Что такое цикл Кребса
В 1937 г. Г. Кребс и Джонсон обнаружили, что взвеси (суспензии), полученные из мышечных волокон, значительно ускоряют окисление некоторых органических кислот (янтарной, фумаровой, яблочной, лимонной, изолимонной и других) или их солей, причем фермент сукцинатдегидрогеназа, катализирующий окисление янтарной кислоты в фумаровую, т. е. реакцию
СООН—СН2—СН2—СООН—СООН—СН=СН—СООН + 2Н,
отравляется (ингибируется) солями малоновой кислоты. На рисунке 29 отравляющее действие малоната обозначено как «малонатный блок». В дальнейшем неожиданно выяснилось, что в мышце, отравленной малонатом, все-таки происходит окисление солей фумаровой кислоты так, что получается сукцинат (соль янтарной кислоты). Это означает, что в клетках существует какой-то иной, круговой путь, ведущий от фумаровой кислоты к янтарной, но не связанный с преодолением «малонатного блока».
Рис. Цикл Кребса или цикл ди- и трикарбоновых кислот.
Обширные и тонкие исследования привели Г. Кребса к выводу, что определенные ди- и трикарбоновые кислоты совместно с системой ферментов образуют каталитический цикл. С помощью этого цикла природа извлекает энергию из процесса окисления веществ, получающихся из углеводов, жирных кислот и белков, превращая их в воду, оксид углерода (IV) и др. соединения и отщепляя водород. Атомы водорода в конечном счете соединяются с кислородом, а. энергия, соответствующая реакции окисления, запасается в молекулах аденозинтрифосфорной кислоты. Таким образом, цикл Кребса представляет собой составную часть того механизма, который обеспечивает клетке необходимый приток энергии. Круговую последовательность реакций Г. Кребс назвал циклом лимонной кислоты; в настоящее время ее называют циклом ди- и трикарбоновых кислот или циклом Кребса.
Функции цикла разнообразны и важны для поддержании почти всех процессов жизнедеятельности. Мы рассмотрим химическую сторону цикла.Кребса, обратив внимание па превращения, в которых исходным веществом является углевод — глюкоза.
В результате действия целого ряда ферментов глюкоза превращается в пировиноградную кислоту СН3СОСООН, которая окисляется в клетках до ацетилкофермента А так, что получается активное соединение СН3—СО—S-KoA.
Кофермент А подготавливает остаток уксусной кислоты— ацетил СН3СО — к дальнейшей переработке в цикле Кребса.
Так как кофермент А в конечном итоге регенерируется, то формально можно сказать, что результатом деятельности цикла является дегидрирование уксусной кислоты:
СН3СООН + 2Н20 — 2СО2 + 8Н
Проследим, что же происходит с ацетилкоферментом А.
Доказано, что при определенных условиях он может превращаться в жирные кислоты; реакция эта обратима, и, следовательно, жирные кислоты (а также и жиры после омыления) способны входить в цикл (см. левую верхнюю часть рис.). Если же ацетилкофермент А не израсходован на образование жирных кислот, то он реагирует со щавелевоуксусной кислотой и кофермент А при этом освобождается. Первая реакция цикл Кребса может схематически быть записана так:
Реакция катализируется ферментом цитрат-синтазой (название связано с функцией фермента — в результате реакции синтезируется лимонная кислота).
2. Лимонная кислота под влиянием фермента аконитазы превращается в изолимонную:
Фермент аконитаза, нуждающийся для проявления активности в ионах железа (II) и цистеине, обладает замечательными свойствами. В приведенной выше реакции он ускоряет превращение цис-формы аконитовой кислоты в лимонную и изолимонную и соответственно обратно (в равновесной смеси 91% приходится на лимонную, 6% на изолимонную и 3% на аконитовую кислоты при 25° С и рН 7,4). Характерно в этом эффекте то, что один и тот же катализатор катализирует две реакции: с одной стороны, отнимает в процессе дегидратации лимонной кислоты группу ОН у третичного атома углерода, а с другой — отщепляет группу ОН от вторичного атома углерода (дегидратация изолимонной кислоты).
Это возможно лишь при условии, что молекула субстрата соединяется с поверхностью фермента по крайней мере в трех его различных точках.
Так как в реакции принимает участие ион Fe2+, то было высказано предположение, что превращение лимонной кислоты в изолимонную происходит внутри комплекса, образуемого ионом железа Fe2+ с лимонной кислотой. Комплекс и связан
с белком фермента в трех точках: фермент отщепляет ион водорода от атома углерода (2), остаток приобретает отрицательный заряд и от него по этой причине легче отделяется ион ОН—, соединенный с углеродом (3).
Гидроксильный ион переходит к иону Fe2+. Затем следует поворот комплекса, изменение конформации молекулы и группа ОН— попадает к атому углерода (2), а ион водорода возвращается к атому углерода, но уже не к (2), а (3). Образуется изоцитрат; аконитат с этой точки зрения представляет собой промежуточное вещество, связанное с белком фермента
Превращение лимонной кислоты в изолимонную в комплексе с железом и ферментом: А — лимонная кислота; Б— изолимонная кислота; Е — белок фермента.
3. Далее следует реакция дегидрирования:
Эта реакция заключается в отщеплении водорода от изолимонной кислоты, причем водород переходит к активной группе — коферменту изоцитратдегидрогеназы. Активная группа представляет собой уже известный нам НАД+ (никотинамидадениндинуклеотид) или НАДФ+ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат). Фермент активируется ионами Мn2+.
4. Из щавелевоянтарной кислоты образуется α-кетоглутаровая кислота:
Реакция превращения щавелевоянтарной кислоты в кетоглутаровую является процессом декарбоксилирования, т. е. удаления СО2 за счет расщепления группы СООН. Процесс катализируется тем же ферментом, что и предыдущая реакция с участием НАДФ+ и ионов Мn2+.
5. Кетоглутаровая кислота, теряя водород и оксид углерода (IV), превращается в сукцинил-КоА:
В этой сложной реакции участвует кофермент НАД+ и KoA-SH; реакция протекает через промежуточные стадии, для которых необходимы ФАД, липоевая кислота и тиаминпирофосфат.
6. Производное кофермента А вступает в реакцию с гуанозиндифосфатом и фосфатом (обозначены ГДФ + Ф), в результате чего вновь получается KoA-SH и синтезируется гуанозинтрифосфат (ГТФ):
Реакция ускоряется ферментом сукцинилтиокиназой. Получившийся в результате ГТФ реагирует далее с АДФ, отдавая ей фосфатный остаток:
ГТФ + АДФ—ГДФ + АТФ.
Поэтому в конечном счете энергия, доставляемая этим процессом, накапливается в молекулах АТФ.
7. Янтарная кислота окисляется в фумаровую, отщепляя водород под действием фермента, о котором мы упоминали в начале описания цикла Кребса, именно сукцинатдегидрогеназы:
8. Фумаровая кислота гидратируется, т. е. присоединяет воду и превращается в яблочную кислоту (или ее соли — малаты). Реакция катализируется ферментом фумаразой и легко обратима.
Фумараза действует так, что присоединение ионов Н+ и ОН—происходит по разные стороны двойной связи фумаровой кислоты:
9. Завершающая стадия цикла Кребса заключается в окислении малата в соль щавелевоуксусной кислоты (в оксалоацетат).
Катализатором является фермент малатдегидрогеназа, имеющая в качестве кофермента НАД+. Процесс окисления, т. е. передачи водорода от малата НАД+, сопровождается поглощением энергии. Сдвиг равновесия вправо объясняется быстрым удалением продуктов реакции:
На этом цикл заканчивается. Два атома углерода, вошедшие в него в форме СН3—СО, в ходе реакций выделяются в виде СО2. Изотопные методы позволили обнаружить, что оксид углерода (IV) СО2 содержит не те атомы углерода, которые содержались в остатке СН3СО, а другие, так что в цикле совершается постоянный обмен атомов углерода между кислотами и входящими в цикл веществами.
Восемь атомов водорода, образующиеся в процессах дегидрирования, присоединяются к коферментам (шесть —к НАД+ и два к ФАД). В дальнейшем атомы водорода отдадут свои электроны в цепь переносчиков (цитохромов), а сами уже в форме ионов Н+ присоединятся к попам кислорода.
Таковы сложные пути процесса окисления уксусной кислоты, который мы в начале этого раздела выразили балансовым уравнением:
СН3СООН + 2Н2О→2СО2 + 8Н.
В конечном счете водород с кислородом, которым дышат организмы, дает воду 8Н + 2О2→4Н2О. Это уравнение тоже балансовое и фактически соединение ионов водорода и кислорода является сложным процессом, катализируемым специальным ферментом.
Рассмотрим итоги цикла. Два электрона (два атома водорода) были получены уже в процессе предварительной подготовки пировиноградной кислоты — ее превращении в ацетил-КоА, после этого в самом цикле по два электрона получались при окислении изолимонной кислоты — «на уровне» изоцитрата, на уровне кетоглутаровой кислоты (кетоглутарата) и на уровнях янтарной и яблочной кислот (сукцинат и малат) Всего получается 10 электронов.
К этому надо добавить, что пировиноградная кислота получается из глюкозы, проходит стадию молочной кислоты, т. е. окисление идет в такой последовательности:
глюкоза — молочная кислота — пировиноградная кислота
и на стадии превращения молочной кислоты в пировиноградную также отщепляются два атома водорода:
СН3СН (ОН) СООН — СН3СОСООН + 2Н.
Всего таким образом в систему НАДФ—ФП — цитохромы от одной молекулы молочной кислоты попадает 12 электронов.
В цикле Кребса есть некоторая особенность: электроны, отщепляемые на уровне сукцината, попадают не к НАД, а, несколько обгоняя остальные, прямо к флавопротеидам. Но на
переходе от НАД к ФП совершается окислительное фосфорилирование — именно там на каждую прошедшую пару электронов образуется одна молекула АТФ. Следовательно, пара электронов, попавшая из цикла непосредственно к ФП, образует уже не три молекулы АТФ, как все остальные пары, а только две.
Но в самом цикле, именно на уровне кетоглутарата, часть выделившейся энергии идет на образование одной молекулы АТФ из неорганического фосфата и АДФ, поэтому в общем итоге из 6 пар электронов, прошедших по цепи, возникает 18 молекул АТФ, заряженных энергией из одной молекулы молочной кислоты. Но ведь молекула глюкозы содержит шесть атомов углерода, и из нее образуется две молекулы молочной кислоты и соответственно две молекулы пировиноградной кислоты. Поэтому молекула глюкозы должна дать при полном окислении 36 молекул АТФ, вобравших в себя энергию, заключенную в системе глюкоза и кислород или, точнее, разность энергий между этой системой и системой вода и оксид углерода (IV).
Запасы органических кислот цикла Кребса пополняются за счет так называемых «возмещающих» реакций. К ним относится взаимодействие пировиноградной кислоты с оксидом углерода (IV), катализируемое пируваткарбоксилазой и приводящее к накоплению щавелевоуксусной кислоты. Реакция поддерживается аденозинтрифосфорной кислотой и требует каталитического участия ионов магния:
СН3СО—СООН + СО2 — СООН—СО—СН2—СООН.
На рисунке 29 этот процесс показан слева. Фермент, катализирующий поглощение оксида углерода (IV) пируватом, содержит в своем составе биотип — один из жизненно важных витаминов. Яблочная и щавелевоуксусная кислота получаются так же и путем декарбоксилирования фосфенолпировиноградной кислоты; на деталях этого процесса мы не будем останавливаться.
Рассмотрим теперь вопрос об отношении процессов усвоения белков к циклу Кребса.
Молекула белка прежде всего атакуется протеолитическими ферментами. Они разрывают пептидные связи и к освободившимся валентностям присоединяются водород и гидроксил, т. е. происходит гидролиз. В результате молекула белка распадается на аминокислоты:
—R—NН—СО—R‘—+Н2О → —R—NH2 + R‘—СООН.
После этого аминокислоты теряют азот, отщепляя его в виде аминогруппы. Потеря аминогруппы — только часть сложного процесса, имеющего общее название трансаминирования. Это значит, что аминогруппа данной аминокислоты вообще куда-то перемещается: может быть, на другую молекулу, может быть, удаляется в форме иона аммония (или аммиака). Процессы переноса аминогрупп были детально изучены акад. А. И. Браунштейном и его школой. Процесс переноса аминогруппы иногда сопровождается окислением (окислительное дезаминирование). Важную роль в этих реакциях играют ферменты, содержащие сложную активную группу (пиридоксальфосфат), в состав которой входит группа СНО.
С аминокислотами фермент образует связь (получается «шиффово основание») за счет реакции аминогруппы с группой СНО:
Смотря по тому, какой белок содержит данный фермент, шиффово основание может превратиться в те или иные конечные продукты. Так, например, под влиянием пиридоксальфосфата происходит перенос аминогруппы от глутаминовой кислоты на щавелевоуксусную и вместо исходной аминокислоты получаем кетоглутаровую кислоту СООН(СН2)2—СО—СООН.
Кетоглутаровая кислота участвует в цикле Кребса, и глутаминовая кислота из белка может включиться в цикл трикарбоновых кислот. Тот же фермент катализирует и обратную реакцию, так что из аспарагиновой кислоты может получиться щавелевоуксусная (тоже участвует и цикле Кребса, см. рис. в верху).
Примером окислительного дезаминирования может служить реакция, ускоряемая ферментами типа оксидаз аминокислот:
В клетках этот процесс превращения аминокислоты в простую карбоновую заканчивается реакцией разложения пероксида водорода под влиянием фермента. Аминокислоты, участвующие в процессах переноса (трансаминирования) и удаления аминогрупп (дезаминирование), в реакциях декарбоксилирования и рацемизации, являются одними из самых деятельных компонентов всех химических систем клетки.
Укажем некоторые наиболее типичные пути синтеза аминокислот.
Так, аспарагиновая кислота (ее соли — аспартаты) получается из щавелевоуксусной (ее соли оксалоацетаты) и какой-либо аминокислоты:
ССОН—СН2—СО—СООН + аминокислота → СООН— СН2—СН(NН2)СООН + кетокислота.
Из аспартатов в клетках образуются другие аминокислоты: треонин, метионин, лизин, а также амид-аспарагин.
Серии получается из 3-фосфо-D-глицериновой кислоты при участии НАД, фермента, переносящего аминогруппу (трансаминаза) и фермента фосфатазы.
Под влиянием фермента сериноксиметилазы серии образует глицин.
Одним из путей образования цистеина является реакция действия сероводорода на серии.
Помимо образования одной аминокислоты из другой, следует учитывать и возможности синтеза аминокислот за счет прямой ассимиляции аммиака. Так, из α-кетоглутарата и аммиака (иона аммония) получается глутамат. Реакция катализируется ферментом глутаматдегидрогеназой.
Ограничимся этими примерами и подведем краткий итог тому, что мы узнали о реакциях обмена веществ.
Важнейшие звенья этого комплекса реакций известны, поэтому почти вся схема будет понятна читателю. Исключение составляет только одно звено (крайнее левое), в котором из аспартата через ряд фосфорных производных углеводов образуются в конце концов аминокислоты фенилаланин, тирозин и триптофан; на одном из этапов этого же процесса получаются вещества, необходимые для синтеза гистидина, а также пиримидинов и пуринов. Мы, однако, не будем вдаваться в детали этого звена, а обратим внимание на всю картину в целом.
Прямоугольник (I) представляет реакции процесса гликолиза. Круг (II)—это цикл Кребса, справа от него (III)—дыхательная цепь, выше и справа — синтез жиров и фосфолипидов, идущих на образование клеточных мембран. Сплошные линии показывают пути синтеза аминокислот. Как видно, аминокислоты получаются из пировиноградной кислоты (пируват), из оксалоацетата и α-кетоглутарата; фосфоглицериновая кислота (I) и фосфопируват (I) являются исходными веществами в синтезе аминокислот серина, цистеина, глицина, метионина. Через аспартат и оротовую кислоту
синтезируются гистидин, фенилаланин, тирозин и триптофан.
Наиболее важные, узловые аминокислоты названы на схеме полностью (глицин, глутамат, аспартат, треонин, метионии), остальные обозначены сокращенными названиями. Гликолиз (I) связан с циклом Кребса (II) через ацетил-КоА. Оба эти звена питают всю цепь синтеза аминокислот. Линии между I и V указывают пути синтеза нуклеиновых кислот. Эти кислоты получаются из пуринов и пиримидинов, в свою очередь связанных с аспартатом и глицином. Глицин и аминолевулиновая кислота — сырье для синтеза важнейшего компонента дыхательной цепи — гема, на основе которого получаются цитохомы и активные группы различных окислительно-восстановительных ферментов.
Схема наглядно иллюстрирует исключительную роль аминокислот как при синтезе нуклеиновых кислот, так и в образовании ферментов дыхательной цепи. Вспомним, что именно дыхательная цепь и доставляет большую часть энергии, необходимой для синтезов, в форме энергии связей АТФ. Линии (III) и показывают путь синтеза АТФ из АДФ и Ф в результате работы дыхательной цепи и отчасти развития процесса гликолиза (I). Ацетил-КоА, как известно, выполняет работу по синтезу жирных кислот и жиров. Линии I и IV показывают (упрощенно) путь синтеза жиров и липидов.
Избыток глюкозы клетки могут превращать в гликоген (верхняя линия). Гликолен способен принимать участие (через образование фосфоглюкуроновой кислоты) в синтезе рибулозофосфата, отмеченного кружком (прямоугольник IV) и являющегося звеном в синтезе аминокислот (через шикимовую и фосфошикимовую кислоты). На схеме не указаны за недостатком места аммиак, требующийся в процессах аминирования, ионы железа, входящие в состав гема, и другие низкомолекулярные вещества.
Статья на тему Цикл Кребса