Металлы в живых организмах

Цикл Кребса называется так по имени ученого, открывшего его. Другое его название — цикл трикарбоновых кислот, которые играют здесь важную роль (рис. 7). В этот цикл вовлекается пировиноградная кислота, теряющая сначала водород и СO₂; реакция имеет сложный характер и связана с участием системы ферментов. При этом от молекулы пировиноградной кислоты остается группа СН₃СО — ацетил[4]. Ацетил реагирует со щавелевоуксусной кислотой (четырехуглеродной двухосновной карбоновой кислотой), образуя лимонную (шестиуглеродную трехосновную) кислоту. С этого, собственно, и начинается работа цикла. Затем следуют реакции образования цисаконитовой и изолимонной кислот, в молекулах которых имеется по шести атомов углеродов. Под влиянием фермента дегидрогеназы от изолимонной кислоты отщепляются два атома водорода, в результате чего она превращается в щавелевоянтарную кислоту (на схеме не показана), которая под действием декарбоксилазы отщепляет углекислый газ; при этом число атомов углерода в продукте реакции — кетоглутаровой кислоте — становится равным пяти. Кетоглутаровая кислота интересна тем, что в том месте, где она образуется, цикл пересекается с еще одним путем метаболизма. Так, при ее взаимодействии с аммиаком или ионами аммония образуется глутаминовая кислота, которая в дальнейших реакциях может превращаться и в другие аминокислоты; таким путем, в частности, в корневой системе растений аммиак вовлекается в синтез аминокислот.

Кофермент А состоит из аденин-нуклеотида, двух остатков фосфорной кислоты, пантотеновой кислоты (пант. к.) и аминоэтантиола

Продолжим наше движение по циклу. Кетоглутаровая кислота превращается в янтарную (имеющую четыре атома углерода), теряя углекислый газ и два атома водорода; при этом одна молекула воды входит в цикл. Далее следуют реакции превращения янтарной кислоты в фумаровую, фумаровой — в яблочную и яблочной — в щавелевоуксусную. Как видно из рисунка 7, все эти превращения сопровождаются отщеплением двух пар атомов водорода и присоединением молекулы воды. Щавелевоуксусная кислота также может быть источником образования аминокислоты (аспарагиновой), однако ее основная функция заключается в том, что она в форме, содержащей двойную связь (енол), вступает в реакцию с остатком уксусной кислоты СН3СО (в составе ацетил-КоА), снова запуская цикл.

В работе цикла принимают участие ионы железа и магния, ускоряющие реакции, отмеченные на схеме стрелками. Так, активный центр фермента аконитазы содержит цистеин и ионы двухзарядного железа. Ионы железа в аконитазе осуществляют своеобразную функцию — они способствуют переносу группы ОН от одного атома углерода к другому, что необходимо для превращения лимонной кислоты в изолимонную. Ионы магния участвуют в работе фермента, который катализирует отнятие водорода от изолимонной кислоты. Скорость этой реакции определяет скорость прохождения всего цикла.

Подводя итог работы цикла за один оборот, мы видим, что молекула пировиноградной кислоты в результате прохождения цикла присоединила три молекулы воды, отдала в общей сложности пять пар атомов водорода и образовала три молекулы углекислого газа. Этот результат можно записать уравнением:

Молекула пировиноградной кислоты в результате прохождения цикла присоединила три молекулы воды, отдала в общей сложности пять пар атомов водорода и образовала три молекулы углекислого газа

Куда же девается водород, потерянный в этих реакциях? Он присоединяется к коферменту НАД⁺, а затем через флавиновые ферменты и цитохромы добирается до кислорода, образуя в конечном счете воду[5].

Обратим внимание на необычайную деликатность обращения химических машин клетки с тем сырьем, которое им приходится перерабатывать, и на то, как много сложных промежуточных этапов включает этот замечательный цикл, образующий водород и углекислоту и разделяющий их. Необходимо помнить, что каждый этап связан с определенным ферментом (всего в цикле участвуют восемь ферментов) и, следовательно, со специфическим белком, участвующим в катализе. Для чего все это? Неужели нельзя окислить уксусную кислоту менее хитроумным способом? Можно. Достаточно, например, насыпать в тигель перекиси натрия и добавить туда немного концентрированной уксусной кислоты, чтобы увидеть признаки бурной реакции: возникает пламя, выделяется теплота, и органическое соединение полностью сгорает до углекислого газа и воды. Однако энергия, полученная столь эффектным способом, теряется и, рассеиваясь в окружающей атмосфере, не может быть использована даже для простого нагревания.