Аэробное окисление углеводов

Дыхание. Аэробное окисление углеводов происходит в присутствии кислорода воздуха, в связи с чем его часто называют дыханием.

В отличие от гликолиза (гликогенолиза), где конечным акцептором атомов водорода и электронов служит провиноградная кислота, при дыхании роль такого акцептора выполняет кислород. В первом случае в качестве конечного продукта образуется молочная кислота, в которой суммарная степень окисления углерода осталась такой же, как и у глюкозы, во втором случае образуется углекислый газ — значительно более простое соединение, у которого единственный атом углерода полностью окислен. Вместе с тем дыхание и гликолиз имеют много общих звеньев.

Дыхание, так же как и гликолиз, сопровождается образованием фосфорных эфиров глюкозы и фруктозы, фосфотриоз—диоксиацетонфосфата и глицеральдегид-3-фосфата, а также таких промежуточных продуктов, как 1,3-дифосфоглицериновая кислота, 3-фосфоглицерат, фосфоенолпирувати пировиноградная кислота. Многие реакции гликолиза и дыхания катализируются одними и теми же ферментами. Другими словами, при дыхании превращение глюкозы до молочной кислоты проходит все те этапы, что и при гликолизе. Однако при этом атомы водорода, отщепленные от глицеральдегид-3-фосфата, не восстанавливают пировиноградную кислоту, а передаются на кислород, пройдя через сложную систему ферментов дыхательной цепи.

Молочная кислота, образующаяся в процессе гликолиза, как уже говорилось, содержит еще довольно значительный запас (примерно 93 %) потенциальной энергии. Однако несмотря на это, первые живые организмы, извлекавшие энергию в анаэробных условиях, выделяли ее в окружающую среду.

С появлением в атмосфере Земли кислорода живые организмы выработали новые, более совершенные механизмы окисления, в результате которых количество высвобождающейся энергии оказалось намного больше, чем при гликолизе, поскольку конечным продуктом дыхания является СО₂, атом углерода которого полностью окислен. Наряду с этим природа создала новые механизмы доокисления конечного продукта гликолиза, который выводился в окружающую среду. Иными словами, она как бы создала надстройку над гликолизом для окисления его конечного продукта в аэробных условиях, сохранив прежними многие его этапы.

При дыхании не образуется молочная кислота. Поэтому пировиноградная кислота является тем общим субстратом, или центральным звеном, где заканчивается гликолиз и начинается дыхание (или же расходятся пути гликолиза и дыхания — анаэробного и аэробного окисления глюкозы).

Сохранив прежние этапы гликолиза, клетки организма человека и высших животных сохранили способность окислять глюкозу в анаэробных условиях, в результате чего при недостатке кислорода они имеют возможность получать энергию таким путем. Однако при этом образовавшаяся в анаэробных условиях молочная кислота, обладающая довольно большим запасом энергии, не выбрасывается в окружающую среду, а накапливается и мышцах. Из мышц она током крови доставляется в печень, где снова превращается в глюкозу. При поступлении в клетку достаточного количества кислорода часть молочной кислоты окисляется дальше до СО₂ и Н₂О.

Превращение молочной кислоты. Образовавшаяся при анаэробном окислении глюкозы молочная кислота окисляется до СО₂ и Н₂О следующим образом. Сначала под действием фермента лактатдегидрогеназы, коферментом которой является НАД, она окисляется до пировиноградной кислоты:

которая затем под влиянием пируватдекарбоксилазы, представляющей собой сложный полиферментный комплекс, подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием активной формы уксусной кислоты — ацетил- КоА:

где ТПФ — тиаминпирофосфат; ЛК — липоевая кислота; HSKoA — коэнзим А.

В том случае, когда ткани хорошо снабжаются кислородом, пировиноградная кислота подвергается окислительному декарбоксилированию сразу, не восстанавливаясь до молочной кислоты. Восстановленный же кофермент НАД • Н + Н⁺, образовавшийся при окислении глицеральдегид-3-фосфата, передает водород через ферменты аэробного обмена (т.е. дыхательную цепь) на кислород, образуя воду.

Превращение пировиноградной кислоты в ацетил-КоА является подготовительной, или переходной, стадией, благодаря которой углеводы через пировиноградную кислоту, а затем через ацетил-КоА включаются в новый этап — кислородное окисление. Другими словами, этот процесс — связующее звено между гликолизом и собственно дыханием. Однако уже в результате окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты до ацетил-КоА высвобождается около 9 % всей энергии окисления глюкозы, т.е. больше, чем при гликолизе в целом, где высвобождается всего 5—7 % энергии. Если учесть 5—7 % энергии гликолиза и 9 % энергии окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты, то всего выделяется 14—16 % энергии, аккумулированной в углеводах. Следовательно, остальные 84—86 % энергии сохраняется еще в молекуле уксусной кислоты.

Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса) представляет собой новый, более совершенный механизм окисления углеводов, выработанный у живых организмов с появлением на Земле кислорода. При помощи этого механизма происходит дальнейшее превращение уксусной кислоты в форме ацетил-КоА до СО₂ и Н₂О в аэробных условиях с высвобождением энергии.

В связи с тем что первыми субстратами в процессе окисления уксусной кислоты являются трикарбоновые кислоты, а гипотезу о механизме этого окисления выдвинул X. А. Кребс, процесс назвали циклом трикарбоновых кислот, или циклом Кребса.

Первой реакцией цикла является реакция конденсации ацетил-КоА со щавелевоуксусной кислотой, которую катализирует фермент цитратсинтаза. В результате образуется активная форма лимонной кислоты — цитрил-KoA:

Гидролизуясь, цитрил-КоА превращается в лимонную кислоту:

Последняя под действием фермента аконитатгидратаза превращается в цис-аконитовую кислоту, которая, присоединяя воду, превращается в изолимонную кислоту:

Изолимонная кислота далее окисляется путем отщепления двух атомов водорода, превращаясь в щавелевоянтарную. Этой реакцией начинается отщепление СО₂ и первое окисление ацетил-КоА в трикарбоновом цикле. Щавелево-янтарная кислота, декарбоксилируясь, превращается в α-кетоглутаровую кислоту. Дегидрирование изолимон-ной и декарбоксилирование щавелево-янтарной кислот катализируется ферментом изоцитратдегидрогеназой с участием кофермента НАД⁺:

Следующим этапом цикла трикарбоновых кислот является реакция окислительного декарбоксилирования α-кетоглутаровой кислоты, в результате которой образуется янтарная кислота. Этот процесс протекает в две стадии. Сначала α-кетоглутаровая кислота подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием активной формы янтарной кислоты — сукцинил-КоА — и СО₂. Эта реакция напоминает реакцию превращения пировиноградной кислоты до ацетил-КоА и катализируется также сложным полиферментным комплексом — α-кетоглутаратдегидрогеназой. В результате этой реакции происходит второе отщепление углекислого газа и дегидрирование уксусной кислоты, вступившей в цикл:

Образовавшаяся активная форма янтарной кислоты сукцинил-КоА, в отличие от ацетил-КоА, представляет собой макроэргическое тио-эфирное соединение, в котором аккумулирована энергия окисления α-кетоглутаровой кислоты.

На следующей стадии эта энергия используется для образования ГТФ (гуанозинтрифосфорной кислоты) из ГДФ и неорганической фосфорной кислоты и запасается в фосфатных связях этого соединения. Реакция катализируется ферментом сукцинилтиокиназой:

Образовавшийся в результате этой реакции ГТФ взаимодействует с АДФ, в результате чего образуется АТФ:

ГТФ + АДФ ГДФ + АТФ.

Синтез АТФ, сопряженный с окислением субстрата, является еще одним примером субстратного фосфорилирования.

В дальнейшем ходе цикла трикарбоновых кислот происходит еще два дегидрирования. Янтарная кислота под действием сукцинатде-гидрогеназы с участием кофермента ФАД⁺ отщепляет два атома водорода и превращается в фумаровую кислоту, а ФАД⁺ восстанавливается до ФАД•Н₂. Затем фумаровая кислота, присоединяя молекулу воды, образует яблочную кислоту (малат), которая при помощи малат-дегидрогеназы и кофермента НАД⁺ снова подвергается дегидрированию. При этом образуется щавелево-уксусная кислота, т.е. субстрат, с которого начался цикл трикарбоновых кислот:

Регенерированная щавелево-уксусная кислота может снова вступать в реакцию с новой молекулой ацетил-КоА, и процесс начнется в том же порядке.

Общую схему цикла трикарбоновых кислот можно представить следующим образом: