6.6. Реакции общего пути катаболизма
6.6.1. Окислительное декарбоксилирование пвк
Это многостадийный процесс, который катализирует пируватдегидрогеназный комплекс - митохондриальный мультиферментный комплекс, соединенный с внутренней мембраной со стороны матрикса. ПВК поступает к комплексу из матрикса и туда же освобождаются ацетил-КоА и НАДН.
Пируватдегидрогеназный комплекс включает три фермента (пируватдекарбоксилаза (Е1), ацетилтрансфераза (Е2), дегидрогеназа дигидролипоевой кислоты (Е3)) и пять коферментов (НАД, ФАД, тиаминпирофосфат, липоевая кислота, кофермент А). Тиаминпирофосфат связан с пируватдекарбоксилазой (Е1), липоевая кислота - с ацетилтрансферазой (Е2), ФАД - с дегидрогеназой дигидролипоевой кислоты (Е3). Кофермент А и НАД находятся в свободно растворенном состоянии.
В состав пируватдегидрогеназного комплекса входит примерно по три десятка молекул Е1 и Е2 и 10 молекул Е3. Комплекс работает как конвейер: промежуточные продукты не освобождаются в раствор, а передаются от фермента к ферменту.
По механизму «обратной связи» работу пируватдегидрогеназного комплекса ингибируют конечные продукты окислительного декарбоксилирования - ацетил-KоА, НАДН + Н+, а также АТФ. Увеличивает активность комплекса пировиноградная кислота.
Также имеется регуляция со стороны гормонов: инсулин увеличивает активность комплекса, глюкагон - снижает.
Первую реакцию катализирует Е1, субстратами являются ПВК и дегидролипоевая кислота, являющаяся простетической группой Е2. От ПВК отщепляется карбоксильная группа и образуется СО2, а ацетильный остаток соединяется с атомом серы липоевой кислоты в составе ацетилтрансферазы. Получается ацетиллипоат-Е2.
Во второй реакции ацетилтрансфераза (Е2) катализирует перенос ацетильного остатка, соединенного с его собственной простетической группой, на коэнзим А. Продукты этой реакции - дигидролипоевая кислота в составе Е2 и ацетил-КоА.
В третьей реакции происходит дегидрирование дигидролипоевой кислоты в составе ацетилтрансферазы при воздействии фермента Е3 (дегидрогеназа дигидролипоевой кислоты), содержащего ФАД. ФАД передает водород на НАД. Образуются НАДН, Н+ и дегидролипоевая кислота в составе Е2. Последний фермент снова вступает в окислительное декарбоксилирование ПВК.
Суммарное уравнение процесса:
СH3 - CО - COOH + HS - KoA + НАД+ СH3 – CО - S - KoA + НАДН + Н+ + СО2.
Ацетил-КоА (продукт второй реакции) затем окисляется в цикле Кребса. Водород с НАДН (продукт третьей реакции) поступает в дыхательную цепь, где образуется АТФ. Энергетический выход окислительного декарбоксидлирования пирувата – 3 АТФ.
6.6.2. Цикл трикарбоновых кислот
Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса) открыт английским биохимиком Хансом Кребсом, получившим за это выдающееся открытие в 1953 г. Нобелевскую премию.
Цикл Кребса - путь окисления молекул ацетил-KoA, в которые превращается в процессе катаболизма большая часть углеводов, жирных кислот и аминокислот.
Цикл трикарбоновых кислот проходит в матриксе митохондрий. Его стадии:
1. Реакция конденсации ацетил-KoA с оксалоацетатом при участии цитрат-синтазы с образованием лимонной кислоты:
2. Реакция дегидратации лимонной кислоты с образованием цис-аконитовой кислоты, которая присоединяет молекулу воды и переходит в изолимонную кислоту (изоцитрат). Процесс катализирует аконитат-гидратаза:
3. Реакция дегидрирования и декарбоксилирования изолимонной кислоты в присутствии НАД-зависимой изоцитратдегидрогеназы. Это лимитирующая стадия цикла Кребса, в результате которой образуется -кетоглутарат. НАД-зависимая изоцитратдегидрогеназа активируется АДФ и ионами Mg2+:
4. Окислительное декарбоксилирование -кетоглутаровой кислоты с образованием макроэрга сукцинил-KoA при участии -кетоглутаратде-гидрогеназного комплекса, включающего пять коферментов: тиаминпирофосфат, липоевую кислоту, кофермент А, ФАД и НАД:
5. Сукцинил-KoA при участии ГДФ и неорганического фосфата превращается в сукцинат (янтарная кислота). Одновременно образуется ГТФ за счет макроэргической тиоэфирной связи сукцинил-KoA. Реакцию катализирует сукцинил-KoA-синтетаза:
ГТФ + АДФ АТФ + ГДФ.
6. Реакция дегидрирования сукцината в фумаровую кислоту при участии сукцинаидегидрогеназы (включает кофермент ФАД), связанной с внутренней мембраной митохондрии:
7. Реакция гидратации фумаровой кислоты в яблочную (L-малат) при участии фумаразы:
8. Под влиянием митохондриальной НАД-зависимой малатдегидрогеназы L-малат окисляется в оксалоацетат и, тем самым, цикл Кребса замыкается:
В цикле Кребса образуется:
3 молекулы НАДН (реакции 3, 4, 8) следовательно, в цепи передачи электронов синтезируется 3х3=9 молекул АТФ;
1 молекула ФАДН2 (реакция 6) - 2 молекулы АТФ в дыхательной цепи;
1 молекула АТФ из ГТФ (реакция 5) в результате реакции перефосфорилирования;
ИТОГО: 9 АТФ + 2 АТФ + 1 АТФ = 12 АТФ.
Суммарно в общем пути катаболизма образуется:
3 АТФ (окислительное декарбоксилирование ПВК) + 12 АТФ (цикл Кребса) = 15 АТФ.