21.7: Цикл лимонної кислоти

Last updated
Save as PDF

Page ID: 21679

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Опишіть реакції циклу лимонної кислоти.
Опишіть функцію циклу лимонної кислоти і визначте вироблені продукти.

Ацетильна група входить в циклічну послідовність реакцій, відому в сукупності як цикл лимонної кислоти (або цикл Кребса або цикл трикарбонової кислоти [TCA] цикл). Циклічна конструкція цієї складної серії реакцій, що призводять до окислення ацетильної групи ацетил-КоА до вуглекислого газу і води, була вперше запропонована Гансом Кребсом в 1937 році. (Він був удостоєний Нобелівської премії 1953 року з фізіології або медицини.) Вхід ацетил-КоА в цикл лимонної кислоти є початком III стадії катаболізму. Цикл лимонної кислоти виробляє аденозинтрифосфат (АТФ), знижений нікотинамід аденіндинуклеотид (NADH), знижений флавін аденін-динуклеотид (FADH ₂) та метаболічні проміжні продукти для синтезу необхідних сполук.

Етапи циклу лимонної кислоти

На перший погляд цикл лимонної кислоти виглядає досить складним (рис.\(\PageIndex{1}\)). Однак усі реакції є знайомими типами в органічній хімії: гідратація, окислення, декарбоксилювання та гідроліз. Кожна реакція циклу лимонної кислоти пронумерована, а на малюнку\(\PageIndex{1}\) два атома ацетилвуглецю виділені червоним кольором. Кожен проміжний продукт в циклі являє собою карбонову кислоту, існуючу у вигляді аніона при фізіологічному рН. Всі реакції відбуваються всередині мітохондрій, які є дрібними органелами всередині клітин рослин і тварин.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Реакції циклу лимонної кислоти

На першому етапі ацетил-КоА потрапляє в цикл лимонної кислоти, а ацетильна група переноситься на оксалоацетат, отримуючи цитрат. Відзначимо, що цей етап вивільняє коензим А. Реакція каталізується цитрат-синтазою.
На наступному етапі аконітаза каталізує ізомеризацію цитрату до ізоцитрату. У цій реакції третинний спирт, який не піддається окисленню, перетворюється у вторинний спирт, який може окислюватися на наступному етапі.
Потім ізоцитрат проходить реакцію, відому як окислювальне декарбоксилювання, оскільки спирт окислюється, а молекула скорочується на один атом вуглецю з виділенням вуглекислого газу (декарбоксилювання). Реакція каталізується ізоцитратдегідрогеназою, а продуктом реакції є α-кетоглутарат. Важливою реакцією, пов'язаною з цим, є зниження коферменту нікотинаміду аденіндинуклеотиду (NAD ⁺) до NADH. NADH в кінцевому підсумку окислюється, і виділяється енергія використовується в синтезі АТФ, як ми побачимо.
Четвертий крок - ще одне окислювальне декарбоксилювання. Цього разу α-кетоглутарат перетворюється в сукциніл-КоА, а інша молекула NAD ⁺ знижується до НАДГ. Комплекс α-кетоглутаратдегідрогенази каталізує цю реакцію. Це єдина незворотна реакція в циклі лимонної кислоти. Таким чином, це заважає циклу працювати в зворотному напрямку, в якому ацетил-КоА синтезувався б з вуглекислого газу.

Поки що на перших чотирьох етапах два атоми вуглецю увійшли в цикл як ацетильна група, а два атоми вуглецю були вивільнені як молекули вуглекислого газу. Решта реакцій циклу лимонної кислоти використовують чотири атоми вуглецю сукцинільної групи для ресинтезу молекули оксалоацетату, яка є сполукою, необхідною для об'єднання з вхідною ацетильною групою і розпочати ще один раунд циклу.

У п'ятій реакції енергія, що виділяється гідролізом високоенергетичного тіоефірного зв'язку сукциніл-КоА, використовується для утворення гуанозинтрифосфату (GTP) з гуанозиндифосфату (ВВП) та неорганічного фосфату в реакції, каталізованої сукциніл-КоА-синтетазою. Цей крок є єдиною реакцією в циклі лимонної кислоти, яка безпосередньо утворює високоенергетичне фосфатне з'єднання. GTP може легко переносити свою кінцеву фосфатну групу в аденозиндифосфат (АДФ) для генерації АТФ у присутності нуклеозиддифосфокінази.

Сукцинатдегідрогеназа потім каталізує видалення двох атомів водню з сукцинату, утворюючи фумарат. Ця окислювально-відновна реакція використовує флавін аденін-динуклеотид (FAD), а не NAD ⁺, як окислювач. Сукцинатдегідрогеназа - єдиний фермент циклу лимонної кислоти, розташований всередині внутрішньої мітохондріальної мембрани. Незабаром ми побачимо важливість цього.

На наступному етапі молекула води додається до подвійного зв'язку фумарату з утворенням L-малату в реакції, каталізованої фумаразою.

Один оборот циклу завершується окисленням L-малату до оксалоацетату, спричиненого малатдегідрогеназою. Це третя окислювально-відновна реакція, яка використовує NAD ⁺ як окислювач. Оксалоацетат може прийняти ацетильну групу з ацетил-КоА, дозволяючи циклу почати знову.

Відео: «Цикл лимонної кислоти: огляд». У матриці мітохондріона цикл лимонної кислоти використовує молекули ацетил CoA для отримання енергії через вісім хімічних реакцій. Ця анімація надає огляд шляху та його продуктів. Анімація NDSU vCell Production; для отримання додаткової інформації, будь ласка, дивіться http://vcell.ndsu.edu/animations.