Окисление пировиноградной кислоты. Функционирование пируватдегидрогеназного комплекса. Роль коферментов. Регуляция процесса

Окисление пирувата до ацетил-КоА происходит при участии ряда ферментов и коферментов, объединенных структурно в мультиферментную систему, получившую название «пируватдегидрогеназный комплекс».

На I стадии этого процесса пируват (рис. 10.8) теряет свою карбоксильную группу в результате взаимодействия с тиаминпирофосфатом (ТПФ) в составе активного центра фермента пируватдегидрогеназы (E₁). На II стадии оксиэтильная группа комплекса E₁–ТПФ–СНОН–СН₃ окисляется с образованием ацетильной группы, которая одновременно переносится на амид липоевой кислоты (кофермент), связанной с ферментом дигидроли-поилацетилтрансферазой (Е₂). Этот фермент катализирует III стадию – перенос ацетильной группы на коэнзим КоА (HS-KoA) с образованием конечного продукта ацетил-КоА, который является высокоэнергетическим (макроэргическим) соединением.

На IV стадии регенерируется окисленная форма липоамида из восстановленного комплекса дигидролипоамид–Е₂. При участии ферментадигидролипоилдегидрогеназы (Е₃) осуществляется перенос атомов водорода от восстановленных сульфгидрильных групп дигидролипоамида на ФАД, который выполняет роль простетической группы данного фермента и прочно с ним связан. На V стадии восстановленный ФАДН₂ дигидро-липоилдегидрогеназы передает водород на кофермент НАД с образованием НАДН + Н⁺.

Процесс окислительного декарбоксилирования пирувата происходит в матриксе митохондрий. В нем принимают участие (в составе сложного мультиферментного комплекса) 3 фермента (пируватдегидрогеназа, ди-гидролипоилацетилтрансфераза, дигидролипоилдегидрогеназа) и 5 кофер-ментов (ТПФ, амид липоевой кислоты, коэнзим А, ФАД и НАД), из которых три относительно прочно связаны с ферментами (ТПФ-E₁, ли-поамид-Е₂ и ФАД-Е₃), а два – легко диссоциируют (HS-KoA и НАД).

Е₁ - пируватдегидрогеназа; Е₂ - ди-гидролипоилацетилтрансфсраза; Е₃ -дигидролипоилдегидрогеназа; цифры в кружках обозначают стадии процесса.

Все эти ферменты, имеющие субъединичное строение, и коферменты организованы в единый комплекс. Поэтому промежуточные продукты способны быстро взаимодействовать друг с другом. Показано, что составляющие комплекс полипептидные цепи субъединиц дигидролипоил-ацетилтрансферазы составляют как бы ядро комплекса, вокруг которого расположены пируватдегидрогеназа и дигидролипоилдегидрогеназа. Принято считать, что нативный ферментный комплекс образуется путем самосборки.

Суммарную реакцию, катализируемую пируватдегидрогеназным комплексом, можно представить следующим образом:

Пируват + НАД⁺ + HS-KoA –> Ацетил-КоА + НАДН + Н⁺ + СO₂.

Реакция сопровождается значительным уменьшением стандартной свободной энергии и практически необратима.

Образовавшийся в процессе окислительного декарбоксилирования аце-тил-КоА подвергается дальнейшему окислению с образованием СО₂ и Н₂О. Полное окисление ацетил-КоА происходит в цикле трикарбоновых кислот (цикл Кребса). Этот процесс, так же как окислительное декарбо-ксилирование пирувата, происходит в митохондриях клеток.

30. 31. Цикл лимонной кислоты. Биологическая роль. Ферментное обеспечение. Энергетический выход. Образование NADH, FADH₂ и GTP в цикле лимонной кислоты. Регуляция цикла

На начальной стадии цикла лимонной кислоты ацетил-КоА взаимодействует с щавелево-уксусной кислотой, образуя лимонную кислоту. Коэнзим А отделяется от ацетил-КоА и может использоваться вновь для образования новых молекул ацетил-КоА из пировиноградной кислоты.

Ацетильная часть может использоваться, становясь составной частью молекулы лимонной кислоты. На протяжении последующих стадий цикла лимонной кислоты в реакцию вступают молекулы воды, как показано в левой части рисунка. В итоге образуются углекислый газ и атомы водорода.

Суммарный итог реакций цикла лимонной кислоты. В итоге метаболических процессов из каждой исходной молекулы глюкозы получаются 2 молекулы ацетил-КоА, вступающие в реакции цикла лимонной кислоты наряду с 6 молекулами воды. В результате образуются 4 молекулы углекислого газа, 16 атомов водорода и 2 молекулы коэнзима А. Кроме того, образуются 2 молекулы АТФ.

В цикле лимонной кислоты только одна химическая реакция (во время преобразования а-кетоглутаровой кислоты в сукциниловую кислоту) сопровождается образованием молекулы АТФ. Таким образом, образующиеся из каждой молекулы глюкозы 2 молекулы ацетил-КоА проходят через цикл Кребса, суммарно при этом образуются 2 молекулы АТФ.
Влияние дегидрогеназ и никотинамидадениндинуклеотида на выделение атомов водорода в цикле лимонной кислоты.

Итак, в цикле лимонной кислоты в итоге различных химических реакций выделяются атомы водорода: 4 — во время гликолиза, 4 — при образованием ацетил-КоА из пировиноградной кислоты и 16 — в цикле лимонной кислоты. В итоге общее количество образующихся из каждой молекулы глюкозы атомов водорода равняется 24. Они высвобождаются попарно в момент образования, их высвобождение катализируется специфическими ферментами, называемыми дегидрогеназами.

Выделяющиеся при этом атомы водорода не теряются во внутриклеточном пространстве: 20 из 24 атомов водорода сразу связываются с никотинамидадениндинуклеотидом (НАД+) — производным витамина ниацина.

Эта реакция невозможна без участия специфических дегидрогеназ, равно как при отсутствии НАД+, действующих в качестве переносчиков атомов водорода. Как свободные атомы водорода, так и связанные с НАД+ последовательно вступают в реакции окисления, что сопровождается образованием огромного количества АТФ.

Главная функция цикла лимонной кислоты - окисление ацетогруппы, включающейся в этот цикл в форме молекул ацетил-СоА. Процесс этот носит циклический характер, поскольку ацетогруппа окисляется не сразу, а лишь после того, как она ковалентно присоединится к более крупной молекуле - оксалоаиетату, которая регенерируется после каждого оборота цикла. Как показано на рис. 2-23, цикл начинается с реакции ацетил-СоА с оксалоацетатом, приводящей к образованию молекулы трикарбоновой кислоты, называемой лимонной кислотой (или цитратом). Затем следует серия реакций, в которых два из шести атомов углерода цитрата окисляются до СО2, образуя молекулу оксалоацетата - исходного продукта для нового цикла. (Поскольку два новых атома углерода, присоединяемых в каждом цикле, входят не в ту часть молекулы цитрата, которая окисляется в данном цикле до СО2, должно пройти несколько циклов, прежде чем подойдет их очередь окислиться.) Молекулы СО2, образующиеся в подобных реакциях, затем диффундируют из митохондрий (или из бактерий) и покидают клетку.
Энергия, высвобождающаяся при окислении связей С—Н и С—С цитрата, потребляется несколькими различными способами в цикле лимонной кислоты. В одной из реакций цикла (сукцинил-СоА > сукцинат) высокоэнергетическая фосфатная связь образуется под действием механизма, сходного с тем, который мы уже рассмотрели в случае гликолиза. (Хотя в реакции цикла образуется не АТР, a GTP, все нуклеозидтрифосфаты равноценны в энергетическом отношении благодаря реакциям обмена типа ADP + GTR АТР + GDP.) Оставшаяся часть энергии, полученной при окислении, расходуется на перевод молекул-переносчиков водорода (или гидрид-ионов) в восстановленную форму; в каждом обороте цикла три молекулы NAD+ превращаются в NADH, а одна молекула флавинадениндинуклеотида (FAD) - в FADH2. Энергия, переносимая на таких молекулах- переносчиках активированными атомами водорода, используется в реакциях окислительного фосфорилирования; для осуществления последних (они будут подробно рассмотрены ниже) необходим молекулярный кислород атмосферы.
Дополнительные атомы кислорода, необходимые для образования СО2 из включающейся в цикл лимонной кислоты ацетильной группы, поставляются не молекулярным кислородом, а молекулой воды. В каждом цикле расщепляются три молекулы воды, атомы кислорода которых используются для образования СО2. Некоторые из атомов водорода молекул воды связываются с молекулами субстрата, переходя в более высокое энергетическое состояние, и затем переносятся (вместе с атомами водорода ацетогруппы) к таким молекулам-переносчикам, как NADH.
В эукариотических клетках митохондрия - это центр, к которому ведут все катаболические пути независимо от того, что служит для них первоначальным субстратом-сахара, жиры или белки. Объясняется это тем, что не только пируват, но и жирные кислоты, равно как и некоторые аминокислоты, тоже поступают из цитозоля в митохондрии, где они превращаются в ацетил-СоА или в один из промежуточных продуктов цикла лимонной кислоты. Митохондрия служит также отправной точкой биосинтетических реакций, поскольку в ней образуются такие жизненно важные углеродсодержащие промежуточные продукты, как оксалоацетат и 2-оксоглутарат. Эти соединения переносятся из митохондрии обратно в цитозоль, где они используются в качестве предшественников таких важнейших молекул клетки, как, например, аминокислоты.

а) 1 молекула NADH образуется в реакции изоцитрат®a-кетоглутарат;

б) 1 молекула NADH образуется в реакции a-кетоглутарат® сукцинил-СоА;

в) 1 молекула NADH образуется в реакции L-малат® оксалоацетат;

г) 1 молекула FADH₂ образуется в реакции сукцинат® фумарат;

д) 1 молекула GTP образуется в реакции сукцинил-СоА® сукцинат, затем она отдает свою фосфатную группу на образование молекулы АТР.