Энергетический обмен. Общий путь катаболизма. Цикл трикарбоновых кислот

1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН Общий путь катаболизма. Цикл трикарбоновых кислот.

Государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Ивановская государственная медицинская академия
Министерства здравоохранения Российской Федерации
КАФЕДРА БИОХИМИИ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН
Общий путь катаболизма.
Цикл трикарбоновых кислот.

2. АТФ

АДЕНИН
РИБОЗА
остаток
фосфорной
кислоты
остаток
фосфорной
кислоты
АМФ
АДФ
АТФ
АТФ – универсальный донор свободной энергии для:
1) физической работы
2) химической работы
3) электрической работы
4) осмотической работы
При образовании АТФ энергия КУМУЛИРУЕТСЯ,
а НЕ ДЕПОНИРУЕТСЯ!
остаток
фосфорной
кислоты

3. Пути синтеза АТФ

АДФ + Н3РО4
фосфорилирование
АТФ
ЭНЕРГИЯ
за счёт разрыва
макроэргических связей
субстрата
за счёт дегидрирования
субстрата и переноса атомов
водорода на молекулу О2
СУБСТРАТНОЕ
ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ
ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ
ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ

4. Фазы освобождения энергии из питательных веществ

Энергетические потребности клетки удовлетворяются за счёт энергии,
освобождаемой при катаболизме питательных веществ (белков, жиров и углеводов),
поступающих с пищей или находящихся в самом организме.
Однако, данные соединения не могут являться непосредственными донорами
протонов и электронов для дыхательной цепи…
Необходимы предварительные этапы, подготавливающие субстраты для
использования по пути синтеза АТФ.
I этап –
превращение полимеров, поступивших с пищей или находящихся
внутри клеток, в мономеры.
II этап –
специфические пути катаболизма всосавшихся мономеров.
III этап –
общий путь катаболизма.

5. Фазы освобождения энергии из питательных веществ

УГЛЕВОДЫ
БЕЛКИ
I этап
20 аминокислот
моносахариды
II этап
ЖИРЫ
глицерин
пировиноградная
кислота (ПВК)
щавелевоуксусная
кислота (ЩУК)
ацетил-СоА
α-кетоглутаровая
кислота (α-КГ)
III этап
Цикл
трикарбоновых
кислот
СО2
Н2О
энергия
жирные
кислоты

6.

Фазы освобождения энергии из
питательных веществ
БЕЛКИ УГЛЕВОДЫ
ЖИРЫ
пировиноградная
кислота
(ПВК)
ацетил-СоА
щавелевоуксусная
кислота (ЩУК)
ЦТК
СО2, Н2О, АТФ
α-кетоглутаровая
кислота (α-КГ)

7. Окислительное декарбоксилирование пирувата

Внутриклеточная локализация – МАТРИКС МИТОХОНДРИЙ
Процесс включает:
отщепление CO2
отщепление атома водорода
перенос коэнзима А на
ацетильный остаток
пируват
ацетил-CoA
Работает сложноорганизованный комплекс ферментов и кофакторов –
ПИРУВАТДЕГИДРОГЕНАЗНЫЙ КОМПЛЕКС

8. Пируватдегидрогеназный комплекс

Состав и функции компонентов пируватдегидрогеназного комплекса
Кофермент
Активной формой
КОФЕРМЕНТЫ:
какого витамина
является
Функция
ТДФ
(тиаминдифосфат)
В1
Декарбоксилирование пирувата
Амид липоевой
кислоты
N
Перенос ацетильного остатка
CoASH
В3
1. Акцептор ацетильного остатка
2. Донор атома водорода
НАД
РР (В5)
ФАД
В2
Дегидрирование ФАДН2
Дегидрирование восстановленной
формы липоевой кислоты
Порядок включения коферментов в реакцию и сформированные за счёт них устойчивые
комплексы - ферменты:
ТДФ
пируватдекарбоксилаза
липоевая кислота
ацетилтрансфераза
CoASH
ФАД
дигидролипоилдегидрогеназа
НАД

9. Пируватдегидрогеназный комплекс

12 димерных молекул пируватдекарбоксилазы
6 димерных молекул дигидролипоилдегидрогеназы
24 молекулы липоатацетилтрансферазы
Пируватдегидрогеназный комплекс –
крупная молекула с молекулярной массой 7-10 млн.
Центральное положение в комплексе занимают полипептидные цепи
субъединиц ацетилтрансферазы, вокруг которых располагаются молекулы
дигидролипоилдегидрогеназы и пируватдегидрогеназы.
Отдельные ферменты соединены друг с другом таким образом, что
серусодержащая часть липоевой кислоты, связанная с ацетилтрансферазой
длинной и гибкой углеводородной цепью, может забирать и переносить
промежуточные продукты реакций последовательно к активным центрам каждого из
трех ферментов.
Поэтому весь комплекс функционирует по принципу конвейера, в котором
образующиеся продукты передаются от одной машины к другой.

10. Окислительное декарбоксилирование пирувата

Пируватдегидрогеназный комплекс тесно функционально связан с работой
дыхательной цепи.
НАДН2, образовавшийся на последнем этапе работы комплекса, передаёт
протоны и электроны в полную дыхательную цепь.
СН3
ТДФ, НАД, CoASH
СН3
С=О
С=О
СООН
SCoA
пируват
ацетил-CoA
СО2
НАДН2
дыхательная цепь
½ О2
3 АТФ, Н2О
Путь образования АТФ – окислительное фосфорилирование!!!

11. Окислительное декарбоксилирование пирувата

Регуляция активности пируватдегидрогеназного комплекса
Активираторы ПВДГК:
высокое содержание пирувата,
инсулин,
АДФ,
НАД,
CoASH
Ингибиторы ПВДГК:
ацетилСоА,
АТФ,
НАДН2
Необходимые условия
для протекания пируватдегидрогеназной реакции:
наличие кислорода!!!!,
витаминов РР, В1, В2, В3, липоевой кислоты и их активных форм,
наличие ионов меди и железа.
Образовавшийся ацетилСоА
вступает в цикл трикарбоновых кислот

12. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)

Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК)
был впервые описан Гансом Кребсом
в 1937 году.
КРЕБС (Krebs), Ханс
25 августа 1900 г. – 22 ноября 1981 г.
Нобелевская премия по физиологии и медицине, 1953 г.
(совместно с Фрицем Липманом)

13. Значение цикла Кребса

1) ЦТК является конечным этапом окисления всех веществ, поступивших в
клетку. Его можно сравнить со своеобразным “метаболическим котлом”, в котором
в организме полностью сгорают все питательные вещества до своих конечных
продуктов.
2) ЦТК является основным источником энергии в организме, т.к. в ходе реакций
освобождается 60% энергии, заключенной в питательных веществах.
3) В ЦТК образуются вещества, являющиеся донорами водорода для дыхательной
цепи. Все ферменты ЦТК локализованы в матриксе митохондрий, откуда протоны
и электроны поступают в дыхательную цепь, локализованную на внутренней
мембране.
4) Промежуточные метаболиты ЦТК могут быть использованы для синтеза ряда
биологически важных соединений – аминокислот, углеводов, гемоглобина и др.
1.
2.
3.
4.
5.
Функции ЦТК:
Катаболическая
Энергетическая
Водорододонорная
Анаболическая
Интегративная

14. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)

Характеристика реакций цикла трикарбоновых кислот
Цикл трикарбоновых кислот включает
восемь ферментативных реакций,
протекающих в матриксе митохондрий.
1. Цитратсинтазная реакция.
CООH
CH3
О
+
C
SCoA
ацетил-СоА
C
О
SCoA
О цитратсинтаза CH2
CООH
C
CH2
ОH
C
CООH
оксалоацетат
(ЩУК)
CООН
CH2
CООH
цитрил-СоА
+ Н 2О
CoASH
CH2
CООH
C
ОH
CH2
CООH
цитрат
Субстрат – ацетилСоА и оксалоацетат
Продукт – цитрат и CoASH
Фермент – цитратсинтаза
Кофермент – нет
Энергетическая эффективность – нет
Механизм образования АТФ – нет
Регуляция - активаторы ЩУК, инсулин, витамин Д3 ;
ингибиторы АТФ, цитрат, сукцинилСоА, жирные кислоты

15. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)

2.Аконитазная реакция.
CООН
CH2
CООH
C
ОH
CH2
CООH
цитрат
CООН
- Н 2О
аконитаза
CH2
C
CООH
CООН
+ Н2О
аконитаза
CH
CООH
сis-аконитат
Субстрат – цитрат
Продукт – изоцитрат
Фермент – аконитаза
Кофермент – нет
Энергетическая эффективность – нет
Механизм образования АТФ – нет
Регуляция - нет
CH2
НC
CООH
CHOH
CООH
изоцитрат

16. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)

3.Изоцитратдегидрогеназная реакция.
CООН
CООН
CООН
CH2
CH2
CH2
изоцитратдегидрогеназа
CООH
НC
НC CООH
CН2
СО2
НАДН2
НАД
CHOH
C O
C O
(прямое
декарбоксилирование)
дыхательная цепь
CООH
CООH
CООH
α-кетоглутарат
изоцитрат
оксалосукцинат
½О
2
3 АТФ, Н2О
Субстрат – изоцитрат
Продукт – α-кетоглутарат
Фермент – изоцитратдегидрогеназа
Кофермент – НАД
Энергетическая эффективность – 3 АТФ
Механизм образования АТФ – окислительное фосфорилирование
Регуляция - активаторы АДФ, Mg2+, Mn2+ ;
ингибиторы НАДН2, паратгормон

17. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)

4. α-кетоглутаратдегидрогеназная реакция.
CООН
ТДФ, НАД, CoASH
CH2
CH2
CН2
C
CООН
CН2
O
CООH
α-кетоглутарат
C
СО2
(окислительное
декарбоксилирование)
НАДН2
О
SCoA
сукцинил-СоА
дыхательная цепь
½ О2
3 АТФ, Н2О
Реакция протекает с участием α-кетоглутаратдегидрогеназного комплекса,
аналогичного пируватдегидрогеназному!!!
Субстрат – α-кетоглутарат
Продукт – сукцинилСоА, CO2
Фермент – α-кетоглутаратдекарбоксилаза, сукцинилтрансфераза,
дигидролипоилдегидрогеназа
Кофермент – НАД, ФАД, ТДФ, CoASH, амид липоевой кислоты
Энергетическая эффективность – 3 АТФ
Механизм образования АТФ – окислительное фосфорилирование

18. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)

5. Сукцинаттиокиназная реакция.
CООН
CООН
CH2
+ ГДФ + Н3РО4
CН2
C
О
SCoA
сукцинил-СоА
сукцинаттиокиназа
CH2
CН2
+ ГТФ + CoASH
CООН
сукцинат
ГТФ + АДФ нуклеозиддифосфаткиназа ГДФ + АТФ
Субстрат – сукцинилСоА, Н3РО4 , ГДФ
Продукт – сукцинат, ГТФ, CoASH
Фермент – сукцинаттиокиназа
Кофермент – нет
Энергетическая эффективность – 1 АТФ
Механизм образования АТФ – субстратное фосфорилирование
Регуляция - нет

19. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)

6. Сукцинатдегидрогеназная реакция.
CООН
CH2
CН2
CООН
сукцинат
CООН
сукцинатдегидрогеназа
ФАД
ФАДН2
дыхательная цепь
CH
НC
CООН
фумарат
½ О2
2 АТФ, Н2О
Субстрат – сукцинат
Продукт – фумарат
Фермент – сукцинатдегидрогеназа
Кофермент – ФАД
Энергетическая эффективность – 2 АТФ
Механизм образования АТФ – окислительное фосфорилирование
Регуляция - нет

20. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)

7. Фумаразная реакция.
CООН
CООН
CH
НC
+ Н 2О
фумараза
CООН
фумарат
Субстрат – фумарат, вода
Продукт – малат
Фермент –фумараза
Кофермент – нет
Энергетическая эффективность – нет
Механизм образования АТФ – нет
Регуляция - нет
CHОН
CН2
CООН
малат

21. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)

8. Малатдегидрогеназная реакция.
CООН
CООН
CHОН малатдегидрогеназа
C
CН2
CН2
CООН
малат
НАД
НАДН2
дыхательная цепь
О
CООН
оксалоацетат
½ О2
3 АТФ, Н2О
Субстрат – малат
Продукт – оксалоацетат (щавелевоуксусная кислота, ЩУК)
Фермент – малатдегидрогеназа
Кофермент – НАД
Энергетическая эффективность – 3 АТФ
Механизм образования АТФ – окислительное фосфорилирование
Регуляция - активатор НАД,
ингибитор НАДН2

22. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)

Хотя цикл Кребса изображают в виде замкнутого ферментативного
процесса,
на участке от сукцината до оксалоацетата реакции являются
обратимыми.
Поэтому эта ветвь может функционировать в обратном направлении,
то есть оксалоацетат может превращаться в метаболиты цикла Кребса вплоть
до сукцината.
Такая возможность реализуется в тех случаях, когда оксалоацетат интенсивно
синтезируется из других субстратов.

23. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)

Анаболические реакции цикла Кребса
Цикл трикарбоновых кислот поставляет промежуточные продукты для
биосинтетических процессов:
сукцинил-СоА - биосинтез порфиринов, гема и гемоглобина
оксалоацетат – глюконеогенез, образование аспарагиновой кислоты
α-кетоглутарат – образование глутаминовой кислоты
Поэтому утилизация промежуточных метаболитов цикла на цели биосинтеза
должна обязательно сопровождаться их дополнительным образованием за счет других
источников – анаплеротическими реакциями (от греч. – “пополнять”).
Одной из основных анаплеротических реакций является образование
оксалоацетата путем карбоксилирования пирувата при участии пируваткарбоксилазы.
Пируваткарбоксилаза локализована в митохондриях, состоит из 4 субъединиц,
каждая из которых содержит связанный ион Мn2+ и витамин Н (биотин), выполняющий
коферментную функцию.
CООH
АТФ
АДФ + Н3РО4
CООH
C О
C
О + СО2
пируваткарбоксилаза
CH2
CH3
CООH
пируват
оксалоацетат

24. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)

Причины нарушений цикла трикарбоновых кислот
Недостаточное поступление кислорода в клетку (гипоксия)
Недостаток отдельных компонентов цикла, вследствие их утилизации по другим
метаболическим путям или недостаточного восполнения в ходе реакций цикла
Недостаток витаминов, необходимых для нормального функционирования цикла
Кребса.

25. СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!