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.