Цикл лимонной кислоты -Citric acid cycle
Цикл лимонной кислоты ( CAC ), также известный как цикл Кребса или цикл TCA (цикл трикарбоновых кислот) , представляет собой серию химических реакций для высвобождения накопленной энергии путем окисления ацетил-КоА , полученного из углеводов , жиров и белков . Цикл Кребса используется организмами , которые дышат (в отличие от организмов, которые ферментируют ) для выработки энергии либо за счет анаэробного дыхания , либо за счет аэробного дыхания .. Кроме того, цикл обеспечивает предшественники некоторых аминокислот , а также восстанавливающий агент НАДН , которые используются во многих других реакциях. Его центральное значение для многих биохимических путей предполагает, что он был одним из самых ранних компонентов метаболизма и, возможно, возник абиогенно . Несмотря на то, что это обозначено как «цикл», метаболитам не обязательно следовать только по одному конкретному маршруту; были признаны по крайней мере три альтернативных сегмента цикла лимонной кислоты.
Название этого метаболического пути происходит от лимонной кислоты ( трикарбоновая кислота , часто называемая цитратом, так как ионизированная форма преобладает при биологическом pH), которая потребляется, а затем регенерируется этой последовательностью реакций для завершения цикла. Цикл расходует ацетат (в виде ацетил-КоА ) и воду , восстанавливает НАД + до НАДН, выделяя углекислый газ. НАДН, генерируемый циклом лимонной кислоты, поступает в путь окислительного фосфорилирования (транспорта электронов). Конечным результатом этих двух тесно связанных путей является окисление питательных веществ с получением пригодной для использования химической энергии в форме АТФ .
В эукариотических клетках цикл лимонной кислоты происходит в матриксе митохондрии . В прокариотических клетках, таких как бактерии, в которых отсутствуют митохондрии, последовательность реакций цикла лимонной кислоты осуществляется в цитозоле, при этом протонный градиент для производства АТФ проходит через поверхность клетки ( плазматическая мембрана ), а не через внутреннюю мембрану митохондрии . Общий выход энергосодержащих соединений из цикла лимонной кислоты составляет три НАДН, один ФАДН 2 и один ГТФ .
Открытие
Некоторые компоненты и реакции цикла лимонной кислоты были установлены в 1930-х годах в результате исследований Альберта Сент-Дьёрдьи , получившего Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1937 году специально за открытия, касающиеся фумаровой кислоты , ключевого компонента лимонной кислоты. цикл. Он сделал это открытие, изучая грудную мышцу голубя. Поскольку эта ткань хорошо сохраняет свою окислительную способность после разрушения на мельнице Латапи и высвобождения в водные растворы, грудная мышца голубя очень хорошо подходила для изучения окислительных реакций. Сам цикл лимонной кислоты был окончательно идентифицирован в 1937 году Гансом Адольфом Кребсом и Уильямом Артуром Джонсоном во время работы в Университете Шеффилда , за что первый получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1953 году и в честь которого цикл иногда называют «циклом». Цикл Кребса».
Обзор
Цикл лимонной кислоты является ключевым метаболическим путем , который связывает метаболизм углеводов , жиров и белков . Реакции цикла осуществляются восемью ферментами , которые полностью окисляют ацетат (двухуглеродную молекулу) в форме ацетил-КоА до двух молекул углекислого газа и воды. В результате катаболизма сахаров , жиров и белков образуется двухуглеродный органический продукт ацетил-КоА, который вступает в цикл лимонной кислоты. Реакции цикла также превращают три эквивалента никотинамидадениндинуклеотида (НАД + ) в три эквивалента восстановленного НАД + (НАДН), один эквивалент флавинадениндинуклеотида (ФАД) в один эквивалент ФАДН2 и по одному эквиваленту гуанозина . дифосфата (GDP) и неорганического фосфата (P i ) в один эквивалент гуанозинтрифосфата (GTP). NADH и FADH 2 , образующиеся в цикле лимонной кислоты, в свою очередь, используются путем окислительного фосфорилирования для образования богатой энергией АТФ.
Одним из основных источников ацетил-КоА является расщепление сахаров путем гликолиза с образованием пирувата , который, в свою очередь, декарбоксилируется комплексом пируватдегидрогеназы с образованием ацетил-КоА в соответствии со следующей схемой реакции:
Продукт этой реакции, ацетил-КоА, является отправной точкой цикла лимонной кислоты. Ацетил-КоА также может быть получен окислением жирных кислот . Ниже приведена схема цикла:
- Цикл лимонной кислоты начинается с переноса двухуглеродной ацетильной группы от ацетил-КоА к четырехуглеродному акцепторному соединению (оксалоацетату) с образованием шестиуглеродного соединения (цитрата).
- Затем цитрат проходит ряд химических превращений, теряя две карбоксильные группы в виде CO 2 . Углероды, потерянные в виде CO 2 , происходят из того, что было оксалоацетатом, а не непосредственно из ацетил-КоА. Углерод, отдаваемый ацетил-КоА, становится частью оксалоацетатного углеродного скелета после первого витка цикла лимонной кислоты. Потеря углеродов, донорных ацетил-КоА, в виде СО 2 требует нескольких оборотов цикла лимонной кислоты. Однако из-за роли цикла лимонной кислоты в анаболизме они не могут быть потеряны, поскольку многие промежуточные продукты цикла лимонной кислоты также используются в качестве предшественников для биосинтеза других молекул.
- Большинство электронов, доступных на окислительных стадиях цикла, переносятся на НАД + , образуя НАДН. На каждую ацетильную группу, входящую в цикл лимонной кислоты, приходится три молекулы НАДН. Цикл лимонной кислоты включает ряд окислительно-восстановительных реакций в митохондриях.
- Кроме того, электроны со стадии окисления сукцината сначала переносятся на кофактор FAD сукцинатдегидрогеназы, восстанавливая его до FADH 2 , и, в конечном итоге, до убихинона (Q) в митохондриальной мембране , восстанавливая его до убихинола (QH 2 ), который является субстратом. цепи переноса электрона на уровне Комплекса III .
- На каждый NADH и FADH 2 , образующиеся в цикле лимонной кислоты, при окислительном фосфорилировании образуется 2,5 и 1,5 молекулы АТФ соответственно.
- В конце каждого цикла регенерируется четырехуглеродный оксалоацетат , и цикл продолжается.
Шаги
В цикле лимонной кислоты есть десять основных стадий, как показано ниже. Цикл непрерывно снабжается новым углеродом в виде ацетил-КоА , поступающим на шаге 0 в таблице.
Тип реакции | Субстраты | фермент | Товары | Комментарий | |
---|---|---|---|---|---|
0 / 10 | Альдольная конденсация | Оксалоацетат + Ацетил-КоА + H 2 O | Цитратсинтаза | Цитрат + КоА-SH | необратимо, удлиняет оксалоацетат 4C до молекулы 6C |
1 | обезвоживание | Цитрат | Аконитаза | цис - аконитат + H 2 O | обратимая изомеризация |
2 | Увлажнение | цис -аконитат + H 2 O | Изоцитрат | ||
3 | Окисление | Изоцитрат + НАД + | Изоцитратдегидрогеназа | Оксалосукцинат + НАДН + Н + | генерирует НАДН (эквивалент 2,5 АТФ) |
4 | Декарбоксилирование | оксалосукцинат | α-кетоглутарат + CO 2 | лимитирующая, необратимая стадия, генерирует молекулу 5C | |
5 | Окислительное декарбоксилирование |
α-кетоглутарат + НАД + + КоА-SH |
α-кетоглутаратдегидрогеназа , тиаминпирофосфат , липоевая кислота , Mg++, транссукцинитаза |
Сукцинил-КоА + НАДН + СО 2 | необратимая стадия, генерирует НАДН (эквивалент 2,5 АТФ), регенерирует цепь 4С (за исключением КоА) |
6 |
фосфорилирование на уровне субстрата |
Сукцинил-КоА + GDP + P i | Сукцинил-КоА-синтетаза | Сукцинат + КоА-SH + ГТФ | или АДФ → АТФ вместо GDP→ГТФ генерирует 1 АТФ или эквивалент. В реакции конденсации GDP + P i и гидролиза сукцинил-КоА участвует H 2 O, необходимая для сбалансированного уравнения. |
7 | Окисление | Сукцинат + убихинон (Q) | Сукцинатдегидрогеназа | Фумарат + убихинол (QH 2 ) | использует FAD в качестве простетической группы (FAD→FADH 2 на первой стадии реакции) в ферменте. Эти два электрона позже переносятся на QH 2 во время Комплекса II ЭТЦ, где они генерируют эквивалент 1,5 АТФ. |
8 | Увлажнение | Фумарат + H 2 O | Фумараза | L - малат | Гидратация двойной связи CC |
9 | Окисление | L -малат + НАД + | малатдегидрогеназа | Оксалоацетат + НАДН + Н + | обратимый (фактически равновесие благоприятствует малату), генерирует НАДН (эквивалент 2,5 АТФ) |
10 / 0 | Альдольная конденсация | Оксалоацетат + Ацетил-КоА + H 2 O | Цитратсинтаза | Цитрат + КоА-SH | Это то же самое, что и шаг 0, и цикл перезапускается. Реакция необратима и превращает оксалоацетат 4C в молекулу 6C. |
Два атома углерода окисляются до СО 2 , энергия этих реакций передается другим метаболическим процессам через ГТФ (или АТФ), а также в виде электронов в НАДН и QН 2 . НАДН, образующийся в цикле лимонной кислоты, может позже окисляться (отдавать свои электроны), чтобы стимулировать синтез АТФ в процессе, называемом окислительным фосфорилированием . FADH 2 ковалентно связан с сукцинатдегидрогеназой , ферментом, который функционирует как в CAC, так и в митохондриальной цепи переноса электронов при окислительном фосфорилировании. Таким образом, FADH 2 облегчает перенос электронов на кофермент Q , который является конечным акцептором электронов в реакции, катализируемой комплексом сукцинат:убихиноноксидоредуктаза, а также действует как промежуточное звено в цепи переноса электронов .
Митохондрии животных, включая человека, обладают двумя сукцинил-КоА- синтетазами: одна производит ГТФ из ГДФ, а другая — АТФ из АДФ. Растения имеют тип, который производит АТФ (АДФ-образующая сукцинил-КоА-синтетаза). Несколько ферментов цикла могут быть слабо связаны в мультиферментный белковый комплекс внутри митохондриального матрикса .
ГТФ, который образуется сукцинил-КоА-синтетазой, образующей ГДФ, может быть использован нуклеозид-дифосфаткиназой для образования АТФ (катализируемая реакция: ГТФ + АДФ → ГДФ + АТФ).
Товары
Продуктами первого витка цикла являются один ГТФ (или АТФ ), три НАДН , один ФАДН 2 и два СО 2 .
Поскольку из каждой молекулы глюкозы образуются две молекулы ацетил-КоА , для каждой молекулы глюкозы требуется два цикла. Таким образом, в конце двух циклов образуются: два ГТФ, шесть НАДН, два ФАДН 2 и четыре СО 2 .
Описание | Реагенты | Товары |
---|---|---|
Сумма всех реакций цикла лимонной кислоты равна: | Ацетил-КоА + 3 НАД + + ФАД + ГДФ + P i + 2 H 2 O | → КоА-SH + 3 НАДН + ФАДН 2 + 3 Н + + ГТФ + 2 СО 2 |
Объединяя реакции, происходящие при окислении пирувата , с реакциями, происходящими во время цикла лимонной кислоты, получают следующую общую реакцию окисления пирувата: | Ион пирувата + 4 НАД + + ФАД + ГДФ + P i + 2 H 2 O | → 4 НАДН + ФАДН 2 + 4 Н + + ГТФ + 3 СО 2 |
Соединяя приведенную выше реакцию с реакциями, происходящими в ходе гликолиза , получается следующая суммарная реакция окисления глюкозы (исключая реакции в дыхательной цепи): | Глюкоза + 10 НАД + + 2 ФАД + 2 АДФ + 2 ВВП + 4 P i + 2 H 2 O | → 10 НАДН + 2 ФАДН 2 + 10 Н + + 2 АТФ + 2 ГТФ + 6 СО 2 |
Вышеуказанные реакции уравновешены, если P i представляет собой ион H 2 PO 4 - , АДФ и ГДФ - ионы АДФ 2- и ГДФ 2- соответственно, а АТФ и ГТФ - ионы АТФ 3- и ГТФ 3- соответственно.
Общее количество молекул АТФ, полученных после полного окисления одной глюкозы в гликолизе, цикле лимонной кислоты и окислительном фосфорилировании , оценивается между 30 и 38.
Эффективность
Теоретический максимальный выход АТФ при окислении одной молекулы глюкозы в гликолизе, цикле лимонной кислоты и окислительном фосфорилировании составляет 38 (при условии, что 3 молярных эквивалента АТФ на эквивалент НАДН и 2 АТФ на ФАДН 2 ). У эукариот два эквивалента НАДН и четыре эквивалента АТФ образуются в результате гликолиза , который происходит в цитоплазме . Транспорт двух из этих эквивалентов НАДН в митохондрии потребляет два эквивалента АТФ, тем самым снижая чистое производство АТФ до 36 . Насос обычно снижает выход АТФ из НАДН и ФАДН 2 до значения, меньшего, чем теоретический максимальный выход. Таким образом, наблюдаемые выходы ближе к ~2,5 АТФ на НАДН и ~1,5 АТФ на ФАДН 2 , что еще больше снижает общее чистое производство АТФ примерно до 30. Оценка общего выхода АТФ с недавно пересмотренными отношениями протонов к АТФ дает оценку 29,85 АТФ на молекулу глюкозы.
Вариация
В то время как цикл лимонной кислоты в целом высоко консервативен, существует значительная изменчивость ферментов, обнаруженных в разных таксонах (обратите внимание, что диаграммы на этой странице специфичны для варианта пути млекопитающих).
Между эукариотами и прокариотами существуют некоторые различия. Превращение D- трео -изоцитрата в 2-оксоглутарат катализируется у эукариот NAD + -зависимым EC 1.1.1.41 , тогда как прокариоты используют NADP + -зависимый EC 1.1.1.42 . Аналогичным образом, превращение ( S )-малата в оксалоацетат катализируется у эукариот NAD + -зависимым EC 1.1.1.37 , в то время как большинство прокариот используют хинон-зависимый фермент, EC 1.1.5.4 .
Стадия со значительной вариабельностью представляет собой превращение сукцинил-КоА в сукцинат. Большинство организмов используют EC 6.2.1.5 , сукцинат-КоА-лигазу (АДФ-образующую) (несмотря на свое название, фермент действует в направлении образования АТФ). У млекопитающих также действует фермент, образующий ГТФ, сукцинат-КоА-лигаза (образующая ГДФ) ( КФ 6.2.1.4 ). Уровень использования каждой изоформы зависит от ткани. У некоторых бактерий, продуцирующих ацетат, таких как Acetobacter aceti , это превращение катализирует совершенно другой фермент — EC 2.8.3.18 , сукцинил-КоА:ацетат-КоА-трансфераза. Этот специализированный фермент связывает цикл ТСА с метаболизмом ацетата в этих организмах. Некоторые бактерии, такие как Helicobacter pylori , используют для этого преобразования еще один фермент – сукцинил-КоА:ацетоацетат-КоА-трансферазу ( КФ 2.8.3.5 ).
Некоторая вариабельность существует и на предыдущем этапе – превращении 2-оксоглутарата в сукцинил-КоА. В то время как большинство организмов используют вездесущую NAD + -зависимую 2-оксоглутаратдегидрогеназу, некоторые бактерии используют ферредоксин-зависимую 2-оксоглутаратсинтазу ( EC 1.2.7.3 ). Другие организмы, в том числе облигатно автотрофные и метанотрофные бактерии и археи, полностью обходят сукцинил-КоА и превращают 2-оксоглутарат в сукцинат через полуальдегид сукцината, используя EC 4.1.1.71 , 2-оксоглутаратдекарбоксилазу, и EC 1.2.1.79 , сукцинат-полуальдегиддегидрогеназу . .
При раке происходят существенные метаболические нарушения , которые обеспечивают пролиферацию опухолевых клеток, и, следовательно, могут накапливаться метаболиты , которые способствуют онкогенезу , называемые онкометаболитами . Одним из наиболее охарактеризованных онкометаболитов является 2-гидроксиглутарат , который продуцируется в результате гетерозиготной мутации с приобретением функции (в частности, неоморфной ) в изоцитратдегидрогеназе (IDH) (которая в нормальных условиях катализирует окисление изоцитрата в оксалосукцинат , который затем спонтанно декарбоксилирует ). в альфа-кетоглутарат , как обсуждалось выше; в этом случае после образования альфа-кетоглутарата через НАДФН происходит дополнительная стадия восстановления с образованием 2-гидроксиглутарата), и, следовательно, ИДГ считается онкогеном . В физиологических условиях 2-гидроксиглутарат является второстепенным продуктом нескольких метаболических путей как ошибка, но легко превращается в альфа-кетоглутарат с помощью ферментов гидроксиглутаратдегидрогеназы ( L2HGDH и D2HGDH ), но не играет известной физиологической роли в клетках млекопитающих; Следует отметить, что при раке 2-гидроксиглутарат, вероятно, является конечным метаболитом, поскольку эксперименты по мечению изотопами клеточных линий колоректального рака показывают, что его превращение обратно в альфа-кетоглутарат слишком низкое, чтобы его можно было измерить. При раке 2-гидроксиглутарат служит конкурентным ингибитором ряда ферментов, которые облегчают реакции через альфа-кетоглутарат в альфа-кетоглутарат-зависимых диоксигеназах . Эта мутация приводит к нескольким важным изменениям в метаболизме клетки. Во-первых, поскольку происходит дополнительное катализируемое НАДФН восстановление, это может способствовать истощению клеточных запасов НАДФН, а также снижению уровня альфа-кетоглутарата, доступного для клетки. В частности, истощение NADPH проблематично, потому что NADPH сильно разделен и не может свободно диффундировать между органеллами в клетке. Он производится в основном через пентозофосфатный путь в цитоплазме. Истощение NADPH приводит к усилению окислительного стресса в клетке, поскольку он является необходимым кофактором в производстве GSH , и этот окислительный стресс может привести к повреждению ДНК. Также происходят изменения на генетическом и эпигенетическом уровне за счет функции гистон-лизин-деметилазы (KDM) и ферментов транслокации 11-11 (TET); обычно TET гидроксилируют 5-метилцитозины , чтобы подготовить их к деметилированию. Однако в отсутствие альфа-кетоглутарата это невозможно, и, следовательно, происходит гиперметилирование клеточной ДНК, что способствует эпителиально-мезенхимальному переходу (ЕМТ) и ингибирует клеточную дифференцировку. Аналогичное явление наблюдается для семейства KDM Jumonji C, которым требуется гидроксилирование для выполнения деметилирования эпсилон-аминометильной группы. Кроме того, неспособность пролилгидроксилаз катализировать реакции приводит к стабилизации индуцируемого гипоксией фактора альфа , что необходимо для деградации последнего (поскольку в условиях низкого содержания кислорода не будет адекватного субстрата для гидроксилирования). Это приводит к псевдогипоксическому фенотипу в раковой клетке, который способствует ангиогенезу , метаболическому перепрограммированию, росту и миграции клеток .
Регулирование
Аллостерическая регуляция метаболитами . Регуляция цикла лимонной кислоты во многом определяется ингибированием продукта и доступностью субстрата. Если бы цикл мог работать бесконтрольно, большое количество метаболической энергии могло быть потрачено впустую на перепроизводство восстановленных коферментов, таких как НАДН и АТФ. Основным конечным субстратом цикла является АДФ, который превращается в АТФ. Снижение количества АДФ вызывает накопление предшественника НАДН, который, в свою очередь, может ингибировать ряд ферментов. НАДН, продукт всех дегидрогеназ цикла лимонной кислоты за исключением сукцинатдегидрогеназы , ингибирует пируватдегидрогеназу , изоцитратдегидрогеназу , α-кетоглутаратдегидрогеназу , а также цитратсинтазу . Ацетил-КоА ингибирует пируватдегидрогеназу , а сукцинил-КоА ингибирует альфа-кетоглутаратдегидрогеназу и цитратсинтазу . При тестировании in vitro с ферментами TCA АТФ ингибирует цитратсинтазу и α-кетоглутаратдегидрогеназу ; однако уровни АТФ не изменяются более чем на 10% in vivo между отдыхом и энергичными упражнениями. Не существует известного аллостерического механизма, который мог бы объяснить большие изменения скорости реакции от аллостерического эффектора, концентрация которого изменяется менее чем на 10%.
Цитрат используется для подавления обратной связи, так как он ингибирует фосфофруктокиназу , фермент, участвующий в гликолизе , который катализирует образование фруктозо-1,6-бисфосфата , предшественника пирувата. Это предотвращает постоянную высокую скорость потока при накоплении цитрата и уменьшении субстрата для фермента.
Регуляция кальцием . Кальций также используется в качестве регулятора в цикле лимонной кислоты. Уровни кальция в митохондриальном матриксе могут достигать десятков микромолярных уровней во время клеточной активации. Он активирует пируватдегидрогеназную фосфатазу , которая, в свою очередь, активирует пируватдегидрогеназный комплекс . Кальций также активирует изоцитратдегидрогеназу и α-кетоглутаратдегидрогеназу . Это увеличивает скорость реакции на многих этапах цикла и, следовательно, увеличивает поток на протяжении всего пути.
Транскрипционная регуляция . Недавняя работа продемонстрировала важную связь между промежуточными продуктами цикла лимонной кислоты и регуляцией факторов, индуцируемых гипоксией ( HIF ). HIF играет роль в регуляции гомеостаза кислорода и является фактором транскрипции, который нацелен на ангиогенез , ремоделирование сосудов , утилизацию глюкозы , транспорт железа и апоптоз . HIF синтезируется конститутивно, и гидроксилирование по крайней мере одного из двух критических остатков пролина опосредует их взаимодействие с убиквитинлигазным комплексом von Hippel Lindau E3, который нацелен на их быструю деградацию. Эта реакция катализируется пролил-4-гидроксилазами . Фумарат и сукцинат были идентифицированы как мощные ингибиторы пролилгидроксилаз, что приводит к стабилизации HIF.
Основные метаболические пути, сходящиеся в цикле лимонной кислоты
Несколько катаболических путей сходятся в цикле лимонной кислоты. Большинство этих реакций добавляют промежуточные продукты в цикл лимонной кислоты и поэтому известны как анаплеротические реакции , от греческого значения «заполнять». Они увеличивают количество ацетил-КоА, которое цикл может переносить, увеличивая способность митохондрий осуществлять дыхание, если в противном случае это является ограничивающим фактором. Процессы, которые удаляют промежуточные продукты из цикла, называются «катаплеротическими» реакциями.
В этом и следующем разделах промежуточные продукты цикла лимонной кислоты выделены курсивом , чтобы отличить их от других субстратов и конечных продуктов.
Молекулы пирувата, образующиеся в результате гликолиза , активно транспортируются через внутреннюю митохондриальную мембрану в матрикс. Здесь они могут окисляться и соединяться с коферментом А с образованием СО 2 , ацетил-КоА и НАДН , как и в обычном цикле.
Однако также возможно карбоксилирование пирувата пируваткарбоксилазой с образованием оксалоацетата . Эта последняя реакция «восполняет» количество оксалоацетата в цикле лимонной кислоты и, следовательно, является анаплеротической реакцией, увеличивающей способность цикла метаболизировать ацетил-КоА , когда энергетические потребности ткани (например, в мышцах ) внезапно увеличиваются из-за активности.
В цикле лимонной кислоты все промежуточные продукты (например , цитрат , изоцитрат , альфа-кетоглутарат , сукцинат , фумарат , малат и оксалоацетат ) регенерируются во время каждого оборота цикла. Следовательно, добавление большего количества любого из этих промежуточных соединений в митохондрию означает, что это дополнительное количество сохраняется в цикле, увеличивая количество всех других промежуточных соединений по мере того, как одно превращается в другое. Следовательно, добавление любого из них в цикл оказывает анаплеротическое действие, а его удаление — катаплеротическое. Эти анаплеротические и катаплеротические реакции в ходе цикла увеличивают или уменьшают количество оксалоацетата , способного соединиться с ацетил-КоА с образованием лимонной кислоты . Это, в свою очередь, увеличивает или уменьшает скорость производства АТФ митохондриями и, следовательно, доступность АТФ для клетки.
С другой стороны, ацетил-КоА , полученный в результате окисления пирувата или бета-окисления жирных кислот , является единственным топливом, вступающим в цикл лимонной кислоты. С каждым оборотом цикларасходуется одна молекула ацетил-КоА на каждую молекулу оксалоацетата , присутствующую в митохондриальном матриксе, и никогда не регенерируется. Именно окисление ацетатной части ацетил-КоА приводит к образованию СО 2 и воды, при этом высвобождаемая при этом энергия захватывается в форме АТФ. Три стадии бета-окисления напоминают стадии образования оксалоацетата из сукцината в цикле трикарбоновых кислот. Ацил-КоА окисляется до транс-еноил-КоА, тогда как ФАД восстанавливается до ФАДН 2 , что аналогично окислению сукцината до фумарата. Затем транс-еноил-КоА гидратируется по двойной связи до бета-гидроксиацил-КоА, точно так же, как фумарат гидратируется до малата. Наконец, бета-гидроксиацил-КоА окисляется до бета-кетоацил-КоА, в то время как НАД+ восстанавливается до НАДН, что следует тому же процессу, что и окисление малата до оксалоацетата .
В печени карбоксилирование цитозольного пирувата во внутримитохондриальный оксалоацетат является ранним этапом глюконеогенеза , который превращает лактат и дезаминированный аланин в глюкозу под влиянием высоких уровней глюкагона и/или адреналина в крови. Здесь добавление оксалоацетата к митохондрии не имеет чистого анаплеротического эффекта, так как другой промежуточный продукт цикла лимонной кислоты ( малат ) немедленно удаляется из митохондрии для превращения в цитозольный оксалоацетат, который в конечном итоге превращается в глюкозу в процессе, который почти обратный гликолизу .
При катаболизме белков белки расщепляются протеазами на составляющие их аминокислоты. Их углеродные скелеты (то есть дезаминированные аминокислоты) могут либо входить в цикл лимонной кислоты в качестве промежуточных продуктов (например , альфа-кетоглутарат , полученный из глутамата или глутамина), оказывая анаплеротическое действие на цикл, либо, в случае лейцина , изолейцин , лизин , фенилаланин , триптофан и тирозин , они превращаются в ацетил-КоА , который может сгорать до СО 2 и воды или использоваться для образования кетоновых тел , которые также могут сгорать только в тканях, отличных от печени, где они образуются. или выводится с мочой или дыханием. Эти последние аминокислоты поэтому называются «кетогенными» аминокислотами, тогда как те, которые входят в цикл лимонной кислоты в качестве промежуточных продуктов, могут быть удалены только катаплеротически, вступая в путь глюконеогенеза через малат , который транспортируется из митохондрий для преобразования в цитозольный оксалоацетат и, в конечном итоге, в глюкозу . Это так называемые «глюкогенные» аминокислоты. Дезаминированные аланин, цистеин, глицин, серин и треонин превращаются в пируват и, следовательно, могут входить в цикл лимонной кислоты либо в виде оксалоацетата (анаплеротическая реакция), либо в виде ацетил-КоА , который утилизируется в виде СО 2 и воды.
При катаболизме жиров триглицериды гидролизуются и расщепляются на жирные кислоты и глицерин . В печени глицерин может быть преобразован в глюкозу через дигидроксиацетонфосфат и глицеральдегид-3-фосфат путем глюконеогенеза . Во многих тканях, особенно в тканях сердца и скелетных мышц , жирные кислоты расщепляются посредством процесса, известного как бета-окисление , в результате чего образуется митохондриальный ацетил-КоА , который может использоваться в цикле лимонной кислоты. Бета-окисление жирных кислот с нечетным числом метиленовых мостиков дает пропионил-КоА , который затем превращается в сукцинил-КоА и поступает в цикл лимонной кислоты в качестве анаплеротического интермедиата.
Суммарная энергия, получаемая от полного распада одной (шестиуглеродной) молекулы глюкозы путем гликолиза , образования 2 молекул ацетил-КоА , их катаболизма в цикле лимонной кислоты и окислительного фосфорилирования , у эукариот составляет около 30 молекул АТФ . Количество молекул АТФ, полученных в результате бета-окисления 6-углеродного сегмента цепи жирной кислоты, и последующего окисления образующихся 3-х молекул ацетил-КоА , равно 40.
Промежуточные продукты цикла лимонной кислоты служат субстратами для процессов биосинтеза.
В этом подзаголовке, как и в предыдущем, промежуточные продукты ТСА выделены курсивом .
Несколько промежуточных продуктов цикла лимонной кислоты используются для синтеза важных соединений, которые будут оказывать значительное катаплеротическое воздействие на цикл. Ацетил-КоА не может транспортироваться из митохондрий. Для получения цитозольного ацетил-КоА цитрат удаляют из цикла лимонной кислоты и переносят через внутреннюю митохондриальную мембрану в цитозоль. Там он расщепляется АТФ-цитратлиазой на ацетил-КоА и оксалоацетат. Оксалоацетат возвращается в митохондрию в виде малата (и затем снова превращается в оксалоацетат для переноса большего количества ацетил-КоА из митохондрии). Цитозольный ацетил-КоА используется для синтеза жирных кислот и производства холестерина . Холестерин , в свою очередь , может использоваться для синтеза стероидных гормонов , солей желчных кислот и витамина D.
Углеродные скелеты многих заменимых аминокислот состоят из промежуточных продуктов цикла лимонной кислоты. Чтобы превратить их в аминокислоты, альфа-кетокислоты, образованные из промежуточных продуктов цикла лимонной кислоты, должны получить свои аминогруппы от глутамата в реакции трансаминирования , в которой пиридоксальфосфат является кофактором. В этой реакции глутамат превращается в альфа-кетоглутарат , который является промежуточным продуктом цикла лимонной кислоты. Промежуточные продукты, которые могут обеспечить углеродный скелет для синтеза аминокислот, представляют собой оксалоацетат , который образует аспартат и аспарагин ; и альфа-кетоглутарат , который образует глютамин , пролин и аргинин .
Из этих аминокислот аспартат и глутамин используются вместе с атомами углерода и азота из других источников для образования пуринов , которые используются в качестве оснований в ДНК и РНК , а также в АТФ , АМФ , ГТФ , НАД , ФАД и СоА .
Пиримидины частично собраны из аспартата (полученного из оксалоацетата ). Пиримидины, тимин , цитозин и урацил образуют основания, комплементарные пуриновым основаниям в ДНК и РНК, а также являются компонентами CTP , UMP , UDP и UTP .
Большинство атомов углерода в порфиринах происходят из промежуточного соединения цикла лимонной кислоты, сукцинил-КоА . Эти молекулы являются важным компонентом гемопротеинов , таких как гемоглобин , миоглобин и различные цитохромы .
Во время глюконеогенеза митохондриальный оксалоацетат восстанавливается до малата , который затем транспортируется из митохондрий для окисления обратно в оксалоацетат в цитозоле. Затем цитозольный оксалоацетат декарбоксилируется до фосфоенолпирувата с помощью фосфоенолпируваткарбоксикиназы , что является стадией, ограничивающей скорость превращения почти всех глюконеогенных предшественников (таких как глюкогенные аминокислоты и лактат) в глюкозу в печени и почках .
Поскольку цикл лимонной кислоты участвует как в катаболических , так и в анаболических процессах, он известен как амфиболический путь.
Evan MWDuo Нажмите на гены, белки и метаболиты ниже, чтобы перейти к соответствующим статьям.
Глюкоза питает цикл ТСА через циркулирующий лактат.
Метаболическая роль лактата хорошо известна как топливо для тканей и опухолей . В классическом цикле Кори мышцы вырабатывают лактат, который затем поглощается печенью для глюконеогенеза . Новые исследования показывают, что лактат можно использовать в качестве источника углерода для цикла трикарбоновых кислот.
Эволюция
Считается, что компоненты цикла лимонной кислоты произошли от анаэробных бактерий , и что сам цикл трикарбоновых кислот мог эволюционировать более одного раза. Теоретически существует несколько альтернатив циклу ТСА; однако цикл ТСА представляется наиболее эффективным. Если несколько альтернатив ТСА развивались независимо друг от друга, все они, по-видимому, сошлись в цикле ТСА.
Смотрите также
- цикл Кальвина
- Глиоксилатный цикл
- Обратный (редуктивный) цикл Кребса
- Цикл Кребса (простой английский) [1]