Не каждый из нас знает о таком явлении как цикл Кребса. Что это такое? Простым языком это явление можно охарактеризовать как химические реакции в организме человека, в результате которых происходит выработка аденозинтрифосфата.
Данное явление было исследовано Гансом Кребсом, немецким ученым в 30-х годах 20-го столетия. В это время он со своим помощником изучали циркуляцию мочевины. В период, когда была Вторая мировая война, ученый перебрался жить в Англию, где его исследования показали, что некоторые кислоты могут катализировать процессы в организме человека. За данное исследование ученому вручили Нобелевскую премию.
Что такое цикл Кребса?
Энергия в человеческом организме зависит от глюкозы, это вещество, содержащееся в крови. Чтобы трансформировать глюкозу в энергию, в клетках организма содержатся митохондрии. Когда весь процесс трансформации проходит, из глюкозы получается вещество аденозинтрифосфат, сокращенно именующийся АТФ. Именно АТФ является главным источником энергии в человеческом организме.
Структура получаемого вещества дает ему возможность встраиваться в белок, чтобы обеспечивать необходимым количеством энергии органы и системы человека. Сама глюкоза напрямую не может трансформироваться в АТФ, поэтому для данного процесса требуются сложные механизмы. Именно таким механизмом и является цикл Кребса.
Если простым языком объяснять данный процесс, то можно сказать, что цикл Кребса – это цепь химических реакций, которые происходят в нашем организме, точнее в каждой его клеточке. Этот процесс представляет собой цикл, и называется он так, потому что происходит бесконечно. Когда цикл Кребса проходит полностью, в результате производиться вещество аденозинтрифосфат. Это энергетическая основа для того, чтобы организм человека мог функционировать.
По иному данный цикл называют дыханием клеток. Второе название процесс получил из-за того, что все его стадии требуют присутствия кислорода. Во время данного процесса происходит производство аминокислот и углеводов. По этому можно судить, что цикл выполняет еще одну функцию – строительную.
Для того чтобы вышеописанный процесс мог реализоваться, в организме человека должно быть достаточно микроэлементов, их должно быть не менее ста. В число необходимых составляющих входят и витамины. Если микроэлементов недостаточно, не хватает хотя бы одного из них, то цикл не будет настолько эффективным. А неэффективность цикла Кребса приводит к тому, что нарушается метаболизм в организме.
Регуляция цикла
Регуляция такого явления как цикл Кребса имеет большое влияние на работу организма человека. Она важна для того, чтобы он мог приспосабливаться к тому, как меняются условия внешней среды, а также к тому, как изменяются физиологические системы. Есть факторы регуляторные, которые подразделяются на несколько групп:
- регуляция, которая происходит с углесодержащими субстратами, а также продуктами, которые являются промежуточными в самом цикле;
- регуляция с помощью адениловых нуклеотидов, которые могут быть как коферментами, так и продуктами конечного процесса.
В начале необходимо разобрать в том, что собой представляют функции продуктов при прохождении цикла, являющимися промежуточными. Обратим внимание на роль оксалоацетата. Это очень важный элемент, поскольку, когда его тканевые запасы уменьшаются, цикл перестает повторяться.
При этом истощается очень важный источник энергии организма, и последствия этого для клеток являются ужасными. Последствия пагубные еще и потому, что нет достаточного количества оксалоацетата, который нужен для того, чтобы действовал ацетил-КоА. Ацетил-КоА образуется во время катаболизма углеводов и жиров. При этом скапливаются двухуглеродные фрагменты. Когда они конденсируются, то в тканях скапливается избыточное количество ацетоацетата. Помимо него накапливаются и иные похожие тела. При этом в человеческом организме развивается кетоз, представляющий собой патологическое состояние.
В каждом случае, когда происходит образование ацетил-КоА, и его много, то оксалоацетата не хватает для того, чтобы его конденсировать. При каждом из этих циклов происходит кетоз. Проще можно сказать, что кетоз провоцирует недостаток оксалоацетата, если его уровень ниже количества ацетил-КоА.
При возникновении кетоза в организме происходит нарушения между процессами окисления жиров и катаболизмом углеводов. Данное явление обусловлено тем, что последние могут производить оксалоцеатат при карбоксилировании пирувата. Эта реакция проходит процесс катализации. Катализируется она в митохондриях биотиновым ферментом. Это основной механизм, в результате которого в организме вырабатываются углеводы. Так образуется СО2, который в дальнейшем принимает участие в цикле Кребса. Он также обеспечивает процесс глюконеогенеза фрагментами, которые содержат углеводы.
Реакции данного цикла ведут к тому, что образуется оксалоацетат. Его регуляция происходит как обратная связь, и это обеспечивается тем, что оксалоацетат действует как конкурентный ингибитор сукцинатдегидрогеназы. При этом, фермент имеет значение регулятора в данном цикле.
Подводя итог, следует сказать, что цикл Кребса представляет собой процессы в клетках организма, способные вырабатывать энергию для его нормального функционирования. Если данный процесс происходит неправильно, то это приводит к патологическому состоянию и нарушенному обмену веществ в организме человека.
Видео
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 FADH2 (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 трикарбоновых кислот (цикл Кребса, цитратный цикл) - центральная часть общего пути катаболизма, т.е процесс обмена веществ, которые возникают в живом организме для поддержания жизни распада, разложения на более элементарные вещества или окисления какого-либо вещества, обычно протекающий с высвобождением энергии в виде тепла и в виде АТФ циклический биохимический аэробный процесс, в ходе которого происходит превращение двух- и трёхуглеродных соединений, образующихся как промежуточные продукты в живых организмах при распаде углеводов, жиров и белков, до CO2. При этом освобождённый водород устремляется в цепь тканевого дыхания, где в дальнейшем окисляется до воды, принимая прямое участие в синтезе универсального источника энергии - АТФ.
Это ключевой этап дыхания всех клеток, т.е совокупность биохимических реакций, протекающих в клетках живых организмов, в ходе которых происходит окисление углеводов, липидов и аминокислот до углекислого газа и воды применяющих кислород, центр пересечения множества метаболических путей в организме. Кроме значительной энергетической роли циклу отводится также и основная пластическая функция, то есть это значительный источник молекул-предшественников, из которых в ходе других биохимических превращений синтезируются такие важные для жизнедеятельности клетки соединения как аминокислоты, углеводы, жирные кислоты и др.
Цикл превращения лимонной кислоты в живых клетках был открыт и изучен немецким биохимиком Хансом Кребсом, за эту работу он (совместно с Ф. Липманом) был удостоен Нобелевской премии (1953 год).
При работе цикла Кребса окисляются различные продукты обмена, в частности токсичные недоокисленные продукты распада алкоголя, поэтому стимуляцию цикла Кребса можно рассматривать как меру биохимической детоксикации.
Регулируется «по механизму отрицательной обратной связи», при наличии большого количества субстратов (ацетил-КоА, оксалоацетат), цикл активно работает, а при избытке продуктов реакции (NADH, ATP) тормозится. Регуляция осуществляется и при помощи гормонов, основным источником ацетил-КоА является глюкоза, поэтому гормоны, способствующие аэробному распаду глюкозы, способствуют работе цикла Кребса. Такими гормонами являются: инсулин и адреналин. Глюкагон стимулирует синтез глюкозы и ингибирует реакции цикла Кребса.
Функции
1. Интегративная функция - цикл является связующим звеном между реакциями анаболизма и катаболизма.
2. Катаболическая функция - превращение различных веществ в субстраты цикла:
o Жирные кислоты, пируват,Лей,Фен - Ацетил-КоА.
o Арг, Гис, Глу - α-кетоглутарат.
o Фен, тир - фумарат.
3. Анаболическая функция - использование субстратов цикла на синтез органических веществ:
o Оксалацетат - глюкоза, Асп, Асн.
o Сукцинил-КоА - синтез гема.
o CО2 - реакции карбоксилирования.
4. Водорододонорная функция - цикл Кребса поставляет на дыхательную цепь митохондрий протоны в виде трех НАДН.Н+ и одного ФАДН2.
5. Энергетическая функция
- 3 НАДН.Н+ дает 7.5 моль АТФ, 1 ФАДН2 дает 1.5 моль АТФ на дыхательной цепи. Кроме того в цикле путем субстратного фосфорилирования синтезируется 1 ГТФ, а затем из него синтезируется АТФ посредствам трансфосфорилирования: ГТФ + АДФ = АТФ + ГДФ.
Вывод
Из всего выше сказанного следует что цикл Кребса является важным компонентом в производстве большого количества клеточной энергии. Использования цикла важно для обеспечения того, чтобы у вас было достаточное количество энергии в течение длительных тренировок. Потому что есть очень много шагов для повышения эффективности этого цикла, что выгодно спортсменов и бодибилдеров. Спортивные добавки могут способствовать аэробному производству энергии за счет увеличения скорости окислительного производства АТФ во время тренировки, и скорость восстановления после тренировки.
Цикл Кребса и бодибилдинг
Цикл Кребса является самой важной системой производства энергии в повседневной жизни. Он является основным производителем энергии в состоянии покоя и с низким уровнем умеренной интенсивности упражнений и большей продолжительностью упражнений. Повышения его эффективности в производстве большей энергии, может помочь вам, как культуристу получить больше, обеспечивая мышцам меньшую усталость и увеличение производительности. Сегодня производители спортивного питания предлагают большой выбор добавок на основе различных компонентов увеличивающих окислительные реакции в организме. Это различные виды креатинов, аргинина, и многое другое.
Купить Вы можете в интернет магазине спортивного питания Fitness Live
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 в итоге 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 является пируват , (образуемый из глюкозы или аланина), получение из аспарагиновой кислоты в результате трансаминирования или цикла АМФ-ИМФ, и также поступление из фруктовых кислот самого цикла (янтарной, α-кетоглутаровой, яблочной, лимонной), которые могут образоваться при катаболизме аминокислот или поступать из других процессов.
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.
Также 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 .
Основная масса химической энергии углерода высвобождается в аэробных условиях при участии кислорода. Цикл Кребса называют еще циклом лимонной кислоты, или клеточным дыханием. В расшифровке отдельных реакций этого процесса приняли участие многие ученые: А. Сент-Дьердьи, А. Ленинджер, X. Кребс, именем которого назван цикл, С. Е. Северин и другие.
Между анаэробным и аэробным расщеплением углеводов существует тесная коррелятивная связь. Прежде всего, она выражается в наличии пировиноградной кислоты, которой завершается анаэробное расщепление углеводов и начинается клеточное дыхание (цикл Кребса). Обе фазы катализируются одними и теми же ферментами. Химическая энергия высвобождается при фосфорилировании, резервируется в виде макроэргов АТФ. В химических реакциях участвуют одни и те же коферменты (НАД, НАДФ) и катионы. Различия заключаются в следующем: если анаэробное расщепление углеводов преимущественно локализовано в гиалоплазме, то реакции клеточного дыхания проходят в основном в митохондриях.
При некоторых условиях наблюдается антагонизм между обеими фазами. Так, при наличии кислорода гликолиза резко уменьшается (эффект Пастера). Продукты гликолиза могут тормозить аэробный обмен углеводов (эффект Крэбтри).
Цикл Кребса имеет целый ряд химических реакций, в результате которых продукты расщепления углеводов окисляются до диоксида углерода и воды, а химическая энергия аккумулируется в макроэргических соединениях. Во время образуется «носитель» - щавелевоуксусная кислота (ЩОК). В дальнейшем происходит конденсация с «носителем» активированного остатка уксусной кислоты. Возникает трикарбоновая кислота - лимонная. В ходе химических реакций происходит «оборот» остатка уксусной кислоты в цикле. Из каждой молекулы пировиноградной кислоты образуется восемнадцать молекул аденозинтрифосфатной кислоты. В конце цикла высвобождается «носитель», который вступает в реакцию с новыми молекулами активированного остатка уксусной кислоты.
Цикл Кребса: реакции
Если конечным продуктом анаэробного расщепления углеводов является молочная кислота, то под влиянием лактатдегидрогеназы она окисляется до пировиноградной кислоты. Часть молекул пировиноградной кислоты идет на синтез «носителя» ЩОК под влиянием фермента пируваткарбоксилазы и при наличии ионов Mg2 +. Часть молекул пировиноградной кислоты является источником образования «активного ацетата» - ацетилкоэнзима А (ацетил-КоА). Реакция осуществляется под влиянием пируватдегидрогеназы. Ацетил-КоА содержит в которой аккумулируется около 5-7 % энергии. Основная масса химической энергии образуется в результате окисления «активного ацетата».
Под влиянием цитратсинтетазы начинает функционировать собственно Цикл Кребса, что приводит к образованию цитратной кислоты. Эта кислота под влиянием аконитат-гидратазы дегидрируется и превращается в цис-аконитовую кислоту, которая после присоединения молекулы воды переходит в изолимонную. Между тремя трикарбоновыми кислотами устанавливается динамическое равновесие.
Изолимонная кислота окисляется до щавелевоянтарной, которая декарбоксилируется и превращается в альфа-кетоглутаровую кислоту. Реакция катализируется энзимом изоцитратдегидрогеназой. Альфа-кетоглутаровая кислота под влиянием энзима 2-оксо-(альфа-кето)-глутаратдегидрогеназы декарбоксилируется, в результате чего образуется сукцинил-КоА, содержащий макроэргическую связь.
На следующей стадии сукцинил-КоА под действием фермента сукцинил-КоА-синтетазы передает макроэргическую связь ГДФ (гуанозиндифосфатной кислоте). ГТФ (гуанозинтрифосфатная кислота) под влиянием энзима ГТФ-аденилаткиназы отдает макроэргическую связь АМФ (аденозинмонофосфатной кислоте). Цикл Кребса: формулы - ГТФ+АМФ - ГДФ+АДФ.
Под воздействием энзима сукцинатдегидрогеназы (СДГ) окисляется до фумаровой. Коферментом СДГ является флавинадениндинуклеотид. Фумарат под влиянием фермента фумаратгидратазы превращается в яблочную кислоту, которая в свою очередь окисляется, образуя ЩОК. При наличии в реагирующей системе ацетил-КоА ЩОК снова включается в цикл трикарбоновых кислот.
Итак, из одной молекулы глюкозы образуется до 38 молекул АТФ (две - за счет анаэробного гликолиза, шесть - в результате окисления двух молекул НАД·Н+Н+, которые образовались во время гликолитической оксиредукции, и 30 - за счет ЦТК). Коэффициент полезного действия ЦТК равен 0,5. Остальная энергия рассеивается в виде теплоты. В ЦТК окисляется 16-33 % лактатной кислоты, остальная ее масса идет на ресинтез гликогена.
