Цикл Кребса и дыхание

Каждый норовит вдохнуть кислород, а выдохнуть - углекислый газ!
(народная мудрость)

В прошлой статье мы упомянули о том, что каждый живой организм на планете Земля всю свою жизнь только тем и занимается, что делает воду из воздуха. И это - вовсе не художественное преувеличение. На самом деле образование воды является главным биоэнергетическим превращением, характерным для жизни (по крайней мере, на этой планете). Мы начинаем производить воду внутри себя с первым сделанным вдохом и прекращаем это делать, только испустив последний. А некоторым живым существам вообще не нужна вода извне, им хватает той, которую они производят самостоятельно.

например, обитающим в пустынях жукам-чернотелкам (сем. Tenebrionidae)

Цикл Кребса и дыхание
Задачка: определить, сколько кислорода содержал последний вдох господина ПэЖэ с учетом объема его последнего выдоха, если оный господин ПэЖэ имел возможность плескаться в бассейне вместе со своим пацаком, при том, что Плюк - пустынная планета (см. "Кин-дза-дза"). Сделать предположение о возможной биохимии чатлан по сравнению с биохимией пацаков.
Справочные данные для решения задачки:
  1. в сутки человек вдыхает около 500 литров кислорода, производя при этом около 300-400 грамм воды;
  2. не все пацаки - люди, но похоже, что все люди - пацаки.

Когда мы делаем вдох, то воздух попадает в легкие. Кислород из этого воздуха быстренько отправляется в кровь, связываясь с гемоглобином (именно поэтому уровень гемоглобина показывает, насколько хорошо или плохо клетки, составляющие нас, могут снабжаться кислородом. Потенциально могут. А фактически - ну как всегда, история будет чуть сложнее, чем кажется.)

Дальше кровь разносит связанный кислород повсюду, и происходит это чрезвычайно быстро. И тем или иным способом кислород попадает в клетки. А там - там уже вовсю идут процессы, для которых требуется этот кислород. И происходят эти процессы в митохондриях.

Цикл Кребса и дыхание
Двойная оболочка митохондрий устроена так, что внешняя часть проницаема для многих веществ, а вот внутренняя - очень избирательная. Вещества, которые попадают внутрь, мигом преобразуются в другие, и вот эти другие уже оказываются заперты внутри, и им ничего не остается, как реагировать. И вот они реагируют, от них отщипываются водород и другие части, и они снова реагируют, испускают углекислый газ и снова реагируют, а потом их собирают снова, и все повторяется сначала. Вещество как бы то же самое, только собрано оно из совсем других атомов - ведь внутрь митохондрий постоянно что-то попадает извне, так что какие-то источники запчастей там постоянно имеются. И называется этот круговорот веществ в митохондриях циклом Кребса.

Цикл Кребса, как он есть

Он же - цикл лимонной кислоты, он же - цикл трикарбоновых кислот, он же - цитратный цикл. Собственно, в этом цикле и производится, а вернее - высвобождается - вся энергия, поступающая в нас с пищей. Будучи существами гетеротрофными, то есть - не способными получать энергию напрямую из солнечного света, мы ее получаем опосредованно от тех, кто на это способен: то есть из растений. А кушая то, что мы получаем благодаря животным, мы получаем эту энергию еще более опосредованно - через вторые и даже третьи "руки". Причем эта опосредованность ничего не говорит о потере качества упакованной в питательных веществах энергии, скорее наоборот: заархивированная в этих веществах энергия как раз является более компактной и концентрированной, чем солнечный свет.

Про людей, якобы питающихся солнечным светом... Ну вы понимаете, что это - потрясающе новое слово в биохимии, и здесь просто необходимо срочно бежать получать Нобелевскую премию. Кребс-то свою получил и вдобавок навсегда вписал свое имя в скрижали наук не только о человеке, но о жизни вообще. Однако что-то никто из этих новаторов не мчится получить законно причитающееся им бабло. И не потому, что такие альтруисты. Может, причина в том, что днем - солнышко, а ночью, пока никто не видит - нормальный и сытный обедоужин?

Основная точка входа в цикл Кребса - это Ацетил-КоА, который получается из пирувата после того, как этот самый пируват окислительно декарбоксилируют (проще говоря - пощипают с него CO2) и присоединят к нему кофермент А (не путать с витамином А!). Но это не единственная точка входа в цикл. Вход может производиться почти из любого места, так как участвующие вещества могут получаться разными путями из разных предшественников, и тут все зависит от того, кто больше подсуетился. То есть стандартно - это Ацетил-КоА из пирувата, но особенности адаптации к чему-нибудь могут внести свои коррективы.

Что происходит дальше, исчерпывающе описывает мнемонический стишок, при помощи которого студенты запоминают, что же все-таки происходит в этом цикле. Превращения, несмотря на страшные формулы и названия, происходят достаточно постепенно:

Цикл Кребса и дыхание
ЩУКа съела ацетат, получается цитрaт,
Через цисaконитaт будет он изоцитрaт.
Вoдoрoды отдaв НАД, oн теряет СО2,
Этoму безмернo рaд aльфa-кетоглутaрaт.
Окисление грядет — НАД похитил вoдoрoд,
ТДФ, коэнзим А забирают СО2.
А энергия едва в сукциниле пoявилась,
Сразу АТФ рoдилась и oстался сукцинат.
Вот дoбрался он дo ФАДа — вoдoрoды тому надo,
Фумарат воды напился, и в малат oн превратился.
Тут к малату НАД пришел, вoдoрoды приобрел,
ЩУКа снoва oбъявилась и тихoнькo затаилась.

Пояснения к стишку: ЩУК - это щавелево-уксусная кислота (оксалоацетат), НАД и ФАД - вещества-переносчики атомов водорода, основная функция которых - эти атомы перетаскивать туда, где они нужны. АТФ - это спецупаковка для энергии. Цитрат, изоцитрат, альфа-кетоглутарат, сукцинил, сукцинат, фумарат, малат - промежуточные метаболиты цикла Кребса (они же могут выступать в качестве точек входа в цикл).

Собственно, выдыхаемый нами ротом углекислый газ производится в ходе цикла Кребса. Водород, который отщипывается от веществ, захватывается молекулами-переносчиками (НАД и ФАД) и перетаскивается ими поближе к мембране; там их уже поджидает кислород, который был добыт из воздуха. Чего не хватает? А не хватает электронов, поскольку водород, захваченный переносчиками, некомплектный. Чтобы дособрать водород до положенного комплекта, нужны отдельные электроны, и вот они-то поставляются специальными молекулами - переносчиками электронов, которые называются цитохромами.

Как можно перетащить электрон, он же маленький? Здесь все устроено очень хитро. Цитохромы в качестве своей составной части имеют гем - как в гемоглобине крови и в миоглобине мышц. Но если задачей гема этих белков является захват и связывание кислорода, то гем цитохромов захватывает и отдает электроны. А непосредственным исполнителем этого что в одном, что в другом случае является железо. Железо хорошо хватает кислород, а кроме того, железо бывает двух- или трехвалентным. Это значит, что железу может не хватать для полного счастья двух или трех электронов. А значит, железо может схватить или наоборот - отдать - один электрон, при этом оно все так же останется железом, которому для полного счастья не хватает двух или трех электронов. А вдобавок такие взаимопревращения железа меняют его способность захватывать кислород - что тоже важно для регуляции разных процессов.

Цитохромы подтаскивают недостающие электроны к мембране, на мембране за счет этого сборища по-разному заряженных частиц создается электрический потенциал, который продвигает всех участников к точке сборки, которая по замыслу совпадает с местом синтеза фосфатов. И вот там кислород, водород без электрона и электрон сливаются в экстазе с образованием молекулы воды и некоторого количества энергии, которая тут же запаковывается в молекулы АТФ (и эта энергия ни разу не сравнима с энергией взрыва и даже простого горения водорода, о чем говорилось в прошлой статье, но тем не менее по сути этой реакции ее можно назвать "горением").

Цикл Кребса и дыхание
В АТФ запаковывается не вся произведенная энергия; часть ее уходит в тепло. Энергия, которая запаковывается в АТФ, почти тут же и тратится на всякое разное, в том числе и на синтез веществ, которых по тем или иным причинам не хватает. Общий ежесуточный оборот АТФ в организме человека эквивалентен 60-70 кг. Запасания не происходит, и если вдруг упаковка по какой-то причине нарушится, то вся энергия пойдет в тепло, а что чувствует при этом человек, каждый из нас хорошо знает на собственном детском - и не детском - опыте.
Повышение температуры тела непосредственно связано с циклом Кребса и означает, что энергия не упаковывается, или упаковывается меньше, чем надо для оптимума. Поэтому при температуре, и тем более при высокой температуре сил нет ни на что, а выжимать из себя последние остатки чего-то там, совершая трудовые подвиги во имя идейной упертости (или еще хуже - по чьему-то там требованию), не только неумно, но и чревато всякими нехорошими последствиями.

Вот так связаны между собой питание, дыхание и энергетика. Можно еще вспомнить про митохондриальную ДНК, которая передается только и исключительно по женской линии. Что в ней закодировано, можно попробовать догадаться, исходя из того, что мы уже знаем про белки вообще и про ферменты в частности, и про цикл Кребса, про который мы узнали сейчас.

А в другой раз поговорим подробнее о катаболизме и анаболизме.

Продолжение следует.

Литература: