2.7.2. Общая схема дыхания

Ацетильные группы, образовавшиеся из углеводов, жиров и аминокислот на второй стадии катаболизма, вступают в 3 стадию, т.е. в цикл трикарбоновых кислот – общий конечный путь окислительного катаболизма всех видов клеточного топлива в аэробных условиях. В этом цикле ацетильные группы расщепляются с высвобождением СО₂ и атомов водорода. Последние (или соответствующие им электроны) включаются в дыхательную цепь, состоящую из серии переносчиков электронов. Процесс переноса электронов по дыхательной цепи к конечному акцептору электронов - молекулярному кислороду - сопровождается очень большим уменьшением свободной энергии. Значительная часть этой энергии запасается в виде АТФ, которая образуется в результате сопряженного с окислением фосфорилирования АДФ (рис.12).

Суммарная реакция цикла трикарбоновых кислот описывается уравнением:

Ацетил-СоА + 3НАД⁺ + ФАД + ГДФ + Ф_н + Н₂О  2 СО₂ + 3НАДН +ФАДН₂ + ГТФ + 2Н⁺ + СоА

Основная функция цикла заключается в дегидрировании уксусной кислоты, которое в конечном счете приводит к образованию 2 молекул СО₂ и 4 пар атомов водорода. Этот процесс включает ряд последовательных ферментативных реакций, замкнутых в цикл (в отличие от реакций гликолиза, которые следуют одна за другой в линейном порядке). При каждом обороте цикла молекула уксусной кислоты (2 атома углерода) вступает во взаимодействие с молекулой 4-углеродного соединения – щавелево-уксусной кислоты – образуя 6-углеродное соединение – лимонную кислоту. Затем лимонная кислота разрушается с образованием 2 молекул СО₂ и 4-углеродного соединения - янтарной кислоты. Последняя в конечном счете окисляется до щавелевоуксусной кислоты, которая может снова включаться в цикл. При каждом обороте в цикл вовлекается 1 молекула уксусной кислоты и образуется 2 молекулы СО₂. Одна молекула щавелевоуксусной кислоты расходуется на образование лимонной кислоты, но в конце цикла регенерирует. Поэтому практически щавелевоуксусная кислота в цикле не расходуется: одной ее молекулы достаточно для окисления неограниченного количества молекул уксусной кислоты.

2.7.3. Окисление пирувата до ацетил-КоА

Аэробное дыхание распадается на две стадии. В первой при достаточном количестве кислорода каждая молекула пирувата поступает в митохондрию, где она полностью окисляется аэробным путем. Сначала происходит окислительное декарбоксилирование пирувата, т.е. отщепление СО₂ с одновременным окислением путем дегидрирования. Во время этих реакций молекула пирувата соединяется с веществом, которое называется коферментом А (КоА или КоА-SH), в результате чего образуется ацетилкофермент А. Количество выделяющейся при этом энергии достаточно для образования в молекуле ацетилкофермента А высокоэнергетической связи. Этот процесс представляет собой необходимую стадию, благодаря которой углеводы (через пируват) включаются в цикл. КоА выполняет функцию переносчика ацильных (в данном случае ацетильных групп), точно также как АТФ выполняет функцию переноса фосфатных групп. Ацетилированная форма КоА (ацетил-КоА) представляет собой тиоэфир, в образовании которой участвует карбоксильная группа уксусной кислоты и тиоловая группа КоА. Тиоэфирная связь относится к высокоэнергетическим связям, что означает, что стандартная свободная энергия гидролиза ацетил–S–КоА выражается большой отрицательной величиной

Ацетил–S–КоА + Н₂О → Ацетат + КоА – SH G = – 7,52 ккал

Окислительное декарбоксилирование пирувата до Ацетил–КоА и СО₂ требует присутствия трех различных ферментов и пяти коферментов, объединенных в один мультиферментный комплекс – пируватдегидрогеназную систему.

Суммарная реакция имеет вид:

СН₃СОСООН + КоА–S – H + НАД⁺ → СН₃СО ~ S – КоА + СО₂ + НАДH + Н⁺

НАДH, являющийся продуктом этой реакции, отправляется в дыхательную цепь митохондрий.

Пируватдегидрогеназный комплекс избирательно ингибируется мышьяком, а также АТФ, которая служит негативным модулятором. Всякий раз, как содержание АТФ в клетке начинает превышать определенный уровень, пируватдегидрогеназная система, поставляющая “топливо” для цикла Кребса, сразу же выключается. “Топливом”, поступающим в цикл трикарбоновых кислот, служит ацетил–КоА – конечный продукт сложных превращений, катализируемых пируватидегидрогеназой.

Рис.12. Общая схема дыхания