III -й этап аэробного распада углеводов – цикл трикарбоновых кислот

(ЦТК, цикл Кребса, лимоннокислый цикл)

       В III этап аэробного распада вступает молекула АцетилКоА - продукт II-го этапа, взаимодействуя при этом со щавелевоуксусной кислотой. Химизм реакций ЦТК подробно описан в главе «Митохондриальное окисление». В этом циклическом процессе, включающем в себя 8 реакций, протекающих в матриксе митохондрий, ацетильные остатки полностью расщепляются до конечных продуктов метаболизма: СО₂ и Н₂О. При этом образуется 10 АТФ в расчете на одну молекулу АцетилКоА, вступившую в цикл и полностью «сгоревшую» в нем. Если оценить энергетический итог процесса в расчете на 1 молекулу глюкозы или 1 глюкозный фрагмент гликогена, то на III-м этапе аэробного распада углеводов образуется 20 АТФ.

       Если к этим 20 АТФ добавить те молекулы АТФ, которые образуются в расчете на одну молекулу гексозы, вступившей в аэробный распад, на I-м и II-м этапах – 7 АТФ (8 АТФ - для глюкозного остатка гликогена) и 5 АТФ соответственно, то суммарный энергетический итог всего аэробного пути распада углеводов составит 32 АТФ на каждую молекулу глюкозы, расщепленную до СО₂ и Н₂О или 33 АТФ в расчете на каждую молекулу глюкозного остатка гликогена.

ИТОГОВОЕ УРАВНЕНИЕ АЭРОБНОГО РАСПАДА ГЛЮКОЗЫ:

В образующихся молекулах АТФ заключено 65% энергии, которая выделилась бы при сжигании глюкозы на воздухе. Это доказывает очень высокую эффективность работы аэробного пути распада углеводов.

Цикл трикарбоновых кислот содержит еще одно ключевое звено аэробного пути распада углеводов. Ключевое звено на 3-м этапе является необходимым, поскольку АцетилКоА, вступающий в ЦТК, образуется не только из углеводов, но и из жиров и аминокислот. Поэтому ЦТК - это конечный "котел" для сжигания ацетильных остатков, образующихся из веществ разных классов, и объединяет все метаболиты, образующиеся при распаде углеводов, жиров и белков.

       Ключевые ферменты ЦТК цитратсинтетаза и изоцитратдегидрогеназа угнетаются избытком АТФ и избытком НАДН_2, а изоцитратдегидрогеназа активируется избытком АДФ.

Особенность регуляции ЦТК заключается в том, что АТФ ингибирует эти ферменты по-разному: изоцитратдегидрогеназа ингибируется АТФ намного сильнее, чем цитратсинтаза. Поэтому при избытке АТФ накапливаются промежуточные продукты: цитрат и изоцитрат. В этих условиях цитрат может выходить в цитоплазму по градиенту концентраций, что важно, прежде всего, для обмена липидов.

II-й и III-й этапы аэробного пути распада углеводов протекают в митохондриях, а I-й - в цитоплазме. Таким образом, I-й этап отделен от II-го и III-го митохондриальной мембраной и, в отличие от II-го и III-го этапов, возможно его обращение.

7 реакций I-го этапа обратимы полностью. Для остальных 3-х необратимых стадий существуют обходные обратные реакции.

Для гексокиназной реакции (1-я стадия) обходной обратный путь катализируется глюкозо-6-фосфатазой (см. рис. ХХ).

Для фосфофруктокиназной реакции (3-я стадия) обходной обратный путь катализируется фруктозо-1,6-бисфосфатазой (см. рис. ХХ).

Третьим необратимым звеном I-го этапа является его последняя, 10-я стадия. В прямом направлении эта реакция катализируется пируваткиназой (см. рис. ХХ), а обходной обратный путь протекает в 2 стадии. В 1-й реакции СО₂ присоединяется к ПВК с образованием щавелево-уксусной кислоты (ЩУК). Эта реакция синтеза катализируется пируваткарбоксилазой и требует затраты 1-й молекулы АТФ. В состав кофермента пируваткарбоксилазы входит биотин – витамин H. ЩУК поступает в цитоплазму (с участием челночных механизмов), где превращается в ФЕП с затратой 1-й молекулы ГТФ, что эквивалентно затрате 1-й АТФ.

Рисунок ХХ. Реакция, катализируемая пируваткарбоксилазой (обходной обратный путь для пируваткиназной реакции).

С учетом обращения двух реакций субстратного фосфорилирования и затрат НАДН₂ на обращение реакции окисления фосфоглицеринового альдегида (см. рис. ХХ) путь синтеза глюкозы из пирувата требует расходования 12 АТФ в расчете на каждую синтезированную молекулу глюкозы. Это подтверждает правило, что на любой биосинтез определенного метаболита требуется энергии больше, чем образуется при распаде этого же метаболита (в данном случае необходимо 12 АТФ для синтеза глюкозы против 7 АТФ, образующихся при ее распаде).