Цикл кребса последовательность реакций. Что такое цикл Кребса? Пополнение пула метаболитов ЦТК из аминокислот

Цикл лимонной кислоты (цикл трикарбоновых кислот – ЦТК, цикл Кребса) представляет собой серию реакций, протекающих в митохондриях, в ходе которых осуществляется катаболизм ацетильных групп и высвобождение восстановительных эквивалентов; при окислении последних в ЭТЦ поставляется свободная энергия, кумулируемая в АТФ. Цикл запускается оксалоацетатом, который синтезируется из ПВК под действием пируваткарбоксилазы.

Молекула ацетил-КоА, полученная в окислительном декарбоксилировании ПВК и β-окислении ВЖК, взаимодействует с ОА; в результате генерируется 6-тиуглеродная трикарбоновая кислота — лимонная (цитрат) (Рис. 3.8). Далее в серии реакций происходит высвобождение двух молекул углекислого газа и регенерация оксалоацетата. Поскольку количество последнего, необходимое для преобразования большого числа ацетильных групп, весьма невелико, можно считать, что это соединение выполняет каталитическую функцию.

В ЦТК, благодаря активности ряда специфических дегидрогеназ, происходит образование восстановительных эквивалентов в форме протонов и электронов, индуцирующих дыхательную цепь, при функционировании которой синтезируется АТФ

Образование макроэргических соединений в ЦТК

Таким образом, каждый цикл обеспечивает синтез 12 молекул макроэргов.

Биологические функции цикла Кребса

ЦТК является общим конечным путем окислительного распада углеводов, липидов, белков, поскольку в ходе метаболизма глюкоза, ЖК, глицерин, аминокислоты и ациклические азотистые основания превращаются либо в ацетил–КоА, либо в метаболиты этого процесса, являющиеся источниками восстановительных эквивалентов, запускающих ЭТЦ и окислительное фосфорилирование, тем самым обеспечиваются энергетические запросы различных органов и тканей, и постоянная температура тела. Эндогенная вода образуется также, как известно, за счет биологического окисления, субстратами которого служат метаболиты ЦТК. Промежуточные продукты ЦТК могут использоваться в анаболизме: ОА и его предшественники служат субстратами в ГНГ; из α–кетоглутарата и ОА с помощью переаминирования легко получить аминокислоты; сукцинил–КоА необходим для синтеза гема; избыточный цитрат, выйдя из митохондрий, отщепляет ацетил-КоА, из которого генерируются ВЖК, ХС, ацетилхолин, производные моносахаридов (мономеров гетерополисахаридов).

У человека не описаны генетически обусловленные повреждения ферментов, катализирующих его различные стадии, т.к. возникновение подобных нарушений несовместимо с нормальным развитием организма.

Цикл Кребса также называется циклом трикарбоновых кислот , так как они образуются в нем в качестве промежуточных продуктов. Представляет собой ферментативный кольцевой конвейер, «работающий» в матриксе митохондрий.

Результатом цикла Кребса является синтез небольшого количества АТФ и образование НАД · H 2 , который далее направляется на следующий этап – дыхательную цепь (окислительное фосфорилирование), расположенную на внутренней мембране митохондрий.

Образовавшаяся в результате пировиноградная кислота (пируват) поступает в митохондрии, где она в конечном итоге полностью окисляется, превращаясь в углекислый газ и воду. Сначала это происходит в цикле Кребса, затем при окислительном фосфорилировании.

До цикла Кребса пируват декарбоксилируется и дегидрируется. В результате декарбоксилирования отщепляется молекула CO 2 , дегидрирование - это отщепление атомов водорода. Они соединяются с НАД.

В результате из пировиноградной кислоты образуется уксусная, которая присоединяется к коферменту А. Получается ацетилкофермент А (ацетил-КоА) – CH 3 CO~S-КоА, содержащий высокоэнергетическую связь.

Превращение пирувата в ацетил-КоА обеспечивает большой ферментативный комплекс, состоящий из десятков полипептидов, связанным с переносчиками электронов.

Цикл Кребса начинается с гидролиза ацетил-КоА, при котором отщепляется ацетильная группа, содержащая два атома углерода. Далее ацетильная группа включается в цикл трикарбоновых кислот.

Ацетильная группа присоединяется к щавелевоуксусной кислоте, имеющей четыре атома углерода. В результате образуется лимонная кислота, включающая шесть атомов углерода. Энергию для этой реакции поставляет макроэргическая связь ацетил-КоА.

Далее следует цепь реакций, в которых связанная в цикле Кребса ацетильная группа дегидрируются с высвобождением четырех пар атомов водорода и декарбоксилируются с образованием двух молекул CO 2 . При этом для окисления используется кислород, отщепляемый от двух молекул воды, а не молекулярный . Процесс называется окислительн ым декарбоксилирование м . В конце цикла щавелевоуксусная кислота регенерируется.

Вернемся на этап лимонной кислоты. Ее окисление проходит за ряд ферментативных реакций, при которых образуются изолимонная, щавелевоянтарная и другие кислоты. В результате этих реакций, на разных стадиях цикла, восстанавливаются три молекулы НАД и одна ФАД, образуется ГТФ (гуанозинтрифосфат), содержащий макроэргическую фосфатную связь, энергия которой впоследствии используется для фосфорилирования АДФ. В результате образуется молекула АТФ.

Лимонная кислота теряет два атома углерода с образованием двух молекул CO 2 .

В результате ферментативных реакций лимонная кислота превращается в щавелевоуксусную, которая снова может соединиться с ацетил-КоА. Цикл повторяется.

В составе лимонной кислоты присоединившийся остаток ацетил-КоА сгорает с образованием углекислого газа, атомов водорода и электронов. Водород и электроны переносятся на НАД и ФАД, которые являются акцепторами для него.

Окисление одной молекулы ацетил-КоА дает одну молекулу АТФ, четыре атома водорода и две молекулы углекислого газа. То есть углекислый газ, выделяемый при аэробном дыхании, образуется на этапе цикла Кребса . При этом молекулярный кислород (O 2) здесь не используется, он необходим лишь на этапе окислительного фосфорилирования.

Атомы водорода присоединяются к НАД или ФАД, в таком виде далее попадают в дыхательную цепь.

Одна молекула глюкозы дает две молекулы пирувата и, следовательно, два ацетил-КоА. Таким образом на одну молекулу глюкозы приходится два оборота цикла трикарбоновых кислот. В общей сложности образуются две молекулы АТФ, четыре CO 2 , восемь атомов H.

Следует отметить, что не только глюкоза и образующийся из нее пируват поступают в цикл Кребса. В результате расщепления ферментом липазой жиров образуются жирные кислоты, окисление которых также приводит к образованию ацетил-КоА, восстановлению НАД, а также ФАД (флавинадениндинуклеотида).

Если клетка испытывает дефицит углеводов и жиров, то окислению могут подвергаться аминокислоты. При этом образуются ацетил-КоА и органические кислоты, которые далее участвуют в цикле Кребса.

Таким образом неважно, каким был первичный источник энергии. В любом случае образуется ацетил-КоА, представляющий собой универсальное для клетки соединение.

Цикл Кребса называют еще циклом лимонной кислоты, или клеточным дыханием. Цикл превращения лимонной кислоты в живых клетках был открыт и изучен немецким биохимиком Гансом Кребсом, за эту свою работу он (совместно с Ф. Липманом) был удостоен Нобелевской премии (1953). В расшифровке отдельных реакций этого процесса приняли участие многие ученые: А. Сент-Дьердьи, А. Ленинджер, С. Е. Северин и другие.

Цикл Кребса конечный путь окисления ацетильных групп, в которые превращается в процессе катаболизма большая часть органических молекул, играющих роль "клеточного топлива" - углеводов, жирных кислот и аминокислот.

За один оборот цикла, состоящего из восьми ферментативных реакций, происходит полное окисление одной молекулы. На уровне цикла Кребса объединяются пути распада углеводов, липидов и белков. Метаболиты цикла Кребса используются для синтеза других веществ (щавелевоуксусная кислота → глюкоза, аспарагиновая кислота). Данный цикл происходит в матриксе митохондрий.

Цикл Кребса – главная система, поставляющая водород для дыхательной цепи митохондрий.

Все пути катаболизма сводятся к образованию трехуглеродного соединения –пировиноградной кислоты, которая затем путем окислительного декарбоксилирования в присутствии кофермента –тиаминпирофосфата подвергается декарбоксилированию с образованием ацетил-КоА. АцетилкоферментА «сгорает» в цикле Кребса до двух молекул СО 2 .

1. Первой реакцией цикла Кребса является образование цитрата - лимонной кислоты

2.Во второй реакции через стадию дегидратации и образования цис-аконитовой кислоты происходит образование изолимонной кислоты.

Обратите внимание, что присоединение молекулы воды к цис-аконитовой кислоте идет против правила Марковникова.

3. В третьей реакции, которая, по-видимому, лимитирует скорость цикла Кребса, изолимонная кислота дегидрируется в присутствии НАД-зависимой изоцитратдегидрогеназы:

4. В четвертой реакции происходит окислительное декарбоксилирование α-кетоглутаровой кислоты до сукцинил-КоА. Механизм этой реакции сходен с реакцией окислительного декарбоксилирования пирувата до ацетил-КоА.

5. Пятая реакция катализируется ферментом сукцинил-КоА-синтетазой. В ходе этой реакции сукцинил-КоА при участии ГДФ и неорганического фосфата превращается в янтарную кислоту (сукцинат). Одновременно происходит образование высокоэргической фосфатной связи ГТФ1 за счет высокоэргической тиоэфирной связи сукцинил-КоА:

6. В шестой реакции сукцинат дегидрируется в фумаровую кислоту. Окисление сукцината катализируется сукцинатдегидрогеназой, в молекуле которой с белком ковалентно связан кофермент ФАД + :

7. В седьмой реакции образовавшаяся фумаровая кислота гидратируется под влиянием фермента фумаратгидратазы. Продуктом данной реакции является яблочная кислота (малат). Следует отметить, что фумаратгидратаза обладает стереоспецифичностью, - в ходе данной реакции образуется L-яблочная кислота (малат):

8. В восьмой реакции цикла трикарбоновых кислот под влиянием митохондриальной НАД-зависимой малатдегидрогеназы происходит окисление L-малата в оксалоацетат:

Освобождающаяся в результате окисления ацетил-КоА энергия в значительной мере сосредоточивается в макроэргических фосфатных связях АТФ. Из четырех пар атомов водорода три пары переносятся через НАД + на систему транспорта электронов; при этом в расчете на каждую пару в системе биологического окисления образуются три молекулы АТФ (в процессе сопряженного окислительного фосфорилирования), а всего, следовательно, девять молекул АТФ. Одна пара атомов попадает в систему транспорта электронов через ФАД, - в результате образуются 2 молекулы АТФ. В ходе реакций цикла Кребса синтезируется также 1 молекула ГТФ, что равносильно 1 молекуле АТФ. Итак, при окислении ацетил-КоА в цикле Кребса образуется 12 молекул АТФ.

Схематичное изображение цикла Кребса:

В ЦТК два ключевых фермента:

1) цитратсинтаза (1-я реакция)

2) изоцитратдегидрогеназа (3-я реакция)

Оба фермента аллостерически ингибируются избытком АТФ и НАДН 2 . Изоцитратдегидрогеназа сильно активируется АДФ. Если АДФ нет, то этот фермент неактивен. В условиях энергетического покоя концентрация АТФ увеличивается, и скорость реакций ЦТК мала - синтез АТФ уменьшается. Изоцитратдегидрогеназа ингибируется АТФ намного сильнее, чем цитратсинтаза, поэтому в условиях энергетического покоя повышается концентрация цитрата, и он выходит в цитоплазму по градиенту концентраций путем облегченной диффузии. В цитоплазме цитрат превращается в Ацетил-КоА, который участвует в синтезе жирных кислот. Промежуточные продукты метаболизма цикла Кребса идут на синтез других веществ. Из α-кетоглутарата и щавелевоуксусной кислоты (оксалоацетата) синтезируются аминокислоты, из щавелевоуксусной кислоты – углеводы, из сукцинил-КоА → синтез гема гемоглобина. Образовавшиеся восстановленные коферменты НАДН 2 и ФАДН 2 в дыхательной цепи окисляются с образованием воды, АТФ и побочного продукта – перекиси водорода.

Цикл трикарбоновых кислот впервые был открыт английским биохимиком Кребсом. Он первым постулировал значение данного цикла для полного сгорания пирувата, главным источником которого является гликолитическое превращение углеводов. В дальнейшем было показано, что цикл трикарбоновых кислот является "фокусом", в котором сходятся практически все метаболические пути.

Итак, образовавшийся в результате окислительного декарбоксилирования пирувата ацетил-КоА вступает в цикл Кребса. Данный цикл состоит из восьми последовательных реакций (рис. 91). Начинается цикл с конденсации ацетил-КоА с оксалоацетатом и образования лимонной кислоты. (Как будет видно ниже, в цикле окислению подвергается собственно не ацетил-КоА, а более сложное соединение - лимонная кислота (трикарбоновая кислота). )

Затем лимонная кислота (шестиуглеродное соединение) путем ряда дегидрирований (отнятие водорода) и дскарбоксилирований (отщепление СО 2) теряет два углеродных атома и снова в цикле Кребса появляется оксалоацетат (четырехуглеродное соединение), т. е. в результате полного оборота цикла молекула ацетил-КоА сгорает до СО 2 и Н 2 О, а молекула оксалоацетата регенерируется. Ниже приводятся все восемь последовательных реакций (этапов) цикла Кребса.

В первой реакции, катализируемой ферментом цитратсинтазой, ацетил-КоА конденсируется с оксалоацетатом. В результате образуется лимонная кислота:

По-видимому, в данной реакции в качестве промежуточного продукта образуется связанный с ферментом цитрил-КоА. Затем последний самопроизвольно и необратимо гидролизуется с образованием цитрата и HS-KoA.

Во второй реакции цикла образовавшаяся лимонная кислота подвергается дегидратированию с образованием цис-аконитовой кислоты, которая, присоединяя молекулу воды, переходит в изолимонную кислоту. Катализирует эти обратимые реакции гидратации-дегидратации фермент аконитат-гидратаза:

В третьей реакции, которая, по-видимому, лимитирует скорость цикла Кребса, изолимонная кислота дегидрируется в присутствии НАД-зависимой изоцитратдегидрогеназы:

В ходе изоцитратдегидрогеназной реакции изолимонная кислота декарбоксилируется. НАД-зависимая изоцитратдегидрогеназа является аллостерическим ферментом, которому в качестве специфического активатора необходим АДФ. Кроме того, фермент для проявления своей активности нуждается в ионах Mg 2+ или Мn 2+ .

В четвертой реакции происходит окислительное декарбоксилирование α-кетоглутаровой кислоты до сукцинил-КоА. Механизм этой реакции сходен с реакцией окислительного декарбоксилирования пирувата до ацетил-КоА. α-Кетоглутаратдегидрогеназный комплекс напоминает по своей структуре пируватдегидрогеназный комплекс. Как в одном, так и в другом случае в ходе реакции принимают участие пять коферментов: TДФ, амид липоевой кислоты, HS-KoA, ФАД и НАД. Суммарно данную реакцию можно написать так:

Пятая реакция катализируется ферментом сукцинил-КоА-синтетазой. В ходе этой реакции сукцинил-КоА при участии ГДФ и неорганического фосфата превращается в янтарную кислоту (сукцинат). Одновременно происходит образование высокоэргической фосфатной связи ГТФ1 за счет высокоэргической тиоэфирной связи сукцинил-КоА:

В шестой реакции сукцинат дегидрируется в фумаровую кислоту. Окисление сукцината катализируется сукцинатдегидрогеназой, в молекуле которой с белком ковалентно связан кофермент ФАД:

В седьмой реакции образовавшаяся фумаровая кислота гидратируется под влиянием фермента фумаратгидратазы. Продуктом данной реакции является яблочная кислота (малат). Следует отметить, что фумаратгидратаза обладает стереоспецифичностью, - в ходе данной реакции образуется L-яблочная кислота:

Наконец, в восьмой реакции цикла трикарбоновых кислот под влиянием митохондриальной НАД-зависимой малатдегидрогеназы происходит окисление L-малата в оксалоацетат:

Как видно, за один оборот цикла, состоящего из восьми ферментативных реакций, происходит полное окисление ("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. Это окисление осуществляется в системе переносчиков электронов (или в цепи дыхательных ферментов), локализованной в митохондриях.

Освобождающаяся в результате окисления ацетил-КоА энергия в значительной мере сосредоточивается в макроэргических фосфатных связях АТФ. Из четырех пар атомов водорода три пары переносятся через НАД на систему транспорта электронов; при этом в расчете на каждую пару в системе биологического окисления образуются три молекулы АТФ (в процессе сопряженного окислительного фосфорилирования), а всего, следовательно, девять молекул АТФ. Одна пара атомов попадает в систему транспорта электронов через ФАД, - в результате образуются 2 молекулы АТФ. В ходе реакций цикла Кребса синтезируется также 1 молекула ГТФ, что равносильно 1 молекуле АТФ. Итак, при окислении ацетил-КоА в цикле Кребса образуется 12 молекул АТФ.

Как уже отмечалось, 1 молекула НАДН 2 (3 молекулы АТФ) образуется при окислительном декарбоксилирова-нии пирувата в ацетил-КоА. Так как при расщеплении одной молекулы глюкозы образуются две молекулы пирувата, то при окислении их до 2 молекул ацетил-КоА и последующих двух оборотов цикла трикарбоновых кислот синтезируется 30 молекул АТФ (следовательно, окисление одной молекулы пирувата до СО 2 и Н 2 O дает 15 молекул АТФ).

К этому надо добавить 2 молекулы АТФ, образующиеся при аэробном гликолизе, и 4 молекулы АТФ, синтезирующихся за счет окисления 2 молекул внемитохондриального НАДН 2 , которые образуются при окислении 2 молекул глицеральдегид-3-фосфата в дегидрогеназной реакции. Итого получим, что при расщеплении в тканях 1 молекулы глюкозы по уравнению: C 6 H 12 0 6 + 60 2 -> 6СO 2 + 6Н 2 O синтезируется 36 молекул АТФ, что способствует накоплению в макроэргических фосфатных связях аденозинтрифосфата 36 X 34,5 ~ 1240 кДж (или, по другим данным, 36 Х 38 ~ 1430 кДж) свободной энергии. Другими словами, из всей освобождающейся при аэробном окислении глюкозы свободной энергии (окодо 2840 кДж) до 50% ее аккумулируется в митохондриях в форме, которая может быть использована для выполнения различных физиологических функций. Несомненно, что в энергетическом отношении полное расщепление глюкозы является более эффективным процессом, чем гликолиз. Необходимо отметить, что образовавшиеся в процессе превращения глицеральдегид-3-фосфата 2 молекулы НАДН 2 в дальнейшем при окислении дают не 6 молекул АТФ, а только 4. Дело в том, что сами молекулы внемитохондриального НАДН 2 не способны проникать через мембрану внутрь митохондрий. Однако отдаваемые ими электроны могут включаться в митохондриальную цепь биологического окисления с помощью так называемого глицерофосфатного челночного механизма (рис. 92). Как видно на рисунке, цитоплазматический НАДН 2 сначала реагирует с цитоплазматическим дигидроксиацетонфосфатом, образуя глицерол-3-фосфат. Реакция катализируется НАД-зависимой цитоплазматической глицерол-3-фосфат-дегидрогеназой.

В 30-х годах двадцатого века немецкий учёный Ганс Кребс вместе со своим учеником занимается изучением циркуляции мочевины. Во время Второй мировой войны, Кребс перебирается в Англию где и приходит к выводу, что некоторые кислоты катализируют процессы в нашем организме. За это открытие ему была вручена Нобелевская премия.

Как известно, энергетический потенциал организма зависит от глюкозы, которая содержится в нашей крови. Также, клетки человеческого организма содержат митохондрии, которые помогают в переработке глюкозы с целью её превращения в энергию. После некоторых преобразований глюкоза превращается в вещество под названием «аденозинтрифосфат» (АТФ) – главный источник энергии клеток. Его структура такова, что он может встраиваться в белок, и это соединение будет обеспечивать энергией все системы органов человека. Напрямую глюкоза не может стать АТФ, поэтому используются сложные механизмы для получения нужного результата. Им и является цикл Кребса.

Если говорить совсем уж простым языком, то цикл Кребса — это цепочка химических реакций, происходящих в каждой клетке нашего тела, которая называется циклом потому, что продолжается непрерывно. Конечным результатом данного цикла реакций является производство аденозинтрифосфата — вещества, которое представляет собой энергетическую основу жизнедеятельности организма. По-другому этот цикл называется клеточным дыханием, так как большинство его стадий происходят с участием кислорода. Кроме того, выделяют важнейшую функцию цикла Кребса – пластическую (строительную), так как во время цикла вырабатываются важные для жизнедеятельности элементы: углеводы, аминокислоты и т. д.

Для осуществления всего вышеизложенного необходимо наличие более ста различных элементов, в том числе витаминов. При отсутствии или недостатке хотя бы одного из них цикл будет недостаточно эффективным, что приведёт к нарушению метаболизма во всём теле человека.

Этапы цикла Кребса

1. Первый этап заключается в расщеплении молекул глюкозы на две молекулы пировиноградной кислоты. Пировиноградная кислота выполняет важную метаболическую функцию, от её действия напрямую зависит работа печени. Доказано, что данное соединение содержится в некоторых фруктах, ягодах и даже в мёде; её успешно применяют в косметологии, как способ борьбы с отмершими клетками эпителия (гоммаж). Также, в результате реакции может образоваться лактат (молочная кислота), которая имеется в поперечнополосатой мускулатуре, крови (точнее в эритроцитах) и мозге человека. Важный элемент в работе сердца и нервной системы. Происходит реакция декарбоксилирования, то есть отщепление карбоксильной (кислотной) группы аминокислот, в процессе которой образуется кофермент А – он выполняет функцию транспортировки углерода в различных обменных процессах. При соединении с молекулой оксалоацетата (щавелевой кислоты) получается цитрат, который фигурирует в буферных обменах, т. е. «на себе» переносит полезные вещества в нашем организме и помогает им усваиваться. На данном этапе кофермент А полностью высвобождается, плюс, мы получаем молекулу воды. Данная реакция является необратимой.
2. Вторая стадия характеризуется дегидрированием (отщеплением молекул воды) от цитрата, что дают нам цис-аконитат (аконитовая кислота), который помогает в образовании изоцитрата. По концентрации данного вещества, например, можно определить качество фруктов или фруктового сока.
3. Третий этап. Здесь от изолимонной кислоты отделяется карбоксильная группа, что в результате даёт кетоглутаровую кислоту. Альфа-кетоглутарат участвует в улучшении всасывания аминокислот из поступающей пищи, улучшает метаболизм и предупреждает появление стрессов. Также образовывается NADH – вещество необходимое для нормального протекания окислительных и обменных процессов в клетках.
4. На следующем этапе при отделении карбоксильной группы образуется сукцинил-КоА, который является важнейшим элементом в образовании анаболических веществ (белков и т.д.). Возникает процесс гидролиза (соединение с молекулой воды) и высвобождается энергия АТФ.
5. На последующих стадия цикл начнёт замыкаться, т.е. сукцинат снова потеряет молекулу воды, что превращает его в фумарат (вещество способствующее переносу водорода к коферментам). К фумарату присоединяется вода и образуется малат (яблочная кислота), она окисляется, что снова приводит к появлению оксалоацетата. Оксалоацетата, в свою очередь, выступает в роли катализатора в вышеуказанных процессах, его концентрациях в митохондриях клеток постоянна, но, при этом, довольна низкая.

Таким образом можно выделить важнейшие функции данного цикла:

• энергетическая;
• анаболическая (синтез органических веществ – аминокислот, жирных белков и т.д.);
• катаболическая: превращение некоторых веществ в катализаторы – элементы, способствующие выработке энергии;
• транспортная, в основном происходит транспортировка водорода, участвующего в дыхании клеток.