Аэробная фаза дыхания

Аэробный катаболизм глюкозы (дыхание) включает три стадии (рис. 38).

На первой стадии из окисляемых молекул глюкозы, жирных кислот и некоторых аминокислот образуются двухуглеродные фрагменты — ацетильные группы, которые затем входят в состав ацетил-кофермента А.

На второй стадии эти ацетильные группы входят в цикл лимонной кислоты, в котором они ферментативным путем расщепляются с образованием высокоэнергетических атомов (протонов и электронов) водорода и высвобождением двух молекул диоксида углерода. Последние представляют конечный продукт окисления органического вещества в процессе дыхания.

Рис. 38. Три стадии дыхания

На третьей стадии водород в виде протонов и богатых энергией электронов передается по цепи переноса электронов на молекулярный кислород атмосферы. В результате происходит образование АТР (окислительное фосфорилирование), а кислород восстанавливается до воды.

Образование ацетила, активированного коферментом А, из пировиноградной кислоты осуществляется пируватдегидрогеназным комплексом.

Окислительное декарбоксилирование в физиологических условиях — необратимый процесс.

Ацетил-СоА является также исходным соединением для синтеза жирных кислот и стероидов из углеводов, а также служит ацетилирующим агентом, используемым для разнообразных синтетических процессов в живой клетке.

Цикл лимонной кислоты. Цикл лимонной кислоты, или цикл Кребса (другое название — цикл трикарбоновых кислот), — это циклический процесс (рис. 39). Цикл включает 8 реакций.

1. Конденсация ацетил-СоА с щавелево-уксусной кислотой:

В этой реакции метильный углерод ацетильной группы ацетил-СоА связывается с карбоксильной группой щавелево-уксусной кислоты, при этом освобождается кофермент А. Катализатором этой реакции является цитратсинтаза.

2. Превращение лимонной кислоты в изолимонную:

Лимонная кислота превращается в изолимонную через образование цис -аконитовой кислоты под действием фермента аконитазы, которая катализирует обратимое присоединение воды.

Рис. 39. Цикл Кребса (схема реакций):

3. Окислительное декарбоксилирование изолимонной кислоты:

Реакция катализируется изоцитратдегидрогеназой. В качестве промежуточного соединения образуется щавелево-янтарная кислота, прочно связанная с ферментом.

4. Окислительное декарбоксилирование a -кетоглутарата:

Эта реакция аналогична окислительному декарбоксилированию пировиноградной кислоты. Одновременно с дегидрированием происходит декарбоксилирование a-кетоглутарата. В этой реакции карбоксильная группа, близлежащая к карбонильной, выделяется в виде СО₂. Этот углерод принадлежит щавелево-уксусной кислоте.

5. Превращение сукцинил-СоА в сукцинат:

Сукцинил-СоА является высокоэнергетическим соединением. При гидролизе тиоэфирной связи в его составе выделяется энергия, которая накапливается в гуанозинтрифосфате (GTP).

Энергия, содержащаяся в GTP, используется для синтеза АТР.

6. Дегидрирование сукцината:

Окисление сукцината катализируется сукцинатдегидрогеназой, единственной реакцией дегидрирования, в которой участвует не NAD⁺, а FAD.

7. Гидратация фумаровой кислоты:

Эта реакция стереоспецифична по отношению присоединения —Н и —ОН воды по двойной связи фумарата и приводит к образованию только L-формы яблочной кислоты.

8. Регенерация щавелево-уксусной кислоты:

Этой реакцией цикл лимонной кислоты, или цикл Кребса, полностью завершается, и регенерированный оксалоацетат может конденсироваться с новой молекулой ацетил-СоА.

Щавелево-уксусная кислота образуется при карбоксилировании пировиноградной кислоты:

Промежуточные продукты цикла лимонной кислоты используются клеткой в качестве предшественников при синтезе многих биомолекул — аминокислот, жирных кислот, а также терпенов, витаминов и многих других.

Окислительное фосфорилирование. Почти вся энергия, получаемая на ранних этапах окисления субстратов (углеводов или других соединений), вначале запасается в форме высокоэнергетических электронов, переносимых NADH + H⁺ и FAD·2H. Только позже, в дыхательной цепи, эти электроны взаимодействуют с молекулярным кислородом, высвобождая энергию, используемую ферментами внутренней мембраны митохондрий для синтеза АТР из ADP и неорганического ортофосфата. Эти реакции синтеза АТР проходят в дыхательной цепи и получили название окислительного фосфорилирования.