Этот метаболический путь назван именем открывшего его автора - Г. Кребса, получившего (совместно с Ф. Липманом) за данное открытие в 1953 г. Нобелевскую премию. В цикле лимонной кислоты улавливается большая часть свободной энергии , образующейся при распаде белков, жиров и углеводов пищи. Цикл Кребса - центральный путь обмена веществ.

Образовавшийся в результате окислительного декарбоксилирования пирувата ацетил-КоА в матриксе митохондрий включается в цепь последовательных реакций окисления. Таких реакций восемь.

1-я реакция - образование лимонной кислоты . Образование цитрата происходит путем конденсации ацетильного остатка ацетил-КоА с оксалацетатом (ОА) при помощи фермента цитратсинтазы (с участием воды):

Данная реакция практически необратима, поскольку при этом распадается богатая энергией тиоэфирная связь ацетил~S-КоА.

2-я реакция - образование изолимонной кислоты. Эта реакция катализируется железосодержащим (Fe - негеминовое) ферментом - аконитазой. Реакция протекает через стадию образования цис -аконитовой кислоты (лимонная кислота подвергается дегидратации с образованием цис -аконитовой кислоты, которая, присоединяя молекулу воды, превращается в изолимонную).

3-я реакция - дегидрирование и прямое декарбоксилирование изолимонной кислоты. Реакция катализируется НАД + -зависимым ферментом изоцитратдегидрогеназой. Фермент нуждается в присутствии ионов марганца (или магния). Являясь по своей природе аллостерическим белком, изоцитратдегидрогеназа нуждается в специфическом активаторе - АДФ.

4-я реакция - окислительное декарбоксилирование α-кетоглутаровой кислоты. Процесс катализируется α-кетоглутаратдегидрогеназой - ферментным комплексом, по структуре и механизму действия похожим на пируватдегидрогеназный комплекс. В его состав входят те же коферменты: ТПФ, ЛК и ФАД - собственные коферменты комплекса; КоА-SH и НАД + - внешние коферменты.

5-я реакция - субстратное фосфорилирование. Суть реакции заключается в переносе богатой энергией связи сукцинил-КоА (макроэргическое соединение) на ГДФ с участием фосфорной кислоты - при этом образуется ГТФ, молекула которого вступает в реакцию перефосфорилирования с АДФ - образуется АТФ.

6-я реакция - дегидрирование янтарной кислоты сукцинатдегидрогеназой. Фермент осуществляет прямой перенос водорода с субстрата (сукцината) на убихинон внутренней мембраны митохондрий. Сукцинатдегидрогеназа - II комплекс дыхательной цепи митохондрий. Коферментом в этой реакции является ФАД.

7-я реакция - образование яблочной кислоты ферментом фумаразой. Фумараза (фумаратгидратаза) гидратирует фумаровую кислоту - при этом образуется яблочная кислота, причем ее L -форма, так как фермент обладает стереоспецифичностью.

8-я реакция - образование оксалацетата. Реакция катализируется малатдегидрогеназой , коферментом которой служит НАД + . Образовавшийся под действием фермента оксалацетат вновь включается в цикл Кребса и весь циклический процесс повторяется.

Последние три реакции обратимы, но поскольку НАДН?Н + захватывается дыхательной цепью, равновесие реакции сдвигается вправо, т.е. в сторону образования оксалацетата . Как видно, за один оборот цикла происходит полное окисление, “сгорание”, молекулы ацетил-КоА. В ходе цикла образуются восстановленные формы никотинамидных и флавиновых коферментов, которые окисляются в дыхательной цепи митохондрий. Таким образом, цикл Кребса находится в тесной взаимосвязи с процессом клеточного дыхания.

Функции цикла трикарбоновых кислот многообразны:

· Интегративная - цикл Кребса является центральным метаболическим путем, объединяющим процессы распада и синтеза важнейших компонентов клетки.

· Анаболическая - субстраты цикла используются для синтеза многих других соединений: оксалацетат используется для синтеза глюкозы (глюконеогенез) и синтеза аспарагиновой кислоты, ацетил-КоА - для синтеза гема, α-кетоглутарат - для синтеза глютаминовой кислоты, ацетил-КоА - для синтеза жирных кислот, холестерола, стероидных гормонов, ацетоновых тел и др.

· Катаболическая - в этом цикле завершают свой путь продукты распада глюкозы, жирных кислот, кетогенных аминокислот - все они превращаются в ацетил-КоА; глутаминовая кислота - в α-кетоглутаровую; аспарагиновая - в оксалоацетат и пр.

· Собственно энергетическая - одна из реакций цикла (распад сукцинил-КоА) является реакцией субстратного фосфорилирования. В ходе этой реакции образуется одна молекула ГТФ (реакция перефосфорилирования приводит к образованию АТФ).

· Водороддонорная - при участии трех НАД + -зависимых дегидрогеназ (дегидрогеназ изоцитрата, α-кетоглутарата и малата) и ФАД-зависимой сукцинатдегидрогеназы образуются 3 НАДН?Н + и 1 ФАДН 2 . Эти восстановленные коферменты являются донорами водорода для дыхательной цепи митохондрий, энергия переноса водородов используется для синтеза АТФ.

· Анаплеротическая - восполняющая. Значительные количества субстратов цикла Кребса используются для синтеза разных соединений и покидают цикл. Одной из реакций, восполняющих эти потери, является реакция, катализируемая пируваткарбоксилазой.

Скорость реакция цикла Кребса определяется энергетическими потребностями клетки

Скорость реакций цикла Кребса коррелирует с интенсивностью процесса тканевого дыхания и связанного с ним окислительного фосфорилирования - дыхательный контроль. Все метаболиты, отражающие достаточное обеспечение клетки энергией являются ингибиторами цикла Кребса. Увеличение соотношения АТФ/АДФ - показатель достаточного энергообеспечении клетки и снижает активность цикла. Увеличение соотношения НАД + / НАДН, ФАД/ ФАДН 2 указывает на энергодефицит и является сигналом ускорения процессов окисления в цикле Кребса.

Основное действие регуляторов направлено на активность трех ключевых ферментов: цитратсинтазы, изоцитратдегидрогеназы и a-кетоглутаратдегидрогеназы. Аллостерическими ингибиторами цитратсинтазы являются АТФ, жирные кислоты. В некоторых клетках роль ее ингибиторов играют цитрат и НАДН. Изоцитратдегидрогеназа аллостерически активируется АДФ и ингибируется при повышении уровня НАДН+Н + .

Рис. 5.15. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)

Последний является ингибитором и a-кетоглутаратдегидрогена зы, активность которой снижается также при повышении уровня сукцинил-КоА.

Активность цикла Кребса во многом зависит от обеспеченности субстратами. Постоянная “утечка” субстратов из цикла (например, при аммиачном отравлении) может вызывать значительные нарушения энергообеспеченности клеток.

Пентозофосфатный путь окисления глюкозы обслуживает восстановительные синтезы в клетке.

Как видно из названия, в этом пути образуются столь необходимые клетке пентозофосфаты . Поскольку образование пентоз сопровождается окислением и отщеплением первого углеродного атома глюкозы, то этот путь называется также апотомическим (apex - вершина).

Пентозофосфатный путь можно разделить две части: окислительную и неокислительную. В окислительной части, включающей три реакции, образуются НАДФН?Н + и рибулозо-5-фосфат. В неокислительной части рибулозо-5-фосфат превращается в различные моносахариды с 3, 4, 5, 6, 7 и 8 атомами углерода; конечными продуктами являются фруктозо-6-фосфат и 3-ФГА.

· Окислительная часть . Первая реакция -дегидрирование глюкозо-6-фосфата глюкозо-6-фосфатдегидрогеназойс образованием δ-лактона 6-фосфоглюконовой кислоты и НАДФН?Н + (НАДФ + - кофермент глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы).

Вторая реакция - гидролиз 6-фосфоглюконолактона глюконолактонгидролазой. Продукт реакции - 6-фосфоглюконат.

Третья реакция - дегидрирование и декарбоксилирование 6-фосфоглюконолактона ферментом 6-фосфоглюконатдегидрогеназой, коферментом которого является НАДФ + . В ходе реакции восстанавливается кофермент и отщепляется С-1 глюкозы с образованием рибулозо-5-фосфата.

· Неокислительная часть . В отличие от первой, окислительной, все реакции этой части пентозофосфатного пути обратимы (рис5.16)

Рис.5.16.Окислительная часть пентозофосфатного пути (F-вариант)

Рибулозо-5-фосфат может изомеризоваться (фермент - кетоизомераза ) в рибозу-5-фосфат и эпимеризоваться (фермент - эпимераза ) в ксилулозо-5-фосфат. Далее следуют два типа реакций: транскетолазная и трансальдолазная.

Транскетолаза (кофермент - тиаминпирофосфат) отщепляет двухуглеродный фрагмент и переносит его на другие сахара (см. схему). Трансальдолаза переносит трехуглеродные фрагменты.

В реакцию вначале вступают рибозо-5-фосфат и ксилулозо-5-фосфат. Это - транскетолазная реакция: переносится 2С-фрагмент от ксилулозо-5-фосфата на рибозо-5-фосфат.

Затем два образовавшиеся соединения реагируют друг с другом в трансальдолазной реакции; при этом в результате переноса 3С-фрагмента от седогептулозо-7-фосфата на 3-ФГА образуются эритрозо-4-фосфат и фруктозо-6-фосфат.Это F-вариант пентозофосфатного пути. Он характерен для жировой ткани.

Однако реакции могут идти и по другому пути(рис.5.17).Этот путь обозначается как L-вариант. Он протекает в печени и других органах. В этом случае в трансальдолазной реакции образуется октулозо-1,8-дифосфат.

Рис.5.17. Пентозофосфатный (апотомический) путь обмена глюкозы (октулозный, или L-вариант)

Эритрозо-4-фосфат и фруктозо-6-фосфат могут вступать в транскетолазную реакцию, в результате которой образуются фруктозо-6-фосфат и 3-ФГА.

Общее уравнение окислительной и неокислительной частей пентозофосфатного пути можно представить в следующем виде:

Глюкозо-6-Ф + 7Н 2 О + 12НАДФ + 5 Пентозо-5-Ф + 6СО 2 + 12 НАДФН?Н + + Фн.

Цикл лимонной кислоты (цикл трикарбоновых кислот – ЦТК, цикл Кребса) представляет собой серию реакций, протекающих в митохондриях, в ходе которых осуществляется катаболизм ацетильных групп и высвобождение восстановительных эквивалентов; при окислении последних в ЭТЦ поставляется свободная энергия, кумулируемая в АТФ. Цикл запускается оксалоацетатом, который синтезируется из ПВК под действием пируваткарбоксилазы.

Молекула ацетил-КоА, полученная в окислительном декарбоксилировании ПВК и β-окислении ВЖК, взаимодействует с ОА; в результате генерируется 6-тиуглеродная трикарбоновая кислота — лимонная (цитрат) (Рис. 3.8). Далее в серии реакций происходит высвобождение двух молекул углекислого газа и регенерация оксалоацетата. Поскольку количество последнего, необходимое для преобразования большого числа ацетильных групп, весьма невелико, можно считать, что это соединение выполняет каталитическую функцию.

В ЦТК, благодаря активности ряда специфических дегидрогеназ, происходит образование восстановительных эквивалентов в форме протонов и электронов, индуцирующих дыхательную цепь, при функционировании которой синтезируется АТФ

Образование макроэргических соединений в ЦТК

Окисляемый субстрат	Фермент, катализирующий	Место образования макроэргов и характер сопряженного процесса	Число синтезированных молекул АТФ
Изоцитрат	ИзоцитратДГ		3
α-Кетоглутарат	α–кетоглутаратДГ	Окисление НАДН в дыхательной цепи	3
Сукцинилфосфат	Сукцинаттиокиназа	Синтез АТФ на субстратном уровне	1
Сукцинат	СукцинатДГ	Окисление ФАДН 2 в дыхательной цепи	2
Малат	МалатДГ	Окисление НАДН в дыхательной цепи	3
Итого			12

Таким образом, каждый цикл обеспечивает синтез 12 молекул макроэргов.

Биологические функции цикла Кребса

ЦТК является общим конечным путем окислительного распада углеводов, липидов, белков, поскольку в ходе метаболизма глюкоза, ЖК, глицерин, аминокислоты и ациклические азотистые основания превращаются либо в ацетил–КоА, либо в метаболиты этого процесса, являющиеся источниками восстановительных эквивалентов, запускающих ЭТЦ и окислительное фосфорилирование, тем самым обеспечиваются энергетические запросы различных органов и тканей, и постоянная температура тела. Эндогенная вода образуется также, как известно, за счет биологического окисления, субстратами которого служат метаболиты ЦТК. Промежуточные продукты ЦТК могут использоваться в анаболизме: ОА и его предшественники служат субстратами в ГНГ; из α–кетоглутарата и ОА с помощью переаминирования легко получить аминокислоты; сукцинил–КоА необходим для синтеза гема; избыточный цитрат, выйдя из митохондрий, отщепляет ацетил-КоА, из которого генерируются ВЖК, ХС, ацетилхолин, производные моносахаридов (мономеров гетерополисахаридов).

У человека не описаны генетически обусловленные повреждения ферментов, катализирующих его различные стадии, т.к. возникновение подобных нарушений несовместимо с нормальным развитием организма.

Цикл лимонной кислоты (цикл Кребса)

Биоорганические вещества, такие, как глюкоза, обладают большим запасом энергии. При окислении глюкозы кислородом

высвобождается энергия Гиббса AG = -2880 кДж/моль. Эта энергия может запасаться в клетке в форме химической энергии фосфатных связей аденозилтрифос- фата АТР. Образующиеся молекулы АТР диффундируют в различные участки клетки, где используется энергия. АТР - это переносчик энергии. Клетка использует эту энергию для выполнения работы. Однако при гликолизе тратится лишь незначительная часть энергии, запасенной в глюкозе (несколько процентов). Основная ее часть передается в цикле Кребса (рис. 9.4), сопряженном с клеточным дыханием.

Рис. 9.4.

I - оксалоацетат, 1а ацетил*СоЛ, 2 - лимонная кислота (цитрат). 3 - иэоцитрат. 4 - оксалосукцинат. 5 - кетоглугарат. 6 - янтарная кислота (сукцинат). 7 - фумарат. 8 - яблочная кислота (малат)

Цикл Кребса, или цикл лимонной кислоты, или цикл 3-карбоновых кислот, представляет собой ряд последовательных реакций, протекающих в митохондриях. В ходе этих реакций осуществляется катаболизм ацетильных групп СН3СО-, передаваемых от пирувата, конечного продукта гликолиза. Пируват вступает в реакции цикла Кребса, предварительно превращаясь в ацетил-СоА.

Цикл Кребса, как и гликолиз, представляет собой метаболический путь, состоящий из последовательных стадий - реакций. В отличие от гликолиза, этот путь замкнутый, циклический.

1. Ацетил-СоА - продукт катаболизма углеводов, белков и липидов - вступает в цикл, реагируя (конденсируется) с солью щавелевоуксусной кислоты (оксало- ацстатом). При этом образуется соль лимонной кислоты (цитрат):

2. Цитрат изомеризуется в изоцитрат. Реакция катализируется ферментом ако- нитазой и проходит через образование аконитата с последующим его превращением в изоцитрат:

3. Изоцитрат окисляется до а-кетоглутарата. Реакция катализируется ферментом изоцитратдегидрогеназой:

4. а-Кетоглутарат подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием сукцинил-СоА. Катализируеся а-кетоглутарат дегидрогеназой:

5. Сукцинил-СоА превращается в сукцинат. Реакция катализируется ферментом сукцинат-СоА-лигазой:

6. Сукцинат превращается в фумарат. Реакция катализируется ферментом дегидрогеназой:

7. Фумарат гидратируется по двойной связи с образованием малата (соль яблочной кислоты). Катализируется фумаратгидратазой:

8. Манат окисляется до оксапоацетата. Катализируется мапатдегидрогеназой:

Рис. 9.5.

На восьмой стадии цикл замыкается и начинается его новое прохождение.

Все стадии цикла лимонной кислоты протекают во внутренней среде митохондрий - матриксе (рис. 9.5). Здесь находятся все ферменты этого метаболического пути.

Митохондрия (от греч. «mitos» - нить и «chondrion» - зернышко) имеет вытянутую форму; длина 1,5-2 мкм, диаметр 0,5-1 мкм. Органеллы клеток животных находятся в жидкой среде клетки - цитоплазме (см. рис. 6.2).

Внутреннее пространство митохондрий окружено двумя непрерывными мембранами. При этом наружная мембрана гладкая, а внутренняя образует многочисленные складки, или кристы. Внутримитохондриальное пространство ограничено внутренней мембраной, заполнено жидкой средой - матриксом, который примерно на 50% состоит из белка и имеет очень тонкую структуру. Удлиненная форма митохондрий не универсальна. В некоторых тканях, например в поперечно-полосатых скелетных мышцах, митохондрии иногда принимают самые причудливые очертания.

В митохондриях сосредоточено большое количество ферментов.

В клетке может находиться от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч митохондрий. Для одного и того же типа клеток число митохондрий более или менее постоянно. Однако следует помнить, что количество митохондрий может меняться в зависимости от стадии развития клетки и ее функциональной активности, а в целом от интенсивности нагрузок на организм.

Митохондрии - энергетические станции, вырабатывающие энергию для жизнедеятельности организма. Особенно много митохондрий в мышечных клетках, где требуются большие затраты энергии.

Образованные в цикле Кребса высокоэнергетические вещества NADH и FADFb (см. рис. 9.4) передают свою энергию в реакции ресинтеза АТР из ADP:

В результате на каждую молекулу NADH образуются 3 молекулы АТР. Эта реакция окислительно-восстановительная, т. е. сопровождается переносом электронов от восстановителя NADH к окислителям (см. разд. 4.3). В качестве окислителя выступает кислород О2. Эта реакция называется окислительным фосфорилированием ADP в АТР.

Окислительное фосфорилирование происходит во внутренней митохондриальной мембране. В трех участках дыхательной цепи запасается энергия в результате синтеза АТР из ADP и Р,.

Реакция протекает в несколько стадий на внутренних мембранах митохондрий (см. рис. 9.5), в системе ферментов, называемой дыхательной цепью. Сюда из клеточной плазмы поступают молекулы ADP. Соответствующий окислительновосстановительный процесс называется клеточным дыханием. Именно здесь расходуется кислород, которым мы дышим.

Молекулы АТР, образованные в матриксе, выходят из митохондрий в плазму клетки, где участвуют в различных биохимических реакциях, протекающих с расходом энергии.

Таким образом, энергия, высвобождающаяся в процессе переноса электронов от восстановителей, используется для окислительного фосфорилирования ADP в АТР.

Предполагают, что энергия, высвобождающаяся вдыхательной цепи, затрачивается непосредственно на перевод внутренней мембраны в новое, богатое энергией конформационное состояние, которое, в свою очередь, становится движущей силой окислительного фосфорилирования, приводящего к образованию АТР. В настоящее время наиболее серьёзное обоснование получила гипотеза хемоосмо- тического сопряжения Митчела.

Таким образом, биосинтез АТР в животном организме осуществляется из ADP и неорганического фосфата Р, при активировании последнего за счёт энергии окисления органических соединений при метаболических процессах.

Окисление органических соединений в живых системах не всегда сопряжено с фосфорилированием, и фосфорилирование не обязательно должно быть окислительным.

Известно несколько сотен реакций окисления. Не менее десятка из них сопряжено с одновременным активированием неорганического фосфата. Такие реакции называют реакциями субстратного фосфорилирования. Здесь реакции расщепления субстрата сопровождаются передачей энергии непосредственно неорганическому фосфату. В результате образуется другой фосфорилированный субстрат с макроэргической связью. В этом случае в процессе не участвует дыхательная цепь ферментов и не происходит превращение энергии, выделяемой при переносе электронов на кислород, в энергию фосфатной связи АТР.

В качестве примера субстратного фосфорилирования можно привести реакцию превращения сукницил-СоА в янтарную кислоту с образованием GTP из GDP и фосфата Р, в лимоннокислом цикле.

В растениях источником энергии для активирования неорганического фосфата и обеспечения синтеза АТР служит энергия солнечного света, улавливаемая фото- синтетическим аппаратом клетки. Такое фосфорилирование называют фотосин- тетическим.

Для удовлетворения потребностей человеческого организма в энергии молекулы АТР на протяжении суток тысячи и тысячи раз расщепляются до молекул ADP и Р, с последующим ресинтезом АТР. Кроме того, скорость ресинтеза АТР должна меняться в широких пределах - от минимальной во время сна до максимальной в периоды напряженной мышечной работы.

Из сказанного можно сделать вывод, что окислительное фосфорилирование не просто непрерывный жизненно важный процесс. Он должен регулироваться в широких пределах, что достигается путем тренировки.

Суммарное уравнение реакций гликолиза и цикла лимонной кислоты записывается следующим образом:

Стандартная энергия Гиббса окисления 1 моля глюкозы СбН^Об равна ДG* = = -2880 кДж (см. разд. 5.1). Стандартная энергия Гиббса гидролиза 38 молей АТР (запасенная энергия) равна ДG°" = -38*30 = -1180 кДж, т. е. запасается лишь 40% энергии глюкозы (коэффициент полезного действия дыхания). Остальная энергия выделяется из организма в виде тепла Q. Этим объясняется разогрев и повышение температу ры тела при интенсивной работе (см. рис. 5.2).

Глюкоза выполняет функцию клеточного топлива в нашем организме. Она получается главным образом либо в процессе пищеварения из углеводов, либо путем синтеза из резервных жиров.

Цикл трикарбоновых кислот впервые был открыт английским биохимиком Кребсом. Он первым постулировал значение данного цикла для полного сгорания пирувата, главным источником которого является гликолитическое превращение углеводов. В дальнейшем было показано, что цикл трикарбоновых кислот является "фокусом", в котором сходятся практически все метаболические пути.

Итак, образовавшийся в результате окислительного декарбоксилирования пирувата ацетил-КоА вступает в цикл Кребса. Данный цикл состоит из восьми последовательных реакций (рис. 91). Начинается цикл с конденсации ацетил-КоА с оксалоацетатом и образования лимонной кислоты. (Как будет видно ниже, в цикле окислению подвергается собственно не ацетил-КоА, а более сложное соединение - лимонная кислота (трикарбоновая кислота). )

Затем лимонная кислота (шестиуглеродное соединение) путем ряда дегидрирований (отнятие водорода) и дскарбоксилирований (отщепление СО 2) теряет два углеродных атома и снова в цикле Кребса появляется оксалоацетат (четырехуглеродное соединение), т. е. в результате полного оборота цикла молекула ацетил-КоА сгорает до СО 2 и Н 2 О, а молекула оксалоацетата регенерируется. Ниже приводятся все восемь последовательных реакций (этапов) цикла Кребса.

В первой реакции, катализируемой ферментом цитратсинтазой, ацетил-КоА конденсируется с оксалоацетатом. В результате образуется лимонная кислота:

По-видимому, в данной реакции в качестве промежуточного продукта образуется связанный с ферментом цитрил-КоА. Затем последний самопроизвольно и необратимо гидролизуется с образованием цитрата и HS-KoA.

Во второй реакции цикла образовавшаяся лимонная кислота подвергается дегидратированию с образованием цис-аконитовой кислоты, которая, присоединяя молекулу воды, переходит в изолимонную кислоту. Катализирует эти обратимые реакции гидратации-дегидратации фермент аконитат-гидратаза:

В третьей реакции, которая, по-видимому, лимитирует скорость цикла Кребса, изолимонная кислота дегидрируется в присутствии НАД-зависимой изоцитратдегидрогеназы:

(В тканях существует два типа изоцитратдегидрогеназ: НАД- и НАДФ-зависимые. Установлено, что роль основного катализатора окисления изолимонной кислоты в цикле Кребса выполняет НАД-зависимая изоцитратдегидрогеназа. )

В ходе изоцитратдегидрогеназной реакции изолимонная кислота декарбоксилируется. НАД-зависимая изоцитратдегидрогеназа является аллостерическим ферментом, которому в качестве специфического активатора необходим АДФ. Кроме того, фермент для проявления своей активности нуждается в ионах Mg 2+ или Мn 2+ .

В четвертой реакции происходит окислительное декарбоксилирование α-кетоглутаровой кислоты до сукцинил-КоА. Механизм этой реакции сходен с реакцией окислительного декарбоксилирования пирувата до ацетил-КоА. α-Кетоглутаратдегидрогеназный комплекс напоминает по своей структуре пируватдегидрогеназный комплекс. Как в одном, так и в другом случае в ходе реакции принимают участие пять коферментов: TДФ, амид липоевой кислоты, HS-KoA, ФАД и НАД. Суммарно данную реакцию можно написать так:

Пятая реакция катализируется ферментом сукцинил-КоА-синтетазой. В ходе этой реакции сукцинил-КоА при участии ГДФ и неорганического фосфата превращается в янтарную кислоту (сукцинат). Одновременно происходит образование высокоэргической фосфатной связи ГТФ1 за счет высокоэргической тиоэфирной связи сукцинил-КоА:

(Образовавшийся ГТФ отдает затем свою концевую фосфатную группу на АДФ, вследствие чего образуется АТФ. Образование высокоэргического нуклеозидтрифосфата в ходе сукцинил-КоА-синтетазной реакции - пример фосфорилирования на уровне субстрата. )

В шестой реакции сукцинат дегидрируется в фумаровую кислоту. Окисление сукцината катализируется сукцинатдегидрогеназой, в молекуле которой с белком ковалентно связан кофермент ФАД:

В седьмой реакции образовавшаяся фумаровая кислота гидратируется под влиянием фермента фумаратгидратазы. Продуктом данной реакции является яблочная кислота (малат). Следует отметить, что фумаратгидратаза обладает стереоспецифичностью, - в ходе данной реакции образуется L-яблочная кислота:

Наконец, в восьмой реакции цикла трикарбоновых кислот под влиянием митохондриальной НАД-зависимой малатдегидрогеназы происходит окисление L-малата в оксалоацетат:

Как видно, за один оборот цикла, состоящего из восьми ферментативных реакций, происходит полное окисление ("сгорание") одной молекулы ацетил-КоА. Для непрерывной работы цикла необходимо постоянное поступление в систему ацетил-КоА, а коферменты (НАД и ФАД), перешедшие в восстановленное состояние, должны снова и снова окисляться. Это окисление осуществляется в системе переносчиков электронов (или в цепи дыхательных ферментов), локализованной в митохондриях.

Освобождающаяся в результате окисления ацетил-КоА энергия в значительной мере сосредоточивается в макроэргических фосфатных связях АТФ. Из четырех пар атомов водорода три пары переносятся через НАД на систему транспорта электронов; при этом в расчете на каждую пару в системе биологического окисления образуются три молекулы АТФ (в процессе сопряженного окислительного фосфорилирования), а всего, следовательно, девять молекул АТФ. Одна пара атомов попадает в систему транспорта электронов через ФАД, - в результате образуются 2 молекулы АТФ. В ходе реакций цикла Кребса синтезируется также 1 молекула ГТФ, что равносильно 1 молекуле АТФ. Итак, при окислении ацетил-КоА в цикле Кребса образуется 12 молекул АТФ.

Как уже отмечалось, 1 молекула НАДН 2 (3 молекулы АТФ) образуется при окислительном декарбоксилирова-нии пирувата в ацетил-КоА. Так как при расщеплении одной молекулы глюкозы образуются две молекулы пирувата, то при окислении их до 2 молекул ацетил-КоА и последующих двух оборотов цикла трикарбоновых кислот синтезируется 30 молекул АТФ (следовательно, окисление одной молекулы пирувата до СО 2 и Н 2 O дает 15 молекул АТФ).

К этому надо добавить 2 молекулы АТФ, образующиеся при аэробном гликолизе, и 4 молекулы АТФ, синтезирующихся за счет окисления 2 молекул внемитохондриального НАДН 2 , которые образуются при окислении 2 молекул глицеральдегид-3-фосфата в дегидрогеназной реакции. Итого получим, что при расщеплении в тканях 1 молекулы глюкозы по уравнению: C 6 H 12 0 6 + 60 2 -> 6СO 2 + 6Н 2 O синтезируется 36 молекул АТФ, что способствует накоплению в макроэргических фосфатных связях аденозинтрифосфата 36 X 34,5 ~ 1240 кДж (или, по другим данным, 36 Х 38 ~ 1430 кДж) свободной энергии. Другими словами, из всей освобождающейся при аэробном окислении глюкозы свободной энергии (окодо 2840 кДж) до 50% ее аккумулируется в митохондриях в форме, которая может быть использована для выполнения различных физиологических функций. Несомненно, что в энергетическом отношении полное расщепление глюкозы является более эффективным процессом, чем гликолиз. Необходимо отметить, что образовавшиеся в процессе превращения глицеральдегид-3-фосфата 2 молекулы НАДН 2 в дальнейшем при окислении дают не 6 молекул АТФ, а только 4. Дело в том, что сами молекулы внемитохондриального НАДН 2 не способны проникать через мембрану внутрь митохондрий. Однако отдаваемые ими электроны могут включаться в митохондриальную цепь биологического окисления с помощью так называемого глицерофосфатного челночного механизма (рис. 92). Как видно на рисунке, цитоплазматический НАДН 2 сначала реагирует с цитоплазматическим дигидроксиацетонфосфатом, образуя глицерол-3-фосфат. Реакция катализируется НАД-зависимой цитоплазматической глицерол-3-фосфат-дегидрогеназой.

Цикл Кребса также называется циклом трикарбоновых кислот , так как они образуются в нем в качестве промежуточных продуктов. Представляет собой ферментативный кольцевой конвейер, «работающий» в матриксе митохондрий.

Результатом цикла Кребса является синтез небольшого количества АТФ и образование НАД · H 2 , который далее направляется на следующий этап – дыхательную цепь (окислительное фосфорилирование), расположенную на внутренней мембране митохондрий.

Образовавшаяся в результате пировиноградная кислота (пируват) поступает в митохондрии, где она в конечном итоге полностью окисляется, превращаясь в углекислый газ и воду. Сначала это происходит в цикле Кребса, затем при окислительном фосфорилировании.

До цикла Кребса пируват декарбоксилируется и дегидрируется. В результате декарбоксилирования отщепляется молекула CO 2 , дегидрирование - это отщепление атомов водорода. Они соединяются с НАД.

В результате из пировиноградной кислоты образуется уксусная, которая присоединяется к коферменту А. Получается ацетилкофермент А (ацетил-КоА) – CH 3 CO~S-КоА, содержащий высокоэнергетическую связь.

Превращение пирувата в ацетил-КоА обеспечивает большой ферментативный комплекс, состоящий из десятков полипептидов, связанным с переносчиками электронов.

Цикл Кребса начинается с гидролиза ацетил-КоА, при котором отщепляется ацетильная группа, содержащая два атома углерода. Далее ацетильная группа включается в цикл трикарбоновых кислот.

Ацетильная группа присоединяется к щавелевоуксусной кислоте, имеющей четыре атома углерода. В результате образуется лимонная кислота, включающая шесть атомов углерода. Энергию для этой реакции поставляет макроэргическая связь ацетил-КоА.

Далее следует цепь реакций, в которых связанная в цикле Кребса ацетильная группа дегидрируются с высвобождением четырех пар атомов водорода и декарбоксилируются с образованием двух молекул CO 2 . При этом для окисления используется кислород, отщепляемый от двух молекул воды, а не молекулярный . Процесс называется окислительн ым декарбоксилирование м . В конце цикла щавелевоуксусная кислота регенерируется.

Вернемся на этап лимонной кислоты. Ее окисление проходит за ряд ферментативных реакций, при которых образуются изолимонная, щавелевоянтарная и другие кислоты. В результате этих реакций, на разных стадиях цикла, восстанавливаются три молекулы НАД и одна ФАД, образуется ГТФ (гуанозинтрифосфат), содержащий макроэргическую фосфатную связь, энергия которой впоследствии используется для фосфорилирования АДФ. В результате образуется молекула АТФ.

Лимонная кислота теряет два атома углерода с образованием двух молекул CO 2 .

В результате ферментативных реакций лимонная кислота превращается в щавелевоуксусную, которая снова может соединиться с ацетил-КоА. Цикл повторяется.

В составе лимонной кислоты присоединившийся остаток ацетил-КоА сгорает с образованием углекислого газа, атомов водорода и электронов. Водород и электроны переносятся на НАД и ФАД, которые являются акцепторами для него.

Окисление одной молекулы ацетил-КоА дает одну молекулу АТФ, четыре атома водорода и две молекулы углекислого газа. То есть углекислый газ, выделяемый при аэробном дыхании, образуется на этапе цикла Кребса . При этом молекулярный кислород (O 2) здесь не используется, он необходим лишь на этапе окислительного фосфорилирования.

Атомы водорода присоединяются к НАД или ФАД, в таком виде далее попадают в дыхательную цепь.

Одна молекула глюкозы дает две молекулы пирувата и, следовательно, два ацетил-КоА. Таким образом на одну молекулу глюкозы приходится два оборота цикла трикарбоновых кислот. В общей сложности образуются две молекулы АТФ, четыре CO 2 , восемь атомов H.

Следует отметить, что не только глюкоза и образующийся из нее пируват поступают в цикл Кребса. В результате расщепления ферментом липазой жиров образуются жирные кислоты, окисление которых также приводит к образованию ацетил-КоА, восстановлению НАД, а также ФАД (флавинадениндинуклеотида).

Если клетка испытывает дефицит углеводов и жиров, то окислению могут подвергаться аминокислоты. При этом образуются ацетил-КоА и органические кислоты, которые далее участвуют в цикле Кребса.

Таким образом неважно, каким был первичный источник энергии. В любом случае образуется ацетил-КоА, представляющий собой универсальное для клетки соединение.