1. Моя освіта – реферати, конспекти, доповіді
  2. Біологія
  3. Цикл Кребса — коротко і зрозуміло, схема і реакції

Цикл Кребса — коротко і зрозуміло, схема і реакції

Основою життєдіяльності будь-якого організму є аденозинтрифосфат – речовина, яка виходить під час складного ланцюга хімічних реакцій. Цей процес, що відбувається в кожній клітині, триває безперервно. Він називається циклом Кребса на честь німецького вченого, який займався вивченням впливу деяких кислот на перетворення глюкози. У біохімії використовується й інша назва-цикл трикарбонових кислот (ЦТК).

Історія вивчення

Біологічна роль деяких реакцій циклу Кребса (ЦК) була вивчена американським біохіміком угорського походження Альбертом Сент-Дьордьі. Зокрема, він виділив ключовий компонент ЦТК-фумарат. Дослідження в цьому напрямку продовжив Ганс Кребс. У підсумку він встановив всю послідовність реакцій і сполук, що утворюються на всіх етапах процесу. Вчений не зміг визначити, з перетворення якої кислоти починається цикл-лимонної або ізолімонной. Зараз відомо, що це лимонна кислота. Тому ЦК називають також цитратним або циклом лимонної кислоти.

Пізніше американець Альберт Ленінджер, що займається біоенергетикою, визначив, що всі реакції ЦК протікають в мітохондріях клітин. З отриманням доступу до ізотопів вуглецю з’явилася можливість більш досконального вивчення і уточнення даних про проміжні сполуки на різних етапах циклу.

Метаболізм речовин

З їжею в організм надходять три основні групи складних біохімічних сполук-білки, жири і вуглеводи. Вони є первинними метаболітами, тому що беруть участь в обміні речовин або в метаболізмі. Цей процес відбувається між будь-якими живими клітинами і навколишнім середовищем безперервно. Суть циклу Кребса полягає в тому, що він є областю сходження двох шляхів метаболізму. Це такі процеси:

  • катаболізм, при якому відбувається розпад більш складних речовин на прості, зокрема, глюкози на моносахариди;
  • анаболізм – синтез складних речовин з простих, наприклад, білків з амінокислот.

Механізм запуску і опис суті процесу

Після потрапляння в травну систему складні речовини розщеплюються під дією ферментів на більш прості, які всередині клітин перетворюються спочатку в піруват (піровиноградну кислоту), а потім — в ацетильний залишок. Всі ці перетворення можна назвати підготовкою до ЦК, а утворення залишку — його запуском або початковим етапом.

Подальші стадії циклу трикарбонових кислот є частиною катаболізму. Процес йде каскадно. Кожен попередній етап запускає наступний, а проміжні продукти хімічних реакцій служать не тільки для продовження циклу, але і при певних потребах організму можуть поповнювати запаси речовин, необхідних для синтезу нових сполук (анаболізму).

Клітинне дихання

Для нормальної життєдіяльності живим клітинам постійно потрібна енергія. Її головне універсальне джерело-аденозинтрифосфат (АТФ), здатний вбудовуватися в білки організму безпосередньо. Це з’єднання виходить в результаті ряду реакцій окислення, що носять загальну назву «клітинне дихання». При цьому відбувається поступовий розпад органічних речовин аж до найпростіших неорганічних — вуглекислого газу CO2 і води H2O.

Структурна будова молекул АТФ містить фосфорангідридні зв’язки, які мають властивість накопичувати вивільнену при проходженні реакцій клітинного дихання енергію, тому називаються макроергічними. Так створюються енергетичні запаси клітин, які можуть вивільняється при необхідності розривом цих зв’язків. Процес синтезу АТФ і класу допоміжних сполук включає три етапи:

  • Гліколіз відбувається в цитоплазмі.
  • У матриксі мітохондрій проходять всі хімічні реакції циклу Кребса.
  • Окисне фосфорилювання на внутрішній мембрані мітохондрій.

Перетворення аденозиндифосфату (АДФ) в АТФ характерно для всіх етапів. Але найбільша сумарна кількість молекул з макроергічними зв’язками утворюється при фосфорилюванні. Це не означає, що процеси гліколізу і ЦК менш важливі. Багато сполук, що утворюються під час їх протікання, беруть участь в регуляції клітинного дихання.

Опис процесу

Протікання ЦК досить економно з точки зору енерговитрат. Такий ефект досягається завдяки тому, що він пов’язує два метаболічних напрямки. У процес втягуються речовини, що підлягають утилізації, які або служать енергетичним «паливом», або повертаються в коло анаболізму. Підготовча стадія ЦК полягає в розпаді глюкози, амінокислот і жирних кислот на молекули пірувату або лактату.

Органели мітохондрій здатні перетворювати піруват в ацетильний залишок (ацетил-коензим А або ацетил-КоА), що представляє собою разом з тіольной групою, яка може його переносити, кофермент а.деяке з’єднання можуть відразу розпадатися до ацетил-КоА, минаючи стадію пірувату. При цьому піровиноградна кислота може залучатися безпосередньо в ЦК, не перетворюючись в ацетил-КоА.

Початкові етапи

Перша стадія незворотна і складається з конденсації ацетил-КоА з чотирьохуглецевим речовиною — оксалоацетатом (щавлевоуксусной кислотою або ЩУК), що призводить до утворення шестіуглеродного цитрату (лимонної кислоти). Під час реакції метильна група ацетил-КоА з’єднується з карбонільною групою ЩУК. Завдяки швидкому гідролізу проміжного з’єднання цитроил-КоА цей етап проходить без витрат енергії ззовні.

На другій стадії утворюється ізоцитрат (ізолімонна кислота) з цитрату через цис-аконітат. Це реакція оборотної ізомеризації через утворення проміжної трикарбонової кислоти, в якій каталізатором виступає фермент аконітатгідратаза.

Далі відбувається дегідрування і декарбоксилювання ізоцитрату до проміжного з’єднання оксалосукцинат з виділенням вуглекислого газу. Після декарбоксилювання оксалосукцинату утворюється енольное з’єднання, яке перебудовується і перетворюється в п’ятивуглецеву кислоту — α-кетоглутарат (оксоглутарата), чим і завершує третю сходинку ЦК. Четвертий етап-α-кетоглутарат декарбоксилює і реагує з ацетил-КоА. При цьому виходить сукциніл-КоА, з’єднання бурштинової кислоти і коензиму-А, виділяється СО2.

Замикання циклу

На п’ятій стадії сукциніл-КоА перетворюється в сукцинат (бурштинову кислоту). Для цього етапу характерно субстратне фосфолювання, подібне синтезу АТФ при гліколізі. Введення в ЦК фосфорної групи РО3 стає можливим завдяки присутності ферменту ГДФ (гуанозиндифосфата) або АДФ (аденозиндифосфата), які в процесі синтезу сукцината з дифосфатів стають трифосфатами.

Починаючи з шостої стадії, цикл починає поступово замикатися. Спочатку сукцинат під дією каталітичного ферменту сукцинатдегідрогенази дегідрує до фумарату. Подальше дигідрування призводить до сьомого етапу — утворення L-малату (яблучної кислоти) з фуратату через перехідну сполуку з карбаніоном.

Остання реакція циклу трикарбонових кислот малат окислюється до щавлевоуксусной кислоти. Перша стадія наступного ЦК починається з нової молекули ацетил-КоА.

Значення і функції

Цей восьмиетапний циклічний процес, підсумком якого є окислення ацетильного залишку до вуглекислого газу, може здатися надмірно складним. Проте, він має величезне значення в метаболізмі проміжних реакцій і виконує ряд функцій. До них відносяться:

  • енергетичний;
  • анаболічний;
  • катаболічна;
  • транспортний.

Цикл Кребса беруть участь в катаболізмі жирів і вуглеводів. Сполуки, що утворюються на різних стадіях процесу, беруть участь в синтезі багатьох необхідних для організму речовин — глутаміну, порфіринів, гліцину, фенілаланіну, цистеїну та інших. Коли проміжні продукти залишають ЦК для участі в синтезі, відбувається їх заміщення за допомогою так званих анаплеротіческіх реакцій, які каталізуються регуляторними ферментами, наприклад, піруваткарбоксилазой.

Транспортна функція ЦК полягає у сприянні гліколізу. Глюкозу неможливо перетворити відразу в АТФ, тому механізм гліколізу діє поетапно і супроводжується постійним переміщенням атомів і катіонів водню від одних сполук до інших. Для їх транспортування потрібні спеціальні з’єднання, які виходять на одній зі стадій ЦТК. Коферменти циклу Кребса, що беруть участь в гліколізі:

НАД * H+(Нікотинамідаденіндинуклеотид з катіоном водню). Утворюється на III стадії ЦК.
ФАД * H2 (Флавінаденіндинуклеотид з молекулою водню). З’являється на V стадії ЦК.
Реакції ЦК мають і велике клінічне значення. Хоча для людей не властиві мутації, пов’язані з генами ферментів, що беруть участь в циклі, проте їх рідкісні прояви згубні для здоров’я. Вони можуть призводити до пухлин м’язів і нирок, порушень роботи нервової системи.

Існує безліч видів візуального і слухового відображення циклу Кребса — схеми з формулами, рівняння хімічних реакцій, різноманітні таблиці і навіть мнемонічні способи для повного запам’ятовування його головних «учасників».

ПОДІЛИТИСЯ:

Дивіться також:
Системи органів