Apskatīsim galvenos TCA posmus.
Pirmā reakcija — acetil~S-KoA (acetil-koenzīms A) (ne tikai kā ogļhidrātu metabolisma produkts, bet arī no citiem avotiem — taukskābēm un aminoskābēm kā enerģijas avotiem) mijiedarbojas ar cikla otro komponentu — oksaloacetātu (jeb skābeņskābes etiķskābi), veidojot citrātu (citronskābi).
Pats oksaloacetāts (skābeņskābes etiķskābe) veidojas no acetil~S-KoA reakcijā, ko sauc par karboksilēšanu, t.i., COOH grupas pievienošanu (pretēji dekarboksilēšanai, t.i., šīs grupas atšķelšanai) ar ogļskābās gāzes (CO₂), vitamīna H (biotīna) un ATP (ATP-Mg²⁺ formā) līdzdalību.
Tālāk citrāts pārvēršas par izocitrātu (izocitronskābi).
Nākamajā stadijā izocitrāts pārvēršas par α-ketoglutarātu (tā ir reakcija ar oksidētāju NAD⁺, vienlaicīgi zaudējot karboksilgrupu COOH CO₂ formā — oksidatīvās dekarboksilēšanas reakcija). Šajā reakcijā veidojas NADH (atjaunotā NAD⁺ forma — ar ūdeņradi), kas nodod savu ūdeņradi mitohondrijās elektronpārneses ķēdei (EPĶ) līdz skābeklim O₂, ražojot enerģiju (ATP). Šis ir pirmais enerģiju piegādājošais posms TCA.
Tālāk α-ketoglutarāts pārvēršas par sukcinil~S-KoA (makroergs; sukcinils — dzintarskābes atlikums). Tas notiek NAD⁺ un KoA-SH līdzdalībā ar CO₂ atšķelšanos (otrā oksidatīvās dekarboksilēšanas reakcija) un NADH veidošanos, kura ūdeņradis arī tiek nodots EPĶ ar ATP ražošanu. Šis ir otrais enerģiju piegādājošais posms.
Makroergs sukcinil~S-KoA ar makroerģiskās saites pārrāvumu pārvēršas par sukcinātu (brīvu dzintarskābi), un šīs saites pārrāvuma enerģija tiek izmantota ATP sintēzei no ADP un neorganiskā fosfāta (Pᵢ). Šī ir vienīgā ATP molekula, kas veidojas tieši ciklā. Šis ir trešais enerģiju piegādājošais posms.
Šajā posmā ATP veidošanās notiek uz substrāta sukcinil~S-KoA enerģijas rēķina bez skābekļa līdzdalības (pretstatā oksidatīvajai fosforilēšanai EPĶ, skatīt zemāk), un tādēļ šo procesu sauc par substrātveida fosforilēšanu.
Tālāk sukcināts FAD (flavīna adenīna dinukleotīds) ietekmē (atgādinām, ka tā pamatā ir B₂ vitamīns) pārvēršas par fumarātu, bet FAD — par FADH₂, kura ūdeņradis nonāk EPĶ. Šis ir ceturtais enerģiju piegādājošais posms.
Fumarāts pievieno H₂O molekulu un veido malātu (ābolskābi). Un, visbeidzot, cikls noslēdzas, jo malāts NAD⁺ ietekmē pārvēršas atpakaļ sākotnējā oksaloacetātā, kas atkal mijiedarbojas ar acetil~S-KoA, bet NAD⁺ pārvēršas par NADH, kura ūdeņradis tiek nodots EPĶ ar ATP veidošanos. Šis ir piektais enerģiju piegādājošais posms.
Ņemot vērā, ka NAD H atbilst trīs ATP molekulu veidošanai EPĶ, bet FAD – divām, viena acetilSkoA molekulas oksidēšanas (viens Krebsa cikla pagrieziens) kopējais rezultāts ir 12 ATP molekulas (11 molekulas veidojas ūdeņraža pārneses dēļ EPĶ, un viena – tieši ciklā), bet visas glikozes molekulas gadījumā (veidojas divas acetilmolekulas un, attiecīgi, notiek divi cikli) – 24 ATP molekulas.
Ņemot vērā visas aerobās glikozes oksidācijas stadijas (1 — anaerobā stadija līdz piruvātam; 2 — piruvāta pārvēršana acetil~S-KoA; 3 — pats Krebsa cikls; 4 — ūdeņraža pārneses posmi EPĶ), kopējais enerģijas iznākums, pārveidojot ("sadedzinot") glikozi līdz oglekļa dioksīdam un ūdenim, ir 38 ATP molekulas (pretstatā divām molekulām anaerobajā procesā — glikolīzē).
Krebsa cikls faktiski producē NADH un FADH₂ kā ūdeņraža avotus elpošanas ķēdes darbībai, kur ATP veidošanās arī notiek. Pašā Krebsa ciklā tiek sintezēta tikai viena ATP molekula.
ATP veidošanās ir fundamentāls process visam dzīvajam, un, runājot par enerģiju, domāts tiek tieši ATP, nevis siltums.
Pilnīgi skaidrs, ka enerģija ir dzinējspēks gan tehniskajās sistēmās, gan dzīvajos organismos. Tiklīdz jebkurā sistēmā apstājas enerģijas piegāde, apstājas tās darbība, bet dzīvajos organismos — dzīve.
ATP sauc par makroērgu, kas no grieķu valodas nozīmē "enerģijas bagāts savienojums". Uzreiz jāprecizē, ka makroērga jēdzienam ir precīza kvantitatīva raksturojuma īpašība, bet šajā jautājumā mēs neiedziļināsimies.
Jāatzīmē, ka makroērgi nav tikai fosfora savienojumi, pie makroērgiem pieskaita arī acetil~SCoA. Makroērgiskā saite tiek apzīmēta ar simbolu ~.
Apskatīsim ATP sintēzes procesu mitohondrijās.
Formāli reakcija ir ļoti vienkārša: sākotnējā ADP molekula pievieno fosforskābes molekulu (apzīmēsim to kā Pn, t. i., neorganisko fosfātu) un veido dzīves procesus nosakošo produktu — ATP:
ADP + Pn ⇌ ATP + H₂
Šķietami vienkārši, tomēr šī jautājuma risināšanai bija nepieciešams gandrīz vesels gadsimts. Kāpēc šis jautājums izrādījās tik sarežģīts? Lieta tāda, ka šis process vēlamajā virzienā (t. i., ATP veidošanās virzienā) pats par sevi (t. i., spontāni) ir neizdevīgs un tādējādi neiespējams (bioķīmijā lieto terminu "aizliegts"), un neviens enzīms nevar to paātrināt. Tomēr realitātē tas notiek mitohondrijās. Tas ir saistīts ar to, ka tad, ja šāds neizdevīgs (un tādējādi teorētiski "neiespējamais") process notiek kombinācijā ar citu procesu, kas nodrošina enerģiju (t. i., izdevīgu procesu), neizdevīgais process kļūst iespējams. Šāds enerģētiski ļoti izdevīgs process ir elektronu pārvade EPĶ iekšējā mitohondriju membrānā, aktīvi piedaloties pašai membrānai.
Mitčela darbs, par kuru viņš tika apbalvots ar Nobela prēmiju, tika izklāstīts tikai dažās lappusēs, taču tajā bija ietverta burtiski revolucionāra ideja par to, ka mitohondriju membrāna nav tikai robeža starp iekšējo un ārējo vidi, bet gan aktīvs procesa dalībnieks. Ilgu laiku nebija skaidrs, kā ATP veidošanās procesā apvienojas divi tik atšķirīgi procesi kā elektronu pārvade EPĶ un trešās fosfāta grupas pievienošana ADP. Atbilde uz šo jautājumu bija Mitčela darbā, lai gan sākotnēji tikai idejas līmenī. Saskaņā ar viņa teoriju:
⚛ Membrāna ir aktīvs procesa dalībnieks;
⚛ Membrāna ir necaurlaidīga protoniem un metālu katjoniem;
⚛ Membrānai jābūt intaktai (t. i., neskartai, nebojātai).
Elektronu pārvades EPĶ enerģijas dēļ notiek protonu izvadīšana no vienas membrānas puses, kā rezultātā uz vienas membrānas puses rodas pozitīvā lādiņa pārpalikums un uz otras — deficīts. Rezultātā uz membrānas rodas potenciālu starpība, ko sauc par transmembrāno potenciālu. Tā ietekmē protoni cenšas atgriezties atpakaļ, taču membrāna tiem ir necaurlaidīga un nelaiž tos cauri. Protoniem vienīgā iespēja ir pārvietoties caur membrānas fermentu ATP sintāzi, kas arī sintezē ATP no ADP un fosforskābes. Jo augstāks potenciāls membrānā, jo intensīvāk norisinās ATP sintēze, un otrādi.
Ir zināmas vielas, kas spēj pārnest protonus caur membrānām, samazinot transmembrāno potenciālu, kā rezultātā ATP sintēze tiek kavēta, bet EPĶ turpina darboties. Rodas oksidācijas (elektronu pārvades) un fosforilēšanas (fosfāta grupas pievienošanas) nošķiršana, un elektronu pārvades enerģija arvien vairāk tiek pārveidota siltumā. ATP enerģijas sāk pietrūkt, kas pastiprina tauku un ogļhidrātu sadedzināšanu, izraisot svara samazināšanos un novājēšanu.
Šādas vielas sauc par elpošanas un fosforilēšanas nošķiršanas līdzekļiem. Papildus vairākām bieži bīstamām ķīmiskām vielām (piemēram, nitrofenoliem) pastāv arī droši dabīgi savienojumi ar šādām īpašībām. Piemērs ir karotinoīds fukoksantīns, kas atrodams jūras brūnaļģēs un tiek izmantots novājēšanas preparātos.
Mūsu organismā enerģētiskos procesus regulē vairogdziedzera hormoni, kuri augstā koncentrācijā (hipertireoze) darbojas kā nošķiršanas līdzekļi. Tāpēc cilvēkiem, kuri slimo ar hipertireozi, vienmēr ir paaugstināta ķermeņa temperatūra, pastiprināta svīšana, klaustrofobija u.c.
Jaundzimušajiem un pieaugušajiem, pielāgojoties zemām temperatūrām (piemēram, Arktikā, lielā augstumā utt.), tiek sintezēts brūnais taukauds — audi, kas ir bagāti ar dabīgiem kanāliem, pa kuriem protoni mitohondriju membrānā viegli atgriežas atpakaļ. Tas palielina siltuma izdalīšanos, nodrošinot organismam nepieciešamo sasilšanu aukstos apstākļos.
EPĶ — ķēde, precīzāk sakot, kaskāde, fermentu, kuri (izņemot vienu — kofermentu Q10 jeb KoQ10) spēj pārnest elektronus (tos apzīmē ar simbolu e-) un protonus H+ (elektrons un protons kopā veido ūdeņraža atomu H) uz molekulāro skābekli O2 (t.i., to, ar kuru mēs elpojam un kuru mitohondrijām piegādā eritrocīti). Šos fermentus sauc par oksidēšanas-reducēšanas fermentiem. Tie atrodas šajā ķēdē stingri noteiktā secībā, turklāt kaskādē, un rada potenciālu starpību trīs posmos, kur arī notiek ATP sintēze, izmantojot elektronu pārneses enerģiju.
Membrānā veidojas potenciāla starpība E0, ko sauc par transmembra potenciālu. Transmembra potenciāls kalpo kā ATP sintēzes virzošais spēks.
Pirmajā EPĶ posmā ūdeņraža atomi (t.i., elektroni e- un protoni H+), kas izdalās CTC (citronskābes ciklā) (NADH un FADH2 veidā), kā arī piruvāta pārvēršanās par acetil~SCoA stadijā, nonāk uz pirmo mitohondriju fermentu ar kofermentu NAD+ (priekštecis — B3 vitamīns jeb nikotīnamīds), kas pārvēršas par NADH. Otrajā posmā ūdeņraža (t.i., elektronu un protonu) pārnese notiek no NADH uz fermentu ar kofermentu FMN (flavīnmononukleotīdu; priekštecis — B2 vitamīns jeb riboflavīns), kas pāriet reducētā formā — FMNH2 (jāatzīmē, ka FMN ir FAD analogs, būtībā puse no tā).
Tālāk elektroni un protoni no FMNH2 tiek pārnesti uz vienīgo zema molekulārā svara ķēdes komponentu — KoQ10 jeb ubihinonu, kas fermentatīvi pārvēršas savā aktīvajā formā — ubihinolā (t.i., reducētā ubihinonā jeb KoQ10H2). Elektronu pārnese uz KoQ10 no citiem avotiem (piemēram, dzintarskābes) notiek caur FAD.
Pēc tam no ubihinola (nevis ubihinona) elektroni (tieši tikai tie, jo protoni virzās caur matriksu) tiek pārnesti uz fermentu ķēdi, ko sauc par mitohondriju citohromiem, kuru neproteīnu grupa ir hēms (tāds pats kā hemoglobīnā, taču hemoglobīns nav ferments, bet gan transportproteīns, savukārt citohromi ir fermenti, ko nosaka to proteīnu daļa).
Citohromi ir sakārtoti šādā secībā: citohroms b — citohroms c1 — citohroms c — citohroms aaz (citohromoksidāze), no kura elektroni nonāk pie gala elektronu akceptora — molekulārā skābekļa O₂, kas, pieņemot protonus H⁺ no ubiquinola, veido ūdens molekulu. EPĶ komponentes ir izvietotas ķēdē atbilstoši to oksidēšanās-reducēšanās potenciālam, kas izteikts voltos (precīzāk — milivoltos), un ķēdes sākumā potenciāls ir visnegatīvākais (pie NADH), savukārt ķēdes beigās (pie molekulārā skābekļa O₂) tas ir vispozitīvākais, kas arī nodrošina elektronu e⁻ pārnesi uz to.
Elektronu pārneses process EPĶ ir pakāpenisks un atspoguļo nozīmīgas (nenulles) potenciālu atšķirības (voltos) izpausmi trīs posmos (bultiņas ir slīpas). Tieši šajos posmos, pateicoties elektronu pārneses enerģijai, tiek veikta ATP sintēze no ADP un fosforskābes, kas bez šīs enerģijas piegādes ir absolūti neiespējama. Šis process ir oksidācijas un fosforilēšanas sasaistes jeb, precīzāk, savienošanas mehānisms, ko sauc par oksidatīvo fosforilēšanu.
Ja elektronu pārnese sākas no NAD⁺ (t.i., pašā ķēdes sākumā), tad ATP sintēze notiek trīs posmos — trīs slīpi fragmenti, ko sauc par oksidācijas (elektronu pārnese) un fosforilēšanas (fosfātgrupas pievienošana) savienošanās punktiem. Ja elektronu pārnese sākas no FMN vai FAD, iekļaujas divi savienošanās punkti (divi slīpi fragmenti). Tāpēc arī iepriekš izmantotais attiecību princips, aprēķinot aerobo glikozes oksidācijas enerģētiku: NADH atbilst trīs ATP molekulu veidošanai, bet FMN un FAD — divām. Šī attiecība ir spēkā arī citiem enerģētiskajiem procesiem.
Uz ubiquinonu jeb CoQ10 tiek pārnesti elektroni arī no dzintarskābes (sukcināta), piedaloties fermentam, kura koenzīms ir FAD.
Pāris "dzintarskābe-CoQ10" ir atsevišķs mitohondriju EPĶ molekulārais komplekss. Tāpēc, lai palielinātu organisma enerģētisko nodrošinājumu (īpaši, piemēram, sportā vai dažādu hipoksiju saistītu slimību gadījumā), dzintarskābi nepieciešams lietot kopā ar ubiquinonu, bet vēl efektīvāk — ar tā aktīvo formu ubiquinolu.
Jāatzīmē, ka EPĶ ATP veidošanos raksturo unikāli augsta lietderības koeficienta vērtība — aptuveni 45% (pārējie 55% tiek pārveidoti siltumā, kas uztur ķermeņa temperatūru un būtībā rada fizioloģiskus termiskos apstākļus organisma pastāvēšanai). Tiklīdz skābekļa padeve organismā apstājas (elpošanas apstāšanās gadījumā), ATP un siltuma ražošana arī tūlīt apstājas (un ķermenis ātri atdziest).
Samazinoties ķermeņa temperatūrai aukstā vidē, tiek aktivizēts trīcēšanas mehānisms (atsevišķu muskuļu grupu nesaskaņota saraušanās). Šajā procesā muskuļu kontraktilais proteīns un vienlaikus ferments aktomiozīns sašķeļ ATP līdz ADP un fosforskābei. Šajā gadījumā noderīgs darbs netiek veikts, bet liela daļa enerģijas pāriet siltumā, palielinot ķermeņa temperatūru un sasildot cilvēku.
Tādējādi EPĶ ir trešais posms audu elpošanas procesā. Atgādināsim, ka pirmais šī procesa posms ir acetil~SCoA veidošanās, turklāt ne tikai no glikozes, bet arī no citiem avotiem (taukskābēm un aminoskābēm); otrais posms ir Krebsa cikls, kura laikā veidojas ūdeņraža donori NADH un FADH₂, kas nodrošina EPĶ darbību, kur tieši pateicoties ūdeņraža pārneses enerģijai notiek ATP sintēze. Tādējādi tiešais enerģijas avots, tas ir, ATP, tiek sintezēts EPĶ, kur elektronu pārneses enerģija pārvar aizliegumu pievienot fosfātgrupu ADP, kā rezultātā oksidatīvās fosforilēšanas procesā veidojas ATP.
1️⃣ pirmais posms — visu enerģijas avotu (ogļhidrātu, brīvo taukskābju) un olbaltumvielu (aminoskābju) pārveide par kopīgu metabolītu — acetil~KoA;
2️⃣ otrais posms — Krebsa cikls, kas kalpo par NADH un FADH₂ — elektronu un protonu (t.i., ūdeņraža atomu) nesēju — donoru trešajam posmam;
3️⃣ trešais posms — EPĶ, kur notiek ATP veidošanās (atcerēsimies, ka pašā Krebsa ciklā tiek sintezēta tikai viena ATP molekula).
Mēs jau zinām, ka eksistē arī citi ATP avoti. Iepriekš apskatījām anaerobās glikozes oksidēšanas procesu un atzīmējām, ka šajā procesā kopumā veidojas divas ATP molekulas (divas tiek patērētas; četras veidojas) pateicoties makroenerģētiskajiem substrātiem — 1,3-difosfoglicerātam un fosfoenolpiruvātam, kas veidojas bez skābekļa klātbūtnes un spēj savas augstās enerģijas dēļ pārnest savu fosfātgrupu uz ADP, veidojot ATP.
Viena šāda reakcija notiek arī Krebsa ciklā. Šādu ATP sintēzes ceļu sauc par substrātu fosforilēšanu (t.i., pateicoties substrātu-makroenerģētisko savienojumu enerģijai), atšķirībā no oksidatīvās fosforilēšanas, kas norisinās mitohondrijās un kuras enerģijas avots ir bagātā enerģija, kas rodas elektronu pārneses laikā.
Kā minēts iepriekš, substrātu fosforilēšanas process ir ievērojami mazāk efektīvs kā enerģijas avots salīdzinājumā ar oksidatīvo fosforilēšanu, taču tā norisei nav nepieciešams skābeklis. Eritrocītiem šī enerģija ir pilnīgi pietiekama, lai nodrošinātu normālu funkcionēšanu, proti, skābekļa, ogļskābās gāzes un protonu transportēšanu.
Vēl viens svarīgs EPĶ darbības aspekts ir fizioloģiski nepieciešams mehānisms aktīvo skābekļa formu, tostarp brīvo radikāļu, veidošanai. Normāls aktīvo skābekļa formu līmenis ir svarīgs nosacījums daudzu dzīvības procesu norisei organismā; to pārmērīgu veidošanos sauc par oksidatīvo stresu, un šāds stāvoklis ir bīstams cilvēka veselībai.
Parasti mitohondrijās 3% skābekļa pārvēršas tā aktīvajās formās. Tomēr nelabvēlīgos apstākļos mitohondriju darbība var ievērojami palielināt aktīvo skābekļa formu produkciju, un to pārmērīga veidošanās noved pie brīvo radikāļu izraisīta pašas mitohondriju membrānas, kurā ir iebūvēta EPĶ, bojājuma, kā arī šīs ķēdes fermentu un mitohondriālās DNS bojājuma, kas ir īpaši bīstami mitohondriju ģenētiskajam aparātam, jo tas ir ievērojami mazāk aizsargāts pret brīvajiem radikāļiem nekā kodola DNS. Šīs izmaiņas noved pie tā sauktajām mitohondriālajām slimībām (sirds un asinsvadu slimībām, diabēta, imūnsistēmas traucējumiem u.c.). Tāpēc kompleksā mitohondriju antioksidatīvā aizsardzība ir ļoti svarīga to normālai funkcionēšanai un seku novēršanai.
