Я розповідав про те, що це взагалі таке, навіщо цикл Кребса потрібен і яке місце у метаболізмі він займає. Тепер давайте приступимо до самих реакцій цього циклу.

Відразу обмовлюся - особисто для мене заучування реакцій було абсолютно безглуздим заняттям до того, поки я не розібрав вищезазначені питання. Але якщо ви вже розібралися з теорією, пропоную перейти до практики.

Ви можете побачити багато способів написання циклу Кребса. Найчастіше зустрічаються варіанти на кшталт цього:

Але мені найзручніше здався спосіб написання реакцій зі старого доброго підручника з біохімії від авторів Березова Т.Т. та Коровкіна Б.В.

Перша реакція

Вже знайомі нам Ацетил-КоА та Оксалоацетат з'єднуються і перетворюються на цитрат, тобто в лимонну кислоту.

Друга реакція

Тепер беремо лимонну кислоту та перетворюємо її ізолімонну кислоту. Інша назва цієї речовини – ізоцитрат.

Насправді, ця реакція йде дещо складніше, через проміжну стадію – утворення цис-аконітової кислоти. Але я вирішив спростити, щоб ви краще запам'ятали. При необхідності ви зможете додати сюди ступінь, що бракує, якщо будете пам'ятати все інше.

Насправді, дві багатофункціональні групи просто змінилися місцями.

Третя реакція

Отже, у нас вийшла ізолімонна кислота. Тепер її потрібно декарбоксилювати (тобто відщипнути COOH) та дегідрувати (тобто відщипнути H). Речовина, що вийшла, — це a-кетоглутарат.

Ця реакція примітна тим, що тут утворюється комплекс HAДH2. Це означає, що переносник НАД підхоплює водень, щоб запустити дихальний ланцюг.

Мені подобається варіант реакцій Цикла Кребса в підручнику Березова та Коровкіна саме тим, що відразу добре видно атоми та функціональні групи, які беруть участь у реакціях.

Четверта реакція

Знову як годинник працює нікотинАмідАденінДінуклеотид, тобто НАД. Це славний переносник з'являється тут, як і в минулому кроці, щоб захопити водень і забрати його в дихальний ланцюг.

До речі, речовина, що вийшла, сукциніл-КоА, не повинно вас лякати. Сукцинат - це інша назва бурштинової кислоти, добре знайомої вам з часів біоорганічної хімії. Сукциніл-Коа – це з'єднання бурштинової кислоти з коензимом-А. Можна сказати, що це ефір янтарної кислоти.

П'ята реакція

Минулого кроку ми говорили, що сукциніл-КоА – це ефір бурштинової кислоти. А тепер ми отримаємо саму бурштинову кислоту , тобто сукцинат, із сукциніла-КоА. Вкрай важливий момент: саме в цій реакції відбувається субстратне фосфорилювання.

Фосфорилювання взагалі (воно буває окислювальне та субстратне) - це додавання фосфорної групи PO 3 до ГДФ або АТФ, щоб отримати повноцінний ГТФ, або, відповідно, АТФ. Субстратне відрізняється тим, що ця сама фосфорна група відривається від будь-якої речовини, що її містить. Ну простіше кажучи, вона переноситься із субстрату на ГДФ або АДФ. Тому і називається – «субстратне фосфорилювання».

Ще раз: на момент початку субстратного фосфорилювання у нас є дифосфатна молекула - гуанозиндіфосфат або аденозиндіфосфат. Фосфорилювання полягає в тому, що молекула з двома залишками фосфорної кислоти — ГДФ або АДФ «добудовується» до молекули з трьома залишками фосфорної кислоти, щоб вийшли гуанозинТРИфосфат або аденозинТРИфосфат. Цей процес відбувається під час перетворення сукциніла-КоА на сукцинат (тобто, на бурштинову кислоту).

На схемі можна побачити літери Ф (н). Це означає "неорганічний фосфат". Неорганічний фосфат переходить від субстрату на ГДФ, щоб продукти реакції був хороший, повноцінний ГТФ. Тепер давайте подивимося на реакцію:

Шоста реакція

Наступне перетворення. Цього разу янтарна кислота, яку ми отримали у минулому етапі, перетвориться на фумарат, зверніть увагу на новий подвійний зв'язок.

На схемі добре видно, як у реакції бере участь ФАД: цей невтомний переносник протонів і електронів підхоплює водень і забирає його безпосередньо в дихальний ланцюг.

Сьома реакція

Ми вже на фінішній прямій. Передостання стадія Цикла Кребса – це реакція перетворення фумарату на L-малат. L-малат - це інша назва L-яблучної кислоти, знайомою ще з курсу біоорганічної хімії

Якщо ви подивитеся на саму реакцію, ви побачите, що, по-перше, вона проходить в обидва боки, а по-друге, її суть – гідратування. Тобто фумарат легко приєднує до себе молекулу води, в результаті виходить L-яблучна кислота.

Восьма реакція

Остання реакція циклу Кребса - це окислення L-яблучної кислоти до оксалоацетату, тобто до щавлевооцтової кислоти. Як ви зрозуміли, «оксалоацетат» та «щавлевооцтова кислота» - це синоніми. Ви, напевно, пам'ятаєте, що щавлево-оцтова кислота є компонентом першої реакції циклу Кребса.

Тут же відзначаємо особливість реакції: освіта НАДH 2, що понесе електрони в дихальний ланцюг Не забудьте реакції 3,4 і 6, там також утворюються переносники електронів і протонів для дихального ланцюга.

Як бачите, я спеціально виділив червоним кольором реакції, у ході яких утворюються НАДH та ФАДH2. Це дуже важливі речовини для дихального кола. Зеленим я виділив реакцію, в рамках якої відбувається субстратне фосфорилювання, і виходить ГТФ.

Як це все запам'ятати?

Насправді, не так уже й складно. Цілком прочитавши дві мої статті, а також ваш підручник та лекції, вам потрібно просто потренуватися писати ці реакції. Я рекомендую запам'ятати цикл Кребса блоками по 4 реакції. Напишіть ці 4 реакції кілька разів, для кожної підбираючи асоціацію, що підходить саме вашій пам'яті.

Наприклад, мені відразу дуже легко запам'яталася друга реакція, в якій з лимонної кислоти(Вона, думаю, всім знайома з дитинства) утворюється ізолімонна кислота.

Ви можете також використовувати менімонічні запам'ятовувачі, такі як: « Цілий Ананас І Шматок Суфле Сьогодні Фактично Мій Обідщо відповідає ряду - цитрат, цис-аконітат, ізоцитрат, альфа-кетоглутарат, сукциніл-CoA, сукцинат, фумарат, малат, оксалоацетат». Є ще купа подібних.

Але, чесно кажучи, мені не подобалися такі вірші практично ніколи. На мою думку, простіше запам'ятати саму послідовність реакцій. Мені чудово допоміг поділ циклу Кребса на дві частини, кожну з яких я тренувався писати кілька разів на годину. Як правило, це відбувалося на парах на зразок психології чи біоетики. Це дуже зручно - не відволікаючись від лекції, ви можете витратити буквально хвилинку, написавши реакції так, як ви запам'ятали їх, а потім звірити з правильним варіантом.

До речі, у деяких вузах на заліках та іспитах з біохімії викладачі не вимагають знання самих реакцій. Потрібно знати щойно таке цикл Кребса, де він відбувається, в чому його особливості та значення, і, зрозуміло, самий ланцюжок перетворень. Тільки ланцюжок можна називати без формул, використовуючи лише назви речовин. Такий підхід не позбавлений сенсу, як на мене.

Сподіваюся, мій посібник із циклу трикарбонових кислот вам допоміг. А я хочу нагадати, що ці дві статті не є повноцінною заміною вашим лекціям та підручникам. Я написав їх лише для того, щоб ви розуміли, що таке цикл Кребса. Якщо ви раптом побачили якусь помилку у моєму посібнику, будь ласка, відпишіться про неї у коментарях. Дякую за увагу!

Кожному відомо, що для нормальної роботи організм потребує регулярного надходження цілого ряду поживних речовин, які потрібні для здорового метаболізму і, відповідно, балансу процесів вироблення та витрачання енергії. Процес вироблення енергії, як відомо, протікає в мітохондріях, які завдяки цій особливості та отримали назву енергетичних центрів клітин. А послідовність хімічних реакцій, що дозволяє отримати енергію до роботи кожної клітини тіла, називається циклом Кребса.

Цикл Кребса - чудеса, що відбуваються в мітохондріях

Енергія, одержувана за допомогою циклу Кребса (також ЦТК - цикл трикарбонових кислот), йде на потреби окремих клітин, які у свою чергу складають різні тканини та, відповідно, органи та системи нашого організму. Оскільки без енергії організм просто не може існувати, мітохондрії постійно працюють над тим, щоб безперебійно постачати до клітин необхідну їм енергію.

Аденозин трифосфат (АТФ) - це з'єднання є універсальним джерелом енергії, необхідним для протікання всіх біохімічних процесів у нашому організмі.

ЦТК - це центральний метаболічний шлях, у результаті якого завершується окиснення метаболітів:

• жирних кислот;
• амінокислот;
• моносахаридів.

У процесі аеробного розпаду ці біомолекули розщеплюються на менші молекули, які використовуються для одержання енергії або синтезу нових молекул.

Цикл трикарбонових кислот складається із 8 етапів, тобто. реакцій:

1. Утворення лимонної кислоти:

2. Утворення ізолімонної кислоти:

3. Дегідрування та пряме декарбоксилювання ізолімонної кислоти.

4. Окисне декарбоксилювання α-кетоглутарової кислоти

5. Субстратне фосфорилювання

6. Дегідрування бурштинової кислоти сукцинат-дегідрогеназою

7. Утворення яблучної кислоти ферментом фумаразою

8. Освіта оксалацетату

Таким чином, після завершення реакцій, що складають цикл Кребса:

• одна молекула ацетил-КоА (утворена внаслідок розпаду глюкози) окислюється до двох молекул вуглекислого газу;
• три молекули NAD відновлюються до NADH;
• одна молекула ФАД відновлюється до ФАДН 2;
• утворюється одна молекула ГТФ (еквівалент АТФ).

Молекули НАДН та ФАДН 2 діють як переносники електронів і використовуються для утворення АТФ на наступній стадії метаболізму глюкози – окисному фосфорилюванні.

Функції циклу Кребса:

• катаболічна (окислення ацетильних залишків паливних молекул до кінцевих продуктів обміну);
• анаболічна (субстрати циклу Кребса – основа для синтезу молекул, у т.ч. амінокислот та глюкози);
• інтегративна (ЦТК – сполучна ланка між анаболічними та катаболічними реакціями);
• водорододонорна (постачання 3 НАДН.Н+ та 1 ФАДН 2 на дихальний ланцюг мітохондрій);
• енергетична.

Нестача елементів, необхідних для нормального перебігу циклу Кребса, може призвести до серйозних проблем в організмі, пов'язаних із нестачею енергії.

Завдяки метаболічній гнучкості організм здатний використовувати як джерело енергії не тільки глюкозу, але і жири, розщеплення яких також дає молекули, що утворюють піровиноградну кислоту (задіяна в циклі Кребса). Таким чином, ЦТК, що протікає належним чином, забезпечує отримання енергії та будівельних блоків для утворення нових молекул.

ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВИХ КИСЛОТ (ЦИКЛ КРЕБСА)

Гліколіз перетворює глюкозу на піруват і продукує дві молекули АТФ з молекули глюкози – це невелика частина потенційної енергії цієї молекули.

При аеробних умовах піруват з гліколізу перетворюється на ацетил-КоА і окислюється в С0 2 циклі трикарбонових кислот (цикл лимонної кислоти). При цьому електрони, що звільняються в реакціях цього циклу, проходять НАДН та ФАДН 2 на 02 - кінцевий акцептор. Електронний транспорт пов'язаний зі створенням протонного градієнта мембрани мітохондрій, енергія якого потім використовується на синтез АТФ в результаті окисного фосфорилювання. Розглянемо ці реакції.

В аеробних умовах піровиноградна кислота (1-й етап) піддається окисному декарбоксилюванню, більш ефективному, ніж трансформація в молочну кислоту, з утворенням ацетил-КоА (2-й етап), який може окислюватися до кінцевих продуктів розпаду глюкози - С02 і Н2 0 (3 етап). Г. Кребс (1900-1981), німецький біохімік, вивчивши окиснення окремих органічних кислот, об'єднав їхні реакції у єдиний цикл. Тому на його честь цикл трикарбонових кислот часто називають циклом Кребса.

Окислення піровиноградної кислоти до ацетил-КоА відбувається в мітохондріях за участю трьох ферментів (піруватде-гідрогеназа, ліпоаміддегідрогеназа, ліпоілацетилтрансфера-за) і п'яти коферментів (НАД, ФАД, тіамінпірофосфат, амід). У складі цих чотирьох коферментів знаходяться вітаміни групи В (В х, В 2, В 3, В 5), що свідчить про необхідність цих вітамінів для нормального окиснення вуглеводів. Під впливом цієї складної ферментної системи піруват в реакції окисного декарбоксилювання перетворюється на активну форму оцтової кислоти - ацетил-коензим А:

За фізіологічних умов піруватдегідрогеназа – виключно незворотний фермент, що пояснює неможливість конверсії жирних кислот у вуглеводи.

Наявність макроергічного зв'язку в молекулі ацетил-КоА вказує на високу реакційну здатність цієї сполуки. Зокрема, ацетил-КоА може виступати в мітохондріях для генерації енергії, у печінці надлишок ацетил-КоА надходить на синтез кетонових тіл, у цитозолі бере участь у синтезах складних молекул, таких як стериди та жирні кислоти.

Отриманий у реакції окисного декарбоксилування піровиноградної кислоти ацетил-КоА вступає в цикл трикарбонових кислот (цикл Кребса). Цикл Кребса – фінальний катаболічний шлях окиснення вуглеводів, жирів, амінокислот, є по суті «метаболічним котлом». Реакції циклу Кребса, що протікають виключно в мітохондріях, також називають циклом лимонної кислоти або циклом трикарбонових кислот (ЦТК).

Однією з найважливіших функцій циклу трикарбонових кислот є генерація відновлених коферментів (3 молекули НАДН + Н + та 1 молекула ФАДН 2) з подальшим перенесенням атомів водню або їх електронів до кінцевого акцептора - молекулярного кисню. Цей транспорт супроводжується великим зменшенням вільної енергії, частина якої використовується у процесі окисного фосфорилювання для запасання у формі АТФ. Зрозуміло, що цикл трикарбонових кислот є аеробним, залежним від кисню.

1. Початкова реакція циклу трикарбонових кислот представляє конденсацію ацетил-КоА та щавлево-оцтової кислоти за участю ферменту цитратсинтази мітохондріального матриксу з утворенням лимонної кислоти.

2. Під впливом ферменту аконітази, що каталізує видалення молекули води з цитрату, останній перетворюється

в цис-аконітову кислоту. Вода комбінує з цис-аконітової кислотою, перетворюючись на ізолімонну.

3. Потім фермент ізоцитратдегідрогеназу каталізує першу дегідрогеназну реакцію циклу лимонної кислоти, коли ізолімонна кислота перетворюється на реакції окисного декарбоксилювання в а-кетоглутарову:

У цій реакції утворюється перша молекула С0 2 і перша молекула НАДН 4 Н + циклу.

4. Подальше перетворення а-кетоглутарової кислоти на сукциніл-КоА каталізується мультиферментним комплексом а-кетоглутарової дегідрогенази. Ця реакція хімічно є аналогом піруватдегідрогеназної реакції. У ній беруть участь ліпоєва кислота, тіамінпірофосфат, HS-KoA, НАД+, ФАД.

В результаті цієї реакції знову утворюється молекула НАДН + Н + і С02.

5. Молекула сукциніл-КоА має макроергічний зв'язок, енергія якого зберігається у наступній реакції у формі ГТФ. Під впливом ферменту сукциніл-КоА-синтетази сукциніл-КоА перетворюється на вільну бурштинову кислоту. Зазначимо, що янтарна кислота також може бути одержана з метилмалоніл-КоА при окисленні жирних кислот з непарним числом атомів вуглецю.

Ця реакція є прикладом субстратного фосфорилування, оскільки макроергічна молекула ГТФ у разі утворюється без участі ланцюга транспорту електронів і кисню.

6. Бурштинова кислота окислюється в фумарову кислоту в сукцинатдегідрогеназної реакції. Сукцинатдегідрогеназа, типовий залізосеромісткий фермент, коферментом якого є ФАД. Сукцинатдегідрогеназа - єдиний фермент, що фіксується на внутрішній мітохондріальній мембрані, тоді як всі інші ферменти циклу знаходяться в мітохондріальному матриксі.

7. Потім слід гідратація фумарової кислоти в яблучну кислоту під впливом ферменту фумарази в оборотній реакції за фізіологічних умов:

8. Фінальною реакцією циклу трикарбонових кислот є малатдегідрогеназна реакція за участю активного ферменту мітохондріальної НАД~-залежної малатдегідрогенази, в якій утворюється третя молекула відновленого НАДН + Н + :

Утворенням щавлево-оцтової кислоти (оксалоацетату) завершується один оберт циклу трикарбонових кислот. Щавлево-оцтова кислота може бути використана в окисленні другої молекули ацетил-КоА, і цей цикл реакцій може неодноразово повторюватися, постійно призводячи до отримання щавлево-оцтової кислоти.

Таким чином, окислення в ЦТК однієї молекули ацетил-КоА як субстрату циклу призводить до отримання однієї молекули ГТФ, трьох молекул НАДФ + Н + та однієї молекули ФАДН 2 . Окислення цих відновників у ланцюгу біологічного окис-

лення призводить до синтезу 12 молекул АТФ. Цей розрахунок зрозумілий з теми «Біологічне окиснення»: включення однієї молекули НАД + у систему транспорту електронів супроводжується зрештою освітою 3 молекул АТФ, включення молекули ФАДН 2 забезпечує утворення 2 молекул АТФ та одна молекула ГТФ еквівалентна 1 молекулі АТФ.

Зазначимо, що два атоми вуглецю адетил-КоА вступають у цикл трикарбонових кислот і два атоми вуглецю залишають цикл у вигляді С0 2 у реакціях декарбоксилювання, що каталізуються ізоцитратдегідрогеназою та альфа-кетоглутарат-дегідрогогеназою.

При повному окисленні молекули глюкози в аеробних умовах до С02 і Н20 освіта енергії у формі АТФ становить:

• 4 молекули АТФ при конверсії молекули глюкози в 2 молекули піровиноградної кислоти (гліколіз);
• 6 молекул АТФ, що утворюються в 3-фосфогліцеральдегід-дегідрогеназної реакції (гліколіз);
• 30 молекул АТФ, що утворюються при окисленні двох молекул піровиноградної кислоти в піруватдегідрогеназної реакції та в подальших перетвореннях двох молекул ацетил-КоА до С0 2 і Н 2 0 у циклі трикарбонових кислот. Отже, загальний вихід енергії за повного окислення молекули глюкози може становити 40 молекул АТФ. Однак слід взяти до уваги, що при окисленні глюкози на стадії перетворення глюкози на глюкозо-6-фосфат і на стадії перетворення фруктозо-6-фосфату на фруктозо-1,6-дифосфат витрачено дві молекули АТФ. Тому чистий вихід енергії при окисленні молекули глюкози становить 38 молекул АТФ.

Можна порівняти енергетику анаеробного гліколізу та аеробного катаболізму глюкози. З 688 ккал енергії, теоретично укладених в 1 г молекули глюкози (180 г), 20 ккал знаходяться у двох молекулах АТФ, що утворюються в реакціях анаеробного гліколізу, і 628 ккал теоретично залишаються у формі молочної кислоти.

В аеробних умовах із 688 ккал грам-молекули глюкози у 38 молекулах АТФ отримано 380 ккал. Таким чином, ефективність використання глюкози в аеробних умовах вища, ніж у анаеробному гліколізі, приблизно в 19 разів.

Слід зазначити, що всі реакції окислення (окислення триозофосфату, піровиноградної кислоти, чотири реакції окислення циклу трикарбонових кислот) конкурують у синтезі АТФ з АДФ та Ф неор (ефект Пастера). Це означає, що молекула НАДН + Н +, що утворюється, в реакціях окислення має вибір між реакціями дихальної системи, що переносять водень на кисень, і ферментом ЛДГ, що передає водень на піровиноградну кислоту.

На ранніх стадіях циклу трикарбонових кислот кислоти можуть виходити з циклу для участі в синтезі інших сполук клітини без порушень функціонування самого циклу. Різні фактори залучаються до регулювання активності циклу трикарбонових кислот. Серед них насамперед слід назвати надходження молекул ацетил-КоА, активність піруватдегідрогеназного комплексу, активність компонентів дихального ланцюга та пов'язане з ним окисне фосфорилювання, а також рівень щавлево-оцтової кислоти.

Молекулярний кисень безпосередньо не бере участь у циклі трикарбонових кислот, проте його реакції здійснюються тільки в аеробних умовах, так як НАД ~ і ФАД можуть бути регенеровані в мітохондріях лише при перенесенні електронів на молекулярний кисень. Слід підкреслити, що гліколіз, на відміну від циклу трикарбонових кислот, можливий і при анаеробних умовах, оскільки НАД регенерується при переході піровиноградної кислоти в молочну.

Крім утворення АТФ цикл трикарбонових кислот має ще одне важливе значення: цикл забезпечує структурами-посередниками різні біосинтези організму. Наприклад, більшість атомів порфіринів походить із сукциніл-КоА, багато амінокислот є похідними а-кето-глутарової та щавлево-оцтової кислот, а фумарова кислота має місце в процесі синтезу сечовини. У цьому вся проявляється інтегральність циклу трикарбонових кислот обміні вуглеводів, жирів, білків.

Як показують реакції гліколізу, здатність більшості клітин генерувати енергію полягає в їх мітохондріях. Число мітохондрій у різних тканинах пов'язане з фізіологічними функціями тканин та відображає їхню можливість участі в аеробних умовах. Наприклад, еритроцити не мають мітохондрій і, отже, не мають здатності генерувати енергію, використовуючи кисень як кінцевий акцептор електронів. Однак у серцевому м'язі, що функціонує в аеробних умовах, половина об'єму цитоплазми клітин представлена ​​мітохондріями. Печінка також залежить від аеробних умов для своїх різних функцій і гепатоцити ссавців містять до 2 тис. мітохондрій в одній клітині.

Мітохондрії включають дві мембрани - зовнішню та внутрішню. Зовнішня мембрана більш проста, що складається з 50% жирів та 50% білків, має порівняно мало функцій. Внутрішня мембрана структурно та функціонально видається складнішою. Приблизно 80% її обсягу становлять білки. Вона містить більшість ферментів, що беруть участь в електронному транспорті та окисному фосфорилюванні, метаболічні посередники та аденін-нуклеотиди між цитозолем та мітохондріальним матриксом.

Різні нуклеотиди, що залучаються в окисно-відновні реакції, такі як НАД + , НАДН, НАДФ + , ФАД і ФАДН 2 не проникають крізь внутрішню мітохондріальну мембрану. Ацетил-КоА не може надходити з мітохондріального відділу в цитозоль, де він потрібний для синтезу жирних кислот або стеролів. Тому внутрішньомітохондріальний ацетил-КоА конвертується у цитрат-синтазну реакцію циклу трикарбонових кислот і в такому вигляді надходить у цитозоль.

Цикл трикарбонових кислот вперше було відкрито англійським біохіміком Кребсом. Він першим постулював значення даного циклу для повного згоряння пірувату, головним джерелом якого є гліколітичне перетворення вуглеводів. Надалі було показано, що цикл трикарбонових кислот є "фокусом", у якому сходяться практично всі метаболічні шляхи.

Отже, ацетил-КоА, що утворився в результаті окисного декарбоксилювання пірувату, вступає в цикл Кребса. Цей цикл складається з восьми послідовних реакцій (рис. 91). Починається цикл з конденсації ацетил-КоА з оксалоацетатом та утворення лимонної кислоти. ( Як видно нижче, в циклі окислення піддається власне не ацетил-КоА, а складніше з'єднання - лимонна кислота (трикарбонова кислота).)

Потім лимонна кислота (шестиуглеродное з'єднання) шляхом ряду дегідрувань (відібрання водню) і дскарбоксилувань (відщеплення СО 2) втрачає два вуглецевих атоми і знову в циклі Кребса з'являється оксалоацетат (чотиривуглецеве з'єднання), а-е. згоряє до 2 і Н 2 Про, а молекула оксалоацетату регенерується. Нижче наводяться усі вісім послідовних реакцій (етапів) циклу Кребса.

У першій реакції, що каталізується ферментом цитратсинтазою, ацетил-КоА конденсується з оксалоацетатом. В результаті утворюється лимонна кислота:

Очевидно, у цій реакції як проміжний продукт утворюється пов'язаний з ферментом цитрил-КоА. Потім останній мимовільно і необоротно гідролізується з утворенням цитрату та HS-KoA.

У другій реакції циклу лимонна кислота, що утворилася, піддається дегідратуванню з утворенням цис-аконітової кислоти, яка, приєднуючи молекулу води, переходить в ізолімонну кислоту. Каталізує ці оборотні реакції гідратації-дегідратації фермент аконітат-гідратаза:

У третій реакції, яка, мабуть, лімітує швидкість циклу Кребса, ізолімонна кислота дегідрується у присутності НАД-залежної ізоцитратдегідрогенази:

В ході ізоцитратдегідрогеназної реакції ізолімонна кислота декарбоксилюється. НАД-залежна ізоцитратдегідрогеназа є алостеричним ферментом, якому як специфічний активатор необхідний АДФ. Крім того, фермент для прояву своєї активності потребує іонів Mg 2+ або Мn 2+ .

У четвертій реакції відбувається окисне декарбоксилювання α-кетоглутарової кислоти до сукциніл-КоА. Механізм цієї реакції подібний до реакції окислювального декарбоксилювання пірувату до ацетил-КоА. α-Кетоглутаратдегідрогеназний комплекс нагадує за своєю структурою піруватдегідрогеназний комплекс. Як в одному, так і в іншому випадку в ході реакції беруть участь п'ять коферментів: TДФ, амід ліпоєвої кислоти, HS-KoA, ФАД та НАД. Сумарно цю реакцію можна написати так:

П'ята реакція каталізується ферментом сукциніл-КоА-синтетазою. У ході цієї реакції сукциніл-КоА за участю ГДФ та неорганічного фосфату перетворюється на бурштинову кислоту (сукцинат). Одночасно відбувається утворення високоергічного фосфатного зв'язку ГТФ1 за рахунок високоергічного тіоефірного зв'язку сукциніл-КоА:

У шостій реакції сукцинат дегідрується у фумарову кислоту. Окислення сукцинату каталізується сукцинатдегідрогеназою, в молекулі якої з білком ковалентно пов'язаний кофермент ФАД:

У сьомій реакції фумарова кислота, що утворилася, гідратується під впливом ферменту фумаратгідратази. Продуктом цієї реакції є яблучна кислота (малат). Слід зазначити, що фумаратгідратаза має стереоспецифічність, - у ході даної реакції утворюється L-яблучна кислота:

Нарешті, у восьмій реакції циклу трикарбонових кислот під впливом мітохондріальної НАД-залежної малатдегідрогенази відбувається окислення L-малату в оксалоацетат:

Як видно, за один оберт циклу, що складається з восьми ферментативних реакцій, відбувається повне окислення ("згоряння") однієї молекули ацетил-КоА. Для безперервної роботи циклу необхідне постійне надходження до системи ацетил-КоА, а коферменти (НАД і ФАД), що перейшли у відновлений стан, повинні знову і знову окислюватися. Це окиснення здійснюється в системі переносників електронів (або в ланцюзі дихальних ферментів), локалізованої в мітохондріях.

Ацетил-КоА, що звільняється в результаті окислення, енергія значною мірою зосереджується в макроергічних фосфатних зв'язках АТФ. З чотирьох пар атомів водню три пари переносяться через НАД систему транспорту електронів; при цьому в розрахунку на кожну пару в системі біологічного окиснення утворюються три молекули АТФ (у процесі сполученого окисного фосфорилювання), а всього, отже, дев'ять молекул АТФ. Одна пара атомів потрапляє у систему транспорту електронів через ФАД, - у результаті утворюються 2 молекули АТФ. У результаті реакцій циклу Кребса синтезується також 1 молекула ГТФ, що дорівнює 1 молекулі АТФ. Отже, при окисненні ацетил-КоА у циклі Кребса утворюється 12 молекул АТФ.

Як уже зазначалося, 1 молекула НАДН 2 (3 молекули АТФ) утворюється при окисному декарбоксилуванні пірувату в ацетил-КоА. Так як при розщепленні однієї молекули глюкози утворюються дві молекули пірувату, то при окисненні їх до 2 молекул ацетил-КоА і наступних двох обертів циклу трикарбонових кислот синтезується 30 молекул АТФ (отже, окиснення однієї молекули пірувату до 2 і Н 2 O дає 15 молекул АТФ).

До цього треба додати 2 молекули АТФ, що утворюються при аеробному гліколізі, і 4 молекули АТФ, що синтезуються за рахунок окислення 2 молекул позамітохондріального НАДН 2 , які утворюються при окисленні 2 молекул гліцеральдегід-3-фосфату в дегідрогеназної реакції. Разом отримаємо, що при розщепленні в тканинах 1 молекули глюкози за рівнянням: C 6 H 12 0 6 + 60 2 -> 6СO 2 + 6Н 2 O синтезується 36 молекул АТФ, що сприяє накопиченню в макроергічних фосфатних зв'язках аденозин 1240 кДж (або, за іншими даними, 36 Х 38 ~ 1430 кДж) вільної енергії. Іншими словами, з усієї вільної при аеробному окисленні глюкози вільної енергії (окодо 2840 кДж) до 50% її акумулюється в мітохондріях у формі, яка може бути використана для виконання різних фізіологічних функцій. Безсумнівно, що у енергетичному відношенні повне розщеплення глюкози є ефективнішим процесом, ніж гліколіз. Необхідно відзначити, що утворилися в процесі перетворення гліцеральдегід-3-фосфату 2 молекули НАДН 2 в подальшому при окисленні дають не 6 молекул АТФ, а тільки 4. Справа в тому, що самі молекули позамітохондріального НАДН 2 не здатні проникати через мембрану всередину. Однак електрони, що віддаються ними, можуть включатися в мітохондріальний ланцюг біологічного окислення за допомогою так званого гліцерофосфатного човникового механізму (рис. 92). Як видно на малюнку, цитоплазматичний НАДН 2 спочатку реагує з цитоплазматичним дигідроксиацетонфосфатом, утворюючи гліцерол-3-фосфат. Реакція каталізується НАД-залежною цитоплазматичною гліцерол-3-фосфат-дегідрогеназою.

Цикл Кребса називають ще циклом лимонної кислоти або клітинним диханням. Цикл перетворення лимонної кислоти в живих клітинах був відкритий і вивчений німецьким біохіміком Гансом Кребсом, за свою роботу він (разом з Ф. Ліпманом) був удостоєний Нобелівської премії (1953). У розшифровці окремих реакцій цього процесу взяли участь багато вчених: А. Сент-Дьєрдьї, А. Ленінджер, С. Є. Северін та інші.

Цикл Кребса кінцевий шлях окислення ацетильних груп, на які перетворюється у процесі катаболізму більшість органічних молекул, які відіграють роль "клітинного палива" - вуглеводів, жирних кислот і амінокислот.

За один оберт циклу, що складається з восьми ферментативних реакцій, відбувається повне окислення однієї молекули. На рівні циклу Кребса поєднуються шляхи розпаду вуглеводів, ліпідів та білків. Метаболіти циклу Кребса використовуються для синтезу інших речовин (щавлевооцтова кислота → глюкоза, аспарагінова кислота ). Цей цикл відбувається в матриксі мітохондрій.

Цикл Кребса – головна система, що постачає водень для дихального ланцюга мітохондрій.

Всі шляхи катаболізму зводяться до утворення тривуглецевої сполуки -піровиноградної кислоти, яка потім шляхом окисного декарбоксилювання в присутності коферменту-тіамінпірофосфату піддається декарбоксилювання з утворенням ацетил-КоА. Ацетилкофермент «згоряє» в циклі Кребса до двох молекул СО 2 .

1. Першою реакцією циклу Кребса є утворення цитрату – лимонної кислоти

2.У другій реакції через стадію дегідратації та утворення цис-аконітової кислоти відбувається утворення ізолімонної кислоти.

Зауважте, що приєднання молекули води до цис-аконітової кислоти йде проти правила Марковникова.

3. У третій реакції, яка, мабуть, лімітує швидкість циклу Кребса, ізолімонна кислота дегідрується у присутності НАД-залежної ізоцитратдегідрогенази:

4. У четвертій реакції відбувається окисне декарбоксилювання α-кетоглутарової кислоти до сукциніл-КоА. Механізм цієї реакції подібний до реакції окислювального декарбоксилювання пірувату до ацетил-КоА.

5. П'ята реакція каталізується ферментом сукциніл-КоА-синтетазою. У ході цієї реакції сукциніл-КоА за участю ГДФ та неорганічного фосфату перетворюється на бурштинову кислоту (сукцинат). Одночасно відбувається утворення високоергічного фосфатного зв'язку ГТФ1 за рахунок високоергічного тіоефірного зв'язку сукциніл-КоА:

6. У шостій реакції сукцинат дегідрується у фумарову кислоту. Окислення сукцинату каталізується сукцинатдегідрогеназою, в молекулі якої з білком ковалентно пов'язаний кофермент ФАД +:

7. У сьомій реакції фумарова кислота, що утворилася, гідратується під впливом ферменту фумаратгідратази. Продуктом цієї реакції є яблучна кислота (малат). Слід зазначити, що фумаратгідратаза має стереоспецифічність, - в ході даної реакції утворюється L-яблучна кислота (малат):

8. У восьмій реакції циклу трикарбонових кислот під впливом мітохондріальної НАД-залежної малатдегідрогенази відбувається окислення L-малату в оксалоацетат:

Ацетил-КоА, що звільняється в результаті окислення, енергія значною мірою зосереджується в макроергічних фосфатних зв'язках АТФ. З чотирьох пар атомів водню три пари переносяться через НАД + систему транспорту електронів; при цьому в розрахунку на кожну пару в системі біологічного окиснення утворюються три молекули АТФ (у процесі сполученого окисного фосфорилювання), а всього, отже, дев'ять молекул АТФ. Одна пара атомів потрапляє у систему транспорту електронів через ФАД, - у результаті утворюються 2 молекули АТФ. У результаті реакцій циклу Кребса синтезується також 1 молекула ГТФ, що дорівнює 1 молекулі АТФ. Отже, при окисненні ацетил-КоА у циклі Кребса утворюється 12 молекул АТФ.

Схематичне зображення циклу Кребса:

У ЦТК два ключові ферменти:

1) цитратсинтаза (1-а реакція)

2) ізоцитратдегідрогеназу (3-я реакція)

Обидва ферменти алостерично інгібуються надлишком АТФ і НАДН 2 . Ізоцитратдегідрогеназу сильно активується АДФ. Якщо АДФ немає, цей фермент неактивний. У разі енергетичного спокою концентрація АТФ збільшується, і швидкість реакцій ЦТК мала - синтез АТФ зменшується. Ізоцитратдегідрогеназа інгібується АТФ набагато сильніше, ніж цитратсинтаза, тому в умовах енергетичного спокою підвищується концентрація цитрату, і він виходить у цитоплазму за градієнтом концентрацій шляхом полегшеної дифузії. У цитоплазмі цитрат перетворюється на Ацетил-КоА, який бере участь у синтезі жирних кислот. Проміжні продукти метаболізму циклу Кребса йдуть синтез інших речовин. Із α-кетоглутарату та щавлевооцтової кислоти (оксалоацетату) синтезуються амінокислоти, із щавлевооцтової кислоти – вуглеводи, із сукциніл-КоА → синтез гему гемоглобіну. Відновлені коферменти НАДН 2 і ФАДН 2, що утворилися, в дихальному ланцюгу окислюються з утворенням води, АТФ і побічного продукту – перекису водню.