Окисление пирувата до ацетил-КоА

Общая схема дыхания

Энергетика брожения и дыхания

ТЕМА 7. АЭРОБНЫЙ МЕТАБОЛИЗМ УГЛЕВОДОВ

 

Аэробные клетки получают большую часть энергии за cчет дыхания, при котором электроны переносятся от органических молекул (играющих роль клеточного топлива) на молекулярный кислород.

В процессе гликолиза высвобождается лишь очень незначительная часть химической энергии, которая потенциально может быть извлечена из молекулы глюкозы. При полном окислении глюкозы, т.е. при ее окислении до СО2 и Н2О, высвобождается значительно большее количество энергии.

 

Глюкоза ® 2 Лактат, DG¢ = – 47 ккал (гликолиз)

Глюкоза + 6 О2 ® 6 СО2 + 6 Н2О, DG¢ = – 686 ккал (дыхание)

При сбраживании глюкозы продукты брожения, которые в анаэробных условиях уже не могут быть использованы клеткой и поэтому выводятся из нее, все еще содержат значительную часть той энергии, которая была заключена в молекуле глюкозы. Поэтому для получения того же количества энергии клеткам, находящимся в анаэробных условиях, приходится расходовать гораздо больше глюкозы, чем тем же самым клеткам в условиях аэробиоза.

Почему при дыхании выход энергии намного больше, чем при гликолизе? Прежде всего это объясняется тем, что продукт гликолиза - молочная кислота - соединение столь же сложное, как глюкоза, и его углеродные атомы имеют ту же степень окисления (соотношение между числом атомов углерода и водорода то же, что и в глюкозе), тогда как продукт дыхания - СО2 - значительно более простое соединение, у которого единственный атом углерода полностью окислен. Вторая причина заключается в том, что количество энергии, которое может быть получено при переносе пары электронов от данной молекулы клеточного топлива к акцептору электронов, сильно варьирует в зависимости от природы акцептора. Когда акцептором электронов служит кислород, как это бывает при дыхании, количество высвобождающейся энергии оказывается намного большим, чем при гликолизе, при котором роль акцептора играет пируват.

 

 

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 + Фн + 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.

 

 

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 DG¢ = – 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