Биохимия спорта. Цикл лимонной кислоты-центральный путь аэробного окисления питательных веществ.

Цикл лимонной кислоты (или цикл трикарбзновых кислот), открытый английским биохимиком Кребсом в 1937 г., является центральным путем метаболизма ("котлом сгорания") углеводов, жиров и аминокислот, а также извлечения энергии из окисляемых веществ. Протекает он в матриксе митохондрий и включает 8 основных реакций, в ходе которых происходит постепенное окисление ацетил-КоА (активная форма уксусной кислоты) до образования конечного продукта обмена СО2 с накоплением энергии в виде трех молекул НАДН, двух молекул ФАДН2 и молекулы ГТФ. Два атома углерода в молекуле ацетил-КоА при полном обороте цикла превращаются в две молекулы СО2. (жирным выделены промежуточные продукты цикла, светлым — ферменты, катализирующие превращения веществ, которые находятся в матриксе митохондрии).

Ацетил-КоА, вступая в цикл окисления, взаимодействует с оксалоацетатом (щавелевоуксусной кислотой), в результате чего образуется трикарбоновая лимонная кислота. Поэтому цикл получил название «цикл трикарбоновых кислот, или лимонной кислоты». Лимонная кислота в этом цикле проходит многостадийный процесс окисления, на последнем этапе которого снова образуется щавелевоуксусная кислота, способная соединяться с новой молекулой ацетил-КоА.

Первой реакцией цикла является реакция взаимодействия ацетил-КоА (двууглеродного (С2) вещества) с оксалоацетатом (С4) при участии фермента цитратсинтетазы и воды. Как отмечалось выше, в ходе этой реакции образуется цитрат (лимонная кислота). Эта реакция регулирует скорость цикла, так как активность фермента зависит от концентрации АТФ и отдельных продуктов цикла.

Цитрат подвергается реакции дегидратации (отщепление Н2О) при участии фермента аконитазы. В результате этой реакции образуется цисаконитовая кислота (С6), которая, присоединяя молекулу воды, переходит в изоцитрат (изолимонную кислоту). В активный центр фермента аконитазы входит ион железа (Fe2+), с которым могут взаимодействовать различные минеральные вещества, например фтор, и таким образом регулировать активность фермента.

Изоцитрат под воздействием фермента НАД-зависимой изоцитратдегидрогеназы превращается в оксалосукцинат (щавелевоянтарную кислоту), а НАД восстанавливается до НАДН + Н+. Это первая окислительно-восстановительная реакция в этом цикле.

Оксалосукцинат подвергается декарбоксилированию, в результате чего выделяется молекула С02 и образуется a-кетоглутарат (а-кетоглутаровая кислота).

Далее а-кетоглутарат подвергается окислительному декарбоксилированию с участием мультиферментного комплекса а-кетоглутаратдегидрогеназы, образованием высокоэнергетического соединения сукцинил-КоА и второй молекулы СО2. При этом окислении два водорода связываются коферментом НАД. Фермент, катализирующий эту реакцию, содержит пять <оферментов: НАД, ФАД, HS-KoA, амид липоевой кислоты, ТПФ. ПоставВ, F, функциищикам и этих коферментов являются витамины (РР, В2).

Сукцинил-КоА с участием фермента сукцинаттиокиназы превращается в сукцинат (янтарную кислоту). При этом за счет энергии разрыва высоко?нергетической химической связи в молекуле сукцинил-КоА образуется зысокоэнергетический ГТФ из ГДФ и неорганического фосфата. Молекула ГТФ энергетически равноценна молекуле АТФ.

Сукцинат с участием фермента сукцинатдегидрогеназы окисляется до Зумарата (фумаровой кислоты). Коферментом этого фермента является ЭАД, который связывает два атома водорода и восстанавливается, приоб. етая форму ФАДН2.

Фумаровая кислота под воздействием фермента фумаратгидратазы фумаразы) теряет одну молекулу воды и превращается в яблочную кис^оту (малат).

Малат под действием НАД-зависимой малатдегидрогеназы окисляется лооксалоацетата с высвобождением двух атомов водорода, которые акцептируются НАД. Оксалоацетат является исходным субстратом цикла -эикарбоновых кислот. После этой реакции начинается очередной цикл • зления новой молекулы ацетил-КоА.

Таким образом, за полный оборот цикла происходит окисление одной молекулы ацетил-КоА до двух молекул СО2 и четырех пар атомов водорода (ЗНАДН2 и ФАДН2), содержащих высокоэнергетические электроны. Эти электроны в последующем передаются на дыхательную цепь внутренней мембраны митохондрий для восстановления О2.

При образовании СО2 в этом цикле используется кислород, образующийся при распаде молекулы воды. Молекулы СО2 выходят из митохондрий и покидают клетку. Суммарная реакция цикла лимонной кислоты имеет вид

СН3СО-КоА + ЗНАД + ФАД + ГДФ + Фн + 2Н2О ->• ->• 2СО2 + ЗНАДН + ФАДН2 + ГТФ + 2Н + КоА

Таким образом, в переносчиках НАДН2 и ФАДН2 аккумулируется энергия окисления углеводов, жиров и белков, которая может высвобождаться только при передаче электронов на молекулярный кислород.

Цикл лимонной кислоты функционирует только в аэробных условиях. Поэтому его работа зависит от скорости поступления кислорода в организм и скорости его утилизации клетками, а также от концентрации окисленных форм НАД и ФАД. Скорость многих биохимических реакций цикла зависит также от содержания АТФ и АДФ в митохондриях. При уменьшении использования АТФ в клетке, а также при недостаточности АДФ скорость происходящих в цикле реакций снижается.

Важную роль в регуляции цикла лимонной кислоты играют активность и количество ферментов и коферментов, при этом изменяется концентрация ацетил-КоА и ряда промежуточных продуктов обмена. Так, дополнительное поступление ацетил-КоА и таких промежуточных продуктов окисления, как цитрат, сукцинат, фумарат, повышает скорость реакций этого цикла и общую скорость потребления кислорода. В состав многих ферментов входят витамины, поэтому наличие их в клетке в необходимых количествах также существенно влияет на скорость реакций этого цикла. Многие катионы (Fe2+, Mn2+, Mg2+, Си2"1"), являясь активаторами ферментов митохондрий, также влияют на скорость реакций цикла лимонной кислоты. Отдельные вещества, например фторсодержащие, могут снижать скорость реакций биологического окисления в этом цикле, подавляя активность ферментов.

Таким образом, в цикле лимонной кислоты происходит окисление питательных веществ и извлечение энергии в виде высокоэнергетического водорода (2Н+ + 2е~) его переносчиками НАД и ФАД. Восстановленные переносчики (НАДН и ФАДН2) доставляют водород к внутренним мембранам митохондрий, где передают его на так называемую дыхательную цепь. В этой цепи происходит передача электронов к молекулярному кислороду с образованием молекулы Н2О и создается электрохимический градиент концентрации Н+, за счет энергии которого происходит синтез АТФ в процессе окислительного фосфорилирования.

Комментарии: