Микробы

Полное «сгорание» как жирных кислот, так и углеводов требует окисления до СО2 и воды ацетильного остатка, связанного с коферментом А. Сгорание происходит в системе реакций, называемых циклом трикарбоновых кислотили по имени сформулировавшего его исследователя — циклом Кребса. Эта система реакций начинается с присоединения ацетильного остатка ацетилкофермента А к оксалоацетату (соль щавелевоуксусной или кетоянтарной кислоты) с образованием соли трикарбоновой лимонной кислоты — цитрата. Далее цитрат претерпевает ряд последовательных превращений, сопровождающихся двумя актами декарбоксилирования, т. е. выделения СО2, и в конечном итоге приводящих к регенерации оксалоацетата. Ниже перечислены все стадии цикла трикарбоновых кислот.

Взаимодействие ацетилкофермента А с оксалоацетатом, катализируемое ферментом цитратсинтазой:

2. Изомеризация цитрата в изоцитрат, катализируемая ферментом аконитазой и проходящая через промежуточное образование аконитата путем дегидратации цитрата и последующей гидратации аконитата с превращением его в изоцитрат:

3. Окисление гидроксигруппы изоцитрата до карбонильной группы с помощью NAD+, сопровождающееся элиминацией карбоксильной группы в b-положении к образовавшейся кетогруппе, катализируемое изоцитратдегидрогеназой:

4. Окислительное декарбоксилирование a-кето-глутарата, катализируемое a кетоглутарат дегидрогеназой, приводящее к образованию сукцинилкофермента А и выделению второй молекулы CO2:

5. Фосфорилирование GTP, сопряженное с гидролизом макроэргическойтиоэфирной связи в сукцинилкоферменте А, катализируемое сущинат.СоА Лизой:

6. Превращение сукцината в фумарат, катализируемое сукцинатдегидрогеназой, входящей в состав комплекса II цепи переноса электронов с коферментом Q в качестве акцептора электронов:

7. Гидратация двойной связи фумарата с образованием малата (соль яблочной кислоты), катализируемое фумарат гидратазой:

8. Окисление гидроксигруппы малата до кетогруппы, приводящее к регенерации оксалоацетата, катализируемое малатдегидрогеназой:

В ходе цикла трикарбоновых кислот восстанавливается до NADH три молекулы NAD+, пара электронов посылается в комплексы III и IV цепи переноса электронов через кофермент Q и образуется одна макроэргическая связь в молекуле GТР. С учетом АТР, образующихся в цепи переноса электронов при окислении NADH и CoQH2, сгорание ацетильного остатка в цикле трикарбоновых кислот сопровождается образованием 11 молекул АТР и одной GТР, т.е. образованием 12 макроэргических пирофосфатных связей (12 биоэнергетических эквивалентов).

Теперь можно оценить окончательный вклад в биоэнергетику окисления одной молекулы глюкозы и одной молекулы жирной кислоты, например стеариновой С18Н37СООН.

При окислительной деструкции глюкозы образуется две молекулы ацетилкофермента А, т.е. создается 24 биоэнергетических эквивалента. В сочетании с теми 14, которые образуются в ходе превращения глюкозы в ацетилкофермент А, аэробный гликолиз обеспечивает образование 38 макроэргических связей на одну молекулу глюкозы или 39 на один остаток глюкозы в составе гликогена или крахмала. Таким образом, аэробное окисление глюкозы с точки зрения биоэнергетики почти в 20 раз более эффективно, чем брожение.

В случае окисления стеарата образуется 9 молекул ацетилкофермента А, что обеспечивает фосфорилирование 108 молекул АDP. Кроме того, бразуется еще 8 ´ 5 = 40 биоэнергетических эквивалентов за счет окисления CoQH2 и NADH. При окончательном подведении итога следует учесть, что на образование стеарилкофермента А расходуется одна молекула АТP, в связи с чем полный биоэнергетический итог составляет 108 + 40—1 = 147 макроэргических связей. Если для корректного сравнения этого итога с полученным для окисления глюкозы отнести полученную величину к шести углеродным атомам вместо 18, то получится 49 эквивалентов, т. е. заметно больше, чем в случае глюкозы. Именно с этим связано, что калорийность жиров в качестве продуктов питания выше, чем углеводов.

При стационарном функционировании цикла трикарбоновых кислот никакие главные компоненты цикла не расходуются. Однако некоторые из них необходимы для осуществления биосинтетических процессов, например для синтеза некоторых аминокислот и нуклеотидов. В связи с этим необходимо наличие процесса, пополняющего количество участников цикла. Важнейшим процессом такого рода является карбоксилирование пирувата, проходящее по схеме и катализируемое пируват карбоксилазой.

В некоторых физиологических ситуациях деградация сложных органических молекул приводит, наоборот, к образованию компонентов цикла, как это уже было показано на примере окисления жирных кислот с нечетным числом углеродных атомов, приводящего к образованию сукцинилкофермента А. Поэтому необходимо и наличие противоположного процесса, приводящего к превращению компонентов цикла, играющих каталитическую роль, в сгораемые компоненты. Одним из таких процессов является декарбоксилирование оксалоацетата, катализируемое оксалоацетат декарбоксилазой и приводящее к образованию пирувата, далее поступающего в цикл трикарбоновых кислот в виде сжигаемого компонента ацетилкофермента А