Cхема реакций цикла Кребса

В ходе двух последовательных реакций цитрат через цисаконитат превращается в изоцитрат. Обе эти реакции: отщепление и присоединение воды катализируется одним и тем же ферментом аконитазой. Следующая реакция уже носит окислительный характер: изоцитрат подвергается дегидрированию. Отщепленные от изоцитрата атомы водорода переносятся на НАД+Энергия этого окислительного процесса, а в основном накапливается в виде энергии восстановленного НАДН+Н+. Одновременно с дегидрированием происходит отщепление карбоксильной группы изоцитрата в виде СО2, и трикарбоновая кислота превращается в дикарбоновую 2оксоглутарат. Эта реакция катализируется ферментом изоцитратдегидрогеназой.

Образовавшийся 2-оксоглутарат на следующем этапе вновь подвергается окислительному декарбоксилированию. Он теряет 2 атома водорода, которые опять же переносятся на НАД+, и от него отщепляется молекула СО2. В результате 2оксуглатарат превращается сукцинилКоА. Это превращение катализируется надмолекулярным полиферментным 2оксоглутаратдегидрогеназным комплексом, в состав которого входят ферменты трех типов, а также 5 кофакторов: НАД+, ФАД, КоА, ТДФ и ЛК. Энергия этого окислительного процесса накапливается, во-первых, в виде энергии восстановленного НАДН+Н+, во-вторых, в виде энергии макроэргической связи сукцинил-КоА. В следующей реакции, катализируемой сукцинил~КоАсинтетазой, эта энергия трансформируется в энергию макроэргической связи ГТФ, а сукцинил~КоА превращается в сукцинат.

Далее сукцинат под действием фермента сукцинатдегидрогеназы теряет 2 атома водорода и превращается в фумарат, а два атома водорода вместе с запасом энергии, выделяющейся при окислении, переносятся на ФАД. Фумарат под действием фумаразы присоединяет воду и переходит в малат. Малат, в свою очередь, под действием малатдегидрогеназы окисляется путем дегидрирования в щавелевоуксусную кислоту, замыкая тем самым цикл. Отщепленные от малата атомы водорода переносятся на НАД+, в восстановленной форме которого накапливается энергия окисления.

Работа цикла Кребса регулируется с помощью термодинамических и кинетических механизмов контроля. Термодинамические механизмы контролируют направление потока метаболитов в цикле Кребса, тогда как кинетические механизмы ответственны за регуляцию интенсивности потока метаболитов по циклу.

Пусковой реакцией цикла Кребса является цитратсинтазная реакция. Она сопровождается большой потерей свободной реакции (DG= 7,7 ккал/М) и в условиях матрикса митохондрий цитратсинтазная реакция практически необратима, хотя в цитозоле цитрат может превращаться в ацетил-КоА и оксалоацетат с использованием энергии АТФ. Большой потерей свободной энергии сопровождается и превращение 2оксоглутарата в сукцинилКоА (DG = 8,0ккал/М ), в условиях клетки она абсолютно необратима. Таким образом, за счет включения в систему реакций цикла двух реакций, необратимых в условиях матрикса митохондрий, движение метаболитов в системе возможно только в одном направлении в направлении окисления ацетильных остатков.

Кинетический контроль работы цикла осуществляется за счет, во-первых, изменения концентрации субстратов, в особенности за счет изменения концентрации оксалоацетата и ацетил-КоА, и, во-вторых, за счет изменения активности регуляторных ферментов цикла. К ним относятся цитратсинтаза, изоцитратдегидрогеназа, 2оксоглутаратдегидрогеназный мультиэнзимный комплекс и сукцинатдегидрогеназа.

Скорость потока метаболитов по циклу Кребса, прежде всего, контролируется на его пусковой стадии, т.е. на уровне цитратсинтазной реакции. Этот контроль, во-первых, осуществляется путем изменения концентрации оксалоацетата в клетке и, во-вторых, за счет изменения активности цинтратсинтазы, катализирующей эту реакцию.

В целом, при повышении концентрации АТФ и НАДН+Н⁺ в клетках интенсивность потока метаболитов в цикле Кребса падает за счет аллостерического ингибирования и негативного эффекта ковалентной модификации; в то время как накопление АДФ и АМФ в клетке стимулирует работу цикла.

Биологическая роль ЦТК:

I. Донор атомов водорода для дыхательной цепи.

II. Энергетическая. Окисление одной молекулы ацетил-КоА в ЦТК приводит к образованию 12 молекул АТФ.

III. Амфиболическая (от греч. «amfi» - оба) – выполняет двойную функцию, поскольку является общим этапом катаболизма, поставляющим небольшие молекулы-предшественники для реакций биосинтеза аминокислот, жирных кислот и углеводов.

Главная цепь дыхательных ферментов в митохондриях, ее структурная организация и биологическая роль. Окислительное фосфорилирование в цепи дыхательных ферментов, коэффициент Р/О. Окислительное фосфорилирование на уровне субстратов. Ксенобиотики-ингибиторы и вещества-разобщители окисления и фосфорилирования.

Главная цепь дыхательных ферментов (в дальнейшем сокращенно ЦДФ) состоит из 3 сложных надмолекулярнных белковых комплексов, катализирующих последовательную передачу электронов и протонов с восстановленного НАДН+Н на кислород:

Первый надмолекулярный комплекс катализирует перенос 2 электронов и 2 протонов с восстановленного НАДН+Н⁺ на КоQ с образованием восстановленной формы последнего КоQH2. В состав надмолекулярного комплекса входит около 20 полипептидных цепей, в качестве простетических групп некоторых из них входит молекула ФМН и один или несколько так называемых железосерных центров (FeS)_n. Электроны и протоны с НАДН+Н⁺ вначале переносятся на ФМН с образованием ФМНН2, затем электроны с ФМНН2 переносятся через железосерные центры на КоQ, после чего к КоQ присоединяются протоны с образованием его восстановленной формы.

Следующий надмолекулярный комплекс - комплекс III также состоит из нескольких белков: цитохрома b, белка, имеющего в своем составе железосерный центр и цитохрома С₁. В состав любого цитохрома входит геминовая группировка с входящим в неё атомом железа элемента с переменной валентностью, способного и принимать электрон, и отдавать его. Начиная с КоQН2 пути электронов и протонов расходятся. Электроны с КоQН2 передаются по цепи цитохромов, причем одновременно по цепи передается по 1 электрону, а протоны с КоQН2 уходят в окружающую среду.

Цитохром С - оксидазный комплекс (комплекс IV) состоит из двух цитохромов: цитохрома а и цитохрома а₃ . Цитохром а имеет в своем составе геминовую группировку, а цитохром а₃ кроме геминовой группировки в своем составе содержит еще и атом Cu. Электрон при участии этого комплекса переносится с цитохрома С на кислород.

НАД⁺ , КоQ и цитохром С не входят в состав ни одного из описанных комплексов. НАД⁺ служит коллекторомпереносчиком протонов и электронов с большого ряда окисляемых в клетках субстратов. Функцию коллектора электронов и протонов выполняет также КоQ, принимая их с некоторых окисляемых субстратов (например, с сукцината или ацилКоА) и передавая электроны на систему цитохромов с выводом протоны в окружающую среду. Цитохром С также может принимать электроны непосредственно с окисляемых субстратов и передавать их далее на четвертый комплекс ЦДФ.

Так, при окислении сукцината работает сукцинат:КоQоксидаредуктазный комплекс ( Комплекс II ), передающий протоны и электроны с сукцината непосредственно на КоQ, минуя НАД⁺.