Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты
Рассмотренный выше процесс гликолиза происходит в цитоплазме. Клеточное же дыхание происходит в митохондриях. Для этого внутрь митохондрий должен попасть продукта гликолиза – пируват. Он проникает внутрь митохондрии «бесплатно», то есть без энергозатрат.
Каскад реакций клеточного дыхания начинается с реакции, одним из субстратов которой является пируват, а одним из продуктов – ацетилкофермент-А, или ацетил-coA. Ацетил-coA – одно из важнейших веществ в биохимических путях. Он образуется в процессе расщепления сахаров, жирных кислот и некоторых аминокислот и используется при их синтезе.
Процесс окислительного декарбоксилирования пирувата происходит в матриксе митохондрий. В нем принимают участие (в составе сложного мультиферментного комплекса) 3 фермента (пируватдегидрогеназа, ди-гидролипоилацетилтрансфераза, дигидролипоилдегидрогеназа) и 5 коферментов (ТПФ, амид липоевой кислоты, коэнзим А, ФАД и НАД), из которых три относительно прочно связаны с ферментами (ТПФ-E1, липоамид-Е2 и ФАД-Е3), а два – легко диссоциируют (HS-KoA и НАД).
Все эти ферменты, имеющие субъединичное строение, и коферменты организованы в единый комплекс. Поэтому промежуточные продукты способны быстро взаимодействовать друг с другом. Показано, что составляющие комплекс полипептидные цепи субъединиц дигидролипоил-ацетилтрансферазы составляют как бы ядро комплекса, вокруг которого расположены пируватдегидрогеназа и дигидролипоилдегидрогеназа. Принято считать, что нативный ферментный комплекс образуется путем самосборки.
Суммарную реакцию, катализируемую пируватдегидрогеназным комплексом, можно представить следующим образом:
Пируват + НАД+ + HS-KoA –> Ацетил-КоА + НАДН + Н+ + СO2.
Реакция сопровождается значительным уменьшением стандартной свободной энергии и практически необратима.
Цикл Кребса (трикарбоновых кислот, цикл лимонной кислоты)
Цикл превращения лимонной кислоты в живых клетках был открыт и изучен немецким биохимиком Гансом Кребсом, за эту свою работу он (совместно с Ф. Липманом) был удостоен Нобелевской премии (1953).
У эукариотов все реакции цикла Кребса протекают внутри митохондрий, причём катализирующие их ферменты, кроме одного, находятся в свободном состоянии в митохондриальном матриксе, исключение составляет сукцинатдегидрогеназа, которая локализуется на внутренней митохондриальной мембране, встраиваясь в липидный бислой. У прокариот реакции цикла протекают в цитоплазме.
Начинается цикл с присоединения ацетил-КоА к оксалоацетату и образования лимонной кислоты. Затем лимонная кислота (шестиуглеродное соединение) путем ряда дегидрирований (отнятие водорода) и двух декарбоксилирований (отщепление СО2) теряет два углеродных атома и снова в цикле Кребса превращается в оксалоацетат (четырехуглеродное соединение), т.е. в результате полного оборота цикла одна молекула ацетил-КоА сгорает до СО2 и Н2О, а молекула оксалоацетата регенерируется. Рассмотрим все восемь последовательных реакций (этапов) цикла Кребса.
Общее уравнение одного оборота цикла Кребса: Ацетил-КоА → 2CO2 + КоА + 8e−
| Субстрат | Фермент | Тип реакции | Реагенты/ Коферменты | Продукты/ Коферменты |
| I. Оксалоацетат | 1. Цитрат-синтаза | Конденсация | ||
| II. Цитрат | 2. Аконитаза | Дегидратация | H2O | |
| II. цис-Аконитат | 2. Аконитаза | Гидратация | H2O | |
| III. Изоцитрат | 3. Изоцитратдегидрогеназа | Окисление | НАД+ | НАД H + H+ |
| III. Оксалосукцинат | 3. Изоцитратдегидрогеназа | Декарбоксилирование | ||
| IV. α-Кетоглутарат | 4. α-Кетоглутарат дегидрогеназа | Окислительное декарбоксилирование | НАД+ + HS-КоA | НАД H + H+ + CO2 |
| V. Сукцинил-КоА | 5. Сукцинил-КоА-синтетаза | Гидролиз | ГДФ + Фн | ГТФ + HS-КоА |
| VI. Сукцинат | 7. Сукцинатдегидрогеназа | Окисление | ФАД | ФАД H2 |
| VII. Фумарат | 6. Фумараза | Гидратация | H2O | |
| VIII. L-Малат | 7. Малатдегидрогеназа | Окисление | НАД+ | НАД H + H+ |
Первая реакция катализируется ферментом цитрат-синтазой, при этом ацетильная группа ацетил-КоА конденсируется с оксалоацетатом, в результате чего образуется лимонная кислота:
По-видимому, в данной реакции в качестве промежуточного продукта образуется связанный с ферментом цитрил-КоА. Затем последний самопроизвольно и необратимо гидролизуется с образованием цитрата и HS-KoA.
В результате второй реакции образовавшаяся лимонная кислота подвергается дегидратированию с образованием цис-аконитовой кислоты, которая, присоединяя молекулу воды, переходит в изолимонную кислоту (изоцитрат). Катализирует эти обратимые реакции гидратации–дегидратации фермент аконитатгидратаза (аконитаза). В результате происходит взаимоперемещение Н и ОН в молекуле цитрата:
Третья реакция, по-видимому, лимитирует скорость цикла Кребса. Изолимонная кислота дегидрируется в присутствии НАД-зависимой изоцитратдегидрогеназы.
В ходе изоцитратдегидрогеназной реакции изолимонная кислота одновременно декарбоксилируется. НАД-зависимая изоцитратдегидрогеназа является аллостерическим ферментом, которому в качестве специфического активатора необходим АДФ. Кроме того, фермент для проявления своей активности нуждается в ионах Mg2+ или Мn2+.
Во время четвертой реакции происходит окислительное декарбокси-лирование α-кетоглутаровой кислоты с образованием высокоэнергетического соединения сукцинил-КоА. Механизм этой реакции сходен с таковым реакции окислительного декарбоксилирования пирувата до ацетил-КоА, α-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс напоминает по своей структуре пируватдегидрогеназный комплекс. Как в одном, так и в другом случае в реакции принимают участие 5 коферментов: ТПФ, амид липоевой кислоты, HS-KoA, ФАД и НАД+.
Пятая реакция катализируется ферментом сукцинил-КоА-синтета-зой. В ходе этой реакции сукцинил-КоА при участии ГТФ и неорганического фосфата превращается в янтарную кислоту (сукцинат). Одновременно происходит образование высокоэргической фосфатной связи ГТФ за счет высокоэргической тиоэфирной связи сукцинил-КоА:
В результате шестой реакции сукцинат дегидрируется в фумаровую кислоту. Окисление сукцината катализируется сукцинатдегидрогеназой, в молекуле которой с белком прочно (ковалентно) связан кофермент ФАД. В свою очередь сукцинатдегидрогеназа прочно связана с внутренней ми-тохондриальной мембраной:
Седьмая реакция осуществляется под влиянием фермента фума-ратгидратазы (фумаразы). Образовавшаяся при этом фумаровая кислота гидратируется, продуктом реакции является яблочная кислота (малат). Следует отметить, что фумаратгидратаза обладает стереоспецифичностью (см. главу 4) – в ходе реакции образуется L-яблочная кислота:
Наконец, в ходе восьмой реакции цикла трикарбоновых кислот под влиянием митохондриальной НАД-зависимой малатдегидрогеназы происходит окисление L-малата в оксалоацетат:
Как видно, за один оборот цикла, состоящего из восьми ферментативных реакций, происходит полное окисление одной 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 осуществляется в системе переносчиков электронов в дыхательной цепи (в цепи дыхательных ферментов), локализованной в мембране митохондрий. Итак, при окислении одной молекулы ацетил-КоА в цикле Кребса и системе окислительного фосфорилирования может образоваться 12 молекул АТФ.
Если подсчитать полный энергетический эффект гликолитического расщепления глюкозы и последующего окисления двух образовавшихся молекул пирувата до СО2 и Н2О, то он окажется значительно большим.
Как отмечалось, одна молекула НАДН (3 молекулы АТФ) образуется при окислительном декарбоксилировании пирувата в ацетил-КоА. При расщеплении одной молекулы глюкозы образуется 2 молекулы пирувата, а при окислении их до 2 молекул ацетил-КоА и последующих 2 оборотов цикла трикарбоновых кислот синтезируется 30 молекул АТФ (следовательно, окисление молекулы пирувата до СО2 и Н2О дает 15 молекул АТФ). К этому количеству надо добавить 2 молекулы АТФ, образующиеся при аэробном гликолизе, и 6 молекул АТФ, синтезирующихся за счет окисления 2 молекул внемитохондриального НАДН, которые образуются при окислении 2 молекул глицеральдегид-3-фосфата в дегидрогеназной реакции гликолиза. Следовательно, при расщеплении в тканях одной молекулы глюкозы по уравнению С6Н12О6 + 6О2 —> 6СО2 + 6Н2О синтезируется 38 молекул АТФ. Несомненно, что в энергетическом отношении полное расщепление глюкозы является более эффективным процессом, чем анаэробный гликолиз.
Регуляция
Большинство реакций цикла обратимы. Однако протекают они только в одном направлении, т.к. есть 2 экзорганические реакции – цитритсинтазная и сукцинил-КоА-синтазная.
Ферменты цикла организованы в метаболоны.
Ингибируют цикл фторпроизводные (аконитаза), малоновая кислота (СДГ), арсениты. Ситратсинтаза ингибируется АТФ.
Самым важным фактором регуляции цикла является отношение НАДН/НАД+ (NADH/NAD+). НАДН наряду с пируватдегидрогеназой (ПДГ) и оксоглутаратдегидрогеназой ингибирует также цитрат-синтазу и изоцитрат-дегидрогеназу. За исключением изоцитратдегидрогеназы упомянутый ферменты также ингибируются конечным продуктом реакции ацетил- и соответственно сукцинил-КоА или цитратом. Активность ферментов регулируется также процессом взаимопревращения. Инактивированная протеинкиназа ингибируется субстратом (пируватом) и активируется продуктом реакции ацетил-КоА. Соответствующая протеинфосфатаза активируется ионами Ca2+, так же как изоцитратдегидрогеназа и оксоглутаратдегидрогеназный комплекс.
Значение
Цикл Кребса — это ключевой этап дыхания всех клеток, использующих кислород, центр пересечения множества метаболических путей в организме. Кроме значительной энергетической роли циклу отводится также и существенная пластическая функция, то есть это важный источник молекул-предшественников, из которых в ходе других биохимических превращений синтезируются такие важные для жизнедеятельности клетки соединения как аминокислоты, углеводы, жирные кислоты и др.
Глиоксилатный цикл
ГЛИОКСИЛАТНЫЙ ЦИКЛ, циклич. ферментативный процесс, в к-ром происходит превращ. уксусной к-ты в виде ацетилкофермента А в ди- и трикарбоновые к-ты, а промежут. продуктом является глиоксиловая к-та. Осуществляется в прорастающих семенах масличных растений, а также у нек-рых микроорганизмов (бактерий и плесневых грибов), растущих на среде, которая в качестве единственного источника углерода содержит СН3СООН; у микроорганизмов функционирует наряду с циклом трикарбоновых к-т.
Впервые описан в 1957 г. у бактерий и плесневых грибов Г.Л. Корнбергом и Г.А. Кребсом.
Г. ц. локализован в высокоспециализированных субклеточных структурах-глиоксисомах.
Г. ц. начинается с конденсации щавелевоуксусной кислоты с ацетил-КоА в лимонную кислоту, которая через цис-аконитовую кислоту переходит в изолимонную. Последняя распадается на янтарную кислоту и глиоксиловую кислоту, которая затем, конденсируясь с новой молекулой ацетил-КоА, превращается в яблочную кислоту. Эти две реакции катализируют характерные для Г. ц. ферменты: изоцитратлиаза и малатсинтаза. Яблочная кислота, как и в ТКЦ, превращается в щавелевоуксусную кислоту.
Г. ц. можно рассматривать как механизм регенерации промежуточных продуктов ТКЦ. У высших растений малатсинтаза и особенно изоцитратлиаза присутствуют в тканях, активно расщепляющих жиры. При прорастании семян масличных растений через Г. ц. осуществляется превращение жиров в углеводы. Наличие Г. ц. в животных тканях остаётся спорным. У животных образование глиоксиловой кислоты происходит при дезаминировании глицина под действием фермента глициноксидазы.
Пентозофосфатный путь
(пентозный путь, гексозомонофосфатный шунт, фосфоглюконатный путь)
совокупность обратимых ферментативных р-ций, в результате к-рых происходит окисление глюкозы до CO2 с образованием восстановленного НАДФН и H +, а также синтез фосфорилированных сахаров, содержащих от 3 до 7 атомов С.
ПЦ осуществляется в цитозоле клеток животных, растений (особенно в темноте) и микроорганизмов. У растений часть р-ций ПЦ участвует также в образовании гексоз при фотосинтезе.
РЕАКЦИИ И ФЕРМЕНТЫПЕНТОЗОФОСФАТНОГО ЦИКЛА
| № | Реакции | Фермент | |
6 Глюкозо-6-фосфат + 6 НАДФ 
6 6-Фосфоглюко-нолактон + 6 НАДФН + 6Н+
| Глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназа | ||
6 6-Фосфоглюконолактон  6 6-Фосфоглюконат
| Лактоназа | ||
6 6-Фосфоглюконат + 6 НАДФ 
6 Риболозо-5-фосфат + 6 НАДФН + 6 H+ + 6CO2
| 6-Фосфоглюконат-дегидрогеназа | ||
2 Рибулозо-5-фосфат  2 Рибозо-5-фосфат
| Пентозоизомераза | ||
4 Рибулозо-5-фосфат  4 2-Ксилулозо-5-фосфат
| Фосфорибулозо-эпимераза | ||
2 Ксилолуозо-5-фосфат + 2 Рибозо-5-фосфат 
2 Седогептулозо-7-фосфат + 2 Глиперальдегид-3-фосфат
| Транскетолаза | ||
2 Седогептулозо-7-фосфат + 2 Глицеральдегид-3-фосфат 
2 Эритрозо-4-фосфат + 2 Фруктозо-6-фосфат
| Трансальдолаза | ||
2 Ксилулозо-5-фосфат + 2 Эритрозо-4-фосфат 
2 Глицеральдегид-3-фосфат + 2 Фруктозо-6-фосфат
| Транскетолаза | ||
Глицеральдегид-3-фосфат  Дигидроксиацетон-фосфат
| Триозофосфат-изомераза | ||
Дигидроксиацетонфосфат + Глицеральдегид-3-фос-фат  Фруктозо- 1,6-дифосфат
| Альдолаза | ||
Фруктозе- 1, 6- дифосфат  Фруктозо-6-фосфат +Н2РО4-
| Фруктозо-бифосфатаза | ||
5 Фруктозо-6-фосфат  5 Глюкозо-6-фосфат
| Гексозофосфат-изомераза |
Суммарный процесс: 6 Глюкозо-6-фосфат + 12 НАДФ 
5 Глюкозо-6-фос-фат+6 CO2 + 12 НАДФН +12H+ + Н2РО4-
Первая стадия осуществляется с образованием НАДФН и рибулозо-5-фосфата, который затем превращается в рибозо-5-фосфат.
На неокислительной стадии (остальные реакции) в результате взаимопревращения сахаров образуются промежуточные продукты гликолиза (фруктозо-6-фосфат, глицеральдегид-3-фосфат) и таким образом осуществляется обратимая связь ПЦ с гликолитическим путем метаболизма глюкозы.
В отличие от других основных путей метаболизма углеводов (гликолиза, трикарбоновых кислот цикла) функционирование ПЦ нельзя представить в виде линейной последовательности реакций, приводящей непосредственно от 1 молекулы глюкозо-6-фосфата к 6 молекулам CO2. ПЦ характеризуется возможностью многообразных взаимопревращений его метаболитов, происходящих по нескольким альтернативным путям.
Важная особенность ПЦ (в сравнении с др. путями метаболизма углеводов) - его гибкость. Если потребность в рибозо-5-фосфате значительно превышает потребность в НАДФН, то большая часть глюкозо-6-фосфата по гликолитическому пути превращается в 3-ФГА, 1 молекула которого, вступая в реакции с 2 молекулами фруктозо-6-фосфата, превращается в 3 молекулы рибозо-5-фосфата (обращение реакций 6-8).
В случаях, когда потребность в НАДФН и рибозо-5-фосфате сбалансирована, преобладающими становятся реакции окислит, стадии ПЦ и реакция 4. Суммарное уравнение такого процесса:
Глюкозо-6-фосфат + 2 НАДФ + H2O 
ри-бозо-5-фосфат + 2 НАДФН + 2 H+ + CO2
Если потребность в НАДФН значительно превышает потребность в рибозо-5-фосфате, происходит полное окисление глю-козо-6-фосфата до CO2, включающее окислит, стадию ПЦ и ресинтез глюкозо-6-фос-фата из фруктозо-6-фосфата по пути глюконеогенеза (р-ции 1-4, 6, 10-12). В этом случае суммарное уравнение реакции:
Глюкозо-6-фосфат + 12 НАДФ + 7 H2O 
6CO2 + 12 НАДФН + 12 H+ + H3PO4
В условиях, когда потребность в НАДФН значительно превышает потребность в рибозо-5-фосфате, возможна реализация др. механизма, в соответствии с к-рым образующийся рибозо-5-фосфат превращ. не в глюкозо-6-фосфат, а в пируват в результате гликолиза фруктозо-6-фосфата и глицеральдегид-3-фосфата, образующихся в р-циях 6-8. При этом образуются НАДФН, НАДН и АТФ по суммарному ур-нию:
3 глюкозо-6-фосфат + 6 НАДФ + 5 НАД + + 5 H3PO4 + 8 АДФ 
5 пируват + 3 CO2 + + НАДФН + 5 НАДН + 8 АТФ + 2 H2O + 8H +
Регуляция направленности р-ций в ПЦ осуществляется гл. обр. ферментами, участвующими в этом цикле: избыток того или иного субстрата подавляет активность фермента, катализирующего его синтез, или активирует фермент, катализирующий его трансформацию в др. соединение. Скорость ПЦ регулируется в первую очередь концентрацией НАДФН.
Открытие О. Варбугом в 1931 фермента глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназы, катализирующего первую р-цию ПЦ, сделало возможным его полную расшифровку, к-рую осуществили Дикенс, Ф. Липман, Э. Рэкер и Б. Хорекер.
Для восстановительного пентозофосфатного цикла уникальными являются два фермента, не участвующие в других метаболических путях: фосфорибулокиназа и рибулозодифосфаткарбоксилаза. Первый из них связан с активированием молекулы акцептора путем вторичного фосфорилирования, а второй катализирует реакцию акцептирования рибулозо-1,5-дифосфатом молекулы СО2 и последующее гидролитическое расщепление образовавшейся гексозы на 2 молекулы 3-ФГК, одна из которых в карбоксильной группе содержит углерод из СО2.
Для синтеза 1 молекулы глюкозы из СО2 необходимо 6 оборотов цикла.
Таким образом, сформировавшийся для автотрофной ассимиляции СО2 механизм базируется на ферментативных реакциях, которые уже функционировали к тому времени у хемогетеротрофных прокариот. Для работы цикла необходимо было создать только две новые реакции, связанные с подготовкой акцептора и собственно акцептированием СО2.