Ключови думи: цикъл на Кребс, аеробен процес, катаболитни процеси, анаболитни процеси, АТФ, НАДН, ФАДН2, ацетил-КоА

Цели:

1. Да се определи централната роля на ЦК за метаболизма на веществата.

2. Да се знаят основните функции на ЦК.

3. Да се знае химизма на реакциите на ЦК.

4. Да разбира енергетичния баланс на ЦТК.

Въведение

Цитратният цикъл, наричан още Цикъл на Кребс (ЦК), цикъл на трикарбоновите киселини (ЦТК), или цикъл на лимонената киселина заема централна роля в метаболизма.

ЦТК е главен метаболитен път за разграждане на въглехидрати, масти и белтъци, с функция да снабдява клетките с АТФ и предшественици за биосинтетични процеси. Той е тясно свързан с дихателната верига, окислителното фосфорилиране и с анаболитните процеси. Пирувата образуван от гликолизата, при разграждане на глюкозата, постъпва в ЦК. Освен пируват в ЦК постъпват кетокиселини, образувани от метаболизма на аминокиселините или други вещества.

10.1. Обща характеристика на цикъла на Кребс

ЦТК съдържа осем последователни реакции и протича в матрикса на митохондриите. Започва с кондензация на ацетил-КоА и оксалоацетат, при което се образува лимонена киселина (цитрат). Завършва с регенерация на молекулата оксалоацетат. В хода на реакциите, оцетната киселина се разгражда до вода и СО2, на практика се разгражда част от оксалацетатната молекула, която се възстановява от внесения ацетат.

Цитратният цикъл е серия от последователни реакции, в които осем ензима разграждат ацетиловата група на ацетил-КоА до CO2 и h3O. Това е съпроводено с отделяне на водород под форма на 3 мола редуциран НАД и 1 мол редуциран ФАД. При окислението на НАДН и ФАДН2 в дихателните вериги се освобождава и акумулира енергия под форма на АТФ. Освен това 1 мол АТФ се получава на субстратно ниво.

В четирите окислителни стъпала се отделят 8 атома Н, а в двата етапа на декарбоксилиране се отделят два мола СО2. Молекулата на ацетата съдържа 4 атома Н, а в цикъла се отделят 8. Допълнителните 4 атома идват от двете молекули вода, които се включват в цикъла. Така при един оборот на ЦК всъщност се разгражда 1 молекула ацетат и 2 молекули вода. В четирите дихателни вериги се образуват 4 молекули вода, които ангажират 2 молекули кислород.

Фигура 147. Метаболити и реакции в цитратния цикъл

10.2. Обсъждане химизма на реакциите в цикъла на Кребс. Метаболитен и енергиен баланс.

10.2.1. Химизъм на ЦТК

Първа реакция: Основен регулатор на ЦТК е оксалоацетата и по-точно неговата достъпност. Наличието на оксалоацетат въвлича в цикъла на Кребс ацетил-SКоА (образуван от катаболизма на глюкозата, мастните киселини или аминокиселините) и стартира цикъла. Ацетил-КоА се присъединява към молекула оксалооцетна киселина, с участието на ензима цитратсинтетаза. Получава се лимонена киселина и свободен коензим-А. Първият продукт от ЦТК се явява лимонената киселина, от където идва и наименованието му.

Фигура 148. Първа реакция на ЦК: Ацетил-КоА се присъединява към молекула оксалооцетна киселина, с участието на ензима цитратсинтетаза.

Цикълът започва с кондензация на ацетил-КоА с оксалацетат под действие на цитрат синтаза при участие на молекула вода и отделяне на КоА. Образува се С-С връзка между С от метиловата група на ацетил-КоА и карбонилния С от оксалацетат. Получава се цитрат. Енергетично тази необратима реакция (∆G1o' = - 31.5 kJ/mol) се осигурява от хидролиза на тиоестерната връзка в ацетил-КоА.

Ензимът цитратсинтетаза е алостеричен и се инхибира от АТФ. Когато в клетката има достатъчно енергия (т.е. АТФ), синтезата на лимонена киселина намалява, а също и интензивността на цикъла.

Втора реакция: Образуваната лимонена киселина, с участието на ензима аконитхидратаза, се превръща в цис-аконитова и изолимонена киселина.

Фигура 149. Втора реакция на ЦК: Цитратът се превръща в изоцитрат под действие на аконитаза, която съдържа Fe2+ под форма на Fe-S кластер. Това става двустъпално - дехидратация до цис-аконитат и рехидратация до изоцитрат.

Цитратът се превръща в изоцитрат под действие на аконитаза, която съдържа Fe2+ под форма на Fe-S кластер. Това става двустъпално - дехидратация до цис-аконитат и рехидратация до изоцитрат. Реакциите са обратими. Цитратът е симетрична молекула, но аконитазата винаги действа върху тази част, която е от оксалацетат. Свързаният цитрат в поне три точки от активния център вече прави молекулата асиметрична. Инхибитор на аконитазата е флуорацетат. При този ензимен блок се натрупва цитрат.

Трета реакция: Изоцитратът се дехидрогенира и декарбоксилира до α- кетоглутарат под действие на изоцитрат дехидрогеназа. Това е окислително декарбоксилиране на β-хидрокси киселина. НО-група на изоцитрат е в β-позиция спрямо -СООН група, която се декарбоксилира. СО2 се отделя от оксалацетатната част. Реакцията е необратима (∆G1o'= -21 kJ/mol).

Фигура 150. Трета реакция на ЦТК: Изоцитратът се дехидрогенира и декарбоксилира до α-кетоглутарат под действие на изоцитрат дехидрогеназа.

Изоцитратдехидрогеназата се отнася към алостеричните ензими също, тя се активира от АДФ и инхибира от АТФ и НАД.Н2 . Активността на изоцитратдехидрогеназата влияе пряко на “производителността“ на процеса, тъй като именно тази реакция лимитира оборотите на цикъла.

Известни са три изоензима - митохондрийна НАД-зависима изоцитрат дехидрогеназа, която действа в цитратния цикъл и още два НАДФ-зависими изоензими, един в митохондриите и един в цитоплазмата. НАДН отдава Н в дихателна верига, в която се синтезират 3 мола АТФ.

Четвърта реакция: Следва окислително декарбоксилиране на α- кетокиселината α-кетоглутарат до сукцинил КоА. Това е третата необратима >реакция в цикъла (∆G1o'=-33kJ/mol). Тук се отделя втората молекула СО2. Катализира се от α-кетоглутаратдехидрогеназен комплекс, аналогичен на пируватдехидрогеназния комплекс. Единствено първият ензим е различен - специфичен е за α-кетоглутарат, а не за пируват. Инхибитор на това окислително декарбоксилиране е арсенит, при което се натрупва α- кетоглутарат.

Продуктът сукцинил-КоА съдържа тиоестерна макроергична връзка (фиг.151), получена на субстратно ниво. Това е единственият пример в цитратния цикъл за енергетично спрягане на субстратно ниво. Освен това полученият НАДН предава Н в дихателна верига, където се получават 3 мола АТФ.

Фигура 151. Четвърта реакция на ЦК: α-кетоглутаровата киселина се подлага на окислителнодекарбоксилиране, в резултат на което се образува сукцинил-КоА.

Пета реакция: Следващия етап е образуването на сукцинат от сукцинил-КоА, процесът се катализира от сукцинилтиокиназа. Сукцинат тиокиназата (наричана и сукцинил-КоА синтетаза) спряга превръщането на сукцинил-КоА в сукцинат със синтеза на 1 мол АТФ от АДФ и Ф.

Фигура 152. Пета реакция: Превръщане на сукцинил-КоА в сукцинат със синтеза на 1 мол АТФ от АДФ и Ф.

В резултат на това енергията, която се освобождава при разкъсването на тиоестерната връзка се запазва във фосфатната връзка на гуадинтриофосфата (ГТФ). Фосфорната група се предава на молекулата на АДФ, което довежда до образуването на АТФ. Така се осъществява субстратно фосфорилиране.

Шеста реакция: Янтърната киселина (сукцината) се окислява във фумарова киселина, с помощта на ензима сукцинатдехидрогеназа. Този ензим е флавопротеид, в който белтъчната част е трайно свързана с флавинадениндинуклеотид (ФАД). Водородът от получения ензимно свързан ФАД.Н2 се пренася до О2, при което се получават 2 мола АТФ.

Фигура 153. Шеста реакция: Янтърната киселина (сукцината) се окислява във фумарова киселина, с помощта на ензима сукцинатдехидрогеназа.

Седма реакция: С участието на ензим фумараза, фумаровата киселина се хидратира и се образува ябълчена киселина (L- малат).

Фигура 154. Хидратиратиране на фумаровата киселина и образуване на ябълчена киселина (L- малат).

Осма реакция: Малатът под действието на ензима НАД-зависима дехидрогеназа, се превръща в оксалоцетна киселина. Редуцираният НАДН предава Н в дихателна верига - получават се 3 мола АТФ. С образуването на оксалацетатът завършва цикълът на Кребс и започва нов оборот.

Фигура 155. Малатът се дехидрогенира до оксалацетат.

10.2.2. Метаболитна и енергийна равносметка

В един оборот на цикъл на ЦК се извършват:

Y два пъти декарбоксилиране; Y четири пъти дехидриране и Y едно фосфорилиране.

В резултат на цикъла се извеждат две молекули въглероден диоксид (2СО2), образуват се три молекули НАД.Н2 и една молекула ФАД.Н2. На три места в цитратния цикъл (реакции: 3, 4, 8) има дехидрогеназни реакции с кофактор НАД, който се превръща в НАДН + Н+. В тези дихателни вериги, започващи с НАДН, се получават теоретично 3 х 3 = 9 мола АТФ (или 3 х 2.5 = 7.5 съгласно корекциите на Hinkle).

В дихателната верига, започваща със субстрат сукцинат (реакция: 6), се получават теоретично още 2 мола АТФ (или 1.5 съгласно корекцията на Hinkle). На субстратно ниво при окислителното декарбоксилиране на α- кетоглутарат до сукцинат се получава още 1 мол АТФ. Общата равносметка е, че при разграждане на 1 мол ацетил-КоА до СО2 и Н2О се получават теоретично 12 мола АТФ (или 10 съгласно корекцията на Hinkle).

Сумарната реакция за разграждането на ацетил-КоА в цитратния цикъл и свързаните с него дихателни вериги има следния вид:

СН3СО ~ SKoA + 2О2 + 2Н2О = 2СО2 + 4Н2О + КоАSН

Общото намаление в свободната енергия е около 881 kJ при моларни концентрации на реагиращите вещества. При енергетично съдържание на една ~ връзка от около 34.5 kJ, синтезираните 12 мола АТФ ще съдържат около 47% от отделената енергия, което е много висок коефициент на полезно действие. Огромната част от промяната в свободната енергия е за сметка на дихателните вериги - 800 kJ. Остатъкът от около 80 kJ идва от останалите стъпала.

Терминологичен речник

#цитрат синтаза – катализира първата реакция на ЦК, кондензация на ацетил-КоА с оксалацетат под действие на при участие на молекула вода и отделяне на КоА. Образува се С-С връзка между С от метиловата група на ацетил-КоА и карбонилния С от оксалацетат. Получава се цитрат.

#α-кетоглутаратдехидрогеназен комплекс – катализира окислителното декарбоксилиране на α-кетокиселината α-кетоглутарат до сукцинил КоА. Това е третата необратима реакция в цикъла (∆G1o'=-33kJ/mol). Тук се отделя втората молекула СО2. Ензима е аналогичен на пируватдехидрогеназния комплекс, единствено първият ензим е различен - специфичен е за α- кетоглутарат, а не за пируват.

#малат дехидрогеназа - малатът под действието на ензима НАД-зависима дехидрогеназа, се превръща в оксалоцетна киселина.

#сукцинатдехидрогеназа – ензим, окислява янтърната киселина (сукцинат)

във фумарова киселина.

#фумараза - хидратира фумаровата киселина и се образува L- малат

(ябълчена киселина).

#сукцинат тиокиназа (сукцинил-КоА синтетаза) - спряга превръщането на сукцинил-КоА в сукцинат със синтеза на 1 мол АТФ от АДФ и Ф.