Образующийся в ПВК-дегидрогеназной реакции ацетил-SКоА далее вступает в цикл трикарбоновых кислот (ЦТК, цикл лимонной кислоты, цикл Кребса). Кроме пирувата, в цикл вовлекаются кетокислоты, поступающие из катаболизма аминокислот или каких-либо иных веществ.
Цикл трикарбоновых кислот
Цикл протекает в матриксе митохондрий и представляет собой окисление молекулы ацетил-SКоА в восьми последовательных реакциях.
В первой реакции связываются ацетил и оксалоацетат (щавелевоуксусная кислота) с образованием цитрата (лимонной кислоты), далее происходит изомеризация лимонной кислоты до изоцитрата и две реакции дегидрирования с сопутствующим выделением СО2 и восстановлением НАД.
В пятой реакции образуется ГТФ, это реакция субстратного фосфорилирования. Далее последовательно происходит ФАД-зависимое дегидрирование сукцината (янтарной кислоты), гидратация фумаровой кислоты до малата (яблочная кислота), далее НАД-зависимое дегидрирование с образованием оксалоацетата.
В итоге после восьми реакций цикла вновь образуется оксалоацетат.
Последние три реакции составляют так называемый биохимический мотив (ФАД-зависимое дегидрирование, гидратация и НАД-зависимое дегидрирование, он используется для введения кетогруппы в структуру сукцината. Этот мотив также присутствует в реакциях β-окисления жирных кислот. В обратной последовательности (восстановление, дегидратация и восстановление) этот мотив наблюдается в реакциях синтеза жирных кислот. 
Реакции цикла трикарбоновых кислот
Функции ЦТК
1. Энергетическая
- генерация атомов водорода для работы дыхательной цепи, а именно трех молекул НАДН и одной молекулы ФАДН2,
- синтез одной молекулы ГТФ (эквивалентна АТФ).
2. Анаболическая. В ЦТК образуются
Регуляция цикла трикарбоновых кислот
Аллостерическая регуляция
Ферменты, катализирующие 1-ю, 3-ю и 4-ю реакции ЦТК, являются чувствительными к аллостерической регуляции метаболитами:
| Ингибиторы | Активаторы | |
| Цитратсинтаза | АТФ, цитрат, НАДН, ацил-SКоА | |
| Изоцитрат-дегидрогеназа | АТФ, НАДН | АМФ, АДФ |
| α-Кетоглутарат-дегидрогеназа | Сукцинил-SКоА, НАДН |
Регуляция доступностью оксалоацетата
Главным и основным регулятором ЦТК является оксалоацетат, а точнее его доступность. Наличие оксалоацетата вовлекает в ЦТК ацетил-SКоА и запускает процесс.
Обычно в клетке имеется баланс между образованием ацетил-SКоА (из глюкозы, жирных кислот или аминокислот) и количеством оксалоацетата. Источником оксалоацетата являются
1) Пировиноградная кислота, образуемая из глюкозы или аланина,
Регуляция активности фермента пируваткарбоксилазы осуществляется при участии ацетил-SКоА. Он является аллостерическим активатором фермента, и без него пируваткарбоксилаза практически неактивна. Когда ацетил-SКоА накапливается, то фермент начинает работать и образуется оксалоацетат, но, естественно, только при наличии пирувата.
2) Получение из аспарагиновой кислоты в результате трансаминирования или из цикла АМФ-ИМФ,
3) Поступление из фруктовых кислот самого цикла (янтарной, α-кетоглутаровой, яблочной, лимонной), образуемых при катаболизме аминокислот или в других процессах. Большинство аминокислот при своем катаболизме способны превращаться в метаболиты ЦТК, которые далее идут в оксалоацетат, чем также поддерживается активность цикла.
Пополнение пула метаболитов ЦТК из аминокислот
Роль оксалоацетата в метаболизме
Примером существенной роли оксалоацетата служит активация синтеза кетоновых тел и кетоацидоз плазмы крови при недостаточном количестве оксалоацетата в печени.
Такое состояние наблюдается при декомпенсации инсулинзависимого сахарного диабета (СД 1 типа) и при длительном голодании. При указанных нарушениях в печени активирован процесс глюконеогенеза, т.е. образования глюкозы из оксалоацетата и других метаболитов, что влечет за собой снижение количества оксалоацетата.
Одновременная активация окисления жирных кислот и накопление ацетил-SКоА запускает резервный путь утилизации ацетильной группы – синтез кетоновых тел.
В организме при этом развивается закисление крови (кетоацидоз) с характерной клинической картиной: слабость, головная боль, сонливость, снижение мышечного тонуса, температуры тела и артериального давления.
Изменение скорости реакций ЦТК и причины накопления кетоновых тел при некоторых состояниях
Описанный способ регуляции при участии оксалоацетата является иллюстрацией к красивой формулировке “Жиры сгорают в пламени углеводов”. В ней подразумевается, что “пламень сгорания” глюкозы приводит к появлению пирувата, а пируват превращается не только в ацетил-SКоА, но и в оксалоацетат. Наличие оксалоацетата гарантирует включение ацетильной группы, образуемой из жирных кислот в виде ацетил-SКоА, в первую реакцию ЦТК. В случае масштабного “сгорания” жирных кислот, которое наблюдается в мышцах при физической работе и в печени при голодании, скорость поступления ацетил-SКоА в реакции ЦТК будет напрямую зависеть от количества оксалоацетата (или окисленной глюкозы). Если количество оксалоацетата в гепатоците недостаточно (нет глюкозы или она не окисляется до пирувата), то ацетильная группа будет уходить на синтез кетоновых тел. Такое происходит при длительном голодании и сахарном диабете 1 типа.
Цикл Кребса простым языком
Представьте себе, что все белки, жиры и углеводы, которые мы получаем с приемом пищи, распадаются на маленькие пазлы, которые собираются вновь только в одном определенном участке нашего организма – митохондриях. Там же происходит сортировка и параллельное протекание реакций созидания и разрушения. Разберемся подробнее:
Что такое цикл Кребса
Цикл Кребса – это цепочка химических реакций, происходящих в митохондриях каждой клетки нашего тела, которая называется циклом потому, что продолжается непрерывно.
Она же является и общим конечным путем окисления ацетильных групп (в виде ацетил-КоА), в которые превращается в процессе распада большая часть органических молекул, играющих роль «клеточного топлива» или «субстратов окисления»: углеводов, жирных кислот и аминокислот.
Функции цикла Кребса:
- анаболическая (синтез новых органических веществ);
- энергетическая (питание организма)
- катаболическая (превращение некоторых веществ в катализаторы)
- транспортная (транспортировка водорода, участвующего в дыхании клеток).
Атомы водорода, высвобождающиеся в окислительно-восстановительных реакциях, доставляются в цепь переноса электронов при участии НАД- и ФАД- зависимых дегидрогеназ, в результате чего происходит образование 12 высокоэнергетических фосфатных связей: синтез 12 молекул аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) из аденозиндифосфорной кислоты (АДФ).
Как работает цикл Кребса?
В организме аминокислоты, жирные кислоты и пируват образуют ацетил-КоА.
Когда ацетил-КоА попадает в митохондриальный матрикс, он связывается с молекулой оксалацетата и превращается в лимонную кислоту (цитрат). Цитрат, в свою очередь, под действием фермента аконитазы превращается в цис-аконитат, оставляя молекулу воды.
В свою очередь цис-аконитат превращается в изоцитрат под действием фермента изоцитратдегидрогеназы. Изоцитрат превращается в альфа-кетоглутарат под действием изоцитратдегидрогеназы.
Альфа-кетоглутарат превращается в сукцинил-КоА альфа-кетоглутаратдегидрогеназой и добавлением ацетил-КоА. Он подвергается сукцинату под действием сукцинат-тиокиназы.
Сукцинатдегидрогеназа превращает его в фумарат. Фумарат превращается в L-малат через фумаразу.
L-малат под действием фермента малатдегидрогеназы восстанавливает оксалацетат, который может снова вступать в реакцию с молекулой ацетил-КоА и повторять цикл.
Результатом этого цикла является образование CO2 и водорода, а также воды. Ионы на выходе из процесса участвуют в ресинтезе АТФ, что помогает организму восстановить еще один источник энергии – трифосфат аденозина.
Стадии цикла Кребса
Окисление ацетильного остатка происходит в несколько стадий, образующих циклический процесс из 8 основных этапов:
| Основные этапы цикла Кребса | |
| I этап | Конденсация ацетил-КоА и оксалоацетата с образованием цитрата. |
|
|
| II этап | Превращение цитрата в изоцитрат. |
| Дегидрирование (отщепление молекул воды) от цитрата, в результате которого получается цис-аконитат. И присоединяя молекулу воды, переходит в изолимонную кислоту (изоцитрат) | |
| III этап | Превращение изоцитрата в а-кетоглутарат. |
| Изолимонная кислота(изоцитрат) дегидрируется в присутствии НАД- зависимой изо-цитратдегидрогеназы.На выходе получаем альфа-кетоглутарат. *Альфа-кетоглутарат участвует в регуляции всасывания аминокислот, нормализует метаболизм и положительно влияет на антистрессорные процессы. Также образуется NADH (аллостерический фермент) | |
| IV этап | Окисление α-кетоглутарата до сукцинил-КоА |
| Окислительное декарбоксилирование а-кетоглутарата с образованием сукцинил-КоА – тиоэфира, содержащего высокоэнергетическую фосфатную связь. | |
| V этап | Превращение сукцинил-КоА в сукцинат. |
| Пятая реакция катализируется ферментом сукцинил-КоА-синтетазой. В ходе этой реакции сукцинил-КоА при участии ГТФ и неорганического фосфата превращается в янтарную кислоту (сукцинат). Так же происходит образование высокоэргической фосфатной связи ГТФ за счет тиоэфирной связи сукцинил-КоА. | |
| VI этап | Дегидрогенирование сукцината. Образование фумарата. |
| Образовавшийся сукцинат превращается в фумарат под действием фермента сукцинат-дегидрогеназы. Единственная дегидрогеназная реакция цикла Кребса, в ходе которой осуществляется прямой перенос водорода с субстрата на флавопротеин без участия НАД+. | |
| VII этап | Образование малата из фумарата. |
| Под влиянием фермента фумаратгидратазы (фумаразы). Образовавшаяся при этом фумаровая кислота гидратируется, продуктом реакции является L-яблочная кислота (L-малат). | |
| VIII этап | Превращение малата в оксалоацетат. |
| Под влиянием митохондриальной НАД-зависимой малатдегидрогеназы происходит окисление L-малата в оксалоацетат. Происходит полное «сгорание» одной молекулы ацетил-КоА. Для непрерывной работы цикла необходимо постоянное поступление в систему ацетил-КоА. А коферменты (НАД+ и ФАД), перешедшие в восстановленное состояние, должны снова и снова окисляться. |
Реакции цикла Кребса по стадиям
Для облегчения запоминания ферментативных реакций цикла:
ЩУКа съела ацетат, получается цитрат через цис-аконитат будет он изоцитрат водороды отдав НАД, он теряет СО2 этому безмерно рад альфа-кетоглутарат окисление грядёт: НАД похитит водород В1 и липоат с коэнзимом А спешат, отбирают СО2, а энергия едва в сукциниле появилась сразу ГТФ родилась и остался сукцинат. вот добрался он до ФАДа, водороды тому надо водороды потеряв, стал он просто фумарат. фумарат воды напился, и в малат он превратился тут к малату НАД пришёл, водороды приобрёл ЩУКа снова объявилась и тихонько затаилась Караулить ацетат…
Цикл Кребса – определение, продукты и местоположение
Цикл Кребса, также называемый циклом лимонной кислоты, является вторым важным шагом в окислительного фосфорилирования, После того, как гликолиз расщепляет глюкозу на более мелкие 3-углеродные молекулы, цикл Кребса передает энергию от этих молекул электронным носителям, которые будут использоваться в цепь переноса электронов производить АТФ.
Большинство организмов используют глюкозу в качестве основного источника топлива, но должны расщеплять эту глюкозу и накапливать энергию в ATP и другие молекулы. Цикл Кребса содержится в митохондрии, В митохондриальной матрице реакции цикла Кребса добавляют электроны и протоны к ряду электронных носителей, которые затем используются цепь переноса электронов производить АТФ.
Цикл Кребса начинается с продуктов гликолиза, которые представляют собой две трехуглеродные молекулы, известные как пируват, Эта молекула является кислым, поэтому цикл Кребса также называют циклом трикарбоновых кислот (ТСА).
В течение ряда реакций эти молекулы далее распадаются на углекислый газ.
Энергия от молекул передается другим молекулам, называемым электронные носители, Эти молекулы переносят накопленную энергию к цепи переноса электронов, которая, в свою очередь, создает АТФ.
Затем клетка использует этот АТФ для питания различных клеточных реакций, таких как активация ферментов или транспортных белков. Цикл Кребса является вторым из 4 различных процессов, которые должны произойти, чтобы извлечь энергию из глюкозы. Всего цикл Кребса состоит из 9 последовательных реакций.
Первый шаг использования глюкозы, гликолиз, производит несколько АТФ, а также молекулы, которые будут обрабатываться с циклом Кребса.
Во время гликолиза одна молекула глюкозы расщепляется на две более мелкие трехуглеродные молекулы, называемые пируват, Затем пируват превращается в ацетил-КоА.
Ацетил-КоА затем используется в цикле Кребса для производства нескольких основных продуктов. В свою очередь, эти продукты приводят к образованию АТФ, основного источника энергии клетки.
Перед первыми стадиями цикла Кребса пируват превращается в ацетил-КоА. В ходе этого процесса образуются одна молекула CO2 и одна молекула электронного носителя NADH. Цикл Кребса включает превращение этого ацетил-КоА в диоксид углерода. Во время шагов цикла высвобождаются две молекулы CO2, в дополнение к еще 3 молекулам NADH, одной из FADH2 и одной из GTP.
Таким образом, на каждую добавленную 1 молекулу пирувата цикл Кребса будет производить:
- 2 молекулы СО2
- 3 молекулы НАДН
- 1 молекула FADH2
- 1 молекула GTP
Молекула глюкозы содержит 2 молекулы пирувата, поэтому 1 молекула глюкозы будет производить вдвое больше продуктов, перечисленных выше, по мере того, как она проходит через цикл Кребса.
Эти продукты будут преобразованы в АТФ на более поздних этапах аэробного дыхания, Углекислый газ является единственным «отходным» продуктом и должен быть удален из камеры. Крупные организмы должны удалять углекислый газ из всех своих клеток.
У этих животных углекислый газ обычно обменивается в жабрах или легких на кислород, который помогает вести последние стадии аэробного дыхания.
Цикл Кребса происходит только в пределах митохондриальная матрица, Пируват образуется в цитозоль ячейки, затем импортируется в митохондрии, Здесь он превращается в ацетил-КоА и импортируется в митохондриальный матрикс. Митохондриальный матрикс является самой внутренней частью митохондрий. На рисунке ниже показаны различные части митохондрий.
Митохондриальный матрикс имеет необходимые ферменты и среду для проведения сложных реакций цикла Кребса.
Кроме того, продукты цикла Кребса приводят в движение цепь переноса электронов и окислительное фосфорилирование, которые происходят во внутренней митохондриальной мембране.
Электронные носители будут сбрасывать свои электроны и протоны в цепь, что в конечном итоге приводит к образованию АТФ. Затем эта молекула экспортируется из митохондрий в качестве основного источника энергии для клетки.
Митохондрии встречаются практически во всех организмах, особенно многоклеточный организмы. Растения, животные и грибы все используют цикл Кребса как неотъемлемую часть аэробного дыхания.
Цикл Кребса имеет 9 основных реакций, которые происходят быстро подряд. Изображение ниже показывает эти реакции.
Обратите внимание, что цитрат является первой молекулой, созданной после добавления ацетил-КоА. Вот почему цикл Кребса также известен как цикл лимонной кислоты.
Продукты цикла на изображении выше.
Этот процесс известен как «цикл», потому что он всегда заканчивается оксалоацетатом, который можно комбинировать с новым ацетил-КоА для получения новой молекулы цитрата для каждого цикла.
Цикл Кребса, вероятно, является наиболее важной частью процесса аэробного дыхания, поскольку он управляет образованием электронных носителей. Эти носители важны. Они несут энергию, используемую для создания большого количества молекул АТФ на последних этапах аэробного дыхания.
Произведенные электронные носители (NADH и FADH2) не могут обеспечить энергию для клеточного процесса напрямую.
Вместо этого процессы цепь переноса электронов и окислительное фосфорилирование будет использовать энергию этих молекул для активации комплекса ферментов АТФ-синтаза, который производит АТФ.
Цикл Кребса – кратко и понятно суть, схема и реакции
Время на чтение: 10 минут
История изучения
Биологическая роль некоторых реакций цикла Кребса (ЦК) была изучена американским биохимиком венгерского происхождения Альбертом Сент-Дьердьи. В частности, он выделил ключевой компонент ЦТК — фумарат. Исследования в этом направлении продолжил Ганс Кребс.
В итоге он установил всю последовательность реакций и соединений, образующиеся на всех этапах процесса. Ученый не смог определить, с преобразования какой кислоты начинается цикл — лимонной или изолимонной. Сейчас известно, что это лимонная кислота.
Поэтому ЦК называют также цитратным или циклом лимонной кислоты.
Позднее американец Альберт Ленинджер, занимающийся биоэнергетикой, определил, что все реакции ЦК протекают в митохондриях клеток. С получением доступа к изотопам углерода появилась возможность более досконального изучения и уточнения данных о промежуточных соединениях на разных этапах цикла.
С пищей в организм поступают три основные группы сложных биохимических соединений — белки, жиры и углеводы. Они являются первичными метаболитами, потому что участвуют в обмене веществ или в метаболизме.
Этот процесс происходит между любыми живыми клетками и окружающей средой непрерывно. Суть цикла Кребса заключается в том, что он является областью схождения двух путей метаболизма.
Это следующие процессы:
- катаболизм, при котором происходит распад более сложных веществ на простые, в частности, глюкозы на моносахариды;
- анаболизм — синтез сложных веществ из простых, например, белков из аминокислот.
После попадания в пищеварительную систему сложные вещества расщепляются под действием ферментов на более простые, которые внутри клеток превращаются сначала в пируват (пировиноградную кислоту), а затем — в ацетильный остаток. Все эти преобразования можно назвать подготовкой к ЦК, а образование остатка — его запуском или начальным этапом.
Дальнейшие стадии цикла трикарбоновых кислот являются частью катаболизма. Процесс идет каскадно. Каждый предыдущий этап запускает последующий, а промежуточные продукты химических реакций служат не только для продолжения цикла, но и при определенных потребностях организма могут пополнять запасы веществ, необходимых для синтеза новых соединений (анаболизма).
Клеточное дыхание
Для нормальной жизнедеятельности живым клеткам постоянно требуется энергия. Ее главный универсальный источник — аденозинтрифосфат (АТФ), способный встраиваться в белки организма напрямую. Это соединение получается в результате ряда реакций окисления, носящих общее название «клеточное дыхание». При этом происходит постепенный распад органических веществ вплоть до простейших неорганических — углекислого газа CO2 и воды H2O.
Структурное строение молекул АТФ содержит фосфорангидридные связи, которые имеют свойство накапливать высвобожденную при прохождении реакций клеточного дыхания энергию, поэтому называются макроэргическими.
Так создаются энергетические запасы клеток, которые могут высвобождается при необходимости разрывом этих связей.
Процесс синтеза АТФ и класса вспомогательных соединений включает три этапа:
- Гликолиз происходит в цитоплазме.
- В матриксе митохондрий проходят все химические реакции цикла Кребса.
- Окислительное фосфорилирование на внутренней мембране митохондрий.
Преобразование аденозиндифосфата (АДФ) в АТФ характерно для всех этапов. Но наибольшее суммарное количество молекул с макроэргическими связями образуется при фосфорилировании. Это не значит, что процессы гликолиза и ЦК менее важны. Многие соединения, образующиеся во время их протекания, участвуют в регуляции клеточного дыхания.
Описание процесса
Протекание ЦК достаточно экономно с точки зрения энергозатрат. Такой эффект достигается благодаря тому, что он связывает два метаболических направления. В процесс вовлекаются вещества, подлежащие утилизации, которые либо служат энергетическим «топливом», либо возвращаются в круг анаболизма. Подготовительная стадия ЦК заключается в распаде глюкозы, аминокислот и жирных кислот на молекулы пирувата или лактата.
Органеллы митохондрий способны преобразовывать пируват в ацетильный остаток (ацетил-коэнзим А или ацетил-КоА), представляющий собой вместе с тиольной группой, которая может его переносить, кофермент А. Некоторое соединения могут сразу распадаться до ацетил-КоА, минуя стадию пирувата. При этом пировиноградная кислота может вовлекаться непосредственно в ЦК, не преобразуясь в ацетил-КоА.
Начальные этапы
Первая стадия необратима и состоит из конденсации ацетил-КоА с четырехуглеродным веществом — оксалоацетатом (щавелевоуксусной кислотой или ЩУК), что приводит к образованию шестиуглеродного цитрата (лимонной кислоты). Во время реакции метильная группа ацетил-КоА соединяется с карбонильной группой ЩУК. Благодаря быстрому гидролизу промежуточного соединения цитроил-КоА этот этап проходит без затрат энергии извне.
На второй стадии образуется изоцитрат (изолимонная кислота) из цитрата через цис-аконитат. Это реакция обратимой изомеризации через образование промежуточной трикарбоновой кислоты, в которой катализатором выступает фермент аконитатгидратаза.
Далее происходит дегидрирование и декарбоксилирование изоцитрата до промежуточного соединения оксалосукцинат с выделением углекислого газа.
После декарбоксилирования оксалосукцината образуется енольное соединение, которое перестраивается и превращается в пятиуглеродную кислоту — α-кетоглутарат (оксоглутарата), чем и завершает третью ступень ЦК.
Четвертый этап — α-кетоглутарат декарбоксилирует и реагирует с ацетил-КоА. При этом получается сукцинил-КоА, соединение янтарной кислоты и коэнзима-А, выделяется СО2.
Замыкание цикла
На пятой стадии сукцинил-КоА преобразуется в сукцинат (янтарную кислоту). Для этого этапа характерно субстратное фосфолирование, подобное синтезу АТФ при гликолизе. Введение в ЦК фосфорной группы РО3 становится возможным благодаря присутствию фермента ГДФ (гуанозиндифосфата) или АДФ (аденозиндифосфата), которые в процессе синтеза сукцината из дифосфатов становятся трифосфатами.
Начиная с шестой стадии, цикл начинает постепенно замыкаться. Сначала сукцинат под действием каталитического фермента сукцинатдегидрогеназы дегидрирует до фумарата. Дальнейшее дигидрирование приводит к седьмому этапу — образованию L-малата (яблочной кислоты) из фуратата через переходное соединение с карбанионом.
Последняя реакция цикла трикарбоновых кислот малат окисляется до щавелевоуксусной кислоты. Первая стадия следующего ЦК начинается с новой молекулы ацетил-КоА.
Значение и функции
Этот восьмиэтапный циклический процесс, итогом которого является окисление ацетильного остатка до углекислого газа, может показаться излишне сложным. Тем не менее, он имеет огромное значение в метаболизме промежуточных реакций и выполняет ряд функций. К ним относятся:
- энергетическая;
- анаболическая;
- катаболическая;
- транспортная.
Цикл Кребса участвуют в катаболизме жиров и углеводов.
Соединения, образующиеся на разных стадиях процесса, участвуют в синтезе многих необходимых для организма веществ — глутамина, порфиринов, глицина, фенилаланина, цистеина и других.
Когда промежуточные продукты покидают ЦК для участия в синтезе, происходит их замещение с помощью так называемых анаплеротических реакций, которые катализируются регуляторными ферментами, например, пируваткарбоксилазой.
Транспортная функция ЦК заключается в содействии гликолизу.
Глюкозу невозможно превратить сразу в АТФ, поэтому механизм гликолиза действует поэтапно и сопровождается постоянным перемещением атомов и катионов водорода от одних соединений к другим.
Для их транспортировки нужны специальные соединения, которые получаются на одной из стадий ЦТК. Участвующие в гликолизе коферменты цикла Кребса:
- НАД*H+(Никотинамидадениндинуклеотид с катионом водорода). Образуется на III стадии ЦК.
- ФАД*H2 (Флавинадениндинуклеотид с молекулой водорода). Появляется на V стадии ЦК.
Реакции ЦК имеют и большое клиническое значение. Хотя для людей не свойственны мутации, связанные с генами ферментов, участвующих в цикле, однако их редкие проявления губительны для здоровья. Они могут приводить к опухолям мышц и почек, нарушениям работы нервной системы.
Существует множество видов визуального и слухового отображения цикла Кребса — схемы с формулами, уравнения химических реакций, разнообразные таблицы и даже мнемонические способы для полного запоминания его главных «участников».
Значение цикла Кребса — кратко и просто
Привет! Скоро лето, а значит, все второкурсники медвузов будут сдавать биохимию. Сложный предмет, на самом деле. Чтобы немного помочь тем, кто повторяет материал к экзаменам, я решил сделать статью, в которой расскажу вам о «золотом кольце» биохимии — цикле Кребса. Его также называют цикл трикарбоновых кислот и цикл лимонной кислоты, это всё синонимы.
Сами реакции я распишу в следующей статье. Сейчас же я расскажу о том, для чего нужен цикл Кребса, где он проходит и в чём его особенности. Надеюсь, получится понятно и доступно.
Для начала давайте разберём что такое обмен веществ. Это основа, без которой понимание Цикла Кребса невозможно.
Метаболизм
Одно из важнейших свойств живого (вспоминаем биологию) — это обмен веществ с окружающей средой. Действительно, только живое существо может что-то поглощать из окружающей среды, и что-то потом в неё выделять.
В биохимии обмен веществ принято называть «метаболизм». Обмен веществ, обмен энергией с окружающей средой — это метаболизм.
Когда мы, допустим, съели бутерброд с курицей, мы получили белки (курица) и углеводы (хлеб). В процессе пищеварения белки распадутся до аминокислот, а углеводы — до моносахаров. То, что я описал сейчас, называется катаболизм, то есть распад сложных веществ на более простые. Первая часть метаболизма — это катаболизм.
Ещё один пример. Ткани в нашем организме постоянно обновляются. Когда отмирает старая ткань, её обломки растаскивают макрофаги, и они заменяется новой тканью. Новая ткань создаётся в процессе синтеза белка из аминокислот. Синтез белка происходит в рибосомах. Создание нового белка (сложного вещества) из аминокислот (простого вещества) — это анаболизм.
Итак, анаболизм — это противоположность катаболизму. Катаболизм — это разрушение веществ, анаболизм — это создание веществ. Кстати, чтобы их не путать, запомните ассоциацию: «Анаболики. Кровью и потом». Это голливудский фильм (довольно скучный, на мой взгляд) о спортсменах, применяющих анаболики для роста мышц. Анаболики — рост, синтез. Катаболизм — обратный процесс.
Точка пересечения распада и синтеза
Цикл Кребса как ступень катаболизма
Как связаны метаболизм и цикл Кребса? Дело в том, что именно цикл Кребса является одной из важнейших точек, в которой сходятся пути анаболизма и катаболизма. Именно в этом и заключается его значение.
Давайте разберём это на схемках. Катаболизм можно условно представить как расщепление белков, жиров и углеводов в нашей пищеварительной системе. Итак, мы скушали пищу из белков, жиров, и углеводов, что дальше?
А дальше все эти вещества распадутся на простые составляющие:
- Жиры — на глицерин и жирные кислоты (могут быть и другие компоненты, я решил взять самый простой пример);
- Белки — на аминокислоты;
- Полисахаридные молекулы углеводов — на одинокие моносахариды.
Далее, в цитоплазме клетки, последует превращение этих простых веществ в пировиноградную кислоту (она же — пируват). Из цитоплазмы пировиноградная кислота попадёт в митохондрию, где превратится в ацетил коэнзим А. Пожалуйста, запомните эти два вещества — пируват и ацетил КоА, они очень важны.
Давайте теперь посмотрим, как происходит этап, который мы сейчас расписали:
Важная деталь: аминокислоты могут превращаться в ацетил КоА сразу, минуя стадию пировиноградной кислоты. Жирные кислоты сразу превращаются в ацетил КоА. Учтём это и подредактируем нашу схемку, чтобы получилось правильно:
Превращения простых веществ в пируват происходят в цитоплазме клеток. После этого пируват поступает в митохондрии, где успешно превращается в ацетил КоА.
Для чего пируват превращается в ацетил КоА? Именно для того, чтобы запустить наш цикл Кребса. Таким образом, мы можем сделать ещё одну надпись в схеме, и получится правильная последовательность:
В результате реакций цикла Кребса образуются важные для жизнедеятельности вещества, главные из которых:
- НАДH (НикотинАмидАденинДиНуклеотид+ катион водорода) и ФАДH2 (ФлавинАденинДиНуклеотид+молекула водорода). Я специально выделил заглавными буквами составные части терминов, чтобы легче было читать, в норме их пишут одним словом. НАДH и ФАДH2 выделяются в ходе цикла Кребса, чтобы потом принять участие в переносе электронов в дыхательную цепь клетки. Иными словами, эти два вещества играют важнейшую роль в клеточном дыхании.
- АТФ, то есть аденозинтрифосфат. Это вещество имеет две связи, разрыв которых даёт большое количество энергии. Этой энергией снабжаются многие жизненно важные реакции;
Также выделяются вода и углекислый газ. Давайте отразим это на нашей схеме:
Кстати, весь цикл Кребса происходит в митохондриях. Именно там, где проходит и подготовительный этап, то есть превращение пирувата в ацетил КоА. Не зря кстати митохондрии называют «энергетическая станция клетки».
Цикл Кребса как начало синтеза
Цикл Кребса удивителен тем, что он не только даёт нам ценные АТФ (энергию) и коферменты для клеточного дыхания. Если посмотрите на предыдущую схему, вы поймёте, что цикл Кребса — это продолжение процессов катаболизма. Но вместе с тем он является и первой ступенькой анаболизма. Как это возможно? Как один и тот же цикл может и разрушать, и создавать?
Оказывается, отдельные продукты реакций цикла Кребса могут частично отправляться на синтез новых сложных веществ в зависимости от потребностей организма. Например, на глюконеогенез — это синтез глюкозы из простых веществ, не являющихся углеводами.
Ещё раз:
- Реакции цикла Кребса каскадны. Они происходят одна за другой, и каждая предыдущая реакция запускает последующую;
- Продукты реакций цикла Кребса частично идут на запуск последующей реакции, а частично — на синтез новых сложных веществ.
Давайте попробуем отразить это на схеме, чтобы цикл Кребса был обозначен именно как точка пересечения распада и синтеза.
Голубыми стрелочками я отметил пути анаболизма, то есть создания новых веществ. Как видите, цикл Кребса действительно является точкой пересечения многих процессов и разрушения, и созидания.
Самое важное
- Цикл Кребса — перекрёстная точка метаболических путей. Им заканчивается катаболизм (распад), им начинается анаболизм (синтез);
- Продукты реакций Цикла Кребса частично идут для запуска следующей реакции цикла, а частично отправляются на создание новых сложных веществ;
- Цикл Кребса образует коферменты НАДH и ФАДН2, которые переносят электроны для клеточного дыхания, а также энергию в виде АТФ;
- Цикл Кребса происходит в митохондриях клеток.
Цикл трикарбоновых кислот – это… Что такое Цикл трикарбоновых кислот?
Цикл трикарбоновых кислот
Ци́кл трикарбо́новых кисло́т (цикл Кре́бса, цитра́тный цикл) — центральная часть общего пути катаболизма, циклический биохимический аэробный процесс, в ходе которого происходит превращение двух- и трёхуглеродных соединений, образующихся как промежуточные продукты в живых организмах при распаде углеводов, жиров и белков, до CO2. При этом освобождённый водород направляется в цепь тканевого дыхания, где в дальнейшем окисляется до воды, принимая непосредственное участие в синтезе универсального источника энергии — АТФ.
Цикл Кребса — это ключевой этап дыхания всех клеток, использующих кислород, центр пересечения множества метаболических путей в организме.
Кроме значительной энергетической роли циклу отводится также и существенная пластическая функция, то есть это важный источник молекул-предшественников, из которых в ходе других биохимических превращений синтезируются такие важные для жизнедеятельности клетки соединения как аминокислоты, углеводы, жирные кислоты и др.
Цикл превращения лимонной кислоты в живых клетках был открыт и изучен немецким биохимиком Хансом Кребсом, за эту работу он (совместно с Ф. Липманом) был удостоен Нобелевской премии (1953 год).
У эукариот все реакции цикла Кребса протекают внутри митохондрий, причём катализирующие их ферменты, кроме одного, находятся в свободном состоянии в митохондриальном матриксе, исключение составляет сукцинатдегидрогеназа, которая локализуется на внутренней митохондриальной мембране, встраиваясь в липидный бислой. У прокариот реакции цикла протекают в цитоплазме.
Стадии цикла Кребса
| 1 | Оксалоацетат + Ацетил-CoA + H2O |
Цитрат + CoA-SH |
Цитратсинтаза | Альдольная конденсация | лимитирующая стадия, превращает C4 оксалоацетат в С6 |
| 2 | Цитрат | цис-аконитат + H2O |
аконитаза | Дегидратация | обратимая изомеризация |
| 3 | цис-аконитат + H2O |
изоцитрат | гидратация | ||
| 4 | Изоцитрат + NAD+ |
Оксалосукцинат + NADH + H + |
изоцитратдегидрогеназа декарбоксилирующая | Окисление | образуется NADH (эквивалент 2.5 ATP) |
| 5 | Оксалосукцинат | α-кетоглутарат + CO2 |
декарбоксилирование | необратимая стадия, образуется C5 |
|
| 6 | α-кетоглутарат + NAD+ + CoA-SH |
сукцинил-CoA + NADH + H+ + CO2 |
альфакетоглутаратдегидрогеназный комплекс (3 фермента) | Окислительное декарбоксилирование | образуется NADH (эквивалентно 2.5 АТФ), регенерация C4 цепи (освобождается CoA-SH) |
| 7 | сукцинил-CoA + GDP + Pi |
сукцинат + CoA-SH + GTP |
сукцинилкофермент А синтетаза | субстратное фосфорилирование | АДФ->ATP,[1] образуется 1 ATP (или 1 GTF) |
| 8 | сукцинат + убихинон (Q) |
фумарат + убихинол (QH2) |
сукцинатдегидрогеназа | Окисление | используется FAD как простетическая группа (FAD->FADH2 на первой стадии реакции) в ферменте,[2] образуется эквивалент 1.5 ATP |
| 9 | фумарат + H2O |
L-малат | фумараза | H2O-присоединение (гидратация) |
|
| 10 | L-малат + NAD+ |
оксалоацетат + NADH + H+ |
малатдегидрогеназа | окисление | образуется NADH (эквивалентно 2.5 ATP) |
Общее уравнение одного оборота цикла Кребса:
Ацетил-КоА → 2CO2 + КоА + 8e−
Регуляция цикла
Цикл Кребса регулируется «по механизму отрицательной обратной связи», при наличии большого количества субстратов (ацетил-КоА, оксалоацетат), цикл активно работает, а при избытке продуктов реакции (NADH, ATP) тормозится.
Регуляция осуществляется и при помощи гормонов, основным источником ацетил-КоА является глюкоза, поэтому гормоны, способствующие аэробному распаду глюкозы, способствуют работе цикла Кребса. Такими гормонами являются: инсулин и адреналин.
Глюкагон стимулирует синтез глюкозы и ингибирует реакции цикла Кребса.
Как правило работа цикла Кребса не прерывается за счёт анаплеротических реакций, которые пополняют цикл субстратами: Пируват + СО2 + АТФ = Оксалоацетат (субстрат Цикла Кребса) + АДФ + Фн.
Функции
- Интегративная функция — цикл является связующим звеном между реакциями анаболизма и катаболизма.
- Катаболическая функция — превращение различных веществ в субстраты цикла:
- Жирные кислоты, пируват,Лей,Фен — Ацетил-КоА.
- Арг, Гис, Глу — α-кетоглутарат.
- Фен, тир — фумарат.
- Анаболическая функция — использование субстратов цикла на синтез органических веществ:
- Оксалацетат — глюкоза, Асп, Асн.
- Сукцинил-КоА — синтез гема.
- CО2 — реакции карбоксилирования.
- Водорододонорная функция — цикл Кребса поставляет на дыхательную цепь митохондрий протоны в виде трех НАДН.Н+ и одного ФАДН2.
- Энергетическая функция — 3 НАДН.Н+ дает 7.5 моль АТФ, 1 ФАДН2 дает 1.5 моль АТФ на дыхательной цепи.
Кроме того в цикле путем субстратного фосфорилирования синтезируется 1 ГТФ, а затем из него синтезируется АТФ посредствам трансфосфорилирования: ГТФ + АДФ = АТФ + ГДФ.
Мнемонические правила
Для более легкого запоминания кислот, участвующих в цикле Кребса, существует мнемоническое правило:
Целый Ананас И Кусочек Суфле Сегодня Фактически Мой Обед, что соответствует ряду — цитрат, (цис-)аконитат, изоцитрат, (альфа-)кетоглутарат, сукцинил-CoA, сукцинат, фумарат, малат, оксалоацетат.
Существует также следующее мнемоническое стихотворение (его автором является ассистент кафедры биохимии КГМУ Е. В. Паршкова[3]):
Щуку ацетил лимонил,
Но нарцисса конь боялся,
Он над ним изолимонно
Альфа-кетоглутарался.
Сукцинился коэнзимом,
Янтарился фумарово,
Яблочек припас на зиму,
Обернулся щукой снова.
(щавелевоуксусная кислота, лимонная кислота, цис-аконитовая кислота, изолимонная кислота, α-кетоглутаровая кислота, сукцинил-KoA, янтарная кислота, фумаровая кислота, яблочная кислота, щавелевоуксусная кислота).
Другой вариант стихотворения
ЩУКа съела ацетат, получается цитрат
через цис-аконитат будет он изоцитрат
водороды отдав НАД, он теряет СО2
этому безмерно рад альфа-кетоглутарат
окисление грядет — НАД похитил водород
ТДФ, коэнзимА забирают СО2
а энергия едва в сукциниле появилась
сразу ГТФ родилась и остался сукцинат
вот добрался он до ФАДа — водороды тому надо
фумарат воды напился, и в малат он превратился
тут к малату НАД пришел, водороды приобрел
ЩУКа снова объявилась и тихонько затаилась
Караулить ацетат…
Примечания
- Цикл трикарбоновых кислот (англ.)
Загрузка...
