Цикл кребса картинка: Цикл Кребса. Откуда берется энергия для жизни? / Всё о нашей коже Teana Labs

У гигантских вирусов есть ферменты цикла Кребса

Американские биологи провели обширное метагеномное исследование с целью выявить функциональный состав геномов гигантских вирусов — как уже открытых, так и неизвестных науке (последние, естественно, изучаются пока только по нуклеотидным последовательностям). Гигантскими вирусами называется открытая в 2003 году группа очень крупных вирусов эукариот: они бывают крупнее некоторых клеток и имеют огромные геномы, в рекордных случаях тоже превосходящие размерами многие клеточные. Самые крупные известные представители гигантских вирусов паразитируют в пресноводных амебах. Анализ геномов показал, что у гигантских вирусов (особенно у семейства мимивирусов) есть аналоги множества клеточных генов, и в том числе генов, кодирующих ферменты метаболизма углерода. Многие гигантские вирусы имеют собственные ферменты гликолиза, глюконеогенеза и даже цикла Кребса. Соответствующие гены, конечно, были заимствованы вирусами от клеточных организмов. Но эти заимствования произошли давно (даже в эволюционном масштабе времени). Исследователей поразил сам факт, что у вирусов могут не только случайно появляться, но и устойчиво сохраняться в разных эволюционных ветвях гены, связанные с такими глубинными механизмами обмена веществ, которые раньше считались исключительной принадлежностью клеток.

Принято считать, что вирусы — это самые мелкие и самые простые живые организмы. Понимание того, что вирусы — отнюдь не бактерии, когда-то возникло под влиянием двух фактов: оказалось, что они, во-первых, невидимы под световым микроскопом, и во-вторых, свободно проходят сквозь фильтры, предназначенные для задержки бактерий. И то, и другое объясняется тем, что вирусы — а точнее, их компактные расселительные формы (вирионы) — как правило, чрезвычайно малы по меркам обычной биологии, изучающей животных, растения или даже микробов.

Но биология — наука, в которой из большинства правил есть исключения. В 2003 году были открыты гигантские вирусы. Строго говоря, они были известны биологам и раньше, но сначала их приняли за каких-то необычных бактерий. Гигантские вирусы, а их сейчас обнаружено довольно много, принадлежат к эволюционной ветви, которую называют крупными нуклеоцитоплазматическими ДНК-содержащими вирусами (nucleocytoplasmic large DNA viruses, сокращенно NCLDV). Все они паразиты эукариот, от амёб и водорослей до насекомых и позвоночных. С отдельными представителями NCLDV-вирусов человек, как выяснилось, сталкивался вообще издавна — это поксвирусы, то есть вирусы оспы. По «общевирусным» меркам вирус оспы велик и сложен, но некоторые его дальние родственники оказались гораздо крупнее (рис. 1). Например, у питовируса, паразитирующего в пресноводных амёбах, размер вириона достигает полутора микрон. Мало сказать, что такие вирусы сравнимы по размеру с бактериями — они просто-напросто в разы крупнее некоторых бактерий (например, каких-нибудь микоплазм). Более того, они крупнее некоторых одноклеточных эукариот! Их прекрасно видно под световым микроскопом, и бактериальные фильтры их не пропускают.

Генетические параметры гигантских вирусов тоже поразили исследователей. У одного из самых крупных из них — пандоравируса, который тоже паразитирует в пресноводных амёбах — геном имеет размер почти 2,5 мегабазы (см. Геномы хвостатых амфибий с самого начала были большими, «Элементы», 24.06.2015) и содержит две с половиной тысячи белок-кодирующих генов. У ряда других вирусов размеры генома лишь ненамного ему уступают. Такие геномы превосходят как числом пар нуклеотидов, так и количеством генов геномы не только многих бактерий, но и некоторых эукариот. Таким образом, и по физическим размерам, и по величине генома гигантские вирусы уверенно перекрываются с клеточными организмами.

Принципиальное отличие вирусов от клеток состоит не в размере. Оно в том, что вирус не может самостоятельно, без помощи другого живого организма, реализовать свою генетическую программу. У вирусов нет рибосом, молекулярных «машинок», синтезирующих белки по генетическим инструкциям, — этот процесс, как известно, называется трансляцией. Именно отсутствием рибосом любой вирус отличается от любой клетки. Характерно, что даже здесь приходится делать кое-какие оговорки: в 2017 году был описан гигантский вирус (он относится к семейству мимивирусов), у которого есть несколько десятков генов, кодирующих именно составные части аппарата трансляции: транспортные РНК, аминоацил-тРНК-синтетазы и еще некоторые белки (см. Обнаружены гигантские вирусы с расширенным репертуаром генов для синтеза белка, «Элементы», 10.04.2017). Но

полного аппарата трансляции там нет. Если бы у какого-то вируса нашлись работоспособные рибосомы — это был бы уже не вирус.

Зато у гигантских вирусов бывает много всего другого. Такой вирус не просто подключается к уже готовым клеточным механизмам — он активно перепрограммирует эти механизмы, превращая клетку (тут уже можно сказать «бывшую клетку») в некую принципиально новую структуру, которая даже и выглядеть-то может по-другому, но при этом остается живой и функционирующей. Только вот работает она теперь в интересах размножения вируса. У современных вирусологов такой составной организм называется «вироклеткой» (virocell). Превращение клетки в вироклетку — процесс, требующий сложного обеспечения, в том числе и на генетическом уровне.

Группа ученых из Политехнического университета Виргинии (Virginia Tech) предприняла обширное исследование геномов гигантских вирусов, в том числе и тех, которые еще неизвестны вирусологам. Такие вещи сейчас возможны благодаря области науки, которая называется метагеномикой: она исследует ДНК, полученную прямо из природных сред (например, из воды или почвы), читая и анализируя набор генов сразу всех организмов, оставивших там свои генетические следы, — так называемый метагеном. Метагеномные исследования уже привели к множеству разнообразных открытий: например, благодаря метагеномике были открыты асгардархеи — крупная эволюционная ветвь архей, к которой относятся вероятные предки эукариот (см. Описан новый надтип архей, к которому относятся предки эукариот, «Элементы», 16.01.2017). Подавляющее большинство асгардархей до сих пор известно биологам только по метагеномным сборкам. Многие гигантские вирусы тоже были открыты именно в результате метагеномных исследований, которые сейчас вовсю продолжаются. В данном случае, однако, целью исследователей было не столько открытие новых разновидностей гигантских вирусов (хотя это тоже важный результат), сколько составление «коллективного портрета» этой группы, отображающего как можно больше генетических и физиологических свойств.

Виргинские ученые исследовали 1545 метагеномов, из которых удалось «собрать» 501 новый вирусный геном. Генные последовательности, принадлежащие клеточным организмам или другим вирусам (не гигантским), естественно, игнорировались. Маркером фрагментов геномов, интересующих исследователей, были специфические гены, присущие только группе NCLDV. Большинство «нащупанных» таким методом новых гигантских вирусов живет в пресных водах или в море, хотя некоторые сборки относятся и к другим местообитаниям — например, к почве. Ничего удивительного тут нет, вирусы на Земле присутствуют всюду, где есть хоть что-то живое.

Для всех выделенных последовательностей авторы построили общее филогенетическое древо, добавив туда и некоторое количество референтных геномов, принадлежащих вирусам, которые уже заведомо известны (рис. 2). На этом древе вновь открытые вирусы распределились по шести семействам: оказалось, что большинство из них относится к мимивирусам и фикоднавирусам, а некоторые — к иридовирусам, асфарвирусам, марсельвирусам или питовирусам. Здесь, между прочим, хорошо видно, какое место занимает в современной биологии эволюционный подход. Раньше биологи сначала изучали живые организмы по отдельности, описывая в деталях их устройство, и только потом отваживались строить гипотезы о филогенетических отношениях между ними. Построенное филогенетическое древо было высшим уровнем исследовательской работы, ее венцом. Теперь же построение такого древа стало рутинной технической процедурой, и исследование (во всяком случае, биоинформатическое) с нее начинается. Авторы сначала выясняют хотя бы в общих чертах, какие места на филогенетическим древе занимают открытые ими существа, а уж потом переходят к подробностям.

В данном случае как раз подробности и есть самое интересное. У гигантских вирусов встречается множество собственных (то есть уже вирусных) генов, контролирующих те или иные клеточные функции. В первую очередь, конечно, это гены, кодирующие ферменты репликации и репарации ДНК, а также белки, обеспечивающие пространственную укладку генетического материала. Часто встречаются у гигантских вирусов гены ферментов, блокирующих окислительный стресс, и белков — ингибиторов апоптоза: последние не дают пораженной вирусом клетке совершить программируемое «самоубийство». У некоторых вирусов есть даже гены калиевых каналов — сложных белковых комплексов, которые встраиваются в мембрану хозяйской клетки и меняют в интересах вируса электрическое напряжение на ней. Кроме того, многие вирусы способны перестраивать (если выразиться более наукообразно — реструктурировать) обмен веществ хозяйской клетки, чтобы она эффективнее работала на производство новых вирусных частиц. У ряда гигантских вирусов обнаружились гены, функции которых связаны с фотосинтезом: гены родопсинов, хлорофиллсвязывающих белков и некоторых других. Благодаря этим белкам вирус может помешать клетке затормозить процесс фотосинтеза (многие клетки водорослей делают это в ответ на вирусное заражение) и, более того, может «научить» ее улавливать энергию как можно более широкого спектра световых волн. Распространены у вирусов гены, кодирующие транспортёры фосфатов, ионов железа и некоторых других небольших молекул: вирус заинтересован в том, чтобы зараженная им клетка была вдоволь обеспечена всеми нужными для обмена веществ химическими «деталями», а для этого нужно, чтобы она эффективно захватывала их из внешней среды (из морской воды, например). Вот вирус ей в этом и помогает.

Все это, однако, в целом было более или менее известно и раньше. Удивило исследователей другое. Оказалось, что у гигантских вирусов достаточно широко распространены гены, кодирующие ферменты, которые принимают участие в обмене углерода, в частности в таких процессах, как гликолиз (распад молекул глюкозы надвое, протекающий в несколько ступеней с выделением энергии) и глюконеогенез (синтез той же глюкозы из других соединений, например из аминокислот). Обмен углерода — это самая что ни на есть основа метаболизма живых клеток. Это центр, к которому сходятся все цепочки идущих в клетке химических реакций. Теперь выяснилось, что гигантские вирусы вторгаются даже сюда, причем очень основательно. Например, почти для каждого фермента гликолиза можно найти альтернативный ген, входящий в состав генома того или иного гигантского вируса. Особенно богато такими генами семейство мимивирусов, хотя и в других семействах они тоже встречаются. В нескольких вирусных геномах обнаружены блоки как минимум из двух генов, кодирующих ферменты смежных реакций гликолиза: иными словами, там фактически закодирован целый сплошной отрезок этого биохимического пути. У одного гигантского вируса есть гены, кодирующие аж 7 из 10 основных гликолитических ферментов, — то есть две трети реакций гликолиза этот вирус может провести сам, без поддержки клеточного генома. Причем вирусные ферменты гликолиза заметно отличаются от клеточных (в чем функциональный смысл отличий — еще предстоит разобраться, это интересная проблема). Можно ли после этого сомневаться в том, что у вирусов бывает свой метаболизм?

Еще интереснее, что у некоторых гигантских вирусов есть гены, кодирующие ферменты цикла Кребса, он же цикл трикарбоновых кислот (рис. 3). Цикл Кребса — это замкнутая цепочка химических реакций, служащая центром пересечения великого множества метаболических путей и являющаяся у организмов, дышащих кислородом, ключевым этапом клеточного дыхания (впрочем, цикл Кребса важен и в других отношениях). Казалось бы, ну зачем все это вирусам? Однако выяснилось, что не менее восьми ферментов цикла Кребса имеют у гигантских вирусов свои аналоги, причем более или менее широко распространенные. Соответствующих вирусных генов на самом деле еще больше: например, такой фермент, как сукцинатдегидрогеназа, состоит из трех субъединиц, каждая из которых кодируется отдельным геном — и все эти гены у вирусов есть. Пока, правда, не совсем понятно, как именно они их используют, но как-то используют точно: ген, на протяжении эволюционно значимого срока сохраняющийся в геноме в работоспособном состоянии, не может не иметь функции.

Все эти новости еще раз подтверждают, что классическая точка зрения, согласно которой вирус считался просто сгустком информации — «завернутой в белок скверной новостью», как выразился сэр Питер Медавар (Sir Peter Brian Medawar), — сейчас окончательно устарела. Вирус — это достаточно сложный живой организм. Некоторые вирусы превосходят размером и сложностью некоторые клетки. Даже у самых простых вирусов есть капсид — футляр из белков, кодируемых специфически вирусными генами, которые не имеют аналогов в клеточных геномах. А у сложных вирусов есть огромные репертуары всевозможных генов, благодаря продуктам которых вирус вступает с хозяйской клеткой в многогранное физиологическое взаимодействие.

Интересный вопрос, откуда все эти гены берутся. Метаболические гены, имеющие в клетках аналоги (а точнее — гомологи) в виде генов, кодирующих соответствующие ферменты обмена веществ, скорее всего приходят к вирусам от клеточных хозяев путем горизонтального переноса генов (ГПГ). Иное дело, что после этого у них начинается собственная эволюция, уже «внутривирусная», и она может быть очень быстрой. Такой сценарий подтверждается специально построенными для этих генов молекулярно-филогенетическими деревьями. Причем многие важные гены, судя по всему, заимствовались вирусами от клеточных организмов независимо несколько раз: это надежно показано, например, для ряда генов, кодирующих белки фотосинтеза. Что касается генов цикла Кребса, то их заимствование — довольно давнее, судя по распределению этих генов на вирусном эволюционном древе. Правда, пока нельзя сказать, сколько именно миллионов лет назад оно произошло. Но сам факт, что эти гены долго сохранялись в вирусных геномах и наследовались новыми эволюционными ветвями, подтверждает, что гигантским вирусам они зачем-то нужны.

Источник: Mohammad Moniruzzaman, Carolina A. Martinez-Gutierrez, Alaina R. Weinheimer, Frank O. Aylward. Dynamic genome evolution and complex virocell metabolism of globally-distributed giant viruses // Nature Communications. 2020. V. 11. № 1. P. 1–11. DOI: 10.1038/s41467-020-15507-2.

Сергей Ястребов

Гликолиз и дыхание • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»

В основе метаболизма животных и других организмов лежат химические процессы извлечения энергии, накопленной углеводами.

В процессе фотосинтеза солнечная энергия запасается в химических связях углеводных молекул, из которых наиболее важную роль играет шестиуглеродный сахар глюкоза. После того как другие живые организмы используют эти молекулы в пищу, запасенная энергия выделяется и используется для метаболизма. Это происходит во время процессов гликолиза и дыхания. Весь химический процесс можно коротко описать так:

    глюкоза + кислород → углекислый газ + вода + энергия

Чтобы лучше понять эти процессы, представьте себе, что организм «сжигает» углеводы, чтобы получить энергию.

Термин «гликолиз» образован при соединении слова лизис, означающего «расщепление», со словом глюкоза. Как следует из названия, процесс начинается с химического извлечения энергии посредством расщепления молекулы глюкозы на две части, каждая из которых содержит три атома углерода. В процессе гликолиза из каждой молекулы глюкозы получается две трехуглеродные молекулы пировиноградной кислоты. Кроме того, энергия глюкозы запасается в молекулах (см. Биологические молекулы), которые мы называем «энергетической валютой» клетки, — двух молекулах АТФ и двух молекулах НАДФ. Таким образом, уже на первой стадии гликолиза энергия высвобождается в такой форме, которая может быть использована клетками организма.

Дальнейший ход событий зависит от наличия или отсутствия кислорода в среде. При отсутствии кислорода пировиноградная кислота превращается в другие органические молекулы в ходе так называемых анаэробных процессов. Например, в клетках дрожжей пировиноградная кислота превращается в этанол. У животных, к которым относится и человек, при истощении запасов кислорода в мышцах пировиноградная кислота превращается в молочную кислоту — именно она вызывает так хорошо знакомое всем нам ощущение мышечной скованности после тяжелой физической нагрузки.

При наличии же кислорода энергия выделяется в процессе аэробного дыхания, когда пировиноградная кислота расщепляется на молекулы углекислого газа и воды с одновременным высвобождением оставшейся энергии, запасенной в углеводной молекуле. Дыхание происходит в специализированной клеточной органелле — митохондрии. Вначале отщепляется один углеродный атом пировиноградной кислоты. При этом образуется углекислый газ, энергия (она запасается в одной молекуле НАДФ) и двухуглеродная молекула — ацетильная группа. Затем реакционная цепь поступает в метаболический координационный центр клетки — цикл Кребса.

Цикл Кребса (его также называют циклом лимонной кислоты или циклом трикарбоновых кислот) является примером хорошо знакомого в биологии явления — химической реакции, которая начинается, когда определенная входящая молекула соединяется с другой молекулой, выполняющей функцию «помощника». Такая комбинация инициирует серию других химических реакций, в которых образуются молекулы-продукты и в конце воссоздается молекула-помощник, которая может начать весь процесс вновь. В цикле Кребса роль входящей молекулы играет ацетильная группа, образующаяся при расщеплении пировиноградной кислоты, а роль молекулы-помощника — четырехуглеродная молекула щавелевоуксусной кислоты. Во время первой химической реакции цикла эти две молекулы соединяются с образованием шестиуглеродных молекул лимонной кислоты (этой кислоте цикл обязан одним из своих названий). Далее происходят восемь химических реакций, в которых сначала образуются молекулы-переносчики энергии и углекислый газ, а затем новая молекула щавелевоуксусной кислоты. Для переработки энергии, запасенной в одной молекуле глюкозы, цикл Кребса нужно пройти дважды. Чистая прибыль оказывается равной двум молекулам АТФ, четырем молекулам углекислого газа и десяти другим молекулам-переносчикам энергии (о них немного позже). Углекислый газ, в конечном счете, диффундирует из митохондрии и выделяется при выдохе.

Цикл Кребса принципиально важен для жизни не только потому, что в нем образуется энергия. Помимо глюкозы в него могут вступать многие другие молекулы, также образующие пировиноградную кислоту. Например, когда вы соблюдаете диету, организму не хватает потребляемой вами глюкозы для поддержания метаболизма, поэтому в цикл Кребса, после предварительного расщепления, вступают липиды (жиры). Вот почему вы теряете вес. Кроме того, молекулы могут покидать цикл Кребса, чтобы принять участие в построении новых белков, углеводов и липидов. Таким образом, цикл Кребса может принимать энергию, сохраненную в разной форме во многих молекулах, и создавать на выходе разнообразные молекулы.

С энергетической точки зрения чистый результат цикла Кребса состоит в том, чтобы завершить извлечение энергии, запасенной в химических связях глюкозы, передать небольшую часть этой энергии молекулам АТФ и запасти остальную энергию в других молекулах-переносчиках энергии. (Говоря об энергии химических связей, не надо забывать, что для разделения соединенных атомов необходимо совершить работу.) На заключительном этапе дыхания эта оставшаяся энергия высвобождается из молекул-переносчиков и также запасается в АТФ. Молекулы, запасающие энергию, перемещаются внутри митохондрии, пока не столкнутся со специализированными белками, погруженными во внутренние мембраны митохондрии. Эти белки отнимают электроны у переносчиков энергии и начинают передавать их по цепи молекул — наподобие цепочки людей, передающих ведра с водой на пожаре, — извлекая энергию, запасенную в химических связях. Извлеченная на каждом этапе энергия запасается в форме АТФ. На последнем этапе электроны соединяются с атомами кислорода, которые далее объединяются с ионами водорода (протонами), образуя воду. В цепи переноса электронов образуется не менее 32 молекул АТФ — 90% энергии, хранившейся в исходной молекуле глюкозы.

Превращение энергии в цикле Кребса включает в себя довольно сложный процесс хемиосмотического сопряжения. Этот термин указывает на то, что в высвобождении энергии наряду с химическими реакциями участвует осмос — медленное просачивание растворов через органические перегородки. По сути дела, электроны с переносчиков энергии, являющихся продуктом цикла Кребса, переносятся по транспортной цепочке и поступают на белки, погруженные в мембрану, которая разделяет внутренний и внешний компартменты (отсеки) митохондрии. Энергия электронов используется для перемещения ионов водорода (протонов) во внешний компартмент, служащий «энергохранилищем» — наподобие водохранилища, образовавшегося перед плотиной. При оттоке протонов через мембрану энергия используется для образования АТФ, подобно тому как вода перед плотиной используется для производства электричества при падении на генератор. Наконец, во внутреннем компартменте митохондрии ионы водорода соединяются с молекулами кислорода с образованием воды — одного из конечных продуктов метаболизма.

Этот рассказ о гликолизе и дыхании иллюстрирует, насколько далеко зашли современные представления о живых системах. Простое высказывание о конкретном процессе — например, что для метаболизма необходимо «сжигать» углеводы — влечет за собой невероятно подробное описание сложных процессов, происходящих на молекулярном уровне и с участием огромного количества различных молекул. Осмысление современной молекулярной биологии в чем-то сродни чтению классического русского романа: вам легко понять каждое взаимодействие между персонажами, но, дойдя до страницы 1423, вы вполне можете забыть, кем приходится Петр Петрович Алексею Алексеевичу. Точно так же каждая химическая реакция в только что описанной цепи кажется понятной, но дочитав до конца вы будете поражены непостижимой сложностью процесса. В качестве утешения замечу, что я чувствую себя так же.

См. также:

Болезни и изменения клеточного метаболизма

Нейродегенеративные и онкологические болезни — самые распространенные возрастные патологии после болезней сердца и сосудов. Как показывают исследования, эти патологии тесным образом связаны с энергетическим обменом и митохондриальной дисфункцией. Детальное и масштабное изучение изменений клеточного метаболизма при развитии этих патологий способствует разработке более совершенных диагностических инструментов, позволяющих обнаруживать заболевание на самой ранней его стадии.

Спецпроект о клеточном энергетическом метаболизме, работе митохондрий и АТФ, а также о заболеваниях, связанных с нарушениями функций клеточных «батареек».


Спонсор спецпроекта — «БиоХимМак» — поставщик научного и медицинского оборудования в лаборатории России и стран СНГ.

Наверное, у каждого, кто начинает знакомиться с удивительной организацией наших клеток, возникает чувство восхищения невероятной сложностью внутриклеточного мира. Каждую секунду в миллиардах наших клеток протекают сложные и строго скоординированные процессы. И одним из таких очень важных процессов является производство в митохондриях главной энергетической молекулы — аденозинтрифосфата, или АТФ. Сегодня уже хорошо известно, что работа митохондрий очень тесно связана со здоровьем и продолжительностью жизни [1]. Митохондрии производят энергию для поддержания жизни, но при этом они же служат основными источниками активных форм кислорода, избыток которых для клеток губителен.

Энергетический обмен

Любой живой организм находится в постоянной связи с окружающей средой, непрерывно обмениваясь с ней веществом. В этом процессе можно выделить три этапа:

  1. поступление веществ;
  2. метаболизм;
  3. выделение конечных продуктов.

Внутриклеточный метаболизм, в свою очередь, включает в себя два типа реакций: катаболизм и анаболизм.

Катаболизм — это процесс расщепления и окисления органических молекул, приводящий к образованию тепла и энергетических молекул, АТФ. Именно за счет постоянного производства—расщепления последних съеденные нами калории направляются «по адресу»: гидролиз двух высокоэнергетических (макроэргических) связей в молекулах АТФ обеспечивает энергией всевозможные синтетические и транспортные процессы в клетках.

На первом этапе катаболизма под воздействием пищеварительных ферментов сложные органические соединения (белки, полисахариды, жиры) распадаются на более простые — аминокислоты, моносахариды, жирные кислоты и глицерин, — которые клетка использует для реакций анаболизма (пластического обмена) и получения энергии. Аминокислоты идут на синтез белков. Жирные кислоты выполняют энергетическую функцию, входят в состав клеточных мембран и служат субстратом для синтеза эйкозаноидов

На втором этапе происходит гликолиз — расщепление молекул глюкозы (рис. 1) до пировиноградной кислоты (ПВК). Дальнейший ход реакций зависит от присутствия или отсутствия кислорода в клетке. Если кислорода нет (анаэробный процесс), то ПВК у микроорганизмов и растений будет превращаться в этанол, а в организме животных — в молочную кислоту [2]. Каждый, кто подвергал себя тяжелым физическим нагрузкам, мог почувствовать конечный результат анаэробного метаболизма в виде боли и скованности в мышцах из-за скопившейся в них молочной кислоты.

Рисунок 1. Реакции гликолиза. На 10 этапах гликолиза (пяти подготовительных и пяти этапах синтеза АТФ) из шестиуглеродной молекулы глюкозы образуются две трехуглеродные молекулы пировиноградной кислоты. Полученная от расщепления глюкозы энергия запасается в «энергетической валюте» клетки — двух молекулах АТФ и двух молекулах НАДФ.

Если же кислород в клетке есть, ПВК будет расщепляться на углекислый газ и воду и тоже высвобождать заключенную в углеводной молекуле энергию. Этот процесс называется аэробным клеточным дыханием и проходит в специальных органеллах — митохондриях. Окисление в митохондриях дает гораздо больше энергии, чем гликолиз.

Митохондрии и производство АТФ

Рисунок 2. Митохондрия под электронным микроскопом.

Митохондрии — настоящее биологическое чудо, сотворенное эволюцией. Несмотря на очень маленький размер (в одной клетке может быть более 1000 митохондрий), эти органеллы поражают чрезвычайно сложной организацией (рис. 2). Они представляют собой вытянутые «пузырьки», окруженные двумя мембранами. Считается, что митохондрии сформировались в результате поглощения археями-фагоцитами пурпурных фотосинтезирующих бактерий, которые, приспосабливаясь к избытку кислорода, освоили аэробное дыхание [3], [4]. Мембраны митохондрий состоят из липидов и гидрофобных, нерастворимых в воде белков. (Здесь мы так подробно описываем строение митохондрий не случайно, а для того чтобы потом было понятно, как их нормальная работа и дисфункция влияют на здоровье.)

Строение мембран очень важно для процесса дыхания. Внешняя мембрана митохондрий — гладкая, а внутренняя — многократно складчатая. Эти складки (или кристы) позволяют увеличить рабочую площадь мембраны, что необходимо для размещения там всего комплекса белков, осуществляющих дыхание. Вначале окисляются углеродные атомы углеводов, жирных кислот и аминокислот до СО2 (гликолиз, цикл Кребса и β-окисление жирных кислот), а полученные таким образом электроны используются для образования НАДФ. Далее НАДФ окисляется молекулярным кислородом с образованием воды. НАДФ-оксидазная реакция сопровождается выделением очень большого количества свободной энергии (около 1,1 эВ при переносе одного электрона с НАДФ на кислород), которая может запасаться дыхательной цепью в виде трансмембранной разности электрохимических потенциалов ионов H+ (протонов).

Работа же дыхательных белков-ферментов похожа на работу насосов: передавая электроны друг другу, они перекачивают протоны в межмембранное пространство (см. видео 1). В результате внутренняя мембрана митохондрии заряжается подобно конденсатору. Создаются потенциалы: электрический (положительные заряды — снаружи митохондриальной мембраны, отрицательные — внутри органеллы) и химический (возникает разница концентраций протонов: внутри митохондрии их меньше, снаружи — больше). Известно, что электрический потенциал на мембране митохондрий, которая служит хорошим диэлектриком, достигает 200 мВ при толщине мембраны всего 10 нм [5]. Для сравнения: потенциал действия на мембранах нервных клеток при передаче сигнала достигает всего 30 мВ.

Видео 1. Как работает митохондрия

Накопившись в межмембранном пространстве, протоны, подобно электрическому току, устремляются назад, в митохондрию — туда, где их концентрация ниже. Однако они могут проходить только по специальным каналам АТФ-синтазы, встроенной во внутреннюю мембрану: протонный канал (ротор) этого фермента закреплен в мембране, а каталитический комплекс торчит внутрь митохондрии, в матрикс (рис. 3). Поток протонов раскручивает ротор, как река водяную мельницу. В результате ротор вращается с невероятной скоростью — 300 оборотов в секунду (см. видео 2)! И именно это вращение приводит к образованию высокоэнергетической молекулы — АТФ [6]. Подсчитано, что в сутки в организме взрослого человека синтезируется и расходуется около 40 кг АТФ, при этом жизнь каждой молекулы очень коротка.

Рисунок 3. Схема дыхательной цепи митохондрий.

Видео 2. Работа АТФ-синтазы в мембране митохондрии

Всё вышесказанное имеет самое непосредственное отношение к старению. Дело в том, что в процессе дыхания ферменты работают не совсем «чисто», и в результате образуются побочные продукты — активные формы кислорода (АФК). Пока человек молод и здоров, образующиеся в митохондриях АФК не представляют для него ощутимой угрозы, так как легко нейтрализуются организмом. Но когда человек стареет, ведет нездоровый образ жизни или имеет генетическую предрасположенность к определенным болезням, его защитные системы дают сбой, рушась одна за другой.

Жирные кислоты и дисфункция митохондрий

То, что старение и возрастные патологии сопровождаются дисфункцией митохондрий, которые начинают производить меньше АТФ и хуже обновляться, уже ни у кого не вызывает сомнения. Выяснилось также, что дисфункция митохондрий и старение тесным образом связаны с повышением уровня свободных жирных кислот в крови [7], чему сильно способствуют малоподвижность и нерациональное питание. Жирные кислоты, попадая в клетку, способны напрямую снижать синтез АТФ, разобщая окисление и фосфорилирование. Этот связанный с терморегуляцией организма феномен был открыт еще шесть десятилетий назад академиком Скулачевым и его коллегами [8]. Снижение синтеза АТФ, в свою очередь, запускает сразу несколько негативных цепных реакций, связанных с возрастными болезнями и старением в целом.

И вот что происходит. Повышение уровня свободных жирных кислот в организме приводит к резистентности к инсулину: инсулинзависимые клетки перестанут реагировать на этот гормон. В результате нарушается усвоение глюкозы и жирных кислот, ухудшается окисление последних. Дело в том, что характерный для состояния инсулинорезистентности высокий уровень инсулина активирует целый каскад реакций, который блокирует работу фермента карнитинпальмитоилтрансферазы I (СРT1), участвующего в переносе жирных кислот внутрь митохондрий [9]. Из-за этого ухудшается синтез АТФ, а жирные кислоты накапливаются в цитоплазме клеток, вызывая эффект липотоксичности. Кроме резистентности к инсулину, избыток жирных кислот в организме вызывает резистентность к еще одному «пищевому» гормону — лептину. А из-за этого страдает функция одного из главных участников биогенеза (обновления) митохондрий — коактиватора рецептора гамма, активируемого пролифераторами пероксисом (PGC-1α). В итоге митохондрии производят меньше АТФ, стареют, погибают и провоцируют гибель клеток путем апоптоза [10].

Ну и наконец, избыток жирных кислот вызывает стресс эндоплазматического ретикулума (ЭПР) — внутриклеточного органоида, участвующего в синтезе белков и множестве других процессов. При стрессе ЭПР в цитоплазму высвобождаются ионы кальция, способные вызывать дисфункцию и гибель митохондрий [11]. Ионы кальция могут накапливаться в клетке и по другой причине — из-за ухудшения работы ионных насосов, откачивающих кальций из клетки. А причиной этому служит нарушение работы митохондрий, сопровождающееся снижением синтеза АТФ, без которого отказываются работать ионные насосы. В итоге формируется порочный круг: снижение выработки АТФ приводит к дисфункции митохондрий, что еще больше снижает выработку АТФ, и т.д.

Жирные кислоты, церамиды и повреждения нейронов

Как выяснилось, избыток жирных кислот и дисфункция митохондрий напрямую связаны с возникновением возрастных нейродегенеративных патологий. Надо сказать, что клетки нервной системы — самые уязвимые для возрастного окислительного стресса и снижения синтеза АТФ. Такая исключительная чувствительность нейронов к дефициту энергии и повышению генерации АФК объясняется несколькими причинами.

Во-первых, нервная ткань в силу своей физиологии нуждается в наибольшем потреблении кислорода. Вследствие этого в митохондриях нейронов происходит интенсивный окислительный метаболизм, который и становится основной причиной повышенной генерации АФК.

Во-вторых, из-за того, что мембраны нейронов содержат много ненасыщенных жирных кислот, они легко подвергаются перекисному окислению липидов. Так как активность антиоксидантных систем в ткани головного мозга ниже, чем в других органах, а с возрастом сокращается и количество некоторых ферментов-антиоксидантов, становится понятным, почему клетки нервной системы наиболее чувствительны к окислительным повреждениям [12].

В настоящее время известно несколько факторов, повреждающих нейроны. Среди них — белки, образующие внутри- и внеклеточные агрегаты (β-амилоидный белок и другие), а также церамиды и липофусцин. На их количество влияет прежде всего избыток жирных кислот в организме. Отягчающим обстоятельством в этом случае выступает чрезмерное содержание насыщенных кислот (пальмитиновой и стеариновой) в пищевом рационе. Всё это вместе служит мощным стимулом развития разнообразных нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера [13], [14].

Но каким же образом пальмитиновая кислота может способствовать нейродегенерации? Установлено, что из-за избытка этой кислоты накапливаются церамиды, которые участвуют в регуляции терминальной дифференцировки, пролиферации и апоптоза нейронов. Посредством нескольких химических реакций они воздействуют на регуляторы клеточного цикла, повышая концентрацию ингибиторов киназ p21/SDI1 и p27/KIP1. Таким образом церамиды останавливают клеточный цикл, что, в свою очередь, активирует главного «стража генома» — белок р53 — и «насылает» на клетку апоптоз [15]. Кроме этого, при деградации церамида образуется вещество сфингозин, обладающее цитотоксическим действием и способное вызывать как апоптоз, так и некроз клеток. Но и это еще не всё. Обнаружено, что накопление насыщенных жирных кислот (пальмитиновой и стеариновой) стимулирует специальные клетки головного мозга (астроглию) на эндогенный (внутренний) синтез церамидов. Эти произведенные церамиды запускают цепную реакцию следующего вида: церамиды → повышение секреции провоспалительных цитокинов и оксида азота → увеличение производства АФК и окислительный стресс → активация стресс-регулируемых киназ (CDK5 и GSK-3) в нейронах → образование β-амилоидного белка и гиперфосфорилирование τ-белка [16].

Нейродегенеративные патологии и дисфункция митохондрий

Сегодня важнейшими и самыми распространенными нейродегенеративными патологиями считают болезни Альцгеймера, Паркинсона, Хантингтона, а также боковой амиотрофический склероз. Их возникновение связывают со структурными изменениями различных белков, приводящими к образованию внутриклеточных агрегатов. К таким белкам относятся:

Болезнь Альцгеймера (БА) — тяжелое нейродегенеративное заболевание, для которого характерны синаптическая дисфункция и гибель нейронов, что сопровождается снижением когнитивных способностей: ухудшением памяти и мышления, постепенной потерей социальных и моторных навыков [17]. В зоне риска развития болезни находятся в основном пожилые люди. Лишь 1–2% людей в возрасте до 65 лет страдают БА. Согласно одной из гипотез развития БА — амилоидной, — болезнь возникает из-за накопления в головном мозге агрегатов β-амилоида. Этот пептид состоит из 39–43 аминокислотных остатков и является фрагментом крупного трансмембранного белка под названием предшественник бета-амилоида (amyloid precursor protein, APP). Находясь в избытке, молекулы β-амилоида начинают «склеиваться» и образовывать нерастворимые бляшки (рис. 4). Именно в таком состоянии белок нарушает работу нервных клеток и вызывает симптомы БА. У страдающих БА в пораженных участках мозга находят большое количество амилоидных бляшек и нейрофибриллярных клубков [18].

Рисунок 4. Образование амилоидной бляшки у генно-инженерных мышей (показано длинной стрелкой). На 6-й день уже видна дистрофия нейрона (короткая стрелка). Синим цветом обозначены отложения амилоида, зеленым — нейроны. Длина масштабной линейки — 20 мкм; снимки сделаны с помощью мультифотонного микроскопа.

Однако амилоидная гипотеза — не единственная, объясняющая возникновение БА. В 1993 году Аллен Роузес, профессор Университета Дьюка, предложил еще одну гипотезу возникновения БА — генетическую, связанную с геном APOE, кодирующим аполипопротеин Е (ApoE). Выяснилось, что наследование одного из вариантов гена APOE — APOE4 — в несколько раз повышает шансы заболеть БА. Всё больше исследователей склоняются к мысли, что β-амилоид излишне «демонизирован» и не является первопричиной развития БА. Неудавшаяся терапия, направленная на очистку клеток от β-амилоида, подтверждает, что с этой болезнью не всё до конца ясно [19].

Болезнь Паркинсона (БП) — еще одно тяжелое и довольно распространенное возрастное нейродегенеративное заболевание. У больных БП в нейронах черной субстанции накапливается α-синуклеин, который образует особые гранулы — тельца Леви. Надо сказать, что существует так называемая деменция с тельцами Леви, для которой характерно скопление многочисленных телец Леви в кортикальных и субкортикальных нейронах и развитие прогрессирующего когнитивного расстройства уже в первый год заболевания. Но пока не совсем ясно, считать ли эту деменцию формой БП или же правильнее ее рассматривать как отдельное заболевание. В случае БП скопления телец Леви приводят к дисфункции нейронов и их гибели, при этом характерно поражение областей мозга из состава так называемого нигростриарного дофаминового пути. Этот путь регулирует двигательную активность, снижая напряжение в мышцах. Вот почему, когда гибнут дофаминовые нейроны, у больных возникают соответствующие симптомы: нарастающее повышение мышечного тонуса и дрожание рук. Кроме нарушения моторных функций для БП характерны и другие симптомы, связанные с нарушением сна, депрессией, тревогой, ухудшением зрения и замедлением мышления [20].

Болезнь Хантингтона (БХ) — тоже не слишком редкое нейродегенеративное заболевание [21]. Как и в случае болезни Альцгеймера, для патогенеза БХ характерно образование токсичных белковых агрегатов с участием мутантных форм белков, которые синтезируются в нервной ткани. Но если к основному «виновнику» БА, β-амилоиду, у ученых есть вопросы, в случае с БХ сомнений гораздо меньше. Установлено, что именно генетические особенности — полиморфизмы определенных участков ДНК — приводят к появлению патологических форм белка хантингтина. Такой хантингтин способен к ассоциации с другими белками нервной ткани, в результате чего образуются нерастворимые токсичные агрегаты, повреждающие кору и полосатое тело головного мозга. Для БХ типичны всплески непроизвольной двигательной активности, эмоциональные расстройства и потеря памяти. В то же время нормальная физиологическая функция белка хантингтина в организме остается под вопросом. Предполагают, что он играет какую-то роль в эмбриогенезе [22].

Все три упомянутые патологии самым тесным образом связаны с дисфункцией митохондрий. Прежде всего, надо отметить, что ее развитие под действием дефектных белков, специфичных для нейропатологий, было установлено несколькими способами: in vitro (на клеточных линиях и внеклеточных системах) и in vivo (на трансгенных животных). Обнаружили и обратную связь: оказалось, что дисфункция митохондрий может стимулировать появление дефектных белков. Так, нарушение активности дыхательного комплекса I ведет к накоплению в нервных клетках гиперфосфорилированного τ-белка и α-синуклеина [23].

Со скоплением дефектных белков связали и уже упоминавшийся стресс эндоплазматического ретикулума. Один из таких белков, α-синуклеин, может снижать активность протеасом, что заканчивается стрессом ЭПР, увеличением производства АФК и инициацией апоптозных процессов. Это происходит потому, что из митохондрий высвобождается апоптозный фактор, цитохром С, который активирует «клеточных убийц» — каспазу-9 и каспазу-3 [24]. Как полагают, на начальных этапах нейродегенерации при БА накопление β-амилоида и гиперфосфорилирование τ-белка могут быть физиологическими механизмами защиты клетки от окислительного стресса, вызванного прогрессирующей митохондриальной дисфункцией. Однако при избыточном накоплении этих белков в клетке происходит сбой в работе митохондрий. Так, у пациентов с БА обнаружили, что β-амилоид накапливается в митохондриях и нарушает реакции гликолиза и цикла Кребса, активизирует продукцию АФК. Более того, β-амилоид способен напрямую подавлять синтез АТФ. Это возможно из-за структурного сходства белка с естественным ингибитором F(1)-субъединицы АТФ-синтазы митохондрий. Также β-амилоид может взаимодействовать с митохондриальной мембраной, формируя стабильные комплексы с двумя транслоказами, TOM40 и TIM23. Такие комплексы подавляют импорт в митохондрии белков, кодируемых ядерным геномом, — субъединиц IV и Vb цитохромоксидазы. На что органелла откликается увеличением производства агрессивного пероксида водорода.

Но и это еще не всё: белок — предшественник β-амилоида может формировать поры в мембранах митохондрий и других органелл, что нарушает ионный баланс в клетке и запускает ее апоптоз [25]. Также этот белок повышает активность фосфолипазы D, в результате изменяя фосфолипидный состав митохондриальных мембран, увеличивая концентрацию фосфатидилхолина, фосфатидилэтаноламина и фосфатидной кислоты и нарушая работу мембран. Известно, что β-амилоид может связывать гем, а это ведет к дефициту гема в клетке, из-за чего нарушается работа гем-содержащего IV комплекса электронтранспортной цепи митохондрий [26].

Но не только β-амилоид способен негативно влиять на митохондрии. В экспериментах с трансгенными грызунами, экспрессирующими ген хантингтина человека, обнаружили агрегацию этого белка в митохондриях с последующим развитием их дисфункции. Другой «зловредный» белок, α-синуклеин, накапливаясь во внутренней митохондриальной мембране, способен снижать активность дыхательного комплекса I. Как следствие, митохондрии увеличивают продукцию АФК [27]. Также обнаружено, что α-синуклеин, взаимодействуя с митохондриями, может стимулировать высвобождение из них цитохрома С, а значит, инициировать апоптоз.

В целом, можно сказать, что запуск апоптоза — характерный эффект белков, вызывающих нейродегенерацию. Они могут прямо или косвенно воздействовать на регуляторные белки, связанные с апоптозом: p53, Akt, Bad, Bax, Bcl-x(L) и кальцинейрин [28].

Также описано, что сверхсинтез белка — предшественника β-амилоида приводит к повреждению системы слияния—деления митохондрий. Негативно влияют на эту же систему и на утилизацию дефектных митохондрий аутофагосомами мутации гена паркина (PARK2), обнаруженные у больных БП. Дефектные формы τ-белка и хантингтина тоже мешают нормальной работе митохондрий, ухудшая тем самым энергообеспечение отростков нервных клеток и синаптическую передачу, вызывая дегенерацию синапсов [29].

Таким образом, белки, участвующие в развитии нейродегенеративных патологий, могут способствовать митохондриальной дисфункции посредством целого ряда механизмов. В свою очередь, уже возникшая дисфункция может усугублять патологические процессы, стимулируя появление дефектных белков и замыкая тем самым порочный круг развития болезни.

Эффект Варбурга

И напоследок стόит коснуться еще одного момента, связанного с патологиями и изменением клеточного метаболизма. В 1926 году немецкий биохимик Отто Варбург сравнил скорости образования молочной кислоты (лактата) в нормальных и опухолевых клетках. Оказалось, что опухолевые клетки потребляют очень много глюкозы, образуя при этом лактат. И делают это они гораздо быстрее, чем нормальные клетки: злокачественная ткань в эксперименте производила молочную кислоту в восемь раз активнее, чем это происходит в мышце, выполняющей физическую работу. Варбург установил, что раковые клетки используют гликолиз для получения энергии вне зависимости от доступности кислорода (рис. 5) [30]. В честь первооткрывателя этот феномен назвали эффектом Варбурга [2].

Рисунок 5. Энергообеспечение нормальной и раковой клеток. Синим квадратом обозначена поступающая в клетку глюкоза.

Обнаружив этот эффект, Варбург логично предположил, что его можно объяснить дисфункцией митохондрий в опухолевых клетках и нарушением окислительного фосфорилирования. Сегодня эта точка зрения ставится под сомнение, так как и в перерожденной ткани обнаруживают большое количество нормально работающих митохондрий. Около половины всей энергии опухолевые клетки получают из молекул АТФ, произведенных в митохондриях [31]. Эффект Варбурга проявляется в клетках уже в самом начале их трансформации в опухолевые. И это дает возможность проводить раннюю диагностику неопластических процессов: как только клетка начала расходовать глюкозу в повышенных масштабах, пора бить тревогу. Обнаружить эти процессы можно с помощью позитронно-эмиссионной томографии с использованием фторированного аналога глюкозы, 2-(18F)-2-дезокси-D-глюкозы.

Но зачем раковые клетки переходят на анаэробный гликолиз? Сейчас считается, что так они получают преимущество, заранее подготавливаясь к «тяжелым временам» — развитию гипоксии. А кроме этого, такой способ энергообеспечения дает клеткам возможность использовать промежуточные продукты гликолиза для анаболических реакций, усиления своей антиоксидантной защиты и отражения иммунной атаки организма [32].

Таким образом, изменения в метаболизме глюкозы и появление дефектных белков и внутриклеточных агрегатов могут говорить о начале развития патологии. Своевременное выявление подобных внутриклеточных процессов может сыграть решающую роль в предупреждении и терапии самых распространенных нейродегенеративных и онкологических заболеваний. А для того чтобы это было возможным, необходимо изучать фундаментальные аспекты патологий, связанные с работой митохондрий и энергетическим обменом. Сегодня уже разработаны системы, позволяющие заглянуть «вглубь» этих заболеваний и даже провести диагностику на самой ранней стадии их развития. Подробнее об этих системах, принципах их действия и исследованиях с их использованием расскажут следующие статьи спецпроекта.

Компания более 25 лет успешно занимается поставками научного и медицинского оборудования российских и зарубежных производителей: Beckman Coulter, Bio-Rad, Molecular Devices, Thermo Fisher Scientific, UVP, Seahorse Bioscience (part of Agilent), Immucor, MRC Holland и др. «БиоХимМак» обслуживает более 5000 научных и медико-диагностических лабораторий в России и странах СНГ.

Отдел молекулярной диагностики (Life Science MDx)

Молекулярная онкология, преимплантационный скрининг, цитогенетика, пренатальные и постнатальные исследования, диагностика инфекций, наследственных, мультифакторных заболеваний, детекция генномодифицированных источников и бактериального загрязнения в продуктах питания, криминалистические приложения — это лишь неполный перечень областей, которые входят в сферу интересов отдела.

Основные направления деятельности отдела:

  • комплексная поставка ПЦР- и иного оборудования для всех этапов анализа — пробоподготовки, амплификации, различных вариантов детектирования и архивирования результатов;
  • запуск оборудования и обучение персонала;
  • поставка расходных материалов и реагентов для диагностики и научных исследований;
  • поиск и поставка тест-систем для решения уникальных задач или использующих передовые технологии, не имеющие пока широкого распространения в диагностической практике.

Отдел работает как с инновационной продукцией (MLPA, PGS и NGS исследования, клеточная биоэнергетика Agilent Seahorse Bioscience), так и с зарекомендовавшими себя мировыми брендами — Beckman Coulter, Bio-Rad, Molecular Devices, UVP, Thermo Fisher Scientific.

Материал предоставлен партнёром — компанией «БиоХимМак»

  1. Вода студеная, вареная и кипящее молоко, или Еще раз об омоложении;
  2. Страшней клешней на свете нет…;
  3. Как появились митохондрии (рассказ, похожий на сказку);
  4. От сложного к простому: трудности симбиогенеза;
  5. Ржешевский А.В. (2016). Нанороботы внутри нас: как работают клетки. Популярная механика. 1, 31–34;
  6. Романовский Ю.М. и Тихонов А.Н. (2010). Молекулярные преобразователи энергии живой клетки. Протонная АТФ-синтаза — вращающийся молекулярный мотор. Успехи физических наук. 9, 931–956;
  7. Терёшина Е.В. (2007). Роль жирных кислот в развитии возрастного окислительного стресса. Успехи геронтологии. 20, 59–65;
  8. Скулачев В.П. (1998). Альтернативные функции клеточного дыхания. Соросовский образовательный журнал. 8, 2–7;
  9. Ржешевский А.В. (2014). Снижение синтеза АТР и дисфункция биологических мембран. Биохимия. 10, 1300–1315;
  10. Roger H. Unger. (2003). Minireview: Weapons of Lean Body Mass Destruction: The Role of Ectopic Lipids in the Metabolic Syndrome. Endocrinology. 144, 5159-5165;
  11. C. Xu. (2005). Endoplasmic reticulum stress: cell life and death decisions. Journal of Clinical Investigation. 115, 2656-2664;
  12. Иллариошкин С.Н. (2012). Нарушения клеточной энергетики при заболеваниях нервной системы. Нервные болезни. 1, 34–38;
  13. R. A Whitmer. (2005). Obesity in middle age and future risk of dementia: a 27 year longitudinal population based study. BMJ. 330, 1360-0;
  14. β-амилоид: невидимый враг или тайный защитник? Запутанная тропка болезни Альцгеймера;
  15. L. M. Obeid. (2003). Ceramide, Stress, and a «LAG» in Aging. Science of Aging Knowledge Environment. 2003, 27pe-27;
  16. Бабенко Н.А., Семенова Я.А., Харченко В.С. (2009). Влияние обогащенной жирами диеты на содержание сфинголипидов и когнитивные функции у старых крыс. Нейрофизиология. 41, 309–315;
  17. На руинах памяти: настоящее и будущее болезни Альцгеймера;
  18. Смерть после жизни, болезнь Альцгеймера и почему мы хотим перемен;
  19. Болезнь Альцгеймера: ген, от которого я без ума;
  20. C. A. Davie. (2008). A review of Parkinson’s disease. British Medical Bulletin. 86, 109-127;
  21. Как спасти Тринадцатую? (Перспективы лечения болезни Хантингтона);
  22. Francis O Walker. (2007). Huntington’s disease. The Lancet. 369, 218-228;
  23. Gunter U. Hoglinger, Annie Lannuzel, Myriam Escobar Khondiker, Patrick P. Michel, Charles Duyckaerts, et. al.. (2005). The mitochondrial complex I inhibitor rotenone triggers a cerebral tauopathy. J Neurochem. 95, 930-939;
  24. W. W. Smith. (2005). Endoplasmic reticulum stress and mitochondrial cell death pathways mediate A53T mutant alpha-synuclein-induced toxicity. Human Molecular Genetics. 14, 3801-3811;
  25. Судаков Н.П., Бывальцев В.А., Никифоров С.Б., Сороковиков В.А., Клименков И.В., Константинов Ю.М. (2010). Дисфункция митохондрий при нейродегенеративных заболеваниях. Журнал неврологии и психиатрии. 9, 87–91;
  26. H. Atamna, K. Boyle. (2006). Amyloid-beta peptide binds with heme to form a peroxidase: Relationship to the cytopathologies of Alzheimer’s disease. Proceedings of the National Academy of Sciences. 103, 3381-3386;
  27. L. Devi, V. Raghavendran, B. M. Prabhu, N. G. Avadhani, H. K. Anandatheerthavarada. (2008). Mitochondrial Import and Accumulation of  -Synuclein Impair Complex I in Human Dopaminergic Neuronal Cultures and Parkinson Disease Brain. Journal of Biological Chemistry. 283, 9089-9100;
  28. Sandra M. Cardoso, Catarina R. Oliveira. (2005). The role of calcineurin in amyloid-β-peptides-mediated cell death. Brain Research. 1050, 1-7;
  29. Francis C. Chee, Amritpal Mudher, Matthew F. Cuttle, Tracey A. Newman, Daniel MacKay, et. al.. (2005). Over-expression of tau results in defective synaptic transmission in Drosophila neuromuscular junctions. Neurobiology of Disease. 20, 918-928;
  30. Robert A. Gatenby, Robert J. Gillies. (2004). Why do cancers have high aerobic glycolysis?. Nat Rev Cancer. 4, 891-899;
  31. Peter L. Pedersen. (2007). Warburg, me and Hexokinase 2: Multiple discoveries of key molecular events underlying one of cancers’ most common phenotypes, the “Warburg Effect”, i.e., elevated glycolysis in the presence of oxygen. J Bioenerg Biomembr. 39, 211-222;
  32. Куликов В.А. и Беляева Л.Е. (2013). Метаболическое перепрограммирование раковых клеток. Вестник Витебского государственного медицинского университета. 2, 6–18;
  33. Melanie Meyer-Luehmann, Tara L. Spires-Jones, Claudia Prada, Monica Garcia-Alloza, Alix de Calignon, et. al.. (2008). Rapid appearance and local toxicity of amyloid-β plaques in a mouse model of Alzheimer’s disease. Nature. 451, 720-724.

ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ ЦИКЛ • Большая российская энциклопедия

  • В книжной версии

    Том 32. Москва, 2016, стр. 397-398

  • Скопировать библиографическую ссылку:


Авторы: А. Е. Медведев

Трир. Въездные ворота Порта Нигра. 186–200.

ТРИКАРБО́НОВЫХ КИСЛО́Т ЦИКЛ (цикл ли­мон­ной ки­сло­ты, цикл Креб­са), се­рия по­сле­до­ва­тель­ных фер­мен­та­тив­ных пре­вра­ще­ний три- и ди­кар­бо­но­вых ки­слот и их про­из­вод­ных, про­те­каю­щих в клет­ках аэроб­ных ор­га­низ­мов (у про­ка­ри­от в ци­то­плаз­ме, у эу­ка­ри­от в мат­рик­се ми­то­хон­д­рий). Т. к. ц. – об­щий ко­неч­ный этап окис­ле­ния до СО2 и Н2О уг­ле­во­дов (пре­им. глю­ко­зы), жи­ров (жир­ных ки­слот) и бел­ков (ами­но­кис­лот), т. к. в хо­де их рас­па­да об­ра­зу­ет­ся ряд ме­та­бо­ли­тов (в т. ч. пи­ро­ви­но­град­ная, ща­ве­ле­во­ук­сус­ная и α-ке­тог­лу­та­ро­вая ки­сло­ты, сук­ци­нил-КоА, аце­тил-КоА), ко­то­рые вклю­ча­ют­ся в цикл, где и про­ис­хо­дит их по­сле­дую­щее окис­ле­ние. Т. к. ц. – осн. про­цесс, обес­пе­чи­ваю­щий снаб­же­ние кле­ток энер­ги­ей в аэроб­ных ус­ло­ви­ях и по­став­ляю­щий разл. про­ме­жу­точ­ные про­дук­ты для мно­го­числ. био­син­те­тич. ре­ак­ций. От­крыт Х. А. Креб­сом и амер. био­хи­ми­ком У. Джон­со­ном в 1937.

Т. к. ц. на­чи­на­ет­ся с об­ра­зо­ва­ния ли­мон­ной ки­сло­ты при кон­ден­са­ции аце­тиль­ной груп­пы аце­тил-КоА и ща­ве­ле­во­ук­сус­ной ки­сло­ты (см. схе­му). Ли­мон­ная ки­сло­та пре­вра­ща­ет­ся в цис-ако­ни­то­вую и да­лее в изо­ли­мон­ную ки­сло­ту, в хо­де окис­ли­тель­но­го де­кар­бок­си­ли­ро­ва­ния ко­то­рой про­ис­хо­дит вос­ста­нов­ле­ние НАД (до НАДН) и об­ра­зо­ва­ние α -ке­тог­лу­та­ро­вой ки­сло­ты. По­сле­дую­щее окис­лит. де­кар­бок­си­ли­ро­ва­ние α-ке­то­глу­та­ро­вой ки­сло­ты со­про­во­ж­да­ет­ся вос­ста­нов­ле­ни­ем НАД и об­ра­зо­ва­ни­ем мак­ро­эр­гич. со­еди­не­ния сук­ци­нил-КоА; его пре­вра­ще­ние в ре­ак­ции суб­страт­но­го фос­фо­ри­ли­ро­ва­ния при­во­дит к син­те­зу из гуа­но­зин­ди­фос­фа­та (ГДФ) при уча­стии не­ор­га­нич. фос­фа­та (Фн) гуа­но­зин­три­фос­фа­та (ГТФ) и об­ра­зо­ва­нию ян­тар­ной ки­сло­ты. По­след­няя в ре­ак­ции де­гид­ри­ро­ва­ния при уча­стии ФАД-за­ви­си­мо­го фер­мен­та сук­ци­нат­де­гид­ро­ге­на­зы пре­вра­ща­ет­ся в фу­ма­ро­вую ки­сло­ту (ФАД вос­ста­нав­ли­ва­ет­ся до ФАДН2), из ко­то­рой за­тем об­ра­зу­ет­ся яб­лоч­ная ки­сло­та. На за­клю­чит. эта­пе в ре­зуль­та­те де­гид­ри­ро­ва­ния яб­лоч­ной ки­сло­ты про­ис­хо­дит вос­ста­нов­ле­ние ещё од­ной мо­ле­ку­лы НАД и об­ра­зо­ва­ние ща­ве­ле­во­ук­сус­ной ки­сло­ты, ко­то­рая вновь кон­ден­си­ру­ет­ся с аце­тиль­ной груп­пой мо­ле­ку­лы аце­тил-КоА. Урав­не­ние сум­мар­ной ре­ак­ции пол­но­го обо­ро­та Т. к. ц. вы­гля­дит так: Аце­тил-КоА+3НАД+ФАД+ГДФ+Фн→2СО2+3НАДН+ФАДН2+ГТФ.

Об­ра­зую­щая­ся в хо­де ре­ак­ций Т. к. ц. энер­гия ак­ку­му­ли­ру­ет­ся в фор­ме вос­ста­но­ви­тель­ных эк­ви­ва­лен­тов НАДН и мо­ле­ку­лы ФАДН2 и да­лее ис­поль­зу­ет­ся ми­то­хон­д­ри­аль­ной це­пью пе­ре­нос­чи­ков элек­тро­нов в ды­ха­тель­ные це­пи, где и про­ис­хо­дит син­тез АТФ (см. Окис­ле­ние био­ло­ги­че­ское, Окис­ли­тель­ное фос­фо­ри­ли­ро­ва­ние).

По­сколь­ку про­ме­жу­точ­ные про­дук­ты Т. к. ц. мо­гут во­вле­кать­ся клет­ка­ми в син­тез др. ве­ществ, напр. глю­ко­зы, ами­но­кис­лот, жир­ных ки­слот, ке­то­но­вых тел, сте­рои­дов, пор­фи­ри­нов и др., их вос­пол­не­ние, не­об­хо­ди­мое для нор­маль­но­го функ­цио­ни­ро­ва­ния Т. к. ц., осу­ще­ст­в­ля­ют т. н. ана­п­ле­ро­ти­че­ские ре­ак­ции, ко­то­рые обес­пе­чи­ва­ют со­пря­жён­ный с гид­ро­ли­зом АТФ син­тез ща­ве­ле­во­ук­сус­ной и/или яб­лоч­ной ки­слот из пи­ро­ви­но­град­ной ки­сло­ты и CO2.

Аце­тил-КоА, всту­паю­щий в Т. к. ц., об­ра­зу­ет­ся при окис­лит. де­кар­бок­си­ли­ро­ва­нии пи­ро­ви­но­град­ной ки­сло­ты, в ре­ак­ци­ях β-окис­ле­ния жир­ных ки­слот и др. Дру­гие про­ме­жу­точ­ные про­дук­ты, об­ра­зую­щие­ся в мно­го­числ. ре­ак­ци­ях об­ме­на (напр., α-ке­тог­лу­та­ро­вая ки­сло­та из глу­та­ми­но­вой ки­сло­ты), мо­гут всту­пать в Т. к. ц. на бо­лее позд­них эта­пах, и в их пре­вра­ще­нии уча­ст­ву­ют не все фер­мен­ты, по­это­му воз­мож­но функ­цио­ни­ро­ва­ние не­пол­но­го цик­ла. У выс­ших рас­те­ний и не­ко­то­рых мик­ро­ор­га­низ­мов, ис­поль­зую­щих ук­сус­ную ки­сло­ту в ка­че­ст­ве един­ст­вен­но­го ис­точ­ни­ка уг­ле­ро­да, Т. к. ц. ви­до­из­ме­нён в гли­ок­си­лат­ный цикл.

цикл кребса — Цикл Кребса Что это такое


С этим файлом связано 1 файл(ов). Среди них: цикл кребса.docx.
Показать все связанные файлы
Подборка по базе: что такое спид.ppt, 1_Информатика_8_сынып_ПҚКО_Алғышартты цикл_Сабақ жоспары (1).doc, Что такое красный шлам.docx, цепень цикл.docx, Лекция 5. Модели жизненного цикла.pdf, Что такое эссе.docx, Курсовой Нурасыл нөлдік цикл (копия).docx, Что такое модель ISO OSI.pptx, 5 класс урок 1. Что такое география.docx, организация циклов.ppt

Цикл Кребса? Что это такое?

Если вы не в курсе, то это — цикл трикарбоновых кислот. Понятнее?

Если нет, то это — ключевой этап дыхания всех клеток, использующих кислород. Кстати, за открытие этого цикла Ганс Кребс получил Нобелевскую премию.

Вообщем, как вы поняли, эта штука очень важная, особенно для биохимиков. Именно им интересен вопрос «Как быстро запомнить цикл Кребса?»

Вот как он выглядит:



  1. Конденсация ацетил-коэнзима А со щавелевоуксусной кислотой приводит к образованию лимонной кислоты.

  2. Лимонная кислота превращается в изолимонную через цисаконитовую.

  3. Изолимонная кислота дегидрируется с образованием альфа-кетоглутаровой и углекислого газа.

  4. Альфа-кетоглутаровая кислота дегидрируется с образованием сукцинил-коэнзима А и углекислого газа.

  5. Сукцинил-коэнзим А превращается в янтарную кислоту.

  6. Янтарная кислота дегидрируется с образованием фумаровой.

  7. Фумаровая кислота гидратируется с образованием яблочной.

  8. Яблочная кислота дегидрируется с образованием щавелевоуксусной. При этом цикл замыкается. В первую реакцию следующего цикла вступает новая молекула ацетил-коэнзима А.

Я, на самом деле, не всё понял. Мне больше интересно про то, а как это запомнить.

Как запомнить Цикл Кребса? Стих!

Есть замечательный стих, который позволяет запомнить этот цикл. Автор данного стиха бывшая студентка КГМУ, сочинила его ещё в 1996 году.

ЩУКу АЦЕТИЛ ЛИМОНил,
Но нарЦИСсА КОНь боялся,
Он над ним ИЗОЛИМОННо
АЛЬФА-КЕТОГЛУТАРался.

СУКЦИНИЛся КОЭНЗИМом,
ЯНТАРился ФУМАРОВо,
ЯБЛОЧек припас на зиму,
Обернулся ЩУКой снова.

Здесь последовательно зашифрованы субстраты реакций цикла трикарбоновых кислот:


  • ЩУК (щавелевоуксусная кислота)

  • АЦЕТИЛ-коэнзим А

  • ЛИМОНная кислота

  • ЦИСАКОНитовая кислота

  • ИЗОЛИМОННая кислота

  • АЛЬФА-КЕТОГЛУТАРовая кислота

  • СУКЦИНИЛ-КОЭНЗИМ A

  • ЯНТАРная кислота

  • ФУМАРОВая кислота

  • ЯБЛОЧная кислота

  • ЩУК (щавелевоуксусная кислота)

Ещё один стих для запоминания цикла трикарбоновых кислот:

ЩУКа съела ацетат, получается цитрaт,
Через цисaконитaт будет он изоцитрaт.

Вoдoрoды отдaв НАД, oн теряет СО2,
Этoму безмернo рaд aльфa-кетоглутaрaт.

Окисление грядет — НАД похитил вoдoрoд,
ТДФ, коэнзим А забирают СО2.

А энергия едва в сукциниле пoявилась,
Сразу АТФ рoдилась и oстался сукцинат.

Вот дoбрался он дo ФАДа — вoдoрoды тому надo,
Фумарат воды напился, и в малат oн превратился.

Тут к малату НАД пришел, вoдoрoды приобрел,
ЩУКа снoва oбъявилась и тихoнькo затаилась.

Стих — это неплохо. Его, конечно, еще запомнить надо, тогда вопрос: «Как запомнить цикл Кребса» волновать студентов не будет.

Как запомнить Цикл Кребса? История!

Я вдобавок предлагаю вот какую штуку — каждую из этих стадий (кислоту) преобразовать в образы и картинки:

ЩУКА — щавелевоуксусная кислота
АЦтек сражается с ЕТИ — ацетил-коэнзим А
ЛИМОН — лимонная кислота
ЦИСтерна с КОНями — цисаконитовая
Рисованный на холсте (ИЗО) ЛИМОН — изолимонная кислота
АЛЬФ держит ГЛУбокую ТАРу — альфа-кетоглутаровая кислота
на СУКу сидит и пилит его ЦИНИк — сукцинил-коэнзим А
ЯНТАРЬ — янтарная кислота
в ФУражке МАРля — фумаровая кислота
ЯБЛОКО — яблочная кислота

Добавил картинок, которые могут вызвать сомнения, чтобы вы уж знали наверняка кто есть кто:

Альф

Ацтек

Янтарь

Ети

Теперь вам нужно соединить их последовательно друг с другом. И тогда Цикл Кребса запомнится следующим образом.

Возле широкой реки ЩУКИ стали выпрыгивать из воды и нападать на АЦтека и ЕТИ, которые из без низ сражались друг с другом. Закидав их ЛИМОНами ацтек и ети сели на цистерну с конями и побыстрее стали убираться с этого места. Они не заметили как врезались в ворота, на которых был изображен(ИЗО) ЛИМОН. Изнутри ворота им открыл АЛЬФ, держащий стеклянную ГЛУбокую ТАРу. В это время сидящий на СУКу ЦИНИк стал забрасывать их ЯНТАРНыми камнями. Прикрываясь ФУражками с МАРлей наши герои спрятались за огромные ЯБЛОКи. Но оказывается ЩУКи оказались хитрыми и поджидали их за яблоками.

Фууф, наконец-то дописал эту историю. Дело в том, что придумать такую историю в голове — очень быстро. Буквально 1-2 минуты. А вот изложить её текстом, да ещё так, чтобы поняли окружающие это совсем другое.

Запоминание цикла Кребса акронимом

Целый Ананас И Кусочек Суфле Сегодня Фактически Мой Обед, что соответствует— цитрат, цис-аконитат, изоцитрат, (альфа-)кетоглутарат, сукцинил-CoA, сукцинат, фумарат, малат, оксалоацетат.

Надеюсь, теперь вам понятно, как можно запомнить Цикл Кребса.

Разница между циклом Кребса и Кальвина (Наука и природа)

Основное различие между циклом Кребса и Кальвина состоит в том, что Цикл Кребса является частью процесса аэробного дыхания, который производит АТФ, в то время как цикл Кельвина является частью фотосинтеза, который производит продукты питания, потребляя АТФ.

Биохимические пути являются чрезвычайно важными процессами для поддержания жизни на Земле. Циклы Кребса и Кальвина являются двумя очень важными биохимическими путями, происходящими внутри органелл клеток. Оба эти процесса являются циклическими, но между ними много различий. Места, в которых происходят эти процессы, и потребление или производство энергии отличаются друг от друга.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Обзор и основные отличия
2. Что такое цикл Кребса?
3. Что такое цикл Кальвина
4. Сходства между циклом Кребса и Кальвина
5. Сравнение бок о бок — цикл Кребса против Кальвина в табличной форме
6. Резюме

Что такое цикл Кребса??

Цикл Кребса — это просто часть процесса аэробного дыхания, происходящего в клетках. Производство диоксида углерода и АТФ (аденозинтрифосфата) с некоторыми другими побочными продуктами происходит в течение всего процесса клеточного дыхания, и цикл Кребса является важной частью этого. Организмы накапливают энергию в форме АТФ. Процесс известен под разными именами, такими как Цикл лимонной кислоты, цикл трикарбоновых кислот, или цикл Кребса. Но все эти имена относятся к одному процессу. Поскольку большинство типов организмов являются аэробными (растения, животные, микроорганизмы), цикл Кребса происходит во всех этих аэробных организмах..

Рисунок 01: цикл Кребса

Цикл Кребса является жизненно важным этапом дыхательного пути, где ацетил-кофермент А расщепляется с кислородом, что приводит к выделению энергии для производства молекул АТФ. Тем не менее, ацетилкофермент А вырабатывается из дыхательных субстратов, таких как глюкоза, аминокислоты или жиры. Этот процесс не работает в отсутствие кислорода, и дыхательные субстраты разрушаются в цикле Кребса. Поскольку этот цикл включает в себя этапы как распада (катаболический), так и синтеза (анаболический), он известен как амфиболический путь. Весь процесс был назван в честь Ганса Кребса, который получил Нобелевскую премию в 1953 году за открытие.

Что такое Calvin Cycle?

Цикл Кальвина — жизненно важный шаг в темной реакции фотосинтеза, которая происходит в строме хлоропласта зеленых растений. Это циклический биохимический путь, который идет с использованием углекислого газа и производства кислорода. Согласно определению, цикл Кальвина представляет собой совокупность реакций, происходящих в темной реакции фотосинтеза, что означает, что он не требует солнечного света. Активация электронов не происходит в цикле Кальвина. Но необходимые энергетические требования для процессов удовлетворяются за счет потребления АТФ.

Рисунок 02: Цикл Кальвина

В целом, этот цикл является анаболическим путем, который образует глюкозу из углекислого газа и воды. Однако произведенные углеводы в цикле Кальвина не являются гексозными сахарами (глюкоза с шестью атомами углерода) согласно последним открытиям; это триозные (трехуглеродные) сахарные фосфаты, или триозные фосфаты. Позже это приводит к образованию гексозных сахаров в митохондриях..

Каковы сходства между циклом Кребса и Кальвина?

  • Цикл Кребса и цикл Кельвина являются двумя важными биохимическими путями.
  • CO2 и ATP участвуют в обоих процессах.
  • Оба встречаются в растениях.
  • Оба являются циклическими процессами, которые происходят внутри клеток.

В чем разница между циклом Кребса и Кальвина?

Цикл Кребса является частью процесса аэробного дыхания, а цикл Кельвина — частью фотосинтеза. Прежний — катаболический процесс, в то время как последний — анаболический процесс. Более того, цикл Кребса происходит в матрице митохондрий, а цикл Кальвина — в строме хлоропластов. Цикл Кребса происходит в аэробных организмах. Вырабатывает АТФ и СО2. Самое главное, это происходит в присутствии кислорода. Однако цикл Кальвина происходит только у растений. Он использует АТФ и СО2 и производит глюкозу. Кроме того, этот процесс не требует кислорода.

Резюме

Цикл Кребса и цикл Кельвина являются двумя важными биохимическими путями. Цикл Кребса производит энергию в форме АТФ. Он расщепляет глюкозу в присутствии кислорода. Этот процесс происходит во всех аэробных организмах, включая растения. Цикл Кальвина является частью фотосинтеза. Он также известен как темная реакция, так как он не зависит от солнечного света, в отличие от светлой реакции. Это производит глюкозу, используя CO2 и спс. В этом разница между циклом Кребса и циклом Кальвина.

Ссылка:

1. «Безграничная микробиология». Люмен, Открытые учебники SUNY, доступны здесь.
2. «Фотосинтез: цикл Кальвина». Хан Академия, Хан Академия, доступно здесь.

Изображение предоставлено:

1. «Цикл с лимонной кислотой noi» Нарайанез (говорит) — Модифицированная версия изображения: Citricacidcycle_ball2.png (CC BY-SA 3.0) через Commons Wikimedia
2. «Calvin-cycle4» Майк Джонс — Эгет Арбейде (CC BY-SA 3.0) через Викисклад Commons

Цикл кребса протекает в клетках у. Цикл Кребса, биологическая роль, основные реакции. Ферменты цикла Кребса. Точка пересечения распада и синтеза

Цикл Кребса? Что это такое?

Если вы не в курсе, то это — цикл трикарбоновых кислот. Понятнее?

Если нет, то это — ключевой этап дыхания всех клеток, использующих кислород. Кстати, за открытие этого цикла Ганс Кребс получил Нобелевскую премию.

Вообщем, как вы поняли, эта штука очень важная, особенно для биохимиков. Именно им интересен вопрос «Как быстро запомнить цикл Кребса? »

Вот как он выглядит:

По сути Цикл Кребса описывает этапы превращения лимонной кислоты. Их и нужно запомнить.

  1. Конденсация ацетил-коэнзима А со щавелевоуксусной кислотой приводит к образованию лимонной кислоты.
  2. Лимонная кислота превращается в изолимонную через цисаконитовую.
  3. Изолимонная кислота дегидрируется с образованием альфа-кетоглутаровой и углекислого газа.
  4. Альфа-кетоглутаровая кислота дегидрируется с образованием сукцинил-коэнзима А и углекислого газа.
  5. Сукцинил-коэнзим А превращается в янтарную кислоту.
  6. Янтарная кислота дегидрируется с образованием фумаровой.
  7. Фумаровая кислота гидратируется с образованием яблочной.
  8. Яблочная кислота дегидрируется с образованием щавелевоуксусной. При этом цикл замыкается. В первую реакцию следующего цикла вступает новая молекула ацетил-коэнзима А.

Я, на самом деле, не всё понял. Мне больше интересно про то, а как это запомнить.

Как запомнить Цикл Кребса? Стих!

Есть замечательный стих, который позволяет запомнить этот цикл. Автор данного стиха бывшая студентка КГМУ, сочинила его ещё в 1996 году.

ЩУК у АЦЕТИЛ ЛИМОН ил,
Но нарЦИС сА КОН ь боялся,
Он над ним ИЗОЛИМОНН о
АЛЬФА-КЕТОГЛУТАР ался.

СУКЦИНИЛ ся КОЭНЗИМ ом,
ЯНТАР ился ФУМАРОВ о,
ЯБЛОЧ ек припас на зиму,
Обернулся ЩУК ой снова.

Здесь последовательно зашифрованы субстраты реакций цикла трикарбоновых кислот:

  • АЦЕТИЛ-коэнзим А
  • ЛИМОНная кислота
  • ЦИСАКОНитовая кислота
  • ИЗОЛИМОННая кислота
  • АЛЬФА-КЕТОГЛУТАРовая кислота
  • СУКЦИНИЛ-КОЭНЗИМ A
  • ЯНТАРная кислота
  • ФУМАРОВая кислота
  • ЯБЛОЧная кислота
  • ЩУК (щавелевоуксусная кислота)

Ещё один стих для запоминания цикла трикарбоновых кислот:

ЩУКа съела ацетат, получается цитрaт,
Через цисaконитaт будет он изоцитрaт.

Вoдoрoды отдaв НАД, oн теряет СО2,
Этoму безмернo рaд aльфa-кетоглутaрaт.

Окисление грядет — НАД похитил вoдoрoд,
ТДФ, коэнзим А забирают СО2.

А энергия едва в сукциниле пoявилась,
Сразу АТФ рoдилась и oстался сукцинат.

Вот дoбрался он дo ФАДа — вoдoрoды тому надo,
Фумарат воды напился, и в малат oн превратился.

Тут к малату НАД пришел, вoдoрoды приобрел,
ЩУКа снoва oбъявилась и тихoнькo затаилась.

Стих — это неплохо. Его, конечно, еще запомнить надо, тогда вопрос: «Как запомнить цикл Кребса» волновать студентов не будет.

Как запомнить Цикл Кребса? История!

Я вдобавок предлагаю вот какую штуку — каждую из этих стадий (кислоту) преобразовать в образы и картинки:

ЩУКА — щавелевоуксусная кислота
АЦ тек сражается с ЕТИ — ацетил-коэнзим А
ЛИМОН — лимонная кислота
ЦИС терна с КОН ями — цисаконитовая
Рисованный на холсте (ИЗО ) ЛИМОН — изолимонная кислота
АЛЬФ держит ГЛУ бокую ТАР у — альфа-кетоглутаровая кислота
на СУК у сидит и пилит его ЦИНИ к — сукцинил-коэнзим А
ЯНТАРЬ — янтарная кислота
в ФУ ражке МАР ля — фумаровая кислота
ЯБЛОКО — яблочная кислота

Альф Ацтек
Янтарь Ети


Теперь вам нужно соединить их последовательно друг с другом. И тогда Цикл Кребса запомнится следующим образом.

Возле широкой реки ЩУКИ стали выпрыгивать из воды и нападать на АЦтека и ЕТИ, которые из без низ сражались друг с другом. Закидав их ЛИМОНами ацтек и ети сели на цистерну с конями и побыстрее стали убираться с этого места. Они не заметили как врезались в ворота, на которых был изображен(ИЗО) ЛИМОН. Изнутри ворота им открыл АЛЬФ, держащий стеклянную ГЛУбокую ТАРу. В это время сидящий на СУКу ЦИНИк стал забрасывать их ЯНТАРНыми камнями. Прикрываясь ФУражками с МАРлей наши герои спрятались за огромные ЯБЛОКи. Но оказывается ЩУКи оказались хитрыми и поджидали их за яблоками.

Фууф, наконец-то дописал эту историю. Дело в том, что придумать такую историю в голове — очень быстро. Буквально 1-2 минуты. А вот изложить её текстом, да ещё так, чтобы поняли окружающие это совсем другое.

Запоминание цикла Кребса акронимом

Целый Ананас И Кусочек Суфле Сегодня Фактически Мой Обед , что соответствует- цитрат, цис-аконитат, изоцитрат, (альфа-)кетоглутарат, сукцинил-CoA, сукцинат, фумарат, малат, оксалоацетат.


Надеюсь, теперь вам понятно, как можно запомнить Цикл Кребса.

Образующийся в ПВК-дегидрогеназной реакции ацетил-SКоА далее вступает в цикл трикарбоновых кислот (ЦТК, цикл лимонной кислоты, цикл Кребса). Кроме пирувата, в цикл вовлекаются кетокислоты, поступающие из катаболизма аминокислот или каких-либо иных веществ.

Цикл трикарбоновых кислот

Цикл протекает в матриксе митохондрий и представляет собой окисление молекулы ацетил-SКоА в восьми последовательных реакциях.

В первой реакции связываются ацетил и оксалоацетат (щавелевоуксусная кислота) с образованием цитрата (лимонной кислоты), далее происходит изомеризация лимонной кислоты до изоцитрата и две реакции дегидрирования с сопутствующим выделением СО 2 и восстановлением НАД.

В пятой реакции образуется ГТФ, это реакция субстратного фосфорилирования . Далее последовательно происходит ФАД-зависимое дегидрирование сукцината (янтарной кислоты), гидратация фумаровой кислоты до малата (яблочная кислота), далее НАД-зависимое дегидрирование с образованием оксалоацетата .

В итоге после восьми реакций цикла вновь образуется оксалоацетат.

Последние три реакции составляют так называемый биохимический мотив (ФАД-зависимое дегидрирование, гидратация и НАД-зависимое дегидрирование, он используется для введения кетогруппы в структуру сукцината. Этот мотив также присутствует в реакциях β-окисления жирных кислот . В обратной последовательности (восстановление, де гидратация и восстановление) этот мотив наблюдается в реакциях синтеза жирных кислот .

Функции ЦТК

1. Энергетическая

  • генерация атомов водорода для работы дыхательной цепи , а именно трех молекул НАДН и одной молекулы ФАДН2 ,
  • синтез одной молекулы ГТФ (эквивалентна АТФ).

2. Анаболическая . В ЦТК образуются

  • предшественник гема – сукцинил-SКоА ,
  • кетокислоты, способные превращаться в аминокислоты – α-кетоглутарат для глутаминовой кислоты, оксалоацетат для аспарагиновой,
  • лимонная кислота , используемая для синтеза жирных кислот ,
  • оксалоацетат , используемый для синтеза глюкозы .

Анаболические реакции ЦТК

Регуляция цикла трикарбоновых кислот

Аллостерическая регуляция

Ферменты, катализирующие 1-ю, 3-ю и 4-ю реакции ЦТК, являются чувствительными к аллостерической регуляции метаболитами:

Регуляция доступностью оксалоацетата

Главным и основным регулятором ЦТК является оксалоацетат , а точнее его доступность. Наличие оксалоацетата вовлекает в ЦТК ацетил-SКоА и запускает процесс.

Обычно в клетке имеется баланс между образованием ацетил-SКоА (из глюкозы, жирных кислот или аминокислот) и количеством оксалоацетата. Источником оксалоацетата являются

1) Пировиноградная кислота , образуемая из глюкозы или аланина,

Синтез оксалоацетата из пирувата

Регуляция активности фермента пируваткарбоксилазы осуществляется при участии ацетил-SКоА . Он является аллостерическим активатором фермента, и без него пируваткарбоксилаза практически неактивна. Когда ацетил-SКоА накапливается, то фермент начинает работать и образуется оксалоацетат, но, естественно, только при наличии пирувата.

2) Получение из аспарагиновой кислоты в результате трансаминирования или из цикла АМФ-ИМФ,

3) Поступление из фруктовых кислот самого цикла (янтарной, α-кетоглутаровой, яблочной, лимонной), образуемых при катаболизме аминокислот или в других процессах. Большинство аминокислот при своем катаболизме способны превращаться в метаболиты ЦТК, которые далее идут в оксалоацетат, чем также поддерживается активность цикла.

Пополнение пула метаболитов ЦТК из аминокислот

Реакции пополнения цикла новыми метаболитами (оксалоацетат, цитрат, α-кетоглутарат и т.п) называются анаплеротическими .

Роль оксалоацетата в метаболизме

Примером существенной роли оксалоацетата служит активация синтеза кетоновых тел и кетоацидоз плазмы крови при недостаточном количестве оксалоацетата в печени . Такое состояние наблюдается при декомпенсации инсулинзависимого сахарного диабета (СД 1 типа) и при голодании. При указанных нарушениях в печени активирован процесс глюконеогенеза , т.е. образования глюкозы из оксалоацетата и других метаболитов, что влечет за собой снижение количества оксалоацетата. Одновременная активация окисления жирных кислот и накопление ацетил-SКоА запускает резервный путь утилизации ацетильной группы – синтез кетоновых тел . В организме при этом развивается закисление крови (кетоацидоз ) с характерной клинической картиной: слабость, головная боль, сонливость, снижение мышечного тонуса, температуры тела и артериального давления.

Изменение скорости реакций ЦТК и причины накопления кетоновых тел при некоторых состояниях

Описанный способ регуляции при участии оксалоацетата является иллюстрацией к красивой формулировке «Жиры сгорают в пламени углеводов «. В ней подразумевается, что «пламень сгорания» глюкозы приводит к появлению пирувата, а пируват превращается не только в ацетил-SКоА, но и в оксалоацетат. Наличие оксалоацетата гарантирует включение ацетильной группы, образуемой из жирных кислот в виде ацетил-SКоА, в первую реакцию ЦТК.

В случае масштабного «сгорания» жирных кислот, которое наблюдается в мышцах при физической работе и в печени при голодании , скорость поступления ацетил-SКоА в реакции ЦТК будет напрямую зависеть от количества оксалоацетата (или окисленной глюкозы).

Если количество оксалоацетата в гепатоците недостаточно (нет глюкозы или она не окисляется до пирувата), то ацетильная группа будет уходить на синтез кетоновых тел . Такое происходит при длительном голодании и сахарном диабете 1 типа .

Метаболизм

Метаболизм – это энергетический обмен, происходящий в нашем организме. Мы вдыхаем кислород и выдыхаем углекислый газ. Только живое существо может что-то брать из окружающей среды и обратно возвращать в другом виде.

Допустим, мы решили позавтракать и съели хлеб с курицей. Хлеб — это углеводы, курица – это белки.
В течении этого времени переваренные углеводы распадутся до моносахаридов, а белки до аминокислот.
Это начальная стадия – катаболизм. На этой ступени по своему строению сложные распадаются на более простые.

Также, в качестве примера можно привести обновление поверхности кожи. Они постоянно меняются. Когда верхний слой кожи отмирает, макрофаги убирают омертвевшие клетки и появляется новая ткань. Она создается путем сбора белка из органических соединений. Это протекает в рибосомах. Совокупность действий возникновения сложного состава (белка) из простого (аминокислот) называется анаболизмом.

Анаболизм:

  • рост,
  • увеличение,
  • расширение.

Катаболизм:

  • расщепления,
  • деление,
  • уменьшения.

Название можно запомнить, просмотрев фильм «Анаболики». Там идет речь о спортсменах, применяющих анаболические препараты для роста и увеличения мышечной массы.

Что такое Цикл Кребса?

В 30 годы 20 века ученый Ганс Кребс занимается изучение мочевины. Затем он переселяется в Англию и приходит к такому выводу, что некоторые ферменты катализируются в нашем теле. За это ему вручили Нобелевскую премию.

Мы получаем энергию благодаря глюкозе, содержащейся в эритроцитах. Действию перехода декстроза в энергию помогают митохондрии. Затем конечный продукт превращается в аденозинтрифосфат или АТФ. Именно АТФ является главной ценностью организма. Получаемое вещество насыщает энергией и органы нашего тела. Сама по себе глюкоза не может видоизмениться в АТФ, для этого нужны сложные механизмы. Этот переход и называется Циклом Кребса.

Цикл Кребса — это постоянные химические превращения, происходящие внутри каждого живого существа. Так оно называется, так как процедура повторяется без остановки. В итоге этого явления мы приобретаем аденозинтрифосфорную кислоту, которая считается жизненно важной для нас.

Важным условием является дыхание клетки. Во время прохождения всех стадий обязательно должен присутствовать кислород. На данном этапе также происходит создание новых аминокислот и углеводов. Эти элементы играют роль строителей организма, можно сказать это явление выполняет еще одну значительную роль — строительную. Для эффективности этих функций нужны и другие микро и макроэлементы и витамины. При недостатке хоть одного элемента, работа органов нарушается.

Этапы цикла Кребса

Здесь происходит деление одной молекулы глюкозы на две части пировиноградной кислоты. Она является важным звеном в процессе обмена веществ и от нее зависит работа печени. Она имеется во многих фруктах и ягодах. Ее часто используют в косметических целях. В результате еще может появиться молочная кислота. Она содержится в клетках крови, мозга, мышц. Затем мы получим кофермент А. Его функция — перенос углерода в разные части тела. При присоединении с оксалатом получаем цитрат. Кофермент А полностью распадается, также получаем молекулу воды.

На втором вода отделяется от цитрата. В итоге появляется акатиновое соединение, она поможет при получении изоцитрата. Так, например, мы можем узнать качество фруктов и соков, нектаров. Образуется NADH — оно необходимо при окислительных процессах и обмене веществ.
Происходит процесс соединения с водой, и высвобождается энергия аденозинтрифосфата. Получение оксалоцетата. Функционирует в митохондриях.

По каким причинам замедляется энергетический обмен?

Наше тело имеет особенность адаптироваться к еде, к жидкости и тому, сколько мы двигаемся. Эти вещи сильно влияют на метаболизм.
Еще в те далекие времена человечество выживало в тяжелых погодных условиях при болезнях, голоде, неурожае. Сейчас медицина двинулась вперед, поэтому в развитых странах люди стали дольше жить и лучше зарабатывать, не прикладывая всех своих сил. В наши дни люди чаще употребляют мучные, сладкие кондитерские изделия и мало двигаются. Такой образ жизни ведет к замедлению работы элементов.

Чтобы этого не было, в первую очередь необходимо включить в рацион цитрусовые. В них содержится комплекс витаминов и других важных веществ. Большую роль играет лимонная кислота, содержащаяся в ее составе. Она играет роль в химическом взаимодействии всех ферментов и названа в честь Цикла Кребса.

Прием цитрусовых поможет решить проблему энергетического взаимодействия, также если соблюдать здоровый образ жизни. Нельзя часто принимать в пищу апельсины, мандарины, так как они могут раздражать стенки желудка. Всего понемногу.

ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ (ЦИКЛ КРЕБСА)

Цикл трикарбоновых кислот впервые был открыт английским биохимиком Г. Кребсом. Он первым постулировал значение данного цикла для полного сгорания пирувата, главным источником которого является гликолитическое превращение углеводов . В дальнейшем было показано, что цикл трикарбо-новых кислот является тем центром, в котором сходятся практически все метаболические пути. Таким образом, цикл Кребса – общий конечный путь окисления ацетильных групп (в виде ацетил-КоА), в которые превращается в процессе катаболизма большая часть органических молекул , играющих роль «клеточного топлива »: углеводов , жирных кислот и аминокислот .

Образовавшийся в результате окислительного декарбоксилирования пирувата в митохондриях ацетил-КоА вступает в цикл Кребса . Данный цикл происходит в матриксе митохондрий и состоит из восьми последовательных реакций (рис. 10.9). Начинается цикл с присоединения ацетил-КоА к оксалоацетату и образования лимонной кислоты (цитрата ). Затем лимонная кислота (шестиуглеродное соединение) путем ряда дегидрирований (отнятие водорода ) и двух декарбоксилирований (отщепление СО 2) теряет два углеродных атома и снова в цикле Кребса превращается в оксалоацетат (четырехуглеродное соединение), т.е. в результате полного оборота цикла одна молекула ацетил-КоА сгорает до СО 2 и Н 2 О, а молекула окса-лоацетата регенерируется. Рассмотрим все восемь последовательных реакций (этапов) цикла Кребса .

Рис. 10.9. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса ).

Первая реакция катализируется ферментом цит-рат-синтазой, при этом ацетильная группа ацетил-КоА конденсируется с оксалоацетатом, в результате чего образуется лимонная кислота :

По-видимому, в данной реакции в качестве промежуточного продукта образуется связанный с ферментом цитрил-КоА. Затем последний самопроизвольно и необратимо гидролизуется с образованием цитрата и HS-KoA.

В результате второй реакции образовавшаяся лимонная кислота подвергается дегидратированию с образованием цис-аконитовой кислоты , которая, присоединяя молекулу воды , переходит в изолимонную кислоту (изоцитрат). Катализирует эти обратимые реакции гидратации–дегидратации фермент аконитатгидратаза (аконитаза). В результате происходит взаимоперемещение Н и ОН в молекуле цитрата :

Третья реакция , по-видимому, лимитирует скорость цикла Кребса . Изолимонная кислота дегидрируется в присутствии НАД-зависимой изо-цитратдегидрогеназы.

В ходе изоцитратдегидрогеназной реакции изолимонная кислота одновременно декарбоксилируется. НАД-зависимая изоцитратдегидрогеназа является аллостерическим ферментом , которому в качестве специфического активатора необходим АДФ . Кроме того, фермент для проявления своей активности нуждается в ионах Mg 2+ или Мn 2+ .

Во время четвертой реакции происходит окислительное декарбокси-лирование α-кетоглутаровой кислоты с образованием высокоэнергетического соединения сукцинил-КоА. Механизм этой реакции сходен с таковым реакции окислительного декарбоксилирования пирувата до ацетил-КоА, α-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс напоминает по своей структуре пируватдегидрогеназный комплекс. Как в одном, так и в другом случае в реакции принимают участие 5 коферментов : ТПФ, амид липоевой кислоты , HS-KoA, ФАД и НАД + .

Пятая реакция катализируется ферментом сукцинил-КоА-синтета-зой. В ходе этой реакции сукцинил-КоА при участии ГТФ и неорганического фосфата превращается в янтарную кислоту (сукцинат ). Одновременно происходит образование высокоэргической фосфатной связи ГТФ за счет высокоэргической тиоэфирной связи сукцинил-КоА:

В результате шестой реакции сукцинат дегидрируется в фумаровую кислоту . Окисление сукцината катализируется сукцинатдегидрогеназой , в молекуле которой с белком прочно (ковалентно) связан кофермент ФАД. В свою очередь сукцинатдегидрогеназа прочно связана с внутренней ми-тохондриальной мембраной :

Седьмая реакция осуществляется под влиянием фермента фума-ратгидратазы (фумаразы ). Образовавшаяся при этом фумаровая кислота гидратируется, продуктом реакции является яблочная кислота (малат). Следует отметить, что фумаратгидратаза обладает стереоспецифичностью (см. главу 4) – в ходе реакции образуется L-яблочная кислота :

Наконец, в ходе восьмой реакции цикла трикарбоновых кислот под влиянием митохондриальной НАД-зависимой малатдегидрогеназы происходит окисление L-малата в оксалоацетат:

Как видно, за один оборот цикла, состоящего из восьми ферментативных реакций , происходит полное окисление («сгорание») одной молекулы ацетил-КоА. Для непрерывной работы цикла необходимо постоянное поступление в систему ацетил-КоА, а коферменты (НАД + и ФАД), перешедшие в восстановленное состояние, должны снова и снова окисляться. Это окисление осуществляется в системе переносчиков электронов в дыхательной цепи цепи дыхательных ферментов ), локализованной в мембране митохондрий . Образовавшийся ФАДН 2 прочно связан с СДГ, поэтому он передает атомы водорода через KoQ. Освобождающаяся в результате окисления ацетил-КоА энергия в значительной мере сосредоточивается в макроэргических фосфатных связях АТФ . Из 4 пар атомов водорода 3 пары переносят НАДН на систему транспорта электронов ; при этом в расчете на каждую пару в системе биологического окисления образуется 3 молекулы АТФ (в процессе сопряженного ), а всего, следовательно, 9 молекул АТФ (см. главу 9). Одна пара атомов от сукцинатдегидрогеназы-ФАДН 2 попадает в систему транспорта электронов через KoQ, в результате образуется только 2 молекулы АТФ . В ходе цикла Кребса синтезируется также одна молекула ГТФ (субстратное фосфорилирование ), что равносильно одной молекуле АТФ . Итак, при окислении одной молекулы ацетил-КоА в цикле Кребса и системе окислительного фосфорилирования может образоваться 12 молекул АТФ .

Если подсчитать полный энергетический эффект гликолитического расщепления глюкозы и последующего окисления двух образовавшихся молекул пирувата до СО 2 и Н 2 О, то он окажется значительно большим.

Как отмечалось, одна молекула НАДН (3 молекулы АТФ ) образуется при окислительном декарбоксилировании пирувата в ацетил-КоА. При расщеплении одной молекулы глюкозы образуется 2 молекулы пирувата, а при окислении их до 2 молекул ацетил-КоА и последующих 2 оборотов цикла трикарбоновых кислот синтезируется 30 молекул АТФ (следовательно, окисление молекулы пирувата до СО 2 и Н 2 О дает 15 молекул АТФ ). К этому количеству надо добавить 2 молекулы АТФ , образующиеся при аэробном гликолизе , и 6 молекул АТФ , синтезирующихся за счет окисления 2 молекул внемитохондриального НАДН, которые образуются при окислении 2 молекул глицеральдегид-3-фосфата в дегидрогеназной реакции гликолиза . Следовательно, при расщеплении в тканях одной молекулы глюкозы по уравнению С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 -> 6СО 2 + 6Н 2 О синтезируется 38 молекул АТФ . Несомненно, что в энергетическом отношении полное расщепление глюкозы является более эффективным процессом, чем анаэробный гликолиз .

Необходимо отметить, что образовавшиеся в процессе превращения глицеральдегид-3-фосфата 2 молекулы НАДН в дальнейшем при окислении могут давать не 6 молекул АТФ , а только 4. Дело в том, что сами молекулы внемитохондриального НАДН не способны проникать через мембрану внутрь митохондрий . Однако отдаваемые ими электроны могут включаться в митохондриальную цепь биологического окисления с помощью так называемого глицеролфосфатного челночного механизма (рис. 10.10). Ци-топлазматический НАДН сначала реагирует с цитоплазматическим ди-гидроксиацетонфосфатом, образуя глицерол-3-фосфат. Реакция катализи-

Рис. 10.10. Глицеролфосфатный челночный механизм. Объяснение в тексте.

руется НАД-зависимой цитоплазматической глицерол-3-фосфат-дегидроге-назой:

Дигидроксиацетонфосфат + НАДН + Н + Глицерол-3-фосфат + НАД + .

Образовавшийся глицерол-3-фосфат легко проникает через митохонд-риальную мембрану . Внутри митохондрии другая (митохондриальная) глицерол-3-фосфат-дегидрогеназа (флавиновый фермент ) снова окисляет глицерол-3-фосфат до диоксиацетонфосфата:

Глицерол-3-фосфат + ФАД Диоксиацетонфосфат + ФАДН 2 .

Восстановленный флавопротеин (фермент-ФАДН 2) вводит на уровне KoQ приобретенные им электроны в цепь биологического окисления и сопряженного с ним окислительного фосфорилирования , а диоксиаце-тонфосфат выходит из митохондрий в цитоплазму и может вновь взаимодействовать с цитоплазматическим НАДН + Н + . Таким образом, пара электронов (из одной молекулы цитоплазматического НАДН + Н +), вводимая в дыхательную цепь с помощью глицеролфосфатного челночного механизма, дает не 3, а 2 АТФ .

Рис. 10.11. Малат-аспартатная челночная система для переноса восстанавливающих эквивалентов от цитозольного НАДН в митохондриальный матрикс. Объяснение в тексте.

В дальнейшем было показано, что с помощью данного челночного механизма лишь в скелетных мышцах и мозге осуществляется перенос восстановленных эквивалентов от цитозольного НАДН + Н + в митохондрии .

В клетках печени , почек и сердца действует более сложная малат-ас-партатная челночная система. Действие такого челночного механизма становится возможным благодаря присутствию малатдегидрогеназы и ас-партатаминотрансферазы как в цитозоле, так и в митохондриях .

Установлено, что от цитозольного НАДН + Н + восстановленные эквиваленты сначала при участии фермента малатдегидрогеназы (рис. 10.11) переносятся на цитозольный оксалоацетат. В результате образуется малат, который с помощью системы, транспортирующей дикарбоновые кислоты , проходит через внутреннюю мембрану митохондрии в матрикс. Здесь малат окисляется в оксалоацетат, а матриксный НАД + восстанавливается в НАДН + Н + , который может теперь передавать свои электроны в цепь дыхательных ферментов , локализованную на внутренней мембране митохондрии . В свою очередь образовавшийся оксалоацетат в присутствии глутамата и фермента АсАТ вступает в реакцию трансаминирования . Образующиеся аспарат и α-кетоглутарат с помощью специальных транспортных систем способны проходить через мембрану митохондрий .

Транспортирование в цитозоле регенерирует оксалоацетат, что вызывает к действию следующий цикл. В целом процесс включает легкообратимые реакции , происходит без потребления энергии, «движущей силой» его является постоянное восстановление НАД + в цитозоле гли-церальдегид-3-фосфатом, образующимся при катаболизме глюкозы .

Итак, если функционирует малат-аспартатный механизм, то в результате полного окисления одной молекулы глюкозы может образоваться не 36, а 38 молекул АТФ (табл. 10.1).

В табл. 10.1 приведены реакции , в которых происходит образование высокоэргических фосфатных связей в ходе катаболизма глюкозы , с указанием эффективности процесса в аэробных и анаэробных условиях

Министерство образования Российской федерации

Самарский Государственный технический университет

Кафедра «Органической химии»

Реферат на тему:

«ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ (ЦИКЛ КРЕБСА)»

Выполнил студент: III – НТФ – 11

Ерошкина Н.В.

Проверил.

Цикл трикарбоновых кислот — он же цикл Кребса, поскольку существование такого цикла было предположено Гансом Кребсом в 1937 году.
За это спустя 16 лет он был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине. Значит, открытие весьма значительное. В чём же смысл этого цикла и почему он так важен?

Как ни крути, все равно придётся начать довольно-таки издалека. Если вы взялись читать эту статью, то хотя бы понаслышке знаете, что основной источник энергии для клеток — это глюкоза. Она постоянно присутствует в крови в практически неизменной концентрации — для этого существуют специальные механизмы, запасающие или высвобождающие глюкозу.

Внутри каждой клетки находятся митохондрии — отдельные органеллы («органы» клетки), перерабатывающие глюкозу для получения внутриклеточного источника энергии — АТФ. АТФ (аденозинтрифосфорная кислота) универсальна и очень удобна в использовании, как источник энергии: она напрямую встраивается в белки, обеспечивая их энергией. Самый простой пример — это белок миозин, благодаря которому мышцы способны сокращаться.

Глюкозу невозможно превратить в АТФ, несмотря на то, что в ней содержится большое количество энергии. Как извлечь эту энергию и направить в нужное русло, не прибегая к варварским (по клеточным меркам) средствам типа сжигания? Надо использовать обходные пути, благо ферменты (белковые катализаторы) позволяют некоторым реакциям протекать гораздо быстрее и эффективнее.

Первый этап — это превращение молекулы глюкозы в две молекулы пирувата (пировиноградной кислоты) или лактата (молочной кислоты). При этом выделяется небольшая часть (примерно 5%) той энергии, что запасена в молекуле глюкозы. Лактат получается при анаэробном окислении — то есть в отсутствие кислорода. Также есть способ превращения глюкозы в анаэробных условиях в две молекулы этанола и углекислый газ. Это называется брожением, и этот способ мы рассматривать не будем.


…Так же как не будем мы рассматривать подробно сам механизм гликолиза, то есть расщепления глюкозы в пируват. Поскольку, цитируя Леинджера, «Превращение глюкозы в пируват катализируется десятью ферментами, действующими последовательно». Желающие могут открыть учебник по биохимии и подробно ознакомиться со всеми стадиями процесса — он изучен очень хорошо.

Казалось бы, путь от пирувата до углекислого газа должен быть довольно простым. Но оказалось, что он осуществляется посредством девятистадийного процесса, который и называется циклом трикарбоновых кислот. Это кажущееся противоречие с принципом экономии (неужели нельзя было проще?) отчасти объясняется тем, что цикл связывает между собой несколько метаболических путей: вещества, образующиеся в цикле, являются прекурсорами других молекул, уже не имеющих отношения к дыханию (например, аминокислот), а любые другие соединения, подлежащие утилизации, в итоге попадают в цикл и либо «сгорают» для получения энергии, либо перерабатываются в те, которые находятся в недостатке.

Первая стадия, которая традиционно рассматривается в отношении к циклу Кребса — это окислительное декарбоксилирование пирувата в ацетильный остаток (Acetyl-CoA). CoA, если кто не знает — это кофермент А, имеющий в своём составе тиольную группу, на которой он может переносить ацетильный остаток.


Расщепление жиров тоже приводит к ацетилам, которые также вступают в цикл Кребса. (Синтезируются они аналогично — из Acetyl-CoA, что объясняет тот факт, что в жирах почти всегда присутствуют только кислоты с чётным числом атомов углерода).

Ацетил-КоА конденсируется с молекулой оксалоацетата, давая цитрат. При этом высвобождается кофермент А и молекула воды. Эта стадия необратима.

Цитрат дегидрируется в цис-аконитат — вторую трикарбоновую кислоту в цикле.

Цис-аконитат присоединяет обратно молекулу воды, превращаясь уже в изолимонную кислоту. Эта и предыдущая стадии обратимы. (Ферменты катализируют как прямую, так и обратную реакции — вы же знаете, да?)

Изолимонная кислота декарбоксилируется (необратимо) и одновременно окисляется, давая кетоглутаровую кислоту. При этом NAD+, восстанавливаясь, превращается в NADH.

Следующая стадия — окислительное декарбоксилирование. Но при этом образуется не сукцинат, а сукцинил-КоА, который на следующей стадии гидролизуется, направляя высвобождающуюся энергию на синтез АТФ.

При этом образуется ещё одна молекула NADH и молекула FADh3 (кофермент, отличный от NAD, который однако так же может окисляться и восстанавливаться, запасая и отдавая энергию).

Выходит, что оксалоацетат работает как катализатор — он не накапливается и не расходуется в процессе. Так и есть — концентрация оксалоацетата в митохондриях поддерживается довольно низкой. А как избежать накопления других продуктов, как согласовать между собой все восемь стадий цикла?

Для этого, как оказалось, существуют специальные механизмы — своего рода отрицительная обратная связь. Как только концентрация какого-то продукта растёт выше нормы, это блокирует работу фермента, ответственного за его синтез. А для обратимых реакций всё ещё проще: при превышении концентрации продукта реакция просто начинает идти в обратную сторону.

И ещё пара мелких замечаний

Цикл Кребса — использование химической энергии для клеточного дыхания

Откуда берется водород в 4(NADH+H+) и UQH

2 ?

Восстановительная способность на этой стадии в значительной степени сохраняется за счет НАДН и убихинола (UQH 2 ) во внутренней мембране митохондрий до серии реакций окисления, которые заканчиваются водой. Эти окисления обеспечивают перенос протонов из матрикса в межмембранное пространство. Это приводит к градиенту потенциала (протонному насосу), который вызывает ретролокацию протонов к матрице и, таким образом, активирует АТФ-синтазу, которая катализирует образование АТФ.

Где происходит цикл Кребса?

Цикл ТСА впервые наблюдали в мышечной ткани голубя. Это происходит во всех эукариотических и прокариотических клетках. У эукариот это происходит в матриксе митохондрии. У прокариот это происходит в цитозоле.

Изделия цикла Кребса

Перед началом цикла Кребса молекула глюкозы должна превратиться в ацетил-КоА. В результате этого процесса в цикл подаются 2 молекулы ацетил-КоА.Таким образом, цикл повторяется дважды на исходную глюкозу, давая в два раза больше продуктов, чем показано ниже.

Один цикл ТСА «поворот» дает 7 продуктов:

  • ГТП
  • 3 НАДН
  • FADH 2 , который превращается в UQH 2 в присутствии кофермента Q (убихинон)
  • 2 CO 2 (двуокись углерода)

Что такое пируват?

Пируват представляет собой биологическую молекулу и продукт метаболизма глюкозы, который реагирует с аденозинтрифосфатом и углекислым газом, превращая его в ацетил-КоА и аденозиндифосфат (АДФ) в начале цикла ТСА.Его часто включают в вводную или предварительную ступень цикла.

Пируват обычно получают из продукта гликолиза пировиноградной кислоты, которая быстро диссоциирует в большинстве природных систем, оставляя пируват.

Пируват играет важную роль в многочисленных биотрансформациях, как более подробно описано в статье Трансформации пирувата.

История цикла Кребса

Открытие этого цикла немецким химиком Гансом Адольфом Кребсом в 1937 году стало важной вехой в биохимии.Кребс получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1953 году за этот вклад в изучение промежуточного метаболизма при окислительном распаде углеводов. Кребс и его соавтор Уильям Артур Джонсон опубликовали свои выводы «Роль лимонной кислоты в промежуточном метаболизме в тканях животных» в Enzymologia после того, как они были отклонены Nature . За этой оригинальной публикацией последовали многие другие.

Цикл ТСА в исследованиях

Цикл ТСА представляет особый интерес для исследователей в области метаболомики.Изучая скорость, побочные продукты, ферментативную активность и другие характеристики процессов метаболизма, исследователи могут делать выводы о заболеваниях и исследовать эффективность лечения.

Ключевые ферменты цикла ТСА

  • Яблочная дегидрогеназа
  • α-кетоглутаратдегидрогеназа
  • Цитратсинтаза
  • Фумараза
  • Аконитаза

Применение цикла ТСА

Эти связанные с ТЦА метаболические применения обычно изучаются с использованием соединений, меченных стабильными изотопами, и масс-спектрометрии:

  • Метаболизм липидов
  • Метаболизм аминокислот
  • Метаболизм белков (оборот)
  • Метаболизм глюкозы
  • Расход энергии
  • Метаболомика

Мы продаем метаболиты ТСА и ферменты для точного определения метаболических процессов, а также соединения, меченные стабильными изотопами, которые могут помочь в измерении скорости метаболизма всего организма или метаболизма глюкозы.Соединения, обогащенные стабильными изотопами, метаболически подобны природным гомологам, что делает их безопасными для использования в качестве индикаторов.

См. таблицу материалов ниже, чтобы ознакомиться с продуктами, специфичными для исследований цикла ТСА, включая наш набор Kreb’s Cycle kit, включающий все 10 компонентов для мониторинга этого пути.

Цикл Кребса / Цикл лимонной кислоты / Цикл ТСА с этапами и диаграммой окисление ацетил-КоА с выделением углекислого газа и атомов водорода, что впоследствии приводит к образованию воды.

  • Этот цикл называется циклом лимонной кислоты, поскольку первым промежуточным продуктом метаболизма, образующимся в цикле, является лимонная кислота.
  • Этот цикл также называют трикарбоновой кислотой (TCA), потому что тогда не было уверенности, была ли первым продуктом цикла лимонная кислота или какая-либо другая трикарбоновая кислота ( г ., изолимонная кислота). Однако теперь стало известно, что первым продуктом действительно является лимонная кислота, и поэтому использование этого названия с тех пор не рекомендуется.
  • Этот цикл происходит только в аэробных условиях, поскольку богатые энергией молекулы, такие как НАД + и ФАД, могут быть извлечены из их восстановленной формы только после того, как они перенесут электроны на молекулярный кислород.
  • Цикл лимонной кислоты является конечным общим путем окисления всех биомолекул; белки, жирные кислоты, углеводы. Молекулы из других циклов и путей входят в этот цикл через ацетил-КоА.
  • Цикл лимонной кислоты представляет собой циклическую последовательность реакций, состоящую из 8 реакций, опосредованных ферментами.
  • Этот цикл также особенно важен, поскольку он поставляет электроны/высокоэнергетические молекулы в цепь переноса электронов для производства АТФ и воды.
  • Пируват, образующийся в конце гликолиза , сначала окисляется до ацетил-КоА, который затем поступает в цикл лимонной кислоты.

Источник изображения: Университет Райса (OpenStax).

Цикл Кребса Расположение
  • Цикл лимонной кислоты у эукариот протекает в митохондриях, а у прокариот — в цитоплазме.
  • Пируват, образующийся в цитоплазме (в результате гликолиза), поступает в митохондрии, где происходят дальнейшие реакции.
  • Различные ферменты, участвующие в цикле лимонной кислоты, расположены либо во внутренней мембране, либо в матриксном пространстве митохондрий.

Цикл Кребса Уравнение/ Реакция

Общая реакция/уравнение цикла лимонной кислоты: 2 + 3 НАДН + 3 Н + + 1 ФАДН 2 + 1 АТФ

Простыми словами уравнение записывается так:

Ацетил-КоА + никотинамидадениндинуклеотид + флавинадениндинуклеотид + аденозиндифосфат + фосфатпируват → + Вода + Аденозинтрифосфат + Никотинамидадениндинуклеотид + Ионы водорода

Цикл Кребса Ферменты

В эукариотических клетках в матриксе митохондрий присутствуют ферменты, катализирующие реакции цикла лимонной кислоты, за исключением сукцинатдегидрогеназы и аконитазы , которые присутствуют во внутренней митохондриальной мембране.

Общей характеристикой всех ферментов, участвующих в цикле лимонной кислоты, является то, что почти всем им требуется Mg 2+

Ниже перечислены ферменты, которые катализируют различные этапы цикла лимонной кислоты:

  1. Цитрат синтазы
  2. aconitase
  3. Изоцитрат дегидрогеназа
  4. α-кебогеназа
  5. сукцинил-COA Synthetase
  6. сукцинил дегидрогеназа
  7. сукцинированный дегидрогеназа
  8. Fumarase
  9. MALATE DEHYDREDEASE
  10. Рисунок: Реакции цикла лимонного кислота.Источник изображения: Ленингерские принципы биохимии.

    Этапы цикла Кребса

    После гликолиза в аэробных организмах молекулы пирувата карбоксилируются с образованием ацетил-КоА и СО 2 .

    Окислительное декарбоксилирование пирувата до ацетил-КоА

    Источник изображения: Ленингерские принципы биохимии.

    • Окислительное декарбоксилирование пирувата является связующим звеном между гликолизом и циклом лимонной кислоты.
    • В этом процессе пируват, полученный в результате гликолиза, окислительно декарбоксилируется до ацетил-КоА и СО 2 , катализируемого комплексом пируватдегидрогеназы в митохондриальном матриксе эукариот и в цитоплазме прокариот.
    • Из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы пирувата, каждая из которых к концу окисления пирувата образует один ацетил-КоА вместе с одним НАДН.
    • Ацетил-КоА, образующийся в результате окисления пирувата, метаболизма жирных кислот и аминокислотного пути, затем входит в цикл лимонной кислоты.

    Ниже приведены восемь катализируемых ферментами реакций/стадий аэробного окисления глюкозы в цикле лимонной кислоты:

    Этап 1: Конденсация ацетил-КоА с оксалоацетатом .

    • Первой стадией цикла лимонной кислоты является соединение четырехуглеродного соединения оксалоацетата (ОАА) и двухуглеродного соединения ацетил-КоА.
    • Оксалоацетат реагирует с ацетильной группой ацетил-КоА и водой с образованием шестиуглеродного соединения лимонной кислоты, КоА.
    • Реакция катализируется ферментом цитратсинтазой, который конденсирует метильную группу ацетил-КоА и карбонильную группу оксалоацетата с образованием цитрил-КоА, который позже расщепляется до свободного кофермента А и образует цитрат.

    Этап 2: Изомеризация цитрата в изоцитрат

    Источник изображения: Ленингерские принципы биохимии.

    • Теперь для дальнейшего метаболизма цитрат превращается в изоцитрат за счет образования промежуточной цис-аконитазы.
    • Эта реакция является обратимой реакцией, катализируемой ферментом (аконитазой).
    • Эта реакция протекает в два этапа: первая стадия включает дегидратацию цитрата в цис-аконитазу, а вторая стадия включает регидратацию цис-аконитазы в изоцитрат.

    Этап 3: Окислительное декарбоксилирование изоцитрата

    Источник изображения: Ленингерские принципы биохимии.

    • Третья стадия цикла лимонной кислоты является первой из четырех окислительно-восстановительных реакций в этом цикле.
    • Изоцитрат окислительно декарбоксилируется с образованием пятиуглеродного соединения, α-кетоглутарата, катализируемого ферментом изоцитратдегидрогеназой.
    • Эта реакция, как и вторая реакция, является двухстадийной.
    • На первом этапе изоцитрат дегидрируется до оксалосукцината, а на втором этапе происходит декарбоксилирование оксалосукцината до α-кетоглутарата.
    • Обе реакции необратимы и катализируются одним и тем же ферментом.
    • Первая стадия, однако, приводит к образованию NADH, а вторая стадия включает высвобождение CO 2 .

    Стадия 4: Окислительное декарбоксилирование α-кетоглутарата

    Источник изображения: Ленингерские принципы биохимии.

    • Эта стадия является еще одной из окислительно-восстановительных реакций, в которых α-кетоглутарат окислительно декарбоксилируется с образованием четырехуглеродного соединения, сукцинил-КоА и CO 2 .
    • Реакция необратимая и катализируется ферментным комплексом α-кетоглутаратдегидрогеназой, обнаруженным в митохондриальном пространстве.
    • Эта реакция аналогична окислительному декарбоксилированию пирувата, включающему восстановление НАД + в НАДН.

    Этап 5: Превращение сукцинил-КоА в сукцинат

    Источник изображения: Ленингерские принципы биохимии.

    • На следующем этапе сукцинил-КоА подвергается энергосберегающей реакции, в которой сукцинил-КоА расщепляется с образованием сукцината.
    • Эта реакция сопровождается фосфорилированием гуанозиндифосфата (ГДФ) в гуанозинтрифосфат (ГТФ).
    • Образующийся таким образом ГТФ затем легко переносит свою концевую фосфатную группу на АДФ, образуя молекулу АТФ.
    • Реакция катализируется ферментом сукцинил-КоА-синтазой.

    Стадия 6: Дегидратация сукцината до фумарата

    Источник изображения: Ленингерские принципы биохимии.

    • Здесь сукцинат, образованный из сукцинил-КоА, дегидрируется до фумарата, катализируемого ферментным комплексом сукцинатдегидрогеназой, обнаруженным во внутримитохондриальном пространстве.
    • Это единственная стадия дегидрирования в цикле лимонной кислоты, в которой НАД + не участвует.
    • Вместо этого другой высокоэнергетический переносчик электронов, флавинадениндинуклеотид (FAD), действует как акцептор водорода, что приводит к образованию FADH 2 .
    • FADH 2 затем входит в цепь переноса электронов через комплекс II, передавая электроны убихинону, в конечном итоге образуя 2АТФ.

    Стадия 7: Гидратация фумарата в малат

    Источник изображения: Ленингерские принципы биохимии.

    • Фумарат обратимо гидратируется с образованием L-малата в присутствии фермента фумаратгидратазы.
    • Поскольку это обратимая реакция, образование L-малата связано с гидратацией, тогда как образование фумарата связано с дегидратацией.

    Стадия 8: Дегидрирование L-малата в оксалоацетат

    Источник изображения: Ленингерские принципы биохимии.

    • Последним этапом цикла лимонной кислоты также является окислительно-восстановительная реакция, при которой L-малат дегидрируется до оксалоацетата в присутствии L-малатдегидрогеназы, присутствующей в митохондриальном матриксе.
    • Это обратимая реакция, включающая окисление L-малата и восстановление НАД + в НАДН.
    • Образовавшийся таким образом оксалоацетат позволяет повторить цикл, а образовавшийся НАДН участвует в окислительном фосфорилировании.
    • Эта реакция завершает цикл.

    Продукты цикла Кребса

    Поскольку это циклический процесс, оксалоацетат образуется в конце, когда он конденсируется с ацетил-КоА в следующем цикле.

    Рисунок: Продукты одного оборота цикла лимонной кислоты.Источник изображения: Ленингерские принципы биохимии.

    На каждом обороте цикла,

    • 3 NADH,
    • 1 FADh3,
    • 1 GTP (или ATP),
    • 2 CO2

    Один моль NADH окислительное декарбоксилирование пирувата до ацетил-КоА.

    Часто задаваемые вопросы (FAQ) / практические вопросы

    Какова цель цикла Кребса?
    Целью цикла Кребса является полное окисление глюкозы, в результате чего образуются богатые энергией молекулы, которые впоследствии производят АТФ в электрон-транспортной цепи.

    Где происходит цикл Кребса?
    Цикл Кребса протекает в митохондриях эукариот и в цитоплазме прокариот.

    Сколько АТФ образуется в цикле лимонной кислоты?
    Одна АТФ образуется в одном цикле лимонной кислоты, а две АТФ образуются из одной молекулы глюкозы (две молекулы пирувата образуются из одной молекулы глюкозы).

    Нужен ли кислород для цикла лимонной кислоты?
    Да, лимонная кислота требует кислорода, так как цикл работает только в аэробных условиях, так как НАД + и ФАД могут регенерироваться из их восстановленной формы в митохондриях только путем переноса электрона на молекулярный кислород.

    Где протекают реакции цикла лимонной кислоты в прокариотических клетках?
    Реакции цикла лимонной кислоты протекают в цитоплазме прокариотических клеток.

    Где в эукариотических клетках протекают реакции цикла лимонной кислоты?
    Реакции цикла лимонной кислоты протекают в митохондриях эукариотических клеток.

    Что тормозит цикл лимонной кислоты?
    Различные факторы, такие как отсутствие кислорода, низкий уровень оксалоацетата или пирувата, необходимых ферментов и коферментов, высокий уровень АТФ и НАДН и накопление кетоновых тел.

    Видео-анимация цикла Кребса

    Песня цикла Кребса

    Ссылки
      Дж.Л. Основы биохимии. С. Чанд и компания.
    • Нельсон Д.Л. и Кокс М.М. Ленингер Принципы биохимии. Четвертое издание.
    • Берг Дж. М. и др. (2012) Биохимия. Седьмое издание. WH Freeman and Company.
    • Берг Дж.М., Тимочко Дж.Л., Страйер Л. Биохимия.5-е издание. Нью-Йорк: WH Freeman; 2002. Раздел 17.2, Вход в цикл лимонной кислоты и метаболизм через него контролируются. Доступно по адресу: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22347/

    Sources

    • 3% – https://quizlet.com/15630785/biology-test-3-flash-cards /
    • 2% – http://www.biosciencenotes.com/oxidative-decarboxylation-of-pyruvate/
    • 1% – https://www.thoughtco.com/citric-acid-cycle-p2-603894
    • 1% — https://www.sparknotes.com/biology/cellrespiration/citricacidcycle/section2/
    • 1% – https://www.sigmaaldrich.com/technical-documents/articles/biofiles/citric-acid-cycle.html
    • 1% – https://www.sigmaaldrich.com/technical-documents/articles/biofiles/citric-acid-cycle.html .ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21163/
    • 1% – https://www.answers.com/Q/Where_does_the_krebs_cycle_take_place
    • 1% – https://quizlet.com/87651721/reactions-of- the-citric-acid-cycle-flash-cards/
    • 1% – https://quizlet.com/24740977/chapter-19-the-krebscitric-acid-cycle-flash-cards/
    • 1% – https: //медицинская книгановая.com/free-medical-book-lehninger-principles-of-biochemistry-7th-edition-2017/
    • 1% – https://en.wikipedia.org/wiki/Electron_transport_chain
    • 1% – https://courses .lumenlearning.com/boundless-biology/chapter/oxidation-of-pyruvate-and-the-citric-acid-cycle/
    • 1% – https://answersdrive.com/where-does-the-citric-acid- цикл занимает место в эукариотической клетке-415983
    • 1% – http://www.biosciencenotes.com/citric-acid-cycle/
    • <1% – https://www.thoughtco.com/citric-acid-cycle-373397
    • <1% – https://www.slideshare.net/Hamidicup/citric-acid-cycle-104313169
    • <1% – https://www.sciencedirect.com/ Topics/neuroscience/citric-acid-cycle
    • <1% – https://www.sciencedirect.com/topics/biochemistry-genetics-and-молекулярно-biology/carnitine-shuttle
    • <1% – https:// www.researchgate.net/topic/The-Krebs-Cycle
    • <1% – https://www.news-medical.net/life-sciences/Citric-Acid-Cycle-Regulation.aspx
    • <1% – https://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene/2271
    • <1% – https://www.kau.edu.sa/Files/0002526/files/20209_citric_acid%5B1%5D.pdf
    • <1% – https: //www.chem.uwec.edu/Webpapers2005/mintermm/pages/IDH.html
    • <1% – https://www.chegg.com/homework-help/questions-and-answers/image-shows-reactions -citric-acid-cycle-label-enzymes-diagram-map-coo-o-ch4-c-coa-h30-acet-q38286610
    • <1% – https://revisionworld.com/a2-level-level- ревизия/биология/энергия-жизнь/дыхание/гликолиз-и-цикл Кребса
    • <1% – https://quizlet.com/gb/312932054/reversible-reactions-flash-cards/
    • <1% – https://quizlet.com/71457476/chem-ch-14-flash-cards/
    • <1% – https:// quizlet.com/335636273/ch-6-mastering-biology-questions-flash-cards/
    • <1% – https://quizlet.com/26919901/microbiology-chapter-5-flash-cards/
    • <1 % – https://quizlet.com/235874813/glycolysis-flash-cards/
    • <1% – https://quizlet.com/21547563/the-citric-acid-cycle-harvesting-electrons-from-the- цикл-часть-4-флеш-карты/
    • <1% – https://quizlet.com/15463135/the-citric-acid-cycle-krebs-cycle-flash-cards/
    • <1% – https://quizlet.com/123218185/chapter-19-harvesting-electrons-from-the-cycle- flash-cards/
    • <1% – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/pro.5560070102
    • <1% – https://livrosdeamor.com.br/documents/biochem-ok -finalbiochem-ok-final-5c89d1d067a27
    • <1% – https://en.wikipedia.org/wiki/Substrate-level_фосфорилирование
    • <1% – https://answersdrive.com/where-is-the-oxidation -of-pyruvate-located-1447678
    • <1% – https://answers.yahoo.com/question/index?qid=20170329142432AAaww60
    • <1% – http://www.bioinfo.org.cn/book/biochemistry/chapt15/sim2.htm

    Цикл ТСА – Этапы – Цикл Кребса

    Чтобы АТФ могла быть произведена посредством окислительного фосфорилирования , АТФ необходимы электроны для прохождения по цепи переноса электронов. Эти электроны поступают от переносчиков электронов, таких как НАДН и ФАДН₂, которые образуются в цикле трикарбоновых кислот (ЦТК, также известном как цикл Кребса/лимонной кислоты).В этой статье мы расскажем об этапах и регуляции этой важной части клеточной физиологии.

    Реакция на ссылку

    Перед циклом ТСА происходил гликолиз, в результате которого образуются молекулы, включающие пируват, АТФ и НАДН. Затем пируват декарбоксилируется с образованием ацетил-КоА под действием комплекса пируватдекарбоксилазы . Ацетил-КоА является промежуточным продуктом, входящим в цикл ТСА.

    Цикл ТСА

    Цикл ТСА представляет собой центральный путь, обеспечивающий точку объединения многих метаболитов, поступающих в него в различных точках.Это происходит в течение восьми различных шагов:

    • Этап 1:   Ацетил-КоА (двухуглеродная молекула) соединяется с оксалоацетатом (4-углеродная молекула) с образованием цитрата (6-углеродная молекула).
    • Этап 2: Цитрат превращается в изоцитрат (изомер цитрата)
    • Этап 3: Изоцитрат окисляется до альфа-кетоглутарата (молекула из пяти атомов углерода), что приводит к выделению углекислого газа. Образуется одна молекула НАДН.

    Ферментом, ответственным за катализ этого этапа, является изоцитратдегидрогеназа. Это стадия, ограничивающая скорость, поскольку изоцитратдегидрогеназа является аллостерически контролируемым ферментом.

    • Этап 4: Альфа-кетоглутарат окисляется с образованием 4-углеродной молекулы. Он связывается с коферментом А, образуя сукцинил-КоА. Образуется вторая молекула НАДН и вторая молекула углекислого газа.
    • Этап 5:  Сукцинил-КоА затем преобразуется в сукцинат (4 молекулы углерода) и образуется одна молекула ГТФ.
    • Этап 6:  Сукцинат превращается в фумарат (4-углеродная молекула) и образуется молекула FADH₂ .
    • Этап 7:  Фумарат превращается в малат (еще одна молекула из 4 углеродов).
    • Этап 8: Затем малат превращается в оксалоацетат. Также образуется третья молекула НАДН.
    Рис. 1. Диаграмма, показывающая этапы цикла TCA.

    Хотя основной ролью цикла ТСА является производство НАДН и ФАДН₂, он также производит молекулы, обеспечивающие различные процессы биосинтеза. Они входят или выходят из цикла в различных точках в зависимости от спроса.Например, альфа-кетоглутарат может выйти из цикла и превратиться в аминокислоты, а сукцинат может быть преобразован в гем.

    Чистый выход

    Каждый цикл производит:

    • Две молекулы двуокиси углерода .
    • Три молекулы НАДН .
    • Три иона водорода ( H+ ).
    • Одна молекула FADH₂
    • Одна молекула GTP .

    Каждая молекула глюкозы производит две молекулы пирувата, которые, в свою очередь, производят две молекулы ацетил-КоА.Таким образом, каждая молекула глюкозы производит 90 097, в два раза превышающую чистую продукцию каждого цикла 90 098.

    Регулирование цикла ТСА

    Цикл TCA регулируется различными способами:

    • Метаболиты: Продукты цикла дают отрицательную обратную связь на катализирующие его ферменты. Например, НАДН ингибирует большинство ферментов цикла трикарбоновых кислот.
    • Цитрат: Ингибирует фосфофруктокиназу, ключевой фермент гликолиза.Это снижает скорость образования пирувата и, следовательно, ацетил-КоА.
    • Кальций: Ускоряет цикл ТСА, стимулируя реакцию связи.

    [старт-клинический]

    Клиническая значимость — Дефекты цикла ТСА

    На самом деле нет известных дефектов цикла ТСА, совместимых с жизнью. Это подчеркивает важность этого шага в производстве АТФ для поддержания жизни.

    [конечный клинический]

    Важность цикла Кребса — Протеопедия, жизнь в 3D

    Из Протеопедии

    proteopedia linkproteopedia link

    Значение цикла Кребса в обмене веществ

    Цикл Кребса — вторая из трех стадий клеточного дыхания, в котором окисляются глюкоза, жирные кислоты и некоторые аминокислоты, так называемые топливных молекул . (см. рисунок).Окисление этих молекул в основном используется для преобразования энергии, содержащейся в этих молекулах, в АТФ. АТФ обеспечивает, например, энергию для мышечных сокращений. и поэтому может называться «энергетической валютой» клеток.

    Прежде чем молекулы топлива могут быть включенные в цикл Кребса, все они должны сначала превратиться в ацетил-КоА. Смотря на пути питательного вещества, такого как глюкоза, окисление молекулы происходит в гликолизе. Продукт гликолиз — пируват.В дальнейшей реакции, которая катализируется ферментным комплексом пирувата дегидрогеназы, ацетил-КоА образуется из пирувата, который может быть введен в цикл лимонной кислоты или цикл Кребса.

    В восьмистадийной последовательности реакций ацетил группа ацетил-КоА окисляется до двух молекул СО 2 (см. рисунок). Эти реакции катализируются восемью различными ферментами. Вместо того, чтобы производить большое количество АТФ, восемь электронов были удалены из ацетильной группы и перенесены на коферменты НАД + и ФАД, которые восстанавливаются до НАДН и ФАДН 2 .Поэтому их называют коферменты переносчиков электронов и используются для переноса электронов из цикла Кребса в дыхательную цепь. Через ряд молекул восстановленные коферменты НАДН и ФАДН 2 окисляются и высвобождаются электроны были использованы для восстановления O 2 . Наконец, электроны, которые высвобождаются в цикле Кребса и транспортируются в дыхательную цепь, используются там для производства АТФ из АДФ и P i .

    Рисунок: Обзор цикла Кребса

    Помимо подачи энергии от молекул топлива, цикл лимонной кислоты имеет и другие важные функции.Таким образом, некоторые из циклов лимонной кислоты являются промежуточными продуктами для других важных реакций, таких как биосинтез глюкозы, жирных кислот и аминокислот.

    Из-за множества функций цикл лимонной кислоты также считается «центральным узлом метаболизма». Это связано с тем, что, как и большинство поглощаемых питательных веществ, молекулы топлива в конечном итоге окисляются в цикле Кребса, а его промежуточные продукты используются для различных путей биосинтеза. Образно можно посмотреть на Цикл лимонной кислоты как «окольный путь» вводят, в котором питательные вещества (углеводы, жирные кислоты и аминокислоты) «въезжают» и снова «выгоняются» в разных местах для синтеза другие вещества.

    6.2: Цикл лимонной кислоты и родственные пути

    Источник: BiochemFFA_6_2.pdf. Весь учебник доступен бесплатно у авторов по адресу http://biochem.science.oregonstate.edu/content/biochemistry-free-and-easy

    .

    Цикл лимонной кислоты

    Основным катаболическим путем в организме является цикл лимонной кислоты, потому что именно здесь происходит окисление до углекислого газа продуктов распада основных строительных блоков клетки — сахаров, жирных кислот и аминокислот.Путь цикличен (рис. 6.63) и, таким образом, на самом деле не имеет начальной или конечной точки. Все реакции происходят в митохондриях, хотя один фермент встроен во внутреннюю мембрану органеллы. По мере изменения потребностей клетки могут использовать подмножество реакций цикла для производства желаемой молекулы, а не для запуска всего цикла (см. ЗДЕСЬ).

    Рисунок 6.63 – Обмен аминокислот и цикл лимонной кислоты. Аминокислоты, обведенные желтым цветом, получают из указанного промежуточного соединения. Аминокислоты, выделенные синим цветом, превращаются в промежуточные продукты катаболизма.Изображение Алеи Ким

    Ацетил-КоА

    Молекула, «питающая» цикл лимонной кислоты, представляет собой ацетил-КоА и может быть получена из пирувата (в результате гликолиза), в результате β-окисления жирных кислот, из кетоновых тел и в результате метаболизма аминокислот. Молекулы из других путей, поступающих в цикл лимонной кислоты для катаболизма, делают цикл лимонной кислоты «катаплеротическим». Стоит отметить, что у ацетил-КоА очень разные судьбы в зависимости от энергетического статуса/потребностей клетки (см. ЗДЕСЬ). Нижеследующее описание описывает окисление (катаболизм) в цикле лимонной кислоты.

    Анаболически ацетил-КоА также очень важен для обеспечения строительных блоков для синтеза жирных кислот, кетоновых тел, аминокислот и холестерина. Другие промежуточные продукты цикла лимонной кислоты также важны для метаболизма аминокислот (рис. 6.63), синтеза гема, переноса электронов и переноса ацетил-КоА через внутреннюю мембрану митохондрий. Способность цикла лимонной кислоты поставлять промежуточные продукты в пути дает начало термину «анаплеротический». Это означает «заполнять».Прежде чем обсуждать цикл лимонной кислоты, важно сначала описать один важный ферментный комплекс, который является основным источником ацетил-КоА для цикла.


    Рисунок 6.64 – Субъединица E1 пируватдегидрогеназы. Википедия

    Декарбоксилирование пирувата

    Фермент пируватдегидрогеназы представляет собой комплекс множественных копий трех субъединиц, которые катализируют декарбоксилирование пирувата с образованием ацетил-КоА. Механизм реакции требует использования пяти коферментов.Пируватдегидрогеназа представляет собой огромный комплекс у млекопитающих, размер которого в пять раз превышает размеры рибосом.

    Подразделения

    Три субъединицы обозначены E1, E2 и E3. E2 также называют дигидролипоамидацетилтрансферазой, а E3 точнее называют дигидролипоилдегидрогеназой. Путаница возникает с названием для E1. Одни называют его пируватдегидрогеназой, другие — пируватдекарбоксилазой. Мы будем использовать пируватдекарбоксилазу исключительно для обозначения Е1 и пируватдегидрогеназу только для обозначения комплекса Е1, Е2 и Е3.

    Каталитическое действие пируватдегидрогеназы можно разделить на три этапа, каждый из которых происходит на одной из субъединиц. Стадии, последовательно происходящие на E1, E2 и E3, представляют собой 1) декарбоксилирование пирувата; 2) окисление декарбоксилированного продукта; и 3) перенос электронов с образованием НАДН (рис. 6.65).


    Рисунок 6.65 – Механизм действия декарбоксилирования и окисления пирувата пируватдегидрогеназой.

    Катализ

    Каталитический процесс начинается после связывания пируватного субстрата с активацией кофермента тиаминпирофосфата через образование промежуточного соединения илида.Нуклеофильный карбанион илида атакует электрофильный кетоновый углерод пирувата, высвобождая углекислый газ и создавая енол, который теряет протон на углероде, превращаясь в 1,3-диполь, включающий положительно заряженный азот тиамина. Реакция (стадия А на рис. 6.65) представляет собой неокислительное декарбоксилирование. Окисление двухуглеродного гидроксиэтильного звена происходит при переносе на липоамид.

    Восстановительное ацетилирование

    Затем происходит восстановительное ацетилирование (этап B), когда 2-углеродная гидроксиэтильная единица переносится на липоамид на E2.(Липоамид — это название молекулы липоевой кислоты, ковалентно присоединенной к боковой цепи лизина в субъединице Е2). У прокариот в отсутствие кислорода гидроксиэтильная группа не передается липоамиду, а высвобождается в виде свободного ацетальдегида, который может принимать электроны от НАДН (катализируется алкогольдегидрогеназой) и превращаться в этанол в процессе ферментации. В присутствии кислорода практически у всех аэробных организмов процесс продолжается с переносом гидроксиэтильного звена на Е2 и продолжением цикла ниже.

    Рисунок 6.66 – Окисленные и восстановленные структуры липоамида (липоевая кислота, связанная с лизином)

    Стадия окисления

    Перенос гидроксиэтильной группы от Е1 к липоамидному коферменту в Е2 представляет собой окисление с переносом электронов от гидроксиэтильной группы к дисульфиду липоамида (его восстановление) и образованием на липоамиде ацетилтиоэфира (окисление его).

    Затем ацетильная группа переносится с липоамида на кофермент А в Е2 (стадия С на рис. 6.65), образуя ацетил-КоА, который высвобождается и оставляет восстановленные сульфгидрилы на липоамиде.Чтобы фермент вернулся в исходное состояние, дисульфидная связь на липоамиде должна быть восстановлена. Это происходит при переносе электронов от восстановленного липоамида к FAD, ковалентно связанному с E3 (стадия D). Это снижает FAD до FADh3.

    Образование НАДН

    На последнем этапе процесса электроны от FADh3 переносятся на внешний NAD+, образуя NADH (этап E) и завершая общий цикл. Затем фермент может начать новый каталитический цикл, связываясь с пируватом.

    Регуляция пируватдегидрогеназы

    Пируватдегидрогеназа регулируется как аллостерически, так и ковалентной модификацией — фосфорилированием/дефосфорилированием. Регуляция пируватдегидрогеназы по аллостерическим или ковалентным механизмам имеет одинаковую стратегию. Показатели высокой энергии выключают фермент, тогда как показатели низкой энергии стимулируют его. Для аллостерической регуляции высокоэнергетическими индикаторами, влияющими на фермент, являются АТФ, ацетил-КоА, НАДН и жирные кислоты, которые его ингибируют.С другой стороны, АМФ, кофермент А, НАД+ и кальций стимулируют его (рис. 6.67).

    Рисунок 6.67 – Схема регуляции пируватдегидрогеназы (ПД). Изображение Aleia Kim

    Ковалентная модификация

    Ковалентная модификация регуляции пируватдегидрогеназы несколько сложнее. Это происходит в результате фосфорилирования киназой пируватдегидрогеназы (PDK — рис. 6.67) или дефосфорилирования фосфатазой пируватдегидрогеназы (PDP).

    PDK помещает фосфат на любой из трех остатков серина в субъединице E1, что приводит к тому, что пируваткиназа не может выполнять свою первую стадию катализа — декарбоксилирование пирувата.PDP может удалить эти фосфаты. PDK аллостерически активируется в митохондриальном матриксе, когда повышаются концентрации NADH и ацетил-КоА.

    Ингибирование продукта

    Таким образом, продукты реакции пируватдегидрогеназы ингибируют производство большего количества продуктов, способствуя его фосфорилированию с помощью PDK. Пируват, субстрат пируватдегидрогеназы, ингибирует PDK, поэтому увеличение концентрации субстрата активирует пируватдегидрогеназу за счет снижения ее фосфорилирования PDK.Когда концентрации NADH и ацетил-КоА падают, PDP связывается с пируваткиназой и удаляет фосфат на серине субъединицы E1.

    Рис. 6.68. Комплекс пируватдегидрогеназы с тремя сайтами фосфорилирования, отмеченными красным, отмеченными стрелками. Википедия

    Низкие концентрации NADH и ацетил-КоА необходимы для того, чтобы PDP оставался на ферменте. Когда эти концентрации повышаются, PDP диссоциирует, и PDK получает доступ к серину для фосфорилирования. Инсулин и кальций также могут активировать PDP.Это очень важно в мышечной ткани, так как кальций является сигналом для мышечного сокращения, которое требует энергии. Инсулин также активирует пируваткиназу и путь гликолиза для использования интернализованной глюкозы. Следует отметить, что каскад фосфорилирования цАМФ от β-адренорецептора не влияет на пируваткиназу, хотя каскад инсулина действительно влияет на PDP и пируваткиназу.

    Рисунок 6.69 – Цикл лимонной кислоты. Изображение Aleia Kim

    Реакции цикла лимонной кислоты

    Сосредоточение внимания на самом пути (рис. 6.69), обсуждение обычно начинают с добавления ацетил-КоА к оксалоацетату (ОАА) с образованием цитрата.

    Ацетил-КоА для пути может поступать из различных источников. Реакция присоединения его к ОАА катализируется цитратсинтазой, и ∆G°’ довольно отрицательна. Это, в свою очередь, помогает «вытянуть» предшествующую ей малатдегидрогеназную реакцию в цикле.

    В следующей реакции цитрат изомеризуется в изоцитрат под действием фермента аконитазы.

    Изоцитрат является точкой ветвления глиоксилатного цикла у растений и бактерий (см. ЗДЕСЬ).Окислительное декарбоксилирование изоцитрата изоцитратдегидрогеназой дает первый НАДН и дает α-кетоглутарат.

    Этот пятиуглеродный промежуточный продукт является точкой ветвления для синтеза глутамата аминокислоты. Кроме того, глутамат также может быть легко превращен в это промежуточное соединение в обратной реакции. Декарбоксилирование α-кетоглутарата приводит к образованию сукцинил-КоА и катализируется α-кетоглутаратдегидрогеназой.

    Фермент α-кетоглутаратдегидрогеназа структурно очень похож на пируватдегидрогеназу и использует те же пять коферментов – НАД+, ФАД, КоА-SH, тиаминпирофосфат и липоамид.

    Регенерация оксалоацетата

    Оставшаяся часть цикла лимонной кислоты включает превращение четырехуглеродного сукцинил-КоА в оксалоацетат. Сукцинил-КоА является точкой ветвления синтеза гема (см. ЗДЕСЬ). Сукцинил-КоА превращается в сукцинат в реакции, катализируемой сукцинил-КоА-синтетазой (названной в честь обратной реакции), и также образуется ГТФ — единственное фосфорилирование на уровне субстрата в цикле.

    Энергия для синтеза GTP исходит от гидролиза высокоэнергетической тиоэфирной связи между сукцинатом и CoA-SH.Свидетельство высокой энергии тиоэфирной связи также проявляется в реакции цитратсинтазы, которая также очень энергетически выгодна. Сукцинат также образуется в результате метаболизма жирных кислот с нечетной цепью (см. ЗДЕСЬ).

    Окисление сукцината

    На следующем этапе происходит окисление сукцината, катализируемое сукцинатдегидрогеназой. Этот интересный фермент одновременно катализирует эту реакцию и участвует в системе переноса электронов, направляя электроны от FADh3, который он получает в реакции, к коферменту Q.Продукт реакции, фумарат, получает воду через свою транс-двойную связь в следующей реакции, катализируемой фумаразой, с образованием малата.

    Фумарат также является побочным продуктом метаболизма нуклеотидов и цикла мочевины. Малат также важен для транспортировки электронов через мембраны в малатно-аспартатном челноке (см. ЗДЕСЬ) и для переноса углекислого газа из клеток мезофилла в клетки обкладки пучков растений С4 (см. ЗДЕСЬ).

    Рисунок 6.70 – Механизм сукцинил-КоА-синтетазы Рисунок 6.71 — сукцинатдегидрогеназа, встроенная во внутреннюю мембрану митохондрий (вверху). Рисунок 6.72. Сукцинатдегидрогеназная реакция. Изображение Aleia Kim

    Редкое окисление

    Превращение малата в оксалоацетат с помощью малатдегидрогеназы представляет собой редкое биологическое окисление, имеющее положительное значение ∆G°’ (29,7 кДж/моль).

    Реакция «вытягивается» энергетически выгодным превращением оксалоацетата в цитрат в цитратсинтазной реакции, описанной выше. Оксалоацетат пересекается с другими важными путями, включая метаболизм аминокислот (легко превращается в аспарагиновую кислоту), трансаминирование (движение азота) и глюконеогенез.

    Стоит отметить, что реверсирование цикла лимонной кислоты теоретически обеспечивает механизм ассимиляции CO2. На самом деле такое обращение было отмечено как у анаэробных, так и у микроаэробных бактерий, где оно называется циклом Арнона-Бьюкенена (рис. 6.73).

    Рисунок 6.73 – Цикл Арнона-Бьюкенона. Альтернативные ферменты показаны справа лавандовым цветом. Fd = ферредоксин. Википедия

    Регулирование цикла лимонной кислоты

    Аллостерическая регуляция цикла лимонной кислоты довольно проста.Все вовлеченные молекулы являются субстратами/продуктами пути или молекулами, участвующими в переносе энергии. Субстраты/продукты, которые регулируют или влияют на этот путь, включают ацетил-КоА и сукцинил-КоА.

    Ингибиторы и активаторы

    Высокоэнергетические молекулярные индикаторы, такие как АТФ и НАДН, будут ингибировать цикл, а низкоэнергетические индикаторы (НАД+, АМФ и АДФ) будут активировать цикл. Пируватдегидрогеназа, катализирующая образование ацетил-КоА для входа в цикл, аллостерически ингибируется ее продуктом (ацетил-КоА), а также НАДН и АТФ.

    Регулируемые ферменты

    Регулируемые ферменты цикла включают цитратсинтазу (ингибируется НАДН, АТФ и сукцинил-КоА), изоцитратдегидрогеназу (ингибируется АТФ, активируется АДФ и НАД+) и α-кетоглутаратдегидрогеназу (ингибируется НАДН, сукцинил-КоА и активируется AMP).

    Анаплеротический/катаплеротический путь

    Цикл лимонной кислоты является важным катаболическим путем, окисляющим ацетил-КоА в CO2 и генерирующим АТФ, но он также является важным источником молекул, необходимых клеткам, и механизмом извлечения энергии из аминокислот при расщеплении белков и других продуктов распада.Эта способность цикла лимонной кислоты поставлять молекулы по мере необходимости и поглощать побочные продукты метаболизма дает клеткам большую гибкость. Когда промежуточные продукты цикла лимонной кислоты берутся из пути для образования других молекул, термин, используемый для описания этого, является катаплеротическим, тогда как когда молекулы добавляются к пути, процесс описывается как анаплеротический.

    Катаплеротические молекулы

    Первичные катаплеротические молекулы цикла лимонной кислоты включают α-кетоглутарат, сукцинил-КоА и оксалоацетат.Трансаминирование α-кетоглутарата и оксалоацетата дает аминокислоты глутамат и аспарагиновую кислоту соответственно. Оксалоацетат важен для производства глюкозы в глюконеогенезе.

    Глутамат играет очень важную роль в перемещении азота через клетки через глютамин и другие молекулы, а также необходим для синтеза пуринов. Аспартат является предшественником других аминокислот и для производства пиримидиновых нуклеотидов. Сукцинил-КоА необходим для синтеза порфиринов, таких как группы гема в гемоглобине, миоглобине и цитохромах.

    Цитрат является важным источником ацетил-КоА для производства жирных кислот. Когда концентрация цитрата высока (например, когда цикл лимонной кислоты протекает медленно или остановлен), он перемещается через митохондриальную мембрану в цитоплазму и расщепляется ферментом цитрат-лиазой до оксалоацетата и ацетил-КоА. Последний является предшественником синтеза жирных кислот в цитоплазме.

    Анаплеротические молекулы

    Анаплеротические молекулы, восполняющие промежуточные продукты цикла лимонной кислоты, включают ацетил-КоА (образованный многими путями, включая окисление жирных кислот, декарбоксилирование пирувата, катаболизм аминокислот и расщепление кетоновых тел), α-кетоглутарат (в результате метаболизма аминокислот), сукцинил-КоА (из метаболизма пропионовой кислоты), фумарат (из цикла мочевины и метаболизма пуринов), малат (карбоксилирование ФЕП в растениях) и оксалоацетат (многие источники, включая катаболизм аминокислот и действие пируваткарбоксилазы на пируват в глюконеогенезе)

    Глиоксилатный цикл

    Рисунок 6.74 — Обзор глиоксилатного цикла. Изображение Aleia KimРисунок 6.75 — Реакции глиоксилатного цикла. Википедия

    Путь, связанный с циклом лимонной кислоты, обнаруженный только у растений и бактерий, называется глиоксилатным циклом (рис. 6.74 и 6.75). Глиоксилатный цикл, обходящий реакции декарбоксилирования при использовании большинства недекарбоксилирующих реакций цикла лимонной кислоты, у животных не действует, поскольку у них отсутствуют два необходимых для него фермента – изоцитратлиаза и малатсинтаза.Цикл происходит в специализированных пероксисомах растений, называемых глиоксисомами. Изоцитратлиаза катализирует превращение изоцитрата в сукцинат и глиоксилат. Из-за этого все шесть атомов углерода цикла лимонной кислоты выживают при каждом обороте цикла и не превращаются в углекислый газ.

    Сукцинат продолжает оставшиеся реакции с образованием оксалоацетата. Глиоксилат соединяется с другим ацетил-КоА (один ацетил-КоА использовался для запуска цикла) с образованием малата (катализируется малатсинтазой).Малат, в свою очередь, может окисляться до оксалоацетата.

    Именно в этот момент становится очевидным отличие глиоксилатного пути от цикла лимонной кислоты. После одного оборота цикла лимонной кислоты образуется один оксалоацетат, который уравновешивает единственный, использованный в первой реакции цикла. Таким образом, в цикле лимонной кислоты нет чистого образования оксалоацетата на каждом обороте цикла.

    Чистая продукция оксалоацетата

    С другой стороны, благодаря ассимиляции углеродов из двух молекул ацетил-КоА каждый оборот глиоксилатного цикла приводит к образованию двух оксалоацетатов после начала с одного.Дополнительный оксалоацетат глиоксилатного цикла может быть использован для производства других молекул, включая глюкозу, в глюконеогенезе. Это особенно важно для прорастания семян растений (рис. 6.76), так как проростки не подвергаются воздействию солнечного света. С помощью глиоксилатного цикла семена могут производить глюкозу из накопленных липидов.

    Поскольку у животных нет глиоксилатного цикла, они не могут производить глюкозу из ацетил-КоА в чистом количестве, а растения и бактерии могут. В результате растения и бактерии могут превращать ацетил-КоА из жира в глюкозу, а животные — нет.Обход окислительного декарбоксилирования (и фосфорилирования на уровне субстрата) требует затрат энергии, но также имеет свои преимущества. Каждый оборот глиоксилатного цикла производит один FADh3 и один NADH вместо трех NADH, одного FADh3 и одного GTP, образующихся в каждом обороте цикла лимонной кислоты.

    Рисунок 6.76 – Зародыш семени гинкго. Википедия

    Потребность в углеводах

    Организмы, образующие клеточные стенки, такие как растения, грибы и бактерии, нуждаются в больших количествах углеводов по мере роста, чтобы поддерживать биосинтез сложных структурных полисахаридов стенок.К ним относятся целлюлоза, глюканы и хитин. Примечательно, что каждый из организмов может управлять глиоксилатным циклом, используя ацетил-КоА в результате β-окисления.

    Координация глиоксилатного цикла и цикла лимонной кислоты

    Цикл лимонной кислоты является основным катаболическим путем, производящим значительное количество энергии для клеток, в то время как основная функция глиоксилатного цикла является анаболической — обеспечение производства глюкозы из жирных кислот в растениях и бактериях. Два пути физически отделены друг от друга (глиоксилатный цикл в глиоксисомах / цикл лимонной кислоты в митохондриях), но, тем не менее, важна их скоординированная регуляция.

    Фермент, который, по-видимому, обеспечивает контроль цикла, представляет собой изоцитратдегидрогеназу. В растениях и бактериях фермент может быть инактивирован фосфорилированием киназой, обнаруженной только в этих клетках. Инактивация вызывает накопление изоцитрата в митохондриях, и когда это происходит, он перемещается в глиоксисомы, способствуя глиоксилатному циклу. Удаление фосфата из изоцитратдегидрогеназы катализируется специфичной для изоцитратдегидрогеназы фосфопротеинфосфатазой и восстанавливает активность фермента.

    Когда это происходит, изоцитратное окисление возобновляется в митохондриях наряду с остальными реакциями цикла лимонной кислоты. У бактерий, где ферменты обоих циклов присутствуют в цитоплазме вместе, накопление промежуточных продуктов цикла лимонной кислоты и промежуточных продуктов гликолиза будет способствовать циклу лимонной кислоты за счет активации фосфатазы, в то время как высокие энергетические условия будут способствовать глиоксилатному циклу за счет активации фосфатазы. препятствуя этому.

    Рисунок 6.77 – Метаболизм ацетил-КоА.Изображение Aleia Kim

    Метаболизм ацетил-КоА

    Ацетил-КоА является одним из наиболее «связанных» метаболитов в биохимии, участвующим в окислении/синтезе жирных кислот, окислении пирувата, цикле лимонной кислоты, анаболизме/катаболизме аминокислот, метаболизме кетоновых тел, синтезе стероидов/желчных кислот и ( в результате метаболизма жирных кислот) синтез простагландинов. Большинство этих путей будут рассмотрены отдельно. Здесь мы рассмотрим метаболизм кетоновых тел.

    Метаболизм кетоновых тел

    Кетоновые тела — это молекулы, образующиеся при очень низком уровне глюкозы в крови.Кетоновые тела могут быть преобразованы в ацетил-КоА путем обращения реакции пути, по которому они образуются (рис. 6.78). Ацетил-КоА, конечно, может быть использован для синтеза АТФ в цикле лимонной кислоты. У людей с выраженной гипогликемией (включая некоторых диабетиков) вырабатываются кетоновые тела (рис. 6.79), и их часто можно обнаружить по запаху ацетона в дыхании.

    Рисунок 6.78 Метаболизм кетоновых тел. Изображение Пера Якобсона. Рис. 6.79. Три кетоновых тела — ацетон (вверху), ацетоуксусная кислота (в центре) и β-гидроксибутират (внизу)

    Перекрывающиеся пути

    Пути синтеза кетоновых тел и биосинтеза холестерина (рис. 6.80 и см. ЗДЕСЬ) перекрываются в начале. Каждый из них начинается с объединения двух ацетил-КоА с образованием ацетоацетил-КоА. Не случайно это предпоследний продукт β-окисления жирных кислот с четным числом атомов углерода (об окислении жирных кислот см. ЗДЕСЬ). Фактически фермент, катализирующий присоединение, тот же, что и фермент, катализирующий его расщепление при окислении жирных кислот, — тиолаза. Таким образом, эти пути начинаются с обращения последней стадии последнего цикла окисления жирных кислот.

    Рисунок 6.80 – Расходящиеся пути биосинтеза кетоновых тел (слева) и биосинтеза холестерина (справа). Изображение Пенелопы Ирвинг

    Формирование HMG-CoA

    Оба пути также включают добавление еще двух атомов углерода к ацетоацетил-КоА из третьего ацетил-КоА с образованием гидрокси-метил-глутарил-КоА, или ГМГ-КоА, как он более известен. В этот момент два пути расходятся. HMG-CoA является точкой разветвления между двумя путями и может стать либо холестерином, либо кетоновыми телами.В последнем пути ГМГ-КоА расщепляется на ацетил-КоА и ацетоацетат.

    Ацетоацетат сам по себе является кетоновым телом и может быть восстановлен с образованием другого, D-β-гидроксибутирата (хотя на самом деле это не кетон). В качестве альтернативы ацетоацетат можно превратить в ацетон. Эта последняя реакция может происходить либо спонтанно, либо посредством катализа ацетоацетатдекарбоксилазой. Ацетон можно превратить в пируват, а пируват — в глюкозу.

    D-β-гидроксибутират легко проникает в кровь и проникает через гематоэнцефалический барьер.Его можно снова окислить до ацетоацетата, преобразовать в ацетоацетил-КоА, а затем разбить на две молекулы ацетил-КоА для окисления в цикле лимонной кислоты.

    Кетоз

    Когда организм вырабатывает кетоновые тела для получения энергии, это состояние в организме известно как кетоз. Образование кетоновых тел в печени имеет решающее значение. Обычно глюкоза является основным источником энергии в организме. Это происходит из-за диеты, из-за расщепления запасных углеводов, таких как гликоген, или из-за синтеза глюкозы (глюконеогенез).Поскольку основные запасы гликогена находятся в мышцах и печени, а глюконеогенез происходит только в печени, почках и гаметах, когда по какой-либо причине поступление глюкозы прерывается, печень должна обеспечивать альтернативный источник энергии.

    От распада жирных кислот

    В отличие от глюкозы кетоновые тела могут образовываться у животных при расщеплении жира/жирных кислот. Большинство клеток организма могут использовать кетоновые тела в качестве источников энергии. Кетоз может возникнуть в результате голодания, диеты с очень низким содержанием углеводов или, в некоторых случаях, диабета.

    Ацидоз

    Термин ацидоз относится к состояниям в организме, при которых рН артериальной крови падает ниже 7,35. Это состояние противоположно алкалозу, когда рН артериальной крови поднимается выше 7,45. В норме рН крови остается в этом узком диапазоне рН. Значения pH крови ниже 6,8 или выше 7,8 могут вызвать необратимые повреждения и привести к летальному исходу. Ацидоз может иметь корни в обмене веществ (метаболический ацидоз) или в дыхании (респираторный ацидоз).

    Существует несколько причин ацидоза. При метаболическом ацидозе избыток молочной кислоты или неспособность почек выводить кислоту могут привести к снижению рН крови. Молочная кислота вырабатывается в организме при недостатке кислорода, поэтому все, что мешает доставке кислорода, может создать условия, способствующие выработке избыточной молочной кислоты. Они могут включать ограничение движения крови к тканям-мишеням, что приводит к гипоксии (состоянию с низким содержанием кислорода) или уменьшению объема крови.Проблемы с движением крови могут быть вызваны проблемами с сердцем, низким кровяным давлением или кровотечением.

    Интенсивная физическая нагрузка также может привести к выработке молочной кислоты из-за неспособности кровоснабжения доставлять кислород так быстро, как это требуется тканям (гиповолемический шок). Однако в конце упражнения поступление кислорода через кровеносную систему быстро восстанавливается.

    Респираторный ацидоз возникает из-за накопления углекислого газа в крови. Причины включают гиповентиляцию, проблемы с легкими, эмфизему, астму и тяжелую пневмонию.

    Рисунок 6.81 – Симптомы ацидоза

    Цикл лимонной кислоты – Общественный колледж Маунт-Худ, биология 101

    В эукариотических клетках при наличии кислорода молекулы пирувата, образующиеся в конце гликолиза, транспортируются в митохондрии. Митохондрии являются местами следующих двух стадий клеточного дыхания: цикла лимонной кислоты (также иногда называемого циклом Кребса) и окислительного фосфорилирования.В присутствии кислорода эти две стадии будут протекать. Если кислорода нет, клетки не выполняют цикл лимонной кислоты или окислительное фосфорилирование после гликолиза, вместо этого они выполняют ферментацию.

    В присутствии кислорода пируват, перенесенный в митохондрии, превращается в двухуглеродную ацетильную группу путем удаления молекулы двуокиси углерода («ацетил» в химии означает «двухуглеродный»). Эта ацетильная группа подхватывается соединением-носителем, называемым коферментом А (КоА), которое производится из витамина В5.Полученное соединение называется ацетил-КоА . ( Рисунок 1 ). Ацетил-КоА может использоваться клеткой различными способами, но его основная функция заключается в доставке ацетильной группы, полученной из пирувата, на следующий путь катаболизма глюкозы.

    Рисунок 1  Пируват превращается в ацетил-КоА перед входом в цикл лимонной кислоты.

    Подобно превращению пирувата в ацетил-КоА, цикл лимонной кислоты в эукариотических клетках происходит в матриксе митохондрий.В отличие от гликолиза, цикл лимонной кислоты представляет собой замкнутый цикл: последняя часть пути регенерирует соединение, использованное на первом этапе. Восемь стадий цикла представляют собой ряд химических реакций, в результате которых из каждой молекулы пирувата образуется следующее (помните, что на одну молекулу глюкозы, которая изначально пошла в гликолиз, приходится 2 молекулы пирувата):

    • 2 молекулы двуокиси углерода
    • 1 молекула АТФ (или эквивалент)
    • 3 NADH и 1 FADH 2 , которые переносят энергию в последнюю часть пути аэробного дыхания.

    Часть этого пути считается аэробным путем (требующим кислорода), потому что произведенные NADH и FADH 2 должны переносить свои электроны на следующий путь в системе, который будет использовать кислород. Если кислорода нет, этого переноса не происходит. Цикл лимонной кислоты НЕ происходит при анаэробном дыхании.

    Два атома углерода вступают в цикл лимонной кислоты от каждой ацетильной группы. На каждом обороте цикла высвобождается две молекулы углекислого газа; однако они не содержат тех же атомов углерода, которые вносит ацетильная группа на этом повороте пути.Два атома углерода ацетила в конечном итоге будут высвобождены на более поздних этапах цикла; таким образом, все шесть атомов углерода из исходной молекулы глюкозы в конечном итоге будут высвобождены в виде углекислого газа. Чтобы обработать эквивалент одной молекулы глюкозы, требуется два оборота цикла. На каждом витке цикла образуются три высокоэнергетические молекулы НАДН и одна высокоэнергетическая молекула ФАДН 2 . Эти высокоэнергетические переносчики будут соединяться с последней частью аэробного дыхания для производства молекул АТФ.Один АТФ (или эквивалент) также производится в каждом цикле. Несколько промежуточных соединений в цикле лимонной кислоты можно использовать для синтеза заменимых аминокислот; следовательно, цикл является как анаболическим, так и катаболическим.

    Если не указано иное, изображения на этой странице лицензированы OpenStax в соответствии с CC-BY 4.0.

    Текст адаптирован из: OpenStax, Concepts of Biology. OpenStax CNX. 18 мая 2016 г. http://cnx.org/contents/[email protected]

    Контролируемое окисление субстратов: избранные механизмы цикла Кребса

    Цикл лимонной кислоты также называют цикл Кребса, после Ганса Кребса, впервые предположившего ее цикличность.Реакции цикла Кребса протекают в матрице митохондрий. Некоторые из последних шагов здесь также происходит промежуточный метаболизм. Например, в матриксе, а также в цитоплазме, глутамат (аминокислота глютаминовая кислота) теряет своей аминогруппы и окисляется до альфа-кетоглутарата.

    Большинство текстов и курсов лекций начать с гликолиза, затем перейти к описанию Цикл Кребса как «следующий шаг» метаболизма сахаров.К сожалению, такая подача может оставить у учащихся впечатление, что метаболиты следуют линейной прогрессии через гликолиз до ацетил-кофермента А до лимонной кислоты, через промежуточные соединения Кребса в оксалоацетат, который затем соединяется с двумя атомами углерода другого актеил-коэнзим А для регенерации лимонной кислоты. Даже в учебниках по биохимии главы цикл Кребса может начинаться с картинки показывая только пируват в качестве отправной точки.

    Эта цифра застревает в умы большинства студентов начального уровня, и он вообще не полный. Во-первых, это не просто гликолиз с образованием ацетила кофермент А. Углеводы, жиры и белки все питательные вещества, и фактически метаболизм жирных кислот приводит к образованию ацетилкоэнзима А также.

    Во-вторых, «отправная точка» для Цикл Кребса вовсе не обязательно должен быть ацетил-коферментом А.На самом деле, действительно неуместно ссылаться на цикл как имеющий начальную точку (например, где начинается ли круг?). Аминокислоты и нечетные цепи жирные кислоты могут метаболизироваться в промежуточные продукты Кребса, и войти в несколько точек.

    Наконец, промежуточные продукты можно «перекачивать» off’ для использования в биосинтетических путях. Они должны быть заменены для поддержания энергетического баланса, однако судьба промежуточного звена Кребса не обязательно циклически проходить через ферменты до тех пор, пока полностью окисляется до углекислого газа и вода.

    Поскольку промежуточные продукты цикла могут включаются как в анаболические, так и в катаболические пути, цикл действительно амфиболический , не только катаболический.

    Глутамат к альфа-кетоглутарату

    Сохранение энергии по Кребсу реакции можно проиллюстрировать, взглянув на судьба глутаминовой кислоты, или глутамата.Есть, на самом деле, несколько реакций Кребса, сохраняющих энергия окисления субстратов. Глутамат проникает в межмембранное пространство через порины. Транспортный механизм внутренней мембраны называется носитель глутамат-аспартатного обмена принимает молекула глутамата в матрицу.

    Ферментный комплекс, известный как глутамат дегидрогеназа связывает молекулу глутамата, молекула окисленного никотинадениндинуклеотида (НАД), и молекула воды.Отходит аминогруппа, а глутамат частично окисляется до альфа-кетоглутарата, который вы должны распознать как промежуточный продукт Кребса. В vivo, альфа-кетоглутарат будет окисляется до сукцинил-кофермента А альфа-кетоглутаратом дегидрогеназы, то сукцинил-кофермент А будет окисляться до сукцината и т. д. Однако следует помнить амфиболическая природа цикла Кребса — субстраты могут использоваться для биосинтеза, а не подвергаться дальнейшие окисления.Кроме того, ограничения на Цикл Кребса в изолированных митохондриях должен быть обдуманный.

    Окисление органических соединений высвобождает свободную энергию. Эта энергия будет потрачена впустую как тепло, за исключением того, что фермент также катализирует восстановление из НАД. Фермент устроен таким образом, что реакция не может произойти, если все реагенты присутствуют. Свободная энергия частичного окисления глутамата используется для снижения NAD.Результат представляет собой молекулу НАДН, сохраняющую в своей структуре часть свободной энергии теряется глутаматом.

    Глутамат дегидрогеназа катализирует реакцию, в которой энергия экзотермической реакции используется для питания эндотермическая реакция. Поэтому он выполняет то, что мы называем в паре реакция. Второй закон термодинамики, перефразируя, утверждает, что часть полезной энергии в любой системе превращается в бесполезную энергию во время любой процесс.То есть любой самопроизвольный процесс вызывает энтропия Вселенной возрастает. В паре реакциях сохраняется только часть свободной энергии в виде редуцированного продукта. Остаток выделяется в виде тепла.

    НАДН является энергоносителем. После освобождение от глутаматдегидрогеназы может быть используется для питания других реакций. Он также может связываться специфический фермент внутренней мембраны митохондрий, передавая часть своей свободной энергии электрону транспортная система .В митохондриях это Принципиальная роль НАДН.

    Сукцинат фумарат

    Важный субстрат в наших исследованиях функцию митохондрий выполняет янтарная кислота (сукцинат). Когда сукцинат поступает или образуется в матрикс митохондрий в достаточном количестве, молекулы сукцината связываются с ферментным комплексом, называемым сукцинатдегидрогеназы. Сукцинатдегидрогеназа комплекс также известен как комплекс II электрона транспортная система, таким образом, окисление сукцината фумарат — единственная реакция Кребса, которая требует место на самой внутренней мембране, в отличие от к другим реакциям, катализируемым растворимыми ферменты.

0 comments on “Цикл кребса картинка: Цикл Кребса. Откуда берется энергия для жизни? / Всё о нашей коже Teana Labs

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.