетоглутаратдегидрогеназный комплекс по структуре и функциям сходен с ПДК. В его состав входят 3 ферментативных комплекса: αкетоглутаратдекарбоксилаза, дигидролипоилтранссукцинилаза и дигидролипоилдегидрогеназа. Набор коферментов аналогичен таковому в ПДК. Однако в отличие от ПДК в этом комплексе отсутствуют регуляторные протомеры. Активность фермента зависит от концентраций АТФ и АДФ, НАД+ и НАДН, ингибируется сукцинил -Ко. А и активируется Са 2+.
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!
