Этапы энергетического обмена: подготовительный этап, гликолиз и цикл Кребса

В июне 1937 года 36-летний биохимик Ханс Кребс, бежавший из нацистской Германии и работавший в Шеффилде, отправил в журнал «Nature» короткое сообщение. В нём он описал цикл реакций, в котором остатки уксусной кислоты окисляются до углекислого газа, а щавелевоуксусная кислота, соединяясь с ними, превращается в лимонную и затем снова восстанавливается после круга превращений. Через неделю пришёл ответ: редактор благодарил, но сообщал, что журнал уже получил достаточно писем для публикации на ближайшие недели, и советовал отправить статью в другое место. Кребс опубликовал работу в небольшом голландском журнале «Enzymologia» [1]. Через шестнадцать лет за открытие цикла, который сегодня называют его именем, он получил Нобелевскую премию, а история с отказом стала одной из самых известных в науке [2].

Это девятая статья серии об обмене веществ и энергии в клетке (начало — «Обмен веществ клетки»). В ней подробно разобраны первые этапы энергетического обмена у аэробных организмов: подготовительный этап, гликолиз — бескислородное расщепление глюкозы, — окисление пировиноградной кислоты и цикл Кребса. О дыхательной цепи, синтезе АТФ в митохондриях и эффективности энергетического обмена — в следующей, заключительной статье.

• 1. Этапы энергетического обмена
• 2. Подготовительный этап
• 3. Гликолиз: бескислородное расщепление глюкозы
• 4. Как изучали гликолиз
• 5. Две половины гликолиза: вложение и отдача
• 6. Как регулируется гликолиз
• 7. Гликоген — запас для гликолиза
• 8. Гликолиз — древнейший путь обмена
• 9. Пентозофосфатный путь — вторая дорога глюкозы
• 10. Судьба пировиноградной кислоты
• 11. Митохондрия — место кислородного этапа
• 12. Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты
• 13. Как открыли цикл Кребса
• 14. Цикл Кребса: восемь шагов
• 15. Как регулируется цикл Кребса
• 16. Почему именно цикл
• 17. Откуда углекислый газ, который мы выдыхаем
• 18. Баланс: что даёт каждая стадия
• 19. Как окисляются жиры
• 20. Как окисляются белки
• 21. Кетоновые тела: топливо при голодании
• 22. Глиоксилатный цикл: как семя превращает жир в сахар
• 23. Гликолиз в разных клетках
• 24. Гликолиз наоборот: глюконеогенез и цикл Кори
• 25. Энергетический обмен у разных организмов
• 26. Гликолиз, цикл Кребса и спорт
• 27. Витамины, без которых не работают этапы обмена
• 28. Вещества цикла Кребса на нашем столе
• 29. Как гликолиз помогает находить опухоли
• 30. Яды и болезни этапов энергетического обмена
• 31. Этапы энергетического обмена в цифрах
• 32. Частые ошибки
• 33. Интересные факты
• 34. Частые вопросы
• 35. ЕГЭ
• 36. Для олимпиад
• 37. Задания с разбором
• Литература

1. Этапы энергетического обмена

У аэробных организмов энергетический обмен — расщепление органических веществ с запасанием энергии в АТФ — делят на три этапа [3, 4].

1. Подготовительный этап. Сложные органические вещества (полисахариды, белки, жиры, нуклеиновые кислоты) расщепляются до мономеров: глюкозы, аминокислот, глицерина и жирных кислот, нуклеотидов. Идёт в пищеварительном тракте и в лизосомах. АТФ не образуется: выделяющаяся энергия рассеивается в виде теплоты.
2. Бескислородный этап (гликолиз). Глюкоза расщепляется до двух молекул пировиноградной кислоты. Идёт в цитоплазме без участия кислорода. Образуются 2 молекулы АТФ и 2 молекулы НАД·Н.
3. Кислородный этап (клеточное дыхание). Пировиноградная кислота в митохондриях окисляется до углекислого газа и воды. Включает окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты, цикл Кребса и дыхательную цепь с окислительным фосфорилированием. Образуются 36 молекул АТФ (в школьном счёте).

Суммарно при полном окислении одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ (по современным оценкам — около 30–32):

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 38АДФ + 38H₃PO₄ → 6CO₂ + 44H₂O + 38АТФ

Это уравнение — школьная запись итога; на самом деле процесс состоит из нескольких десятков реакций, каждую из которых ускоряет свой фермент. Разделение на этапы удобно не только для запоминания: каждый этап идёт в своём месте, при своих условиях и даёт разный вклад в энергию.

2. Подготовительный этап

На подготовительном этапе крупные молекулы пищи и запасных веществ превращаются в мономеры, которые могут проникнуть в клетки и вступить в дальнейшие реакции. У человека и животных он идёт в основном в пищеварительном тракте под действием гидролаз, выделяемых слюнными железами, желудком, поджелудочной железой и клетками тонкой кишки (подробнее о пищеварительных ферментах — в статье «Ферменты»).

• Крахмал и гликоген → мальтоза → глюкоза (амилазы, мальтаза).
• Белки → пептиды → аминокислоты (пепсин, трипсин, пептидазы).
• Жиры → глицерин и жирные кислоты (липазы, при участии желчи).
• Нуклеиновые кислоты → нуклеотиды (нуклеазы).

Внутри клеток подготовительный этап идёт в лизосомах, где расщепляются поглощённые частицы и отслужившие части клетки, а также в цитоплазме — при расщеплении собственных запасов. Запасной гликоген в печени и мышцах расщепляется особым способом: фермент фосфорилаза отщепляет остатки глюкозы не водой, а фосфорной кислотой, сразу образуя глюкозо-1-фосфат. Это экономит одну молекулу АТФ, которую иначе пришлось бы потратить на фосфорилирование глюкозы в начале гликолиза.

Энергия, выделяющаяся при гидролизе полимеров, невелика — около 1 % энергии, заключённой в веществе, — и вся рассеивается в виде теплоты. Значение подготовительного этапа не в энергии, а в том, что он превращает огромное разнообразие пищевых веществ в небольшой набор мономеров, с которыми работают следующие этапы.

3. Гликолиз: бескислородное расщепление глюкозы

Гликолиз (от греческого glykys — сладкий, lysis — расщепление) — ферментативное расщепление глюкозы до двух молекул пировиноградной кислоты без участия кислорода. Он идёт в цитоплазме (цитозоле) всех клеток — бактерий, грибов, растений, животных — и состоит из десяти реакций, каждую из которых катализирует свой фермент [5].

Путь гликолиза расшифровали в 1920–1930-х годах (подробнее — в следующем разделе), и по именам главных исследователей его называют также путём Эмбдена — Мейергофа — Парнаса. Мейергоф начинал с изучения мышц: он показал, что при сокращении мышцы без кислорода гликоген превращается в молочную кислоту, а при доступе кислорода часть молочной кислоты окисляется, и это даёт энергию для превращения остальной её части обратно в гликоген. За эти работы он ещё в 1922 году получил Нобелевскую премию [6]. Затем лаборатория Мейергофа шаг за шагом выделила все ферменты гликолиза и промежуточные вещества — это был первый полностью расшифрованный метаболический путь.

Суммарное уравнение гликолиза:

C₆H₁₂O₆ + 2НАД⁺ + 2АДФ + 2H₃PO₄ → 2C₃H₄O₃ + 2НАД·Н + 2H⁺ + 2АТФ + 2H₂O

В школьных учебниках гликолиз иногда записывают проще: глюкоза → 2 молекулы пировиноградной кислоты (C₃H₄O₃) + 4 атома водорода, которые захватывают переносчики НАД⁺, + 2 АТФ. При гликолизе выделяется около 200 кДж на моль глюкозы, из них в 2 АТФ запасается около 80 кДж (при 40 кДж на макроэргическую связь), остальное рассеивается в виде теплоты.

4. Как изучали гликолиз

Расшифровка гликолиза заняла почти сорок лет и началась с бесклеточного дрожжевого сока Эдуарда Бухнера (1897). В 1905–1906 годах Артур Харден и Уильям Янг заметили, что брожение в соке быстро замедляется, но снова ускоряется, если добавить неорганический фосфат, — и что фосфат при этом исчезает, превращаясь в органические соединения — фосфорные эфиры сахаров. Так выяснилось, что сахар в ходе брожения фосфорилируется. Они же обнаружили, что для работы сока нужна небольшая термоустойчивая молекула — «кофермент», который позже оказался НАД.

Затем в 1920–1930-х годах лаборатории Густава Эмбдена во Франкфурте, Отто Мейергофа в Берлине и Гейдельберге и Якуба Парнаса во Львове шаг за шагом нашли все промежуточные вещества. Важный приём — ингибиторы: добавляя к мышечной вытяжке фторид или йодацетат, учёные останавливали путь на определённой стадии и смотрели, какое вещество накапливается. Парнас открыл, что гликоген расщепляется не водой, а фосфорной кислотой (фосфоролиз). Отто Варбург получил в кристаллическом виде несколько ферментов гликолиза и выяснил, как НАД участвует в окислении глицеральдегид-3-фосфата. К концу 1930-х годов схема гликолиза была полностью собрана — это был первый расшифрованный путь обмена веществ, и на нём учились все следующие поколения биохимиков.

История эта драматична: Мейергоф и Парнас были евреями. Мейергоф в 1938 году бежал из Германии, через Францию и Испанию добрался до США. Парнас, работавший во Львове, после присоединения города к СССР в 1939 году продолжал исследования, стал академиком АН СССР, но в 1949 году, в разгар борьбы с «космополитами», был арестован и через несколько дней погиб в заключении.

5. Две половины гликолиза: вложение и отдача

Десять реакций гликолиза удобно разделить на две половины.

Подготовительная половина (вложение энергии). Клетка сначала тратит 2 молекулы АТФ, чтобы «активировать» глюкозу.

1. Глюкоза фосфорилируется за счёт АТФ до глюкозо-6-фосфата (фермент гексокиназа). Фосфат делает молекулу заряженной, и она уже не может выйти из клетки через мембрану.
2. Глюкозо-6-фосфат превращается в изомер — фруктозо-6-фосфат.
3. Фруктозо-6-фосфат фосфорилируется вторым АТФ до фруктозо-1,6-бисфосфата (фермент фосфофруктокиназа — главный регулятор гликолиза).
4. Шестиуглеродный фруктозо-1,6-бисфосфат расщепляется на две трёхуглеродные молекулы.
5. Одна из них превращается в другую, и в итоге получаются две одинаковые молекулы глицеральдегид-3-фосфата.

Половина отдачи (получение энергии). Каждая из двух трёхуглеродных молекул проходит пять реакций.

6. Глицеральдегид-3-фосфат окисляется: от него отнимаются два электрона и протон, которые принимает НАД⁺, превращаясь в НАД·Н. Одновременно присоединяется неорганический фосфат — образуется 1,3-бисфосфоглицерат с богатой энергией фосфатной группой. Это единственная окислительная реакция гликолиза.
7. Богатый энергией фосфат передаётся на АДФ — образуются АТФ и 3-фосфоглицерат (первое субстратное фосфорилирование).
8. Фосфатная группа перемещается внутри молекулы: 3-фосфоглицерат превращается в 2-фосфоглицерат.
9. От 2-фосфоглицерата отщепляется вода, и образуется фосфоенолпировиноградная кислота — соединение с самым высоким потенциалом переноса фосфата в клетке.
10. Фосфат фосфоенолпировиноградной кислоты передаётся на АДФ — образуется вторая АТФ и пировиноградная кислота (фермент пируваткиназа).

Подсчитаем итог на одну молекулу глюкозы: в первой половине потрачено 2 АТФ; во второй — образовано 2 × 2 = 4 АТФ и 2 НАД·Н. Чистый выход — 2 АТФ и 2 НАД·Н. Обе молекулы АТФ образуются путём субстратного фосфорилирования — прямого переноса фосфата с органической молекулы на АДФ, без мембран и без кислорода.

6. Как регулируется гликолиз

Клетка не расщепляет глюкозу впустую: скорость гликолиза подстраивается под потребность в энергии. Главный «кран» — фермент фосфофруктокиназа, катализирующий третью реакцию. Это аллостерический фермент: высокая концентрация АТФ и лимонной кислоты (признак того, что энергии и продуктов цикла Кребса достаточно) тормозит его, а рост концентрации АМФ и АДФ (признак нехватки энергии) — активирует. Поэтому, когда мышца начинает работать и АТФ расходуется, гликолиз ускоряется в сотни раз за секунды (подробнее об аллостерической регуляции — в статье «Скорость ферментативных реакций»).

Регулируются и другие ключевые ферменты: гексокиназу тормозит её собственный продукт — глюкозо-6-фосфат, пируваткиназу — АТФ. В печени работу гликолиза дополнительно регулируют гормоны: инсулин после еды усиливает гликолиз и синтез жиров, глюкагон при голодании тормозит гликолиз и включает обратный процесс — синтез глюкозы.

7. Гликоген — запас для гликолиза

Глюкоза для гликолиза поступает не только из крови, но и из запасного гликогена. В печени и мышцах фермент гликогенфосфорилаза отщепляет от ветвей гликогена остатки глюкозы с помощью фосфорной кислоты, образуя глюкозо-1-фосфат, который превращается в глюкозо-6-фосфат и сразу вступает в гликолиз. Такое расщепление экономнее гидролиза: не нужно тратить АТФ на первое фосфорилирование.

Печень и мышцы используют гликоген по-разному. В печени есть фермент, отщепляющий фосфат от глюкозо-6-фосфата, и печень выпускает свободную глюкозу в кровь для всего организма. В мышцах такого фермента нет: глюкозо-6-фосфат не может выйти из клетки и расходуется только самой мышцей — на гликолиз во время работы.

8. Гликолиз — древнейший путь обмена

Гликолиз есть почти у всех живых организмов, от бактерий до человека, и его ферменты у самых разных организмов удивительно похожи. Он идёт в цитоплазме, не требует ни кислорода, ни мембран, ни сложных органоидов. Всё это указывает на его глубокую древность: гликолиз, вероятно, сложился у общих предков современных организмов задолго до того, как в атмосфере появился кислород. Митохондрии, захваченные предками эукариот, позднее «надстроили» над ним гораздо более выгодный кислородный этап.

Гликолиз — не только путь получения энергии. Его промежуточные продукты служат исходными веществами для синтеза: из глюкозо-6-фосфата образуются пентозы для нуклеотидов (в пентозофосфатном пути, дающем ещё и НАДФ·Н), из промежуточных трёхуглеродных веществ — глицерин для жиров и некоторые аминокислоты. Это пример того, как диссимиляция и ассимиляция связаны общими промежуточными веществами.

9. Пентозофосфатный путь — вторая дорога глюкозы

Не вся глюкоза идёт по гликолизу. Часть глюкозо-6-фосфата окисляется в цитоплазме другим путём — пентозофосфатным. Его главная задача не получить АТФ, а дать клетке два вещества для синтеза: восстановленный переносчик НАДФ·Н (для синтеза жирных кислот, холестерина, для защиты от активных форм кислорода) и пятиуглеродный сахар рибозо-5-фосфат (для синтеза нуклеотидов, РНК и ДНК). Поэтому пентозофосфатный путь особенно активен в печени, жировой ткани, надпочечниках, молочной железе при лактации и в быстро делящихся клетках.

Первый фермент этого пути — глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа. Её наследственная недостаточность — самая распространённая в мире ферментопатия, ею страдают сотни миллионов людей, особенно в районах, где была распространена малярия. В эритроцитах этот путь — единственный источник НАДФ·Н, нужного для защиты от окислителей. Поэтому у людей с недостаточностью фермента после приёма некоторых лекарств или бобов эритроциты массово разрушаются (подробнее — в статье «Ферменты»).

10. Судьба пировиноградной кислоты

Пировиноградная кислота — перекрёсток обмена веществ. Её дальнейшая судьба зависит от наличия кислорода и от типа клетки.

• Без кислорода пировиноградная кислота восстанавливается за счёт НАД·Н гликолиза до молочной кислоты (молочнокислое брожение у бактерий, в мышцах, эритроцитах) или превращается в этанол и CO₂ (спиртовое брожение у дрожжей). Это нужно, чтобы вернуть НАД⁺ и продолжить гликолиз (подробнее — в статье «Анаэробы и брожение»).
• При наличии кислорода пировиноградная кислота переносится в матрикс митохондрий особым белком-переносчиком внутренней мембраны и окисляется там полностью. НАД·Н гликолиза при этом передаёт электроны в дыхательную цепь через особые «челноки» — вещества, переносящие восстановительную силу через внутреннюю мембрану митохондрий, которая для самого НАД·Н непроницаема.

11. Митохондрия — место кислородного этапа

Кислородный этап идёт в митохондриях — двумембранных органоидах размером обычно 0,5–1 мкм в толщину и до нескольких микрометров в длину. Наружная мембрана гладкая и проницаема для небольших молекул. Внутренняя мембрана образует многочисленные складки — кристы, на которых расположены ферменты дыхательной цепи и АТФ-синтаза. Внутреннее пространство — матрикс — содержит ферменты окисления пирувата, цикла Кребса и β-окисления жирных кислот, а также собственную кольцевую ДНК и рибосомы бактериального типа (подробнее — в статье «Митохондрии и пластиды»).

Число митохондрий в клетке зависит от её потребности в энергии: в клетке печени их около тысячи-двух, в клетке сердечной мышцы они занимают около трети объёма, в сперматозоиде несколько десятков митохондрий спирально обвивают основание жгутика, а у эритроцитов их нет вовсе. Чем интенсивнее работает клетка, тем больше в ней митохондрий и тем гуще у них кристы. Так строение органоида отражает его функцию: этапы энергетического обмена «разложены» по отсекам — гликолиз в цитоплазме, цикл Кребса в матриксе, дыхательная цепь на кристах.

12. Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты

В матриксе митохондрий пировиноградная кислота встречает пируватдегидрогеназный комплекс — огромную молекулярную машину из трёх ферментов, многократно повторённых, и пяти коферментов. Комплекс проводит сразу три превращения: отщепляет от пировиноградной кислоты молекулу CO₂ (декарбоксилирование), окисляет оставшийся двухуглеродный фрагмент, передавая электроны на НАД⁺, и присоединяет этот фрагмент — ацетильную группу — к коферменту А:

пировиноградная кислота + НАД⁺ + КоА → ацетил-КоА + CO₂ + НАД·Н

Для работы комплекса нужны пять коферментов, четыре из которых образуются из витаминов: тиаминпирофосфат (витамин B₁), ФАД (B₂), НАД (PP), кофермент А (B₅), а также липоевая кислота. Поэтому при нехватке витамина B₁ окисление пирувата нарушается, пировиноградная и молочная кислоты накапливаются в крови, и страдают прежде всего нервная система и сердце — так развивается болезнь бери-бери. Мышьяк ядовит во многом потому, что связывается с липоевой кислотой этого комплекса и выключает его.

На одну молекулу глюкозы (две молекулы пирувата) на этой стадии образуются 2 ацетил-КоА, 2 CO₂ и 2 НАД·Н. Именно здесь выделяется первый углекислый газ кислородного этапа. Эта реакция необратима: из ацетил-КоА животная клетка уже не может синтезировать глюкозу. Поэтому жиры, которые расщепляются до ацетил-КоА, у животных не превращаются в углеводы.

13. Как открыли цикл Кребса

К середине 1930-х годов было известно несколько разрозненных фактов. Венгерский биохимик Альберт Сент-Дьёрдьи обнаружил, что добавление небольшого количества янтарной, фумаровой, яблочной или щавелевоуксусной кислоты к измельчённой мышце голубя резко и надолго усиливает поглощение кислорода — гораздо больше, чем нужно для окисления самих этих кислот. Получалось, что они работают как катализаторы. Немецкие биохимики Карл Мартиус и Франц Кнооп установили, что лимонная кислота превращается в α-кетоглутаровую, а та — в янтарную.

Кребс сложил эти факты в одну схему. Работая с той же грудной мышцей голубя — одной из самых активно дышащих тканей, — он вместе с аспирантом Уильямом Джонсоном показал, что щавелевоуксусная кислота, соединяясь с неизвестным двухуглеродным веществом из пирувата, образует лимонную кислоту, а та через цепочку превращений снова даёт щавелевоуксусную. Круг замыкается, и на каждом обороте окисляется одна двухуглеродная группа. Этим объяснялось, почему небольшие добавки кислот цикла так сильно ускоряли дыхание: они не расходовались, а постоянно восстанавливались [2]. Что это за двухуглеродное вещество, выяснилось лишь в начале 1950-х годов, когда Фриц Липман открыл кофермент А и ацетил-КоА. В 1953 году Кребс и Липман разделили Нобелевскую премию.

Цикл называют по-разному: циклом Кребса, циклом лимонной кислоты (по первому образующемуся в нём веществу) или циклом трикарбоновых кислот (лимонная кислота содержит три карбоксильные группы).

14. Цикл Кребса: восемь шагов

Цикл Кребса идёт в матриксе митохондрий (у бактерий — в цитоплазме). Каждый оборот начинается с соединения ацетил-КоА (два атома углерода) со щавелевоуксусной кислотой (четыре атома углерода) [5].

1. Ацетильная группа присоединяется к щавелевоуксусной кислоте — образуется шестиуглеродная лимонная кислота, кофермент А освобождается.
2. Лимонная кислота перестраивается в изолимонную.
3. Изолимонная кислота окисляется (электроны переходят на НАД⁺) и теряет CO₂ — образуется пятиуглеродная α-кетоглутаровая кислота. Первый CO₂ и первый НАД·Н цикла.
4. α-кетоглутаровая кислота окисляется и теряет второй CO₂; четырёхуглеродный остаток присоединяется к коферменту А (сукцинил-КоА). Второй CO₂ и второй НАД·Н.
5. Энергия связи сукцинил-КоА используется для синтеза ГТФ (у растений и бактерий — АТФ); образуется янтарная кислота. Субстратное фосфорилирование.
6. Янтарная кислота окисляется до фумаровой; электроны принимает ФАД. ФАД·Н₂.
7. К фумаровой кислоте присоединяется вода — образуется яблочная кислота.
8. Яблочная кислота окисляется до щавелевоуксусной; электроны принимает НАД⁺. Третий НАД·Н. Щавелевоуксусная кислота готова принять новую ацетильную группу.

Итог одного оборота цикла (на одну молекулу ацетил-КоА):

ацетил-КоА + 3НАД⁺ + ФАД + ГДФ + Ф_н + 2H₂O → 2CO₂ + 3НАД·Н + 3H⁺ + ФАД·Н₂ + ГТФ + КоА

На одну молекулу глюкозы цикл проходит два оборота: образуется 4 CO₂, 6 НАД·Н, 2 ФАД·Н₂ и 2 молекулы АТФ (ГТФ). Обратите внимание: в самом цикле Кребса кислород не участвует. Но без кислорода цикл останавливается: НАД·Н и ФАД·Н₂ не окисляются обратно в дыхательной цепи, и НАД⁺ и ФАД для новых оборотов не хватает.

15. Как регулируется цикл Кребса

Скорость цикла Кребса, как и гликолиза, подстраивается под потребности клетки. Его главные регуляторы — соотношения НАД·Н и НАД⁺, АТФ и АДФ. Когда энергии много и НАД·Н накапливается, он тормозит ферменты, образующие лимонную кислоту и окисляющие изолимонную и α-кетоглутаровую. Когда АТФ расходуется и растёт концентрация АДФ, цикл ускоряется. Пируватдегидрогеназный комплекс выключается, когда много ацетил-КоА и НАД·Н, и включается при их расходе.

В мышцах есть ещё один остроумный механизм. При сокращении мышцы в цитоплазму выходят ионы кальция — сигнал к сокращению. Они же проникают в митохондрии и активируют ключевые ферменты цикла Кребса. Получается, что один и тот же сигнал одновременно запускает работу и включает выработку энергии для неё — митохондрии начинают работать быстрее ещё до того, как запас АТФ заметно снизится.

16. Почему именно цикл

Зачем природе понадобился цикл, а не прямая цепочка реакций, расщепляющая ацетил до CO₂? Прямое окисление двухуглеродного ацетила химически очень трудно: в нём нет удобных для окисления групп. Присоединив ацетил к четырёхуглеродной молекуле, клетка получает шестиуглеродную кислоту, которую можно поэтапно окислять, отщепляя CO₂ от удобных положений. Щавелевоуксусная кислота работает как «носитель», который принимает ацетил, проводит его через окисление и возвращается в исходное состояние. Поэтому небольшое количество веществ цикла может окислить огромное количество ацетильных групп — так же, как небольшое количество фермента превращает огромное количество субстрата.

Но цикл Кребса — не только «котёл» для сжигания. Это центральный узел обмена веществ, через который идут и распад, и синтез. Из его веществ клетка строит аминокислоты (из α-кетоглутаровой — глутаминовую, из щавелевоуксусной — аспарагиновую), гем гемоглобина и хлорофилла (из сукцинил-КоА), жирные кислоты (лимонная кислота выходит в цитоплазму и даёт ацетил-КоА для синтеза жиров), глюкозу (щавелевоуксусная кислота в печени). Если вещества цикла уходят на синтез, клетка восполняет их особыми реакциями, например превращая пировиноградную кислоту прямо в щавелевоуксусную. Благодаря такой двойной роли цикл Кребса называют амфиболическим — работающим в обе стороны обмена.

17. Откуда углекислый газ, который мы выдыхаем

Проследим судьбу шести атомов углерода глюкозы. Два из них уходят в виде CO₂ при окислительном декарбоксилировании двух молекул пирувата, ещё четыре — в двух оборотах цикла Кребса (по два за оборот). Итого 6 CO₂ — все атомы углерода глюкозы. Весь углекислый газ, который мы выдыхаем, образуется в митохондриях при декарбоксилировании, и ни один его атом кислорода не пришёл из вдыхаемого O₂: кислород в CO₂ — из самой глюкозы и из воды, присоединяющейся в реакциях цикла. Вдыхаемый же кислород превращается в воду в конце дыхательной цепи.

Интересно, что атомы углерода, вошедшие в цикл с данной молекулой ацетил-КоА, в первом обороте не выделяются: оба CO₂ первого оборота происходят из атомов щавелевоуксусной кислоты. «Новый» углерод уходит в следующих оборотах. Это показали опыты с ацетатом, меченным изотопом ¹⁴C.

18. Баланс: что даёт каждая стадия

Сведём вместе продукты всех стадий расщепления одной молекулы глюкозы до дыхательной цепи.

Таким образом, к моменту, когда глюкоза полностью превратилась в CO₂, клетка получила лишь 4 молекулы АТФ. Остальная энергия глюкозы — в 10 НАД·Н и 2 ФАД·Н₂. В дыхательной цепи на кристах митохондрий их электроны передаются на кислород, и энергия этого переноса превращается в АТФ: по школьному счёту — 3 АТФ на НАД·Н и 2 АТФ на ФАД·Н₂, то есть 10 · 3 + 2 · 2 = 34 АТФ. Вместе с 4 АТФ субстратного фосфорилирования получаются те самые 38 АТФ. По современным оценкам выход меньше — около 2,5 АТФ на НАД·Н и 1,5 на ФАД·Н₂, итого около 30–32 АТФ. Подробно о дыхательной цепи — в следующей статье серии: «Дыхательная цепь и эффективность энергетического обмена».

19. Как окисляются жиры

Глюкоза — не единственное «топливо». Жиры при расщеплении дают глицерин и жирные кислоты. Глицерин превращается в одно из промежуточных веществ гликолиза и дальше окисляется по тому же пути. Жирные кислоты окисляются в матриксе митохондрий особым путём — β-окислением: от длинной углеродной цепочки за каждый круг отщепляется двухуглеродный фрагмент в виде ацетил-КоА, а электроны передаются на ФАД и НАД⁺. Ацетил-КоА поступает в цикл Кребса.

Этот путь открыл в 1904 году немецкий биохимик Франц Кнооп — и это был один из первых опытов с «мечеными» молекулами в истории биологии. Он кормил собак жирными кислотами, к концу которых было присоединено бензольное кольцо (фенильная группа), не расщепляемое организмом, и смотрел, что выходит с мочой. Если в цепочке было чётное число атомов углерода, с мочой выделялась фенилуксусная кислота, если нечётное — бензойная. Значит, цепочка укорачивается каждый раз ровно на два атома углерода.

Жирные кислоты дают очень много энергии. Пальмитиновая кислота (16 атомов углерода) даёт 8 молекул ацетил-КоА, 7 ФАД·Н₂ и 7 НАД·Н; после цикла Кребса и дыхательной цепи — около 106 молекул АТФ по современной оценке (около 129 по старой). На грамм это примерно в 2,5 раза больше, чем даёт глюкоза. Поэтому жир — самый ёмкий запас энергии, а сердце и работающие на выносливость мышцы получают значительную часть энергии именно из жирных кислот.

20. Как окисляются белки

Белки служат источником энергии в последнюю очередь: при голодании, избытке белка в пище или распаде собственных тканей. Аминокислоты сначала теряют аминогруппу — её отщепляют ферменты, переносящие её на другие молекулы, а затем в печени она превращается в аммиак и далее в мочевину. Оставшийся углеродный скелет у разных аминокислот превращается в разные вещества — пировиноградную кислоту, ацетил-КоА или вещества цикла Кребса — и окисляется в нём.

Так цикл Кребса становится общим «котлом», в который сходятся пути распада углеводов, жиров и белков. Это видно и в обратную сторону: из веществ цикла синтезируются аминокислоты, жирные кислоты, глюкоза (подробнее о взаимопревращениях веществ — в статье «Обмен веществ клетки»).

21. Кетоновые тела: топливо при голодании

При длительном голодании, на диете почти без углеводов или при тяжёлом сахарном диабете клетки печени расщепляют очень много жирных кислот, а щавелевоуксусной кислоты не хватает, потому что она уходит на синтез глюкозы. Ацетил-КоА не может весь войти в цикл Кребса и превращается в так называемые кетоновые тела — ацетоуксусную и β-гидроксимасляную кислоты, а также ацетон. Они выходят в кровь и служат топливом для сердца, мышц и, что особенно важно, мозга, который через несколько дней голодания получает из них до двух третей энергии. Это сберегает белки мышц, которые иначе расщеплялись бы для синтеза глюкозы.

При неконтролируемом диабете кетоновых тел образуется так много, что кровь закисляется — развивается кетоацидоз, опасное для жизни состояние; изо рта больного пахнет ацетоном. Поэтому при диабете контролируют не только сахар, но и кетоновые тела в крови и моче.

22. Глиоксилатный цикл: как семя превращает жир в сахар

У растений, грибов и бактерий есть вариант цикла Кребса, которого нет у животных, — глиоксилатный цикл. В нём два фермента позволяют «обойти» две стадии цикла, на которых выделяется CO₂. В результате из двух молекул ацетил-КоА получается четырёхуглеродная янтарная кислота, из которой затем синтезируется глюкоза. Так организм может превращать жиры в углеводы.

Особенно важен этот путь для прорастающих семян масличных растений — подсолнечника, льна, клещевины, арахиса. Их запас — жир, а проростку нужны сахара для построения клеточных стенок и транспорта по растению. В клетках таких семян при прорастании появляются особые органоиды — глиоксисомы, — где идёт глиоксилатный цикл. Когда запасы жира израсходованы и проросток начинает фотосинтезировать, глиоксисомы исчезают.

23. Гликолиз в разных клетках

Разные клетки по-разному используют гликолиз и кислородный этап.

• Эритроциты млекопитающих лишены митохондрий и получают всю энергию гликолизом, превращая глюкозу в молочную кислоту. Поэтому наследственная недостаточность гликолитических ферментов, например пируваткиназы, проявляется прежде всего гемолитической анемией: эритроциты, лишённые АТФ, разрушаются.
• Нейроны почти целиком зависят от полного окисления глюкозы и имеют мало запасов; без кислорода они гибнут за минуты.
• Белые мышечные волокна богаты ферментами гликолиза и работают в коротких мощных усилиях; красные — богаты митохондриями и миоглобином и работают долго.
• Клетки печени могут вести гликолиз в обратную сторону — синтезировать глюкозу из молочной кислоты, глицерина и аминокислот (глюконеогенез), поддерживая уровень сахара в крови при голодании.
• Опухолевые клетки часто расщепляют глюкозу до молочной кислоты даже при достатке кислорода. Это явление описал немецкий биохимик Отто Варбург в 1920-х годах [7]. Сегодня считают, что так быстро делящиеся клетки получают не только энергию, но и много промежуточных веществ для синтеза новых клеток.

24. Гликолиз наоборот: глюконеогенез и цикл Кори

Мозгу и эритроцитам нужна глюкоза постоянно, даже когда человек не ест. Запасов гликогена в печени хватает менее чем на сутки, и дальше печень синтезирует глюкозу заново — из молочной кислоты, глицерина и аминокислот. Этот процесс называют глюконеогенезом («новообразованием глюкозы»). Он во многом идёт по реакциям гликолиза в обратную сторону, но три необратимые реакции гликолиза — первую, третью и последнюю — обходят особыми ферментами, и на это тратится энергия: на синтез одной молекулы глюкозы из двух молекул пирувата уходит 6 молекул АТФ (ГТФ) — втрое больше, чем даёт гликолиз.

Работающие мышцы и печень образуют замкнутый круг. Мышцы при интенсивной работе превращают глюкозу в молочную кислоту, она с кровью попадает в печень, там из неё синтезируется глюкоза, которая снова идёт в мышцы. Этот круг называют циклом Кори, по имени супругов Карла и Герти Кори, описавших его в 1920–1930-х годах; в 1947 году они получили Нобелевскую премию за открытия в обмене гликогена. Цикл Кори позволяет мышцам работать в долг: энергию для превращения молочной кислоты обратно в глюкозу даёт окисление жиров в печени.

25. Энергетический обмен у разных организмов

Этапы энергетического обмена у большинства организмов сходны, но есть интересные отличия.

• Бактерии не имеют митохондрий: гликолиз и цикл Кребса у них идут в цитоплазме, а дыхательная цепь — на плазматической мембране. Многие бактерии используют и другие пути расщепления глюкозы, кроме гликолиза.
• Дрожжи при доступе кислорода дышат, а без него переходят на спиртовое брожение, останавливая окисление пирувата в митохондриях.
• Растения дышат круглосуточно; у них, кроме обычной дыхательной цепи, есть «альтернативный» путь, на котором энергия рассеивается в виде теплоты, — благодаря ему соцветия некоторых растений нагреваются на 10–20 °C.
• Паразитические черви, например аскарида, живущая в кишечнике почти без кислорода, используют укороченный вариант цикла Кребса, «запущенный» в обратную сторону: фумаровая кислота служит у них конечным акцептором электронов вместо кислорода. На этом основано действие некоторых противоглистных лекарств, подавляющих этот фермент паразита.
• Ныряющие млекопитающие — тюлени, киты — при долгом нырянии перекрывают кровоток к мышцам, и те переходят на гликолиз; молочная кислота накапливается и окисляется уже после всплытия.

26. Гликолиз, цикл Кребса и спорт

Соотношение гликолиза и кислородного этапа определяет, какую работу может выполнять мышца. При спринте, прыжке, рывке штанги нужно очень много АТФ за секунды. Гликолиз идёт в цитоплазме и способен разгоняться в сотни раз быстрее кислородного этапа, но даёт мало АТФ и приводит к накоплению молочной кислоты и закислению мышцы. Поэтому максимальную мощность можно поддерживать лишь десятки секунд. При беге на длинные дистанции, лыжных гонках, плавании на выносливость основная часть АТФ поступает от полного окисления глюкозы и жирных кислот в митохондриях — мощность ниже, но работать можно часами.

Физиологи определяют «анаэробный порог» — интенсивность нагрузки, выше которой молочная кислота начинает быстро накапливаться в крови. Тренировки на выносливость увеличивают в мышцах число митохондрий и количество ферментов цикла Кребса и дыхательной цепи, и порог сдвигается вверх: тренированный спортсмен может бежать быстрее, не «закисляясь». Тренировки на скорость и силу, наоборот, увеличивают запасы гликогена, креатинфосфата и активность ферментов гликолиза (подробнее — в статье «АТФ и энергетика клетки»).

27. Витамины, без которых не работают этапы обмена

Ферменты гликолиза, окисления пирувата и цикла Кребса используют коферменты, образующиеся из витаминов. Поэтому нехватка витаминов прежде всего бьёт по энергетическому обмену.

Неудивительно, что один из первых признаков нехватки витаминов группы B — слабость и быстрая утомляемость: клетки получают меньше АТФ.

28. Вещества цикла Кребса на нашем столе

Некоторые микроорганизмы при определённых условиях выделяют в среду вещества цикла Кребса в огромных количествах, и человек этим пользуется. Почти вся лимонная кислота, которую добавляют в напитки, кондитерские изделия, лекарства, бытовую химию, производится не из лимонов, а плесневым грибом аспергиллом чёрным. В 1917 году американский химик Джеймс Карри обнаружил, что при выращивании этого гриба на сахарном растворе с недостатком некоторых металлов цикл Кребса у него «застревает» на лимонной кислоте, и она накапливается в среде. Сегодня так получают миллионы тонн лимонной кислоты в год.

Глутаминовая кислота, натриевая соль которой — глутамат натрия — придаёт пище вкус «умами», синтезируется из α-кетоглутаровой кислоты цикла Кребса. В 1957 году японские микробиологи нашли бактерию (коринебактерию глутаминовую), которая выделяет глутаминовую кислоту в среду, и с тех пор её получают микробиологическим путём. Так знание о цикле Кребса превратилось в целые отрасли промышленности.

29. Как гликолиз помогает находить опухоли

Повышенный гликолиз опухолевых клеток, описанный Варбургом, сегодня используют в медицине. При позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) больному вводят вещество, похожее на глюкозу, — фтордезоксиглюкозу, в которой один атом заменён радиоактивным изотопом фтора. Клетки поглощают её так же, как глюкозу, и первый фермент гликолиза фосфорилирует её. Но дальше по гликолизу она не идёт и, будучи фосфорилированной, не может выйти из клетки — накапливается. Больше всего её накапливается там, где глюкоза потребляется особенно интенсивно: в опухолях и метастазах, а также в мозге и сердце. Томограф регистрирует излучение изотопа и строит трёхмерную карту, на которой опухоли «светятся».

Этот метод — прямое применение знаний о первой реакции гликолиза: фосфорилирование «запирает» сахар в клетке. То, что в начале XX века было фундаментальным открытием о мышцах лягушки и дрожжевом соке, сегодня помогает ежедневно ставить диагнозы миллионам больных.

30. Яды и болезни этапов энергетического обмена

Ферменты гликолиза и цикла Кребса — мишени многих ядов.

• Фториды подавляют фермент гликолиза енолазу. Этим пользуются в медицине: в пробирки для анализа крови на сахар добавляют фторид натрия, чтобы клетки крови не «съели» глюкозу, пока пробирка ждёт анализа.
• Мышьяк связывается с липоевой кислотой пируватдегидрогеназного комплекса и выключает окисление пирувата.
• Малонат конкурентно подавляет фермент цикла Кребса, окисляющий янтарную кислоту (подробнее — в статье «Скорость ферментативных реакций»).
• Фторацетат, содержащийся в листьях южноафриканского кустарника гифблар и других растений, сам по себе безвреден для ферментов. Но в организме он соединяется со щавелевоуксусной кислотой как обычный ацетат, и образуется фторлимонная кислота, которая намертво блокирует следующий фермент цикла. Английский биохимик Рудольф Петерс назвал это явление «летальным синтезом»: клетка сама превращает безобидное вещество в смертельный яд [8].

С ферментами цикла Кребса связаны и некоторые опухоли. Мутации в генах сукцинатдегидрогеназы и фумаразы — ферментов, окисляющих янтарную кислоту и присоединяющих воду к фумаровой, — вызывают наследственные опухоли надпочечников, почек, матки. Накапливающиеся янтарная и фумаровая кислоты нарушают работу ферментов, регулирующих гены, и клетки начинают вести себя так, будто им не хватает кислорода [9]. Так вещества цикла Кребса, казалось бы, «просто топливо», оказались и сигнальными молекулами.

31. Этапы энергетического обмена в цифрах

32. Частые ошибки

• «Гликолиз идёт в митохондриях». Гликолиз идёт в цитоплазме; в митохондриях — окисление пирувата, цикл Кребса, дыхательная цепь.
• «В гликолизе образуется 4 АТФ». Образуется 4, но 2 тратятся в начале; чистый выход — 2 АТФ.
• «Продукт гликолиза — молочная кислота». Продукт гликолиза — пировиноградная кислота; молочная кислота образуется из неё при брожении (или в мышцах при нехватке кислорода).
• «В цикле Кребса участвует кислород». В самом цикле кислород не участвует; он нужен в дыхательной цепи, без работы которой цикл останавливается.
• «В цикле Кребса образуется основная часть АТФ». Основная часть АТФ образуется в дыхательной цепи за счёт НАД·Н и ФАД·Н₂, поставляемых циклом.
• «CO₂ образуется из вдыхаемого кислорода». CO₂ образуется при декарбоксилировании пирувата и в цикле Кребса из углерода органических веществ.
• «На подготовительном этапе запасается энергия в АТФ». Энергия подготовительного этапа рассеивается в виде теплоты.
• «Цикл Кребса начинается с пировиноградной кислоты». В цикл вступает ацетил-КоА, образующийся из пирувата при окислительном декарбоксилировании; первое вещество цикла — лимонная кислота.

33. Интересные факты

• Статью о цикле, принёсшем Кребсу Нобелевскую премию, журнал «Nature» в 1937 году отклонил.
• Цикл Кребса открыли на грудной мышце голубя — одной из самых интенсивно дышащих тканей.
• Гликолиз есть почти у всех живых организмов и, вероятно, возник раньше, чем в атмосфере появился кислород.
• В пробирки для анализа крови на сахар добавляют фторид натрия: он останавливает гликолиз в клетках крови.
• Опыт Ф. Кноопа 1904 года с жирными кислотами, «помеченными» бензольным кольцом, — один из первых опытов с метками в биохимии.
• Листья южноафриканского кустарника гифблар убивают скот: их фторацетат превращается в организме во фторлимонную кислоту, блокирующую цикл Кребса.
• Весь углекислый газ, который мы выдыхаем, образуется в митохондриях при декарбоксилировании, и ни один его атом кислорода не пришёл из вдыхаемого воздуха.
• Мутации в генах ферментов цикла Кребса могут вызывать опухоли: накапливающиеся янтарная и фумаровая кислоты сбивают регуляцию генов.
• Почти вся лимонная кислота, используемая в пищевой промышленности, производится плесневым грибом аспергиллом, а не из лимонов.
• Мозг через несколько дней голодания получает до двух третей энергии из кетоновых тел, а не из глюкозы.
• Путь гликолиза был расшифрован первым из всех метаболических путей — к концу 1930-х годов, во многом в лабораториях Мейергофа, Эмбдена и Парнаса.
• Один из создателей схемы гликолиза, Якуб Парнас, в 1949 году погиб в заключении в Москве.

34. Частые вопросы

Зачем в начале гликолиза тратить АТФ, если цель — получить энергию?

Фосфорилирование глюкозы «запирает» её в клетке (заряженная молекула не проходит через мембрану) и активирует для дальнейшего расщепления: фосфорилированный сахар легче разрывается на две трёхуглеродные молекулы. Вложенные 2 АТФ потом возвращаются с лихвой — во второй половине гликолиза образуется 4 АТФ.

Почему без кислорода останавливается цикл Кребса, хотя кислород в нём не участвует?

В цикле Кребса образуются НАД·Н и ФАД·Н₂. Окислить их обратно до НАД⁺ и ФАД может только дыхательная цепь, где электроны передаются на кислород. Без кислорода переносчики остаются восстановленными, НАД⁺ и ФАД для реакций цикла не хватает, и цикл останавливается.

Может ли жир превратиться в глюкозу у человека?

Почти нет. Жирные кислоты расщепляются до ацетил-КоА, а из ацетил-КоА глюкоза у животных не синтезируется: оба атома углерода ацетила в цикле Кребса теряются в виде CO₂. В глюкозу может превратиться лишь глицерин — небольшая часть молекулы жира. У растений и бактерий есть обходной путь — глиоксилатный цикл.

Почему мозг так зависит от глюкозы?

Жирные кислоты плохо проходят через гематоэнцефалический барьер, а запасов гликогена в мозге очень мало. Поэтому мозг в обычных условиях получает энергию почти исключительно полным окислением глюкозы. При длительном голодании он постепенно переходит на кетоновые тела, которые печень синтезирует из жирных кислот.

Чем подготовительный этап в клетке отличается от пищеварения?

По сути — ничем: и там, и там полимеры расщепляются гидролазами до мономеров с выделением теплоты. Пищеварение идёт вне клеток, в полости пищеварительного тракта, а внутриклеточный подготовительный этап — в лизосомах и цитоплазме, где расщепляются захваченные частицы и собственные запасы клетки.

Где происходит гликолиз у растений?

Так же, как у животных, — в цитоплазме. Кроме того, часть реакций гликолиза идёт и в пластидах. Растения дышат круглосуточно: и днём, и ночью их клетки расщепляют сахара гликолизом и окисляют пируват в митохондриях.

Сколько оборотов цикла Кребса приходится на одну молекулу глюкозы?

Два: из одной молекулы глюкозы получается две молекулы пировиноградной кислоты, а из них — две молекулы ацетил-КоА, каждая из которых проходит один оборот цикла.

Почему молочная кислота не накапливается в мышцах бесконечно?

Она выходит из мышечных волокон в кровь и используется другими тканями: сердце и красные мышечные волокна окисляют её как топливо, печень превращает её в глюкозу (цикл Кори). Кроме того, после окончания нагрузки сами мышечные клетки при достатке кислорода превращают молочную кислоту обратно в пировиноградную и окисляют её в митохондриях.

Зачем клетке два пути окисления глюкозы — гликолиз и пентозофосфатный?

Гликолиз нужен в первую очередь для получения АТФ и пирувата. Пентозофосфатный путь даёт НАДФ·Н для синтеза жиров и защиты от окислителей и рибозу для нуклеотидов. Клетка распределяет глюкозу между путями в зависимости от того, что ей сейчас нужнее, — энергия или строительные материалы.

Почему при голодании изо рта может пахнуть ацетоном?

При голодании печень расщепляет много жирных кислот, и часть ацетил-КоА превращается в кетоновые тела, одно из которых — ацетон. Он летуч и выделяется с выдыхаемым воздухом. Сильный запах ацетона, особенно у больного диабетом, — тревожный признак кетоацидоза.

Почему эритроцит не может использовать жирные кислоты?

Жирные кислоты окисляются только в митохондриях (β-окисление и цикл Кребса), а в зрелых эритроцитах млекопитающих митохондрий нет. Поэтому эритроцит полностью зависит от глюкозы и гликолиза.

Что будет, если отравить клетку цианидом: остановится ли гликолиз?

Цианид блокирует последний фермент дыхательной цепи. Останавливаются дыхательная цепь и вслед за ней цикл Кребса (НАД·Н не окисляется). Гликолиз может продолжаться, если пировиноградная кислота превращается в молочную и НАД⁺ восстанавливается, но 2 АТФ на глюкозу недостаточно для большинства клеток, и они гибнут.

Почему в задачах ЕГЭ пишут «36 АТФ на кислородном этапе», если в цикле Кребса образуется ГТФ?

ГТФ энергетически равноценен АТФ и легко превращается в него (фермент переносит концевой фосфат с ГТФ на АДФ), а у растений и многих бактерий на этой стадии сразу образуется АТФ. Поэтому в школьном счёте их не различают: 2 молекулы из цикла Кребса и 34 из дыхательной цепи дают 36 АТФ кислородного этапа.

Можно ли обойтись без подготовительного этапа?

Нет: крупные молекулы полисахаридов, белков, жиров не проходят через мембраны клеток и не могут вступить в гликолиз или цикл Кребса. Только мономеры — глюкоза, аминокислоты, жирные кислоты, глицерин — всасываются и включаются в дальнейшие реакции. Поэтому подготовительный этап необходим, хотя он и не даёт АТФ.

Почему в гликолизе образуются именно две молекулы пировиноградной кислоты?

Шестиуглеродная молекула фруктозо-1,6-бисфосфата расщепляется пополам — на две трёхуглеродные молекулы, которые затем превращаются в одинаковый глицеральдегид-3-фосфат. Каждая из них проходит вторую половину гликолиза и превращается в одну молекулу пировиноградной кислоты (C₃H₄O₃). Поэтому из одной молекулы глюкозы (6 атомов углерода) всегда получаются две молекулы пирувата (по 3 атома углерода), а при брожении — две молекулы молочной кислоты или две молекулы этанола и две CO₂. Это соотношение удобно использовать для проверки ответа в расчётных задачах.

35. ЕГЭ

Задачи на энергетический обмен — одни из самых частых в ЕГЭ. В них нужно помнить: гликолиз — 2 АТФ на каждую молекулу глюкозы; кислородный этап — 36 АТФ на каждую молекулу, окисленную полностью; при неполном окислении (брожении) из глюкозы образуется 2 молекулы молочной кислоты; при полном окислении — 6 молекул CO₂; в одной макроэргической связи АТФ запасается около 40 кДж.

Разбор типичной задачи

Задача: «В клетке расщепилось 12 молекул глюкозы, из них 5 подверглись полному окислению, остальные — гликолизу с образованием молочной кислоты. Сколько молекул АТФ образовалось? Сколько молекул CO₂ и молочной кислоты? Сколько энергии запасено в АТФ?» Решение: 1) гликолиз всех 12 молекул: 12 · 2 = 24 АТФ; 2) кислородный этап 5 молекул: 5 · 36 = 180 АТФ; всего 204 АТФ; 3) CO₂: 5 · 6 = 30 молекул; 4) молочная кислота: (12 − 5) · 2 = 14 молекул; 5) энергия: 204 · 40 = 8160 кДж.

Второй типичный вариант задачи

Задача: «При полном окислении глюкозы в клетке образовалось 456 молекул АТФ. Сколько молекул глюкозы окислилось? Сколько молекул АТФ образовалось при гликолизе и сколько на кислородном этапе? Сколько молекул пировиноградной кислоты образовалось при гликолизе?» Решение: 1) при полном окислении одной молекулы глюкозы образуется 38 АТФ, значит, окислилось 456 / 38 = 12 молекул; 2) при гликолизе — 12 · 2 = 24 АТФ, на кислородном этапе — 12 · 36 = 432 АТФ; 3) при гликолизе из каждой молекулы глюкозы образуется 2 молекулы пировиноградной кислоты — всего 24.

Ещё один частый вариант — задача на энергию: «Сколько энергии запасается в АТФ при гликолизе 3 моль глюкозы?» Ответ: 3 · 2 = 6 моль АТФ, 6 · 40 = 240 кДж. А «сколько энергии выделяется при гликолизе 3 моль глюкозы» — 3 · 200 = 600 кДж, из них 240 кДж запасается в АТФ, 360 кДж рассеивается в виде теплоты.

36. Для олимпиад

Энергетика гликолиза. ΔG°′ превращения глюкозы в 2 лактата около −196 кДж/моль, в 2 пирувата (с восстановлением 2 НАД⁺) — около −146 кДж/моль. Из десяти реакций гликолиза три (гексокиназная, фосфофруктокиназная, пируваткиназная) в клетке сильно сдвинуты вправо и практически необратимы; именно они регулируются и именно их обходят особыми ферментами при синтезе глюкозы (глюконеогенезе). Остальные семь реакций близки к равновесию и идут в обе стороны.

Судьба меченых атомов. Если ввести глюкозу, меченную ¹⁴C в первом атоме, метка в пирувате окажется в метильной группе (третьем атоме), а в ацетил-КоА — в метильной группе ацетила. В CO₂ такая метка выделится не в первом обороте цикла Кребса, а лишь в последующих. Поэтому скорость появления метки в выдыхаемом CO₂ зависит от того, какой атом глюкозы помечен, — этим пользовались для изучения путей обмена.

Дыхательный коэффициент и цикл Кребса. При окислении одной молекулы ацетил-КоА выделяется 2 CO₂ и поглощается (в дыхательной цепи) 2 O₂ — по 0,5 O₂ на каждую пару электронов от 3 НАД·Н и 1 ФАД·Н₂. Для пирувата: 3 CO₂ на 2,5 O₂ (ДК = 1,2); для глюкозы в сумме 6 CO₂ на 6 O₂ (ДК = 1). Для пальмитиновой кислоты: 16 CO₂ на 23 O₂ (ДК ≈ 0,7).

Другие пути расщепления глюкозы. Гликолиз (путь Эмбдена — Мейергофа — Парнаса) — не единственный. Многие бактерии, в том числе синегнойная палочка и зимомонас (бактерия, из которой в Мексике делают алкогольный напиток пульке), используют путь Энтнера — Дудорова: глюкоза окисляется до 6-фосфоглюконата, затем расщепляется на пируват и глицеральдегид-3-фосфат. Этот путь даёт лишь 1 АТФ на глюкозу, но 1 НАД·Н и 1 НАДФ·Н, и требует меньше белка-фермента — для быстро растущих бактерий это может быть выгоднее. Археи используют свои, видоизменённые варианты гликолиза. Различия путей — ещё одно свидетельство того, что эволюция «пробовала» разные решения одной задачи.

Цитрат как сигнал. Когда энергии много, цикл Кребса замедляется, и лимонная кислота выходит из митохондрий в цитоплазму. Там она тормозит фосфофруктокиназу (замедляя гликолиз) и одновременно расщепляется до ацетил-КоА для синтеза жирных кислот. Так избыток углеводов превращается в жир — цитрат служит связующим сигналом между распадом и синтезом.

37. Задания с разбором

Задание 1

Выберите три верных ответа. Гликолиз: 1) идёт в цитоплазме; 2) требует кислорода; 3) даёт чистый выход 2 АТФ на молекулу глюкозы; 4) завершается образованием пировиноградной кислоты; 5) идёт на кристах митохондрий; 6) даёт 36 АТФ.

Задание 2

Установите соответствие между процессами и этапами энергетического обмена. Процессы: А) расщепление крахмала до глюкозы; Б) расщепление глюкозы до пировиноградной кислоты; В) цикл Кребса; Г) расщепление белков до аминокислот в лизосомах; Д) окислительное фосфорилирование; Е) образование 2 АТФ в цитоплазме. Этапы: 1) подготовительный; 2) бескислородный; 3) кислородный.

Задание 3

Установите последовательность процессов при полном окислении глюкозы: А) образование ацетил-КоА; Б) гликолиз; В) цикл Кребса; Г) перенос электронов по дыхательной цепи; Д) транспорт пировиноградной кислоты в митохондрию.

Задание 4

Найдите ошибки в тексте. (1) Подготовительный этап идёт в лизосомах и пищеварительном тракте. (2) На подготовительном этапе синтезируется АТФ. (3) Гликолиз идёт в митохондриях. (4) Продукт гликолиза — пировиноградная кислота. (5) Цикл Кребса идёт в матриксе митохондрий.

Задание 5

В процессе энергетического обмена расщепилось 9 молекул глюкозы, из них 4 — полностью. Определите число молекул АТФ, CO₂ и молочной кислоты.

Задание 6

Выберите три верных ответа. В цикле Кребса: 1) образуется CO₂; 2) образуются НАД·Н и ФАД·Н₂; 3) непосредственно участвует кислород; 4) щавелевоуксусная кислота регенерируется; 5) глюкоза расщепляется до пирувата; 6) образуется 34 АТФ.

Задание 7

Почему на подготовительном этапе энергетического обмена не образуется АТФ?

Задание 8

Установите соответствие между характеристиками и процессами. Характеристики: А) идёт в цитоплазме; Б) идёт в матриксе митохондрий; В) образуется лимонная кислота; Г) глюкоза расщепляется на две трёхуглеродные молекулы; Д) выделяется CO₂; Е) АТФ тратится на первых стадиях. Процессы: 1) гликолиз; 2) цикл Кребса.

Задание 9

Почему без кислорода прекращается работа цикла Кребса, хотя кислород в его реакциях не участвует?

Задание 10

Выберите три верных ответа. Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты: 1) идёт в матриксе митохондрий; 2) сопровождается выделением CO₂; 3) даёт ацетил-КоА; 4) идёт в цитоплазме; 5) даёт 2 АТФ; 6) не требует коферментов.

Задание 11

Почему при недостатке витамина B₁ в первую очередь страдает нервная система?

Задание 12

Установите соответствие между веществами и стадиями, на которых они образуются. Вещества: А) пировиноградная кислота; Б) лимонная кислота; В) ацетил-КоА; Г) глюкозо-6-фосфат; Д) янтарная кислота; Е) мальтоза. Стадии: 1) подготовительный этап; 2) гликолиз; 3) окислительное декарбоксилирование; 4) цикл Кребса.

Задание 13

Почему жир даёт при окислении больше энергии на грамм, чем глюкоза? Где окисляются жирные кислоты?

Задание 14

Выберите три верных ответа. Пировиноградная кислота: 1) образуется в результате гликолиза; 2) при недостатке кислорода в мышцах превращается в молочную кислоту; 3) при достатке кислорода окисляется в митохондриях; 4) является конечным продуктом полного окисления глюкозы; 5) образуется в цикле Кребса из лимонной кислоты; 6) содержит шесть атомов углерода.

Задание 15

В клетке при полном расщеплении глюкозы образовалось 90 молекул CO₂. Сколько молекул глюкозы окислилось? Сколько АТФ образовалось? Сколько оборотов цикла Кребса произошло?

Задание 16

Почему в пробирки для анализа крови на сахар добавляют фторид натрия?

Задание 17

Установите соответствие между организмами (клетками) и способом получения энергии из глюкозы в обычных условиях. Организмы: А) эритроцит человека; Б) нейрон; В) пекарские дрожжи без доступа воздуха; Г) клетка листа ночью; Д) молочнокислая бактерия. Способы: 1) гликолиз + брожение; 2) гликолиз + кислородный этап.

Задание 18

Объясните, почему цикл Кребса называют «центральным узлом обмена веществ».

Задание 19 (олимпиадное)

Сравните выход АТФ (по современным оценкам: 2,5 АТФ на НАД·Н, 1,5 на ФАД·Н₂) при полном окислении глюкозы и пальмитиновой кислоты (C₁₆). При β-окислении пальмитата образуется 8 ацетил-КоА, 7 НАД·Н и 7 ФАД·Н₂, а на активацию кислоты тратится эквивалент 2 АТФ. Цикл Кребса на один ацетил-КоА даёт 3 НАД·Н, 1 ФАД·Н₂ и 1 ГТФ. Для глюкозы: 4 АТФ (ГТФ) + 10 НАД·Н + 2 ФАД·Н₂. Найдите выход АТФ на моль и на грамм (молярные массы: глюкоза 180, пальмитиновая кислота 256 г/моль).

Задание 20 (олимпиадное)

Дыхательный коэффициент изолированных митохондрий, окисляющих пируват, равен 1,2, а окисляющих пальмитиновую кислоту — около 0,7. Объясните эти значения, составив баланс CO₂ и O₂ (на каждую пару электронов, переданную на кислород, расходуется 0,5 O₂).

Литература

1. Krebs H. A., Johnson W. A. The role of citric acid in intermediate metabolism in animal tissues // Enzymologia. 1937. Vol. 4. P. 148–156.
2. Krebs H. A. The history of the tricarboxylic acid cycle // Perspectives in Biology and Medicine. 1970. Vol. 14. P. 154–172.
3. Urry L. A., Cain M. L., Wasserman S. A., Minorsky P. V., Orr R. B. Campbell Biology. 12th ed. Pearson, 2020.
4. Nelson D. L., Cox M. M. Lehninger Principles of Biochemistry. 8th ed. New York: W. H. Freeman, 2021.
5. Berg J. M., Tymoczko J. L., Gatto G. J., Stryer L. Biochemistry. 9th ed. New York: W. H. Freeman, 2019.
6. Kresge N., Simoni R. D., Hill R. L. Otto Fritz Meyerhof and the elucidation of the glycolytic pathway // Journal of Biological Chemistry. 2005. Vol. 280. e3.
7. Warburg O. On the origin of cancer cells // Science. 1956. Vol. 123. P. 309–314.
8. Peters R. A. Lethal synthesis (Croonian Lecture) // Proceedings of the Royal Society of London. Series B. 1952. Vol. 139. P. 143–170.
9. King A., Selak M. A., Gottlieb E. Succinate dehydrogenase and fumarate hydratase: linking mitochondrial dysfunction and cancer // Oncogene. 2006. Vol. 25. P. 4675–4682.
10. ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы и элементов содержания для проведения ЕГЭ по биологии, 2027 г. М.: ФИПИ, 2026.