Биохимические основы жизнедеятельности организма человека - Волков Н.И., Несен Э.Н. 2000

Биохимические основы жизнедеятельности организма человека
Обмен энергии в организме
Цикл лимонной кислоты - центральный путь аэробного окисления питательных веществ

Цикл лимонной кислоты (или цикл трикарбoновых кислот), открытый ан­глийским биохимиком Кребсом в 1937 г., является центральным путем ме­таболизма ("котлом сгорания") углеводов, жиров и аминокислот, а также извлечения энергии из окисляемых веществ. Протекает он в матриксе ми­тохондрий и включает 8 основных реакций, в ходе которых происходит постепенное окисление ацетил-КоА (активная форма уксусной кислоты) до образования конечного продукта обмена СO₂ с накоплением энергии в ви­де трех молекул НАДН, двух молекул ФАДН₂ и молекулы ГТФ. Два атома углерода в молекуле ацетил-КоА при полном обороте цикла превращают­ся в две молекулы СO₂. Последовательность превращений в цикле трикарбоновых кислот показана на рис. 18 (жирным выделены промежуточные продукты цикла, светлым — ферменты, катализирующие превращения ве­ществ, которые находятся в матриксе митохондрии).

Рис. 78 Цикл лимонной кислоты

Ацетил-КоА, вступая в цикл окисления, взаимодействует с оксалоацетатом (щавелевоуксусной кислотой), в результате чего образуется трикарбоновая лимонная кислота. Поэтому цикл получил название «цикл трикарбоновых кислот, или лимонной кислоты». Лимонная кислота в этом цикле проходит многостадийный процесс окисления, на последнем этапе которого снова образуется щавелевоуксусная кислота, способная соеди­няться с новой молекулой ацетил-КоА.

Первой реакцией цикла является реакция взаимодействия ацетил-КоА (двууглеродного (С₂) вещества) с оксалоацетатом (С₄) при участии фер­мента цитратсинтетазы и воды. Как отмечалось выше, в ходе этой реакции образуется цитрат (лимонная кислота). Эта реакция регулирует скорость цикла, так как активность фермента зависит от концентрации АТФ и от­дельных продуктов цикла.

Цитрат подвергается реакции дегидратации (отщепление Н₂O) при участии фермента аконитазы. В результате этой реакции образуется цис-аконитовая кислота (С₆), которая, присоединяя молекулу воды, переходит в изоцитрат (изолимонную кислоту). В активный центр фермента акони­тазы входит ион железа (Fe²⁺), с которым могут взаимодействовать раз­личные минеральные вещества, например фтор, и таким образом регули­ровать активность фермента.

Изоцитрат под воздействием фермента НАД-зависимой изоцитратде­гидрогеназы превращается в оксалосукцинат (щавелевоянтарную кислоту), а НАД восстанавливается до НАДН + Н⁺. Это первая окислительно-восста­новительная реакция в этом цикле.

Оксалосукцинат подвергается декарбоксилированию, в результате че­го выделяется молекула СО₂ и образуется a-кетоглутарат (а-кетоглутаровая кислота).

Далее а-кетоглутарат подвергается окислительному декарбоксилиро­ванию с участием мультиферментного комплекса а-кетоглутаратдегидрогеназы, образованием высокоэнергетического соединения сукцинил-КоА и второй молекулы СО₂. При этом окислении два водорода связываются ко­ферментом НАД. Фермент, катализирующий эту реакцию, содержит пять коферментов: НАД, ФАД, HS-KoA, амид липоевой кислоты, ТПФ. Постав­щиками этих коферментов являются витамины (PP, В₂, В₃, F, В₁) функции которых рассмотрены в главе 7.

Сукцинил-КоА с участием фермента сукцинаттиокиназы превращается в сукцинат (янтарную кислоту). При этом за счет энергии разрыва высоко­энергетической химической связи в молекуле сукцинил-КоА образуется зысокоэнергетический ГТФ из ГДФ и неорганического фосфата. Молекула ГТФ энергетически равноценна молекуле АТФ.

Сукцинат с участием фермента сукцинатдегидрогеназы окисляется до фумарата (фумаровой кислоты). Коферментом этого фермента является ФАД, который связывает два атома водорода и восстанавливается, приобетая форму ФАДН₂.

Фумаровая кислота под воздействием фермента фумаратгидратазы фумаразы) теряет одну молекулу воды и превращается в яблочную кис­лоту (малат).

Малат под действием НАД-зависимой малатдегидрогеназы окисляется до оксалоацетата с высвобождением двух атомов водорода, которые ак­цептируются НАД. Оксалоацетат является исходным субстратом цикла поликарбоновых кислот. После этой реакции начинается очередной цикл новой молекулы ацетил-КоА.

Таким образом, за полный оборот цикла происходит окисление одной молекулы ацетил-КоА до двух молекул СО₂ и четырех пар атомов водоро­да (3НАДН₂ и ФАДН₂), содержащих высокоэнергетические электроны. Эти электроны в последующем передаются на дыхательную цепь внутренней мембраны митохондрий для восстановления О₂.

При образовании СО₂ в этом цикле используется кислород, образую­щийся при распаде молекулы воды. Молекулы СО₂ выходят из митохондрий и покидают клетку. Суммарная реакция цикла лимонной кислоты имеет вид

СН₃СО-КоА + 3НАД + ФАД + ГДФ + Ф_н + 2Н₂О →

→ 2СО₂ + 3НАДН + ФАДН₂ + ГТФ + 2Н + КоА

Таким образом, в переносчиках НАДН₂ и ФАДН₂ аккумулируется энергия окисления углеводов, жиров и белков, которая может высвобож­даться только при передаче электронов на молекулярный кислород.

Цикл лимонной кислоты функционирует только в аэробных условиях. Поэтому его работа зависит от скорости поступления кислорода в орга­низм и скорости его утилизации клетками, а также от концентрации окис­ленных форм НАД и ФАД. Скорость многих биохимических реакций цикла зависит также от содержания АТФ и АДФ в митохондриях. При умень­шении использования АТФ в клетке, а также при недостаточности АДФ скорость происходящих в цикле реакций снижается.

Важную роль в регуляции цикла лимонной кислоты играют активность и количество ферментов и коферментов, при этом изменяется концентрация ацетил-КоА и ряда промежуточных продуктов обмена. Так, дополнительное поступление ацетил-КоА и таких промежуточных продуктов окисления, как цитрат, сукцинат, фумарат, повышает скорость реакций этого цикла и об­щую скорость потребления кислорода. В состав многих ферментов входят витамины, поэтому наличие их в клетке в необходимых количествах также существенно влияет на скорость реакций этого цикла. Многие катионы (Fe²⁺, Mn²⁺, Mg²⁺, Сu²⁺), являясь активаторами ферментов митохондрий, также влияют на скорость реакций цикла лимонной кислоты. Отдельные вещества, например фторсодержащие, могут снижать скорость реакций биологическо­го окисления в этом цикле, подавляя активность ферментов.

Таким образом, в цикле лимонной кислоты происходит окисление пи­тательных веществ и извлечение энергии в виде высокоэнергетического водорода (2Н⁺ + 2е^-) его переносчиками НАД и ФАД. Восстановленные пе­реносчики (НАДИ и ФАДН₂) доставляют водород к внутренним мембранам митохондрий, где передают его на так называемую дыхательную цепь. В этой цепи происходит передача электронов к молекулярному кислороду с образованием молекулы Н_2О и создается электрохимический градиент концентрации Н⁺, за счет энергии которого происходит синтез АТФ в про­цессе окислительного фосфорилирования.