Цикл трикарбонових кислот вперше був відкритий англійським біохіміком Г. Кребсом. Він першим постулював значення даного циклу для повного згоряння пірувату, головним джерелом якого є гликолитическому перетворення вуглеводів . Надалі було показано, що цикл трікарбо-нових кислот є тим центром, в якому сходяться практично всі метаболічні шляхи. Таким чином, цикл Кребса - загальний кінцевий шлях окислення ацетильних груп (у вигляді ацетил-КоА), в які перетворюється в процесі катаболізму велика частина органічних молекул , Що грають роль «клітинного палива »: вуглеводів , жирних кислот і амінокислот .

Утворився в результаті окисного декарбоксилирования пірувату в мітохондріях ацетил-КоА вступає в цикл Кребса . Даний цикл відбувається в матриксі мітохондрій і складається з восьми послідовних реакцій (Рис. 10.9). Починається цикл з приєднання ацетил-КоА до оксалоацетата і освіти лимонної кислоти ( цитрату ). потім лимонна кислота (Шестіуглеродних з'єднання) шляхом ряду дегидрированием (відібрання водню ) І двох декарбоксилюванню (Відщеплення СО2) втрачає два вуглецевих атома і знову в циклі Кребса перетворюється в оксалоацетат (четирехуглеродное з'єднання), тобто в результаті повного обороту циклу одна молекула ацетил-КоА згорає до СО2 і Н2О, а молекула окса-лоацетата регенерується. Розглянемо всі вісім послідовних реакцій (Етапів) циклу Кребса .

Рис. 10.9. Цикл трикарбонових кислот ( цикл Кребса ).

перша реакція каталізується ферментом цит-рат-синтазою, при цьому ацетільная група ацетил-КоА конденсується з оксалоацетата, в результаті чого утворюється лимонна кислота :

Мабуть, в даній реакції в якості проміжного продукту утворюється пов'язаний з ферментом цитра-КоА. Потім останній мимовільно і необоротно гідролізується з утворенням цитрату і HS-KoA.

В результаті другої реакції утворилася лимонна кислота піддається дегідратірованію з утворенням цис-аконітовая кислоти , Яка, приєднуючи молекулу води , Переходить в ізолімонная кислоту (Ізоцитрат). Каталізує ці оборотні реакції гідратації-дегідратації фермент аконітатгідратаза (аконітаза). В результаті відбувається взаімоперемещеніе Н і ОН в молекулі цитрату :

третя реакція , Мабуть, лімітує швидкість циклу Кребса . ізолімонная кислота дегидрирующей в присутності НАД-залежної з-цітратдегідрогенази.

В ході ізоцітратдегідрогеназной реакції ізолімонная кислота одночасно декарбоксилируется. НАД-залежна ізоцитратдегідрогеназа є аллостерическим ферментом , Якому в якості специфічного активатора необхідний АДФ . Крім того, фермент для прояву своєї активності потребує іони Mg2 + або Мn2 +.

Під час четвертої реакції відбувається окисне декарбоксі-лирование α-кетоглутаровой кислоти з утворенням високоенергетичного з'єднання сукцинил-КоА. механізм цієї реакції схожий з таким реакції окисного декарбоксилирования пірувату до ацетил-КоА, α-кетоглутаратдегідрогеназного комплекс нагадує за своєю структурою піруватдегідрогеназний комплекс. Як в одному, так і в іншому випадку в реакції беруть участь 5 коферментів : ТПФ, амід ліпоєвоїкислоти , HS-KoA, ФАД і НАД +.

п'ята реакція каталізується ферментом сукцинил-КоА-синтетич-зой. В ході цієї реакції сукцинил-КоА за участю ГТФ і неорганічного фосфату перетворюється в бурштинову кислоту ( сукцинат ). Одночасно відбувається утворення високоергіческой фосфатного зв'язку ГТФ за рахунок високоергіческой тіоефірной зв'язку сукцинил-КоА:

В результаті шостий реакції сукцинат дегидрирующей в фумаровую кислоту . окислення сукцината каталізується сукцинатдегідрогенази , в молекулі якої з білком міцно (ковалентно) пов'язаний кофермент ФАД. В свою чергу сукцинатдегідрогеназа міцно пов'язана з внутрішньою мі-тохондріальной мембраною :

Сьома реакція здійснюється під впливом ферменту Фума-ратгідратази ( фумарази ). Новоутворена при цьому фумарова кислота гідратіруется, продуктом реакції є яблучна кислота (Малат). Слід зазначити, що фумаратгідратаза володіє стереоспеціфічность (Див. Розділ 4) - в ході реакції утворюється L-яблучна кислота :

Нарешті, під час восьмої реакції циклу трикарбонових кислот під впливом мітохондріальної НАД-залежної малатдегідрогенази відбувається окислення L-малата в оксалоацетат:

Як видно, за один оборот циклу, що складається з восьми ферментативних реакцій , Відбувається повне окислення ( «Згорання») однієї молекули ацетил-КоА. Для безперервної роботи циклу необхідно постійне надходження в систему ацетил-КоА, а коферменти (НАД + і ФАД), які перейшли в відновлене стан, повинні знову і знову окислюватися. це окислення здійснюється в системі переносників електронів в дихального ланцюга (в ланцюга дихальних ферментів ), Локалізованої в мембрані мітохондрій . Утворився ФАДН2 міцно пов'язаний з СДГ, тому він передає атоми водню через KoQ. Звільняється в результаті окислення ацетил-КоА енергія значною мірою зосереджується в макроергічних фосфатних зв'язках АТФ . з 4 пар атомів водню 3 пари переносять НАДН на систему транспорту електронів ; при цьому в розрахунку на кожну пару в системі біологічного окислення утворюється 3 молекули АТФ (В процесі сполученого окисного фосфорилювання ), А всього, отже, 9 молекул АТФ (Див. Розділ 9). одна пара атомів від сукцинатдегідрогенази-ФАДН2 потрапляє в систему транспорту електронів через KoQ, в результаті утворюється тільки 2 молекули АТФ . В ході циклу Кребса синтезується також одна молекула ГТФ (субстратное фосфорилирование ), Що рівносильно однієї молекулі АТФ . Отже, при окисленні однією молекули ацетил-КоА в циклі Кребса і системі окисного фосфорилювання може утворитися 12 молекул АТФ .

Якщо підрахувати повний енергетичний ефект гликолитического розщеплення глюкози і подальшого окислення двох утворилися молекул пірувату до СО2 і Н2О, то він виявиться значно більшим.

Як зазначалося, одна молекула НАДН (3 молекули АТФ ) Утворюється при окислювальному декарбоксилировании пірувату в ацетил-КоА. При розщепленні однієї молекули глюкози утворюється 2 молекули пірувату, а при окисленні їх до 2 молекул ацетил-КоА і наступних 2 оборотів циклу трикарбонових кислот синтезується 30 молекул АТФ (Отже, окислення молекули пірувату до СО2 і Н2О дає 15 молекул АТФ ). До цієї кількості треба додати 2 молекули АТФ , Що утворюються при аеробному гликолизе , І 6 молекул АТФ , Що синтезуються за рахунок окислення 2 молекул внемітохондріального НАДН, які утворюються при окисленні 2 молекул глицеральдегид-3-фосфату в дегідрогеназну реакції гліколізу . Отже, при розщепленні в тканинах однією молекули глюкози за рівнянням С6Н12О6 + 6О2 -> 6СО2 + 6Н2О синтезується 38 молекул АТФ . Безсумнівно, що в енергетичному відношенні повне розщеплення глюкози є більш ефективним процесом, ніж анаеробний гліколіз .

Необхідно відзначити, що утворилися в процесі перетворення глицеральдегид-3-фосфату 2 молекули НАДН в подальшому при окисленні можуть давати не 6 молекул АТФ , А тільки 4. Справа в тому, що самі молекули внемітохондріального НАДН не здатні проникати через мембрану всередину мітохондрій . Однак віддаються ними електрони можуть включатися в мітохондріальну ланцюг біологічного окислення за допомогою так званого гліцеролфосфатного човникового механізму (рис. 10.10). Ци-топлазматіческій НАДН спочатку реагує з цитоплазматическим ді-гідроксіацетонфосфатом, утворюючи гліцерин-3-фосфат. реакція каталізі-

Рис. 10.10. Гліцеролфосфатний човниковий механізм. Пояснення в тексті.

руется НАД-залежної цитоплазматичної гліцерин-3-фосфат-дегідроге-назой:

Дігідроксіацетонфосфат + НАДН + Н + <=> Гліцерол-3-фосфат + НАД +.

Утворився гліцерин-3-фосфат легко проникає через мітохонд-ріальну мембрану . усередині мітохондрії інша (мітохондріальна) гліцерин-3-фосфат-дегидрогеназа (флавіновими фермент ) Знову окисляє гліцерин-3-фосфат до діоксиацетонфосфат:

Гліцерин-3-фосфат + ФАД <=> діоксиацетонфосфат + ФАДН2.

відновлений флавопротеїнів (Фермент-ФАДН2) вводить на рівні KoQ придбані ним електрони в ланцюг біологічного окислення і сполученого з ним окисного фосфорилювання , А діоксіаце-тонфосфат виходить з мітохондрій в цитоплазму і може знову взаємодіяти з цитоплазматическим НАДН + Н +. Таким чином, пара електронів (З однієї молекули цитоплазматического НАДН + Н +), що вводиться в дихальний ланцюг за допомогою гліцеролфосфатного човникового механізму, дає не 3, а 2 АТФ .

Рис. 10.11. Малат-аспартатного човникова система для перенесення відновлюють еквівалентів від цитозольного НАДН в мітохондріальний матрикс. Пояснення в тексті.

Надалі було показано, що за допомогою даного човникового механізму лише в скелетних м'язах і мозку здійснюється перенесення відновлених еквівалентів від цитозольного НАДН + Н + в мітохондрії .

В клітинах печінки , Нирок і серця діє більш складна малат-ас-партатная човникова система. Дія такого човникового механізму стає можливим завдяки присутності малатдегідрогенази і ас-партатамінотрансферази як в цитоплазмі, так і в мітохондріях .

Встановлено, що від цитозольного НАДН + Н + відновлені еквіваленти спочатку за участю ферменту малатдегідрогенази (Рис. 10.11) переносяться на цитозольний оксалоацетат. В результаті утворюється малат, який за допомогою системи, транспортує дикарбонові кислоти , Проходить через внутрішню мембрану мітохондрії в матрикс. Тут малат окислюється в оксалоацетат, а матриксний НАД + відновлюється в НАДН + Н +, який може тепер передавати свої електрони в ланцюг дихальних ферментів , Локалізовану на внутрішній мембрані мітохондрії . У свою чергу утворився оксалоацетат в присутності глутамату і ферменту АсАТ вступає в реакцію трансаминирования . Утворені аспарат і α-кетоглутарат за допомогою спеціальних транспортних систем здатні проходити через мембрану мітохондрій .

Транспортування в цитоплазмі регенерує оксалоацетат, що викликає до дії наступний цикл. В цілому процес включає легкообратімие реакції , Відбувається без споживання енергії, «рушійною силою» його є постійне відновлення НАД + в цитозолі гли-церальдегід-3-фосфатом, що утворюється при катаболизме глюкози .

Отже, якщо функціонує малат-аспартатного механізм, то в результаті повного окислення однією молекули глюкози може утворитися НЕ 36, а 38 молекул АТФ (Табл. 10.1).

У табл. 10.1 наведені реакції , В яких відбувається утворення високоергіческіх фосфатних зв'язків в ході катаболізму глюкози , Із зазначенням ефективності процесу в аеробних і анаеробних умовах.

Попередня сторінка | Наступна сторінка
ЗМІСТ

Ще по темі: