If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Ако си зад уеб филтър, моля, увери се, че домейните *. kastatic.org и *. kasandbox.org са разрешени.

Основно съдържание

Курс: Биологична библиотека > Раздел 12

Урок 4: Окисление на пирогроздената киселина (пируват) и цикъл на лимонената киселина
Наука
Биологична библиотека
Клетъчно дишане
Окисление на пирогроздената киселина (пируват) и цикъл на лимонената киселина
© 2024 Khan AcademyУсловия за ползванеДекларация за поверителностПолитика за Бисквитки

Цикълът на лимонената киселина

Класна стая на Google
Преглед и етапи на цикъла на лимонената киселина, също познат като цикъла на Кребс или цикъла на трикарбоксилната киселина (ТСА).

Въведение

Колко важен е цикълът на лимонената киселина? Толкова важен, че има не едно, не две, а цели три различни имена, които често се използват днес!
Името, което основно ще използваме тук, цикъл на лимонената киселина, идва от първото вещество, която се получава по време на реакциите от цикъла – цитрат, или, в протонираната си форма, лимонена киселина. Но може също да чуеш тази серия реакции да се нарича цикъл на трикарбоновата киселина (ТСА) заради трите карбоксилни групи на първите два междинни продукта, или цикъл на Кребс на името на откривателя си Ханс Кребс.
Както и да предпочиташ да го наричаш, цикълът на лимонената киселина е централен "двигател" на клетъчното дишане. Той взима ацетил CoA—произведен от окисляването на пирувата и оригинално извлечен от глюкоза – като начален материал и, в серия от окислително-редукционни реакции, извлича голяма част от енергията на връзката под формата на НАДH, ФАДH2 и ATФ. Редуцираните електрон носители НАДH и ФАДH2 – генерирани в цикъла, предават електроните в електрон-транспортнана верига и чрез окислително фосфорилиране се синтезира повечето от количеството АТФ, произведено в процеса на клетъчното дишане.
По-долу ще разгледаме в повече детайли как работи този забележителен цикъл.

Преглед на цикъла на лимонената киселина (цикъла на Кребс)

При еукариотите цикълът на лимонената киселина протича в матрикса на митохондриите, точно както преобразуването на пирувата в ацетил CoA. При прокариотите тези две стъпки протичат в цитоплазмата. Цикълът на лимонената киселина е затворен кръг; в последната част от пътя се възстановява молекулата, използвана в първата стъпка. Цикълът включва осем основни стъпки.
Опростена диаграма на цикъла на лимонената киселина. Първо ацетил СоА се комбинира с оксалоацетат, една четиривъглеродна молекула, губейки СоА групата и образувайки шествъглеродната молекула цитрат. След като цитратът премине стъпката на преподреждане, той преминава реакция на окисляване, прехвърляйки електрони към НАД+, за да образува НАДН и освобождава една молекула въглероден диоксид. Петвъглеродната молекула , която е останала, после преминава втора, подобна реакция, пренасяйки електрони от НАД+, за да образува НАДН и да освободи една молекула въглероден диоксид. Оставащата четиривъглеродната молекула после преминава серия от трансформации, при които ГДП и органичен фосфат се превръщат в ГТФ – или, в някои организми, АДФ и неорганичен фосфат се превръщат в АТФ – и една молекула ФАД се редуцира до ФАДН2 и друг НАД+ се редуцира до НАДН. В края на тази поредица от реакции четиривъглеродната начална молекула, оксалоацетат, се възстановява, позволявайки на цикъла да започне отново.
В първата стъпка на цикъла ацетил CoA се комбинира с четири-въглеродна акцепторна молекула, оксалоацетат, при което се получава шест-въглеродна молекула, наречена цитрат. След бързо пренареждане, тази шест-въглеродна молекула освобождава два от въглеродните си атоми като молекули въглероден диоксид в двойка подобни реакции, произвеждайки всеки път една молекула НАДH1. Ензимите, които катализират тези реакции, са ключови регулатори на цикъла на лимонената киселина, ускорявайки я или забавяйки я въз основа на енергийните нужди на клетката2.
Останалата четири-въглеродна молекула преминава през серия допълнителни реакции, първо произвеждайки една молекула ATФ – а в други клетки подобна молекула, наречена ГТП – а после редуцирайки електрон-носителя ФАД до ФАДН2, като накрая се генерира друга молекула НАДН. Тази последователност от реакции регенерира началната молекула, оксалоацетат, така че цикълът да може да се повтори.
Като цяло в едно завъртане на цикъла на лимонената киселина се освобождават две молекули въглероден диоксид и се получават три НАДН, един ФАДН2 и един ATФ или ГТФ. Цикълът на лимонената киселина преминава два пъти за всяка молекула глюкоза, която навлезе в клетъчното дишане, понеже има два пирувата – и, следователно, два ацетил CoA – създадени на една глюкоза.

Стъпки на цикъла на Кребс

Вече получи представа кои са веществата, които се получават в цикъла на лимонената киселина. Но как точно се получават тези вещества? Ще разгледаме цикъла стъпка по стъпка и ще видим как НАДН, ФАДН2 и ATФ/ГТФ се синтезират и къде се освобождават молекулите въглероден диоксид.
Стъпка 1. В първата стъпка на цикъла на лимонената киселина, ацетил CoA се присъединява към една четиривъглеродна молекула оксалоацетат, освобождавайки CoA групата и образувайки една шествъглеродна молекула, наречена цитрат.
Стъпка 2. Във втората стъпка цитратът се преобразува в своя изомер изоцитрат. Този процес се състои от две стъпки, които включват първо премахването и после добавянето на една молекула вода, което е причината понякога да се казва, че цикълът на лимонената киселина има девет стъпки – а не осемте, описани тук3.
Стъпка 3. В третата стъпка изоцитратът се окислява и се освобождава една молекула въглероден диоксид, при което се получава петвъглеродна молекула – α-кетоглутарат. По време на тази стъпка НАД+ се редуцира и се получава НАДH. Ензимът, катализиращ тази стъпка, изоцитрат дехидрогеназа, е важен за регулирането на скоростта на цикъла на лимонената киселина.
Стъпка 4. Четвъртата стъпка е подобна на третата. В този случай α-кетоглутаратът се окислява, редуцирайки НАД+ до НАДH и в процеса се освобождава една молекула въглероден диоксид. Оставащата четиривъглеродна молекула приема Коензим А, образувайки нестабилното съединение сукцинил CoA. Ензимът, катализиращ тази стъпка, α-кетоглутарат дехидрогеназа, също е важен в регулацията на цикъла на лимонената киселина.
Подробна диаграма на цикъла на Кребс, показваща структурите на различни междинни продукти в цикъла и ензимите, катализиращи всяка стъпка.
Стъпка 1. Ацетил CoA се комбинира с оксалоацетат в реакция, катализирана от цитрат синтаза. В тази реакция също се използва една водна молекула като реагент, и се освобождава молекула SH-CoA като продукт.
Стъпка 2. Цитратът се превръща в изоцитрат в реакция, катализирана от аконитаза.
Стъпка 3. Изоцитратът се превръща в α-кетоглутарат в реакция, катализирана от изоцитрат дехидрогеназа. Молекула НАД+ се редуцира до НАДФ + H+ в тази реакция, а молекула въглероден диоксид се освобождава като продукт.
Стъпка 4: α-кетоглутаратът се преобразува в сукцинил СоА в реакция, катализирана от α-кетоглутаратна дехидрогеназа. Една молекула НАД+ се редуцира до NADН + Н+ в тази реакция, която също приема SH-CoA молекула като реактант. Една молекула въглероден диоксид се освобождава като продукт.
Стъпка 5. Сукцинил СоА се преобразува в сукцинат в една реакция, катализирана от ензим сукцинил-СоА синтетаза. В реакцията се преобразува неорганичен фосфат, Рн, и ГДФ в ГТФ, и също така се освобождава една група SH-CoA.
Стъпка 6. Сукцинатът се превръща във фумарат в реакция, катализирана от сукцинат дехидрогеназа. ФАД се редуцира до ФАДН2 в тази реакция.
Стъпка 7. Фумарат се превръща в малат в реакция, катализирана от ензима фумараза. Тази реакция изисква една водна молекула като реагент.
Стъпка 8. Малат се превръща в оксалоацетат в реакция, катализирана от малат дехидрогеназа. Тази реакция редуцира молекула НАД+ до НАДФ + H+.
Изображение на: модифицирано от "Окисляване на пируват и цикъл на лимонената киселина: Фигура 2" от Колеж ОупънСтакс, Биология, CC BY 3.0
Стъпка 5. В петата стъпка CoA на сукцинил CoA се замества с една фосфатна група, която после преминава към AДФ, за да създаде AТФ. В някои клетки ГДФ – гуанозин дифосфат – се използва вместо AДФ – образувайки ГТФ – гуанозин трифосфат – като продукт. Четиривъглеродната молекула, произведена в тази стъпка, се нарича сукцинат.
Стъпка 6. В стъпка 6 сукцинатът се окислява, образувайки друга четиривъглеродна молекула, наречена фумарат. В тази реакция два водородни атома – със своите електрони – преминават към ФАД, при което се получава ФАДН2. Ензимът, който катализира тази стъпка, е вграден във вътрешната мембрана на митохондрията, така че ФАДН2 може да прехвърли електроните си директно в електрон-транспортната верига.
Стъпка 7. В стъпка седем към молекулата с четири въглеродни атома фумарат се присъединява вода, превръщайки я в друга молекула с четири въглеродни атома, наречена малат.
Стъпка 8. В последната стъпка на цикъла на лимонената киселина, оксалоацетатът – началното четиривъглеродно съединение – се възстановява при окислението на малата. Друга молекула НАД+ се редуцира до НАДH в процеса.

Продукти на цикъла на лимонената киселина (цикъл на Кребс)

Нека направим стъпка назад и да направим някои сметки, проследявайки съдбата на въглеродните атоми, които навлизат в цикъла на лимонената киселина, и да преброим редуцираните електрон-носители – НАДH и ФАДH2 – и произведеното количество ATФ.
В един "кръг" на цикъла,
  • постъпват два въглеродни атома от ацетил CoA и се освобождават две молекули въглероден диоксид;
  • синтезират се три молекули НАДH и една молекула ФАДH2; и
  • синтезира се една молекула ATФ или ГТФ.
Тези резултати са за едно "завъртане" на цикъла, съответстващо на една молекула ацетил CoA. От всяка молекула глюкоза се получават две молекули ацетил CoA, така че трябва да умножим тези стойности по 2, за да изчислим добива от една молекула глюкоза.
Два въглеродни атома – от ацетил CoA – навлизат в цикъла на лимонената киселина при всяко "завътране" и се освобождават две молекули въглероден диоксид. Но молекулите въглероден диоксид всъщност не съдържат въглеродни атоми от ацетил CoA, който току-що е навлязъл в цикъла. Вместо това въглеродните атоми от ацетил CoA първоначално се включват в междинните продукти от цикъла и се освобождават като въглероден диоксид само по време на по-късните завъртания. След достатъчно кръгове всички въглеродни атоми от ацетиловата група на ацетил CoA ще бъдат освободени като въглероден диоксид.

Къде е цялото ATФ?

Може да си мислиш, че синтезът на ATФ в цикъла на лимонената киселина не изглежда особено впечатляващ. Цялата тази работа само за един AТФ или ГТФ?
Вярно е, че в цикъла на лимонената киселина не не се синтезира директно много ATФ. Но се синтезира голямо количество ATФ недиректно, докато се синтезира НАДH и ФАДH2. Тези електрон-носители ще се включат в последната част на клетъчното дишане, депозирайки своите електрони в електрон-транспортната верига, за да задвижат синтеза на АТФ молекули чрез окислително фосфорилиране.

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Вписване в профила
Все още няма публикации.
Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.