If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Если вы используете веб-фильтр, пожалуйста, убедитесь, что домены *.kastatic.org и *.kasandbox.org разблокированы.

Основное содержание

Биология

Course: Биология > Модуль 9

Урок 4: Окисление пирувата и цикл лимонной кислоты
Естественные науки
Биология
Клеточное дыхание
Окисление пирувата и цикл лимонной кислоты
© 2023 Khan AcademyУсловия использования материалов сайтаПолитика конфиденциальностиCookie Notice

Цитратный Цикл

Классная комната Google
Обзор и этапы цикла лимонной кислоты, также известного как цикл Кребса или цикл трикарбоновых кислот.

Введение

Насколько важен цикл трикарбоновых кислот? Настолько, что у него есть не одно, не два, а целых три распространенных названия!
Название, которое мы будем в основном здесь использовать — «цикл трикарбоновых кислот» (сокращённо ЦТК) — был назван из-за трёх карбоксильных групп первых двух промежуточных соединений. Кроме этого, вы можете встретить название «цитратный цикл» или «цикл лимонной кислоты», получившей свой название в честь первой молекулы, образующейся на этом цикле, — цитрата, или в протонированной форме — лимонной кислоты. Также его называют «цикл Кребса» в честь его первооткрывателя — немецкого биохимика Ханса Кребса.
Независимо от того, как вы предпочтете называть этот цикл, он является основным двигателем клеточного дыхания. В качестве исходного материала здесь используется ацетил-start text, К, о, А, end text, полученный при окислении пирувата, который в свою очередь был получен из молекулы глюкозы, и в ходе нескольких окислительно-восстановительных реакций собирает большую часть своей энергии в виде молекул start text, Н, А, Д, H, end text, start text, Ф, А, Д, H, end text, start subscript, 2, end subscript и start text, А, Т, Ф, end text. Затем образовавшиеся в ходе ЦТК восстановленные переносчики электронов — start text, Н, А, Д, H, end text и start text, Ф, А, Д, H, end text, start subscript, 2, end subscript — передают электроны в электрон-транспортную цепь, и в результате окислительного фосфорилирования синтезируется основная часть молекул АТФ, получаемых в результате клеточного дыхания.
Ниже мы разберём подробно, как устроен этот удивительный цикл.

Обзор цикла трикарбоновых кислот

В клетках эукариот цикл трикарбоновых кислот протекает в матриксе митохондрий, подобно превращению пирувата в ацетил-start text, К, о, А, end text. У прокариот оба этих этапа протекают в цитоплазме. Цикл трикарбоновых кислот представляет собой замкнутый цикл; последний этап которого преобразует молекулу, использованную на первом этапе. Цикл включает в себя восемь основных стадий.
Упрощённая схема цикла трикарбоновых кислот. Сначала ацетил-КоА соединяется с 4-углеродной молекулой оксалоацетата и теряет группу КоА, при этом образуя 6-углеродная молекула — цитрат. После нескольких преобразований цитрат вступает в реакцию окисления, перенося электроны молекуле НАД+ с образованием НАДH, и выделяя одну молекулу углекислого газа. Получившаяся 5-углеродная молекула вступает в схожую реакцию, где электроны снова передаются НАД+, образуется НАДH и молекула углекислого газа. Оставшаяся 4-углеродная молекула затем снова проходит через несколько реакций, в ходе которых ГДФ и неорганический фосфат преобразуются в ГТФ (у некоторых организмов АДФ и неорганический фосфат преобразуются в АТФ), молекула ФАД восстанавливается до ФАДH2 и ещё одна молекула НАД+ восстанавливается до НАДH. В конце этого цикла, четырехуглеродная исходная молекула, оксалоацетат, восстанавливается и тем сама запускает цикл заново.
На первой стадии цикла ацетил-start text, К, о, А, end text соединяется с 4-углеродной молекулой-акцептором — оксалоацетатом — с образованием 6-углеродной молекулы — цитрата. После небольших преобразований эта 6-углеродная молекула вступает в две последовательные схожие реакции, в результате каждой из которых отщепляется по одному атому углерода (он выделяется в виде молекулы углекислого газа), при этом, производя каждый раз одну молекулу start text, Н, А, Д, H, end textstart superscript, 1, end superscript. Ферменты, катализирующие эти реакции, являются ключевыми регуляторами цикла трикарбоновых кислот, ускоряя или замедляя его в соответствии с энергетическими потребностями клеткиsquared.
Оставшаяся 4-углеродная молекула подвергается ряду дополнительных реакций, вначале образуя молекулу start text, А, Т, Ф, end text (в некоторых клетках может образовываться схожая молекула start text, Г, Т, Ф, end text), затем переносчик электронов start text, Ф, А, Д, end text восстанавливается до start text, Ф, А, Д, H, end text, start subscript, 2, end subscript, и наконец образуется ещё одна молекула start text, Н, А, Д, H, end text. Эта последовательность реакций восстанавливает исходную молекулу оксалоацетата, поэтому цикл может повторяться.
Таким образом, за один проход цикла трикарбоновых кислот высвобождаются две молекулы углекислого газа и образуются три молекулы start text, Н, А, Д, H, end text, одна молекула start text, Ф, А, Д, H, end text, start subscript, 2, end subscript и одна молекула start text, А, Т, Ф, end text или start text, Г, Т, Ф, end text. Для каждой молекулы глюкозы, поступившей в процесс клеточного дыхания, цикл трикарбоновых кислот запускается дважды для каждой молекулы глюкозы, которая вступает в клеточное дыхание, распадаясь на два пирувата и две молекулы ацетила -start text, К, о, А, end text.

Стадии цикла трикарбоновых кислот

Вы уже получили представление о том, какие молекулы образуются в результате цикла трикарбоновых кислот. Но как именно они образуются? Разберём этот цикл шаг за шагом, чтобы понять, как именно получаются молекулы start text, Н, А, Д, H, end text, start text, Ф, А, Д, H, end text, start subscript, 2, end subscript и start text, А, Т, Ф, end text/start text, Г, Т, Ф, end text, а также когда и как выделяется углекислый газ.
Стадия 1. На первой стадии цикла трикарбоновых кислот ацетил-start text, К, o, A, end text соединяется с 4-углеродной молекулой оксалоацетата, высвобождая кофермент start text, К, o, A, end text и образуя 6-углеродную молекулу — цитрат.
Стадия 2. На второй стадии цитрат преобразуется в свой изомер — изоцитрат. В действительности эта стадия протекает в два этапа, на первом из которых отщепляется молекула воды, а на втором — снова присоединяется. Именно поэтому иногда цикл трикарбоновых кислот разбивают не на 8 стадий, как здесь, а на 9cubed.
Стадия 3. На третьей стадии изоцитрат окисляется с выделением молекулы углекислого газа, в результате чего остаётся 5-углеродная молекула — α-кетоглутарат. Также на этой стадии start text, Н, А, Д, end text, start superscript, plus, end superscript восстанавливается до start text, Н, А, Д, H, end text. Фермент, катализирующий данную стадию, — изоцитратдегидрогеназа — играет очень важную роль в регулировании скорости цикла трикарбоновых кислот.
Стадия 4. Четвёртая стадия схожа с третьей. В этом случае α-кетоглутарат, окисляясь, восстанавливает start text, Н, А, Д, end text, start superscript, plus, end superscript до start text, Н, А, Д, H, end text и выделяет в процессе молекулу углекислого газа. Оставшаяся 4-углеродная молекула поглощает кофермент А и образует с ним нестабильное соединение сукцинил-start text, К, о, А, end text. Фермент, катализирующий эту стадию, — α-кетоглутаратдегидрогеназа — также играет очень важную роль в регуляции цикла трикарбоновых кислот.
Подробная схема цикла трикарбоновых кислот, на которой показана структура промежуточных продуктов и ферментов, катализирующие каждую стадию.
Стадия 1. Ацетил-КоА соединяется с оксалоацетатом под действием фермента цитратсинтазы. Кроме того, дополнительным участником в данной реакции выступает молекула воды, а в качестве побочного продукта образуется кофермент А.
Стадия 2. Цитрат преобразуется в изоцитрат под действием фермента аконитазы.
Стадия 3. Изоцитрат преобразуется в α-кетоглутарат под действием фермента изоцитратдегидрогеназы. В ходе реакции НАД+ восстанавливается до НАДH + H+ и выделяется молекула углекислого газа.
Стадия 4. α-кетоглутарат преобразуется в сукцинил-КоА, под действием фермента α-кетоглутаратдегидрогеназы. Дополнительным участником реакции выступает кофермент А. В ходе реакции НАД+ восстанавливается до НАДH + H+ и выделяется молекула углекислого газа.
Стадия 5. Сукцинил-КоА преобразуется в сукцинат под действием фермента сукцинил-КоА-синтазы. Кроме того, в ходе реакции неорганический фосфат и ГДФ преобразуются в ГТФ, а также отщепляется кофермент А.
Стадия 6. Сукцинат преобразуется в фумарат под действием фермента сукцинатдегидрогеназы. Одновременно ФАД восстанавливается до ФАДH2.
Стадия 7. Фумарат преобразуется в малат под действием фермента фумаразы. Дополнительным участником реакции выступает молекула воды.
Стадия 8. Малат преобразуется в оксалоацетат под действием фермента малатдегидрогеназы. В ходе реакции НАД+ восстанавливается до НАДH + H+.
Оригинал изображения взят из "Окисление пирувата и цикл трикарбоновых кислот: Рисунок 2" by OpenStax College, Biology, CC BY 3,0
Стадия 5. На пятой стадии start text, К, о, А, end text в молекуле сукцинил-start text, К, о, А, end text заменяется на фосфатную группу, которая затем затем переносится на молекулу start text, А, Д, Ф, end text, чтобы преобразовать ее в start text, А, Т, Ф, end text. В некоторых клетках вместо start text, А, Д, Ф, end text используется start text, Г, Д, Ф, end text — гуанозиндифосфат, образуя в качестве продукта start text, Г, Т, Ф, end text — гуанозинтрифосфат. 4-углеродная молекула, образовавшаяся на данной стадии, называется «сукцинат».
Стадия 6. На шестой стадии сукцинат окисляется, образую другую 4-углеродную молекулу — фумарат. В процессе этой реакции два атома водорода вместе со своими электронами переходят на молекулу start text, Ф, А, Д, end text с образованием start text, Ф, А, Д, H, end text, start subscript, 2, end subscript. Фермент, отвечающий за эту стадию, встроен во внутреннюю мембрану митохондрии, благодаря чему start text, Ф, А, Д, H, end text, start subscript, 2, end subscript может перенести свои электроны напрямую в электрон-транспортную цепь.
Стадия 7. На седьмой стадии к молекуле фумарата присоединяется вода, в результате чего получается другая 4-углеродная молекула — малат.
Стадия 8. На последнем этапе цикла трикарбоновых кислот в результате окисления малата снова получается оксалоацетат — первоначальная 4-углеродная молекула, вступившая в цикл трикарбоновых кислот. В процессе этой реакции ещё одна молекула start text, Н, А, Д, end text, start superscript, plus, end superscript восстанавливается до start text, Н, А, Д, H, end text.

Продукты цикла трикарбоновых кислот

Сделаем шаг назад и проведём небольшие расчёты и произведем некоторый учет атомов углерода, которые входят в цикл трикарбоновых кислот. Также пересчитаем количество восстановленных переносчиков электронов — start text, Н, А, Д, H, end text и start text, Ф, А, Д, H, end text, start subscript, 2, end subscript — и количество образовавшихся молекул start text, А, Т, Ф, end text.
За один цикл,
  • в него вошли два атома углерода в составе ацетил-start text, К, о, А, end text и вышли две молекулы углекислого газа;
  • образовались три молекулы start text, Н, А, Д, H, end text и одна молекула start text, Ф, А, Д, H, end text, start subscript, 2, end subscript;
  • синтезировалась одна молекула start text, А, Т, Ф, end text или start text, Г, Т, Ф, end text.
Эти цифры приведены для одного цикла, соответствующего использованию одной молекуле ацетил-start text, К, о, А, end text. Однако из одной молекулы глюкозы получаются две молекулы ацетил-start text, К, о, А, end text, поэтому, если мы хотим узнать «выход» из одной молекулы глюкозы, мы должны умножить все числа на 2.
В цикл входят два атома углерода в составе ацетил-start text, К, о, А, end text, и выделяются две молекулы углекислого газа. Однако в этих молекулах углекислого газа нет атомов углерода из только поступившего в цикл ацетил-start text, К, о, А, end text. В действительности атомы углерода из новой молекулы ацетил-start text, К, о, А, end text встраиваются в промежуточные продукты цикла трикарбоновых кислот и выделяются в виде углекислого газа только на следующих его итерациях. После нескольких «оборотов» цикла углерод из ацетильной группы ацетил-start text, К, о, А, end text будет выделится в виде углекислого газа.

А где же все start text, А, Т, Ф, end text?

Вы, наверное, решите, что выход молекул start text, А, Т, Ф, end text во время цикла трикарбоновых кислот выглядит невпечатляюще. Столько труда — и ради одной лишь молекулы start text, А, Т, Ф, end text или start text, Г, Т, Ф, end text?
Это верно, в цикле трикарбоновых кислот действительно напрямую образуется не так много молекул start text, А, Т, Ф, end text. Однако он косвенно способствует образованию большого количества start text, А, Т, Ф, end text благодаря восстановлению start text, Н, А, Д, H, end text и start text, Ф, А, Д, H, end text, start subscript, 2, end subscript. Эти переносчики электронов свяжут цикл трикарбоновых кислот с последним этапом клеточного дыхания, доставив электроны в электрон-транспортную цепь и запустив таким образом синтез молекул АТФ в процессе окислительного фосфорилирования

Хотите присоединиться к обсуждению?

Войти
Пока нет ни одной записи.
Знаете английский? Нажмите здесь, чтобы увидеть обсуждение, которое происходит на английской версии сайта.