9.4.2. Обмен пировиноградной кислоты

В зависимости от места и условий протекания гликолиза, наличия соответствующих ферментных систем, судьба ПВК может быть различна:

1. В анаэробных условиях происходит восстановление до молочной кислоты (молочнокислое брожение, окончание гликолиза):

Фермент – лактатдегидрогеназа.

Молочная кислота накапливается при активной мышечной работе и вызывает утомление мышц. Освобождение мышц от нее достигается выведением ее в кровь, а затем – в печень, где в аэробных условиях молочная кислота превращается в глюкозу, которая затем вновь поступает в мышцы и включается в гликолиз. Часть молочной кислоты в аэробных условиях окисляется до СО₂ и Н₂О (1/5 – 1/6) или идет на ресинтез гликогена.

Изменение свободной энергии G₃₁₀ при расщеплении глюкозы до молочной кислоты (С₆Н₁₂О₆ → 2С₃Н₆О₃) составляет около 210 кДж/моль. Из этого количества энергии около 126 кДж рассеивается в виде тепла, а 84 кДж накапливается в форме АТФ. Концевая макроэргическая связь АТФ соответствует примерно 33,6–42,0 кДж/моль. Таким образом, КПД гликолиза (до молочной кислоты) составляет около 0,4 (40%).

Молочнокислое брожение осуществляется молочнокислыми бактериями. Одни из них в процессе брожения углеводов образуют только молочную кислоту, а другие из каждой молекулы глюкозы «производят» по 1 молекуле молочной кислоты, этилового спирта и углекислого газа.

2. Спиртовое брожение осуществляется так называемыми дрожжеподобными организмами и некоторыми плесневыми грибами в анаэробных условиях: С₆Н₁₂О₆  2СО₂ + 2С₂Н₅ОН.

По своему механизму спиртовое брожение близко к гликолизу. При спиртовом брожении ПВК вначале подвергается декарбоксилированию под действием фермента пируватдекарбоксилазы, которая требует наличия ионов магния и кофермента тиаминпирофосфата (витамин В₁):

СН₃–СО–СООН  СН₃–СНО + СО₂.

Затем уксусный альдегид восстанавливается в этанол при участии фермента алкогольдегидрогеназы:

СН₃–СНО + НАДН₂  СН₃–СН₂–ОН + НАД.

Существуют и другие виды брожения, отличающиеся конечными продуктами: пропионовокислое, ацетоноэтиловое, маслянокислое, янтарнокислое, уксуснокислое и др.

3. В аэробных условиях происходит окислительное декарбокислирование (дыхание) с образованием ацетил-КоА, который затем может окисляться до СО₂ и Н₂О. Реакция окислительного декарбоксилирования идет в соответствии с уравнением:

СН₃–СО–СООН + НАД + НSКоА  СО₂ + СН₃–СОSКоА + НАДН₂

и ускоряется мультиэнзимным комплексом, называемым пируватдегидрогеназным.

Образовавшийся ацетил-КоА вступает в цикл три- и дикарбоновых кислот.

9.4.3. Цикл три- и дикарбоновых кислот (цикл Кребса)

Цикл три- и дикарбоновых кислот впервые был открыт английским биохимиком Х. А. Кребсом в 1937 г. В 1953 г. он удостоился Нобелевской премии по физиологии и медицине. Х.А. Кребс впервые постулировал значение данного цикла для полного «сгорания» ПВК, главным источником которой является гликолитическое превращение углеводов. В дальнейшем было показано, что цикл Кребса является «фокусом», в котором сходятся практически все метаболические пути.

Данный цикл состоит из 8-ми последовательных реакций. Ферменты цикла, ускоряющие единый метаболический многоступенчатый процесс окисления ацетильных групп, собраны в метаболон, локализованный между расположенными друг против друга поверхностями внутренней мембраны митохондрий (в кристах). В метаболоне осуществляется эстафетная передача промежуточных продуктов цикла от одного фермента к другому без их высвобождения в матрикс митохондрии. Поэтому процесс идет с большой скоростью. Рядом с метаболоном цикла Кребса располагаются пируватдегидрогеназный комплекс и, вероятно, метаболон -окисления жирных кислот, поставляющие ему ацетил-КоА.

Начинается цикл с конденсации ацетил-КоА со щавелевоуксусной кислотой (ЩУК) и образования лимонной кислоты. Затем лимонная кислота путем 4-х дегидрирований и 2-х декарбоксилирований теряет 2 атома углерода и снова в цикле Кребса появляется ЩУК, т. е. в результате полного оборота цикла молекула ацетил-КоА «сгорает» до СО₂ и Н₂О, а молекула ЩУК регенерируется.

Ниже приведены реакции цикла Кребса.

1. Конденсация ацетил-КоА со ЩУК, катализируемая ферментом цитратсинтазой.

G = –31,38 кДж/моль

2. Изомеризация лимонной кислоты (цитрата) в изолимонную (изоцитрат) под действием аконитатгидратазы, идет в две стадии:

2.1. Дегидратация лимонной кислоты:

G = 8,37 кДж/моль

2.2. Гидратация цис-аконитовой кислоты:

G = –2,09 кДж/моль

3. Окисление изолимонной кислоты, сопровождающееся декарбоксилированием. Катализируется ферментом изоцитратдегидрогеназой (кофермент – НАД):

G = –8,37 кДж/моль

4. Окислительное декарбоксилирование -кетоглутаровой кислоты, катализируемое -кетоглутаратдегидрогеназой и приводящее к образованию сукцинил-КоА:

G = –30,12 кДж/моль

5. Субстратное фосфорилирование, катализируемое сукцинат: КоАлигазой:

G = –3,35 кДж/моль

ГТФ + АДФ ⇄ ГДФ + АТФ.

6. Превращение янтарной кислоты в фумаровую (дегидрирование), катализируемое сукцинатдегидрогеназой (кофермент – ФАД):

G = 0

7. Гидратация фумаровой кислоты под действием фумаратгидратазы с образованием яблочной кислоты (малата):

G = –3,77 кДж/моль

8. Окисление яблочной кислоты до кетоформы ЩУК, катализируемое малатдегирогеназой:

G = 29,71 кДж/моль

Суммарное уравнение цикла Кребса:

СН₃–СОSКоА + 3НАД + ФАД + АДФ + Н₃РО₄ 

 НSКоА + 3НАДН₂ + ФАДН₂ + АТФ + 2СО₂.

Как видно, за 1 оборот цикла Кребса происходит полное окисление 1 молекулы ацетил-КоА. Для непрерывной работы цикла необходимо постоянное поступление в систему ацетил-КоА, а коферменты (НАД и ФАД), перешедшие в восстановленное состояние, должны снова и снова окисляться. Это окисление происходит в дыхательной цепи, локализованной в митохондриях.

Освобождающаяся в результате окисления ацетил-КоА энергия в значительной мере сосредоточивается в макроэргических связях АТФ. Из 4-х пар атомов Н три пары переносятся на систему транспорта электронов через НАД, при этом синтезируется по 3 молекулы АТФ, а всего – 9 молекул АТФ. Одна пара атомов Н попадает в дыхательную цепь через ФАД, в результате образуется 2 молекулы АТФ. Одна молекула АТФ синтезируется в ходе реакций цикла Кребса. Таким образом, при окислении 1 молекулы ацетил-КоА в цикле Кребса образуется 12 молекул АТФ.