Цикл кребса растений кратко

Обновлено: 05.07.2024

ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ ЦИКЛ – цикл лимонной кислоты или цикл Кребса – широко представленный в организмах животных, растений и микробов путь окислительных превращений ди- и трикарбоновых кислот, образующихся в качестве промежуточных продуктов при распаде и синтезе белков, жиров и углеводов. Открыт Х.Кребсом и У.Джонсоном (1937). Этот цикл является основой метаболизма и выполняет две важных функции – снабжения организма энергией и интеграции всех главных метаболических потоков, как катаболических (биорасщепление), так и анаболических (биосинтез).

Цикл Кребса состоит из 8 стадий (в двух стадиях на схеме выделены промежуточные продукты), в ходе которых происходит:

1) полное окисление ацетильного остатка до двух молекул СО₂,

2) образуются три молекулы восстановленного никотинамидадениндинуклеотида (НАДН) и одна восстановленного флавинадениндинуклеотида (ФАДН₂), что является главным источником энергии, производимой в цикле и

3) образуется одна молекула гуанозинтрифосфата (ГТФ) в результате так называемого субстратного окисления.

В целом, путь энргетически выгоден (DG 0 ' = –14,8 ккал.)

Цикл Кребса, локализованный в митохондриях, начинается с лимонной кислоты (цитрат) и заканчивается образованием щавелевоуксусной кислоты (оксалоацетата – ОА). К субстратам цикла относятся трикарбоновые кислоты – лимонная, цис-аконитовая, изолимонная, щавелевоянтарная (оксалосукцинат) и дикарбоновые кислоты – 2-кетоглутаровая (КГ), янтарная, фумаровая, яблочная (малат) и щавелевоуксусная. К субстратам цикла Кребса следует отнести и уксусную кислоту, которая в активной форме (т.е. в виде ацетилкофермента А, ацетил-SКоА) участвует в конденсации с щавелевоуксусной кислотой, приводящей к образованию лимонной кислоты. Окисляется именно ацетильный остаток, вошедший в структуру лимонной кислоты, подвергается окислению; атомы углерода окисляются до CO₂, атомы водорода частично акцептируются коферментами дегидрогеназ, частично в протонированной форме переходят в раствор, то есть в окружающую среду.

Как исходное соединение для образования ацетил-КоА обычно указывается пировиноградная кислота (пируват), образующаяся при гликолизе и занимающая одно из центральных мест в перекрещивающихся путях обмена веществ. Под влиянием фермента сложной структуры – пируватдегидрогеназы (КФ1.2.4.1 – ПДГаза) пирувата окисляется с образованием CO₂ (первое декарбоксилирование), ацетил-КоА и восстановливается НАД (см. схему). Однако окисление пирувата – далеко не единственный путь образования ацетил-КоА, который также является характерным продуктом окисления жирных кислот (фермент тиолаза или синтетаза жирных кислот) и других реакций разложения углеводов и аминокислот. Все ферменты, участвующие в реакциях цикла Кребса, локализованы в митохондриях, причем большинство из них растворимы, а сукцинатдегидрогеназа (КФ1.3.99.1) прочно связана с мембранными структурами.

Образование лимонной кислоты, с синтеза которой и начинается собственно цикл, при помощи цитратсинтазы (КФ4.1.3.7 – конденсирующий фермент на схеме), является реакцией эндергонической (с поглощением энергии), и ее реализация возможна благодаря использованию богатой энергией связи ацетильного остатка с KoA [СН₃СО~SKoA]. Это главная стадия регуляции всего цикла. Далее следует изомеризация лимонной кислоты в изолимонную через промежуточную стадию образования цис-аконитовой кислоты (фермент аконитаза КФ4.2.1.3, обладает абсолютной стереоспецифичностью – чувствительностью к местоположению водорода). Продуктом дальнейшего превращения изолимонной кислоты под влиянием соответствующей дегидрогеназы (изоцитратдегидрогеназа КФ1.1.1.41) является, по-видимому, щавелевоянтарная кислота, декарбоксилирование которой (вторая молекула CO₂) приводит к КГ. Эта стадия также строго регулируется. По ряду характеристик (высокая молекулярная масса, сложная многокомпонентная структура, ступенчатые реакции, частично те же коферменты и т.д.) КГдегидрогеназа (КФ1.2.4.2) напоминает ПДГазу. Продуктами реакции являются CO₂ (третье декарбоксилирование), Н + и сукцинил-КоА. На этой стадии включается сукцинил-КоА-синтетаза, иначе называемая сукцинаттиокиназой (КФ6.2.1.4), катализирующая обратимую реакцию образования свободного сукцината: Сукцинил-КоА + Р_неорг + ГДФ = Сукцинат + KoA + ГТФ. При этой реакции осуществляется так называемое субстратное фосфорилирование, т.е. образование богатого энергией гуанозинтрифосфата (ГТФ) за счет гуанозиндифосфата (ГДФ) и минерального фосфата (Р_неорг) с использованием энергии сукцинил-КоА. После образования сукцината вступает в действие сукцинатдегидрогеназа (КФ1.3.99.1) – флавопротеид, приводящий к фумаровой кислоте. ФАД соединен с белковой частью фермента и является метаболически активной формой рибофлавина (витамин В₂). Этот фермент также характеризуется абсолютной стереоспецифичностью элиминирования водорода. Фумараза (КФ4.2.1.2) обеспечивает равновесие между фумаровой кислотой и яблочной (также стереоспецифична), а дегидрогеназа яблочной кислоты (малатдегидрогеназа КФ1.1.1.37, нуждающаяся в коферменте НАД + , также стереоспецифична ) приводит к завершению цикла Кребса, то есть к образованию щавелевоуксусной кислоты. После этого повторяется реакция конденсации щавелевоуксусной кислотой с ацетил-КоА, приводящая к образованию лимонной кислоты, и цикл возобновляется.

Сукцинатдегидрогеназа входит в состав более сложного сукцинатдегидрогеназного комплекса (комплекса II) дыхательной цепи, поставляя восстановительные эквиваленты, (НАД-Н₂), образующиеся прив реакции, в дыхательную цепь.

На примере ПДГазы можно познакомиться с принципом каскадной регуляции активности метаболизма за счет фосфорилирования-дефосфорилирования соответствующего фермента специальными киназой и фосфатазой ПДГазы. Обе они присоединены к ПДГазе.

В анаэробных условиях вместо цикла Кребса функционируют его окислительная ветвь до КГ (реакции 1, 2, 3) и восстановительная – от ОА до сукцината (реакции 8®7®6). При этом много энергии не запасается и цикл поставляет только интермедиаты для клеточных синтезов.

При переходе организма от покоя к активности возникает потребность в мобилизации энергии и обменных процессов. Это, в частности, достигается у животных шунтированием наиболее медленных реакций (1–3) и преимущественным окислением сукцината. При этом КГ – исходный субстрат укороченного цикла Кребса – образуется в реакции быстрого переаминирования (переноса аминной группы)

Глутамат + ОА = КГ + аспартат

Другая модификация цикла Кребса (так называемый 4-аминобутиратный шунт) – это превращение КГ в сукцинат через глутамат, 4-аминобутират и янтарный семиальдегид (3-формилпропионовую кислоту). Эта модификация важна в ткани мозга, где около 10% глюкозы расщепляется по этому пути.

Тесное сопряжение цикла Кребса с дыхательной цепью, особенно в митохондриях животных, а также ингибирование большинства ферментов цикла под действием АТФ, предопределяют снижение активности цикла при высоком фосфорильном потенциале клетки, т.е. при высоком соотношении концентраций АТФ/АДФ. У большинства растений, бактерий и многих грибов тесное сопряжение преодолевается развитием несопряженных альтернативных путей окисления, позволяющих поддерживать одновременно дыхательную активность и активность цикла на высоком уровне даже при высоком фосфорильном потенциале.

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.

История изучения

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

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.

Клеточное дыхание

Гликолиз происходит в цитоплазме.
В матриксе митохондрий проходят все химические реакции цикла Кребса.
Окислительное фосфорилирование на внутренней мембране митохондрий.

Описание процесса

Начальные этапы

Замыкание цикла

Последняя реакция цикла трикарбоновых кислот малат окисляется до щавелевоуксусной кислоты. Первая стадия следующего ЦК начинается с новой молекулы ацетил-КоА.

Значение и функции

энергетическая;
анаболическая;
катаболическая;
транспортная.

НАД*H+(Никотинамидадениндинуклеотид с катионом водорода). Образуется на III стадии ЦК.
ФАД*H2 (Флавинадениндинуклеотид с молекулой водорода). Появляется на V стадии ЦК.

Результатом цикла Кребса является синтез небольшого количества АТФ и образование НАД · H₂, который далее направляется на следующий этап клеточного дыхания – дыхательную цепь (окислительное фосфорилирование), расположенную на внутренней мембране митохондрий.

Образовавшаяся в результате гликолиза 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 CO₂, 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) – CH₃CO~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 CO₂. При этом для окисления используется кислород, отщепляемый от двух молекул воды, а не молекулярный. Процесс называется окислительным декарбоксилированием. 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 CO₂.

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 (O₂) 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 CO₂, 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.

Читайте также: