Цикл Кребса? Что это такое?

Если вы не в курсе, то это — цикл трикарбоновых кислот. Понятнее?

Если нет, то это — ключевой этап дыхания всех клеток, использующих кислород. Кстати, за открытие этого цикла Ганс Кребс получил Нобелевскую премию.

Вообщем, как вы поняли, эта штука очень важная, особенно для биохимиков. Именно им интересен вопрос «Как быстро запомнить цикл Кребса? »

Вот как он выглядит:

По сути Цикл Кребса описывает этапы превращения лимонной кислоты. Их и нужно запомнить.

1. Конденсация ацетил-коэнзима А со щавелевоуксусной кислотой приводит к образованию лимонной кислоты.
2. Лимонная кислота превращается в изолимонную через цисаконитовую.
3. Изолимонная кислота дегидрируется с образованием альфа-кетоглутаровой и углекислого газа.
4. Альфа-кетоглутаровая кислота дегидрируется с образованием сукцинил-коэнзима А и углекислого газа.
5. Сукцинил-коэнзим А превращается в янтарную кислоту.
6. Янтарная кислота дегидрируется с образованием фумаровой.
7. Фумаровая кислота гидратируется с образованием яблочной.
8. Яблочная кислота дегидрируется с образованием щавелевоуксусной. При этом цикл замыкается. В первую реакцию следующего цикла вступает новая молекула ацетил-коэнзима А.

Я, на самом деле, не всё понял. Мне больше интересно про то, а как это запомнить.

Как запомнить Цикл Кребса? Стих!

Есть замечательный стих, который позволяет запомнить этот цикл. Автор данного стиха бывшая студентка КГМУ, сочинила его ещё в 1996 году.

ЩУК у АЦЕТИЛ ЛИМОН ил,
Но нарЦИС сА КОН ь боялся,
Он над ним ИЗОЛИМОНН о
АЛЬФА-КЕТОГЛУТАР ался.

СУКЦИНИЛ ся КОЭНЗИМ ом,
ЯНТАР ился ФУМАРОВ о,
ЯБЛОЧ ек припас на зиму,
Обернулся ЩУК ой снова.

Здесь последовательно зашифрованы субстраты реакций цикла трикарбоновых кислот:

• АЦЕТИЛ-коэнзим А
• ЛИМОНная кислота
• ЦИСАКОНитовая кислота
• ИЗОЛИМОННая кислота
• АЛЬФА-КЕТОГЛУТАРовая кислота
• СУКЦИНИЛ-КОЭНЗИМ A
• ЯНТАРная кислота
• ФУМАРОВая кислота
• ЯБЛОЧная кислота
• ЩУК (щавелевоуксусная кислота)

Ещё один стих для запоминания цикла трикарбоновых кислот:

ЩУКа съела ацетат, получается цитрaт,
Через цисaконитaт будет он изоцитрaт.

Вoдoрoды отдaв НАД, oн теряет СО2,
Этoму безмернo рaд aльфa-кетоглутaрaт.

Окисление грядет - НАД похитил вoдoрoд,
ТДФ, коэнзим А забирают СО2.

А энергия едва в сукциниле пoявилась,
Сразу АТФ рoдилась и oстался сукцинат.

Вот дoбрался он дo ФАДа - вoдoрoды тому надo,
Фумарат воды напился, и в малат oн превратился.

Тут к малату НАД пришел, вoдoрoды приобрел,
ЩУКа снoва oбъявилась и тихoнькo затаилась.

Стих — это неплохо. Его, конечно, еще запомнить надо, тогда вопрос: «Как запомнить цикл Кребса» волновать студентов не будет.

Как запомнить Цикл Кребса? История!

Я вдобавок предлагаю вот какую штуку — каждую из этих стадий (кислоту) преобразовать в образы и картинки:

ЩУКА — щавелевоуксусная кислота
АЦ тек сражается с ЕТИ — ацетил-коэнзим А
ЛИМОН — лимонная кислота
ЦИС терна с КОН ями — цисаконитовая
Рисованный на холсте (ИЗО ) ЛИМОН — изолимонная кислота
АЛЬФ держит ГЛУ бокую ТАР у — альфа-кетоглутаровая кислота
на СУК у сидит и пилит его ЦИНИ к — сукцинил-коэнзим А
ЯНТАРЬ — янтарная кислота
в ФУ ражке МАР ля — фумаровая кислота
ЯБЛОКО — яблочная кислота

Альф Ацтек
Янтарь Ети

Теперь вам нужно соединить их последовательно друг с другом. И тогда Цикл Кребса запомнится следующим образом.

Возле широкой реки ЩУКИ стали выпрыгивать из воды и нападать на АЦтека и ЕТИ, которые из без низ сражались друг с другом. Закидав их ЛИМОНами ацтек и ети сели на цистерну с конями и побыстрее стали убираться с этого места. Они не заметили как врезались в ворота, на которых был изображен(ИЗО) ЛИМОН. Изнутри ворота им открыл АЛЬФ, держащий стеклянную ГЛУбокую ТАРу. В это время сидящий на СУКу ЦИНИк стал забрасывать их ЯНТАРНыми камнями. Прикрываясь ФУражками с МАРлей наши герои спрятались за огромные ЯБЛОКи. Но оказывается ЩУКи оказались хитрыми и поджидали их за яблоками.

Фууф, наконец-то дописал эту историю. Дело в том, что придумать такую историю в голове — очень быстро. Буквально 1-2 минуты. А вот изложить её текстом, да ещё так, чтобы поняли окружающие это совсем другое.

Запоминание цикла Кребса акронимом

Целый Ананас И Кусочек Суфле Сегодня Фактически Мой Обед , что соответствует- цитрат, цис-аконитат, изоцитрат, (альфа-)кетоглутарат, сукцинил-CoA, сукцинат, фумарат, малат, оксалоацетат.

Надеюсь, теперь вам понятно, как можно запомнить Цикл Кребса.

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

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 (ЦИКЛ КРЕБСА)

Гликолиз превращает глюкозу в пируват и продуцирует две молекулы АТФ из молекулы глюкозы - это небольшая часть потенциальной энергии этой молекулы.

При аэробных условиях пируват из гликолиза превращается в ацетил-КоА и окисляется в С0 2 в цикле трикарбоновых кислот (цикл лимонной кислоты). При этом электроны, освобождающиеся в реакциях этого цикла, проходят НАДН и ФАДН 2 на 0 2 - конечный акцептор. Электронный транспорт сопряжен с созданием протонного градиента мембраны митохондрий, энергия которого используется затем на синтез АТФ в результате окислительного фосфорилирования. Рассмотрим эти реакции.

В аэробных условиях пировиноградная кислота (1-й этап) подвергается окислительному декарбоксилированию, более эффективному, чем трансформация в молочную кислоту, с образованием ацетил-КоА (2-й этап), который может окисляться до конечных продуктов распада глюкозы - С0 2 и Н 2 0 (3-й этап). Г. Кребс (1900-1981), немецкий биохимик, изучив окисление отдельных органических кислот, объединил их реакции в единый цикл. Поэтому в его честь цикл трикарбоновых кислот часто называют циклом Кребса.

Окисление пировиноградной кислоты до ацетил-КоА происходит в митохондриях при участии трех ферментов (пируватде- гидрогеназа, липоамиддегидрогеназа, липоилацетилтрансфера- за) и пяти коферментов (НАД, ФАД, тиаминпирофосфат, амид липоевой кислоты, коэнзим А). В составе этих четырех коферментов находятся витамины группы В (В х, В 2 , В 3 , В 5), что свидетельствует о необходимости этих витаминов для нормального окисления углеводов. Под влиянием этой сложной ферментной системы пируват в реакции окислительного декарбоксилирования превращается в активную форму уксусной кислоты - ацетил- коэнзим А:

При физиологических условиях пируватдегидрогеназа - исключительно необратимый фермент, что объясняет невозможность конверсии жирных кислот в углеводы.

Наличие макроэргической связи в молекуле ацетил-КоА указывает на высокую реакционную способность этого соединения. В частности, ацетил-КоА может выступать в митохондриях для генерации энергии, в печени избыток ацетил-КоА поступает на синтез кетоновых тел, в цитозоле участвует в синтезах сложных молекул, таких как стериды и жирные кислоты.

Полученный в реакции окислительного декарбоксилирова- ния пировиноградной кислоты ацетил-КоА вступает в цикл три- карбоновых кислот (цикл Кребса). Цикл Кребса - финальный катаболический путь окисления углеводов, жиров, аминокислот, является по существу «метаболическим котлом». Реакции цикла Кребса, протекающие исключительно в митохондриях, также носят название цикла лимонной кислоты или цикла три- карбоновых кислот (ЦТК).

Одной из важнейших функций цикла трикарбоновых кислот является генерация восстановленных коферментов (3 молекулы НАДН + Н + и 1 молекула ФАДН 2) с последующим переносом атомов водорода или их электронов к конечному акцептору - молекулярному кислороду. Этот транспорт сопровождается большим уменьшением свободной энергии, часть которой используется в процессе окислительного фосфорилирования для запасания в форме АТФ. Понятно, что цикл трикарбоновых кислот является аэробным, зависимым от кислорода.

1. Начальная реакция цикла трикарбоновых кислот представляет конденсацию ацетил-КоА и щавелево-уксусной кислоты с участием фермента цитратсинтазы митохондриального матрикса с образованием лимонной кислоты.

2. Под влиянием фермента аконитазы, катализирующего удаление молекулы воды из цитрата, последний превращается

в цыс-аконитовую кислоту. Вода комбинирует с цыс-аконито- вой кислотой, превращаясь в изолимонную.

3. Затем фермент изоцитратдегидрогеназа катализирует первую дегидрогеназную реакцию цикла лимонной кислоты, когда изолимонная кислота превращается в реакции окислительного декарбоксилирования в а-кетоглутаровую:

В этой реакции образуется первая молекула С0 2 и первая молекула НАДН 4- Н + цикла.

4. Дальнейшее превращение а-кетоглутаровой кислоты в сукцинил-КоА катализируется мультиферментным комплексом а-кетоглутаровой дегидрогеназы. Эта реакция химически является аналогом пируватдегидрогеназной реакции. В ней участвуют липоевая кислота, тиаминпирофосфат, HS-KoA, НАД + , ФАД.

В результате этой реакции вновь образуется молекула НАДН + Н + и С0 2 .

5. Молекула сукцинил-КоА имеет макроэргическую связь, энергия которой сохраняется в следующей реакции в форме ГТФ. Под влиянием фермента сукцинил-КоА-синтетазы сукци- нил-КоА превращается в свободную янтарную кислоту. Отметим, что янтарная кислота также может быть получена из ме- тилмалонил-КоА при окислении жирных кислот с нечетным числом атомов углерода.

Эта реакция является примером субстратного фосфорилирования, так как макроэргическая молекула ГТФ в данном случае образуется без участия цепи транспорта электронов и кислорода.

6. Янтарная кислота окисляется в фумаровую кислоту в сук- цинатдегидрогеназной реакции. Сукцинатдегидрогеназа, типичный железосеросодержащий фермент, коферментом которого является ФАД. Сукцинатдегидрогеназа - единственный фермент, фиксируемый на внутренней митохондриальной мембране, тогда как все другие ферменты цикла находятся в митохондриальном матриксе.

7. Затем следует гидратация фумаровой кислоты в яблочную кислоту под влиянием фермента фумаразы в обратимой реакции при физиологических условиях:

8. Финальной реакцией цикла трикарбоновых кислот является малатдегидрогеназная реакция с участием активного фермента митохондриальной НАД~-зависимой малатдегидро- геназы, в которой образуется третья молекула восстановленного НАДН + Н + :

Образованием щавелево-уксусной кислоты (оксалоацетата) завершается один оборот цикла трикарбоновых кислот. Щавелево-уксусная кислота может быть использована в окислении второй молекулы ацетил-КоА, и этот цикл реакций может неоднократно повторяться, постоянно приводя к получению щавелево-уксусной кислоты.

Таким образом, окисление в ЦТК одной молекулы ацетил- КоА как субстрата цикла приводит к получению одной молекулы ГТФ, трех молекул НАДФ + Н + и одной молекулы ФАДН 2 . Окисление этих восстановителей в цепи биологического окис-

ления приводит к синтезу 12 молекул АТФ. Этот расчет понятен из темы «Биологическое окисление»: включение одной молекулы НАД + в систему транспорта электронов сопровождается в конечном счете образованием 3 молекул АТФ, включение молекулы ФАДН 2 обеспечивает образование 2 молекул АТФ и одна молекула ГТФ эквивалентна 1 молекуле АТФ.

Отметим, что два атома углерода адетил-КоА вступают в цикл трикарбоновых кислот и два атома углерода покидают цикл в виде С0 2 в реакциях декарбоксилирования, катализируемых изоцитратдегидрогеназой и альфа-кетоглутарат-дегид- рогеназой.

При полном окислении молекулы глюкозы в аэробных условиях до С0 2 и Н 2 0 образование энергии в форме АТФ составляет:

• 4 молекулы АТФ при конверсии молекулы глюкозы в 2 молекулы пировиноградной кислоты (гликолиз);
• 6 молекул АТФ, образующиеся в 3-фосфоглицеральдегид- дегидрогеназной реакции (гликолиз);
• 30 молекул АТФ, образующиеся при окислении двух молекул пировиноградной кислоты в пируватдегидрогеназной реакции и в последующих превращениях двух молекул аце- тил-КоА до С0 2 и Н 2 0 в цикле трикарбоновых кислот. Следовательно, общий выход энергии при полном окислении молекулы глюкозы может составлять 40 молекул АТФ. Однако следует принять во внимание, что при окислении глюкозы на стадии превращения глюкозы в глюкозо-6-фосфат и на стадии превращения фруктозо-6-фосфата во фруктозо-1,6-дифосфат затрачено две молекулы АТФ. Поэтому «чистый» выход энергии при окислении молекулы глюкозы составляет 38 молекул АТФ.

Можно сравнить энергетику анаэробного гликолиза и аэробного катаболизма глюкозы. Из 688 ккал энергии, теоретически заключенных в 1 грамм-молекуле глюкозы (180 г), 20 ккал находятся в двух молекулах АТФ, образующихся в реакциях анаэробного гликолиза, и 628 ккал теоретически остаются в форме молочной кислоты.

В аэробных условиях из 688 ккал грамм-молекулы глюкозы в 38 молекулах АТФ получено 380 ккал. Таким образом, эффективность использования глюкозы в аэробных условиях выше, чем в анаэробном гликолизе, примерно в 19 раз.

Следует указать, что все реакции окисления (окисление три- озофосфата, пировиноградной кислоты, четыре реакции окисления цикла трикарбоновых кислот) конкурируют в синтезе АТФ из АДФ и Ф неор (эффект Пастера). Это значит, что образующаяся молекула НАДН + Н + в реакциях окисления имеет выбор между реакциями дыхательной системы, переносящими водород на кислород, и ферментом ЛДГ, передающим водород на пировиноградную кислоту.

На ранних стадиях цикла трикарбоновых кислот его кислоты могут выходить из цикла для участия в синтезе других соединений клетки без нарушений функционирования самого цикла. Различные факторы вовлекаются в регуляцию активности цикла трикарбоновых кислот. Среди них в первую очередь следует назвать поступление молекул ацетил-КоА, активность пируватдегидрогеназного комплекса, активность компонентов дыхательной цепи и сопряженное с ней окислительное фосфорилирование, а также уровень щавелево-уксусной кислоты.

Молекулярный кислород непосредственно не участвует в цикле трикарбоновых кислот, однако его реакции осуществляются только в аэробных условиях, так как НАД~ и ФАД могут быть регенерированы в митохондриях лишь при переносе электронов на молекулярный кислород. Следует подчеркнуть, что гликолиз, в отличие от цикла трикарбоновых кислот, возможен и при анаэробных условиях, так как НАД~ регенерируется при переходе пировиноградной кислоты в молочную.

Помимо образования АТФ, цикл трикарбоновых кислот имеет еще одно важное значение: цикл обеспечивает структурами-посредниками различные биосинтезы организма. Например, большинство атомов порфиринов происходит из сукцинил- КоА, многие аминокислоты являются производными а-кето- глутаровой и щавелево-уксусной кислот, а фумаровая кислота имеет место в процессе синтеза мочевины. В этом проявляется интегральность цикла трикарбоновых кислот в обмене углеводов, жиров, белков.

Как показывают реакции гликолиза, способность большинства клеток генерировать энергию заключена в их митохондриях. Число митохондрий в различных тканях связано с физиологическими функциями тканей и отражает их возможность участия в аэробных условиях. Например, эритроциты не имеют митохондрий и, следовательно, не обладают способностью генерировать энергию, используя кислород как конечный акцептор электронов. Однако в сердечной мышце, функционирующей в аэробных условиях, половина объема цитоплазмы клеток представлена митохондриями. Печень также зависит от аэробных условий для своих различных функций, и гепатоциты млекопитающих содержат до 2 тыс. митохондрий в одной клетке.

Митохондрии включают две мембраны - внешнюю и внутреннюю. Внешняя мембрана более простая, состоящая из 50% жиров и 50% белков, имеет сравнительно мало функций. Внутренняя мембрана структурно и функционально представляется более сложной. Примерно 80% ее объема составляют белки. Она содержит большинство ферментов, участвующих в электронном транспорте и окислительном фосфорилировании, метаболические посредники и аденин-нуклеотиды между цитозолем и митохондриальным матриксом.

Различные нуклеотиды, вовлекаемые в окислительно-восстановительные реакции, такие как НАД + , НАДН, НАДФ + , ФАД и ФАДН 2 , не проникают сквозь внутреннюю митохондриальную мембрану. Ацетил-КоА не может поступать из митохондриального отдела в цитозоль, где он требуется для синтеза жирных кислот или стеролов. Поэтому внутримитохондри- альный ацетил-КоА конвертируется в цитрат-синтазной реакции цикла трикарбоновых кислот и в таком виде поступает в цитозоль.