В присутствии достаточного количества кислорода (аэробная фаза дыхания) пируват полностью окисляется до СО2 и Н2О в дыхательном цикле, получившем название цикла Кребса или цикла ди- и трикарбоновых кислот. Английский биохимик Г. А. Кребс в 1937 г. предложил схему последовательности окисления ди- и трикарбоновых кислот до СО2. Этот цикл и был назван его именем. Цикл Кребса был открыт на животных объектах. Существование его у растений впервые доказал английский исследователь А. Чибнелл (1939).
Все участки этого процесса локализованы в матриксе или во внутренней мембране митохондрий. Весь процесс можно разделить на три стадии:
Первая стадия − окислительное декарбоксилирование пирувата. Непосредственно в цикле окисляется не сам пируват, а его производное - ацетил-СоА, образующегося в ходе окислительного декарбоксилирования. Окислительное декарбоксилирование пирувата осуществляется при участии пируватдегидрогеназного мульти-ферментного комплекса, включающего три фермента и пять коферментов – тиаминпирофосфат (ТПФ) (фосфорилированное производное витамина В1), липоевая кислота, коэнзим A, FAD и NAD. Общая формула данного процесса:
СН3СО=S− СоА + 3Н2О 2СО2 + 4Н2 + НS-СоА
В результате этого процесса образуется активный ацетат - ацетил-КоА, восстановленный НАД и выделяется СО2 (первая молекула).
Вторая стадия − цикл Кребса. Дальнейшее окисление ацетил-СоА осуществляется в ходе циклического процесса, в котором происходит постепенное преобразование ряда органических кислот. Ацетил-КоА конденсируется с енольной формой щавелевоуксусной кислоты (ЩУК) с образованием лимонной кислоты. В этой реакции под действием фермента цитратсинтазы образуется лимонная кислота. Следующий этап цикла включает две реакции и катализируется ферментом аконитазой, или аконитатгидратазой. В первой реакции в результате дегидратации лимонной кислоты образуется цисаконитовая. Во второй реакции аконитат гидратируется и синтезируется изолимонная кислота. Изолимонная кислота под действием НАД- или НАДФ-зависимой изоцитратдегидрогеназы окисляется в нестойкое соединение — щавелевоянтарную кислоту, которая тут же декарбоксилируется с образованием α -кетоглутаровой кислоты (α -оксоглутаровой кислоты). α-Кетоглутарат подвергается реакции окислительного декарбоксилирования. При этом выделяется СО2, образуются NADH и сукцинил-СоА − высокоэнергетический тиоэфир. При участии сукцинил-СоА-синтетазы из сукцинил-СоА, ADP и Н3РО4 образуются янтарная кислота (сукцинат), АТР, регенерирует молекула СоА. АТР образуется в результате субстратного фосфорилирования.
Третья стадия. Янтарная кислота окисляется до фумаровой. Реакция катализируется сукцинатдегидрогеназой, коферментом которой является FAD. Фумаровая кислота под действием фумаразы или фумаратгидратазы, присоединяя Н2О, превращается в яблочную кислоту (малат).
Четвертая стадия. Яблочная кислота с помощью NAD-зависимой малатдегидрогеназы окисляется в щавелевоуксусную. ЩУК, которая самопроизвольно переходит в енольную форму, реагирует с очередной молекулой ацетил-СоА и цикл повторяется снова. Большинство реакций цикла обратимы, однако ход цикла в целом практически необратим. На протяжении одного оборота цикла при окислении пирувата происходит выделение трех молекул СО2, включение трех молекул Н2О и удаление пяти пар атомов водорода. Роль Н2О в цикле Кребса подтверждает правильность уравнения Палладина, который постулировал, что дыхание идет с участием Н2О, кислород которой включается в окисляемый субстрат.
Большинство ферментов цикла Кребса локализовано в матриксе митохондрий, аконитаза и сукцинатдегидрогеназа - во внутренней мембране митохондрии. Энергетический выход цикла Кребса, его связь с азотным обменом. Цикл Кребса играет чрезвычайно важную роль в обмене веществ растительного организма. Он служит конечным этапом окисления не только углеводов, но также белков, жиров и других соединений. В ходе реакций цикла освобождается основное количество энергии, содержащейся в окисляемом субстрате, причем большая часть этой энергии утилизируется при образовании высокоэнергетических конечных фосфатных связей АТР. В ходе окисления пирувата имеют место 5 дегидрирований, при этом получаются 3НАДН, НАДФH и ФАДH2. Окисление каждой молекулы НАДH (НАДФH) дает по 3 молекулы АТФ, а окисление ФАДH2 - 2ATФ. Таким образом при полном окислении пирувата образуются 14 молекул АТР. Кроме того, 1 молекула АТР синтезируется в цикле Кребса в ходе субстратного фосфорилирования. Следовательно, при окислении одной молекулы пирувата может образоваться 15 молекул АТР. А поскольку в процессе гликолиза из молекулы глюкозы возникают две молекулы пирувата, их окисление даст 30 молекул АТР.
Итого в ходе окислительного распада молекулы глюкозы в общей сложности образуются 38 молекул АТФ (8 АТФ связаны с гликолизом). Энергия третьей сложноэфирной фосфатной связи АТР равняется 41,87 кДж/моль (10 ккал/моль), то энергетический выход гликолитического пути аэробного дыхания составляет 1591 кДж/моль (380 ккал/моль), причем основное количество этой энергии - 1256 кДж/моль (300 ккал/моль) - поставляют реакции цикла Кребса. Эффективность использования энергии через гликолиз и ЦТК оказывается весьма высокой − 55,4%.
Не менее важную роль цикл Кребса играет в азотном обмене через участие ряда органических кислот в синтезе и распаде белковых веществ. Из кетокислот в ходе реакций переаминирования и восстановительного аминирования образуются аминокислоты. Из пировиноградной кислоты возникает аланин, из щавелевоуксусной и α -кетоглутаровой -соответственно аспарагиновая и глутаминовая кислоты. Для синтеза липидов, полиизопренов, углеводов и ряда других соединений используется ацетил-СоА. Особенно важно, что через реакции цикла Кребса устанавливается тесная связь между обменом трех важнейших групп соединений - белков, жиров и углеводов Глиоксилатный цикл можно рассматривать как модификацию цикла Кребса. Этот цикл в 1957 г. был впервые описан у бактерий и плесневых грибов Г. Л. Корнбергом и Г. А. Кребсом. Затем оказалось, что он активно функционирует в прорастающих семенах масличных растений и в других растительных объектах, где запасные жиры превращаются в сахара (глюконеогенез).
Список использованной литературы
1. Лебедев, С. И. Физиология растений: учеб. для студентов вузов / С.И. Лебедев. – Изд. 3-е, перераб. и доп.– М.: Агропромиздат, 1988. – 544 с.
2. Практикум по физиологии растений: учеб. пособие / Н. Н. Третьяков [и др.]; под ред. Н. Н. Третьякова. – М.: Колос, 2003. – 288 с.
3. Физиология и биохимия сельскохозяйственных растений: учеб. пособие/ Н. Н. Третьяков [и др.]; под ред. Н.Н. Третьякова. – Изд. 2-е. – М.: Колос, 2005. – 656 с.