Аэробная фаза дыхания (цикл Кребса).

Субстратом цикла трикарбоновых кислот (ТКК) служит ПВК, окисляющаяся в аэробных условиях в строме митохондрий до СО2 и Н2О. По существу, цикл представляет собой окислительное декарбоксилирование ПВК в ходе ряда реакций, названных в совокупности циклом Кребса ПВК перед вступлением в цикл подвергается окислительному декарбоксилированию с участием дегидрогеназы ПВК. ПВК импортируется или из цитозоля как продукт гликолиза, или образуется из яблочной кислоты. Коферменты А и НАД также вступают в эту реакцию, в результате чего образуются ацетил-КоА с высокоэнергетической тиоэфирной связью, НАДН и С02

Для успешного протекания данной реакции необходимы также другие кофакторы, включая ФАД, липоевую кислоту, тиамин пирофосфат и двухвалентные катионы. В дальнейшем фермент цитратсинтаза катализирует реакцию конденсаций ацетил-КоА, ЩУК и воды с образованием лимонной кислоты и комплекса КоА-SН. Эта реакция ответственна за вхождение углерода в цикл Кребса и, следовательно, контролирует его прохождение по циклу.

В следующей реакции фермент аконитаза превращает лимонную кислоту в цис-аконитовую, которая затем трансформируется в изолимонную кислоту. Последняя под воздействием НАД-за-висимой изоцитратдегидрогеназы окисляется в нестойкое соединение — щавелевую кислоту, которая сразу же декарбоксилиру-ется с образованием а-кетоглутаровой кислоты. При этом образуется НАДН, а также первая в цикле и вторая после начала метаболизации ПВК молекула СО2

В ходе последующего окислительного декарбоксилирования а-кетоглутаровой кислоты с помощью сс-кетоглутаратдегидроге-назного комплекса образуются НАДН, сукцинил-КоА и выделяется СО2. Сукцинил-КоА в присутствии Рн и АДФ, в свою очередь, превращается в сукцинат (янтарная кислота), что сопровождается образованием АТФ в процессе субстратного фосфори-лирования. Сукцинатдегидрогеназа, коферментом которой служит ФАД, катализирует обратимое превращение янтарной кислоты в фумаровую с образованием ФАДН2 во время реакции.

Фумаровая кислота, реагируя с водой в присутствии фумарат-гидратазы, образует яблочную кислоту (малат), которая затем с помощью НАД-зависимой малатдегидрогеназы окисляется в ЩУК. При этом образуется НАДН, а ЩУК может принимать участие в дальнейших реакциях цикла Кребса. Центральную роль в регуляции цикла Кребса играет отношение [ НАДН ]/[ НАД ] Расходование ацетил-КоА на метаболические потребности клетки, например на синтез жирных кислот, также может контролировать вход углерода в цикл Кребса.

В ходе реакции цикла потребляются одна молекула ПВК, четыре НАД, одна АДФ, одна ФАД, две молекулы воды и синтезируются четыре молекулы НАДН, одна АТФ, одна ФАДН2, две молекулы воды и выделяются три молекулы СО2. При этом от компонентов цикла отщепляется пять пар атомов водорода (электронов). Поскольку на каждую расщепляющуюся молекулу глюкозы приходятся два оборота цикла Кребса (если промежуточные продукты не извлекаются из гликолиза и цикла ТКК на другие метаболические нужды), соответственно указанный энергетический выход также удваивается.

Электроны НАДН и ФАДН2, образованные в цикле Кребса, могут передаваться по ЭТЦ, образуя АТФ из АДФ и Рн при окислительном фосфорилировании. Окисление каждой молекулы НАДН или НАДФ(Н) дает три молекулы АТФ, а окисление ФАДН2 — две АТФ. Следовательно, при полном окислении ПВК образуются 15 молекул АТФ и 30 АТФ при двух оборотах цикла Если сюда добавить 8 АТФ, образованных в ходе гликолиза, получается 38 АТФ, синтезированных при полном окислении молекулы глюкозы. Принято считать, что энергия третьей сложноэфирной фосфатной связи АТФ равняется примерно 42 кДж/моль (10 ккал/моль). Отсюда следует, что при полном окислении глюкозы до СО2 и Н2О образуется 1591 кДж/моль (380 ккал/моль) энергии, в то время как изменение свободной энергии составляет 2872 кДж/моль (686 ккал/моль). Таким образом эффективность использования энергии составляет = 55 %.