Цикл кребса кратко и понятно биохимия видео

Обновлено: 04.07.2024

1. Матрикс митохондрии содержит все ферменты цикла Кребса. В митохондриях ПВК превращается в ацетил-кофермент А (за счет присоединения КоА). В КоА входит адениловый нуклеотид, а также пантотеновая кислота (синтезируется в кишечнике человека бактериями). Надо помнить, что окисляться могут и жирные кислоты, и аминокислоты — но в результате всегда создается именно ацетил-КоА. При этом идет восстановление HAДН из НАД+ и выделяется СО₂.

2. Ацетил-КоА объединяется с молекулой щавелеускусной кислоты, происходит образование лимонной кислоты.

3. Дальше лимонная кислота продолжает окисляться в процессе ферментных реакций.

1) Восстанавливаются 3 молекулы НАДН, одна молекула ФАДН2, и ГТФ (гуанозинтрифосфат).

2) ГТФ используется для фосфорилирования АДФ и образования АТФ.

3) Лимонная кислота утрачивает 2 углеродных атома, в результате чего возникают две молекулы СО₂.

4. Пройдя одну за другой семь реакций, лимонная кислота вновь превращается в щавелеуксусную, а та, в свою очередь, вновь соединяется с ацетил-КоА. Цикл замыкается.

1) В лимонной кислоте словно бы сгорает присоединившийся ранее остаток ацетил-КоА.

2) Протоны водорода и электроны переносятся на акцепторы — НАД+ и ФАД.

3) В итоге энергия органических соединений аккумулируется в молекулах НАДН, ФАДН₂, АТФ.

4) К тому же, подчеркнем, в цикле Кребса идет выделение CO₂.

Цепь переноса электронов. Окислительное фосфорилирование

1. Электроны от НАДН и ФАДН₂ переносятся по цепи переноса электронов (которая имеет много звеньев) к конечному акцептору — кислороду. В ходе этого процесса освобождается энергия электронов НАДН и ФАДН₂, которая идет на синтез АТФ из АДФ. Именно потому данный процесс и назван фосфорилированием. При этом электроны концентрируются с внутренней стороны крист, а протоны с внешней (противоположно тому, как это было в хлоропластах).

2. Перенос электронов идет по цепи, расположенной с внутренней стороны внутренней мембраны митохондрий, где находятся ряд переносчиков. Самый сильный акцептор электронов — в конце цепи — кислород. Промежуточные переносчики: убихинон, ФМН, НАДН-дегидрогеназа, цитохромы b, с1, с, цитохромоксидаза — комплекс цитохромов а и а3 (в них есть атомы меди).

3. Куда идут атомы водорода и электроны? Атомы водорода, электроны от НАДН и ФАДН₂ отправляются на внутреннюю сторону мембраны митохондрии. Протоны идут в межмембранное пространство, лежащее между двумя мембранами митохондрий, наружной и внутренней, формируя протонный резервуар. А электроны атома водорода остаются на внутренней стороне мембраны, где они и концентрируются. Так создается разность потенциалов.

4. Протоны двигаются через канал в молекуле фермента АТФ-синтетазы при достижении разности потенциалов определенной величины. АТФ-синтетазы встроены во внутренние мембраны митохондрий. Они образуют АТФ из АДФ. Энергия протонов при движении их через канал фермента расходуется на синтез АТФ. По мере образования АТФ протонный резервуар теряет свою энергию.

5. Внутри митохондрий катионы водорода Н+, соединяясь с кислородом и электронами, образуют воду: 2Н+ + 0,5О₂ = Н₂О.

6. Подведем итог. В цикле трикарбоновых кислот образуются НАДН, ФАДН₂, СО₂. При окислительном фосфорилировании образуются 34 АТФ, 6Н₂О. В результате окисление одной молекулы глюкозы дает 38 АТФ, 6 СО₂, 6Н₂О.

1) КПД кислородного этапа — 55 процентов.

2) 45 процентов энергии теряется в виде тепла.

3) АТФ идет на химическую работу (биосинтез), механическую (мышцы), осмотическую (накопление и вывод веществ), электрическую (нервная ткань).

Цикл трикарбоновых кислот - он же цикл Кребса, поскольку существование такого цикла было предположено Гансом Кребсом в 1937 году. [2]
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.

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.

Далее три обратимые стадии: дегидрирование сукцината в фумарат, присоединение воды с образованием малата и окисление, дающее снова оксалоацетат. Круг замыкается.

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 по теме:
1. Цикл называется циклом трикарбоновых кислот, хотя не все его продукты являются трикарбоновыми кислотами (таковых всего три: лимонная, цис-аконитовая и изолимонная). Название прижилось по историческим причинам.
2. Потери энергии в цикле, несмотря на большое количество стадий, довольно малы: это обеспечивается подходящим соотношением концентрации исходных веществ и продуктов.

Основой жизнедеятельности любого организма является аденозинтрифосфат — вещество, которое получается во время сложной цепи химических реакций. Этот процесс, происходящий в каждой клетке, продолжается непрерывно. Он называется циклом Кребса в честь немецкого ученого, занимавшегося изучением влияния некоторых кислот на преобразования глюкозы. В биохимии используется и другое название — цикл трикарбоновых кислот (ЦТК).

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.

Метаболизм веществ

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

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:

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

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.

Cхема цикла Кребса － это основная часть катаболических процессов, протекающих внутри клеток у человека и животных. Остаточные ацетильные продукты жизнедеятельности окисляются до уровня диоксида углерода.

В течение одного цикла формируется 2 молекулы СО2, а внутриклеточные электроны перенаправляются на дыхательную цепь, где под действием окислительной реакции фосфорилирования синтезируется АТФ. Аналогичный процесс энергетического обмена наблюдается у растений в момент фотосинтеза.

Что такое цикл Кребса, где происходит

Цикл Кребса (ЦК) － это комплекс химических реакций по преобразованию и расщеплению трикарбоновых кислот, во время которого осуществляется дыхание всех клеток человеческого организма. Данный процесс считается промежуточной стадией между электротранспортной цепью и гликолизом, а также содержит пересечение нескольких путей активного метаболизма.

Окислительное фосфорилирование с превращением молекул лимонной кислоты внутри живых клеток, поглощающих кислород, впервые было изучено биохимиком немецкого происхождения Хансом Кребсом в 1953 г., за что вместе со своим коллегой Ф. Липманом, он стал лауреатом Нобелевской премии.

Ученым удалось доказать, что энергетический выход АТФ, реакции дегидрирования, субстратное фосфорилирование протекают в митохондриях клеток эукариотов. У большинства бактериальных микроорганизмов подобные биохимические процессы происходят в цитозоле.

На начальном этапе цикла трикарбоновых кислот химическое вещество ацетил-КоА делится своей ацетильной группой с четырех углеродной щавелево-уксусной кислотой. В результате этой реакции образуется цитрат шестиуглеродного типа.

Ацетил-КоА － это продукт внутриклеточного окисления глюкозы, липидных кислот и протеиновых аминокислот. Цитрат, образующийся во время ЦК, изомерируется в новый метаболит － изоцитрат. Это вещество подвергается дегидратации и декарбоксилации до состояния пятиуглеродной кислоты (альфа-кетоглутарата).

Функции цикла Кребса

В ходе цикла Кребса образуется жизненно необходимая энергия для работы всего организма. В таблице ниже описаны функции циклического процесса по преобразованию и расщеплению трикарбоновых кислот.

Функции цикла Кребса	Характеристика биохимического процесса
Интегративная	Выполняет роль связующего звена между химическими реакциями анаболизма и катаболизма с образованием активных метаболитов.
Катаболическая	Во время ЦК ацетильные остатки внутри клеток подвергаются окислению до уровня конечных продуктов, которые выполняют функцию энергетически емких молекул. Например, биохимические вещества глицерол, протеиновые аминокислоты, глюкоза, липидные кислоты.
Анаболическая	Субстраты цикла Кребса являются основой для биохимического синтеза молекул новых веществ, способных превращаться в сукцинил-КоА, щавельную кислоту, сложные аминокислоты, глюкозу.
Водороддонорная	В процессе ЦК равномерно распределяются субстраты, необходимые для дыхательной цепи клетки. Это НАД-зависмые продукты, сукцинат, изоцитрат и альфа-кетоглутарат, малат.
Энергетическая	В цикле Кребса образуется биохимическое вещество сукцинил-КоА, участвующее в субстратном фосфорилировании с синтезом 1 молекулы макроэрга. Не менее 4 дегидрогеназных химических реакций создают внутри клетки мощный импульс заряженных электронов, обогащенных жизненной энергией. Эти электроны направляются в структуру дыхательной цепи мембраны митохондрий. Конечным звеном биохимического взаимодействия электронов является кислород, во время контакта с которым выделяется объем энергии, позволяющий сформировать 9 полноценных молекул АТФ

Ферменты цикла Кребса постоянно пополняются за счет реализации анаболической функции. Биохимические реакции анаплеротического типа обеспечивают круглосуточное восполнение субстратов, необходимых для преобразования и расщепления трикарбоновых кислот, восстановления численного количества молекул АТФ.

Метаболизм веществ

Регуляция цикла Кребса в части внутриклеточного обмена веществ происходит путем ингибирования первого фермента в форме цитратсинтазы липидными кислотами.

Катализация биохимических реакций, связанных с метаболизмом веществ, обеспечивается лимитирующим ферментом, функцию которого выполняет соединение изоцитратДГ. Этот компонент активирует АДФ и ингибирует молекулы АТФ.

Когда клетка человека находится в состоянии покоя, скорость метаболических процессов и цикла Кребса снижается. В моменты активного распада молекул АТФ под действием физических нагрузок активируется скорость внутриклеточного обмена веществ и цикла трикарбоновых кислот.

Клеточное дыхание

Роль цикла Кребса в обеспечении клеточного дыхания － это участие в процессе окисления молекул водорода соединениями кислорода до состояния воды с применением ферментов дыхательной цепи. Первая реакция биохимического процесса имеет следующую формулу:

2Н2+2Н2О+Е (на этой стадии фотолиза воды происходит выделение энергии в 230 кДж/моль).

Продукты цикла Кребса в дыхательной цепи － это последовательный ряд транспортировщиков электронов на молекулы кислорода, локализованный внутри мембран митохондрий. Обеспечение функции клеточного дыхания и роль биохимических переносчиков выполняют следующие вещества:

протоны и электроны;
атомы меди и оксида железа в структуре цитохромов;
железосерные протеины;
убихинон, являющийся жирорастворимым транспортировщиком электронов;
активная форма витамина В2.

Целью клеточного дыхания в ЦК является проведение окислительной реакции с выделением эндогенной воды. Обогащение тканей кислородом обеспечивается фосфорилированием.

Стадии и реакции цикла Кребса

В таблице ниже перечислены основные этапы цикла Кребса.

Стадии цикла трикарбоновых кислот	Характеристика биохимического процесса
Стадия 1. Синтез цитрат-иона	Первая биохимическая реакция с необратимой конденсацией ацетил-КоА, взаимодействием с оксалоацетатом и образованием цитрата.
Стадия 2. Создание изоцитрата посредством цис-аконитата	Ферментное вещество аконитаза изомеризирует цитрат путем его катализации с образованием промежуточного соединения в виде цис-аконитата.
Стадия 3. Окисление изоцитрата	Происходит катализация изоцитратдегидрогеназы с помощью окислительного декарбоксилирования с появлением нового вещества альфа-кетоглутарат.
Стадия 4. Окисление альфа-кетоглутарата	Трикарбоновые кислоты подвергаются окислительному декарбоксилированию, в процессе которого альфа-кетоглутарат преобразовывается в сукцинил КоА и углекислый газ.
Стадия 5. Преобразование сукцинила-КоА в вещество сукцинат	Объем энергии, которая выделяется в процессе распада тиоэфирной связи, используется во время построения фосфоангидридной цепи. На этой стадии сукцинил-КоА преобразовывается в биологически активное вещество сукцинат.
Стадия 6. Процесс окисления сукцината до уровня фумарата	Под влиянием ферментного вещества флавопротеин сукцинатдегидрогеназа сукцинат окисляется в вещество фумарат.
Стадия 7. Начало гидратации фумарата	Запускается обратимый процесс гидратации фумарата с синтезом L-малата. Катализация происходит с использованием ферментного вещества фумараза.
Стадия 8. Окисление малата	Последняя реакция цикла Кребса, когда биохимическое соединение L-малат, катализируется до уровня оксалоацетата.

Прохождение вышеперечисленных стадий ЦК невозможно без окислительных свойств ферментных веществ, которые выступают аллостерическими ингибиторами биохимических реакций.

Стих Цикл Кребса

Значение и биологическая роль цикла Кребса

Чтобы разъяснить важное значение цикла Кребса, достаточно ответить на следующие вопросы:

Во время прохождения всех стадий ЦК образует 9 молекул АТФ.

Какова роль ферментативного конвейера цикла Кребса?

Научно доказано, что ферментативный конвейер цикла Кребса принимает участие в окислительных реакциях.

Какие химические реакции составляют основу цикла Кребса?

В основе цикла трикарбоновых кислот лежат катаболические и анаболические реакции окислительного типа.

Финальным результатом ЦК является генерация внутриклеточной энергии, осуществление дыхания клеток, успешное завершение метаболических процессов.

Основными метаболитами ЦК являются биологически активные вещества, которые подвергаются многократным окислительным реакциям на разных стадиях преобразования и расщепления трикарбоновых кислот.

Цикл Кребса объединяет окислительные и неокислительные стадии, на которых происходит образование энергетически емких молекул АТФ, протекают окислительные реакции, расщепляются липидные кислоты, протеиновые аминокислоты и глюкоза. Дыхание клеток, поглощающих кислород, обеспечивается данным циклом трикарбоновых кислот.

Читайте также: