Какова сущность цикла кребса. Покажите его основные молекулярные механизмы. Какова локализация процесса в клетке. Укажите энергетическую эффективность и эволюционный аспект процесса.

Пировиноградная кислота, образовавшаяся в результате гликолиза, и не израсходованная в процессах брожения, поступает в митохондрию, где ПВК используется в аэробном дыхании.

Аэробное дыхание имеет две фазы. В первой каждая молекула пировиноградной кислоты поступает в митохондрию, где она полностью окисляется аэробным путем. Сначала происходит окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты, т.е. отщепление СО₂ с одно­временным окислением путем дегидрирования. Во время этих реакций пировиноградная кислота соединяется коферментом А (КоА или KoAS–H), в результате образуется ацетилкофермент А. Количество выделяющейся энергии достаточно для образования в молекуле ацетилкофермента А высокоэнергетичес­кой связи. НАДН₂, являющийся продуктом этой реакции, направляется в дыхательную цепь митохондрии.

Вторую фазу составляет цикл Кребса. Ацетильная группа ацетил-КоА, содержащая два атома углерода, включается в цикл Кребса при гидролизе ацетил-КоА. Она присоединяется к щавелевоуксусной кислоте – 4С-соединению, в результате образуется 6С лимон­ная кислота. Для этой реакции требуется энергия; ее поставляет высокоэнергетическая связь ацетил-КоА. Далее следует цикл реакций, в которых ацетильные группы, поступающие в цикл при гидролизе ацетил-КоА, дегидрируются с высвобождением четырех пар атомов водорода и декарбоксилируются с образованием двух молекул СО₂. При декарбоксилировании для окисления двух атомов углерода до СО₂ используется кислород, отщепляемый от двух моле­кул воды. Этот процесс носит название окисли­тельного декарбоксилирования. В конце цикла щавелевоуксусная кислота регенерируется. Теперь она способна вступить в реакцию с новой молекулой ацетил-КоА, и цикл повторяется. На каждую окисленную молекулу ацетил-КоА образуются: одна молекула АТФ, четыре пары атомов водорода и две молекулы СО₂. Водородные атомы при­соединяются к НАД или ФАД и попадают в дыхательную цепь. Поскольку из одной окисленной молекулы глюкозы образуются две молекулы ацетил-КоА, для окисления каждой молекулы глюкозы в процессе дыхания требуются два оборота цикла. Суммарную реакцию для образования ацетил-КоА и цикла Кребса: С₆Н₁₂О₆ + 6Н₂О –> 6СО₂ + 4АТФ + 12АсН₂, Ас-акцептор водорода. Таким образом, суммарный энергетический выход всего процесса дыхания составляет 38 молекул АТФ на одну молекулу глюкозы. Это меньше, чем можно было бы ожидать исходя из энергии связей в молекуле глю­козы. Часть образующейся энергии выделяется в виде тепла (44,6%).

Цикл Кребса идет только в присутствии достаточно­го количества кислорода. Но молекулярный кислород непосредственно в реакциях не участвует. Он необхо­дим для заключительного этапа дыхательного процес­са, связанного с окислением НАД*Н в электронтранспортной цепи митохондрий. С переносом электронов связан и синтез АТФ.

При превращении пировиноградной кислоты в цикл Кребса реакции идут с участием воды.

Суммарно это можно записать следующим образом: 2C₃H₄O₈ + 6Н₂О--► 6СО₂ + 20Н.

Атомы водорода (протоны и электроны) связываются с НАД в комплекс НАД • Н и поступают в мембраны митохондрий. В мембране комплекс распадается таким образом, что протоны оказываются на внешней стороне мембраны, а электроны по цепи переносчиков (в основном цитохромов) передаются на внутреннюю сторону (в матрикс митохондрий). Там. они связываются с мо­лекулами кислорода, давая ионы O₂^-. Таким образом, роль кислорода при дыхании определяется тем, что он является акцептором электронов. В результате по одну сторону мембраны накапливаются протоны, а по дру­гую — электроны. Возникает мембранный электрохимический потенциал. Когда он достигает величины 200 мВ, протоны по градиенту концентрации переносятся в матрикс митохондрии через канал в мембране, обра­зованный ферментом АТФ-азой. Энергия идет на синтез АТФ, а протоны соединяются с ионами О_2. В качестве основного субстрата дыхания большин­ство организмов используют углеводы. Однако и жиры, и белки также окисляются при дыхании в цикле Креб­са, так как они способны распадаться с получением ацетил-коэнзима А.