Далее ацетил-КоА вступает в серию ферментативных реакций под общим названием цикл трикарбоновых кислот, или цикл лимонной кислоты, который теперь известен как «цикл Кребса» (по имени выдающегося биохимика Ганса Кребса (19001981), открывшего этот цикл и получившего в 1953 году Нобелевскую премию). В чем заслуга этого ученого? Все мы понимаем, что энергия в нашем организме образуется благодаря «сгоранию» потребляемой пищи. Однако всех тонкостей процесса «сгорания» долгое время не знали. Кребс первым сделал фундаментальное открытие процессов преобразования питательных веществ в энергию.
Итак, ацетил-КоА поступил в цикл Кребса. В чем заключается суть этого цикла? Цикл Кребса это центральная часть общего пути катаболизма питательных субстратов и заключается в окислении ацетил-КоА ключевого промежуточного соединения в метаболизме всех основных питательных веществ. Цикл представляет собой восемь последовательных реакций, в ходе которых органические кислоты последовательно преобразуются одна в другую. За один оборот цикла, состоящего из восьми ферментативных реакций, происходит полное окисление (сгорание) одной молекулы ацетил-КоА. Рассмотрение сложных реакций цитратного цикла представляется здесь неуместным, и мы остановимся только на образовании некоторых промежуточных соединений, играющих определяющую роль в выработке биоэнергии.
Что цикл Кребса «выдает» за полный оборот? Конечным продуктом окисления ацетил-КоА является углекислый газ (СО2) углеродные атомы скелета ацетил-КоА высвобождаются в виде СО2 и вода (Н2О).
Разумеется, что энергетическая функция цикла заключается не в этом. В каком же веществе заключена энергия после завершения одного оборота цикла Кребса?
Энергия как результат биологического окисления субстратов образуется в митохондриях посредством работы так называемой дыхательной цепи. Организация работы дыхательной цепи осуществляется с помощью синтезированных в цикле Кребса некоторых промежуточных ферментов-дегидрогеназ. Особенность биологического окисления состоит в том, что основной реакцией окисления является реакция дегидрирования отщепления от субстрата атомов водорода. Важнейшая функция цикла Кребса заключается в дегидрировании «приготовленного» в ходе метаболизма упоминаемого нами ранее ацетил-КоА. В реакциях дегидрирования водородные атомы передаются от субстрата на коферменты дегидрогеназ. Что означают коферменты дегидрогеназ? Чтобы дегидрогеназы могли действовать, необходимо присутствие в их структуре компонента, осуществляющего транспорт водородных атомов. Этот компонент, выполняющий функции первичных акцепторов атомов водорода, отщепляющихся от соответствующих субстратов, и называют коферментом. В зависимости от структуры кофермента дегидрогеназы подразделяются на два основных типа, но мы остановимся только на одном из них так называемой NAD дегидрогеназе, которая играет основную роль в процессе энергообразования и в качестве кофермента содержит никотинамид.
Дегидрогеназы отщепляют водородные атомы от молекул клетоного топлива и переносят их на коферменты, в частности, на окисленную форму NAD, образуя ее восстановленную форму NADH. Какова дальнейшая судьба и роль электронов, присоединившихся к акцепторным молекулам коферментов? Восстановленная форма NADH является сильным восстановителем, то есть донором электронов. Эти электроны от восстановленных коферментов дегидрогеназ должны далее присоединиться к кислороду (акцептору электронов). Но каким образом осуществляется эта передача электронов? В живых системах такая передача осуществляется через так называемую митохондриальную дыхательную цепь, или цепь переноса электронов.
Дыхательная цепь является важнейшей системой образования энергии в митохондриях. Дыхательная цепь это система структурно и функционально связанных друг с другом переносчиков электронов. Она состоит из четырех белковых комплексов, локализованных во внутренней мембране митохондрий. Здесь происходит последовательное окисление и восстановление участников дыхательной цепи, в результате чего высвобождается небольшими порциями энергия. Еще раз подчеркнем, что особенность биологического окисления заключается в том, что существуют переносчики транспорта электронов от исходного донора (субстрата) к конечному акцептору, которым является молекулярный кислород.
Дыхательная цепь является важнейшей системой образования энергии в митохондриях. Дыхательная цепь это система структурно и функционально связанных друг с другом переносчиков электронов. Она состоит из четырех белковых комплексов, локализованных во внутренней мембране митохондрий. Здесь происходит последовательное окисление и восстановление участников дыхательной цепи, в результате чего высвобождается небольшими порциями энергия. Еще раз подчеркнем, что особенность биологического окисления заключается в том, что существуют переносчики транспорта электронов от исходного донора (субстрата) к конечному акцептору, которым является молекулярный кислород.
Работа цепи переноса электронов начинается с того, что рассмотренная нами молекула NADH отдает электроны следующему переносчику электронов (убихинону) дыхательной цепи, превращаясь в окисленную форму. Таким образом, первым участником дыхательной цепи является рассмотренный нами NADH-дегидрогеназный комплекс, обозначаемый в научной литературе как комплекс I. (Далее мы неоднократно будем обращаться к характеристике и роли этого комплекса в образовании АТФ). Не приводя характеристику трех следующих участников переноса электронов (комплексы IIIV), отметим, что NADH восстановленный никотинамд-аденин-динуклеотид -является ключевым звеном в «водородной» энергетике, «энергизатором» всех клеток.
Полный процесс окисления субстратов представляет собой цепь последовательных окислительно-восстановительных реакций, в ходе которых происходит взаимодействие между переносчиками электронов. Каждый промежуточный переносчик вначале выступает в роли акцептора электронов и из окисленного состояния переходит в восстановленную форму. Затем он передает электроны следующему переносчику и снова возвращается в окисленное состояние. Возникает цепь окислительно-восстановительных реакций. Здесь важно отметить, что при поэтапном окислении восстановлении элементов дыхательной цепи высвобождается небольшими порциями энергия. Конечный переносчик электронов (называется цитохромоксидаза) осуществляет последнюю реакцию в дыхательной цепи и переносит электроны на кислород. На этом завершающем этапе дыхательной цепи происходит полное восстановление молекулы кислорода с образованием молекулы воды Н2О. Окисление органических веществ в клетках, сопровождающееся потреблением кислорода и синтезом воды, называют тканевымдыханием. Оказывается, за сутки человек потребляет около 550 л кислорода (основным потребителем кислорода в клетке являются именно митохондрии), при этом в организме образуется примерно 450 мл. эндогенной воды.
Таким образом, в дыхательной цепи высвобождается энергия, часть которой рассеивается в виде тепла, а другая часть используется в дальнейшем для процессов образования фосфорорганических соединений, которые и служат универсальным источником энергии в нашем организме.
Смысл сказанного заключается в том, что сопряженно (одновременно) с транспортом электронов протекает процесс окислительного фосфорилирования. В чем он заключается? Суть его заключается в том, что высвобождающаяся в результате последовательного окисления и восстановления элементов дыхательной цепи энергия переходит в энергию электрохимического градиента протонов на внутренней мембране митохондрий. Созданный электрохимический градиент протонов используется АТФ-синтетазой, которая присоединяет к аденозиндифосфату (АДФ) неорганический фосфат и образуется молекула аденозинтрифосфата (АТФ): АДФ +Н3Ро4 + энергия = АТФ + Н2О. Поэтому говорят, что окисление (перенос электронов) сопряжено с фосфорилированием, то есть происходит процесс окислительного фосфорилирования.
Когда были раскрыты сложнейшие механизмы образования биоэнергии? Оказывается, что природа сопряжения между процессами окисления и фосфорилирования, обеспечивающих суммарный процесс биоэнергетики, окислительное фосфорилирование, оставалась загадкой для биохимиков всего мира вплоть до 1961 года, когда блестящий английский биохимик Питер Деннис Митчелл (19201992 гг.) выявил главные структуры механизма окислительного фосфорилирования, за что был удостоен в 1978 году Нобелевской премии по химии «за внесенный им вклад в понимание процесса переноса биологической энергии и за разработку хемиосмотической теории». Почему ученый был отмечен столь высокой наградой? Потому что вопрос о механизме окислительного фосфорилирования это выяснение того, как энергия, образующаяся в дыхательной цепи, трансформируется в энергию фосфатных связей.