Обзор цикла Кребса. Электрон- транспортная цепь: Часть 1

Видео

Конспект

Цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот, цикл лимонной кислоты) является 4-м этапом клеточного дыхания и последним перед электрон-транспортной цепью (ЭТЦ). Это означает, что образованные в ходе окисления пирувата молекулы ацетил-КоА в ходе цикла Кребса должны по балансу превратиться в молекулы CO_2 , так как далее остаётся только электрон-транспортная цепь, которая забирает электроны с НАДН+Н^+ и отдает их конечному акцептору, при этом образуется АТФ.

Начнём наше рассмотрение цикла Кребса. Для чего вообще существует данный цикл? Он позволяет в довольно небольшое количество стадий окислить ацетильный фрагмент ацетил-КоА. В данном цикле двухуглеродный фрагмент CH_3CO-{} присоединяется к некоторой органической части, которая дальше и будет принимать участие в химических реакциях. С такой части удалить две молекулы CO_2 оказывается сильно проще, чем напрямую окислять ацетильный фрагмент до углекислого газа. Более того, в цикле некоторое соединение служит и реагентом, и продуктом, то есть наблюдается регенерация соединений.

Органической частью, на которую пришивается ацил, является оксалоацетат (щавелевоуксусная кислота). Данное соединение имеет две карбоксильные группы, одна из которых будет удаляться очень легко, так как с ней соседствует кето-группа. Присоединение пойдет таким образом, что метильный атом ацетила-КоА будет присоединяться к карбонильному атому углерода щавелевоуксусной кислоты. В результате реакции образуется шестиуглеродное соединение, представляющее собой гидрокситрикарбоновую кислоту — цитрат (лимонная кислота). Для того чтобы сдвинуть термодинамическое равновесие именно в сторону создания новой C--C связи, расходуется энергия макроэргической тиоэфирной связи ацетил-КоА, которая разрушается в ходе гидролиза. Реакция катализируется цитратсинтазой.

1 Обратите внимание, что также существуют ферменты синтетазы, которые для проведения реакций затрачивают энергию нуклеозидтрифосфатов: АТФ, ГТФ и т.д.. В первой реакции цикла Кребса нет затрат нуклеозидтрифосфатов, поэтому фермент называется синтаза, а не синтетаза.

В ходе второй реакции цикла Кребса происходит отщепление воды с помощью аконитазы и образуется цис-аконитат. Цис-аконитат не высвобождается из фермента, так как является достаточно токсичным соединением. К цис-аконитату затем тоже с участием аконитазы присоединяется вода с образованием изоцитрата (изолимонная кислота).

2 Обратите внимание, что молекула цитрата является симметричной. Как же тогда аконитаза понимает, к какому углероду (верхнему или нижнему) перемещать OH -группу?

Когда исследователи только начали изучать цикл Кребса, они применяли радиоизотопный анализ. В радиоизотопном анализе вместо стабильных атомов используются их радиоактивные изотопы, локализацию которых можно детектировать различными способами. По логике OH -группа в 50% случаев должна присоединяться к CH_2 от ацетил-КоА и в 50% случаев к CH_2 от оксалоацетата. Однако было показано, что в 100% случаев OH присоединяется именно к CH_2 от оксалоацетата. Все дело в том, что цитратсинтаза и аконитаза находятся в матриксе митохондрий не отдельно друг от друга, а образуют некоторый комплекс. В этом комплексе оксалоацетат передается от цитратсинтазы к аконитазе в определенной ориентации (концом, образованным оксалоацетатом, вперед) как будто по “туннелю”, откуда такое явление получило название туннелирования субстрата. Именно поэтому OH -группа приходит всегда к оксалоацетатной CH_2 -группе.

Третьей реакцией цикла Кребса является декарбоксилирование изоцитрата, то есть удаление одной из ожидаемых двух молекул углекислого газа. Напомним, что в клетке при pH=7 карбоксильные группы являются отрицательно заряженными. Таким образом, так как центральная карбоксильная группа зажата между крайними отрицательно заряженными группами, она будет испытывать наибольшее электростатическое отталкивание, а потому легче всего будет отщепляться. Кроме того, в этой реакции одновременно с декарбоксилированием происходит окисление гидроксильной группы до кето-, в результате чего образуется НАДН+Н^+ . Это необходимо для облегчения последующей реакции декарбоксилирования, так как субстратом для неё будет являться \alpha -кетокислота. Получаемое в ходе первой реакции декарбоксилирования соединение называется \alpha -кетоглутарат ( \alpha -кетоглутаровая кислота). Реакция осуществляется изоцитратдегидрогеназой. Название фермента может вызвать вопросы, однако стоит понимать, что ферменты называют я по главным реакциям, которые они катализируют. Окислительно-восстановительные реакции всегда самые главные, отсюда и вытекает название фермента.

3 Как вы помните из предыдущих лекций, декарбоксилирование пирувата происходило в несколько стадий с образованием ацетил-КоА как промежуточного продукта и синтезом НАДН+Н^+ . По тем же причинам окисление \alpha -кетоглутарата осуществляется также с участием сложного \alpha -кетоглутаратдегидрогеназного комплекса, который очень схож по строению с пируватдегидрогеназным. Продуктом, как и в случае окислительного декарбоксилирования пирувата, здесь является ацил, соединённый с коферментом А — сукцинил-КоА.

4 Как мы уже сказали, все реакции представляют из себя цикл, а значит, нужно его замкнуть. Поэтому в дальнейших реакциях цикла Кребса из сукцинил-КоА будет вновь образовываться оксалоацетат.

Следующей стадией является гидролиз сукцинил-КоА до сукцината (янтарной кислоты). КоА высвобождается в матрикс митохондрий, где он может повторно использоваться для реакций. За счет энергии разрыва тиоэфирной связи происходит синтез АТФ из АДФ и Ф_{н} , то есть происходит субстратное фосфорилирование. В митохондриях животных вместо АТФ (как у растений) образуется ГТФ. По энергии АТФ и ГТФ эквивалентны, тем более они могут конвертироваться друг из друга, поэтому при дальнейшем подсчете будем считать ГТФ как еще одну молекулу АТФ. Многие реакции цикла Кребса, как и эта, обратимы, а потому часто ферменты называются по обратной реакции. В данном случае фермент, осуществляющий реакцию, называется сукцинил-КоА-синтетаза. Важно понимать, что весь цикл Кребса провести в обратную сторону могут лишь определенные бактерии, для животных и растительных клеток такая способность не свойственна.

5 В следующей стадии с помощью сукцинатдегидрогеназы происходит окисление до фумарата (транс-изомер). Важно понимать, что CH_2 -группы являются плохими восстановителями, а потому в реакции требуется более сильный окислитель, именно поэтому в данном случае используется не НАД^+ , а ФАД.

6 Чтобы регенерировать оксалоацетат, нужно ввести кислород. Это сделать довольно просто путем гидратации — присоединения воды по двойной связи ферментом фумаразой. В результате образуется малат (яблочная кислота).

7 В конечном счете гидроксильная группа окисляется до карбонильной с образованием оксалоацетата. Реакция катализируется малатдегидрогеназой, в ходе реакции образуется НАДН+Н^+ .

8