Суммарную реакцию для образования ацетил-КоА и цикла Кребса можно записать так:
С6Н12О6 + 6Н2О → 6СО2 + 4АТФ + 12АсН2,
где Ас — акцептор водорода.
Рис. 11.8. Упрощенная схема цикла Кребса
11.3.6. Окислительное фосфорилирование и дыхательная цепь
Пары водородных атомов, отщепляемые от промежуточных продуктов в реакциях дегидрирования при гликолизе и в цикле Кребса, в конце концов окисляются молекулярным кислородом до Н2О с одновременным фосфорилированием АДФ в АТФ. Происходит это, когда водород, отделившийся от НАД⋅Н2 или ФАД⋅Н2, передается по цепи, включающей по меньшей мере пять переносчиков — флавопротеин, кофермент Q и несколько разных цитохромов. В конце цепи водород соединяется с молекулярным кислородом и образует воду. Промежуточные переносчики водорода претерпевают при этом ряд окислительно-восстановительных реакций. Переносчики сгруппированы таким образом, что в трех пунктах цепи при переходе водородных атомов от одного переносчика к другому небольшое количество энергии высвобождается и включается в молекулу АТФ. На рис. 11.9 представлена дыхательная цепь, или цепь переноса электронов. В действительности на первом участке цепи происходит главным образом перенос водорода, а на последнем — исключительно перенос электронов. Переносчики X, Y и Z-цитохромы. X и Y представляют собой белковые пигменты с железосодержащей простетической группой, которая называется гемом (такой же гем содержится в гемоглобине). При каждой окислительно-восстановительной реакции железо оказывается попеременно в окисленной (Fe3+) и в восстановленной (Fe2+) форме. На конечном этапе медьсодержащий переносчик Z, называемый обычно цитохромоксидазой (или цитохромом а + а3), катализирует восстановление молекулярного кислорода до воды. Цианид калия и окись углерода блокируют клеточное дыхание на этом этапе.
Рис. 11.9. Схема дыхательной цепи, где происходит перенос водорода и электронов. Пункты, в которых высвобождается достаточно энергии для синтеза АТФ, не указаны. Кроме того, показаны не все переносчики, входящие в дыхательную цепь
11.3.7. Переносчики водорода и электронов
НАД и НАДО (никотинамидадениндинуклеотидфосфат)
НАД и НАДФ — два очень близких по своей структуре кофермента. Оба они представляют собой производные никотиновой кислоты (одного из витаминов группы В). Молекулы того и другого кофермента электроположительны (у них отсутствует один электрон) и могут играть роль переносчика как электронов, так и атомов водорода. Когда акцептируется пара атомов водорода, один из атомов диссоциирует на протон и электрон:
а второй присоединяется к НАД или НАДФ целиком.
Суммарную реакцию можно записать так:
или проще
НАД(Ф) + Н2 → НАД(Ф) ⋅ Н2.
Свободный протон позднее, при отщеплении водорода, используется для обратного окисления кофермента.
Флавопротеины
Флавопротеины — это коферменты, в состав которых входит витамин В2. ФАД (флавинадениндинуклеотид) играет роль простетической группы, белковая же часть молекулы флавопротеина действует как фермент. В дыхательной цепи эта белковая часть выступает в качестве НАД-дегидрогеназы, катализируя окисление восстановленного НАД. Водород переносится флавопротеином в виде целых атомов.
В цикле Кребса белковая часть флавопротеина, простетической группой которого служит ФАД, действует как сукцинатдегидрогеназа. Она катализирует окисление янтарной кислоты в фумаровую. Восстановленный ФАД располагается в дыхательной цепи после первого пункта окислительного фосфорилирования (т. е. синтеза АТФ). Поэтому за счет его обратного окисления синтезируются только две молекулы АТФ (рис. 11.10).