3.3. Превращение пирувата

В аэробных условиях главный путь превращения образовавшейся при гликолизе ПВК – окислительное декарбоксилирование при помощи пируватдегидрогеназного мультиферментного комплекса, составной частью которого является коэнзим А (СоА или СоА-SH). В результате образуется ацетил-СоА. Окисление пирувата и образование ацетил-СоА (активированной уксусной кислоты) – очень сложный процесс, рассматриваемый подробно в курсе биохимии. Ограничимся суммарным выражением этого процесса:

СН₃СОСООН + НАД⁺ + СоА-SH →

СН₃СО ~ S-СоА + НАДН + Н⁺ + СО₂

В молекуле ацетил-СоА (СН₃СО ~ S-СоА) тиоловая группа участвует в образовании эфирной связи уксусной кислоты. Тиоэфирная связь относится к высокоэнергетическим связям.

Рассмотренный путь образования ацетил-СоА является главным, но не единственным. Ацетил-СоА может образовываться при окислении аминокислот и жирных кислот. Это значит у высших растений дыхательным субстратом могут быть все основные запасенные вещества: углеводы, белки, жиры.

В анаэробных условиях пируват вступает в реакции брожжения. При брожжении, в основном спиртовом, пируват декарбоксилируется с образованием уксусного альдегида при участии карбоксилазы, а затем восстанавливается до этилового спирта ферментом алкагольдегидрогеназой:

СН₃СОСООН → СН₃СОН + СО₂

СН₃СОН + НАДН + Н⁺ → СН₃СН₂ОН + НАД⁺.

Ни одна из реакций не сопровождается ни образованием АТФ, ни восстановлением коферментов. Образовавшийся во время гликолиза НАДН растрачивается на восстановление уксусного альдегида.

В последние годы выявлено молочно-кислое брожжение. В этом случае из одной молекулы гексозы образуются две молекулы молочной кислоты:

С₆Н₂О₆ → 2СН₃СНОН СООН.

Таким образом, основная функция брожжения заключается в регенерации НАД⁺ и обеспечении гликолитических процессов окисленной формой кофермента в условиях анаэробиоза.

3.4. Цикл трикарбоновых кислот (лимонно-кислый цикл или цикл Кребса)

В аэробных условиях образовавшийся ацетил-СоА вступает в цикл Кребса. В цикле Кребса после реакций отнятия и присоединения воды, декарбоксилирования и дегидрирования ацетильный остаток, поступивший в цикл в виде ацетил-СоА, полностью расщепляется. Суммарная реакция записывается в следующем виде:

СН₃СО ~ S-СоА + 3Н₂О + АДФ + Н₃РО₄ →

НS-СоА + 2СО₂ + 4[Н₂] + АТФ

Цикл Кребса проходит одинаково у животных и растений. Это является еще одним доказательством единства происхождения. Цикл происходит в строме митохондрий. Рассмотрим его подробней:

Первая реакция цикла – перенос ацетильного остатка от ацетил-СоА на щавелево-уксусную кислоту (ЩУК) с образованием лимонной кислоты (цитрат) (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Цикл ди- и трикарбоновых кислот (цикл Кребса)

В ходе реакции, катализируемой цитратсинтазой, растрачивается макроэргическая связь ацетил-СоА, т. е. та энергия, какая была запасена в процессе окисления пирувата перед началом цикла. Это значит, как и гликолиз, цикл Кребса начинается не с запасания энергии в клетке, а с расходования.

Подчеркнем, что цепь преобразований, образующих этот цикл и направленных, в конечном счете, на разрушение углеродного состава ряда кислот, начинается с их увеличения: двухуглеродный фрагмент (уксусная кислота) присоединяется к четырехугольному фрагменту ЩУК с образованием шестиуглеродной трикарбоновой кислоты цитрата, которая может запасаться в клетках в больших количествах.

Таким образом, цикл Кребса – процесс каталитический и начинается не с катаболизма (разрушения), а с синтеза цитрата. Цитратсинтетаза, катализирующая эту реакцию, относится к регуляторным ферментам: она ингибируется НАДН и АТФ. НАДН – конечный продукт, в форме которого запасается энергия, освобождаемая в процессе дыхания. Чем активней цитратсинтетаза, тем быстрей пойдут и другие реакции цикла, быстрей пойдет дегидрирование веществ с образованием НАДН. Однако увеличение количества последнего вызывает ингибирование фермента, и цикл затормозится. Это пример реакции по принципу обратной связи.

Следующая серия реакций – преобразование цитрата в активную изолимонную кислоту (изоцитрат). Она протекает при участии воды и по сути сводится до внутримолекулярного преобразования лимонной кислоты. Промежуточным продуктом этого преобразования является цис-аконитовая кислота:

Катализируются обе реакции аконитазой. Затем изоцитрат дегидрируется с участием изоцитратдегидрогеназы, коферментом которой является НАД⁺. В результате окисления образуется щавелево-янтарная кислота (оксалосукцинат).

Последняя кислота декарбоксилируется. Отсоединяющийся СО₂ принадлежит ацетильному остатку, вступившему в цикл в виде ацетил-СоА. В результате декарбоксилирования образуется очень активная α-кетоглутаровая кислота (кетоглутарат).

α-Кетоглутарат, в свою очередь, подвергается тем же изменением, которые происходят перед началом цикла с пируватом: одновременное окисление и декарбоксилирование.

В реакции принимает участие α-кетоглутарат дегидрогеназный комплекс:

α-кетоглутарат + НАД⁺ + СоА–SН →

сукцинил-S-СоА + СО₂ + НАДН + Н⁺ →

сукцинил–S–СОА + АДФ + Н₃РО₄ →

янтарная кислота + АТФ + СоА–SН

Освободившийся СО₂ является другой частицей, которая отщепляется от ацетильного остатка. Образовавшийся в результате этих сложных преобразованием янтарная кислота (сукцинат) вновь дегидрируется, и образуется фумаровая кислота (фумарат). Реакция происходит с помощью сукцинатдегидрогеназы. Фумарат после присоединения молекулы воды легко преобразуется в яблочную кислоту (малат). В реакции принимает участие фумаратгидротаза.

Яблочная кислота, окисляясь, преобразуется в ЩУК при участии НАД⁺ – специфической малатдегидрогеназы.

Напомним, что ЩУК конечный продукт цикла Кребса – образуется и при фотосинтезе С₄-растений (цикл Хетча – Слека) при карбоксилировании ФЕП на свету, и в темноте у растений типа САМ.

Таким образом, цикл Кребса заканчивается и может начинаться сначала. Одно условие – подача новых молекул ацетил-СоА.

Главное значение цикл Кребса состоит в запасании энергии, которая освобождается в результате разрушения пирувата, в макроэргических связях АТФ. Поставляя в клетку АТФ, цикл Кребса может являться регулятором других процессов, идущих с затратой энергии, таких как транспорт воды и солей, синтез и транспорт органических веществ. Чем быстрей проходит преобразование веществ в цикле, тем больше может синтезироваться АТФ, тем быстрей пойдут указанные процессы.

Промежуточные вещества, образуемые в цикле, могут использоваться на синтез белков, жиров, углеводов. Например, ацетил-СоА – необходимый продукт для синтеза жирных кислот, кетоглутарат может в результате восстановительного аминирования преобразовываться в глутаминовую, а фумарат или ЩУК – в аспарагиновую кислоты.

Суммарный результат цикла Кребса сводится, таким образом, к тому, что каждая ацетильная группа (двухуглеродный фрагмент), которая образуется из пирувата (трехуглеродный фрагмент) расщепляется до СО₂. Во время этого процесса восстанавливается НАД⁺, ФАД⁺ и синтезируется АТФ.

В регуляции цикла ди- и трикарбоновых кислот важное значение имеет соотношение между НАДН и НАД⁺, а также концентрация АТФ. Высокое содержание АТФ и НАДН угнетает активность таких ферментов цикла Кребса, как пируватдегидрогеназа, цитратсинтетаза, изоцитратдегидрогеназа, малатдегидрогеназа. Повышение концентрации оксалоацетата угнетает ферменты, активность которых связана с его синтезом, – сукцинатдегидрогеназы и малатдегидрогеназы. Окисление 2-оксиглутаровой кислоты ускоряется аденилатами, а сукцината – АТФ, АДФ и убихиноном. В цикле Кребса имеется и ряд других пунктов регулирования.