Процесс фосфорилирования – реакция переноса фосфорильной группы от одного соединения к другому при участии фермента киназы. АТФ синтезируется путем окислительного и субстратного фосфорилирования. Окислительное фосфорилирование – синтез АТФ путем присоединения к АДФ неорганического фосфата с использованием энергии, освободившейся при окислении биоорганических веществ.
АДФ + ~Ф → АТФ
Субстратное фосфорилирование – непосредственная передача фосфорильной группы с макроэргической связью АДФ для синтеза АТФ.
Примеры субстратного фосфорилирования:
1. Промежуточным продуктом углеводного метаболизма является фосфоенолпировиноградная кислота, которая передает АДФ фосфорильную группу с высокоэнергетической связью:
2. Взаимодействие промежуточного продукта цикла Кребса – макроэргического сукцинил-Ко-А – с АДФ с образованием одной молекулы АТФ.
Рассмотрим три основных этапа освобождения энергии и синтеза АТФ в организме.
Первый этап (подготовительный) включает переваривание и всасывание. На этом этапе освобождается 0,1% энергии пищевых соединений.
Второй этап. После транспортировки мономеры (продукты распада биоорганических соединений) поступают в клетки, где подвергаются окислению. В результате окисления топливных молекул (аминокислоты, глюкоза, жиры) образуется соединение ацетил-Ко-А. В течение данного этапа освобождается около 30% энергии пищевых веществ.
Третий этап – цикл Кребса – представляет собой замкнутую систему биохимических окислительно-восстановительных реакций. Цикл назван по имени английского биохимика Ханса Кребса, который постулировал и экспериментально подтвердил основные реакции аэробного окисления. За проведенные исследования Кребс получил Нобелевскую премию (1953). Цикл имеет еще два названия:
- цикл трикарбоновых кислот, так как он включает реакции превращения трикарбоновых кислот (кислот, содержащих три карбоксильные группы);
- цикл лимонной кислоты, так как первой реакцией цикла является образование лимонной кислоты.
Цикл Кребса включает 10 реакций, четыре из которых окислительно-восстановительные. В ходе реакций освобождается 70% энергии.
Чрезвычайно велика биологическая роль этого цикла, поскольку это общий конечный пункт окислительного распада всех основных пищевых продуктов. Это главный механизм окисления в клетке, образно его называют метаболическим «котлом». В процессе окисления топливных молекул (углеводов, аминокислот, жирных кислот происходит обеспечение организма энергией в виде АТФ. Топливные молекулы вступают в цикл Кребса после превращения в ацетил-Ко-А.
Кроме того, цикл трикарбоновых кислот поставляет промежуточные продукты для процессов биосинтеза. Этот цикл происходит в матриксе митохондрий.
Рассмотрим реакции цикла Кребса:
I.
Цикл начинается с конденсации четырехуглеродного компонента оксалоацетата и двухуглеродного компонента ацетил-Ко-А. Реакция катализируется цитратсинтазой и представляет собой альдольную конденсацию с последующим гидролизом. Промежуточным продуктом является цитрил-Ко-А, который гидролизуется на цитрат и КоА:
II.
Данный процесс является реакцией дегидратации, катализируется ферментом аконитазой.
III.
Данный процесс является реакцией гидратации, катализируется ферментом аконитазой.
IV. Это первая окислительно-восстановительная реакция.
V.
Реакции 4 и 5 представляют собой окислительное декарбоксилирование, катализируются изоцитратдегидрогеназой, промежуточным продуктом реакций является оксалосукцинат.
VI. Эта реакция также является реакцией окислительного декарбоксилирования, т.е. это вторая окислительно-восстановительная реакция:
α-Оксоглутарат + НАД + КоА Сукцинил-КоА + СО2 + НАДН
Реакция катализируется α-оксоглутаратдегидрогеназным комплексом, состоящим из трех ферментов:
VII.
В сукциниле имеется связь, богатая энергией. Расщепление тиоэфирной связи сукцинил-КоА сопряжено с фосфорилированием гуанозиндифосфата (ГДФ):
Сукцинил-КоА + ~ Ф +ГДФ Сукцинат + ГТФ +КоА
Фосфорильная группа ГТФ легко переносится на АДФ с образованием АТФ:
ГТФ + АДФ АТФ + ГДФ
Это единственная реакция цикла, являющаяся реакцией субстратного фосфорилирования.
VIII. Это третья окислительно-восстановительная реакция:
В цикле Кребса образуются углекислый газ, протоны, электроны. Четыре реакции цикла являются окислительно-восстановительными, катализируются ферментами – дегидрогеназами, содержащими коферменты НАД, ФАД. Коферменты захватывают образующиеся Н+ и ē и передают их в дыхательную цепь (цепь биологического окисления). Элементы дыхательной цепи находятся на внутренней мембране митохондрий.
Дыхательная цепь – система окислительно-восстановительных реакций, в ходе которых происходит постепенный перенос Н+ и ē к О2, который поступает в организм в результате дыхания. В дыхательной цепи происходит образование АТФ. Основные переносчики ē в цепи – железо- и медьсодержащие белки (цитохромы), кофермент Q (убихинон). В цепи находится 5 цитохромов (b1, с1, с, а, а3).
Простетической группой цитохромов b1, с1, с является железосодержащий гем. Механизм действия данных цитохромов состоит в том, что в их составе имеется атом железа с переменной валентностью, который может находится как в окисленном, так и в восстановленном состоянии в результате переноса ē и Н+:
Цитохромы а и а3 образуют комплекс цитохромоксидазу, который является последним звеном дыхательной цепи. Цитохромоксидаза содержит помимо железа медь с переменной валентностью. При транспортировке ē от цитохрома а3 к молекулярному О2 происходит процесс
Итоговая реакция, которая происходит на цитохромоксидазе, имеет вид
Энергетический баланс цикла Кребса и дыхательной цепи – 24 молекулы АТФ.
Рассмотрим реакции цикла Кребса:
α-Оксоглутарат + НАД + КоА Сукцинил-КоА + СО2 + НАДН
Сукцинил-КоА + ~ Ф +ГДФ Сукцинат + ГТФ +КоА
ГТФ + АДФ АТФ + ГДФ
