1. Загальні шляхи обміну речовин; катаболічні та анаболічні процеси. Види метаболічних процесів (лінійні, розгалужені, циклічні). Обмін речовин (метаболізм) – сукупність всіх строго впорядкованих біохімічний процесів, що забезпечують надходження поживних речовин, їх засвоєння, перетворення всередині клітини, а також виведення кінцевих продуктів. Катаболізм (від грецького “ката” – “вниз”) – процес розщеплення органічних молекул до кінцевих продуктів ( діоксиду вуглецю, аміаку, сечовини, води, продуктів кон’югації деяких молекул та ін.) Реакції катаболізму супроводжуються виділенням енергії (екзергонічні реакції) Анаболізм (від грецького “ана” – “вгору”) – об’єднує біосинтетичні процеси, в яких більш прості молекули утворюють специфічні, генетично притаманні даному організмові складні молекули. Такі реакції протікають з поглинанням енергії, що вивільнилась при катаболізмі (ендергонічні реакції). Катаболічні та анаболічні реакції в організмі спряжені на рівні: 1) субстратів (ацетил-КоА, піруват, глюкозо-6-фосфат); 2) відновлених еквівалентів (НАДН, НАДФН, ФАДН2); 3) макроергічних сполук (АТФ, ГТФ, ТТФ тощо). Метаболічні шляхи поділяються на: 1) катаболічні шляхи, які становлять в сукупності катаболізм— реакції розщеплення (гідролізу, окислення тощо) біоорганічних речовин, що надходять із зовнішньогосередовища у складі продуктів харчування (вуглеводів, ліпідів, білків тощо) та біомолекул,які складають структуру клітин та тканин організму; 2) анаболічні шляхи, які становлять анаболізм — реакції синтезу складних біоорганічних сполук, щоскладають різні структурні утворення організму (зокрема, біополімерів — білків, нуклеїнових кислот, полісахаридів) та забезпечують його функціонування (ліпідів, моносахаридів, амінокислот, нуклеотидів, вітамінів, коферментів, гормонів тощо). 3) амфіболічні шляхи, які містяться на «перехрестях» катаболізму та анаболізму;метаболіти, що складають амфіболічні шляхи, можуть перетворюватися як в катаболічних, так і в анаболічних процесах; прикладом може бути цикл трикарбонових кислот. Якщо субстрат у результаті сукупності ферментативних процесів перетворюється на один продукт, такий шлях називають лінійним метаболічним. Часто зустрічаються розгалужені метаболічні шляхи, що приводять до синтезу різних кінцевих продуктів залежно від потреб клітини. Існують циклічні метаболічні шляхи, в результаті яких одна з початкових сполук метаболічного шляху після серії послідовних реакцій регенерує, в той самий час як інша речовина перетворюється в кінцевий продукт. 2. Екзергонічні та ендергонічні біохімічні реакції; роль АТФ та інших макроергічних речовин. Екзергонічні реакції (процеси) — такі, що супроводжуються вивільненнямхімічної енергії, необхідної для функціонування живих організмів. Найбільш важливими екзергонічними процесами в живих системах є окислювальні реакції, що каталізуються окислювально-відновлювальними ферментамимембран мітохондрій. Енергія, яка вивільняється в окислювальних реакціях,здебільшого акумулюється у формі макроергічних сполук. Ендергонічні реакції (процеси)— такі, що потребують для своєї течії витратенергії; це ферментативні реакції синтезу та відновлення: • реакції синтезу призводять до утворення новиххімічних зв’язків, ускладненняструктури біомолекул (простих сполук та біополімерів); заджерело енергії в більшостіреакцій синтезу правлять макроергічні зв’язки АТФ; • реакції відновлення— приєднання до біоорганічних сполук (здебільшого,ненасичених зв’язків) атомів водню; в реакціях відновлення як донори використовуються молекули відновленого нікотинамідаденіндинуклеотидфосфату (НАДФН). Значення АТФ: • Універсальне джерело енергії в організмі: АТФ + Н2О → АДФ + Н3РО4 + 7,3 ккал/моль. • Є донором фосфатних груп. • В клітинах живого організму виступає в ролі акумулятора, донора та спеціального носія енергії. • Використовується: - в біосинтетичних процесах, - для передачі нервового імпульса, - для м’язевих скорочень, - в мембранному транспорті, - Підтриманні температурного балансу та ін Макроергічні сполуки – це біомолекули, що мають зв'язки, стандартна енергія гідролізу яких складає понад 20 кДж/моль. Частина загальної енергії системи, за рахунок якої може бути виконана певна робота, називається вільною енергією G°. Отже, за рахунок вільної енергії підтримується стабільний стан біологічної системи. Зміна рівня стандартної вільної енергії позначається ∆G°. Під цим розуміють зміну вільної енергії за нормальних умов: тиск 101,3 кПа, концентрація 1 M і температура 25 ° C. Зміну рівня стандартної вільної енергії при рН = 7,0 позначають ∆G°'. Зміна стандартної вільної енергії хімічної реакції визначається як різниця між вільною енергією вихідних сполук та вільною енергією кінцевих продуктів реакції, тобто зміна вільної енергії системи при переході її з одного стану в інший є критерієм, який дає змогу стверджувати можливість хімічного перетворення згідно з законами термодинаміки. Макроергічні зв’язки, які позначаються символом ~ (тильда), підрозділяють на декілька типів: • фосфоангідридні (АТФ, ЦТФ, ГТФ, УТФ); • фосфогуанідинові (креатинфосфат); • енолфосфатні (фосфоенолпіруват); • тіоефірні (ацетил-КоА, сукциніл-КоА). Універсальною енергетичною валютою є АТФ. Через універсальний клітинний носій енергії – АТФ. Тобто в клітинах енергія в ході окисно-відновних реакцій вилучається із поживних речовин і акумулюється в макроергічних фосфатах (АТФ, креатинфосфат) та відновленому нікотинамід-аденіндинуклеотидфосфаті (НАДФ*Н). Поживні речовини окислюються в кінцевому підсумку до вуглекислого газу та води. Енергія, що виділяється при розкладанні макроергічних фосфатів та НАДФ*Н, використовується для синтезу білків, нуклеїнових кислот, ліпідів, а також компонентів клітинних мембран і органел клітини, для виконання механічної, хімічної, осмотичної роботи, транспорту іонів і т.д. При цьому в організм мають поступати пластичні речовини, необхідні для біосинтезу і поновлення біологічних структур. 3. Внутрішньоклітинна локалізація ферментів, розподіл обмінних процесів у клітині. Для організму характерні такі механізми регуляції метаболізму: − зміна активності наявних ферментів; − зміна кількості ферментів; − зміна проникності клітинних мембран. 1. Зміна активності наявних ферментів найпоширеніший спосіб регуляції метаболізму. Вона відбувається шляхом алостеричної регуляції, ковалентної модифікації, активації проферментів. Регуляції підлягають "ключові" ферменти, які визначають швидкість усього поліферментного процесу. Зміна активності ферментів відіграє принципову роль у регуляції метаболізму кінцевими продуктами (ретроінгібірування) і рідше першими продуктами (форактивація). 2. Зміна кількості ферментів в клітині здійснюється шляхом індукції або репресії генів, а також їх протеолітичної деградації в клітині. Індукція або репресія генів регулюється гормонами або іншими субстратами. 3. Зміна проникності клітинних мембран- це зміна цілого комплексу функцій мембран (зміна швидкості потоків метаболітів та газів в клітину і з клітини, зрушення електрохімічного потенціалу, передача нервових імпульсів, функціонування рецепторів тощо). Обмін речовин відбувається безперервно. Завдяки харчуванню організм людини отримує різну кількість вихідних речовин, які зазнають метаболічних перетворень. Основним фактором, що визначає баланс процесів обміну речовин, є співвідношення між споживанням їжі та витратою енергії. Надлишок харчових речовин може відкладатися в організмі людини (глікоген, жир). 4. Основні етапи катаболізму біомолекул: білків, вуглеводів та ліпідів. Перша стадія катаболізму(Підготовча стадія) – характеризується тим, що макромолекули вуглеводів, білків і ліпідів розщеплюються до простих складових компонентів. Для екзогенних субстратів - це процеси перетравлення та всмоктування у шлунково-кишковому тракті, а для ендогенних субстратів – це внутрішньоклітинне розщеплення біомолекул за участю ферментів, локалізованих в цитоплазмі та лізосомах. Отже, вуглеводи (полісахариди, олігосахариди) розпадаються до моносахаридів, триацилгліцериди – до гліцерину і вищих жирних кислот, білки – до амінокислот, нуклеїнові кислоти – до мононуклеотидів. Реакції першої стадії катаболізму екзогенних та ендогенних субстратів каталізуються ферментами класу гідролаз. На цьому етапі звільнюється до 1% енергії субстратів, яка розсіюється у формі тепла. Стадія не супроводжується акумуляцією енергії у формі АТФ. Друга стадія катаболізму (Стадія універсалізації) – включає процеси, в яких метаболіти, що утворилися на першій стадії, зазнають розщеплення та перетворюються на один спільний продукт Таким чином, ацетил-SКоА – це загальний кінцевий продукт другої стадії катаболізму вуглеводів, ліпідів і амінокислот. Реакції другої стадії відбуваються в цитоплазмі і частково в мітохондріях клітин. На другому етапі звільняється близько 20–30 % енергії вихідних речовин. Частина цієї енергії акумулюється у макроергічних зв'язках АТФ (субстратне фосфорилювання), а частина розсіюється у вигляді тепла. Третя стадія катаболізму(окислювального розпаду) - включає процеси, в яких відбувається окиснення ацетил-SКоА до кінцевих метаболітів СО2 і Н2О за участю кисню. Ця стадія локалізована в мітохондріях і складається з двох процесів: – циклу трикарбонових кислот (ЦТК, цикл Кребса-Ліпмана або цикл лимонної кислоти), внаслідок функціонування якого утворюється СО2, і атоми Гідрогену, що надалі використовуються для відновлення коферментів НАД+ і ФАД+; – дихального ланцюга перенесення електронів від відновлених форм коферментів на молекулярний кисень з утворенням Н2О. На третій стадії катаболізму відбуваються процеси тканинного дихання, які складають основу енергетичного забезпечення організму. В цій фазі звільнюється близько 70 – 80 % усієї енергії хімічних зв'язків речовин. Енергія окиснення субстратів зосереджується у фосфатних зв'язках АТФ, а частина її виділяється у вигляді тепла. Реакції, що відбуваються на перших двох стадіях катаболізму, є специфічними шляхами розпаду біомолекул. Реакції ж перетворення ПВК в ацетил-SКоА, ЦТК та дихальний ланцюг представляють собою загальний шлях катаболізму. 5. Спільні проміжні продукти катаболізму білків, вуглеводів та ліпідів; їх роль у інтеграції клітинного метаболізму. піруват а) моносахариди гліколіз (ПВК) окис не д екар б дезамінування б) амінокислотитранс -кетокислоти амінування -окиснення в) жирні кислоти г) гліцерол (гліцерин) д) нуклеотиди окси лю вання боксилю р а к е д е піруват окисн (ПВК) азотисті основи пентози H3PO4 ванн я ацетил-KoA я анн в у н ння амі дез кисне о Вуглеводи Візьмемо всім відомий моносахарид - глюкозу, яка в організмі людини може піддаватися гліколізу . В результаті гліколізу з однієї молекули глюкози виходить дві молекули пірувату. Сумарне рівняння гліколізу виглядатиме так: Глюкоза + 2НАД + + 2АДФ + 2Н3РО4 → 2Пірувата + 2НАДH + 2Н + + 2ATФ + 2Н2O Ліпіди Згадаймо ліпіди, які розпадаються до вищих жирних кислот (ВЖК) і гліцеролу. Потім ВЖК піддаються процесу βокислення до ацетил-КоА. Гліцерол в свою чергу є субстратом для глюконеогенезу в печі, і вже не складно догадатися, що знову буде синтезованою глюкозою далі. Білки Білки очевидно розпадаються до амінокислот. І саме важливо, що варто відзначити: амінокислоти невірогідно пластичні. Шляхом реакцій трансамінування (ферментативні реакції переносу аміногрупи з амінокислот на кетокислоти) організм може отримувати не тільки глюкозу і піруват, але також субстрати ЦТК — α-кетоглутарат, оксалоацетат. Більше того, такі амінокислоти, як серин, аланін, триптофан та інші, можуть перетворитися в ацетилКоА, зменшивши перетворення в пірувату Етанол Алкогольдегідрогеназа печені окислює етанол до ацетальдегіду. У ході послідуючої реакції токсичний ацетальдегід в тому ж печені з участю альдегіддегідрогенази окислюється до уксусної кислоти, яка перешкоджає перетворенню з утворенням ацетил-КоА. Кетонові тіла Якщо для синтезу ацетоацетата в мітохондріях гепатоцитів необхідна наявність двох молекул ацетил-КоА, що виникли в результаті обільного порушення ВЖК в печі або при обезвреживании етанола, то його катаболізм клітинами організму знову призводить до утворення двох молекул ацетил-КоА, які відновляться в ЦТК. Виходить, що білки, жири і вуглеводи є джерелами не тільки ацетил-КоА, який «закриває колесо ЦТК», але і незамінних для його стадій субстратів. Більшість окислювальних реакцій ЦТК обмежені, але виключення складають три стадії: перетворення оксалоацетату в цитрат, окислення ізоцитрату до α-кетоглутарату та окислення α-кетоглутарату до сукциніл-КоА. 6. Цикл трикарбонових кислот (ЦТК): • значення для клітинного метаболізму; Цикл трикарбонових кислот (цикл лимонної кислоти, цикл Кребса) — циклічна послідовність ферментативних реакцій, у результаті яких ацетил – КоА (CH3 – CO~S – KoA) – продукт катаболізму основних видів метаболічного палива (вуглеводів, жирів, амінокислот), окислюється до двоокису вуглецю з утворенням атомів водню, які використовуються для відновлення первинних акцепторів дихального ланцюга мітохондрій — нікотинамідних або флавінових коферментів. ЦТК відіграє важливу роль у процесі анаболізму: з α-кетоглутарату синтезується глутамат, а з нього глутамін, аргінін, пролін, у свою чергу, з оксалоацетату синтезується аспартат, який у разі реакції амінування утворює аспарагін. Сукциніл-КоА як попередник δамінолевулінової кислоти при його конденсації з гліцином братиме участь у синтезі порфіринів у тварин або хлорофілу у рослин. З оксалоацетату в процесі глюконеогенезу буде отримано глюкозу. У процесі катаболізму на I етапі крупні молекули (полімери) розщеплюються на прості компоненти (мономери): вуглеводи перетворюються в глюкозу, жири в ВЖК і гліцерин, білки в амінокислоти. На II етапі отримані мономери внутрішньоклітинно специфічно розщеплюються до одного і того ж метаболіту — пірувата. Далі піруват (а також деякі амінокислоти в процесі дезамінування і ВЖК в процесі β-окислення) окислюється до ацетил-КоА. III етап являє собою ЦТК і ЦПЕ (загальний шлях катаболізму), де утворений ацетил-КоА остаточно розпадається до CO2 в клітинах мітохондрій. Тобто 2 атома вуглероду в складі ацетил-КоА входять в ЦТК (I стадія) і 2 атома вуглероду в складі CO2 залишають його (III і IV стадії). Також деякі амінокислоти можуть перетворюватися в субстрати стадію ЦТК: аргінін, гістидин і глутамат в α-кетоглутарат, а фенілаланін і тирозин у фумарат. Отже, ЦТК — це амфіболічний цикл. З одного боку, присутні виражені катаболічні процеси, але разом з тими проміжними продуктами ЦТК починаються нові біосинтетичні шляхи, які призводять до зниження їх концентрації. Таке існування проміжних продуктів повинно поповнюватися шляхом анаплеротичних реакцій. • локалізація; Цикл трикарбонових кислот (ЦТК) —це загальний кінцевий шляхокислювального катаболізму клітини в аеробних умовах. Реакції та ферменти ЦТК локалізовані в матриксі та внутрішній мембрані мітохондрій. Вони функціонально та біохімічно спряжені з мітохондріальними електронотранспортними ланцюгами, що використовують для відновлення атомів кисню.Відновлювальні еквіваленти від НАДН (НАДН + Н +) та ФАДН2 або ФМНН2 і утворюють АТФ у ході окисного фосфорилювання • послідовність реакцій ЦТК; 1. Цитратсинтазна реакція Утворення лимонної кислоти (цитрату) за рахунок конденсації ацетил – КоА з щавлевооцтовою кислотою (оксалоацетатом): Реакція каталізується ферментом цитратсинтазою. Вона є регуляторним ферментом, активність якого гальмується АТФ, НАДН, сукциніл – КоА та довголанцюговими ацил – КоА. • Субстрат – ацетил-КоА та оксалоацетат (ЩОК) • Продукт – Цитрат та НS-КоА • Фермент – цитратсинтаза • Кофермент – відсутній • Енергетична вартість – поглинається енергія від ацетил-КоА Регуляція – активується оксалоацетатом, ацетил-КоА, впливом інсуліну, віт. Д3 інгібірується АТФ, цитратом, сукциніл-КоА, жирними кислотами 2. Аконітазна реакція Перетворення (ізомеризація) цитрату на ізоцитрат. Реакція каталізується ферментом аконітазою і складається з двох етапів: 1)Дегідратація лимонної кислоти з утворенням цис – аконітової кислоти (цис – аконітату) 2)Приєднання до цис–аконітату молекули води. При приєднанні до подвійного зв’язку в складі цис – аконітату Н+ та ОН – у транс – положенні результатом реакції є утворення ізолимонної кислоти (ізоцитрату) • • Субстрат – цитрат • Продукт – ізоцитрат • Фермент – аконітаза • Кофермент – відсутній • Енергетична вартість – відсутня • Регуляція – відсутня. 3. Ізоцитратдегідрогеназна реакція Дегідрування та декарбоксилювання ізоцитрату. Реакція каталізується НАД – залежною ізоцитратдегідрогеназою і призводить до утворення α – кетоглутарової кислоти (α – кетоглутарату). Ізоцитратдегідрогеназа є регуляторним ферментом,позитивний модулятор якого — АДФ, негативний — НАДН. Фермент має дві молекулярні форми — мономерну (молекулярна маса ізоцитратдегідрогенази з мітохондрій серця дорівнює 330 кД) та димерну. В присутності позитивного модулятора АДФ мономери агрегують між собою з утворенням димеру. Негативний модулятор НАДН протидіє індукованій АДФ агрегації мономерних форм ферменту. Обидві молекулярні форми ізоцитратдегідрогенази мають каталітичні властивості, але за умов низької концентрації АДФ димер значно більш активний. • Субстрат – ізоцитрат • Продукт – α-кетоглутарат • Фермент – ізоцитратдегідрогеназа • Кофермент – НАД+ • Енергетична вартість – 3 АТФ (окисне фосфорилювання в мітохондріях) • Регуляція – активується АДФ, Mg2+, Mn2+, Са2+ . інгібірується АТФ, НАДН та дією паратгормону. 4. α-Кетоглутаратдегідрогеназна реакція Окислювальне декарбоксилювання α – кетоглутарату з утворенням сукциніл – КоА — стадія, що каталізується мультиензимним α –кетоглутарат–дегідрогеназним комплексом. Кінцевий продукт — високоенергетичний тіоефір сукциніл~ КоА, в макроергічному зв’язку якого акумульовано хімічну енергію окислювально – відновлювальною реакцією, що мала місце НАДН, що утворився в цій реакції, окислюється в дихальному ланцюзі мітохондрій із генерацією 3 молекул АТФ. За механізмом реакції цей процес нагадує окислювальне декарбоксилювання пірувату до ацетил – КоА; як і піруватдегідрогеназний, α – кетоглутаратдегідрогеназний комплекс має у своєму складі коферменти тіаміндифосфат (ТДФ), ліпоєву кислоту (ЛК), КоА, НАД+ та ФАД. Молекулярна маса цього комплексу з клітин E.Coli дорівнює 2,1 – 106. • Субстрат – α-кетоглутарат • Продукт – сукциніл-КоА • Ферментний комплекс – αкетоглутаратдегідрогеназний комплекс (αКГДК): ферменти - αкетоглутаратдекарбоксилаза, сукцинілтрансфераза, дигідроліпоілдегідрогеназа; • Коферменти – ТДФ, ФАД,НАД+, НS-КоА, амід ліпоєвої кислоти. • • Енергетична вартість – 3 АТФ (окисне фосфорилювання в мітохондріях) Регуляція – активується Са2+, інгібірується АТФ, НАДН та сукциніл-КоА. 5. Сукцинілтіокіназна реакція Деацилювання сукциніл – КоА (перетворення на янтарну кислоту (сукцинат). Реакція каталізується ферментом сукцинілтіокіназою. У результаті розщеплюється макроергічний зв’язок у молекулі сукциніл – КоА, та за рахунок цієї енергії утворюється нова макроергічна сполука нуклеозидтрифосфат ГТФ: • Субстрат – сукциніл-КоА • Продукт – сукцинат • Фермент – сукцинілтіокіназа • Кофермент – відсутній • Енергетична вартість – 1 АТФ (субстратне фосфорилювання) • Регуляція – відсутня. Потім ГТФ передає свою кінцеву фосфатну групу на АДФ у нуклеозидфосфокіназної реакції з утворенням АТФ: ГТФ +АДФ → ГДФ + АТФ 6. Сукцинатдегідрогеназна реакція Окислення янтарної кислоти до фумарової кислоти (фумарату). Реакція каталізується ФАД–залежним ферментом сукцинатдегідрогеназою: Окислення відновленого коферменту (ФАДН2) за допомогою коензиму Q дихального ланцюга мітохондрій призводить до синтезу за рахунок окисного фосфорилювання 2 молекул АТФ. • Субстрат – сукцинат • Продукт – фумарат • Фермент – сукцинатдегідрогеназа (Єдиний фермент ЦТК, локалізований на внутрішній мембрані мітохондрій) • Кофермент – ФАД Енергетична вартість – 2 АТФ (окисне фосфорилювання в мітохондріях) • Регуляція – відсутня. 7. Фумаратгідратазна реакція Перетворення фумарової кислоти на яблучну кислоту (малат) внаслідок приєднання до фумарату молекули води. Реакція каталізується ферментом фумаратгідратазою (фумаразою): • • • • • • Субстрат – фумарат, вода Продукт – малат Фермент – фумаратгідратаза (фумараза) Кофермент – відсутній Енергетична вартість – 0 Регуляція – відсутня. 8. Малатдегідрогеназна реакція Окислення малату до оксалоацетату (щавлевооцтової кислоти). Реакція каталізується НАД – залежним ферментом — малатдегідрогеназою мітохондрій: Окислення НАДН, що утворився, в дихальному ланцюзі мітохондрій призводить до генерації 3 молекул АТФ. Малатдегідрогеназна реакція завершує цикл трикарбонових кислот. Оксалоацетат, який є продуктом даної реакції, здатний до взаємодії з новими молекулами ацетил – КоА. • Субстрат – малат • Продукт – оксалоацетат • Фермент – малатдегідрогеназа • Кофермент – НАД+ • Енергетична вартість – 3 АТФ (окисне фосфорилювання в мітохондріях) • Регуляція – активується НАД+, інгібірується НАДН. • ферменти та коферменти ЦТК; ЦТК – це циклічний процес, 8 реакцій якого локалізовані у мітохондріях еукаріот. Практично всі ферменти знаходяться в матриксі мітохондрій у вільному стані, лише один зв’язаний з внутрішньою мембраною, тобто вбудований у біліпідний шар – це сукцинатдегідрогеназа. Див.попередній пункт. • реакції субстратного фосфорилювання в ЦТК; Реакція 5 утворення ГТФ з ГДФ за рахунок розриву макроергічних зв’язків субстрату (сукциніл-КоА) під дією сукциніл-тіокінази з подальшим перетворенням згідно реакції: ГТФ + АДФ = ГДФ + АТФ. • реакції декарбоксилування в циклі лимонної кислоти; Реакція 4, 3 За повний оберт циклу відбувається окислення 1 молекули ацетил-КоА до двох молекул СО2(для загального розвитку) • значення реакцій дегідрування в ЦТК; Реакція 2,3,6( ще одна реакція, а яка хз), ааааааааааааа я зрозуміла ще 8 реакція. У 4-ох реакціях дегідрування від метаболітів ЦТК відриваються 4 пари атомів водню. Із них 3 пари використовуються на відновлення НАД+ , а одна пара – на відновлення ФАД. • механізми регуляції ЦТК. Регуляція циклу трикарбонових кислот: 1) цитратсинтази (ацетил–КоА та оксалоацетат є активаторами ферменту); 2) ізоцитратдегідрогенази (АДФ,АМФ—алостеричні активатори ферменту, АТФ, НАДН — інгібітори); 3) 2 – оксоглутаратдегідрогеназного комплексу (АТФ, ГТФ, НАДН, сукциніл–КоА–алостеричні інгібітори, іони Са2+ – активатори ферментативного комплексу). Регуляція ЦТК відбувається за принципом зворотнього метаболічного зв’язку. Інтенсивність окислення в ньому субстратів: а) зростає при збільшенні концентрації АДФ и НАД+ б) зменшується при збільшенні концентрації АТФ і НАДН·Н+ • ПДГ-комплекс алостерично гальмується, коли АТФ/АДФ, НАДН/НАД+ і Ацетил-КоА/КоА є високими. Коли ці співвідношення зменшуються, запускається алостерична активація окислення пірувату. • Ступінь потоку через ЦЛК може бути обмежений наявністю субстратів цитрат-синтази – оксалоацетату і ацетил-КоА чи НАД+, який вичерпується через перетворення в НАДН у трьох пунктах НАД-залежного окислення. • Гальмування за принципом зворотнього зв’язку спричиняється через сукциніл-КоА, цитрат і АТФ, які сповільнюють цикл, гальмуючи його на ранніх стадіях. • У м’язовій тканині сигнали Са2+ викликають скорочення і стимулють енергетично-відновний метаболізм, щоб поновити запаси АТФ, спожиті для м’язових скорочень 6. Енергетичний баланс циклу трикарбонових кислот. Сумарне рівняння перетворення ацетил-KоА у ЦТК: Ацетил-KоА + 2Н2О + 3НАД + Фн + АДФ + ФАД ⎯→ ⎯→ 2СО2 + KоА-SH + АТФ + 3НАДН(Н+) + ФАДН2 Вивільнена у результаті окиснення ацетил-КоА енергія в значній мірі зосереджується в макроергічнких фосфатних зв’язках АТФ. З 4 пар атомів Гідрогену 3 пари (від ізоцитрату, альфа-кетоглутарату, малату)переносять НАДН на систему транспорту електронів; при цьому у розрахунку на кожну пару у системі біологічного окиснення утворюється 3 молекули АТФ (в процесі спряженого окиснювального фосфорилювання), а всього, відповідно, 9 молекул АТФ. Одна пара атомів Гідрогену (від сукцинату) від ФАДН2 потрапляє в систему транспорту електронів через KoQ (убіхінон), в результаті чого утворюється лише 2 молекули АТФ. В ході циклу Кребса синтезується також одна молекула ГТФ (субстратне фосфорилювання; сукциніл-коА), що прирівнюється до однієї молекули АТФ. Отже, при окисненні однієї молекули ацетил-КоА в циклі Кребса і системі окиснювального фосфорилювання може утворитися 12 молекул АТФ.( за кафедральним 1 НАДН=2,5 АТФ/ 1 ФАДН=1,5АТФ/1 ГТФ=1 АТФ/= 10АТФ) Таким чином за 8 реакцій ЦТК утворюється: ➢ 4 трикарбонові кислоти (лимонна, цис-аконітова, ізолимонна щавлевобурштинова); ➢ 2 моль СО2 ; ➢ 3 НАДН·Н+ → окислювальне фосфорилювання → 9 АТФ; ➢ 1 ФАДН2 → окислювальне фосфорилювання → 2 АТФ; ➢ 1 ГТФ →субстратне фосфорилювання → 1 АТФ; 7. Анаплеротичні та амфіболічні реакції. Анаплеротичні реакції — реакції клітинного метаболізму, що підвищують концентрацію субстратів трикарбонового циклу, утворюючи їх з інтермедіатів інших метаболічних шляхів (зокрема, амінокислот, пірувату). Активуючи ЦТК, анаплеротичні реакції сприяють посиленню інтенсивності катаболічних процесів в організмі. Утворення субстратів ЦТК в анаплеротичних реакціях: 1) Перетворення амінокислот на дикарбонові кислоти — субстрати ЦТК: • утворення α-кетоглутарату в реакціях трансамінування; • утворення оксалоацетату в реакціях трансамінування; • утворення α-кетоглутарату в глутаматдегідрогеназній реакції; • утворення сукциніл-КоА з ізолейцину, валіну, метіоніну, треоніну 2) Утворення оксалоацетату з пірувату в піруваткарбоксилазній реакції: Піруват + CO2+ АТФ ->Оксалоацетат + АДФ + Фн Коферментом піруваткарбоксилази є біотин (вітамін H), що в ході реакції зворотно акцептує СО2, утворюючи Nкарбоксибіотин. Піруваткарбоксилаза — алостеричний фермент, позитивним модулятором якого є ацетил-КоА. За умов низької внутрішньоклітинної концентрації ацетил-КоА активність ферменту і, відповідно, швидкість піруваткарбоксилазної реакції низькі. Накопичення ацетил-КоА, що спостерігається при активації катаболічних процесів, стимулює через утворення оксалоацетату інтенсивність ЦТК і активність окислення його головного субстрату — ацетил-КоА. Утворення оксалоацетату з пірувату під дією піруваткарбоксилази є найваж¬ливішою анаплеротичною реакцією в клітинах печінки та нирок. 3) Утворення оксалоацетату з фосфоенолпірувату: Реакція каталізується фосфоенолпіруваткарбоксикіназою. При цьому відбува¬ється утворення макроергічного нуклеозидтрифосфату ГТФ за рахунок розщеплення високоенергетичного зв’язку в молекулі фосфоенолпіруват — метаболіту гліколізу. Фосфоенолпіруваткарбоксикіназна реакція є анаплеротичною реакцією ЦТК, що має місце в міокарді та інших м’язових тканинах. Ця ж реакція, за умов її перебігу у зворотному напрямку, використовується в процесі синтезу глюкози. Амфіболічні реакції — реакції, що застосовують субстрати ЦТК для утворення інтермедіатів, необхідних для біосинтетичних процесів: Фосфоенолпіруват + CO2 + ГДФ -> Оксалоацетат + ГТФ 1) у ролі амфіболічних можуть виступати реакції, обернені для розглянутих вище перетворень амінокислот — в цьому разі дикарбонові кислоти, що утворюються в ЦТК, стимулюють процеси білкового синтезу; 2) важливою реакцією синтезу глюкози (глюконеогенезу) є утворення фосфоенолпірувату з оксалоацетату та ГТФ, тобто фосфоенолпіруваткарбоксикіназна реакція за умов її перебігу в напрямку, зворотному для розглянутого вище анаплеротичного процесу.
