Биологическое окисление. Этапы катаболизма. Цикл Кребса

1.

Красноярский государственный медицинский
университет им. проф. В.Ф.Войно-Ясенецкого
Кафедра биохимии с курсами медицинской,
фармацевтической и токсикологической химии
Тема лекции:
«Биологическое окисление. Этапы
катаболизма. Цикл Кребса»
Старший преподаватель,
Семенчуков Алексей Алексеевич
2017

2.

Метаболизм
Катаболизм
Анаболизм
Метаболизм (обмен веществ) – совокупность всех биохимических процессов,
необходимых для поддержания жизни в организме.
Анаболизм - это совокупность всех процессов синтеза сложных веществ из
простых. Он сопровождается затратой энергии АТФ.
Катаболизм – это совокупность всех процессов расщепления сложных веществ до
простых. При этом образующаяся энергия выделяется в виде тепла или запасается в
форме АТФ.
АТФ – аденозинтрифосфат – форма запасания и использования энергии в организме.

3.

Катаболические процессы (процессы расщепления) часто происходят путем окисления веществ.
Анаболические процессы (процессы синтеза) часто происходят путем восстановления веществ.
Окислительно-восстановительные реакции -– это химические реакции переноса электронов от
окисляемого вещества (донора) к восстанавливаемому веществу (акцептору). Окислитель –
вещество, которое принимает электроны, и тем самым восстанавливается. Восстановитель –
вещество, которое отдает электроны, и тем самым окисляется.
Биологическое окисление – это совокупность всех окислительно-восстановительных реакций,
происходящих в организме.
Свободное окисление – окислительно-восстановительные процессы (реакции), при протекании
которых энергия НЕ запасается в форме АТФ, а рассеивается в виде тепла (тепловой энергии).
Реакции, которые катализируют оксидазы, оксигеназы, разобщение дыхательной цепи.
Окисление, сопряженное с фосфорилированием АДФ:
• Субстратное фосфорилирование
• Окислительное фосфорилирование

4.

Этапы биологического окисления (катаболизма)
Полисахариды
Жиры
Белки
I этап
Жирные кислоты
Глицерин
Аминокислоты
Глюкоза
Пируват
α-кетоглутарат
сукцинат
II этап
Ацетил-КоА
АТР
Дыхательная цепь
III этап
FADH2
цикл Кребса
NADH+H+
Н2О
ГТФ
СО2

5. Окислительное декарбоксилирование пирувата

Пируватдегидрогеназный
комплекс
HS-CoA
CO2
NAD+
NADH+H+
Пируват
Ацетил-КоА
Общее уравнение

6. Окислительное декарбоксилирование пирувата

HS-CoA
CO2
Макроэргическая
связь
NAD+
Пируват
восстановитель
окислитель
NADH+H+
Ацетил-КоА

7.

В пируватдегидрогеназный комплекс
входят 3 фермента:
Е1 – Пируватдекарбоксилаза
Е2 – Дигидролипоилацетилтрансфераза
Е3 – Дигидролипоилдегидрогеназа
В пируватдегидрогеназный комплекс
входят 5 коферментов:
ТПФ – тиаминпирофосфат (В1)
ФАД – флавинадениндинуклеотид (В2)
НАД – никотинамидадениндинуклеотид (РР)
КоА-SH – кофермента А (В5)
Липоевая кислота

8. Окислительное декарбоксилирование пирувата

Пируватдегидрогеназный
комплекс
HS-CoA
CO2
NAD+
NADH+H+
Пируват
Ацетил-КоА
Дыхательная цепь
Глюкоза
Глицерин
Аминокислоты
3АТФ
Цикл Кребса

9.

Регуляция ПДК
АТФ
НАДH
Ацетил-КоА
АДФ
пируват
АДФ
Киназа ПДК
Пируват
Пируват
НАД+
+
НS-КоА
НАДH Ацетил-КоА
Пируватдегидроге
назный комплекс
(ПДК)
Пируватдегидроге
назный комплекс
(ПДК)
Активная форма
Неактивная форма
Ацетил-КоА
Фосфатаза ПДК
Н3РО4
Инсулин (в жир. ткани)
Са2+
Н2О

10.

Цикл Кребса

11.

Первая реакция
Цитратсинтаза (2.3.3.1) – ацетилтрансфераза, которая переносит остаток уксусной кислоты
(ацетил-) с Кофермента А на оксалоацетат. При этом, для образования ковалентной связи между
ацетилом и оксалоацетатом используется энергия, выделяющаяся при гидролизе макроэргической
связи в ацетил-КоА.
Все синтазы относятся к классу трансфераз.

12.

Вторая реакция
Аконитаза (аконитатгидратаза, 4.2.1.3) – фермент класса лиаз, катализирующих реакции
присоединения воды с разрывом двойной связи (см. гидратация алкенов). Поскольку многие
ферментативные реакции обратимы, те же ферменты участвуют в реакции дегидратации, то есть в
отщеплении воды с образованием двойной связи.

13.

Третья реакция
Изоцитратдегидрогеназа (1.1.1.41) – фермент класса оксидоредуктаз, катализирующих окислительновосстановительные реакции. Окислитель – НАД+, восстановитель – изоцитрат.
Помимо окисления, здесь происходит декарбоксилирование, то есть отщепление карбоксильной группы в
виде СО2.

14.

Четвертая реакция
α-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс включает в себя 3 фермента:
1. α-кетоглутаратдекарбоксилаза
2. Дигидролипоилсукцинилтрансфераза
3. Дигидролипоилдегидрогеназа
α-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс включает в себя 5 коферментов: ТДФ, ФАД, НАД+,
липоевая кислота, НS-КоА.
Механика работы аналогична пируватдегидрогеназному комплексу (см. выше)

15.

Пятая реакция
Сукцинил-КоА-синтетаза (сукцинат тиокиназа, 6.2.1.4) – гидролиз макроэргической связи субстрата
приводит к выделению энергии, которая используется для образования новой макроэргической
связи но уже в молекуле ГТФ (аналог АТФ).
Реакции в которых энергия макроэргических связей субстрата используется для синтеза АТФ (или
ГТФ) называются субстратное фосфорилирование.

16.

Шестая реакция
Сукцинатдегидрогеназа (1.3.5.1) – фермент, катализирующий окислительно-восстановительную
реакцию. Окислитель – ФАД, восстановитель – сукцинат.
ФАД – простетическая группа, то есть всегда ковалентно связан с активным центром фермента.
Сукцинатдегидрогеназа –единственный фермент цикла Кребса, расположенный НЕ в матриксе, а на
внутренней поверхности внутренней мембраны митохондрий. Является «Комплексом II»
дыхательной цепи.

17.

Седьмая реакция
Фумараза (фумаратгидратаза, 4.2.1.2) – фермент класса лиаз, катализирующих реакции
гидратации, то есть реакции присоединение воды по двойной связи.

18.

Восьмая реакция
Малатдегидрогеназа (1.1.1.37) – фермент класса оксидоредуктаз, катализирующих окислительновосстановительные реакции. Окислитель – НАД+, восстановитель – малат.

19.

Общее уравнение цикла Кребса
+ 3НАД+ + ФАД + ГДФ + 2Н2O
Ацетил-КоА
2CO2 + 3НАДH + H+ + ФАДH2 + ГТФ + НS-CoA
Дыхательная цепь
1 НАДН + Н+= 3 АТФ
1 ФАДН2 = 2 АТФ
3 х 3 = 9 АТФ
1 х 2 = 2 АТФ 1 АТФ
12 АТФ

20.

Регуляция цикла Кребса
Ключевые ферменты цикла Кребса:
1.
2.
3.
Цитратсинтаза
Изоцитратдегидрогеназа
α-кетоглутаратдегидрогеназа
Механизм регуляции ключевых ферментов:
аллостерический
1. Цитратсинтаза:
Активаторы: оксалоацетат,
Ингибиторы: цитрат, НАДН, АТФ, сукцинил-КоА.
2. Изоцитратдегидрогеназа
Активаторы: АДФ, Са2+
Ингибиторы: АТФ, НАДН
3. α-кетоглутаратдегидрогеназа
Активаторы: Са2+, АТФ, НАДН
Ингибиторы: сукцинил-КоА

21.

Значение цикла Кребса
1. Катаболическое – общий конечный путь распада для метаболитов всех
классов соединений.
2. Энергетическое – в ходе цикла Кребса образуется энергия в форме АТФ. При
сопряжении с дыхательной цепью, окисление 1 молекулы ацетил-КоА в цикле
Кребса дает 12 молекул АТФ.
3. Анаболическое – промежуточные продукты цикла Кребса могут
использоваться на процессы биосинтеза аминокислот, глюкозы, гема и т.д.
4. Регуляторное - метаболиты (цитрат и АТФ) – регуляторы других процессов,
активируют синтез жирных кислот и ингибируют гликолиз

22.

Литература
1. Северин, Е. С. Биохимия / Е. С. Северин.
- М. : ГЭОТАР-Медиа, 2005. - 784 с.
2. Нельсон, Д. Основы биохимии
Ленинджера : учебник. В 3 т. Т. 2.
Биоэнергетика и метаболизм / Д. Нельсон,
М. Кокс ; ред. А. А. Богданов, С. Н.
Кочетков ; пер. с англ. Т. П. Мосолова, Е.
М. Молочкина, В. В. Белов [и др.]. - М. :
БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014. - 636
с.