Цикл Кребса: резюме
Две молекулы пировиноградной кислоты поступают на ферментативный кольцевой "конвейер", который называют циклом Кребса, по имени исследователя, открывшего его, или циклом трикарбоновых кислот, которые образуются в этом цикле как промежуточные продукты. Если ферменты гликолиза находятся в цитоплазме клеток, вне клеточных органелл, то все ферменты цикла трикарбоновых кислот локализованы в митохондриях , в их внутреннем межмембранном пространстве, которое заполнено матриксом - полужидким белковым веществом. Попадая в митохондрию, пировиноградная кислота окисляется и превращается в богатое энергией производное уксусной кислоты - ацетилкофермент А . Если бы пировиноградная кислота превращалась просто в уксусную кислоту, возникло бы соединение, выраженное формулой СН3-СООН. Однако в ходе ферментативной реакции к остатку уксусной кислоты присоединяется сложное органическое соединение - кофермент A(HS-КоА), и образуется богатая энергией молекула ацетилкофермента А, или, сокращенно, ацетил-КоА . Превращение пировиноградной кислоты в ацетил-КоА происходит при участии гигантского ферментативного комплекса, в состав которого входят 60 белковых молекул трех типов и присоединенные к ним переносчики электронов ( рис. 38 ). Не только глюкоза может служить источником энергии. Окисляются в клетках и жирные кислоты , которые образуются благодаря ферментативному расщеплению жиров липазой. В результате окисления жирных кислот в конечном итоге также образуется ацетил-КоА и восстанавливаются акцепторы электронов НАД в НАДН. При этом происходит восстановление акцепторов еще одного типа - ФАД в ФАДН (ФАД - это флавинадениндинуклеотид). Энергия, запасенная в цикле трикарбоновых кислот, в молекулах НАДН и ФАДН2, также исользуется далее для синтеза АТФ . Жиры, которые у животных накапливаются и хранятся в специальных клетках - липоцитах , как и углеводы, служат важным энергетическим резервом. Когда в клетках возникает дефицит и глюкозы, и жирных кислот, окислению подвергается ряд аминокислот . При этом также образуется ацетил-КоА, или органические кислоты, которые окисляются далее в цикле трикарбоновых кислот. Аминокислоты - это последний энергетический резерв, который поступает в "топку" биологического окисления, когда исчерпаны другие резервы. Аминокислоты - дорогой строительный материал, и они в основном служат для синтеза белков.
Существенно, что при окислении глюкозы, жирных кислот и некоторых аминокислот образуется одинаковый конечный продукт - ацетил-КоА. При этом происходит "обезличивание" первичного источника энергии, поскольку ацетил-КоА не имеет никаких следов своего происхождения. Таким способом готовится "топливо" для основной биологической "топки" в митохондриях. Следовательно, в цикл трикарбоновых кислот поступают молекулы ацетил-КоА из разных энергетических источников.
Что бы мы ни съели - хлеб, масло, картофель или иную пищу, при расщеплении крахмала картофеля или хлеба пищевари тельным ферментом образуются молекулы глюкозы, а при расщеплении жира образуются жирные кислоты. Они поступают в кровь, доставляются в клетки и там расщепляются и окисляются до ацетил-КоА. На следующем этапе цикла трикарбоновых кислот ацетил-КоА соединяется с молекулой щавелевоуксусной кислоты, и при этом образуется трикарбоновая лимонная кислота (в ее остове уже не два атома углерода, как в ацетил-КоА, а три атома углерода и, соответственно, при них три карбоксильные группы - СООН). Эта реакция приведена на рис. схема 80 :
Лимонная кислота окисляется в ходе последующих четырех ферментных реакций. При этом восстанавливаются три молекулы НАД в НАДН, одна молекула ФАД в ФАД-Н2, и образуется молекула гуанозинтрифосфата ( ГТФ ) с высокоэнергетической фосфатной связью. Энергия ГТФ используется для фосфорилирования АДФ и образования АТФ. Лимонная кислота теряет два углеродных атома, за счет которых образуются две молекулы CO2 . В сумме, в результате семи последовательных ферментативных реакций, лимонная кислота превращается в щавелевоуксусную кислоту . Образовавшаяся молекула щавелевоуксусной кислоты соединяется с новой молекулой ацетил-КоА, поступающей на этот циклический конвейер ферментов. При этом вновь образуется молекула лимонной кислоты, которая ступенчато окисляется до щавелевоуксусной кислоты, и цикл вновь повторяется. В составе лимонной кислоты как бы сгорает присоединившийся остаток ацетил-КоА. При этом образуется углекислый газ, атомы водорода и электроны переносятся на акцепторы - НАД+ и ФАД+. Таким образом, энергия химических связей органических веществ, углеводов, жиров, белков накапливается в молекулах НАДН, ФАДН2 и АТФ.
Универсальным биологическим аккумулятором являются молекулы АТФ . Как мы уже знаем, молекулы АТФ служат для сокращения мышц, работы нервных клеток, выработки секреции гормонов и множества иных видов деятельности клеток и организма. Однако в описанных выше процессах глюкозы возникали главным образом молекулы НАДН и ФАДН2, в которых запасена энергия глюкозы и иных органических веществ, и совсем мало синтезировалось молекул АТФ.
