6. Цикл Кребса и дыхательная этц: химизм, энергетика, физиологическое значение.

Цикл Кребса: химизм, энергетика, физиологическое значение.

{1 – мультиэнзимный комплекс окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты, 2 – цитратсинтаза, 3 – аконитатгидратаза, 4 – изоцитратдегидрогеназа, 5 – мультиэнзимный комплекс окислительного декарбоксилирования α-кетоглутаровой кислоты, 6 – сукцинатдегидрогеназа, 7 – фумаратгидратаза, 8 – малатдегидрогеназа}.

Кребс предложил свою схему последовательности окисления ди- и трикарбоновых кислот до СО2 за счет отнятия е и Н⁺ через цикл лимонной кисло­ты. При окислении одной молекулы пирувата в цикле происходит выделение 3 молекул СО2, включение 3 молекул Н2О и образование 5 восстановленных коферментов соответствующих дегидрогеназ. Окисление пирувата включает две стадии: 1) окислительное декарбоксилирование пирувата до ацетил-СоА и 2) окис­ление остатка ацетил-СоА в цикле ди- и трикарбоновых кислот (цикле Кребса).

На первом этапе пируват декарбоксилируется пируватдегидрогеназой с образовани­ем ацетата и NADH. Пируватдегидрогеназа существует в виде комплекса нескольких ферментов, которые катализируют процесс окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты в три этапа: 1) декарбоксилирование, 2) окисление и 3) образование ацетил-СоА. На последнем этапе ацетат взаимодействует с серосодер­жащим коэнзимом А (СоА), в результате чего образуется макроэргическое соединение ацетил-СоА. После этого ацетил-СоА поступает в цикл Кребса и окисляется в нем с об­разованием двух молекул СO2.

В цикле Кребса под действием фермента цитратсинтазы из ацетил-СоА и щавелевоуксусной кислоты (оксалоацетат) образуется шестиуглеродная трикарбоновая кисло­та - лимонная (цитрат). Затем цитрат изомеризуется в изоцитрат при участии фермен­та аконитазы. После этого изоцитрат дважды подвергается окислительному декарбоксилированию, в результате чего образуются две молекулы NADH, две молекулы Сo2 и 4-углеродное соединение сукцинил-СоА.

Далее янтарная кислота окисляется до фумаровой (фумарат) при участии сукцинатдегидрогеназы, коферментом которой является FAD. Сукцинатдегидрогеназа, мембранно-связанный фермент цикла Кребса, входит в состав комплекса II электрон-транспортной цепи митохондрий. Затем к фумаровой кислоте под действием фумаразы при­соединяется вода и образуется яблочная кислота (малат), которая окисляется малатдегидрогеназой до щавелевоуксусной кислоты (оксалоацетат) с образованием NADH. Оксалоацетат вновь взаимодействует с ацетил-СоА и, таким образом, цикл замыкается.

Энергетика цикла Кребса. На каждую молекулу NADH или NADPH, окислен­ную в электрон-транспортной цепи митохондрий, образуется 3 молекулы АТР. При окислении одной молекулы FADH2 синтезируется 2 молекулы АТР. Таким образом, после полного окисления в цикле Кребса одной молекулы пировиноградной кислоты образуется 4 молекулы NADH (что соответствует 12 АТР), 1 молекула FADH2 (экви­валентна 2 АТР) и 1 молекула АТР, т.е. всего 12+2+1 - 15 молекул АТР. Если же учесть, что при окислении глюкозы в гликолизе образуется две молекулы пирувата, то 15 АТР необходимо удвоить, что в итоге составит 30 молекул АТР. Сюда необходимо также добавить 2 молекулы АТР и 2 молекулы NADH (соответствующие 6 АТР), обра­зованные в гликолизе. Поэтому суммарный итог окислительного расщепления глюкозы через гликолиз и цикл Кребса составит 30+8 - 38 молекул АТР.

Дыхательная электронтранспортная цепь состоит из переносчиков электронов, которые передают электроны от субстратов на кислород. Расположение переносчиков определяется величиной их окислительно-восстановительного потенциала. Цепь начинается с НАДН, имеющего потенциал –0,32 В, и кончается кислородом с потенциалом +0,82 В. Переносчики расположены по обеим сторонам внутренней мембраны митохондрий и пересекают ее. На внутренней стороне мембраны, расположенной к матриксу митохондрии, два протона и два электрона от НАДН переходят на флавинмононуклеотид и железосерные белки. Флавинмононуклеотид, получив протоны, восстанавливается и переносит их на внешнюю сторону мембраны, где отдает протоны в межмембранное пространство. Железосерные белки, находящиеся внутри мембраны, передают электроны от НАДН окисленному убихинону Q. Он, присоединив еще два протона, диффундирует в мембране к цитохромам. Цитохром b₅₆₀ отдает два электрона убихинону, который, присоединив еще два протона из матрикса, передает два электрона цитохрому b₅₅₆ и два электрона цитохрому c₁, а протоны выходят в межмембранное пространство. На наружной стороне мембраны цитохром с, получив два электрона от цитохрома c₁, передает их цитохрому а, который переносит их через мембрану на цитохром а₃. Цитохром а₃, связывая кислород, отдает ему электроны. Кислород присоединяет два протона с образованием воды.

Таким образом, транспорт электронов в дыхательной электронтранспортной цепи сопровождается трансмембранным переносом протонов. Возникающая разность потенциалов по обеим сторонам внутренней мембране митохондрий используется для синтеза АТФ (окислительное фосфорилирование). В результате прохождения двух электронов по цепи образуется 3 молекулы АТФ.