6.6: Цикл Кребса/ТСА/лимонної кислоти

Гліколіз через ферментативні реакції виробляє АТФ анаеробно. Еволюція дихання (аеробне використання кисню для ефективного спалювання поживних палив) довелося чекати, поки фотосинтез створить кисневу атмосферу, в якій ми живемо зараз. Детальніше про джерело нашої кисневої атмосфери в Dismukes GC et al. [(2001) Походження атмосферного кисню на землі: інновації кисневого фотосинтезу. Проц. Нат. Акад. Науковий. США 98:2170-2175].

Цикл Кребса - перший шлях кисневого дихання. Еволюція цього дихання і хімічного моста від гліколізу до циклу Кребса, без сумніву, відбувалося кілька реакцій одночасно, можливо, спочатку як засіб захисту анаеробних клітин від «отруйного» впливу кисню. Пізніше природний відбір сформував аеробний цикл Кребса, транспортування електронів та шляхи окислювального фосфорилювання, які ми бачимо сьогодні.

Якою б не була його початкова корисність, ці реакції були адаптивною реакцією на збільшення кисню в земній атмосфері. Як шлях для отримання енергії з поживних речовин, дихання набагато ефективніше гліколізу. Тварини покладаються на нього, але навіть рослини і фотосинтезуючі водорості використовують дихальний шлях, коли сонячне світло недоступний! Тут ми зосередимося на окислювальних реакціях в мітохондріях, починаючи з окислення пірувату і продовжуючи до окислювально-відновних реакцій циклу Кребса.

Після потрапляння в мітохондрії піруватдегідрогеназа каталізує окислення пірувату до ацетил-S-коензиму А (AC-S-CoA). Потім цикл Кребса повністю окислює Ac-S- CoA. Ці мітохондріальні окислювально-відновні реакції генерують CO2 та багато відновлених носіїв електронів (NADH, FADH2). Вільна енергія, що виділяється в цих окислювально-відновних реакціях, пов'язана з синтезом лише одного АТФ на окислений піруват (тобто два на глюкозу, яку ми почали з!). Саме молекули NADH і FADH2 захопили більшу частину вільної енергії в вихідних молекулах глюкози. Ці надходження пірувату в мітохондріон і його окислення підсумовані нижче.

Окислення пірувату перетворює вуглевод 3С в ацетат, молекулу 2С, виділяючи молекулу CO2. У цій високоекергонічній реакції CoA-Sh утворює високоенергетичний тіоефірний зв'язок з ацетатом в AC-S-CoA. Окислення піровиноградної кислоти призводить до відновлення NAD +, вироблення AC-S-CoA та молекули CO2, як показано нижче.

Цикл Кребса функціонує під час дихання для окислення AC-S-CoA та зменшення NAD+ та FAD до NADH та FADH2 (відповідно). Проміжні продукти циклу Кребса також функціонують в метаболізмі амінокислот і взаємоперетвореннях. Всі аеробні організми, що живуть сьогодні, поділяють цикл Кребса, який ми бачимо у людей. Це узгоджується з його поширенням на початку еволюції нашого кисневого середовища. Через центральну роль проміжних продуктів циклу Кребса в інших біохімічних шляхах частини шляху можуть навіть попередньо дати повний дихальний шлях. Цикл Кребса відбувається в мітохондріях еукаріотичних клітин.

Після окислення пірувату AC-S-CoA надходить в цикл Кребса, конденсуючись оксалоацетатом в циклі з утворенням цитрату. У циклі Кребса є чотири окислювально-відновні реакції. Коли ми обговорюємо цикл Кребса, шукайте накопичення відновлених носіїв електронів (FADH2, NADH) та невелику кількість синтезу АТФ фосфорилуванням на рівні субстрату. Крім того, слідувати вуглецю в піруваті в CO2. Цикл Кребса, як це відбувається у тварин, узагальнено нижче.

Щоб допомогти вам зрозуміти події циклу,

1. знайти дві молекули CO2, що утворюються в самому циклі Кребса.

2. знайти ГТП (який швидко переносить свій фосфат на АДФ, щоб зробити АТФ). Зверніть увагу, що у бактерій АТФ проводиться безпосередньо на цьому етапі.

3. порахуйте всі відновлені носії електронів (NADH, FADH2). Обидва ці носії електронів несуть в собі пару електронів. Якщо включити електрони на кожну з молекул NADH, зроблених при гліколізі, скільки електронів було видалено з глюкози під час її повного окислення?

Пам'ятайте, що гліколіз виробляє два пірувати на глюкозу, а значить і дві молекули АС-S-КоА. Таким чином, цикл Кребса повертається двічі для кожної глюкози, що надходить в гліколітичний шлях. Високоенергетичні тіоефірні зв'язки, що утворюються в циклі Кребса, паливні синтез АТФ, а також конденсація оксалоацетату та ацетату з утворенням цитрату в першій реакції. Кожен NADH несе близько 50 Ккал з 687 Ккал вільної енергії, спочатку наявної в молі глюкози; кожен FADH2 несе близько 45 Ккал цієї вільної енергії. Ця енергія буде підживлювати виробництво АТФ під час перенесення електронів та окислювального фосфорилювання.

159 Основні моменти циклу Кребса

Нарешті, історія відкриття циклу Кребса настільки ж цікава, як і сам цикл! Альберт Сент-Дьёрджі отримав Нобелівську премію в 1937 році за виявлення деяких реакцій окислення органічних кислот, які спочатку вважалися частиною лінійного шляху. Ганс Кребс зробив елегантні експерименти, показуючи, що реакції були частиною циклічного шляху. Він запропонував (правильно!) що цикл буде суперкаталізатором, який каталізує окислення ще однієї органічної кислоти. Деякі експерименти описані Кребсом та його колегами у своїй класичній роботі: Krebs HA, et al. [(1938) Освіта лимонної та α-кетоглутарової кислот в організмі ссавців. Біохім. J. 32:113—117]. Ганс Кребс та Фріц Ліпманн розділили Нобелівську премію 1953 року з фізіології та медицини. Кребс був визнаний за його з'ясування циклу TCA, який зараз частіше носить його ім'я. Ліпманн був визнаний за те, що запропонував АТФ в якості посередника між харчовою (поживною) енергією та внутрішньоклітинною робочою енергією, а також за виявлення реакцій, які окислюють піруват та синтезують AC-S-CoA, поєднуючи цикл Кребса та окислювальне фосфорилювання (слід розглянути в наступному розділі).

160 Відкриття циклу Кребса

Ви можете прочитати огляд Кребса про його власні дослідження в Krebs HA [(1970) Історія циклу трикарбонових кислот. Перспект. Біол. Мед. 14:154-170]. Для класичного читання про те, як Кребс описав свою пропозицію суперкаталізатора, натисніть Ганс Кребс Автобіографічні коментарі. Щоб дізнатися більше про життя Ліпмана, ознайомтеся з короткою Нобелівською запискою про біографію Фріца Ліпмана.