КЛЕТКА

 

Цикл лимонной кислоты

 

 

Реакции окисления, приводящие к освобождению энергии, осуществляются путем отнятия у окисляемой молекулы отрицательно заряженного электрона, который связан с атомом водорода (Н+). Акцепторами электронов служат молекулы никотинамидаденинди- нуклеотида (NAD+), флавинадениндинуклеотида (FAD). Они и присоединяют к себе этот ион водорода (реакция восстановления). Восстановленная молекула никотинамидадениндинуклеотида обозначается как NADH, флавинадениндинуклеотида - FADH2. Все эти процессы осуществляются в матриксе митохондрий при участии находящихся там ферментов в цикле лимонной кислотыl (его также называют циклом трикарбоновы1Х кислот, или цикл Кребса).

 

Цикл лимонной кислоты - центральный процесс метаболизма. Открытие цикла Г. Кребсом является одним из наиболее выдающихся достижений современной биохимии, за которое в 1953 г. автор был удостоен Нобелевской премии. Цикл начинается со взаимодействия оксалоацетата (дикарбоновой щавелево-уксусной кислоты) с ацетил-СоА. После этого коэнзим А отделяется, а ацетильная группа (напоминаем, что она образовалась в результате предварительного расщепления углеводов, жиров и аминокислот) участвует в химических превращениях образовавшегося цитрата (трикарбоновой лимонной кислоты) в ходе последующих реакций. По мере осуществления этих реакций оба атома углерода ацетильной группы последовательно отделяются в виде молекул СО2. Источником кислорода для этого служит вода, а протоны и богатые энергией электроны акцептируются NAD+ и FAD. Кроме того, в ходе каждого цикла синтезируется по молекуле GTP. После освобождения всех атомов присоединенной в начале цикла к оксалоацетату ацетильной группы оксалоацетат восстанавливается, он вновь взаимодействует с ацетил-СоА и присоединяет к себе очередную ацетильную группу.

 

Рассмотрим этот процесс более подробно. Цикл Кребса происходит в аэробных условиях и включает восемь стадий ().

1. Конденсация ацетил-СоА с оксалоацетатом, в результате чего образуется цитрат, а кофермент А освобождается. Реакция катализируется цитрат-синтазой, которая является одним из ре- гуляторных ферментов, лимитирующих скорость цикла Кребса.

2.         Превращение цитрата в изоцитрат при участии аконитат- гидратазы (сложного фермента, содержащего Fe2+ и кислотола- бильные атомы серы, образующие железо-серные центры) через промежуточную стадию цис-аконитата, связанного с ферментом.

3.         Дегидрирование (так называется удаление из молекулы атомов водорода) цитрата с образованием a-кетоглутарата и СО2 при участии изоцитратдегидрогеназы, которая функционирует при наличии Mg2+ и Мп2+.

4.         Окислительное декарбоксилирование a-кетоглутарата до высокоэнергетического сукцинил-СоА. Реакция катализируется a-кетоглутаратдегидрогеназным комплексом (Mg2+), который похож на пируватдегидрогеназный комплекс.

5.         Превращение сукцинил-СоА под влиянием сукцинил-СоА- синтетазы в сукцинат с отщеплением СоА. Эта реакция сопряжена с образованием гуанозинтрифосфата (GTP) из GDP и фосфата и также катализируется указанным ферментом.

6.         Катализируемое сукцинатдегидрогеназой, содержащей ко- валентно связанный FAD и два железо-серных центра, дегидрирование сукцината с образованием фумарата.

7.         Обратимая гидратация фумарата с образованием L-малата, катализируемая фумарат-гидратазой или фумаразой.

8.         Катализируемое NAD-зависимой L-малатдегидрогеназой дегидрирование L-малата с образованием оксалоацетата. Эта реакция замыкает цикл Кребса и поставляет оксалоацетат для нового цикла. Большинство реакций цикла Кребса обратимы.

 

Итак, в цикле Кребса не происХодит непосредственный синтез АТР. Однако образовавшийся GTP (реакция 5) может участвовать в синтезе АТР. В цикле лимонной кислотыl идет окисление молекул, отделение четыьрех пар Н+, которым используются для восстановления NAD+ и FAD, перенос четыьрех пар вы^сокоэнер- гетических электронов в ды1хательную цепь (цепь переноса электронов ), откуда они позже передаются на молекулярным кислород - конечным акцептор электронов, в результате чего образуется Н2О. Речь об этом пойдет ниже.

 

Основная часть АТР синтезируется в процессе окислительного фосфорилирования. Дыхательная цепь, или цепь переноса электронов, является главной системой превращения энергии. Синтез АТР катализируется ферментом АТР-синтетазой. В 1961 г. П. Митчелл предложил хемиосмотическую гипотезу окислительного фос- форилирования применительно к митохондриям. Согласно этой гипотезе при транспорте электронов по дыхательной цепи протоны «откачиваются» из матрикса на наружную поверхность внутренней мембраны митохондрий (межмембранное пространство), что вызывает возникновение электрохимического протонного градиента по обеим сторонам внутренней митохондриальной мембраны. При возникновении большого протонного градиента протоны начинают перемещаться через АТР-синтетазу в матрикс (кроме этих трансмембранных белков, внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для протонов), и энергия их обратного тока расходуется для синтеза АТР ( 30).

 

Однако при этом увеличивается концентрация свободных протонов в матриксе, что ингибирует активность ферментов цикла Кребса и тем самым блокирует процесс аэробного дыхания. Чтобы этого не происходило, необходимо постоянно связывать поступившие в матрикс свободные протоны. Именно это и происходит при взаимодействии протонов и утративших энергию электронов,

которые, отдав свою энергию для переноса протонов в межмембранное пространство, стали энергетически ненужными, с молекулярным кислородом, что приводит к образованию воды ( 31). Таким образом, несмотря на название всего процесса - «кислородное дыхание», 02 не принимает непосредственного участия в процессах переноса энергии, а лишь выполняет роль своеобразного «мусорщика», связывая «ненужные» протоны и электроны. По существу, в дыхательной цепи происходит, окисление водорода:

Н2 + 1/2 02 ® Н20.

0днако этот процесс происходит многоступенчато, причем атомы водорода расщепляются на протоны, поступающие в водную среду, и высокоэнергетические электроны, которые транспортируются по дыхательной цепи; выделяемая ими порциями (квантами) энергия расходуется для синтеза АТР из ADP и Pi. Лишь на завершающем этапе в конце дыхательной цепи протоны соединяются с электронами.

 

В состав дыхательной цепи входят два флавопротеидных фермента (сукцинат-дегидрогеназа и NAD-дегидрогеназа), четыре цитохрома, негеминовое железо, медь и кофермент Q (убихинон). Согласно современным представлениям дыхательная цепь состоит из трех основных связанных с мембранами ферментных комплексов. Как и положено всем мембранным молекулам, эти белки обладают высокой латеральной подвижностью и, сталкиваясь между собой, они последовательно передают электроны друг другу. При каждом переходе на следующий переносчик электрон теряет часть своей энергии, но оказывается все ближе к межмембранному пространству, соответственно за ним перемещается и противоположно заряженный протон. В итоге вся избыточная энергия электрона затрачивается на «выталкивание» протона в межмембранное пространство. Транспорт электронов от NADH по цепи переносчиков выглядит следующим образом.

1.         NADH-дегидрогеназный комплекс, который принимает электроны от NADH и через флавин передает их на переносчик электронов убихинон (в митохондриях и у грамотрицательных бактерий) либо на нафтохиноны (у грамположительных бактерий).

2.         Убихинон переносит электроны на димерный комплекс железосодержащих белков - цитохромов. Этот сложный комплекс называется комплекс b-c 1, он передает электроны на небольшой периферический белок цитохром с.

3.         Цитохром с переносит электроны на цитохромоксидазный комплекс, который передает их конечному акцептору электронов - кислороду.

 

Таким образом, при переходе электронов от одного переносчика к другому их свободная энергия убывает, а освобождающаяся энергия последовательно используется для «откачивания» протонов на наружную сторону мембраны, в результате чего и создается электрохимический протонный градиент. Иными словами, энергия, освобождаемая в процессе переноса электронов по дыхательной цепи, запасается в форме электрохимического протонного градиента на мембране, в которую встроена ды1хательная цепь.

 

АТР-синтетаза представляет собой мембранный белковый комплекс, который имеется во всех мембранах, осуществляющих окислительное фосфорилирование. Согласно хемиосмотической гипотезе энергия перемещения протонов через АТР-синтетазу в обратном направлении (с наружной стороны мембраны на внутреннюю) используется для синтеза АТР. Эта гипотеза применима и к синтезу АТР в хлоропластах, с той лишь разницей, что если в митохондриях протоны перед синтезом АТР депонируются в межмембранном пространстве, то в хлоропластах это происходит в полости тилакоидов (более подробно об этом рассказано в разделе, посвященном фотосинтезу).

 

 

 

 Смотрите также:

 

СИНТЕЗ САХАРОЗЫ И ПОЛИСАХАРИДОВ. Гликолиз. Цикл...

Цикл Кребса. Ферменты, катализирующие окисление пирувата до СОг
Образующиеся в цикле Кребса органические кислоты могутт присоединять аммиак путем прямого
Итак, две главные функции дыхания — это высвобождение энергии, используемой в процессах метаболизма, и...

 

Механизм дыхания. Цикл трикарбоновых кислот — цикл Кребса

В цикле Кребса, называемом также циклом лимонной кислоты, эти два атома поочередно высвобождаются в виде СО2, в то время как электроны от остальной части молекулы переносятся на кислород с образованием воды...

 

ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ — совокупность химических...

Центральное место среди этих процессов занимает так наз. цикл лимонной к-ты (цикл трикарбоно-вых кислот или цикл Кребса). В цикле Кребса перекрещиваются пути белкового, жирового и углеводного обмена.

 

СИНТЕЗ И РАСПАД ЛИПИДОВ. Молекулы липидов...

В цикле Кребса, называемом также циклом лимонной кислоты, эти два атома поочередно высвобождаются в виде СО2, в то время как электроны от остальной части молекулы переносятся на кислород с образованием воды, причем этот процесс сопровождается...

 

Суммарный баланс дыхания

Анализ цикла Кребса показывает, что окисление одной молекулы пировиноградной кислоты сопровождается выделением 3 молекул диоксида углерода (реакции 1; 5 и 6) и отнятием 5 пар водородных атомов (реакции 1; 5; 6; 7; 9)
Дыхание — процесс обмена газами кислородом...

 

Органические кислоты. Органолептика

Общее количество кислот в пересчете на лимонную в ферментированных бобах составляет околс 1,5% на СВ. Однако в процессе транспортирования и хранения возможно изменение содержания кислот.
Одни из органических кислот, участвующие в цикле Кребса...