Регуляция цикла трикарбоновых кислот

Цикл трикарбоновых кислот связан с предшествующими стадиями энергетического обмена (гликолиз, окисление жирных кислот), поэтому механизмы регуляции этих процессов будут справедливы и для цикла Кребса.

Типы регуляции:

1) Ретроингибирование;

2) Путём изменения концентрации субстрата на выходе цикла;

3) Аллостерическая регуляция (с помощью НАД, НАД * Н₂, АТФ).

4) Ионная (рН, концентрация Са)

Так как цикл Кребса начинается со стадии ЩУК + ацетилКоА, то эти метаболиты управляют интенсивностью цикла. Первым регуляторным фактором является концентрация ЩУК, которая в основном образуется из ПВК. ПВК же образуется из углеводов (глюкозы), поэтому при диабете или углеводном голодании наблюдается недостаток ПВК, а значит и ЩУК и сам цикл блокируется. АцетилКоА не является лимитирующим субстратом, так как в основном образуется при окислении жирных кислот. Но в то же время ЩУК – конкурентный ингибитор сукцинатдегидрогеназы, поэтому при избытке ЩУК цикл трикарбоновых кислот блокируется на 6 – ой стадии. Это торможение можно убрать глутамином, который переаминирует ЩУК в аспарагин. Второй регуляторный центр – концентрация НАД и НАД * Н₂. В живых системах концентрация НАД и НАД * Н₂= const. Любые факторы, ведущие к увеличению НАД * Н₂(алкогольная интоксикация) и дефекту НАД блокируют цикл Кребса. Следовательно, увеличение концентрации НАД стимулирует цикл трикарбоновых кислот.

Так как АТФ является косвенно конечным продуктом, то её избыток блокирует реакции, а значит АДФ стимулирует цикл (АДФ рассматривается как аллостерический активатор изоцитратдегидрогеназы). Стимулятором цикла является также и кислород, так как стимулирует работу АТФ. При повышении концентрации Са в клетке активируются дегидрогеназные реакции. Цикл Кребса активируется при сердечной недостаточности. Это объясняется тем, что миокард не может самостоятельно убрать избыток Са и эту роль берут на себя митохондрии, возрастает потребность в кислороде.

ТКАНЕВОЕ ДЫХАНИЕ.

Тканевое дыхание – один из процессов диссимиляции, по сути это есть биологическое окисление в тканях и клетках организма. В организме существует три пути потребления и утилизации кислорода:

1 – й путь: 90 – 95 % кислорода идёт на митохондриальное окисление.

2 – й путь: 5 – 10 % идёт на микросомальное окисление (в печени при поступлении токсинов).

3 – й путь: 2 – 5 % - перекисное окисление.

ДЫХАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ.

В процессе окисления ацетилКоА в цикле Кребса восстановленные формы НАД * Н₂ и ФАД * Н₂поступают в дыхательную цепь, где энергия электрона и протона трансформируется в энергию макроэргических связей АТФ. Дыхательная цепь – это совокупность дегидрогеназ, которые транспортируют электроны и протон с субстрата на кислород. Принцип функционирования дыхательной цепи основан на 1 – ом и 2 – ом законах термодинамики (1 – й закон: закон сохранения энергии; 2 – й закон: все системы стремятся к минимальной энергии).

Дыхательная цепь локализуется во внутренней мембране митохондрий и имеет два пути введения электрона и протона или два входа; дегидрогеназная цепь образует четыре комплекса:

1 – й вход – НАД - зависимый (поступают электрон и протон со всех НАД - зависимых реакций)

2 – й вход – ФАД - зависимый (аналогично)

Кофермент Q или убихинон – это гидрофобное соединение, является компонентом клеточной мембраны (находится на наружной поверхности), содержится в большой концентрации, относится к группе витаминов.

Н₃СО СН₃СН₃ СН₃

/ /

Н₃СО (СН₂ – СН = С – СН₂)₉ – СН₂ – СН = С – СН₂

КОФЕРМЕНТ Q.

ЦИТОХРОМ.

СН₂

СН СН₃

/ /

Н₃С СН = СН₂

N N

Н₃С СН₃

\ \

СН₂ СН₂ – СН₂– СО₂

СН₂

СО₂

ЦИТОХРОМ aa₃– (цитохромоксидаза)

CH₃CH₃CH₃

| | |

СН₂ – СН – (СН₂) ₃ – СН –(СН₂) ₃ – CH

| |

HO - СН CH₃ CH₃

| |

H₃C- - CH = CH₂

N N

N N

O = C -

H | |

CH₂ CH₂ – CH₂ – CO₂

| |

CH₂

CO₂

Цитохромоксидаза имеет высокую степень сродства к О₂ и может работать при его низких концентрациях. аа₃ состоит из шести субъедениц, каждая из которых содержит гем и атом Cu. Две субъеденицы составляют цитохром а, а остальные четыре относятся к цитохрому а₃.

Дыхательная цепь активно реагирует на чрезмерные нагрузки, яды. Так, например, барбитураты ингибируют перенос электрона и протона в первый комплекс дыхательной цепи, в ответ на это возникает энергетический голод ткани. Это происходит потому, что возникает недогрузка дыхательной цепи протонами и электронами. В результате снижается синтез АТФ и в ткани активируется производство и окисление эндогенной янтарной кислоты. Такое же действие оказывает и алкоголь, так как этанол является НАД – зависимым субстратом. Этанол монополизирует основной фонд НАД и превращает его в НАД * Н₂. Дыхательная цепь перегружается НАД * Н₂ и ткань не получает энергии за счёт окисления естественных субстратов. Такие яды, как цианиды, СО, Н₂S, блокируют четвёртый комплекс дыхательной цепи. Если ингибирование первого комплекса приводит к активации трёх оставшихся и за счёт этого дыхательная цепь компенсируется, то при блокировании четвёртого комплекса работа дыхательной цепи не состоится, что приводит к смерти. Четыре комплекса, входящие в состав дыхательной цепи, неравноценны: в 1,3 и 4 происходит синтез АТФ (АДФ + Ф_н).

Работа всей дыхательной цепи состоит из двух составляющих: 1) образование АТФ (50% энергии депонируется в виде АТФ); 2) рассеивание остальных 50 % энергии в виде тепла.

Для оценки эффективности работы дыхательной цепи и окислительного фосфорилирования в 1939 году введён коэффициент Р / О –показатель степени спряжения фосфорилирования и дыхания. Р / О – отношение количества поглощённых молекул фосфата (в процессе АДФ + Ф_н) к количеству поглощённого кислорода. Так, если окисляются НАД – зависимые субстраты, то электроны в этом случае проходят все три стадии фосфорилирования и на образование АТФ уходят три молекулы Ф_н и один атом О₂, поэтому Р / О = 3. Если окисляются ФАД – зависимые субстраты, то электроны проходят только две стадии фосфорилирования и тратится две молекулы Ф_н на атом О₂, поэтому Р / О = 2. При окислении витамина С и адреналина, электроны поставляются прямо на цитохром с, поэтому они проходят только одну стадию фосфорилирования и поэтому Р / О = 1.

В ряде случаев некоторые пункты фосфорилирования могут «выключаться» - такое состояние называется разобщением окислительного фосфорилирования. В этом случае Р / О снижается: для

НАД – зависимых субстратов – ниже трёх, для ФАД – зависимых субстратов – ниже двух.

Исходя из первого закона термодинамики, в разобщённых митохондриях увеличивается теплообразование. Это происходит за счёт того, что та энергия электронов, которая должна была быть использована для синтеза АТФ в «выключенной» стадии фосфорилирования, рассеивается в виде тепла. Процесс разобщения окислительного фосфорилирования лежит в основе лихорадки, вызванной бактериями, вирусами и другими агентами. Разобщение резко увеличивается при охлаждении организма. Работа митохондрий при всех «выключенных» стадиях фосфорилирования называется сопряжённой, в противном, выше описанном случае, разобщённой и дыхание при этом называется свободным. В качестве разобщителей окислительного фосфорилирования выступают слабые гидрофобные кислоты (жирные кислоты), тироидные гормоны, лекарства.

Дыхательная цепь имеет механизм шунтирования: сброс электрона и протона с НАД на цитохромы или с НАД на межмембранные дегидрогеназы, не нарушая мембрану и гладкую эндоплазматическую сеть. Такой перенос характерен для печени. При воздействии какого – либо блокатора, возникает блок в первом комплексе дыхательной цепи. Происходит накопление НАД * Н₂, и становится реальной угроза гипоксии и печень может погибнуть. Чтобы этого не произошло, происходит сброс НАД * Н₂ с митохондриальной дыхательной цепи на микросомальную.