5.8.2. Две стадии клеточного дыхания

Процесс улавливания и запасания энергии в виде АТФ в клетках человека – окислительный процесс – можно разделить на две стадии:

(1) гликолиз (безкислородное расщепление глюкозы, анаэробное дыхание) и цикл Кребса (цикл лимонной кислоты, цикл трикарбоновых кислот) и

(2) кислородное клеточное дыхание – окислительное фосфорилирование, которое дает основной вклад (~95%) в синтез АТФ в условиях аэробного дыхания. На второй стадии энергия, необходимая для образования высокоэнергетических фосфатных связей, генерируется в дыхательной окислительной цепи, функционирующей в митохондриях.

I. Первая стадия клеточного дыхания

Гликолиз (греч. glykýs сладкий, lýsis – разложение, растворение, распад) является простейшей формой анаэробного брожения, в результате которого из питательных веществ извлекается энергия.

Гликолиз заключается в последовательном ряде ферментативных реакций дегидрирования. Суммарный процесс гликолиза является практически необратимым процессом, так как энергетический баланс связан с уменьшением свободной энергии .

Начальной реакцией гликолиза служит активация молекулы D-глюкозы путем фосфорилирования и приобретения ею отрицательного заряда за счет АТФ:

. (5.8)

Значительное уменьшение стандартной свободной энергии

.

свидетельствует о необратимости реакции внутри клетки. Обратная ферментативная реакция, обеспечивающая поступление свободной глюкозы в кровь идет в печени.

Далее происходит реакция изомеризации ( ):

(5.9)

и фосфорилирования ( ):

. (5.10)

В результате двух последующих реакций (реакции расщепления фруктозо-1,6-дифосфата ( ) и реакции взаимопревращения триозофосфатов ( )):

(5.11)

(5.12)

образуется две молекулы глицеральдегид-3-фосфата (сахарного альдегида (сокращ. от новолат. – алкоголь, лишенный водорода; органические соединения, содержащие альдегидную группу –(Н)С=О)).

Следующий этап гликолиза является основным этапом. Он включает две энергетически сопряженные реакции ((1) и (2) на рис. 5–11) окисления альдегида до карбоновой кислоты –(НО)С=О.

В реакции (1) водород в виде гидрид-иона отщепляется от альдегидной группы (в пунктирном овале) глицеральдегид-3-фосфата и переносится к молекуле – переносчику NAD⁺. Одновременно фосфат-ион , находящийся в растворе, образует лабильную (от лат. labilis – неустойчивый) химическую связь с новообразованной карбоксильной группой (двойной пунктирный овал). Реакция (1):

является эндоэргической реакцией: ). Энергия, высвобождающаяся при окислении альдегида, запасается в фосфатных связях 1,3-дифосфоглицерата.

Продукт окисления 1,3-дифосфоглицерат является макроэргом, аккумулятором энергии, обладающим стандартной свободной энергией гидролиза еще более отрицательной, чем у АТФ ( ).

В реакции (2, рис. 5–11) реакционно-способная фосфатная группа переносится на АДФ (ADP) с образованием АТФ (ATP) и освобождением свободной гидроксильной группы (в треугольной рамке):

Реакция идет с выделением энергии , соответствующей переходу к макроэргу (АТФ), обладающему меньшим запасом свободной энергии гидролиза: .

Таким образом, в результате реакций (1) и (2) – окисления сахарного альдегида в фосфоглицериновую кислоту (3-фосфоглицерат, рис. 5–11, внизу) – происходит перенос неорганического фосфата с образованием высокоэнергетической связи в АТФ и восстановление НАД⁺ до НАДН.

Заметим, что эти две сопряженные реакции играют центральную роль в процессе фиксации углерода при фотосинтезе, но при этом идут в противоположном направлении.

Последующие реакции гликолиза заканчиваются образованием лактата:

, ;

, ;

, ;

Итак, одна молекула глюкозы расщепляется в процессе девяти последовательных ферментативных реакций гликолиза на две молекулы пировиноградной кислоты (пирувата – аниона СН₃СОСОО^– пировиноградной кислоты), содержащих по три атома углерода каждая. Эти реакции протекают в водной среде клетки – цитоплазме – и не требуют присутствия кислорода.

Итоговое уравнение гликолиза может быть записано в виде

С6Н12О6 +	2 H3PO4 +	2 АДФ	→	(5.13)
Глюкоза	Фосфорная кислота		гликолиз
→	2 С3Н4О3	+ 4Н +	2 АТФ
	Пировиноградная кислота		Чистый выход

В анаэробных условиях пируват восстанавливается до лактата:

, . Лактат выделяется через плазматическую мембрану в окружающую среду как отброс. При сильной мышечной нагрузке лактат из мышц поступает в кровь, а в печени лактат вновь превращается в глюкозу.

Затем пировиноградная кислота переходит в митохондрии, и здесь, в матриксе митохондрий, происходит целый цикл реакций, называемый циклом Кребса (или циклом лимонной кислоты), в результате которых осуществляются метаболические процессы окисления углеводов до СО₂ и Н₂О, а также поставляются субстраты АН₂ для второго этапа окисления путем дегидрирования (рис. 5–12). Митохондрии служат местом окончательного окисления атомов углерода и водорода питательных веществ.

Пируват (соли пировиноградной кислоты), жирные кислоты и некоторые аминокислоты поступают из цитозоля в митохондрии, где они превращаются в ацетил-СоА (см. с. 392–394) или другой промежуточный продукт цикла Кребса. Ацетилкофермент А (ацетил-КоА или ацетил-СоА) является активированной формой карбоновой (уксусной) кислоты . Он связывает и тем самым активирует остатки жирных кислот, благодаря образованию тиолсложноэфирной связи (связь с серой S является макроэргической).

Суммарную реакцию гликолиза, включая цикл Кребса, можно записать так:

С6Н12О6+6Н2О	→	6СО2+4АТФ+12АсН2,	(5.14)
	Гликолиз с циклом Кребса

где Ас – акцептор водорода (например, кофермент ниацин – НАД или кофермент А).

Естественно, что молекулы АДФ и фосфорной кислоты, которые всегда присутствуют в клетке, обязательно входят, как субстраты реакции.