Окисления ацетил-CоА в цикле Кребса
Цикл трикарбоновых кислот впервые был открыт английским биохимиком Г. Кребсом.
Он первым постулировал значение данного цикла для полного сгорания пирувата, главным источником которого является гликолитическое превращение углеводов. В дальнейшем было доказано, что цикл трикарбоновых кислот является тем центром, в котором сходятся практически все метаболические пути. Таким образом, цикл Кребса, – общий конечный путь окисления ацетильных групп (в виде ацетил-CоА), в которые в процессе катаболизма превращается большая часть органических молекул, играющих роль «клеточного топлива»: углеводов, жирных кислот и аминокислот.
Ацетил-СоА, образовавшийся в результате окислительного декарбоксилирования пирувата в митохондриях, вступает в цикл Кребса. Данный цикл происходит в матриксе митохондрий и состоит из восьми последовательных реакций. Начинается цикл конденсацией ацетил-СоА с оксалоацетатом и образованием лимонной кислоты (цитрата). Затем лимонная кислота (шестиуглеродное соединение) путем ряда дегидрирований (отнятие водорода) и двух декарбоксилирований (отщепление СО2) теряет два углеродных атома и снова в цикле Кребса превращается в оксалоацетат (четырехуглеродное соединение), т.е. в результате полного оборота цикла одна молекула ацетил-СоА сгорает до СО2 и Н2О, а молекула оксалоацетата регенерируется. Рассмотрим все восемь последовательных реакций (этапов) цикла Кребса.
Первая реакция катализируется ферментом цитрат-синтазой; при этом ацетильная группа ацетил-СоА конденсируется с оксалоацетатом, в результате чего образуется лимонная кислота:
По-видимому, в данной реакции в качестве промежуточного продукта образуется связанный с ферментом цитрил-СоА, который затем самопроизвольно и необратимо гидролизуется с образованием цитрата и HS-СoA.
В результате второй реакции образовавшаяся лимонная кислота подвергается дегидратированию с образованием цис-аконитовой кислоты, которая, присоединив молекулу воды, переходит в изолимонную кислоту (изоцитрат). Катализирует эти обратимые реакции гидратации-дегидратации фермент аконитатгидратаза (аконитаза). В результате происходит взаимоперемещение Н и ОН в молекуле цитрата:
Третья реакция, по-видимому, лимитирует скорость цикла Кребса. Изолимонная кислота дегидрируется в присутствии NAD-зависимой изо-цитратдегидрогеназы.
В ходе изоцитратдегидрогеназной реакции изолимонная кислота одновременно декарбоксилируется. NAD+-зависимая изоцитратдегидрогеназа является аллостерическим ферментом, которому в качестве специфического активатора необходим ADP. Кроме того, фермент для проявления своей активности нуждается в ионах Mg2+ или Мn2+.
Во время четвертой реакции происходит окислительное декарбокси-лирование α-кетоглутаровой кислоты с образованием высокоэнергетического соединения сукцинил-CоА. Механизм этой реакции сходен с механизмом реакции окислительного декарбоксилирования пирувата до ацетил-СоА, α-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс напоминает по своей структуре пируватдегидрогеназный комплекс. Как в одном, так и в другом случае в реакции принимают участие 5 коферментов: TPP, амид липоевой кислоты, HS-CoA, FAD и NAD+.
Пятая реакция катализируется ферментом сукцинил-СоА-синтетазой. В ходе этой реакции сукцинил-СоА при участии GTP и неорганического фосфата превращается в янтарную кислоту (сукцинат). Одновременно происходит образование высокоэргической фосфатной связи GTP за счет высокоэргической тиоэфирной связи сукцинил-СоА:
В результате шестой реакции сукцинат дегидрируется в фумаровую кислоту. Окисление сукцината катализируется сукцинатдегидрогеназой, в молекуле которой с белком прочно (ковалентно) связан кофермент FAD. В свою очередь сукцинатдегидрогеназа прочно связана с внутренней ми-тохондриальной мембраной:
Седьмая реакция осуществляется под влиянием фермента фума-ратгидратазы (фумаразы). Образовавшаяся при этом фумаровая кислота гидратируется, продуктом реакции является яблочная кислота (малат). Следует отметить, что фумаратгидратаза обладает стереоспецифичностью, т.е. в ходе реакции образуется L-яблочная кислота:
Наконец, в ходе восьмой реакции цикла трикарбоновых кислот под влиянием митохондриальной NAD-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-CоА. Для непрерывной работы цикла необходимо постоянное поступление в систему ацетил-CоА, а коферменты (NAD+ и FAD), перешедшие в восстановленное состояние, должны снова и снова окисляться. Это окисление осуществляется в системе переносчиков электронов в дыхательной цепи (в цепи дыхательных ферментов), локализованной в мембране митохондрий. Образовавшийся FADН2 прочно связан с сукцинатдегидрогеназа, поэтому он передает атомы водорода через CoQ.
Освобождающаяся в результате окисления ацетил-CоА энергия в значительной мере сосредоточивается в макроэргических фосфатных связях ATP. Из четырех пар атомов водорода три пары переносят NADH на систему транспорта электронов; при этом в расчете на каждую пару в системе биологического окисления образуется три молекулы ATP (в процессе сопряженного окислительного фосфорилирования), а всего, следовательно, девять молекул ATP. Одна пара атомов от сукцинатдегидрогеназы-FADН2 попадает в систему транспорта электронов через CoQ, в результате образуется только две молекулы ATP. В ходе цикла Кребса синтезируется также одна молекула GTP (субстратное фосфорилирование), что равносильно одной молекуле ATP. Итак, при окислении одной молекулы ацетил-CоА в цикле Кребса и системе окислительного фосфорилирования может образоваться двенадцать молекул ATP.
Если подсчитать полный энергетический эффект гликолитического расщепления глюкозы и последующего окисления двух образовавшихся молекул пирувата до СО2 и Н2О, то он окажется значительно большим.
Как отмечалось, одна молекула NADH (три молекулы ATP) образуется при окислительном декарбоксилировании пирувата в ацетил-CоА. При расщеплении одной молекулы глюкозы образуется две молекулы пирувата, а при окислении их до двух молекул ацетил-CоА и в ходе двух оборотов цикла трикарбоновых кислот синтезируется тридцать молекул ATP (следовательно, окисление молекулы пирувата до СО2 и Н2О дает пятнадцать молекул ATP). К этому количеству надо добавить две молекулы ATP, образующиеся при аэробном гликолизе, и шесть молекул ATP, синтезирующихся за счет окисления двух молекул внемитохондриального NADH, которые образуются при окислении двух молекул глицеральдегид-3-фосфата в дегидрогеназной реакции гликолиза. Следовательно, при расщеплении в тканях одной молекулы глюкозы по уравнению С6Н12О6 + 6О2 → 6СО2 + 6Н2О синтезируется тридцать восемь молекул ATP. Несомненно, что в энергетическом отношении полное расщепление глюкозы является более эффективным процессом, чем анаэробный гликолиз.
Необходимо отметить, что образовавшиеся в процессе превращения глицеральдегид-3-фосфата две молекулы NADH в дальнейшем при окислении могут давать не шесть молекул АТР, а только четыре. Дело в том, что сами молекулы внемитохондриального NADH не способны проникать через мембрану внутрь митохондрий. Однако отдаваемые ими электроны могут включаться в митохондриальную цепь биологического окисления с помощью так называемого глицеролфосфатного челночного механизма. Цитоплазматический NADH сначала реагирует с цитоплазматическим дигидроксиацетонфосфатом, образуя глицерол-3-фосфат. Реакция катализируется NАDН-зависимой цитоплазматической глицерол-3-фосфатдегидрогеназой:
Дигидроксиацетонфосфат + NАDН + Н+ ↔ Глицерол-3-фосфат + NАD +.
Образовавшийся глицерол-3-фосфат легко проникает через митохондриальную мембрану. Внутри митохондрии другая (митохондриальная) глицерол-3-фосфатдегидрогеназа (флавиновый фермент) снова окисляет глицерол-3-фосфат до диоксиацетонфосфата:
Глицерол-3-фосфат + FAD ↔ Диоксиацетонфосфат + FADН2.
Восстановленный флавопротеин (фермент-FADН2) вводит на уровне CoQ приобретенные им электроны в цепь биологического окисления и сопряженного с ним окислительного фосфорилирования, а диоксиаце-тонфосфат выходит из митохондрий в цитоплазму и может вновь взаимодействовать с цитоплазматическим NАDН + Н+.
Таким образом, пара электронов (из одной молекулы цитоплазматического NАDН + Н+), вводимая в дыхательную цепь с помощью глицеролфосфатного челночного механизма, дает не три, а две молекулы АТР.
ЛЕКЦИЯ 19
АЭРОБНЫЙ КАТАБОЛИЗМ УГЛЕВОДОВ (ЧАСТЬ 2)
Регуляция цикла Кребса на уровне цитратсинтазы,