Дыхание

У большинства живых организмов пируват, образовавшийся в процессе гликолиза, подвергается дальнейшему расщеплению до СО₂ и Н₂О в аэробной стадии катаболизма, который протекает в митохондриях. Процесс связан с запасанием значительного количества энергии в виде молекул АТР. Эти реакции получили название клеточного дыхания.

В клеточном дыхании различают три основные стадии:

1. подготовительную стадию – окисление пирувата до двухуглеродных фрагментов – ацильных групп, входящих в состав ацетил-СоА;

2. функционирование цикла Кребса (цикла лимонной кислоты, цикла трикарбоновых кислот), которое подразумевает ферментативное расщепление ацетильной группы, в составе ацетил-СоА с высвобождением СО₂ и образование высокоэнергетических атомов водорода.

3. окислительное фосфорилирование – стадия синтеза АТР за счет энергии, запасенной в высокоэнергетических атомах водорода.

Подготовительная стадия

На этой стадии происходит окислительное декарбоксилирование пирувата с включением его ацетильной группы в состав ацетил-СоА:

Реакцию осуществляет сложный пируватдегидрогеназный комплекс, в состав которого входят три фермента – пируватдегидрогеназа, дигидролипоил-ацетилтрансфераза и дигидролипоил-дегидрогеназа. В работе комплекса также участвуют 5 коферментов – тиаминпирофосфат (ТРР – кофермент пируватдегидрогеназы), флавинадениндинуклеотид (FAD – кофермент дигидролипоил-дегидрогеназы), коэнзимА (СоА), NAD⁺ и липоевая кислота – кофермент дигидролипоил-ацетилтрансферазы.

Механизм работы данного ферментативного комплекса можно представить следующим образом (рис. 9.8):

Рис. 9.8. Общая схема функционирования пируват-дегидрогеназного комплекса

Вначале под действием тиаминпирофосфата (кофермента пируватдегидрогеназы) происходит декарбоксилирование пирувата с одновременным присоединением оставшегося двухуглеродного фрагмента к ТРР.

Рис. 9.9. Тиаминпирофосфат – производное тиамина (витамина В₁). Присоединение двухуглеродного фрагмента к ТРР происходит путем замещения водорода в функционально активной группировке (выделена)

Далее пируватдегидрогеназа переносит данный фрагмент на дигидролипоил-ацетилтрансферазу, а именно, на связанную с этим ферментом липоевую кислоту (в окисленном состоянии), которая при этом переходит в восстановленную форму. Одновременно происходит окисление двухуглеродного фрагмента с образованием ацетильной группы.

Рис. 9.10. Структура липоевой кислоты (дисульфидная форма)

Дигидролипоил-ацетилтрансфераза, в свою очередь, передает данную группу на коэнзим А с образованием ацетил-коэнзима А. После этого третий фермент данного комплекса – дигидролипоил-дегидрогеназа – вновь переводит липоевую кислоту в окисленную форму. В этом процессе участвует кофермент FAD в окисленном состоянии, который переходит в ходе реакции в свою восстановленную форму FADH₂. Регенерация исходной формы FAD происходит за счет его окисления в присутствии свободного NAD⁺, последний при этом восстанавливается до NADH.

Цикл Кребса

В отличие от описанных ранее метаболических путей, обеспечивающих катаболизм и взаимопревращения моносахаридов, данная ферментная система работает в циклическом режиме, то есть превращение соединений в этой метаболической цепи является замкнутым.

Цикл начинается с того, что ацетил-СоА отдает свою ацетильную группу четырехуглеродному соединению щавелевоуксусной кислоте (оксалоацетату) с образованием шестиуглеродной лимонной кислоты (цитрата). Цитрат через ряд промежуточных продуктов превращается снова в оксалоацетат – цикл замыкается.

Последовательность превращений веществ в цикле Кребса показана на рис. 9.11.