5.3:5.3 Цикл ТСА

Отже, ви гарячий молодий еукаріот, який займається всілякими фантазійними внутрішніми мембранними органелами, з необхідністю проявити себе краще, ніж старі гвардійські прокаріоти - що ви робите? Ну і робити скади АТФ, звичайно! І, здавалося б, без зусиль при цьому, використовуючи лише відходи, що залишилися після того, як гліколіз пройшов свій шлях у молекулі глюкози: NADH та пірувату. Гліколіз у еукаріотів, як і його прокаріотичне походження, буває в цитоплазмі. Цикл ТСА (також званий циклом лимонної кислоти) відбувається всередині матриксу мітохондрій, подвійної мембранованої органели.

Піруват повинен пробратися з цитоплазми, як через зовнішню, так і внутрішню мітохондріальні мембрани, і в мітохондріальний матрикс. Як це працює? Зовнішня мембрана пориста, пронизана великими відносно неспецифічними аніонними каналами, відомими як аніонні канали, залежні від напруги (VDAC), і легко допускає піруват. На відміну від цього, внутрішня мембрана мітохондрій дуже непроникна, а надходження пірувату спеціально регулюється білом-транспортером пірувату.

Малюнок\(\PageIndex{3}\). Ацетил-коензим А складається з чотирьох різних молекулярних частин.

1. Як тільки піруват потрапляє в мітохондріальний матрикс, комплекс піруватдегідрогенази (що складається з трьох ферментних субодиниць Е1, Е2 і Е3) перетворює його в ацетил-КоА (рис.\(\PageIndex{3}\)) для вступу в цикл трикарбонової кислоти (ТСА). Ця реакція генерує NADH і звільняє СО ₂.

Комплекс піруватдегідрогенази (рис.\(\PageIndex{4}\)) - це фактично об'єднання трьох ферментів. Тобто до комплексу виділяють три субодиниці: піруватдегідрогеназа (Е1), дигідроліпілтрансацетилаза (Е2) і дигідроліпілдегідрогеназа (Е3). Ці три субодиниці пов'язані нековалентними зв'язками. Спочатку діє субодиниця піруватдегідрогенази E1, використовуючи кофактор тіамінопірофосфат (TPP), щоб допомогти видалити СО ₂ з пірувату для отримання гідроксиетил-TPP.

Це відразу використовується як субстрат Е2, що призводить до регенерації ТЕС і реактивації піруватдегідрогенази, а також робить проміжний ацетил-дигідроліпоамід. Коензим А, який також є субстратом для Е2, має сульфгідрильну групу, яка атакує ацетильну групу ацетил-дигідроліпоаміду. Ацетильна група негайно переноситься на коензим А з утворенням ацетил-КоА, який надходить в цикл TCA.

Останній етап полягає в тому, щоб дигідроліпоамід окислювався назад до ліпоаміду Е3. Саме цей етап окислення генерує NADH з NAD ⁺.

Малюнок\(\PageIndex{4}\). Піруватдегідрогеназа являє собою комплекс з трьох ферментативних субодиниць, Е1, Е2 і Е3, які працюють послідовно, як зображено тут.

Тепер розглянемо розщеплення глюкози. Нагадаємо, що при повному розпаді цього шестивуглецевого цукру повинно вийти шість одновуглецевих молекул вуглекислого газу. При гліколізі глюкоза розщеплюється на дві молекули тривуглецевого пірувату. Оскільки піруват перетворюється в ацетил-КоА, на молекулу пірувату генерується один СО ₂. Це залишає лише чотири вуглеці (у двох 2-вуглецевих молекулах ацетил-КоА) з вихідної глюкози 6. Цикл TCA звільнить кожен з цих вуглеців, як CO ₂, а також. Знання реакцій, в яких виділяються залишки вуглецю, є хорошим способом вивчити першу половину циклу TCA.

Як невід'ємна частина коферменту А, вітамін В ₅, або пантотенова кислота, необхідний для циклу ТСА, а значить, для нормальної ефективної генерації АТФ. Однак, на відміну від деяких інших вітамінів, дефіцит В ₅ зустрічається рідко, і зазвичай пов'язаний з дефіцитом інших вітамінів або загальним недоїданням. З іншого боку, дефіцит іншого вітаміну групи В, що бере участь у активності піруватдегідрогенази (рис.\(\PageIndex{4}\)), тіаміну (B ₁), може призвести до симптомів захворювання, відомих як авітаміноз.

Миш'як, а точніше миш'як містять сполуки, такі як арсеніт і арсенат, отруйні для клітин, втручаючись в цю реакцію. З'єднання миш'яку може взаємодіяти з дигідроліпоамідом, в результаті чого відбувається циклізація шляхом зв'язування обох сульфгідрильних сірок з атомом миш'яку. Це запобігає роботі E2, і ацетил-КоА не може генеруватися для виробництва АТФ за допомогою циклу TCA та окислювального фосфорилювання. Слід зазначити, що ці сполуки миш'яку також впливають на інші сульфгідрилсодержащие ком- фунти, а в контексті циклу TCA він також може інактивувати α-кетоглутаратдегідрогеназу, яка схожа на піруватдегідрогеназу.

Симптоми авітамінозу класифікуються на дві групи: вологий авітаміноз вражає серцево-судинну систему з такими симптомами, як збільшене серце, застій легенів, задишка, набряки гомілок, застійна серцева недостатність; сухий авітаміноз (також відомий як синдром Верніке-Корсакова) впливає на нервову систему. Симптоми включають поліневрит як центральної, так і периферичної нервової системи, що призводить до болю, поколювання, втрати чутливості в кінцівках, втрати функції м'язів або паралічу гомілок, блювоти, ністагму і, врешті-решт, психічної сплутаності, мовних труднощів, коми і смерті.

Генетичні недоліки комплексу піруватдегідрогенази призводять до подібних, але відразу серйозних проблем. Найбільш поширеною мутацією є Х-зв'язана домінантна мутація в субодиниці Е1. Мутації втрати функції PDC, а також мутації в піруваткарбоксилазі та мутації в цитохромоксидазі вважаються причинами хвороби Лі, яка часто є смертельною для новонароджених, хоча винятки збереглися трохи більше десятиліття. Важкий лактоацидоз і нездатність виробляти достатню кількість енергії, особливо в нейрони (які, як правило, зможуть метаболізувати жир - див. Розділ катаболізму жирних кислот - але не можуть у цих пацієнтів) та м'язових клітинок, є основною причиною симптомів.

2. Ацетил-КоА потрапляє в цикл трикарбонової кислоти як субстрат цитрат-синтази, яка додає його до оксалоацетату для отримання цитрату. Це є причиною того, що цей цикл ще називають циклом лимонної кислоти. Цитрат, що має три карбоксильні групи, являє собою трикарбонову кислоту, що призводить до назви, яке буде використовувати цей текст. Інша загальна назва цього - цикл Кребса, як це було вперше запропоновано Гансом Кребсом в 1937 році.

Цитрат-синтаза - це димерний фермент, який у своїй нативній формі має зв'язуючу щілину для оксалоацетату. Зв'язування оксалоацетату викликає конформаційний зсув, що закриває місце зв'язування оксалоацетату, блокує його і одночасно виявляє місце зв'язування ацетил-КоА. Поточна модель цієї реакції включає три етапи: ацетил-КоА перетворюється в проміжний проміжний продукт енолу, який атакує оксалоацетат з утворенням цитроніл-КоА (S-цитрил-КоА), який потім гідролізується до цитрату та коензиму А.

3. На наступному етапі аконітаза переставляє цитрат, щоб зробити ізоцитрат.

Аконітаза штовхає цитрат в цис-аконітатний проміжний продукт, який потім перетворюється в ізоцитрат. Цікаво, що хоча аконітаза містить кластер Fe-S, вона, здається, не бере участі в окисно-відновних реакціях, як це зазвичай буває для таких груп. Замість цього його мета полягає в тому, щоб утримувати цис-аконітату на своєму місці всередині ферменту, оскільки він [цис-аконітата] зазнає химерного молекулярного фліп на шляху до ізоцитрату.

Фторацетат натрію, також відомий як сполука 1080, є поширеним пестицидом, який використовується в основному проти гризунів та інших шкідників ссавців і може діяти на людину при попаданні всередину. Після введення в організм він може бути перетворений у фтороацетил-КоА, а потім у фторцитрат, який потім діє як конкурентний інгібітор аконітази. Як таке отруєння найважче і швидко вражає тканини з високими енергетичними потребами. Не визнані ефективні антидоти при смертельних дозах отруєння фторацетатом.

4. Ізоцитрат є субстратом для ізоцитратдегідрогенази, яка передає електрон високої енергії з ізоцитрату на NAD ⁺, щоб зробити NADH і α-кетоглутарат. Ця реакція також звільняє один СО ₂. Для тих, хто стежить вдома, що залишає ще два вуглецю з шести в глюкозі.

NAD ⁺ -залежна ізоцитратдегідрогеназа насправді зустрічається у двох ізоформах у ссавців: NAD ⁺ -що використовує ізоформу в мітохондріальному матриксі, і ізоформі, яка використовує NADP ⁺, який міститься в цитозолі, а також мітохондріях. Реакція починається з NADH-генеруючого окислення ізоцитрату до оксоалосукцинату, який потім декарбоксилюють за допомогою кофактора Mn ²⁺ або Mg ²⁺ для вивільнення вуглекислого газу та утворення α-кетоглутарату.

5. Альфа-кетоглутарат також окислюється (α-кетоглутаратдегідрогеназою), генеруючи NADH і сукциніл-КоА. Як і ацетил-КоА, ця COA-асоційована сполука містить високоенергетичний тіоефірний зв'язок. Ця реакція звільняє кінцевий СО ₂ з глюкози.

α-кетоглутаратдегідрогеназа дуже схожа на комплекс піруватдегідрогенази структурно і механістично. Існує три ферменти: α-кетоглутаратдегідрогеназа, дигідроліпілтранссукцінілаза та дигідроліпілдегідрогеназа. Також подібний до комплексу піруватдегідрогенази, кінцевим продуктом є молекула, що містить високоенергетичний тіоефірний зв'язок.

6. КоА регенерується сукциніл-КоА-синтетазою, яка також утворює сукцинат і ГТП або АТФ. Цей GTP енергетично є еквівалентом АТФ і виробляється в клітині тварин. Бактеріальні та рослинні гомологи цього ферменту використовують АДФ і роблять АТФ. Формування цього АТП/ГТП можливе через те, що високоенергетичний тіоефірний зв'язок сукциніл-КоА порушена.

Сукциніл-КоА-синтетаза спочатку об'єднує сукциніл-КоА та неорганічний фосфат (у розчині в мітохондріальній матриці, а також цитозолі) для отримання сукцинілфосфату та звільнення КоА. Потім фосфат переноситься з сукцинілфосфату, на сам фермент тимчасово, який потім скидає сукцинат. І нарешті, фосфат переноситься в GDP/ADP.

7. Далі сукцинат окислюється. Фермент, який робить це, сукцинатдегідрогеназа, трохи відрізняється від інших дегідрогеназ, оскільки цей, трапляється, вбудований у внутрішню мембрану мітохондрій, і замість того, щоб переносити електрон на NAD ⁺, електрон передається FAD, роблячи FADH ₂, і фумарат. Енергія в FADH ₂ також може бути використана для живлення виробництва АТФ, подібного до енергії в NADH.

Незважаючи на те, що звичайне спрощення інтро-класу полягає в тому, що FADH ₂ приблизно еквівалентний NADH, ситуація насправді складніша. На відміну від NAD ⁺, і з цього приводу, на відміну від більшості випадків FAD, FAD ковалентно пов'язаний з сукцинатдегідрогеназою. Тому це не розчинний метаболіт, і він не доступний для повторного окислення, як NADH. Вона, звичайно ж, реокислюється. Але це відбувається в контексті ланцюга транспорту електронів (де він відомий як Complex II), за допомогою коензиму Q.

8. Фумараза каталізує додавання води до фумарату з утворенням малату.

Вуглецевий подвійний зв'язок фумарату атакується гідроксилом (ОН ^-), утворюючи перехід карбоніону, який потім приймає протон (H ⁺) з ферменту з утворенням малата. Фермент фумарази протонується одночасно з тим, що він зв'язує фумарат, і депротонується в кінці, утворюючи малат.

9. Малат окислюється малатдегідрогеназою в кінцевій реакції циклу TCA, щоб генерувати більше NADH, і оксалоацетат, останній з яких потім може бути доданий до ацетил-КоА, щоб почати цикл знову.

Малатдегідрогеназа за структурою схожа на лактатдегідрогеназу і спиртово-дегідрогеназу, згадану в розділі бродіння. Енергетично стандартна зміна вільної енергії цієї реакції дуже позитивна (29,7 кДж/моль), але оксалоацетат швидко перетворюється на цитрат, так що більше утворення оксалоактетату сприяє утворенню малатів.

Тепер, коли був описаний повний цикл, слід зазначити, що регулювання цього циклу відбувається насамперед через доступність ацетил-КоА та оксалоацетату, а також концентрацію НАДГ. Зі збільшенням частоти дихання рівень NADH падає, коли вони окислюються, щоб зробити АТФ (див. Наступний розділ). Це падіння [NADH] потім викликає збільшення оксалоактетату, який потім використовується цитрат-синтазою. [Ацетил-КоА] регулюється шляхом його синтезу піруватдегідрогеназою. На зворотному боці регуляції як НАДГ, так і сукциніл-КоА є сильними інгібіторами α-кетоглутаратдегідрогенази. Таким чином, коли NADH використовується, фермент розгальмовується і збільшує вироблення більшої кількості НАДГ.

Взявши 2 пірувати, створені під час гліколізу через цикл TCA, щоб завершити окислення в СО ₂, що залишилося нашому безстрашному еукаріотичному герою? Два АТФ-еквіваленти (GTP) шість NADH і два FADH ₂. Це навряд чи здається скарбницею корисної енергії, про яку варто похвалитися. На щастя, мітохондріон не закінчений. Далі електрони високої енергії будуть їздити по ланцюгу транспорту електронів, і за допомогою магії окислювального фосфорилювання виробляти АТФ відром.