цикъл на трикарбоксилната киселина
Цикълът на Кребс се състои от 8 етапа (междинните продукти са подчертани в два етапа на диаграмата), по време на които се случва следното:
1) пълно окисляване на ацетиловия остатък до две молекули CO2,
2) образуват се три молекули редуциран никотинамид аденин динуклеотид (NADH) и един редуциран флавин аденин динуклеотид (FADH2), който е основният източник на енергия, произведена в цикъла и
3) една молекула гуанозин трифосфат (GTP) се образува в резултат на така нареченото субстратно окисление.
Като цяло пътят е енергийно благоприятен ( D G 0 ' = 14,8 kcal.)
Цикълът на Кребс, локализиран в митохондриите, започва с лимонена киселина (цитрат) и завършва с образуването на оксалооцетна киселина (оксалацетат ОА). Субстратите на цикъла включват трикарбоксилни киселини лимонена, цис-аконитова, изолимонена, оксалосукцинова (оксалосукцинат) и дикарбоксилни киселини 2-кетоглутарова (KG), янтарна, фумарова, ябълчена (малатна) и оксалооцетна киселини. Субстратите на цикъла на Кребс също трябва да включват оцетна киселина, която в своята активна форма (т.е. под формата на ацетил коензим А, ацетил-S CoA) участва в кондензация с оксалооцетна киселина, което води до образуването на лимонена киселина. Това е ацетилният остатък, който влиза в структурата на лимонената киселина, която се окислява и претърпява окисление; въглеродните атоми се окисляват до CO2, водородните атоми се приемат частично от коензимите на дехидрогеназите, частично в протонирана форма преминават в разтвор, т.е. в околната среда.
Като изходно съединение за образуване на ацетил-КоА обикновено се посочва пирогроздена киселина (пируват), която се образува по време на гликолиза и заема едно от централните места в пресичащите се метаболитни пътища. Под влияние на ензим със сложна структура пируват дехидрогеназа (EC1.2.4.1 PDGas)пируватът се окислява до образуване на CO2 (първо декарбоксилиране), ацетил-CoA и се редуцира от NAD (виж диаграмата). Окислението на пируват обаче далеч не е единственият начин за образуване на ацетил-КоА, който също е характерен продукт на окисление на мастни киселини (ензимът тиолаза или синтетаза на мастни киселини) и други реакции на разлагане на въглехидрати и аминокиселини. Всички ензими, участващи в реакциите на цикъла на Кребс, са локализирани в митохондриите и повечето от тях са разтворими, а сукцинат дехидрогеназата (EC1.3.99.1) е силно свързана с мембранните структури.
Образуването на лимонена киселина, от чийто синтез започва самият цикъл, с помощта на цитрат синтаза (EC4.1.3.7 кондензиращ ензим на диаграмата), е ендергонична реакция (с абсорбция на енергия) и нейното осъществяване е възможно поради използването на богатата на енергия връзка на ацетилния остатък с KoA [CH3CO
SKoA]. Това е основният етап на регулиране на целия цикъл. Това е последвано от изомеризацията на лимонената киселина в изолимонена киселина през междинния етап на образуване на цис-аконитова киселина (ензимът аконитаза KF4.2.1.3, има абсолютна стереоспецифична чувствителност към местоположението на водорода). Продуктът от по-нататъшното превръщане на изолимонената киселина под въздействието на съответната дехидрогеназа (изоцитрат дехидрогеназа EC1.1.1.41) е очевидно оксалоянтарна киселина, чието декарбоксилиране (втората молекула CO2) води до CH. Този етап също е строго регулиран. Според редица характеристики (високо молекулно тегло, сложна многокомпонентна структура, поетапни реакции, частично същите коензими и др.), СН дехидрогеназата (EC1.2.4.2) прилича на PDGas. Продуктите на реакцията са СО2 (трето декарбоксилиране), Н+ и сукцинил-КоА. На този етап се включва сукцинил-КоА синтетазата, иначенаречена сукцинатиокиназа (KF6.2.1.4), катализираща обратимата реакция на образуване на свободен сукцинат: Succinyl-CoA + Pneorg + GDP = Succinate + KoA + GTP. По време на тази реакция се извършва така нареченото субстратно фосфорилиране, т.е. образуването на богат на енергия гуанозин трифосфат (GTP) поради гуанозин дифосфат (GDP) и минерален фосфат (Pneorg), използвайки енергията на сукцинил-CoA. След образуването на сукцинат, сукцинат дехидрогеназата (EC1.3.99.1), флавопротеин, който води до фумарова киселина, влиза в действие. FAD е свързан с протеиновата част на ензима и е метаболитно активната форма на рибофлавин (витамин В2). Този ензим също се характеризира с абсолютна стереоспецифичност на елиминирането на водорода. Фумаразата (EC4.2.1.2) осигурява баланса между фумарова киселина и ябълчена киселина (също стереоспецифична), а дехидрогеназата на ябълчната киселина (малат дехидрогеназа EC1.1.1.37, която се нуждае от коензима NAD +, също е стереоспецифична) води до завършване на цикъла на Кребс, тоест до образуването на оксалооцетна киселина. След това реакцията на кондензация на оксалооцетната киселина с ацетил-КоА се повтаря, което води до образуването на лимонена киселина и цикълът се възобновява.
Сукцинат дехидрогеназата е част от по-сложен сукцинат дехидрогеназен комплекс (комплекс II) на дихателната верига, доставяйки редуциращи еквиваленти (NAD-H2), образувани по време на реакцията към дихателната верига.
Използвайки примера на PDGase, можете да се запознаете с принципа на каскадно регулиране на метаболитната активност поради фосфорилиране-дефосфорилиране на съответния ензим от специална PDGase киназа и фосфатаза. И двата са свързани към PDGase.
Предполага се, че катализата на отделните ензимни реакции се извършва като част от надмолекулен "суперкомплекс",така нареченият "метаболон". Предимствата на такава организация на ензимите са, че няма дифузия на кофактори (коензими и метални йони) и субстрати, а това допринася за по-ефективен цикъл.
Енергийната ефективност на разглежданите процеси е ниска, но 3 мола NADH и 1 мол FADH2, образувани по време на окисляването на пирувата и последващите реакции на цикъла на Кребс, са важни продукти на окислителните трансформации. По-нататъшното им окисляване се извършва от ензими на дихателната верига също в митохондриите и е свързано с фосфорилиране, т.е. образуването на АТФ поради естерификация (образуване на органофосфорни естери) на минерален фосфат. Гликолизата, ензимното действие на PDGases и цикълът на Кребс в общо 19 реакции определят пълното окисление на една глюкозна молекула до 6 CO2 молекули с образуването на 38 ATP молекули, тази обменна "енергийна валута" на клетката. Процесът на окисляване на NADH и FADH2 от ензимите на дихателната верига е енергийно много ефективен, протича с използването на атмосферен кислород, води до образуването на вода и служи като основен източник на клетъчни енергийни ресурси (повече от 90%). Ензимите от цикъла на Кребс обаче не участват в прякото му прилагане. Всяка човешка клетка има от 100 до 1000 митохондрии, които осигуряват енергия за живота.
Интегриращата функция на цикъла на Кребс в метаболизма се основава на факта, че въглехидратите, мазнините и аминокиселините от протеините могат в крайна сметка да бъдат превърнати в междинни продукти (междинни съединения) на този цикъл или синтезирани от тях. Отстраняването на междинните продукти от цикъла по време на анаболизма трябва да се комбинира с продължаване на катаболната активност на цикъла за постоянно образуване на АТФ, което е необходимо за биосинтезата. По този начин цикълът трябва да изпълнява две функции едновременно. При коетоконцентрацията на междинни продукти (особено ОА) може да намалее, което може да доведе до опасно намаляване на производството на енергия. За предотвратяване се използват "предпазни клапани", наречени анаплеротични реакции (от гръцки "запълване"). Най-важната реакция е синтезът на ОА от пируват, осъществяван от пируват карбоксилаза (EC6.4.1.1), също локализирана в митохондриите. В резултат на това се натрупва голямо количество ОА, което осигурява синтеза на цитрат и други междинни продукти, което позволява на цикъла на Кребс да функционира нормално и в същото време да осигури екскрецията на междинни продукти в цитоплазмата за последваща биосинтеза. Така на нивото на цикъла на Кребс се осъществява ефективно координирана интеграция на процесите на анаболизъм и катаболизъм под въздействието на множество и фини регулаторни механизми, включително хормонални.
При анаеробни условия вместо цикъла на Кребс функционира неговият окислителен клон до KG (реакции 1, 2, 3) и редукционният клон от ОА към сукцинат (реакции 8 ® 7 ® 6). В същото време много енергия не се съхранява и цикълът доставя само междинни продукти за клетъчния синтез.
Когато тялото преминава от покой към активност, има нужда от мобилизиране на енергия и метаболитни процеси. Това, по-специално, се постига при животни чрез шунтиране на най-бавните реакции (13) и преференциално окисление на сукцината. В този случай KG първоначалният субстрат на съкратения цикъл на Кребс се образува в реакцията на бързо трансаминиране (прехвърляне на аминогрупата)
Глутамат + ОА = KG + аспартат
Друга модификация на цикъла на Кребс (т.нар. 4-аминобутиратен шънт) е превръщането на CG в сукцинат чрез глутамат, 4-аминобутират и янтарен полумиалдехид (3-формилпропионова киселина). Тази модификация е важна в мозъчната тъкан, където около 10% от глюкозатасе разделя по този път.
Тясната връзка на цикъла на Кребс с дихателната верига, особено в митохондриите на животните, както и инхибирането на повечето ензими на цикъла под действието на АТФ, предопределят намаляване на активността на цикъла при висок фосфорилен потенциал на клетката, т.е. при високо съотношение на концентрациите на АТФ/АДФ. В повечето растения, бактерии и много гъби, тясното свързване се преодолява чрез развитието на неконюгирани алтернативни пътища на окисление, които позволяват както дихателната, така и цикълната активност да се поддържат на високо ниво дори при висок фосфорилен потенциал.
Strayer L. Биохимия. пер. от английски. М., Мир, 1985 Бохински Р. Съвременни възгледи в биохимията. Превод от английски, М., Мир, 1987 Knorre D.G., Myzina S.D. Биологична химия. М., Висше училище, 2003 Колман Я., Рем К.-Г. Визуална биохимия. М., Мир, 2004