Этап клеточного пищеварения
Поступая в митохондрию, происходит первичное окисление: ПВК под действием кислорода расщепляется до углекислого газа и 20 атомов H:
Образующиеся 24 атома водорода (4 со второго этапа и 20 c этого) поступают накристы митохндрии и там окисляются кислородом, образуя воду и выделяя 36 молекул АТФ:
| Подготовительный этап клеточного дыхания | |
| Гликолиз | 2 АТФ |
| Окисление ПВК | 36 АТФ |
Итого: выделяется 28 молекул АТФ
Гликолиз — катаболический путь исключительной важности.
Он обеспечивает энергией клеточные реакции, в том числе и синтез белка.
Промежуточные продукты гликолиза используются при синтезе жиров.
Пируват также может быть использован для синтеза других соединений. Благодаря гликолизу производительность митохондрий и доступность кислорода не ограничивают мощность мышц при кратковременных предельных нагрузках.
8. Цикл Кребса. Дегидрогеназные реакции цикла Кребса. Значение цикла Кребса в энергетическом объеме.
Характеристика основных этапов цикла Кребса
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 цис-аконитовая. 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.
Третий этап. 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).
Четвертый этап. 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.
ЦТК, как и реакции митохондриального окисления, протекает в митохондриях. Представляет собой серию реакций, замкнутых в цикл.
Образовавшиеся молекулы ЩУК реагируют с новой молекулой Ацетил-КоА и цикл повторяется вновь от образования цитрата до его превращения в ЩУК.
В реакциях этого цикла участвуют четыре из девяти субстратов МтО.
Происходит серия дегидрогеназных реакций. Из них 3-я, 4-я и 8-я происходят с участием НАД-зависимых дегидрогеназ, и каждая из этих реакций позволяет получить 3 молекулы АТФ. На 6-й стадии происходит ФАД-зависимая дегидрогеназная реакция, которая сопряжена с образованием 2-х молекул АТФ (Р/О = 2).
На 5-й стадии 1 молекула АТФ образуется путем субстратного фосфорилирования.
Итого за 1 оборот ЦТК образуется 12 молекул АТФ.
Смысл ЦТК заключается в том, чтобы остатки уксусной кислоты расщепились с образованием большого количества АТФ. Кроме того, из ацетатных остатков образуется СО2 и Н2О, как конечные продукты обмена веществ.
СО2 образуется в ходе ЦТК дважды:
1. на третьей стадии (окисление изоцитрата)
2. на четвертой стадии (окисление альфа-кетоглутарата).
Если прибавить еще 1 молекулу СО2, которая образуется до начала ЦТК - при превращении ПВК в Ацетил-КоА, то можно говорить о трех молекулах СО2, образующихся при распаде ПВК. Суммарно эти молекулы, образующиеся при распаде ПВК, составляют до 90% углекислоты, которая выводится из организма.
ИТОГОВОЕ УРАВНЕНИЕ ЦТК
БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ЦТК
ГЛАВНАЯ РОЛЬ ЦТК - ОБРАЗОВАНИЕ БОЛЬШОГО КОЛИЧЕСТВА АТФ.
1. ЦТК - главный источник АТФ. Энергию для образования большого количества АТФ дает полный распад Ацетил-КоА до СО2 и Н2О.
2. ЦТК - это универсальный терминальный этап катаболизма веществ всех классов.
3. ЦТК играет важную роль в процессах анаболизма (промежуточные продукты ЦТК):
- из цитрата → синтез жирных кислот
- из aльфа-кетоглутарата и ЩУК → синтез аминокислот
- из ЩУК → синтез углеводов
- из сукцинил-КоА → синтез гема гемоглобина
АВТОНОМНАЯ САМОРЕГУЛЯЦИЯ ЦТК
В ЦТК два ключевых фермента:
1) цитратсинтаза (1-я реакция)
2) изоцитратдегидрогеназа (3-я реакция)
Оба фермента аллостерически ингибируются избытком АТФ и НАДН2. Изоцитратдегидрогеназа сильно активируется АДФ. Если АДФ нет, то этот фермент неактивен. В условиях энергетического покоя концентрация АТФ увеличивается, и скорость реакций ЦТК мала - синтез АТФ уменьшается.
Изоцитратдегидрогеназа ингибируется АТФ намного сильнее, чем цитратсинтаза, поэтому в условиях энергетического покоя повышается концентрация цитрата, и он выходит в цитоплазму по градиенту концентраций путем облегченной диффузии. В цитоплазме цитрат превращается в Ацетил-КоА, который участвует в синтезе жирных кислот
9. β-Окисление высших жирных кислот. Схема процесса. Значение процесса для накопления энергии в виде АТФ.
Окисление жирных кислот.В 1904 г. Ф. Кнооп показал, что в митохондрии в ходе окисления происходит постепенное уменьшение на два углеродных атома с карбоксильного конца высшей жирной кислоты. Ф. Кнооп назвал механизм окисления ВЖК β-окислением.Дальнейшие исследования, проведенные А. Ленинджером, Ф. Линеном, Д. Грином, С. Очоа и другими учеными, уточнили и развили представления о β-окислении высших жирных кислот.
Первым этапом распада жирных кислот является их активирование; этот процесс катализируется ацил-КоА-синтетазой, которая локализована в мембранах эндоплазматической сети и в наружной мембране митохондрий:
Поскольку процесс активирования ВЖК идет вне митохондрий, то далее необходим транспорт ацила через мембрану внутрь митохондрий. Транспорт происходит с участием находящегося на внешней стороне мембраны карнитина, на который передается ацил с ацил-КоА из цитоплазмы клетки. Затем ацилкарнитин диффундирует через мембрану митохондрии и передает свой ацил коэнзиму А, находящемуся в матриксе митохондрии. Перенос ацила между КоА и карнитином является ферментативным процессом, катализируемым ацил-КоА-карнитин-трансферазой (рис. 16).
Рис. 16. Схема транспорта жирных кислот через митохондриальную мембрану
В матриксе митохондрии происходит процесс β-окисления. Первой стадией β-окисления ВЖК является окисление ацил-КоА путем отщепления двух атомов водорода от α- и β-углеродных атомов ацила коферментом соответствующей дегидрогеназы:
Далее происходит присоединение молекулы воды таким образом, что ОН-группа присоединяется к β-, а атом водорода - к α-углеродному атому:
На следующей стадии идет окисление β-оксиацил-КоА, катализируемое дегидрогеназой, в результате действия которой образуется β-кетоацил-КоА:
На последней стадии β-окисления происходит негидролитический распад β-кетоацил-КоА и перенос ацила, укороченного на два углеродных атома по сравнению с первоначальным, на молекулу КоА:
Ацил-КоА, образовавшийся на последнем этапе, вновь подвергается β-окислению, проходя все описанные выше стадии. Следовательно β-окисление - это циклический процесс. Конечным продуктом β-окисления высших жирных кислот является ацетил-КоА, дальнейший обмен которого зависит от состояния организма. Однако в какой бы путь обмена он не вступал, результатом будет освобождение КоА, запасы которого в клетке ограничены. β-Окисление ВЖК является одним из основных источников получения энергии для синтеза АТФ в животной клетке.