19.7. Цикл Кребса

Определения и обозначения

Цикл Кребса — циклическая последовательность реакций окисления ацетил-КоА до углекислого газа с образованием восстановленных коферментов и энергии. Он является центральным этапом аэробного дыхания. Его значение — не столько в прямом синтезе АТФ, сколько в подготовке электронов для дыхательной цепи.

Ацетил-КоА — двухуглеродный фрагмент, соединённый с коферментом А. Именно он входит в цикл и передаёт в него ацетильную группу. Поэтому число оборотов цикла определяется количеством молекул ацетил-КоА.

Оксалоацетат — четырёхуглеродное соединение, которое принимает ацетильную группу в начале цикла. В конце последовательности оно снова образуется. Благодаря этому небольшое количество оксалоацетата может обеспечивать многократное протекание реакций.

Восстановленные коферменты — НАДН и ФАДН₂, способные переносить электроны и атомы водорода. Они образуются при окислении промежуточных веществ цикла. В дыхательной цепи их электроны используются для создания условий синтеза АТФ.

Как это устроено

В начале ацетил-КоА соединяется с оксалоацетатом, потому что двухуглеродная ацетильная группа должна включиться в удобную для дальнейших превращений молекулу. При конденсации образуется шестью углеродами цитрат. Такой переход объединяет фрагменты и создаёт соединение, которое можно постепенно окислять.

Цитрат сначала изомеризуется в изоцитрат, а затем подвергается последовательным окислительным реакциям. Сначала отщепляется CO₂ и образуется пятиуглеродный α-кетоглутарат, затем выделяется ещё один CO₂ и возникает четырёхуглеродный сукцинил-КоА. Углеродный скелет постепенно уменьшается, а энергия окисления запасается в коферментах.

НАДН и ФАДН₂ появляются потому, что при окислении промежуточных соединений от них отнимаются электроны и водород. НАД⁺ и ФАД принимают эти частицы и переходят в восстановленную форму. В дыхательной цепи коферменты возвращаются в исходное состояние, а энергия переноса электронов используется для синтеза АТФ.

Субстратное фосфорилирование происходит при превращении сукцинил-КоА в сукцинат. Энергия разрыва богатой энергией связи с коферментом А используется для присоединения фосфатной группы к GDP, поэтому образуется ГТФ, энергетически эквивалентный АТФ. Непосредственно в цикле возникает только одна такая макроэргическая связь, тогда как основной выход АТФ связан с дыхательной цепью.

Оксалоацетат не расходуется окончательно, потому что его функция — принять ацетильную группу и запустить превращения. После окисления малата он снова образуется из четырёхуглеродного промежуточного соединения. Регенерация оксалоацетата позволяет следующей молекуле ацетил-КоА войти в новый оборот.

Этапы цикла Кребса

В таблице указаны главные превращения, вещества на входе и выходе, а также энергетический результат каждой стадии. Знак «—» означает, что на этом этапе соответствующий продукт не образуется. Чтобы получить итог за один оборот, нужно сложить все выделившиеся молекулы CO₂, НАДН, ФАДН₂ и ГТФ.

Разбор задач

Задача 1

Определим выход продуктов за один оборот цикла при окислении одной молекулы ацетил-КоА. Для этого не нужно заново расписывать все реакции: достаточно собрать результаты соответствующих строк таблицы. Учтём только продукты цикла, а не последующую работу дыхательной цепи.

1. CO₂ образуется на двух стадиях окислительного декарбоксилирования: 1 + 1 = 2 молекулы.
2. НАДН образуется трижды: при окислении изоцитрата, α-кетоглутарата и малата.
3. ФАДН₂ образуется один раз при превращении сукцината в фумарат.
4. ГТФ образуется один раз при превращении сукцинил-КоА в сукцинат; по энергетическому эффекту 1 ГТФ принимают за 1 АТФ.

Ответ: за один оборот образуются 2 CO₂, 3 НАДН, 1 ФАДН₂ и 1 АТФ или ГТФ. Один оборот соответствует именно одной молекуле ацетил-КоА. Большая часть энергии пока находится в восстановленных коферментах.

Задача 2

Составим суммарное уравнение превращения ацетил-КоА. Для этого складываем реакции восьми стадий и сокращаем вещества, которые появляются как промежуточные продукты и затем расходуются. Оксалоацетат также сокращается, поскольку он участвует в начале и регенерируется в конце.

1. Слева оставляем ацетил-КоА, три НАД⁺, ФАД, GDP, неорганический фосфат и две молекулы воды.
2. Справа объединяем два CO₂, три НАДН, ФАДН₂, ГТФ и восстановленный кофермент А.
3. Протоны учитываем в восстановленных формах коферментов, поэтому итоговая запись имеет вид: ацетил-КоА + 3 НАД⁺ + ФАД + GDP + Pi + 2 H₂O → 2 CO₂ + 3 НАДН + 3 H⁺ + ФАДН₂ + ГТФ + CoA-SH.

Ответ: суммарное уравнение показывает не отдельные промежуточные реакции, а общий баланс веществ. В зависимости от принятого способа записи протоны и вода могут быть распределены иначе. Существенные результаты остаются одинаковыми: два CO₂, три НАДН, одна ФАДН₂ и одна ГТФ.

Задача 3

При полном окислении одной глюкозы образуются два пирувата, а затем два ацетил-КоА. Поэтому цикл Кребса проходит два оборота. Для полного энергетического баланса добавим продукты гликолиза и превращения пирувата в ацетил-КоА.

1. Два оборота цикла дают 4 CO₂, 6 НАДН, 2 ФАДН₂ и 2 ГТФ.
2. Гликолиз добавляет 2 НАДН и 2 АТФ, а окислительное превращение двух пируватов — ещё 2 НАДН и 2 CO₂.
3. Складываем одинаковые продукты: НАДН — 2 + 2 + 6 = 10, ФАДН₂ — 2, CO₂ — 2 + 4 = 6, прямой выход АТФ или её эквивалента — 2 + 2 = 4.

Ответ: на этапах гликолиза, превращения пирувата и двух оборотов цикла образуются 10 НАДН, 2 ФАДН₂, 6 CO₂ и 4 молекулы АТФ или ГТФ. Дополнительная АТФ синтезируется позже в дыхательной цепи за счёт НАДН и ФАДН₂. Поэтому прямой выход АТФ нельзя путать с общим энергетическим выходом дыхания.

Типичные ошибки

Считать, что цикл непосредственно образует основное количество АТФ. Ошибку допускают, смешивая субстратное фосфорилирование с работой дыхательной цепи. Проверьте себя: в таблице должен быть только один ГТФ или АТФ за оборот, а три НАДН и одна ФАДН₂ дают основной последующий энергетический вклад.

Считать один оборот циклом для одной глюкозы. Так происходит, если забыть, что глюкоза образует два пирувата и два ацетил-КоА. Проверка проста: число оборотов равно числу молекул ацетил-КоА, то есть для одной глюкозы равно двум.

Записывать оксалоацетат конечным продуктом. Его считают продуктом, потому что он появляется в последней реакции. Нужно проследить начало и конец: оксалоацетат расходуется при образовании цитрата, а затем регенерируется, поэтому не входит в чистый итоговый расход.

Путать НАДН и ФАДН₂. Оба кофермента переносят электроны, но возникают в разных реакциях и входят в дыхательную цепь на разных участках. Проверьте записи: НАДН образуется три раза, ФАДН₂ — один раз за оборот.

Связь с другими темами

Для понимания цикла нужны знания о НАД⁺ и ФАД, окислительно-восстановительных реакциях и превращении пирувата в ацетил-КоА. Далее цикл связывается с дыхательной цепью и окислительным фосфорилированием, где синтезируется основная часть АТФ. Его промежуточные вещества также связывают обмен углеводов, липидов и аминокислот.

Что запомнить

• За один оборот цикла окисляется один ацетил-КоА.
• Ацетильная группа полностью превращается в две молекулы CO₂.
• Оксалоацетат расходуется в начале, но восстанавливается в конце цикла.
• За один оборот образуются три НАДН, одна ФАДН₂ и одна молекула АТФ или ГТФ.
• НАДН и ФАДН₂ передают электроны в дыхательную цепь.
• Основная функция цикла — получение восстановленных коферментов и промежуточных метаболитов, а не прямой синтез большого количества АТФ.