Екатерина Владиславовна Неборак
Диалог с изучающим углеводы
ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ (ЦТК КРЕБСА)
118. Кем был открыт цикл трикарбоновых кислот?
Англо-немецкий биохимик Г. Кребс, используя срезы печени и почек, изучал скорость окисления различных соединений. Он получил важные данные, наблюдая очень быстрое окисление цитрата, сукцината, фумарата и ацетата. В дальнейшем был внесён большой вклад в изучение ЦТК биохимиками А.Сент-Дьерди, А.Ленинджером, Р.Липманом, С.Е.Севериным. Открытие синтеза цитрата из оксалоацетата позволило Г. Кребсу построить полную схему процесса. За открытие этого цикла Кребса, известного также как цикл трикарбоновых кислот, ЦТК, в 1953 г. Г. Кребс был удостоен Нобелевской премии. ЦТК представляет конечный путь распада/окисления углеводов, триацилглицеролов, аминокислот. Кроме того, его считают «амфиболическим путём» – связующим звеном между анаболизмом и катаболизмом веществ.
119. Почему ЦТК называют «амфиболическим»?
В цикле Кребса в процессе окисления образуются промежуточные продукты, необходимые для синтеза гема (Сукцинил-КоА) и глутамата (α-кето-глутарат).
120. Как выглядит схема цикла трикарбоновых кислот?
121. Где локализован цикл трикарбоновых кислот?
Полиферментный комплекс ЦТК находится в матриксе митохондрий в отличие от гликолиза, который локализован в цитозоле. В результате одного цикла молекула ацетил-КоА окисляется до СО2 и Н2О.
122. Что происходит в первой реакции цикла Кребса?
Цикл начинается с присоединения ацетил-КоА к оксалоацетату с образованием цитрата. Реакцию катализирует цитратсинтаза, использующая для образования цитрата энергию макроэргической связи ацетил-КоА. Аллостерическим ингибитором цитратсинтазы является АТФ.
123. Как протекает вторая реакция цикла Кребса?
Образовавшаяся лимонная кислота подвергается дегидратированию с образованием цис-аконитовой кислоты, которая, после присоединения молекулы воды, превращается в изоцитрат.
124. Что происходит в третьей реакции цикла Кребса?
В третьей реакции происходит окислительное декарбоксилирование изоцитрата, с образованием α-кетоглутарата. Эту вторую регуляторную реакцию катализирует изоцитратдегидрогеназа (ИЦДГ), которой необходимы ионы Mg2+ или Mn2+. АДФ является ингибитором ИЦДГ.
125. Как проходит четвёртая реакция цикла Кребса?
В четвертой реакции происходит окислительное декарбоксилирование α-кетоглутарата с образованием высокоэнергетического соединения сукцинил-КоА. Это третья регуляторная реакция, катализируемая α-кетоглутаратдегидрогеназным комплексом, который по своей структуре похож на пируватдегидрогеназный комплекс.
126. Какие коферменты необходимы для окислительного декарбоксилирования α-кетоглутарата?
В состав α-кетоглутаратдегидрогеназного комплекса входят 5 коферментов:
• ТПФ
• Липоамид
• HS-КоА
• ФАД
• НАД+
Реакция ингибируется образованными её продуктами, сукцинил-КоА и НАДН+.
127. Что происходит в пятой реакции цикла Кребса?
В пятой реакции сукцинил-КоА-синтетаза превращает сукцинил-КоА в сукцинат, используя ГДФ и неорганический фосфат. В процессе реакции образуется ГТФ, соединение с высокоэнергической фосфатной связью (субстратное фосфорилирование).
128. Как протекает шестая реакция цикла Кребса?
В шестой реакции сукцинатдегидрогеназа сукцинат окисляется в фумарат, используя кофермент ФАД, являющийся акцептором 2Н+ и 2ē (ФАДН2).
129. Что происходит в седьмой реакции цикла Кребса?
Образовавшийся фумарат превращается в малат под влиянием фумаратгидратазы.
130. Как протекает восьмая реакция цикла Кребса?
В ходе восьмой реакции малат окисляется малатдегидрогеназой (МДГ) в оксалоацетат. Митохондриальная НАД+-зависимая малатдегидрогеназа генерирует НАДН(Н+).
131. Каков энергетический эффект цикла Кребса?
В процессе окисления ацетил-КоА образуется три НАДН(Н+), которые являются донорами протонов и электронов для дыхательной цепи (ДЦ). И в результате сопряжённого окислительного фосфорилирования образуется по 2,5 АТФ, следовательно, в итоге 7,5 АТФ. Сукцинатдегидрогеназа восстанавливает ФАД в ФАДН2, который являясь донором протонов и электронов для ДЦ. Они, попадая в систему транспорта электронов через КоQ, способствуют образованию 1,5 АТФ. В цикле Кребса за счет субстратного фосфорилирования синтезируется одна молекула ГТФ, которая равнозначна одной молекуле АТФ. Таким образом, при окислении одной молекулы ацетил-КоА в цикле Кребса при сопряжении (взаимосвязи) с окислительным фосфорилированием может образоваться 10 молекул АТФ (7,5 + 1,5 +1 =10 АТФ).
Для непрерывной работы цикла необходимо постоянное поступление ацетил-КоА и коферментов НАД+ и ФАД, которые отдают в ДЦ протоны и электроны, окисляясь и вновь возвращаясь в ЦТК в окисленной форме.
132. Каков энергетический эффект аэробного окисления глюкозы?
Полное (аэробное) окисление глюкозы до СО2 и Н2О можно представить следующей схемой:
Таким образом, расчёт энергетического эффекта аэробного гликолиза (окисления глюкозы) в клетке можно представить в виде трёх этапов:
1. Энергетический эффект аэробного гликолиза суммируется из 2 молекул АТФ (ре-акция VII и X гликолиза) и 5 молекул АТФ (2 молекулы НАДН(Н+) в VI реакции не затрачиваются в ХI реакции, так как распад идет до пирувата). Итог этой стадии 7 молекул АТФ.
2. 5 молекул АТФ даёт стадия окислительного декарбоксилирования 2 молекул пи-рувата (2 НАДН(Н+) → 5 АТФ).
3. Окисление 2 молекул ацетил-КоА в цикле Кребса и системе окислительного фос-форилирования может дать 20 молекул АТФ: 2 (3 НАДН(Н+) + 1 ФАДН2 + 1ГТФ).
Таким образом, суммируя все вышеописанные расчеты, энергетический эффект полного распада одной молекулы глюкозы равен 32АТФ (7АТФ + 5АТФ + 20АТФ).
Аэробное окисление одной молекулы глюкозы энергетически более выгодное, чем окисление одной молекулы глюкозы в анаэробных условиях (2АТФ).
133. Как осуществляется регуляция цикла трикарбоновых кислот?
Скорость цикла Кребса зависит от потребности клетки в АТФ. Регуляторными реакциями цикла являются:
Синтез цитрата из оксалоацетата и ацетил-КоА. Реакция катализируется цитратсинтазой. АТФ является её аллостерическим ингибитором.
Превращение изоцитрата в α-кетоглутарат изоцитратдегидрогеназой. Фермент аллостерически активируется АДФ, ингибируется НАДН(Н+).
α-кетоглутаратдегидрогеназа катализирует превращение α- кетоглутарата в сукцинил-КоА. Фермент ингибируется сукцинил-КоА и НАДН(Н+).
Снижение скорости потребления глюкозы и прекращения накопления лактата в присутствии кислорода называется эффектом Пастера.
ПЕНТОЗОФОСФАТНЫЙ ПУТЬ ОКИСЛЕНИЯ УГЛЕВОДОВ
134. Какой кофермент является источником восстановленного эквивалента при окислении глюкозы в пентозофосфатном пути (ПФП) в клетках?
Источником восстановленного эквивалента ПФП в клетках является НАДФН(Н+), отличающийся от НАДН(Н+) наличием фосфатной группы у второго углеродного атома рибозы (АМФ).
135. В чём заключается различие коферментов НАД+ и НАДФ+?
Различие коферментов НАД+ и НАДФ+ в большинстве химических реакций существенно. НАДН(Н+) окисляется в дыхательной цепи с сопряженным образованием АТФ. НАДФН(Н+) является донором водорода (протонов и электронов) при восстановительных биосинтезах веществ.
136. Какой путь окисления глюкозы называют пентозофосфатным путём (ПФП)?
Путь прямого окисления глюкозы, который связан с образованием восстановленного НАДФН(Н+) и пентоз (рибозы), называется пентозофосфатным путем.
137. Где в клетке локализован пентозофосфатный путь окисления глюкозы?
Путь прямого окисления глюкозы протекает в цитозоле и взаимосвязан с гликолизом. ПФП называют также пентозным шунтом или циклом, гексозомонофосфатным путем или фосфоглюконатным окислительным путем.
138. Какова главная роль пентозофосфатного пути?
Главная роль пентозофосфатного пути состоит в образовании НАДФН(Н+) для восстановительных биосинтезов (жирных кислот, холестерина, стероидных гормонов) и пентозофосфаты (рибозо-5-фосфат) для синтеза ДНК, РНК и коферментов (НАД+, ФАД). Потребность организма в НАДФН(Н+) покрывается на 50-60% за счет пентозофосфатного цикла.
139. В клетках какой ткани преобладает потребление НАДФН(Н+)?
Жировая ткань потребляет НАДФН(Н+) больше, чем какая-либо другая для восстановительного синтеза жирных кислот из ацетил-КоА.
140. В каких тканях и органах у млекопитающих высокая активность пентозофосфатного пути окисления глюкозы?
У млекопитающих высокая активность пентозофосфатного пути наблюдается в печени, надпочечниках, эмбриональной ткани и молочной железе в период лактации.
141. Может ли пентозофосфатный путь окисления глюкозы быть источником энергии?
При стрессовых ситуациях в организме ПФП может использоваться как источник энергии АТФ.
142. Какие учёные принимали участие в открытии пентозофосфатного пути?
Первый фермент пентозофосфатного пути окисления глюкозы глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа был открыт О. Варбургом в 1931 г. Исследование этого пути продолжили Ф. Лиман, Ф. Дикенс и В.А. Энгельгард.
143. Какие трансферазы катализируют реакции пентозофосфатного пути?
В пентозофосфатном пути происходит перенос двухуглеродного фрагмента транскетолазой и трехуглеродного фрагмента трансальдолазой с одного углевода на другой.
144. Какова последовательность превращений в пентозофосфатном пути?
Рассмотрим последовательность этих превращений.
В ходе первой реакции происходит дегидрирование глюкозо-6-фосфата ферментом глюкозо-6-фосфатдегидрогеназой и её коферментом НАДФ+.
145. Какой процесс происходит во второй реакции?
На следующем этапе происходит гидролиз 6-фосфоглюконо-δ-лактона, гидролиз которого осуществляется лактоназой с образованием 6-фосфоглюконата.
146. Какие процессы происходят в третьей реакции пентозофосфатного пути?
Образовавшийся 6-фосфоглюконат подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием рибулозо-5-фосфата 6-фосфоглюконат- дегидрогеназой. Этой реакцией заканчивается окислительный этап пентозофосфатного пути, в которой образуется вторая молекула НАДФН(Н+).
147. Какие процессы в дальнейшем происходят с рибулозо-5-фосфатом?
Рибулозо-5-фосфат под действием эпимеразы может превращаться в ксилулозо-5-фосфат, и под действием изомеразы превращается в рибозо-5-фосфат. Эти реакции – взаимопревращаемые.
148. Какие процессы проходят в клетке в случае, если для восстановительных биосинтезов веществ необходим в большом количестве НАДФН + Н+?
В таких случаях рибозо-5-фосфат превращается в глицеральдегид-3-фосфат и фруктозо-6-фосфат под действием транскетолазы и трансальдолазы. Реакции проходят в анаэробных условиях, представляя неокислительный этап пентозофосфатного пути (5 и 6 реакции).
149. Как протекает шестая реакция пентозофосфатного пути?
В шестой стадии пентозного цикла осуществляется перенос остатка диоксиацетона (но не свободного диоксиацетона) от седогептулозо-7-фосфата на глицеральдегид-3-фосфат. Реакция катализируется ферментом трансальдолазой. В результате образуется фруктозо-6-фосфат и эритрозо-4-фосфат.
150. Какая реакция может происходить, если в процесс вовлекается вторая молекула ксилулозо-5-фосфата?
При взаимодействии второй молекулы ксилулозо-5-фосфат с эритрозо-4-фосфатом образуется еще одна молекула фруктозо-6-фосфата. Это вторая реакция, катализируемая транскетолазой.
151. Как выглядит последовательность реакций в пентозофосфатном пути окисления углеводов?
Последовательность реакций в ПФП представлена на схеме:
152. Какой кофермент содержит транскетолаза?
Транскетолаза в пентозном цикле катализирует две реакции и содержит в качестве кофермента прочно связанный ТПФ, который также необходим для окислительного декарбоксилирования пирувата.
153. Какое заболевание может вызвать недостаток тиамина в рационе людей?
Недостаток витамина В1 (тиамина) в рационе людей может вызвать синдром Вернике-Корсакова (синоним – болезнь бери-бери), для которого характерно нервно-психическое расстройство.
154. Как можно представить суммарное уравнение реакций пентозофосфатного пути?
Суммарное уравнение реакций, включающих окислительный и неокислительный этапы пентозофосфатного пути с учётом использования шести молекул глюкозо-6-фосфата можно представить таким образом: