Цикл кребса простым языком

Обмен веществ и энергии

Пластический и энергетический обмены

Питательные вещества — это любое вещество, пригодное для еды и питья живым организмам для пополнения запасов энергии и необходимых ингредиентов для нормального течения химических реакций обмена веществ: белков, жиров, углеводов, витаминов, минералов и микроэлементов.

Метаболизм — это совокупность всех химических реакций, происходящих в организме. Значение метаболизма состоит в создании необходимых организму веществ и обеспечении его энергией. Выделяют две составные части метаболизма — катаболизм и анаболизм.

Катаболизм (энергетический обмен) — процесс метаболического распада, разложения на более простые вещества (дифференциация) или окисления какого-либо вещества, обычно протекающий с высвобождением энергии в виде тепла и в виде АТФ.

Анаболизм (пластический обмен) — совокупность химических процессов, составляющих одну из сторон обмена веществ в организме, направленных на образование клеток и тканей. За счет анаболизма происходит рост, развитие и деление каждой клетки.

Обмен веществ между организмом и окружающей средой — необходимое условие существования живых существ, это один из основных признаков живого. Из внешней среды организм получает кислород, органические вещества, минеральные соли, воду. Во внешнюю среду отдаёт конечные продукты распада: углекислый газ, излишки воды, минеральных солей, мочевину, соли мочевой кислоты и некоторые другие вещества.

У человека в течение жизни почти все клетки организма сменяются несколько раз. Кровь за год полностью обновляется 3 раза, за сутки меняется 450 млрд эритроцитов, до 30 млрд лейкоцитов, 1/75 всех костных клеток скелета, до 50 % эпителиальных клеток желудка и кишечника.

Энергия, высвобождающаяся при распаде органических веществ, не сразу используется клеткой, а запасается ею в виде высокоэнергетических соединений, как правило, в виде АТФ. АТФ — нуклеотид, состоящий из аденина, рибозы и трёх остатков фосфорной кислоты, соединяющихся между собой макроэргическими связями.

В этих связях запасена энергия, которая высвобождается при их разрыве:

  • АТФ+Н2О -> АДФ+Н3РО4+Q1,
  • АДФ+Н2О->АМФ+Н3РО4+Q2,
  • АМФ+Н2О->аденин+рибоза+Н3РО4+Q3,

где АТФ-аденозинтрифосфорная кислота; АДФ-аденозиндифосфорная кислота; АМФ-аденонмонофосфорная кислота; Q1 = Q2 = 30,6 кДж.

Запас АТФ в клетке ограничен и пополняется благодаря процессу фосфорилирования. Фосфорилирование — присоединение остатка фосфорной кислоты к АДФ (АДФ+Ф->АТФ). В результате превращений эти вещества попадают в клетки. Здесь они расщепляются (глюкоза — до воды и углекислого газа). Высвобожденная энергия используется клетками для поддержания своей жизнедеятельности. Этот процесс называется энергетическим обменом. Пластический и энергетический обмены происходят одновременно и неразрывно связаны друг с другом, но не всегда являются уравновешенными. Чаще всего это связано с возрастом человека.

Про понятие «Цикл Кребса» простыми словами

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.

Пятая реакция

В прошлом шаге мы говорили, что сукцинил-КоА — это эфир янтарной кислоты. А теперь мы получим саму янтарную кислоту, то есть сукцинат, из сукцинила-КоА. Крайне важный момент: именно в этой реакции происходит субстратное фосфорилирование.

Фосфорилирование вообще (оно бывает окислительное и субстратное) — это добавление фосфорной группы PO3 к ГДФ или АТФ, чтобы получить полноценный ГТФ, или соответственно, АТФ. Субстратное отличается тем, что эта самая фосфорная группа отрывается от какого-либо вещества, её содержащую. Ну проще говоря, она переносится с СУБСТРАТА на ГДФ или АДФ. Поэтому и называется — «субстратное фосфорилирование».

Ещё раз: на момент начала субстратного фосфорилирования у нас имеется дифосфатная молекула — гуанозинДифосфат или аденозинДифосфат. Фосфорилирование заключается в том, что молекула с двумя остатками фосфорной кислоты — ГДФ или АДФ «достраивается» до молекулы с тремя остатками фосфорной кислоты, чтобы получились гуанозинТРИфосфат или аденозинТРИфосфат. Этот процесс происходит во время превращения сукцинила-КоА в сукцинат (то есть, в янтарную кислоту).

На схеме вы можете увидеть буквы Ф (н). Это значит «неорганический фосфат». Неорганический фосфат переходит от субстрата на ГДФ, чтобы в продуктах реакции был хороший, полноценный ГТФ. Теперь давайте посмотрим на саму реакцию:

Точка пересечения распада и синтеза.

Цикл Кребса как ступень катаболизма.

Как связаны метаболизм и цикл Кребса? Дело в том, что именно цикл Кребса является одной из важнейших точек, в которой сходятся пути анаболизма и катаболизма. Именно в этом и заключается его значение.

Давайте разберём это на схемках. Катаболизм можно условно представить как расщепление белков, жиров и углеводов в нашей пищеварительной системе. Итак, мы скушали пищу из белков, жиров, и углеводов, что дальше?

А дальше все эти вещества распадутся на простые составляющие:

  • Жиры — на глицерин и жирные кислоты (могут быть и другие компоненты, я решил взять самый простой пример);
  • Белки — на аминокислоты;
  • Полисахаридные молекулы углеводов — на одинокие моносахариды.

Далее, в цитоплазме клетки, последует превращение этих простых веществ в пировиноградную кислоту (она же — пируват). Из цитоплазмы пировиноградная кислота попадёт в митохондрию, где превратится в ацетил коэнзим А.  Пожалуйста, запомните эти два вещества — пируват и ацетил КоА, они очень важны.

Давайте теперь посмотрим, как происходит этап, который мы сейчас расписали:

Важная деталь: аминокислоты могут превращаться в ацетил КоА сразу, минуя стадию пировиноградной кислоты. Жирные кислоты сразу превращаются в ацетил КоА. Учтём это и подредактируем нашу схемку, чтобы получилось правильно:

Превращения простых веществ в пируват происходят в цитоплазме клеток. После этого пируват поступает в митохондрии, где успешно превращается в ацетил КоА.

Для чего пируват превращается в ацетил КоА? Именно для того, чтобы запустить наш цикл Кребса. Таким образом, мы можем сделать ещё одну надпись в схеме, и получится правильная последовательность:

В результате реакций цикла Кребса образуются важные для жизнедеятельности вещества, главные из которых:

  • НАДH (НикотинАмидАденинДиНуклеотид+ катион водорода)  и ФАДH2  (ФлавинАденинДиНуклеотид+молекула водорода). Я специально выделил заглавными буквами составные части терминов, чтобы легче было читать, в норме их пишут одним словом. НАДH и ФАДH2 выделяются в ходе цикла Кребса, чтобы потом принять участие в переносе электронов в дыхательную цепь клетки. Иными словами, эти два вещества играют важнейшую роль в клеточном дыхании.
  • АТФ, то есть аденозинтрифосфат. Это вещество имеет две связи, разрыв которых даёт большое количество энергии. Этой энергией снабжаются многие жизненно важные реакции;

Также выделяются вода и углекислый газ. Давайте отразим это на нашей схеме:

Кстати, весь цикл Кребса происходит в митохондриях. Именно там, где проходит и подготовительный этап, то есть превращение пирувата в ацетил КоА. Не зря кстати митохондрии называют «энергетическая станция клетки».

Цикл Кребса как начало синтеза

Цикл Кребса удивителен тем, что он не только даёт нам ценные АТФ (энергию) и коферменты для клеточного дыхания. Если посмотрите на предыдущую схему, вы поймёте, что цикл Кребса — это продолжение процессов катаболизма. Но вместе с тем он является и первой ступенькой анаболизма. Как это возможно? Как один и тот же цикл может и разрушать, и создавать?

Оказывается, отдельные продукты реакций цикла Кребса могут частично отправляться на синтез новых сложных веществ в зависимости от потребностей организма. Например, на глюконеогенез — это синтез глюкозы из простых веществ, не являющихся углеводами.

Ещё раз:

  • Реакции цикла Кребса каскадны. Они происходят одна за другой, и каждая предыдущая реакция запускает последующую;
  • Продукты реакций цикла Кребса частично идут на запуск последующей реакции, а частично — на синтез новых сложных веществ.

Давайте попробуем отразить это на схеме, чтобы цикл Кребса был обозначен именно как точка пересечения распада и синтеза.

Голубыми стрелочками я отметил пути анаболизма, то есть создания новых веществ. Как видите, цикл Кребса действительно является точкой пересечения многих процессов и разрушения, и созидания.

Дыхательная цепь

Организация дыхательной цепи

Протекает на внутренних мембранах митохондрий, где расположен ряд ферментов в определенной последовательности (дыхательная цепь). Атомы водорода попадают на мембраны митохондрий. Через ряд этапов происходит с их помощью восстановление АТФ.

Высвобожденный в цикле Кребса водород объединяется с НАД (никотинамидадениндинуклеотидом). Образуется восстановленная форма НАД • Н. Далее НАД • Н окисляется до НАД+ , Н+ и электрона (е) и транспортируется на внутреннюю поверхность мембраны митохондрий. Ионы водорода накапливаются на внешней поверхности внутренней мембраны, а электроны с помощью переносчиков попадают на внутреннюю поверхность внутренней мембраны. На внутренней поверхности уменьшается количество ионов водорода, образуется вода:

4Н+ + 4 + 02 → 2Н20.

Возникает разница электрических потенциалов, концентраций ионов водорода по разные стороны внутренней мембраны.

АДФ и фосфорная кислота восстанавливают АТФ с помощью особой ферментной системы, которая использует для этого разницу электрических потенциалов, различие концентраций ионов водорода. Эта ферментная система переводит ионы водорода на внутреннюю поверхность внутренней мембраны с внешней поверхности. Процесс образования АТФ из АДФ и фосфорной кислоты называется окислительным фосфорилированием. Процесс перенесения электрона по дыхательной цепи митохондрий имеет название сопряжение окисления.

При окислении двух молекул молочной кислоты выделяется энергия, которая обеспечивает образование 36 молекул АТФ:

3Н603 + 602 + 36АДФ + 36Н3Р04 → 6С02 + 36АТФ + 36Н20.

Суммарное уравнение энергетического обмена:

С6Н1206 + 602 + 38АДФ + 38Н3Р04 → 6С02 + 38АТФ + 44Н20.

Выделяется почти 2,8 тыс. кДж энергии. 1596 кДж (55 %) – запасается в виде макроэргических связей АТФ. Оставшиеся (45 %) рассеиваются в виде тепла.

Описание процесса

Протекание ЦК достаточно экономно с точки зрения энергозатрат. Такой эффект достигается благодаря тому, что он связывает два метаболических направления. В процесс вовлекаются вещества, подлежащие утилизации, которые либо служат энергетическим «топливом», либо возвращаются в круг анаболизма. Подготовительная стадия ЦК заключается в распаде глюкозы, аминокислот и жирных кислот на молекулы пирувата или лактата.

Органеллы митохондрий способны преобразовывать пируват в ацетильный остаток (ацетил-коэнзим А или ацетил-КоА), представляющий собой вместе с тиольной группой, которая может его переносить, кофермент А. Некоторое соединения могут сразу распадаться до ацетил-КоА, минуя стадию пирувата. При этом пировиноградная кислота может вовлекаться непосредственно в ЦК, не преобразуясь в ацетил-КоА.

Начальные этапы

Первая стадия необратима и состоит из конденсации ацетил-КоА с четырехуглеродным веществом — оксалоацетатом (щавелевоуксусной кислотой или ЩУК), что приводит к образованию шестиуглеродного цитрата (лимонной кислоты). Во время реакции метильная группа ацетил-КоА соединяется с карбонильной группой ЩУК. Благодаря быстрому гидролизу промежуточного соединения цитроил-КоА этот этап проходит без затрат энергии извне.

На второй стадии образуется изоцитрат (изолимонная кислота) из цитрата через цис-аконитат. Это реакция обратимой изомеризации через образование промежуточной трикарбоновой кислоты, в которой катализатором выступает фермент аконитатгидратаза.

Далее происходит дегидрирование и декарбоксилирование изоцитрата до промежуточного соединения оксалосукцинат с выделением углекислого газа. После декарбоксилирования оксалосукцината образуется енольное соединение, которое перестраивается и превращается в пятиуглеродную кислоту — α-кетоглутарат (оксоглутарата), чем и завершает третью ступень ЦК. Четвертый этап — α-кетоглутарат декарбоксилирует и реагирует с ацетил-КоА. При этом получается сукцинил-КоА, соединение янтарной кислоты и коэнзима-А, выделяется СО2.

Замыкание цикла

На пятой стадии сукцинил-КоА преобразуется в сукцинат (янтарную кислоту). Для этого этапа характерно субстратное фосфолирование, подобное синтезу АТФ при гликолизе. Введение в ЦК фосфорной группы РО3 становится возможным благодаря присутствию фермента ГДФ (гуанозиндифосфата) или АДФ (аденозиндифосфата), которые в процессе синтеза сукцината из дифосфатов становятся трифосфатами.

Начиная с шестой стадии, цикл начинает постепенно замыкаться. Сначала сукцинат под действием каталитического фермента сукцинатдегидрогеназы дегидрирует до фумарата. Дальнейшее дигидрирование приводит к седьмому этапу — образованию L-малата (яблочной кислоты) из фуратата через переходное соединение с карбанионом.

Метаболизм

Одно из важнейших свойств живого (вспоминаем биологию) — это обмен веществ с окружающей средой. Действительно, только живое существо может что-то поглощать из окружающей среды, и что-то потом в неё выделять.

В биохимии обмен веществ принято называть «метаболизм». Обмен веществ, обмен энергией с окружающей средой — это метаболизм.

Когда мы, допустим, съели бутерброд с курицей, мы получили белки (курица) и углеводы (хлеб). В процессе пищеварения белки распадутся до аминокислот, а углеводы — до моносахаров. То, что я описал сейчас, называется катаболизм, то есть распад сложных веществ на более простые. Первая часть метаболизма — это катаболизм.

Ещё один пример. Ткани в нашем организме постоянно обновляются. Когда отмирает старая ткань, её обломки растаскивают макрофаги, и они заменяется новой тканью. Новая ткань создаётся в процессе синтеза белка из аминокислот. Синтез белка происходит в рибосомах. Создание нового белка (сложного вещества) из аминокислот (простого вещества) — это анаболизм.

Итак, анаболизм — это противоположность катаболизму. Катаболизм — это разрушение веществ, анаболизм — это создание веществ. Кстати, чтобы их не путать, запомните ассоциацию: «Анаболики. Кровью и потом». Это голливудский фильм (довольно скучный, на мой взгляд) о спортсменах, применяющих анаболики для роста мышц. Анаболики — рост, синтез. Катаболизм — обратный процесс.

Виды углеводов

Углеводы — это полиатомные альдегидо- или кетоспирты, которые подразделяются в зависимости от количества мономеров на моно-, олиго- и полисахариды. Основные представители углеводов представлены в таблице 1.

Таблица 1. Основные представители углеводов

Углеводы Основные представители
Моносахариды Гексозы (глюкоза, манноза, галактоза, фруктоза), триозы, тетрозы, пентозы
Производные моносахаридов Сахарные кислоты, дезоксисахара, аминосахара, сиаловые кислоты
Дисахариды Мальтоза, лактоза, сахароза
Олигосахариды Мальтодекстрин

Полисахариды:

  • гомополисахариды
  • гетерополисахариды
Крахмал, гликоген, целлюлоза Гликозаминогликаны

Моносахариды (глюкоза, фруктоза, галактоза и др.), олигосахариды (сахароза, мальтоза, лактоза) и перевариваемые полисахариды (крахмал, гликоген) являются основными источниками энергии, а также выполняют пластическую функцию.

Неперевариваемые полисахариды (целлюлоза, гемицеллюлоза и др.), или пищевые волокна, играют в питании важнейшую роль, участвуя в формировании каловых масс, регулируя моторную функцию кишечника, выступая в качестве сорбентов (см. табл. 2). Пектины (коллоидные полисахариды) и пропектины (комплексы пектинов с целлюлозой), камеди, слизи используются в диетотерапии в связи с их детоксицирующим эффектом. К пищевым волокнам относят и не являющийся углеводом лигнин.

Перевариваемые углеводы в тонкой кишке расщепляются до дисахаридов, а далее, путем пристеночного пищеварения, до моносахаридов.

Таблица 2. Роль неперевариваемых полисахаридов (пищевых волокон) в питании

  Основные эффекты
Прием пищи
  • увеличение объема пищи и периода ее приема;
  • снижение энергетической плотности пищи;
  • усиление чувства насыщения
Влияние на верхние отделы желудочно-кишечного тракта
  • торможение опорожнения желудка;
  • стимуляция процессов желчеотделения
Влияние на тонкую кишку
  • связывание нутриентов, торможение абсорбции глюкозы, аминокислот и холестерина, токсических веществ;
  • торможение гидролиза крахмала
Влияние на толстую кишку
  • нормализация состава кишечной микрофлоры;
  • формирование каловых масс и повышение скорости их транзита 

Метаболизм глюкозы

Всасывание моносахаров происходит путем облегченной диффузии и активного транспорта, что обеспечивает высокую их абсорбцию даже при низкой концентрации в кишечнике. Основным углеводным мономером является глюкоза, которая изначально по системе воротной вены доставляется в печень, а далее или метаболизируется в ней, или поступает в общий кровоток и доставляется в органы и ткани.

Метаболизм глюкозы в тканях начинается с образования глюкозо- 6-фосфата, который, в отличие от свободной глюкозы, не способен покидать клетку. Дальнейшие превращения этого соединения идут в следующих направлениях:

  • расщепление вновь до глюкозы в печени, почках и эпителии кишечника, что позволяет поддерживать постоянный уровень сахара в крови;
  • синтез депонируемой формы глюкозы — гликогена — в печени, мышцах и почках;
  • окисление по основному (аэробному) пути катаболизма;
  • окисление по пути гликолиза (анаэробного катаболизма), обеспечивающего энергией интенсивно работающие (мышечная ткань) или лишенные митохондрий (эритроциты) ткани и клетки;
  • по пентозофосфатному пути превращений, происходящему под действием коферментной формы витамина B1, в ходе которого генерируются продукты, используемые в синтезе биологически значимых молекул (НАДФ∙Н2, нуклеиновых кислот).

Таким образом, метаболизм глюкозы может происходить по различным направлениям, использующим ее энергетический потенциал, пластические возможности или способность депонироваться.

Цикл Кребса

Образовавшийся в результате окислительного декарбоксилирования пирувата в митохондриях ацетил-КоА вступает в цикл Кребса.

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 CO2) 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 CO2 и   Н2O , а молекула оксалоацетата регенерируется. В ходе реакций цикла освобождается основное количество энергии, содержащейся в окисляемом субстрате, причем большая часть этой энергии не теряется для организма, а утилизируется при образовании высокоэнергетических конечных фосфатных связей АТФ.

При окислении глюкозы в процессе дыхания при функционировании гликолиза и цикла Кребса в общей сложности образуются 38 молекул АТФ.

У растений существует иной путь переноса электронов на кислород. Этот путь не ингибируется цианидом и поэтому назван цианидустойчивым, или альтернативным. Цианидустойчивое дыхание связано с функционированием в дыхательной цепи помимо цитохромоксидазы альтернативной оксидазы, которая впервые была выделена в 1978 г.

При этом пути дыхания энергия в основном не аккумулируется в АТФ, а рассеивается в виде тепла. Ингибируется цианидустойчивое дыхание салициловой кислотой. У большинства растений цианидустойчивое дыхание составляет 10—25%, но иногда может достигать 100% общего поглощения кислорода. Это зависит от вида и условий произрастания растений. Функции альтернативного дыхания до конца не ясны. Этот путь активируется при высоком содержании АТФ в клетке и ингибировании работы основной цепи транспорта электронов при дыхании.

Предполагают, что цианидустойчивый путь играет роль при действии неблагоприятных условий. Доказано, что альтернативное дыхание принимает участие в образовании тепла. Рассеивание энергии в виде тепла может обеспечивать повышение температуры растительных тканей на 10—15°С выше температуры окружающей среды.

Для объяснения механизма синтеза АТФ, сопряженного с транспортом электронов в ЭТЦ дыхания, были предложены несколько гипотез:

  • химическая (по аналогии с субстратным фосфорилированием);
  • механохимическая (основанная на способности митохондрий изменять объем);
  • хемиосмотическая (постулирующая промежуточную форму трансформации энергии окисления в виде трансмембранного протонного градиента).

Процесс образования АТФ в результате переноса ионов Н через мембрану митохондрии получил название окислительного фосфолирования.

Он осуществляется при участии фермента АТФ-синтетазы. Молекулы АТФ-синтетазы располагаются в виде сферических гранул на внутренней стороне внутренней мембраны митохондрий.

В результате расщепления двух молекул пировиноградной кислоты и переноса ионов водорода через мембрану по специальным каналам синтезируется в целом 36 молекул АТФ (2 молекулы в цикле Кребса и 34 молекулы в результате переноса ионов Н через мембрану).

Суммарное уравнение аэробного дыхания можно выразить следующим образом:

C6H12O6 + O2+ 6H2O + 38АДФ + 38Н3РО4→

6CO2+ 12H2O + 38АТФ

Н+-транслоцирующая АТФ-синтаза состоит из двух частей: встроенного в мембрану протонного канала (F0) из по меньшей мере 13-ти субъединиц и каталитической субъединицы (Fi), выступающей в матрикс.

«Головка» каталитической части образована тремя+ — и тремя- субъединицами, между которыми расположены три активных центра.

«Ствол» структуры образуют полипептиды Fo-части и у-, 5- и s-субъединиц «головки».

Каталитический цикл подразделяется на три фазы, каждая из которых проходит поочередно в трех активных центрах. Вначале идет связывание АДФ (ADP) и Pi, затем образуется фосфоангидридная связь и наконец освобождается конечный продукт реакции.

При каждом переносе протона через белковый канал F0 в матрикс все три активных центра катализируют очередную стадию реакции. Предполагается, что энергия протонного транспорта прежде всего расходуется на повороту -субъединицы, в результате которого циклически изменяются конформации а- и в-субъединиц.

Цикл трикарбоновых кислот

Реакции гликолиза идут в цитозоле и в хлоропластах. Есть три этапа гликолиза:

1 — подготовительный (фосфорилирование гексозы и образование двух фосфотриоз);

2 — первое окислительное субстратное фосфорилирование;

3 — второе внутримолекулярное окислительное субстратное фосфорилирование.

Сахара подвергаются метаболическим превращениям в виде сложных эфиров фосфорной кислоты.

Глюкоза предварительно активируется путем фосфорилирования. В АТФ-зависимой реакции, катализируемой гексокиназой, глюкоза превращается в глюкозо-6-фосфат. После изомеризации глюкозо-6-фосфата в фруктозо-6-фосфат последний вновь фосфорилируется с образованием фруктозо-1,6-дифосфата. Фосфофруктокиназа, катализирующая эту стадию, является важным ключевым ферментом гликолиза.

Таким образом, на активацию одной молекулы глюкозы расходуются две молекулы АТФ. Фруктозо-1,6-дифосфат расщепляется альдолазой на два фосфорилированных С3-фрагмента. Эти фрагменты — глицеральдегид-3-фосфат и дигид- роксиацетонфосфат — превращаются один в другой триозофосфатизомеразой.

Глицеральдегид-3-фосфат окисляется глицеральдегид-З-фосфатдегид- рогеназой с образованием НАДН + Н+.

В этой реакции в молекулу включается неорганический фосфат с образованием 1,3-дифосфоглицерата. Такое промежуточное соединение содержит смешанную ангидридную связь, расщепление которой является высокоэкзоэргическим процессом. На следующей стадии, катализируемой фосфоглицераткиназой, гидролиз этого соединения сопряжен с образованием АТФ.

Следующий промежуточный продукт, гидролиз которого может быть сопряжен с синтезом АТФ, образуется в реакции изомеризации 3- фосфоглицерата, полученного в результате реакции окисления 3ФГА, в 2- фосфоглицерат (фермент фосфоглицератмутаза) и последующего отщепления воды (фермент энолаза).

Продукт представляет собой сложный эфир фосфорной кислоты и энольной формы пирувата и потому называется фосфоэнолпируватом (ФЭП). На последней стадии, которая катализируется пируваткиназой, образуются пируват и АТФ.

Наряду со стадией окисления ФГА и тиокиназной реакцией в цитратном цикле это третья реакция, позволяющая клеткам синтезировать АТФ, независимо от дыхательной цепи.

Несмотря на образование АТФ, она высоко-экзоэргична и потому необратима.

В результате гликолиза из одной молекулы глюкозы образуется 2 молекулы пировиноградной кислоты и 4 молекулы АТФ. Поскольку макроэргическая связь формируется прямо на окисляемом субстрате, такой процесс образования АТФ получил название субстратного фосфорилирования.

Две молекулы АТФ покрывают расход на первоначальное активирование субстрата за счет фосфорилирования. Следовательно, накапливаются 2 молекулы АТФ. Кроме того, в ходе гликолиза 2 молекулы НАД восстанавливаются до НАДН. В процессе гликолиза молекула глюкозы деградирует до двух молекул пирувата.

Кроме того, образуется по две молекулы АТФ и НАДН + H+ (аэробный гликолиз).

В анаэробных условиях пируват претерпевает дальнейшие превращения, обеспечивая при этом регенерацию НАД+. При этом образуются продукты брожения, такие, как лактат или этанол (анаэробный гликолиз). В этих условиях гликолиз является единственным способом получения энергии для синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата. В аэробных условиях образовавшиеся 2 молекулы пировиноградной кислоты вступают в аэробную фазу дыхания.

Примечания и ссылки

(in) ,
1937 г.(доступ 7 ноября 2015 г. )  : «  Нобелевская премия по физиологии и медицине 1937 г. была присуждена Альберту Сент-Дьёрдьи» за его открытия, связанные с процессами биологического горения, с особым упором на витамин С и катализ фумаровой кислоты ».  » .

(in) (по состоянию на 7 ноября 2015 г. )Нобелевская премия по физиологии и медицине 1953 г. была разделена поровну между Гансом Адольфом Кребсом» за открытие им лимонной кислоты

кислотный цикл »и Фриц Альберт Липманн« за открытие кофермента А и его важность для промежуточного метаболизма » .

(in) Х. Гест , Эволюционные корни цикла лимонной кислоты у прокариот , Симпозиум Биохимического общества , вып

 54,
1987 г., стр.  3–16 ( PMID   )

(in) Энрике Мелендес-Хевиа, Томас Г. Уодделл и Марта Касканте , Загадка цикла лимонной кислоты Кребса: сборка частей химически осуществимых реакций и оппортунизм в разработке метаболических путей во время эволюции , Journal of Molecular Эволюция , т.  43, п о  1,
Сентябрь 1996, стр.  293-303

(in) Оливер Эбенхох и Рейнхарт Генрих , Эволюционная оптимизация метаболических путей. Теоретическая реконструкция стехиометрии систем, продуцирующих АТФ и НАДН , Бюллетень математической биологии , вып.  63, п о  1,
Январь 2001 г., стр.  21-55

↑ и (в) Takehiko САХАРЕ, Ясухиро~d Такаде, Ёдзи Takeuchi Наото Ямаокие и Нориюки Fukunaga , Клонирование, секвенирование и экспрессии гена , кодирующий мономерных изоцитратдегидрогеназу из азотфиксирующей Бактерии, Азотобактер ьтеШого , Bioscience, Biotechnology , и Биохимия , т.  66, п о  3,
Март 2002 г., стр.  489-500

↑ и (ru) Мишель Э. ван дер Рест, Кристиан Франк и Доув Моленаар , Функции мембранно-ассоциированных и цитоплазматических малатдегидрогеназ в лимоннокислотном цикле Escherichia coli , Journal of bacteriology , vol.  182, п о  24,
декабрь 2000, стр.  6892-6899

(in) Р.К. Портер и М.Д. Бранд , Проводимость митохондриальных протонов и отношения H + / O не зависят от скорости транспорта электронов в изолированных гепатоцитах , Biochemical Journal , vol.  310,
1995 г., стр.  379–382

(in) Дэвид О. Ламбет, Кристин Н. Тьюс, Стивен Адкинс, Дин Фролих и Барри И. Милавец , Экспрессия двух сукцинил-КоА-синтетаз с нуклеотидами разной специфичности в тканях млекопитающих , Журнал биологической химии , вып.  279, п о  35,
27 августа 2004 г., стр.  36621-36624

(in) Элвуд А. Маллинс, Джули А. Франсуа и Джозеф Т. Каппок , Специализированный цикл лимонной кислоты, требующий сукцинил-кофермента А (КоА): трансфераза ацетат-КоА (AARC) придает устойчивость к уксусной кислоте ацидофильному грибку Acetobacter aceti , Журнал бактериологии , вып.  190, п о  14,
июль 2008 г., стр.  4933-4940

(in) Ирен Э. Кортези-Теулаз Габриэла Э. Бергонцелли, Генри Хьюз, Даниэль Бахманн Даниэль Ф. Шордерет Андре Л. Блюм и Николас Л. Орнстон , Клонирование и характеристика сукцинил-КоА Helicobacter pylori : трансфераза ацетоацетат-КоА, роман Прокариотический член семейства CoA-трансфераз , Journal of Biological Chemistry , vol.  272, п о  41,
10 октября 1997 г., стр.  25659-25667

(в) Энтони Д. Baughn, Скотт J. Garforth, Vilchèze Кэтрин и William R. Jacobs Jr. , анаэробного типа α-кето ферредоксина оксидоредуктазы завершает Окислительный трикарбоновых кислот цикл микобактерий туберкулеза , PLoS патогенам , вып.  5, п о  11,
ноябрь 2009 г., e1000662

(in) Шуйи Чжан и Дональд А. Брайант , Цикл трикарбоновых кислот у цианобактерий , Science , vol.  334, п о  6062,
16 декабря 2011 г., стр.  1551-1553

(in) Максим В. Иванников и Грегори Т. Маклауд , Уровни свободного Ca2 + в митохондриях и их влияние на энергетический метаболизм в терминалах моторных нервов дрозофилы , Biophysical Journal , Vol.  104, п о  11,
4 июня 2013 г., стр.  2353-2361

(in) Ричард Дентон, Филип Дж. Рэндл, Барбара Дж. Бриджес, Рональд Х. Купер, Алан Л. Керби, Хелен Т. Паск, Дэвид Л. Северсон, Дэвид и Сьюзан Уайтхаус Стэнсби , Регулирование пируватдегидрогеназы млекопитающих , Молекулярная и клеточная биохимия , т.  9, п о  1,
Октябрь 1975 г., стр.  27-53

(ru) Ингибирование гидроксилаз индуцируемого гипоксией фактора (HIF) промежуточными продуктами цикла лимонной кислоты. ВОЗМОЖНЫЕ СВЯЗИ МЕЖДУ КЛЕТОЧНЫМ МЕТАБОЛИЗМОМ И СТАБИЛИЗАЦИЕЙ HIF , Пеппи Койвунен, Майя Хирсиля, Анне М. Ремес, Ильмо Э. Хассинен, Кари И. Кивирикко и Йоханна Мюллюхарью , журнал биологической химии , вып.  282, п о  7,
16 февраля 2007 г., стр.  4524-4532

(in) Премжит П. Халарнкар и Гэри Дж. Бломквист , Сравнительные аспекты метаболизма пропионата , Сравнительная биохимия и физиология, Часть B: Сравнительная биохимия , том.  92, п о  2
1989 г., стр.  227-231