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 . 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 ) — 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?

• 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 ФАДH 2 (ФлавинАденинДиНуклеотид+молекула водорода). Я специально выделил заглавными буквами составные части терминов, чтобы легче было читать, в норме их пишут одним словом. НАДH и ФАДH 2 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.

• 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 ФАДН 2 , которые переносят электроны для клеточного дыхания, а также энергию в виде АТФ;
• Цикл Кребса происходит в митохондриях клеток.

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.

В основе метаболизма животных и других организмов лежат химические процессы извлечения энергии, накопленной углеводами.

В процессе фотосинтеза солнечная энергия запасается в химических связях углеводных молекул, из которых наиболее важную роль играет шестиуглеродный сахар глюкоза. После того как другие живые организмы используют эти молекулы в пищу, запасенная энергия выделяется и используется для метаболизма. Это происходит во время процессов гликолиза и дыхания. Весь химический процесс можно коротко описать так:

Глюкоза + кислород → углекислый газ + вода + энергия

Чтобы лучше понять эти процессы, представьте себе, что организм «сжигает» углеводы, чтобы получить энергию.

Термин «гликолиз» образован при соединении слова лизис, означающего «расщепление», со словом глюкоза. Как следует из названия, процесс начинается с химического извлечения энергии посредством расщепления молекулы глюкозы на две части, каждая из которых содержит три атома углерода. В процессе гликолиза из каждой молекулы глюкозы получается две трехуглеродные молекулы пировиноградной кислоты. Кроме того, энергия глюкозы запасается в молекулах (см. Биологические молекулы), которые мы называем «энергетической валютой» клетки, — двух молекулах АТФ и двух молекулах НАДФ. Таким образом, уже на первой стадии гликолиза энергия высвобождается в такой форме, которая может быть использована клетками организма.

Дальнейший ход событий зависит от наличия или отсутствия кислорода в среде. При отсутствии кислорода пировиноградная кислота превращается в другие органические молекулы в ходе так называемых анаэробных процессов. Например, в клетках дрожжей пировиноградная кислота превращается в этанол. У животных, к которым относится и человек, при истощении запасов кислорода в мышцах пировиноградная кислота превращается в молочную кислоту — именно она вызывает так хорошо знакомое всем нам ощущение мышечной скованности после тяжелой физической нагрузки.

При наличии же кислорода энергия выделяется в процессе аэробного дыхания, когда пировиноградная кислота расщепляется на молекулы углекислого газа и воды с одновременным высвобождением оставшейся энергии, запасенной в углеводной молекуле. Дыхание происходит в специализированной клеточной органелле — митохондрии. Вначале отщепляется один углеродный атом пировиноградной кислоты. При этом образуется углекислый газ, энергия (она запасается в одной молекуле НАДФ) и двухуглеродная молекула — ацетильная группа. Затем реакционная цепь поступает в метаболический координационный центр клетки — цикл Кребса.

Цикл Кребса (его также называют циклом лимонной кислоты или циклом трикарбоновых кислот) является примером хорошо знакомого в биологии явления — химической реакции, которая начинается, когда определенная входящая молекула соединяется с другой молекулой, выполняющей функцию «помощника». Такая комбинация инициирует серию других химических реакций, в которых образуются молекулы-продукты и в конце воссоздается молекула-помощник, которая может начать весь процесс вновь. В цикле Кребса роль входящей молекулы играет ацетильная группа, образующаяся при расщеплении пировиноградной кислоты, а роль молекулы-помощника — четырехуглеродная молекула щавелевоуксусной кислоты. Во время первой химической реакции цикла эти две молекулы соединяются с образованием шестиуглеродных молекул лимонной кислоты (этой кислоте цикл обязан одним из своих названий). Далее происходят восемь химических реакций, в которых сначала образуются молекулы-переносчики энергии и углекислый газ, а затем новая молекула щавелевоуксусной кислоты. Для переработки энергии, запасенной в одной молекуле глюкозы, цикл Кребса нужно пройти дважды. Чистая прибыль оказывается равной двум молекулам АТФ, четырем молекулам углекислого газа и десяти другим молекулам-переносчикам энергии (о них немного позже). Углекислый газ, в конечном счете, диффундирует из митохондрии и выделяется при выдохе.

(Примечание Wild_Katze: Картинка при статье была мелкая и неразборчивая, поэтому я ее заменяю на более наглядную картинку цикла Кребса отсюда http://www.bsu.ru/content/hecadem/bahanova_mv/cl_718/files/mzip_618_14707/index.htm)

Цикл Кребса — это повторяющаяся последователь биохимических реакций, происходящих в процессе дыхания животных, растений и многих микроорганизмов. Здесь изображен его упрощенный вариант. Числа в скобках означают количество углеродных атомов в каждой органической молекуле

Цикл Кребса принципиально важен для жизни не только потому, что в нем образуется энергия. Помимо глюкозы в него могут вступать многие другие молекулы, также образующие пировиноградную кислоту. Например, когда вы соблюдаете диету, организму не хватает потребляемой вами глюкозы для поддержания метаболизма, поэтому в цикл Кребса, после предварительного расщепления, вступают липиды (жиры). Вот почему вы теряете вес. Кроме того, молекулы могут покидать цикл Кребса, чтобы принять участие в построении новых белков, углеводов и липидов. Таким образом, цикл Кребса может принимать энергию, сохраненную в разной форме во многих молекулах, и создавать на выходе разнообразные молекулы.

С энергетической точки зрения чистый результат цикла Кребса состоит в том, чтобы завершить извлечение энергии, запасенной в химических связях глюкозы, передать небольшую часть этой энергии молекулам АТФ и запасти остальную энергию в других молекулах-переносчиках энергии. (Говоря об энергии химических связей, не надо забывать, что для разделения соединенных атомов необходимо совершить работу.) На заключительном этапе дыхания эта оставшаяся энергия высвобождается из молекул-переносчиков и также запасается в АТФ. Молекулы, запасающие энергию, перемещаются внутри митохондрии, пока не столкнутся со специализированными белками, погруженными во внутренние мембраны митохондрии. Эти белки отнимают электроны у переносчиков энергии и начинают передавать их по цепи молекул — наподобие цепочки людей, передающих ведра с водой на пожаре, — извлекая энергию, запасенную в химических связях. Извлеченная на каждом этапе энергия запасается в форме АТФ. На последнем этапе электроны соединяются с атомами кислорода, которые далее объединяются с ионами водорода (протонами), образуя воду. В цепи переноса электронов образуется не менее 32 молекул АТФ — 90% энергии, хранившейся в исходной молекуле глюкозы.

Превращение энергии в цикле Кребса включает в себя довольно сложный процесс хемиосмотического сопряжения. Этот термин указывает на то, что в высвобождении энергии наряду с химическими реакциями участвует осмос — медленное просачивание растворов через органические перегородки. По сути дела, электроны с переносчиков энергии, являющихся продуктом цикла Кребса, переносятся по транспортной цепочке и поступают на белки, погруженные в мембрану, которая разделяет внутренний и внешний компартменты (отсеки) митохондрии. Энергия электронов используется для перемещения ионов водорода (протонов) во внешний компартмент, служащий «энергохранилищем» — наподобие водохранилища, образовавшегося перед плотиной. При оттоке протонов через мембрану энергия используется для образования АТФ, подобно тому как вода перед плотиной используется для производства электричества при падении на генератор. Наконец, во внутреннем компартменте митохондрии ионы водорода соединяются с молекулами кислорода с образованием воды — одного из конечных продуктов метаболизма.

Этот рассказ о гликолизе и дыхании иллюстрирует, насколько далеко зашли современные представления о живых системах. Простое высказывание о конкретном процессе — например, что для метаболизма необходимо «сжигать» углеводы — влечет за собой невероятно подробное описание сложных процессов, происходящих на молекулярном уровне и с участием огромного количества различных молекул. Осмысление современной молекулярной биологии в чем-то сродни чтению классического русского романа: вам легко понять каждое взаимодействие между персонажами, но, дойдя до страницы 1423, вы вполне можете забыть, кем приходится Петр Петрович Алексею Алексеевичу. Точно так же каждая химическая реакция в только что описанной цепи кажется понятной, но дочитав до конца вы будете поражены непостижимой сложностью процесса. В качестве утешения замечу, что я чувствую себя так же.

Цикл трикарбоновых кислот - он же цикл Кребса, поскольку существование такого цикла было предположено Гансом Кребсом в 1937 году.
За это спустя 16 лет он был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине. Значит, открытие весьма значительное. В чём же смысл этого цикла и почему он так важен?

Как ни крути, все равно придётся начать довольно-таки издалека. Если вы взялись читать эту статью, то хотя бы понаслышке знаете, что основной источник энергии для клеток - это глюкоза. Она постоянно присутствует в крови в практически неизменной концентрации - для этого существуют специальные механизмы, запасающие или высвобождающие глюкозу.

Внутри каждой клетки находятся митохондрии - отдельные органеллы ("органы" клетки), перерабатывающие глюкозу для получения внутриклеточного источника энергии - АТФ. АТФ (аденозинтрифосфорная кислота) универсальна и очень удобна в использовании, как источник энергии: она напрямую встраивается в белки, обеспечивая их энергией. Самый простой пример - это белок миозин, благодаря которому мышцы способны сокращаться.

Глюкозу невозможно превратить в АТФ, несмотря на то, что в ней содержится большое количество энергии. Как извлечь эту энергию и направить в нужное русло, не прибегая к варварским (по клеточным меркам) средствам типа сжигания? Надо использовать обходные пути, благо ферменты (белковые катализаторы) позволяют некоторым реакциям протекать гораздо быстрее и эффективнее.

Первый этап - это превращение молекулы глюкозы в две молекулы пирувата (пировиноградной кислоты) или лактата (молочной кислоты). При этом выделяется небольшая часть (примерно 5%) той энергии, что запасена в молекуле глюкозы. Лактат получается при анаэробном окислении - то есть в отсутствие кислорода. Также есть способ превращения глюкозы в анаэробных условиях в две молекулы этанола и углекислый газ. Это называется брожением, и этот способ мы рассматривать не будем.


...Так же как не будем мы рассматривать подробно сам механизм гликолиза, то есть расщепления глюкозы в пируват. Поскольку, цитируя Леинджера, "Превращение глюкозы в пируват катализируется десятью ферментами, действующими последовательно". Желающие могут открыть учебник по биохимии и подробно ознакомиться со всеми стадиями процесса - он изучен очень хорошо.

Казалось бы, путь от пирувата до углекислого газа должен быть довольно простым. Но оказалось, что он осуществляется посредством девятистадийного процесса, который и называется циклом трикарбоновых кислот. Это кажущееся противоречие с принципом экономии (неужели нельзя было проще?) отчасти объясняется тем, что цикл связывает между собой несколько метаболических путей: вещества, образующиеся в цикле, являются прекурсорами других молекул, уже не имеющих отношения к дыханию (например, аминокислот), а любые другие соединения, подлежащие утилизации, в итоге попадают в цикл и либо "сгорают" для получения энергии, либо перерабатываются в те, которые находятся в недостатке.

Первая стадия, которая традиционно рассматривается в отношении к циклу Кребса - это окислительное декарбоксилирование пирувата в ацетильный остаток (Acetyl-CoA). CoA, если кто не знает - это кофермент А, имеющий в своём составе тиольную группу, на которой он может переносить ацетильный остаток.


Расщепление жиров тоже приводит к ацетилам, которые также вступают в цикл Кребса. (Синтезируются они аналогично - из Acetyl-CoA, что объясняет тот факт, что в жирах почти всегда присутствуют только кислоты с чётным числом атомов углерода).

Ацетил-КоА конденсируется с молекулой оксалоацетата, давая цитрат. При этом высвобождается кофермент А и молекула воды. Эта стадия необратима.

Цитрат дегидрируется в цис-аконитат - вторую трикарбоновую кислоту в цикле.

Цис-аконитат присоединяет обратно молекулу воды, превращаясь уже в изолимонную кислоту. Эта и предыдущая стадии обратимы. (Ферменты катализируют как прямую, так и обратную реакции - вы же знаете, да?)

Изолимонная кислота декарбоксилируется (необратимо) и одновременно окисляется, давая кетоглутаровую кислоту. При этом NAD+, восстанавливаясь, превращается в NADH.

Следующая стадия - окислительное декарбоксилирование. Но при этом образуется не сукцинат, а сукцинил-КоА, который на следующей стадии гидролизуется, направляя высвобождающуюся энергию на синтез АТФ.

При этом образуется ещё одна молекула NADH и молекула FADH2 (кофермент, отличный от NAD, который однако так же может окисляться и восстанавливаться, запасая и отдавая энергию).

Выходит, что оксалоацетат работает как катализатор - он не накапливается и не расходуется в процессе. Так и есть - концентрация оксалоацетата в митохондриях поддерживается довольно низкой. А как избежать накопления других продуктов, как согласовать между собой все восемь стадий цикла?

Для этого, как оказалось, существуют специальные механизмы - своего рода отрицительная обратная связь. Как только концентрация какого-то продукта растёт выше нормы, это блокирует работу фермента, ответственного за его синтез. А для обратимых реакций всё ещё проще: при превышении концентрации продукта реакция просто начинает идти в обратную сторону.

И ещё пара мелких замечаний

Цикл лимонной кислоты (цикл Кребса)

Биоорганические вещества, такие, как глюкоза, обладают большим запасом энергии. При окислении глюкозы кислородом

высвобождается энергия Гиббса AG = -2880 кДж/моль. Эта энергия может запасаться в клетке в форме химической энергии фосфатных связей аденозилтрифос- фата АТР. Образующиеся молекулы АТР диффундируют в различные участки клетки, где используется энергия. АТР - это переносчик энергии. Клетка использует эту энергию для выполнения работы. Однако при гликолизе тратится лишь незначительная часть энергии, запасенной в глюкозе (несколько процентов). Основная ее часть передается в цикле Кребса (рис. 9.4), сопряженном с клеточным дыханием.

Рис. 9.4.

I - оксалоацетат, 1а ацетил*СоЛ, 2 - лимонная кислота (цитрат). 3 - иэоцитрат. 4 - оксалосукцинат. 5 - кетоглугарат. 6 - янтарная кислота (сукцинат). 7 - фумарат. 8 - яблочная кислота (малат)

Цикл Кребса, или цикл лимонной кислоты, или цикл 3-карбоновых кислот, представляет собой ряд последовательных реакций, протекающих в митохондриях. В ходе этих реакций осуществляется катаболизм ацетильных групп СН3СО-, передаваемых от пирувата, конечного продукта гликолиза. Пируват вступает в реакции цикла Кребса, предварительно превращаясь в ацетил-СоА.

Цикл Кребса, как и гликолиз, представляет собой метаболический путь, состоящий из последовательных стадий - реакций. В отличие от гликолиза, этот путь замкнутый, циклический.

1. Ацетил-СоА - продукт катаболизма углеводов, белков и липидов - вступает в цикл, реагируя (конденсируется) с солью щавелевоуксусной кислоты (оксало- ацстатом). При этом образуется соль лимонной кислоты (цитрат):

2. Цитрат изомеризуется в изоцитрат. Реакция катализируется ферментом ако- нитазой и проходит через образование аконитата с последующим его превращением в изоцитрат:

3. Изоцитрат окисляется до а-кетоглутарата. Реакция катализируется ферментом изоцитратдегидрогеназой:

4. а-Кетоглутарат подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием сукцинил-СоА. Катализируеся а-кетоглутарат дегидрогеназой:

5. Сукцинил-СоА превращается в сукцинат. Реакция катализируется ферментом сукцинат-СоА-лигазой:

6. Сукцинат превращается в фумарат. Реакция катализируется ферментом дегидрогеназой:

7. Фумарат гидратируется по двойной связи с образованием малата (соль яблочной кислоты). Катализируется фумаратгидратазой:

8. Манат окисляется до оксапоацетата. Катализируется мапатдегидрогеназой:

Рис. 9.5.

На восьмой стадии цикл замыкается и начинается его новое прохождение.

Все стадии цикла лимонной кислоты протекают во внутренней среде митохондрий - матриксе (рис. 9.5). Здесь находятся все ферменты этого метаболического пути.

Митохондрия (от греч. «mitos» - нить и «chondrion» - зернышко) имеет вытянутую форму; длина 1,5-2 мкм, диаметр 0,5-1 мкм. Органеллы клеток животных находятся в жидкой среде клетки - цитоплазме (см. рис. 6.2).

Внутреннее пространство митохондрий окружено двумя непрерывными мембранами. При этом наружная мембрана гладкая, а внутренняя образует многочисленные складки, или кристы. Внутримитохондриальное пространство ограничено внутренней мембраной, заполнено жидкой средой - матриксом, который примерно на 50% состоит из белка и имеет очень тонкую структуру. Удлиненная форма митохондрий не универсальна. В некоторых тканях, например в поперечно-полосатых скелетных мышцах, митохондрии иногда принимают самые причудливые очертания.

В митохондриях сосредоточено большое количество ферментов.

В клетке может находиться от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч митохондрий. Для одного и того же типа клеток число митохондрий более или менее постоянно. Однако следует помнить, что количество митохондрий может меняться в зависимости от стадии развития клетки и ее функциональной активности, а в целом от интенсивности нагрузок на организм.

Митохондрии - энергетические станции, вырабатывающие энергию для жизнедеятельности организма. Особенно много митохондрий в мышечных клетках, где требуются большие затраты энергии.

Образованные в цикле Кребса высокоэнергетические вещества NADH и FADFb (см. рис. 9.4) передают свою энергию в реакции ресинтеза АТР из ADP:

В результате на каждую молекулу NADH образуются 3 молекулы АТР. Эта реакция окислительно-восстановительная, т. е. сопровождается переносом электронов от восстановителя NADH к окислителям (см. разд. 4.3). В качестве окислителя выступает кислород О2. Эта реакция называется окислительным фосфорилированием ADP в АТР.

Окислительное фосфорилирование происходит во внутренней митохондриальной мембране. В трех участках дыхательной цепи запасается энергия в результате синтеза АТР из ADP и Р,.

Реакция протекает в несколько стадий на внутренних мембранах митохондрий (см. рис. 9.5), в системе ферментов, называемой дыхательной цепью. Сюда из клеточной плазмы поступают молекулы ADP. Соответствующий окислительновосстановительный процесс называется клеточным дыханием. Именно здесь расходуется кислород, которым мы дышим.

Молекулы АТР, образованные в матриксе, выходят из митохондрий в плазму клетки, где участвуют в различных биохимических реакциях, протекающих с расходом энергии.

Таким образом, энергия, высвобождающаяся в процессе переноса электронов от восстановителей, используется для окислительного фосфорилирования ADP в АТР.

Предполагают, что энергия, высвобождающаяся вдыхательной цепи, затрачивается непосредственно на перевод внутренней мембраны в новое, богатое энергией конформационное состояние, которое, в свою очередь, становится движущей силой окислительного фосфорилирования, приводящего к образованию АТР. В настоящее время наиболее серьёзное обоснование получила гипотеза хемоосмо- тического сопряжения Митчела.

Таким образом, биосинтез АТР в животном организме осуществляется из ADP и неорганического фосфата Р, при активировании последнего за счёт энергии окисления органических соединений при метаболических процессах.

Окисление органических соединений в живых системах не всегда сопряжено с фосфорилированием, и фосфорилирование не обязательно должно быть окислительным.

Известно несколько сотен реакций окисления. Не менее десятка из них сопряжено с одновременным активированием неорганического фосфата. Такие реакции называют реакциями субстратного фосфорилирования. Здесь реакции расщепления субстрата сопровождаются передачей энергии непосредственно неорганическому фосфату. В результате образуется другой фосфорилированный субстрат с макроэргической связью. В этом случае в процессе не участвует дыхательная цепь ферментов и не происходит превращение энергии, выделяемой при переносе электронов на кислород, в энергию фосфатной связи АТР.

В качестве примера субстратного фосфорилирования можно привести реакцию превращения сукницил-СоА в янтарную кислоту с образованием GTP из GDP и фосфата Р, в лимоннокислом цикле.

В растениях источником энергии для активирования неорганического фосфата и обеспечения синтеза АТР служит энергия солнечного света, улавливаемая фото- синтетическим аппаратом клетки. Такое фосфорилирование называют фотосин- тетическим.

Для удовлетворения потребностей человеческого организма в энергии молекулы АТР на протяжении суток тысячи и тысячи раз расщепляются до молекул ADP и Р, с последующим ресинтезом АТР. Кроме того, скорость ресинтеза АТР должна меняться в широких пределах - от минимальной во время сна до максимальной в периоды напряженной мышечной работы.

Из сказанного можно сделать вывод, что окислительное фосфорилирование не просто непрерывный жизненно важный процесс. Он должен регулироваться в широких пределах, что достигается путем тренировки.

Суммарное уравнение реакций гликолиза и цикла лимонной кислоты записывается следующим образом:

Стандартная энергия Гиббса окисления 1 моля глюкозы СбН^Об равна ДG* = = -2880 кДж (см. разд. 5.1). Стандартная энергия Гиббса гидролиза 38 молей АТР (запасенная энергия) равна ДG°" = -38*30 = -1180 кДж, т. е. запасается лишь 40% энергии глюкозы (коэффициент полезного действия дыхания). Остальная энергия выделяется из организма в виде тепла Q. Этим объясняется разогрев и повышение температу ры тела при интенсивной работе (см. рис. 5.2).

Глюкоза выполняет функцию клеточного топлива в нашем организме. Она получается главным образом либо в процессе пищеварения из углеводов, либо путем синтеза из резервных жиров.