Уравнения реакций цикла трикарбоновых кислот
Продолжаем разбирать цикл Кребса. В прошлой статье я рассказывал о том, что это вообще такое, для чего цикл Кребса нужен и какое место в метаболизме он занимает. Теперь давайте приступим к самим реакциям этого цикла.
Сразу оговорюсь — лично для меня заучивание реакций было совершенно бессмысленным занятием до того, пока я не разобрал вышеуказанные вопросы. Но если вы уже разобрались с теорией, предлагаю перейти к практике.
Вы можете увидеть множество способов написания цикла Кребса. Чаще всего встречаются варианты вроде этого:
Но мне удобнее всего показался способ написания реакций из старого доброго учебника по биохимии от авторов Берёзова Т.Т. и Коровкина Б.В.
Первая реакция
Уже знакомые нам Ацетил-КоА и Оксалоацетат соединяются и превращаются в цитрат, то есть в лимонную кислоту.
Вторая реакция
Теперь берём лимонную кислоту и превращаем её изолимонную кислоту. Другое название этого вещества — изоцитрат.
На самом деле, эта реакция идёт несколько сложнее, через промежуточную стадию — образование цис-аконитовой кислоты. Но я решил упростить, чтобы вы получше запомнили. При необходимости вы сможете добавить сюда недостающую ступень, если будете помнить всё остальное.
По сути, две функциональные группы просто поменялись местами.
Третья реакция
Итак, у нас получилась изолимонная кислота. Теперь её нужно декарбоксилировать (то есть отщипнуть COOH) и дегидрировать (то есть отщипнуть H) . Получившееся вещество — это a-кетоглутарат.
Эта реакция примечательна тем, что здесь образуется комплекс HAДH2. Это значит, что переносчик НАД подхватывает водород, чтобы запустить дыхательную цепь.
Мне нравится вариант реакций Цикла Кребса в учебнике Берёзова и Коровкина именно тем, что сразу отлично видно атомы и функциональные группы, которые участвуют в реакциях.
Четвёртая реакция
Едем далее. Берём a-кетоглутарат из прошлой реакции и декарбоксилируем на сей раз его. Как видите, в этой же реакции к a-кетоглутарату присоединяется коэнзим-А.
Снова как часы работает никотинАмидАденинДинуклеотид, то есть НАД. Это славный переносчик появляется здесь, как и в прошлом шаге, чтобы захватить водород и унести его в дыхательную цепь.
Кстати, получившееся вещество — сукцинил-КоА, не должно вас пугать. Сукцинат — это другое название янтарной кислоты, хорошо знакомой вам со времён биоорганической химии. Сукцинил-Коа — это соединение янтарной кислоты с коэнзимом-А. Можно сказать, что это эфир янтарной кислоты.
Пятая реакция
В прошлом шаге мы говорили, что сукцинил-КоА — это эфир янтарной кислоты. А теперь мы получим саму янтарную кислоту, то есть сукцинат, из сукцинила-КоА. Крайне важный момент: именно в этой реакции происходит субстратное фосфорилирование.
Фосфорилирование вообще (оно бывает окислительное и субстратное) — это добавление фосфорной группы PO3 к ГДФ или АТФ, чтобы получить полноценный ГТФ, или соответственно, АТФ. Субстратное отличается тем, что эта самая фосфорная группа отрывается от какого-либо вещества, её содержащую. Ну проще говоря, она переносится с СУБСТРАТА на ГДФ или АДФ. Поэтому и называется — «субстратное фосфорилирование».
Ещё раз: на момент начала субстратного фосфорилирования у нас имеется дифосфатная молекула — гуанозинДифосфат или аденозинДифосфат. Фосфорилирование заключается в том, что молекула с двумя остатками фосфорной кислоты — ГДФ или АДФ «достраивается» до молекулы с тремя остатками фосфорной кислоты, чтобы получились гуанозинТРИфосфат или аденозинТРИфосфат. Этот процесс происходит во время превращения сукцинила-КоА в сукцинат (то есть, в янтарную кислоту).
На схеме вы можете увидеть буквы Ф (н). Это значит «неорганический фосфат». Неорганический фосфат переходит от субстрата на ГДФ, чтобы в продуктах реакции был хороший, полноценный ГТФ. Теперь давайте посмотрим на саму реакцию:
Шестая реакция
Следующее превращение. На сей раз янтарная кислота, которую мы получили в прошлом этапе, превратится в фумарат, обратите внимание на новую двойную связь.
На схеме отлично видно, как в реакции участвует ФАД: этот неутомимый переносчик протонов и электронов подхватывает водород и утаскивает его непосредственно в дыхательную цепь.
Седьмая реакция
Мы уже на финишной прямой. Предпоследняя стадия Цикла Кребса — это реакция превращения фумарата в L-малат. L-малат — это другое название L-яблочной кислоты, знакомой ещё с курса биоорганической химии.
Если вы посмотрите на саму реакцию, вы увидите, что, во-первых, она проходит в обе стороны, а во-вторых, её суть — гидратирование. То есть фумарат просто присоединяет к себе молекулу воды, в итоге получается L-яблочная кислота.
Восьмая реакция
Последняя реакция Цикла Кребса — это окисление L-яблочной кислоты до оксалоацетата, то есть до щавелевоуксусной кислоты. Как вы поняли, «оксалоацетат» и «щавелевоуксусная кислота» — это синонимы. Вы, наверное, помните, что щавелевоуксусная кислота является компонентом первой реакции цикла Кребса.
Здесь же отмечаем особенность реакции: образование НАДH2, который понесёт электроны в дыхательную цепь. Не забудьте также реакции 3,4 и 6, там также образуются переносчики электронов и протонов для дыхательной цепи.
Как видите, я специально выделил красным цветом реакции, в ходе которых образуются НАДH и ФАДH2. Это очень важные вещества для дыхательной цепи. Зелёным я выделил реакцию, в рамках которой происходит субстратное фосфорилирование, и получается ГТФ.
Как это всё запомнить?
На самом деле, не так уж и сложно. Полностью прочитав две моих статьи, а также ваш учебник и лекции, вам нужно просто потренироваться писать эти реакции. Я рекомендую запомнить цикл Кребса блоками по 4 реакции. Напишите эти 4 реакции несколько раз, для каждой подбирая ассоциацию, подходящую именно вашей памяти.
Например, мне сразу очень легко запомнилась вторая реакция, в которой из лимонной кислоты (она, думаю, всем знакома с детства) образуется изолимонная кислота.
Вы можете так же использовать мнемонические запоминалки, такие как: «Целый Ананас И Кусочек Суфле Сегодня Фактически Мой Обед, что соответствует ряду — цитрат, цис-аконитат, изоцитрат, альфа-кетоглутарат, сукцинил-CoA, сукцинат, фумарат, малат, оксалоацетат». Есть ещё куча подобных.
Но, если честно, мне не нравились такие стихи практически никогда. По-моему, проще запомнить саму последовательность реакций. Мне отлично помогло разделение цикла Кребса на две части, каждую из которых я тренировался писать по несколько раз в час. Как правило, это происходило на парах вроде психологии или биоэтики. Это весьма удобно — не отвлекаясь от лекции, вы можете потратить буквально минутку, написав реакции так, как вы их запомнили, а затем сверить с правильным вариантом.
Кстати, в некоторых вузах на зачётах и экзаменах по биохимии преподаватели не требуют знания самих реакций. Нужно знать только что такое цикл Кребса, где он происходит, в чём его особенности и значение, и, разумеется, саму цепочку превращений. Только цепочку можно называть без формул, используя лишь названия веществ. Такой подход не лишён смысла, на мой взгляд.
Надеюсь, моё руководство по циклу трикарбоновых кислот вам помогло. А я хочу напомнить, что эти две статьи не являются полноценной заменой вашим лекциям и учебникам. Я написал их лишь для того, чтобы вы примерно понимали, что такое цикл Кребса. Если вы вдруг увидели какую-то ошибку в моём руководстве, пожалуйста, отпишитесь о ней в комментариях. Спасибо за внимание!
Источник
Цикл трикарбоновых кислот (Цикл Кребса или цикл лимонной кислоты) – центральный процесс метаболизма. Суть процесса состоит в том, что первоначально пировиноградная кислота соединяется со сложным органическим веществом — коэнзимом А. При этом сразу отщепляется СО2, образуется НАД • Н и комплекс СН3СО—5—коэнзим А (ацетил-коэнзим А). Этот комплекс реагирует со щавелево-уксусной кислотой с образованием кислоты лимонной. Коэнзим А освобождается, а лимонная кислота подвергается последовательным превращениям в цикле Кребса (8 реакций). При этом получается 2 молекулы СО2, восстанавливается молекула щавелево-уксусной кислоты, а выделяющаяся энергия запасается в виде АТФ. В пересчете на одну молекулу глюкозы энергетический выход цикла Кребса составляет 30 молекул АТФ. Таким образом, суммарный энергетический выход всего процесса дыхания составляет 38 молекул АТФ на одну молекулу глюкозы. Часть образующейся энергии выделяется в виде тепла (44,6%). Цикл Кребса идет только в присутствии необходимого количества кислорода. Этот цикл открыл Г. Кребс, за которое он в 1953 году получил Нобелевскую премию.
Схема цикл трикарбоновых кислот, цикл Кребса
ATP (АТФ) – это аденозинтрифосфорная кислота, универсальный источник и переносчик энергии
NAD (НАД) – никотинамидадениндинуклеотидфосфата, кофермент
NADH (НАД•Н) – востановленная форма NAD
Ацетил-КоА – сложное органическое вещество ацетил-коэнзим А (СН3СО—S)
Пируват – это соли пировиноградной кислоты
Таблица реакции цикла трикарбоновых кислот Кребса
Цикл Кребса это аэробный процесс (проходит с участием кислорода) и состоит из восьми стадий (процессов).
Реакции цикла трикарбоновых кислот (цикла Кребса) | Описание и ход реакция цикла | Ферменты |
1 реакция Конденсация ацетил-КоА с оксалоацетатом | Конденсация ацетил-СоА с оксалоацетатом, в результате чего образуется цитрат (лимонная кислота), а кофермент А освобождается. Реакция катализируется цитратсинтазой, которая является одним из регуляторных ферментов, лимитирующих скорость цикла Кребса.
| цитратсинтаза |
2 реакция Изомеризация цитрата в изоцитрат | Превращение цитрата в изоцитрат (изолимонная кислота) с участием аконитат-гидратазы (сложного фермента, содержащего Fe2+ и кислотолабильные атомы серы, образующие железо-серные центры) через промежуточную стадию цис-аконитата, связанного с ферментом.
| аконитаза |
3 реакция Окислительное декарбоксилирование изоцитрата | Дегидрирование (так называется удаление из молекулы атомов водорода) цитрата с образованием a-кетоглутарата и СO2 при участии изоцитратдегидрогеназы, которая функционирует при наличии Mg2+ и Мn2+.
| изоцитратдегидрогеназа |
4 реакция Окислительное декарбоксилирование а-кетоглутарата | Реакция окислительного декарбоксилирования a-кетоглутарата до высокоэнергетического сукцинил-СоА. Реакция катализируется a-кетоглутаратдегидрогеназным комплексом (Mg2+), который похож на пируватдегидрогеназный комплекс.
| ферменты: а-кетоглутаратдегидрогеназа дегидролиполилтранссукцинилаза дегидролипоилдегидрогеназа коферменты: ТПФ, липоевая кислота, ФАД, HS-KoA, НАД+ |
5 реакция Субстратное фосфорилирование | На этом этапе цикла Кребса происходит превращение сукцинил-СоА под влиянием сукцинил-СоА-синтетазы в сукцинат (янтарная кислота) с отщеплением СоА. Эта реакция сопряжена с образованием гуанозинтрифосфата (GTP) из GDP и фосфата и также катализируется указанным ферментом.
| сукцинил-КоА-синтетаза |
6 реакция Дегидрирование сукцината | Катализируемое сукцинатдегидрогеназой, содержащей ковалентно связанный FAD и два железо-серных центра, дегидрирование сукцината с образованием фумарата (фумаровая кислота).
| сукцинатдегидрогеназа |
7 реакция Гидратация фумарата | Эта реакция цикла трикарбоновых кислот представляет обратимую гидратацию фумарата с образованием L-малата (яблочная кислота), катализируемая фумарат-гидратазой или фумаразой.
| фумараза |
8 реакция Регенерация оксалоацетата | Катализируемое NAD-зависимой L-малатдегидрогеназой дегидрирование L-малата с образованием оксалоацетата. Эта реакция замыкает цикл Кребса и поставляет оксалоацетат (щавелевоянтарная кислота) для нового цикла. Большинство реакций цикла Кребса обратимы.
| малатдегидрогеназа |
_______________
Источник информации:
1. Биология для поступающих в вузы / Г.Л. Билич, В.А. Крыжановский. — 2008.
2. Биохимия в схемах и таблицах / И. В. Семак – Минск — 2011.
Поделитесь ссылкой с друзьями:
Источник
Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) или цикл лимонной кислоты или цикл Кребса – путь окислительных превращений ди- и трикарбоновых кислот, образующихся в качестве промежуточных продуктов при распаде и синтезе белков, жиров и углеводов.
Цикл трикарбоновых кислот представлен в клетках всех организмов: растений, животных и микроорганизмов.
Этот цикл является основой метаболизма и выполняет две важных функции:
– снабжения организма энергией;
– интеграции всех главных метаболических потоков, как катаболических (биорасщепление), так и анаболических (биосинтез).
Напомню, что реакции аэробного гликолиза локализованы в цитоплазме клетки и приводят к образованию пирувата (ПВК).
!!! Последующие превращения пирувата протекают в матриксе митохондрий.
В матриксе пируват превращается в ацетил-КоА – макроэргическое соединение. Реакция катализируется ферментом НАД-зависимой пируватдекарбоксилазой:
Восстановленная формаНАДН∙Н+, образовавшаяся в результате этой реакции, поступает в дыхательную цепь и генерирует 6 молекул АТФ (в пересчете на 1 молекулу глюкозы).
!!! ЦТК представляет собой последовательность из восьми реакций, протекающих в матриксе митохондрий (Рис. 9.6):
Рис. 9.6. Схема цикла трикарбоновых кислот
1) Необратимая реакция конденсации ацетил-КоА со щавелевоуксусной кислотой (оксалоацетатом), катализируемая ферментом цитратсинтетазой, с образованием лимонной кислоты (цитрата).
2) Обратимая реакция изомеризация лимонной кислоты (цитрата) в изолимонную кислоту (изоцитрат), в процессе которой происходит перенос гидроксигруппы к другому атому углерода, катализируется ферментом аконитазой.
Реакция идёт через образование промежуточного продукта
цис-аканитовой кислоты (цис-аконитата).
3) Необратимая реакция окислительного декарбоксилирования изолимонной кислоты (изоцитрата): гидроксигруппа изолимонной кислоты окисляется до карбонильной группыс помощью окисленной формы НАД+ и одновременно отщепляется карбоксильная группа в
β-положении с образованием α-кетоглутаровой кислоты
(α-кетоглутарата). Промежуточный продукт этой реакции щавелевоянтарная кислота (оксалосукцинат).
!!! Это первая реакция цикла, в которой происходит восстановление окисленной формы НАД+-кофермента до НАДН∙Н+, фермента изоцитратдегидрогеназы.
Восстановленная форма НАДН∙Н поступает в дыхательную цепь, там окисляется до НАД+, что приводит к образованию 2 молекул АТФ.
4) Обратимая реакция окислительного декарбоксилирования
α-кетоглутаровой кислоты до макроэргического соединения сукцинил-КоА. Реакцию катализирует фермент 2-оксоглутаратдегидрогеназный комплекс.
5) Реакция является единственной в цикле реакцией субстратного фосфорилирования; катализируется ферментом сукцинил-КоА-синтетазой. В этой реакции сукцинил-КоА при участии гуанодиндифосфата (ГДФ) и неорганического фосфата (H3PO4) превращается в янтарную кислоту (сукцинат).
!!! Одновременно происходит синтез макроэргического соединения ГТФ за счёт макроэргической связи тиоэфирной связи сукцинил-КоА.
6) Реакция дегидрирования янтарной кислоты (сукцината) с образованием фумаровой кислоты (фумарата).
Реакция катализируется сложным ферментом сукцинатдегидрогеназой, в молекуле которой кофермент ФАД+ ковалентно связан, а белковой частью фермента. Окисленная форма ФАД+ в результате реакции восстанавливается до ФАД∙Н2.
Восстановленная форма ФАД∙Н2 поступает в дыхательную цепь, там регенерирует до окисленной формы ФАД+, что приводит к образованию двух молекул АТФ.
7) Реакция гидратации фумаровой кислоты (фумарата) до яблочной кислоты (малата). Реакция катализируется ферментом фумаразой.
8) Реакция дегидрирования яблочной кислоты до щавелеуксусной кислоты (оксалоацетата). Реакция катализируется ферментом НАД+-зависимой-малатдегидрогеназой.
В результате реакции окисленная форма НАД восстанавливается до восстановленной формы НАДН∙Н+.
Восстановленная форма НАДН∙Н поступает в дыхательную цепь, там окисляется до НАД+, что приводит к образованию 2 молекул АТФ.
Суммарное уравнение ЦТК можно записать следующим образом:
Ацетил-КоА + 3НАД+ + ФАД+ + ГДФ + H3PO4 =
2CO2 + H2O + HS-КоА + 3НАДН∙Н + ФАД∙Н2 + ГТФ
Как видно из схемы суммарного уравнения ЦТК в этом процессе восстанавливаются:
– три молекулы НАДН∙Н (реакции 3, 4, 8);
– одна молекула ФАД∙Н2 (реакция 6).
При аэробном окислении из этих молекул в электрон-транспортной цепи в процессе окислительного фосфорилирования образуется при окислении:
– одной молекулы НАДН∙Н – 3 молекулы АТФ;
– одной молекулы ФАД∙Н2 – 2 молекулы АТФ.
– одна молекула ГТФ образуется в реакции субстратного фосфорилирования (реакция 5).
Всё это составит : 9 (3х3) АТФ + 2 АТФ + 1 АТФ (ГТФ) = 12 АТФ. Следовательно, энергетический баланс окисления ацетил-КоА (2 молекулы пирувата из аэробного гликолиза) в ЦТК составляет 24 молекулы АТФ.
!!! Полное окисление глюкозы:
8 молекул АТФ гликолиза + 6 молекул АТФ окислительного декарбоксилирование пирувата в цетил-КоА + 24 молекулы АТФ ЦТК =
38 молекул АТФ на молекулу глюкозы.
Источник
Представьте себе, что все белки, жиры и углеводы, которые мы получаем с приемом пищи, распадаются на маленькие пазлы, которые собираются вновь только в одном определенном участке нашего организма – митохондриях. Там же происходит сортировка и параллельное протекание реакций созидания и разрушения. Разберемся подробнее:
Что такое цикл Кребса
Цикл Кребса – это цепочка химических реакций, происходящих в митохондриях каждой клетки нашего тела, которая называется циклом потому, что продолжается непрерывно. Она же является и общим конечным путем окисления ацетильных групп (в виде ацетил-КоА), в которые превращается в процессе распада большая часть органических молекул, играющих роль «клеточного топлива» или «субстратов окисления»: углеводов, жирных кислот и аминокислот.
Функции цикла Кребса:
- анаболическая (синтез новых органических веществ);
- энергетическая (питание организма)
- катаболическая (превращение некоторых веществ в катализаторы)
- транспортная (транспортировка водорода, участвующего в дыхании клеток).
Атомы водорода, высвобождающиеся в окислительно-восстановительных реакциях, доставляются в цепь переноса электронов при участии НАД- и ФАД- зависимых дегидрогеназ, в результате чего происходит образование 12 высокоэнергетических фосфатных связей: синтез 12 молекул аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) из аденозиндифосфорной кислоты (АДФ).
Как работает цикл Кребса?
В организме аминокислоты, жирные кислоты и пируват образуют ацетил-КоА.
Когда ацетил-КоА попадает в митохондриальный матрикс, он связывается с молекулой оксалацетата и превращается в лимонную кислоту (цитрат). Цитрат, в свою очередь, под действием фермента аконитазы превращается в цис-аконитат, оставляя молекулу воды.
В свою очередь цис-аконитат превращается в изоцитрат под действием фермента изоцитратдегидрогеназы. Изоцитрат превращается в альфа-кетоглутарат под действием изоцитратдегидрогеназы.
Альфа-кетоглутарат превращается в сукцинил-КоА альфа-кетоглутаратдегидрогеназой и добавлением ацетил-КоА. Он подвергается сукцинату под действием сукцинат-тиокиназы. Сукцинатдегидрогеназа превращает его в фумарат. Фумарат превращается в L-малат через фумаразу. L-малат под действием фермента малатдегидрогеназы восстанавливает оксалацетат, который может снова вступать в реакцию с молекулой ацетил-КоА и повторять цикл.
Результатом этого цикла является образование CO2 и водорода, а также воды. Ионы на выходе из процесса участвуют в ресинтезе АТФ, что помогает организму восстановить еще один источник энергии – трифосфат аденозина.
Стадии цикла Кребса
Окисление ацетильного остатка происходит в несколько стадий, образующих циклический процесс из 8 основных этапов:
Основные этапы цикла Кребса | |
I этап | Конденсация ацетил-КоА и оксалоацетата с образованием цитрата. |
Происходит реакция отщепление карбоксильной группы аминокислот, в процессе которой образуется ацетил-КоА *он выполняет функцию транспортировки углерода в различных обменных процессах. При соединении с молекулой щавелевой кислоты получается цитрат *фигурирует в буферных обменах. На данном этапе кофермент А полностью высвобождается, и получаем молекулу воды. Данная реакция необратима. | |
II этап | Превращение цитрата в изоцитрат. |
Дегидрирование (отщепление молекул воды) от цитрата, в результате которого получается цис-аконитат. И присоединяя молекулу воды, переходит в изолимонную кислоту (изоцитрат) | |
III этап | Превращение изоцитрата в а-кетоглутарат. |
Изолимонная кислота(изоцитрат) дегидрируется в присутствии НАД- зависимой изо-цитратдегидрогеназы.На выходе получаем альфа-кетоглутарат. *Альфа-кетоглутарат участвует в регуляции всасывания аминокислот, нормализует метаболизм и положительно влияет на антистрессорные процессы. Также образуется NADH (аллостерический фермент) | |
IV этап | Окисление α-кетоглутарата до сукцинил-КоА |
Окислительное декарбоксилирование а-кетоглутарата с образованием сукцинил-КоА – тиоэфира, содержащего высокоэнергетическую фосфатную связь. | |
V этап | Превращение сукцинил-КоА в сукцинат. |
Пятая реакция катализируется ферментом сукцинил-КоА-синтетазой. В ходе этой реакции сукцинил-КоА при участии ГТФ и неорганического фосфата превращается в янтарную кислоту (сукцинат). Так же происходит образование высокоэргической фосфатной связи ГТФ за счет тиоэфирной связи сукцинил-КоА. | |
VI этап | Дегидрогенирование сукцината. Образование фумарата. |
Образовавшийся сукцинат превращается в фумарат под действием фермента сукцинат-дегидрогеназы. Единственная дегидрогеназная реакция цикла Кребса, в ходе которой осуществляется прямой перенос водорода с субстрата на флавопротеин без участия НАД+. | |
VII этап | Образование малата из фумарата. |
Под влиянием фермента фумаратгидратазы (фумаразы). Образовавшаяся при этом фумаровая кислота гидратируется, продуктом реакции является L-яблочная кислота (L-малат). | |
VIII этап | Превращение малата в оксалоацетат. |
Под влиянием митохондриальной НАД-зависимой малатдегидрогеназы происходит окисление L-малата в оксалоацетат. Происходит полное «сгорание» одной молекулы ацетил-КоА. Для непрерывной работы цикла необходимо постоянное поступление в систему ацетил-КоА. А коферменты (НАД+ и ФАД), перешедшие в восстановленное состояние, должны снова и снова окисляться. | |
Реакции цикла Кребса по стадиям
Для облегчения запоминания ферментативных реакций цикла:
ЩУКа съела ацетат, получается цитрат
через цис-аконитат будет он изоцитрат
водороды отдав НАД, он теряет СО2
этому безмерно рад альфа-кетоглутарат
окисление грядёт: НАД похитит водород
В1 и липоат с коэнзимом А спешат,
отбирают СО2, а энергия едва
в сукциниле появилась сразу ГТФ родилась
и остался сукцинат. вот добрался он до ФАДа,
водороды тому надо водороды потеряв,
стал он просто фумарат. фумарат воды напился,
и в малат он превратился тут к малату НАД пришёл,
водороды приобрёл ЩУКа снова объявилась
и тихонько затаилась Караулить ацетат…
Источник