Основное содержание

Course: Биология > Модуль 9

Урок 4: Окисление пирувата и цикл лимонной кислоты

Цитратный Цикл

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.

Первые два промежуточных продукта цикла трикарбоновых кислот. У каждого из них — три карбоксильные группы, отмеченные красными прямоугольниками. Когда цитрат получает три иона

H^{+}

(протона), он теряет отрицательный заряд и превращается в лимонную кислоту.

Независимо от того, как вы предпочтете называть этот цикл, он является основным двигателем клеточного дыхания. В качестве исходного материала здесь используется ацетил-

КоА

, 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

НАДH

{ФАДH}_{2}

АТФ

. Затем образовавшиеся в ходе ЦТК восстановленные переносчики электронов —

НАДH

{ФАДH}_{2}

— 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-

КоА

. 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.

На первой стадии цикла ацетил-

КоА

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

НАДH

^{1}

. Ферменты, катализирующие эти реакции, являются ключевыми регуляторами цикла трикарбоновых кислот, ускоряя или замедляя его в соответствии с энергетическими потребностями клетки

^{2}

Оставшаяся 4-углеродная молекула подвергается ряду дополнительных реакций, вначале образуя молекулу

АТФ

(в некоторых клетках может образовываться схожая молекула

ГТФ

), затем переносчик электронов

ФАД

восстанавливается до

{ФАДH}_{2}

, и наконец образуется ещё одна молекула

НАДH

. 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

НАДH

, одна молекула

{ФАДH}_{2}

и одна молекула

АТФ

или

ГТФ

. 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 -

КоА

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

НАДH

{ФАДH}_{2}

АТФ

ГТФ

, а также когда и как выделяется углекислый газ.

Стадия 1. На первой стадии цикла трикарбоновых кислот ацетил-

КoA

соединяется с 4-углеродной молекулой оксалоацетата, высвобождая кофермент

КoA

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 9

^{3}

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

{НАД}^{+}

восстанавливается до

НАДH

. 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

{НАД}^{+}

до

НАДH

и выделяет в процессе молекулу углекислого газа. Оставшаяся 4-углеродная молекула поглощает кофермент А и образует с ним нестабильное соединение сукцинил-

КоА

. Фермент, катализирующий эту стадию, — α-кетоглутаратдегидрогеназа — также играет очень важную роль в регуляции цикла трикарбоновых кислот.

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

КоА

в молекуле сукцинил-

КоА

заменяется на фосфатную группу, которая затем затем переносится на молекулу

АДФ

, чтобы преобразовать ее в

АТФ

. В некоторых клетках вместо

АДФ

используется

ГДФ

— гуанозиндифосфат, образуя в качестве продукта

ГТФ

— гуанозинтрифосфат. 4-углеродная молекула, образовавшаяся на данной стадии, называется «сукцинат».

Молекула

ГТФ

схожа с молекулой

АТФ

: обе выступают в качестве источника энергии и могут легко преобразовываться. Какая из двух молекул получается в результате цикла трикарбоновых кислот, зависит от организма и типа клеток. Например,

АТФ

синтезируется в клетках сердца человека, а

ГТФ

— в клетках печени.

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

ФАД

с образованием

{ФАДH}_{2}

. Фермент, отвечающий за эту стадию, встроен во внутреннюю мембрану митохондрии, благодаря чему

{ФАДH}_{2}

может перенести свои электроны напрямую в электрон-транспортную цепь.

ФАД

— является лучшим акцептором электронов по сравнению с

{НАД}^{+}

, он имеет более высокое сродство с электронами, с большей «охотой» принимает их. Сукцинат не является хорошим донором электронов, а это означает, что он обладает довольно высоким сродством с самими электронами и не стремится их отдать. «Желания»

{НАД}^{+}

недостаточно, чтобы отнять электроны у сукцината, поэтому ему на замену приходит

ФАД

4, 5

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

{НАД}^{+}

восстанавливается до

НАДH

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 —

НАДH

{ФАДH}_{2}

— и количество образовавшихся молекул

АТФ

За один цикл,

в него вошли два атома углерода в составе ацетил- $КоА$ ‍ и вышли две молекулы углекислого газа;
образовались три молекулы $НАДH$ ‍ и одна молекула ${ФАДH}_{2}$ ‍;
синтезировалась одна молекула $АТФ$ ‍ или $ГТФ$ ‍.

Эти цифры приведены для одного цикла, соответствующего использованию одной молекуле ацетил-

КоА

. Однако из одной молекулы глюкозы получаются две молекулы ацетил-

КоА

, 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-

КоА

, и выделяются две молекулы углекислого газа. Однако в этих молекулах углекислого газа нет атомов углерода из только поступившего в цикл ацетил-

КоА

. В действительности атомы углерода из новой молекулы ацетил-

КоА

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-

КоА

будет выделится в виде углекислого газа.

А где же все $АТФ$ ‍?

Вы, наверное, решите, что выход молекул

АТФ

во время цикла трикарбоновых кислот выглядит невпечатляюще. Столько труда — и ради одной лишь молекулы

АТФ

или

ГТФ

Это верно, в цикле трикарбоновых кислот действительно напрямую образуется не так много молекул

АТФ

. Однако он косвенно способствует образованию большого количества

АТФ

благодаря восстановлению

НАДH

{ФАДH}_{2}

. 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

Ссылки:

Адаптированная статья: "Окисление пирувата и цикл трикарбоновых кислот” by OpenStax Biology, CC BY 3,0.

Скачать оригинальную статью можно бесплатно, для этого нужно пройти по ссылке http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9,85:36/Oxidation-of-Pyruvate-and-the-.

Обработанная статья попадает под действие лицензии CC BY-NC-SA 4,0.

Berg, J. M., J. A. Tymoczko, and L. Stryer. "The Citric Acid Cycle." In Biochemistry. 6th ed. (New York, NY: W.H. Freeman and Company, 2007), 485.
Berg, J. M., J. A. Tymoczko, and L. Stryer. "The Citric Acid Cycle." In Biochemistry. 6th ed. (New York, NY: W.H. Freeman and Company, 2007), 492.
Raven, P. H., G. B. Johnson, K. A. Mason, J. B. Losos, and S. R. Singer. "How Cells Harvest Energy." In Biology. 10th AP ed. (New York, NY: McGraw-Hill, 2014), 132-133.
Pasani, S. "Why Is FADH2 Made Instead of NADH in One of the Reaction of Krebs Cycle? [answer]." Biology Stack Exchange. September 7, 2013. http://biology.stackexchange.com/questions/10313/why-is-fadh2-made-instead-of-nadh-in-one-of-the-reaction-of-krebs-cycle.
Berg, J. M., J. A. Tymoczko, and L. Stryer. "The Citric Acid Cycle." In Biochemistry. 6th ed. (New York, NY: W.H. Freeman and Company, 2007), 487-488.

Дополнительные ссылки

Berg, J. M., J. A. Tymoczko, and L. Stryer. "The Citric Acid Cycle." In Biochemistry, 475-501. 6th ed. New York, NY: W.H. Freeman and Company, 2007.

Caprette, D. R. "Hans Krebs (1900-1981)." Experimental Biosciences: Resources for Introductory & Intermediate Level Lab Courses. May 26, 2005. http://www.ruf.rice.edu/~bioslabs/studies/mitochondria/krebs.html.

"Цикл трикарбоновых кислот." Wikipedia. August 23, 2015. Accessed September 10, 2015. https://en.wikipedia.org/wiki/Citric_acid_cycle.

"Ханс Адольф Кребс." Wikipedia. August 15, 2015. Accessed September 10, 2015. https://en.wikipedia.org/wiki/Hans_Adolf_Krebs.

Karp, Gerald. "The Role of Mitochondria in the Formation of ATP." In Cell and Molecular Biology: Concepts and Experiments, 182-91. 6th ed. Hoboken, NJ: Wiley, 2010.

Krantz, B. "Цикл трикарбоновых кислот." 2008. https://mcb.berkeley.edu/labs/krantz/mcb102/lect_S2008/MCB102-SPRING2008-LECTURE8-CITRIC_ACID_CYCLE.pdf.

Krebs, Hans Adolf, and Leonard Victor Eggleston. "The Oxidation of Pyruvate in Pigeon Breast Muscle." Biochem. J. Biochemical Journal 34, no. 3 (1940): 442-59. doi:10,1042/bj0340442.

Lehninger, A., D. Nelson, and M. Cox. "Regulation of the Citric Acid Cycle." In Principles of Biochemistry. 2nd ed. New York, NY: Worth Publishers, 1992.

Pasani, S. "Why Is FADH2 Made Instead of NADH in One of the Reaction of Krebs Cycle? [Ответ]." Biology Stack Exchange. September 7, 2013. http://biology.stackexchange.com/questions/10313/why-is-fadh2-made-instead-of-nadh-in-one-of-the-reaction-of-krebs-cycle.

Raven, P. H., G. B. Johnson, K. A. Mason, J. B. Losos, and S. R. Singer. "How Cells Harvest Energy." In Biology, 122-46. 10th AP ed. New York, NY: McGraw-Hill, 2014.

"Redox Reactions." Essential Biochemistry. 2004. http://www.wiley.com/college/pratt/0471393878/student/review/redox/4_reduction_potential.html.

Reece, J. B., L. A. Urry, M. L. Cain, S. A. Wasserman, P. V. Minorsky, and R. B. Jackson. "Cellular Respiration and Fermentation." In Campbell Biology, 162-84. 10th ed. San Francisco, CA: Pearson, 2011.

Хотите присоединиться к обсуждению?

Войти

Сортировать по:

Пока нет ни одной записи.

Знаете английский? Нажмите здесь, чтобы увидеть обсуждение, которое происходит на английской версии сайта.

Биология

Course: Биология > Модуль 9

Введение

Обзор цикла трикарбоновых кислот

Стадии цикла трикарбоновых кислот

Продукты цикла трикарбоновых кислот

А где же все АТФАТФ‍ ?

Хотите присоединиться к обсуждению?

А где же все $АТФ$ ‍?