Цикл Кребса — Основная функция, этапы, значение

Цикл Кребса (также известный как цикл трикарбоновых кислот или цикл лимонной кислоты) — это ключевой метаболический путь, который играет центральную роль в клеточном дыхании и энергетическом обмене. Он происходит в митохондриях эукариотических клеток и является основным источником энергии для большинства живых организмов. Цикл Кребса был открыт немецким биохимиком Хансом Кребсом в 1937 году, за что он получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1953 году.

Основная функция цикла Кребса

Цикл Кребса выполняет несколько важных функций:

1. Генерация энергии:
   • В процессе цикла образуются молекулы-переносчики энергии (NADH и FADH₂), которые затем используются в дыхательной цепи для синтеза АТФ (аденозинтрифосфата) — основной энергетической «валюты» клетки.
2. Синтез предшественников:
   • Цикл Кребса поставляет промежуточные продукты для синтеза аминокислот, жирных кислот, глюкозы и других важных молекул.
3. Окисление питательных веществ:
   • В цикле происходит окисление ацетил-КоА (производного от углеводов, жиров и белков) до углекислого газа (CO₂) с выделением энергии.

Этапы цикла Кребса

Цикл Кребса состоит из 8 основных этапов, каждый из которых катализируется специфическим ферментом. Вот краткое описание каждого этапа:

1. Образование цитрата:
   • Ацетил-КоА (2-углеродное соединение) соединяется с оксалоацетатом (4-углеродное соединение) с образованием цитрата (6-углеродное соединение). Катализируется ферментом цитратсинтазой.
2. Изомеризация цитрата в изоцитрат:
   • Цитрат превращается в изоцитрат через промежуточное соединение — цис-аконитат. Катализируется ферментом аконитазой.
3. Окисление изоцитрата до α-кетоглутарата:
   • Изоцитрат окисляется до α-кетоглутарата (5-углеродное соединение) с выделением CO₂ и образованием NADH. Катализируется ферментом изоцитратдегидрогеназой.
4. Окисление α-кетоглутарата до сукцинил-КоА:
   • α-Кетоглутарат окисляется до сукцинил-КоА с выделением CO₂ и образованием NADH. Катализируется ферментом α-кетоглутаратдегидрогеназой.
5. Превращение сукцинил-КоА в сукцинат:
   • Сукцинил-КоА превращается в сукцинат (4-углеродное соединение) с образованием GTP (аналог АТФ). Катализируется ферментом сукцинил-КоА-синтетазой.
6. Окисление сукцината до фумарата:
   • Сукцинат окисляется до фумарата с образованием FADH₂. Катализируется ферментом сукцинатдегидрогеназой.
7. Гидратация фумарата до малата:
   • Фумарат гидратируется до малата. Катализируется ферментом фумаразой.
8. Окисление малата до оксалоацетата:
   • Малат окисляется до оксалоацетата с образованием NADH. Катализируется ферментом малатдегидрогеназой.

Энергетический выход цикла Кребса

За один полный цикл Кребса:

• Образуется 3 молекулы NADH и 1 молекула FADH₂, которые затем используются в дыхательной цепи для синтеза АТФ.
• Образуется 1 молекула GTP (эквивалентна 1 молекуле АТФ).
• Выделяется 2 молекулы CO₂ (продукт окисления).

В дыхательной цепи NADH и FADH₂ генерируют:

• 1 NADH → ~2,5–3 АТФ.
• 1 FADH₂ → ~1,5–2 АТФ.

Таким образом, общий выход энергии от одного цикла Кребса составляет около 10–12 молекул АТФ.

Регуляция цикла Кребса

Цикл Кребса регулируется на нескольких уровнях:

1. Концентрация субстратов:
   • Доступность ацетил-КоА и оксалоацетата влияет на скорость цикла.
2. Аллостерическая регуляция:
   • Ферменты цикла регулируются концентрацией ATP, ADP, NADH и других молекул. Например, высокий уровень ATP ингибирует цикл, а высокий уровень ADP активирует его.
3. Гормональная регуляция:
   • Гормоны, такие как инсулин и глюкагон, влияют на активность ферментов цикла.

Значение цикла Кребса

1. Энергетическое:
   • Цикл Кребса — это основной источник энергии для клеток, особенно в аэробных условиях.
2. Анаболическое:
   • Промежуточные продукты цикла используются для синтеза аминокислот, нуклеотидов и других важных молекул.
3. Катаболическое:
   • Цикл завершает окисление углеводов, жиров и белков до CO₂ и воды.

Заключение

Цикл Кребса — это фундаментальный процесс, который связывает катаболизм (распад питательных веществ) с анаболизмом (синтез новых молекул) и обеспечивает клетку энергией. Его понимание важно для изучения биохимии, медицины и биологии в целом.