Клітинне дихання та цикл Кребса: Восем’я кроків до АТФ

Цикл, а не ланцюг – і це вся суть

Циклічний процес, також відомий як цикл Кребса або цикл TCA – названий на честь Ганса Кребса, який вивів його кроки в 1937 році, або цикл лимонної кислоти – відбувається в матриці мітохондрій і використовує ацетил-КоА, універсальний двовуглецевий енергетичний фрагмент, що утворюється при розщепленні глюкози, жирних кислот або амінокислот. Те, що робить його циклом, а не лінійним шляхом, полягає в тому, що перший крок цього циклу об'єднує ацетил-КоА з чотиривуглецевою молекулою оксалоацетат для утворення шестивуглецевого цитрату, а вісім кроків пізніше остання реакція циклу регенерує той самий оксалоацетат, готовий прийняти наступний ацетил-КоА. Чотиривуглецевий переносник ніколи не споживається – він безперервно повторно використовується з циклу в цикл, що пояснює, чому фіксована невелика кількість проміжних продуктів може обробляти практично необмежений потік надходжень палива.

Де йдуть вуглець, і де йде енергія

За повний оберт дві молекули ацетил-КоА, що увійшли, поки не виділяються як дві молекули CO2 — на етапах ізоцитрат дегідрогенази та альфа-кетоглутаратної дегідрогенази — є безпосереднім біохічним джерелом вуглекислого газу, який видихає клітина (і, в сукупності, цілий організм). Хімічна енергія, що вивільняється при розриві цих зв’язків, переважно не покидає у вигляді тепла; вона захоплюється за допомогою відновлення електрон-переносних кофакторів: три молекули NAD+ відновлюються до NADH, одна молекула FAD відновлюється до FADH2, а один етап під високошвидкісного фосфорилювання безпосередньо генерує один GTP (або ATP, у деяких тканинах). Прямий еквівалентний вихід ATP від циклу невеликий — електрон-переносники є головним вантажем.

// one turn of the citric acid cycle, net:
acetyl-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2 H2O
  → 2 CO2 + 3 NADH + FADH2 + GTP + CoA + 3 H+

// those NADH / FADH2 feed the electron transport chain (needs O2):
NADH  → ETC → ~2.5 ATP equivalents (via oxidative phosphorylation)
FADH2 → ETC → ~1.5 ATP equivalents
// this downstream step is where the large majority of usable ATP is actually made

Чому цикл не може працювати без кисню – хоча O2 у ньому ніколи не з'являється

Жоден крок циклу Кребса сам по собі не споживає кисень, що наводить на оману багатьох студентів, враховуючи тісну взаємозв’язок цього циклу з аеробним диханням. Залежність є непрямою, але абсолютною: три кроки циклу потребують окисне NAD+ (і один – FAD) як реагент, і єдиний спосіб переоксиметизувати ці кофактори в клітині, яка здійснює аеробний метаболізм, – це передати їм свої електрони до електронно-транспортної ланцюга, який у кінцевому підсумку потребує O2 як кінцевого приймача електронів на комплексі IV. Обріжте кисень, і електронно-транспортна ланцюг практично миттєво зупиняється; NADH та FADH2 більше не мають куди відвантажити свої електрони, тому весь пул NAD+ та FAD в клітині застрягає у зведеному стані, і цикл Кребса припиняє свою роботу через брак окисленого кофактора для реакції – не через брак палива, а через брак місця для віддачі електронів.

Центр, а не лише піч

Крім видобутку енергії, вісім проміжних продуктів циклу одночасно діють як резервуар для біосинтезу, що й пояснює, чому клітини підтримують його роботу навіть за помірної потреби в енергії. Цитрат може бути експортований до цитоплазми як початковий матеріал для синтезу жирних кислот; альфа-кетоглутарат і оксалоацетат є безпосередніми попередниками для амінокислот глутамінату та аспаратату. Сукциніл-кофермент живитиме синтез гему для гемоглобіну та цитохромів. Витягування проміжних продуктів для цих бічних реакцій – катаплеротичний процес – зрештою призведе до зупинки циклу, якщо резервуар не буде поповнюватися, тому клітини запускають компенсуючі анаплеротичні реакції (наприклад, піруватний карбоксілазу, яка безпосередньо перетворює піруват на оксалоацетат), щоб відновити те, що висмоктує біосинтез, підтримуючи приблизно постійну основну масу проміжних продуктів циклу, навіть коли він також діє як склад для зберігання сировини.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте the simulation і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.