Суммарное уравнение цикла трикарбоновых кислот можно представить:

ацетил-КоА + 3 NAD⁺+ FAD+ГДФ +Н₃РО₄ →2СО₂+ 3NADН∙Н⁺ +ФАДН₂+ГТФ

Цикл Кребса — это ключевой этап дыхания всех клеток, использующих кислород, центр пересечения множества метаболических путей в организме. Кроме значительной энергетической роли циклу отводится также и существенная пластическая функция, то есть это важный источник молекул-предшественников, из которых в ходе других биохимических превращений синтезируются такие важные для жизнедеятельности клетки соединения как аминокислоты,углеводы,жирныекислоты.

Но так как из цикла постоянно происходит постоянный отток для биосинтезов промежуточных метаболитов, приводящий к понижению уровня щавелево-уксусной кислоты, возникает необходимость в ее дополнительном синтезе. У некоторых микроорганизмов это обеспечивается с помощью последовательности из двух реакций, получивших название глиоксилатного шунта (рис.4).В первой из них изолимонная кислота под действием изоцитратлиазы расщепляется на янтарную и глиоксиловую кислоты. Во второй реакции, катализируемой малатсинтетазой, глиоксиловая кислота конденсируется с ацетил-КоА с образованием яблочной кислоты, превращающейся далее в щавелево-уксусную кислоту. В результате двух новых реакций происходит синтез С₄-кислоты из двух С₂-остатков. Глиоксилантный шунт не работает при выращивании на субстратах, катаболизирование которых приводит к образованию пировиноградной кислоты. Он включается при выращивании микроорганизмов на С₂-соединениях.

Передача (водорода) электронов на кислород происходит не прямым путем, а в результате сложного многоступенчатого процесса дыхательной цепи. Далее рассмотрим состав и функционирование цепи транспорта электронов у аэробных микроорганизмов.

Строение дыхательной цепи аэробных микроорганизмов

В переносе электронов от субстратов к молекулярному кислороду принимают участие:

1)Пиридинзависимые дегидрогеназы, для которых коферментами служат либо NAD, либо NADF;

2)Флавинзависимые дегидрогеназы (флавиновые ферменты), у которых роль простетической группы играют FAD или FMN;

3)Цитохромы, содержащие в качестве простетической группы железопорфириновую кольцевую систему.

Среди компонентов дыхательной цепи обнаружены также убихинон (кофермент Q) и железосерные белки.

Общую схему переноса водорода (электронов) к молекулярному кислороду можно представить следующим способом:

Субстрат→ NAD∙H₂→ Флавопротеин→ Кофермент Q→Цитохром b→

→ Цитохром с₁ → Цитохром с → Цитохром аа₃→ О₂

Дыхательная цепь у прокариот находится в цитоплазматической мембране, а у эукариот – в мембране митохондрий. Дыхательная цепь построена таким образом, что одни ее компоненты переносят только атомы водорода, а а другие – только электроны. Причем переносчики атомов водорода и переносчики электронов последовательно чередуются в дыхательной цепи. Флавопротеины и хиноны осуществляют перенос атомов водорода, а FeS-белки и цитохромы – электронов.

Функционирование дыхательной цепи осуществляется следующим образом:

В присутствии восстановленного субстрата (S-H₂) – донора электронов и соответствуюзщей дегидрогеназы пиридиновое кольцо восстанавливается путем связывания в четвертом положении одного протона и двух электронов, а второй протон остается в среде:

Субстрат-Н₂ +NAD⁺→Субстрат +NADH +H⁺

Следующим акцептором атомов водорода является группа флавиновых ферментов:

NADH+ H⁺ +FAD → FADH₂+ NAD⁺

В некоторых случаях, например окисления сукцината, флавиновые ферменты могут играть роль первичных дегидрогеназ, т.е. прямо, без участия NAD и NADF-зависимых дегидрогеназ, принимать электроны и протоны при окислении субстратов.Такой фермент, в частности, сукцинатдегидрогеназа.

Восстановленная форма флавиновых ферментов передает атомы водорода (протоны и электроны) убихинону (коферменту Q):

Кофермент Q + FADH₂→Кофермент Q∙Н₂+ FAD

Кофермент Q - жирорастворимое соединение, которое служит «сборщиком» водорода, поставляемого различными коферментами и простетическими группами. Здесь атом водорода расщепляется на протон и электрон. Протон выделяется в среду, электрон передается на систему цитохромов, которые включаются в дыхательную цепь в определенной последовательности:

Цитохром b→ Цитохром с₁ → Цитохром с → Цитохром аа₃

Все цитохромы представляют собой гемопротеины. При этом в обратимой окислительно-восстановительной реакции участвует атом железа гемма, таким образом они переносят только электроны:

Каждый из этих цитохромов находясь в окисной Fe³⁺ форме, присоединяет один электрон и переходит в закисную Fe²⁺ форму.

Последним в ряду переносчиков электронов стоит цитохром аа₃ (цитохромоксидаза), который является терминальным дыхательным ферментом, непосредственно взаимодействующим с кислородом. Восстановленная форма цитохрома Fe²⁺ вновь окисляется в Fe³⁺ форму молекулярным кислородом. Образовавшийся «активный» кислород присоединяет два протона из окружающей среды, в результате чего образуется молекула воды:

2H⁺+О^2-→Н₂О

Во время прохождения электронов по цепи энергия освобождается отдельными небольшими порциями. Это осуществляется за счет разницы окислительно-восстановительных потенциалов. Для синтеза 1 АТФ достаточно 150-300 мВ. Такая разница достигается в электронно-транспортной цепи в трех определенных местах, называемых пунктами сопряжения, так как именно там находится АТФ-фаза.