Биологическое окисление

активности ряда специфических дегидрогеназ происходит образование

восстановительных эквивалентов в форме водорода или электронов. Последние

поступают в дыхательную цепь; при функционировании этой цепи

происходит окислительное фосфорилирование, то есть синтезируется АТФ.

Ферменты цикла лимонной кислоты локализованы в митохондриальном

матриксе, где они находятся либо в свободном состоянии, либо на внутренней

поверхности внутренней митохондриальной мембраны; в последнем случае

облегчается перенос восстановительных эквивалентов на ферменты

дыхательной цепи, локализованные во внутренней митохондриальной

мембране.[11, 1989]

Реакции ЦТК.

Начальная реакция - конденсация ацетил-СоА и оксалоацетата,

катализируется конденсирующим ферментом, цитратсинтетазой, при этом

происходит образование связи углерод-углерод между метальным углеродом

ацетил-СоА и карбонильным углеродом оксалоацетата. За реакцией конденсации,

приводящей к образованию цитрил-СоА, следует гидролиз тиоэфирной связи,

сопровождающийся потерей большого количества свободной энергии в форме

теплоты; это определяет протекание реакции слева на право до ее завершения:

Ацетил-СоА + Оксалоацетат + Н2О > Цитрат + CoA-SH

Превращение цитрата в изоцитрат катализируется аконитазой, содержащей

железо в двухвалентном состоянии. Эта реакция осуществляется в две стадии:

сначала происходит дегидратация с образованием цис-аконитата (часть его

остается в комплексе с ферментом), а затем - гидратация и образование

изоцитрата:

Цитрат ? цис -Аконитат ? Изоцитрат – Н2О

Реакция ингибируется фторацетатом, который сначала превращается во

фторацетил-СоА; последний конденсируется с оксалоацетатом, образуя

фторцитрат. Непосредственным ингибитором аконитазы является

фторцитрат, при ингибировании накапливается цитрат.

Эксперименты с использованием промежуточных соединений показывают,

что аконитаза взаимодействует с цитратом ассиметрично: она всегда действует

на ту часть молекулы цитрата, которая образовалась из оксалоацетата.

Возможно, что цис-аконитат не является обязательным интермедиатом между

цитратом и изоцитратом и образуется на боковой ветви основного пути.

Далее изоцитратдегидрогеназа катализирует дегидрогенирование с

образованием оксалосукцината. Описаны три различных формы

изоцитратдегидрогеназы. Одна из них, НАД-зависимая, найдена только в

митохондриях. Две другие формы являются НАДФ-зависимыми, причем одна из них

также находится в митохондриях, а другая в цитозоле. Окисление изоцитрата,

связанное с работой дыхательной цепи, осуществляется почти исключительно

НАД-зависимым ферментом:

Изоцитрат + НАД+ ? Оксалосукцинат (в комплексе с ферментом) ?

альфакетоглутарат + СО2+ НАДН2

Рисунок 5. Реакции цикла Кребса.[10,1993]

Далее следует декарбоксилирование с образованием

альфакетоглутарата, которое также катализируется

изоцитратдегидрогеназой. Важным компонентом реакции

декарбоксилирования являются ионы Mg2+ (или Мn2+). Судя по имеющимся

данным, оксалосукцинат, образующийся на промежуточной стадии реакции,

остается в комплексе с ферментом.

Альфакетоглутарат, в свою очередь, подвергается окислительному

декарбоксилированию, сходному с окислительным декарбоксилированием

пирувата: в обоих случаях субстратом является альфакетокислота. Реакция

катализируется альфакетоглутаратдегидрогеназным комплексом и требует

участия того же набора кофакторов - тиаминдифосфата, липоата, НАД+, ФАД и

СоА; в результате образуется сукцинил-СоА - тиоэфир, содержащий

высокоэнергетическую связь.

?-кетоглуторат + НАД+ + CoA-SH > Сукцинил-СоА + СО2 + НАДН+Н+

Равновесие реакции настолько сильно сдвинуто в сторону образования

сукцинил-СоА, что ее можно считать физиологически однонаправленной. Как и

при окислении пирувата, реакция ингибируется арсенатом, что приводит к

накоплению субстрата (альфакетоглутарат).

Продолжением цикла является превращение сукцинил-СоА в сукцинат,

катализируемое сукцинаттиокиназой (сукцинил-СоА-синтетазой):

Сукцинил-СоА + ФН + ГДФ? Сукцинат + ГТФ + CoA-SH

Одним из субстратов реакций является ГДФ (или ИДФ), из которого в

присутствии неорганического фосфата образуется ГТФ (ИТФ). Это -

единственная стадия цикла лимонной кислоты, в ходе которой генерируется

высокоэнергетическая фосфатная связь на субстратном уровне; при

окислительном декарбоксилировании ?-кетоглутарата потенциальное количество

свободной энергии достаточно для образования НАДН и высокоэнергетической

фосфатной связи. В реакции, катализируемой фосфокиназой, АТФ может

образовываться как из ГТФ, так и из ИТФ. Например:

ГТФ+АДФ (ГДФ+АТФ.

В альтернативной реакции, протекающей во внепеченочных тканях и

катализируемой сукцинил-СоА-ацетоацетат-СоА-трансферазой, сукцинил-СоА

превращается в сукцинат сопряженно с превращением ацетоацетата в

ацетоацетил-СоА. Впечени имеется диацилазная активность,

обеспечивающая гидролиз части сукцинил-СоА с образованием сукцината и СоА.

Далее сукцинат дегидрогенируется, затем присоединяется молекула воды, и

следует еще одна стадия дегидрогенирования, приводящая к регенерации

оксалоацетата:

Сукцинат + ФАД ( Фумарат + ФАДН2

Первое дегидрогенирование катализируется сукцинатдегидрогеназой,

связанной с внутренней поверхностью внутренней митохондриальной мембраны.

Это единственная дегидрогеназная реакция ЦТК, в ходе которой осуществляется

прямой перенос с субстрата на флавопротеин без участия НАД+. Фермент

содержит ФАД и железо-серный белок. В результате дегидрогенирования

образуется фумарат. Как показали эксперименты с использованием изотопов,

фермент стереоспецифичен к транс-атомам водорода метиленовых групп

сукцината. Добавление малоната или оксалоацетата ингибирует

сукцинатдегидрогеназу, что приводит к накоплению сукцината.

Фумараза (фумаратгидротаза) катализирует присоединение воды к фумарату

с образованием малата:

Фумарат +Н2О ( L-малат

Фумараза специфична к L-изомеру малата, она катализирует присоединение

компонентов молекулы воды по двойной связи фумарата в транс-конфигурации.

Малатдегидрогеназа катализирует превращение малата в оксалоацетат, реакция

идет с участием НАД+:

L-малат + НАД+ ( 0ксалоацетат + НАДН2

Хотя равновесие этой реакции сильно сдвинуто в направлении малата,

реально она протекает в направлении оксалоацетата, поскольку он вместе с

НАДН постоянно потребляется в других реакциях.

Ферменты цикла лимонной кислоты, за исключением

альфакетоглутарат- и сукцинатдегидрогеназы, обнаруживаются и вне

митохондрий. Однако некоторые из этих ферментов (например,

малатдегидрогеназа) отличаются от соответствующих митохондриальных

ферментов.

Энергетика цикла лимонной кислоты.

В результате окисления, катализируемого дегидрогеназами ЦТК, на каждую

катаболизируемую за период одного цикла молекулу ацетил-СоА образуются три

молекулы НАДН и одна молекула ФАДН2. Эти восстановительные эквиваленты

передаются в дыхательную цепь, локализованную в митохондриальной мембране.

При прохождении по цепи восстановительные эквиваленты НАДН

генерируют три высокоэнергетические фосфатные связи посредством

образования АТФ из АДФ в процессе окислительного фосфорилирования. За счет

ФАДН2 генерируется только две высокоэнергетические фосфатные связи,

поскольку ФАДН2 переносит восстановительные эквиваленты на кофермент Q и,

следовательно, в обход первого участка цепи окислительного

фосфорилирования в дыхательной цепи. Еще один высокоэнергетический фосфат

генерируется на одном из участков цикла лимонной кислоты, то есть на

субстратном уровне, при превращении сукцинил-СоА в сукцинат. Таким образом,

за период каждого цикла образуется 12 новых

высокоэнергетических фосфатных связей.

Регуляция цикла лимонной кислоты.

Основные процессы, которые поставляют и запасают энергию в клетках,

могут быть в общей форме изображены следующим образом:

глюкоза пируват ( ацетил-СоА жирные кислоты

AДФ

АТФ

С02

Регуляция этой системы inter alia должна гарантировать постоянное

поступление АТФ соразмерно с существующими в данный момент энергетическими

потребностями, обеспечивать превращение избытка углеводов в жирные кислоты

через пируват и ацетил-СоА и наряду с этим контролировать экономное

расходование жирных кислот через ацетил-СоА как ключевой продукт для входа

в цикл лимонной кислоты.

Цикл лимонной кислоты поставляет электроны в электронпереносящую

систему, в которой поток электронов сопряжен с синтезом АТФ и в меньшей

степени снабжает восстановительными эквивалентами системы биосинтеза

промежуточных продуктов. В принципе цикл не может протекать быстрее, чем

это позволяет использование образуемой АТФ. Если бы весь AДФ клетки

превратился в АТФ , не могло бы быть никакого дальнейшего потока электронов

от НАДH, который накапливается, к 02. Ввиду отсутствия НAД+, необходимого

участника процессов дегидрирования цикла, последний перестал бы

функционировать. Существуют более тонкие регуляторные приспособления,

которые модулируют действие ферментов в самом цикле лимонной кислоты.

Сукцинатдегидрогеназа находится во внутренней митохондриальной

мембране. Все остальные ферменты растворены в матриксе, заполняющем

внутреннее пространство митохондрии. Измерения относительных количеств этих

ферментов и концентраций их субстратов в митохондриях указывают, что каждая

реакция протекает с одинаковой скоростью. Как только пируват (или другой

потенциальный источник ацетил-СоА) поступает внутрь матрикса митохондрии,

весь цикл протекает внутри этого отсека.

В некоторых участках стимуляция или ингибирование определяется

относительными концентрациями НAДH/НAД, ATФ/AДФ или АМФ, ацетил-СоА/СоА или

сукцинил-СоА/СоА. Когда эти отношения высоки, клетка достаточно обеспечена

энергией и поток через цикл замедлен; когда же они низки, клетка испытывает

потребность в энергии, и поток через цикл ускоряется.

Как необратимая реакция, соединяющая метаболизм углеводов с циклом

лимонной кислоты, пируватдегидрогеназная реакция должна хорошо

контролироваться. Это достигается двумя способами. Во-первых, фермент,

который активируется несколькими интермедиаторами гликолиза,

конкурентно ингибируется своими собственными продуктами - НAДH и ацетил-

СоА. При прочих равных условиях увеличение соотношения НAДH/НAД+ от 1 до 3

вызывает 90%-е снижение скорости реакции, а увеличение отношения ацетил-

СоА/СоА приводит к количественно подобному эффекту. Эффект проявляется

мгновенно. Медленнее возникают, но дольше действуют эффекты другого

регуляторного устройства. С сердцевиной каждой молекулы

дигидролипоилтрансацетилазы связано около пяти молекул киназы

пируватдегидрогеназы, которая за счет АТФ катализирует фосфорилирование

серинового остатка в (-цепи пируватдегидрогеназного компонента.

Будучи фосфорилирован, фермент не способен декарбоксилировать пируват.

Когда происходит окисление жирных кислот, пируватдегидрогеназа заметно

ингибируется. По-видимому, это явление объясняется сопутствующими

процессу окисления высокими концентрациями АТФ, ацетил-СоА и НAДH.

Большинство тканей содержат избыток пируватдегидрогеназы, так что после

приема корма в печени, а также в мышце и в жировой ткани у животных в

состоянии покоя лишь 40, 15 и 10% пируватдегидрогеназы соответственно

находится в активной, нефосфорилированной форме. Когда возрастает

потребность в АТФ, концентрации НAД+, СоА и AДФ возрастают за счет

использования НAДH, ацетил-СоА и АТФ, а киназа инактивируется. Однако

фосфатаза продолжает функционировать вновь активируя дегидрогеназу.

Повышение Са2+ может активировать митохондриальную фосфатазу.

Синтез цитрата - стадия, лимитирующая скорость цикла лимонной кислоты.

Регуляция этой стадии совершается благодаря небольшому, но достаточно

значимому ингибированию цитрат-синтетазы посредством НAДH и сукцинил-СоА.

Основное же влияние на скорость синтеза цитрата оказывает поступление

субстрата.

Активность изоцитратдегидрогеназы регулируется в зависимости от

концентраций Mg2+, изоцитрата, НAД+, НAДH и АМФ. Кроме

субстратсвязывающих центров для НAД+, изоцитрата и Mg2+ фермент имеет еще и

положительные, и отрицательные эффекторные участки. Изоцитрат -

положительный эффектор; его связывание кооперативно, т. е. связывание на

каком-либо одном участке облегчает связывание на других. Оба участка

связывания для АМР стимулируют активность фермента.

Таким образом, ферментная активность определяется отношениями НAД+/НAДH

и АМФ/АТФ.

АМФ - положительный эффектор комплекса (-кетоглутаратде-

гидрогеназы, который в этом отношении напоминает изоцитратдегидрогеназу. В

области физиологических концентраций и сукцинил-СоА, и НAДH обладают

ингибирующим действием, причем концентрация сукцинил-СоА, по-видимому,

главный фактор, управляющий скоростью процесса.

Сукцинатдегидрогеназа напоминает изоцитратдегидрогеназу в том

отношении, что субстрат (сукцинат) выполняет функцию положительного

аллостерического эффектора. Оксалоацетат - мощный ингибитор, однако

неясно, действует ли этот контроль в нормальных условиях.[5,2000]

В цикле лимонной кислоты выполняют специфические функции четыре

водорастворимых витамина группы В. Рибофлавин входит в состав ФАД, который

является кофактором альфакетоглутаратдегидрогеназного комплекса и

сукцинатдегидрогеназы. Ниацин входит в состав НАД, который является

коферментом трех дегидрогеназ цикла: изоцитратдегидрогеназы,

альфакетоглуторатдегидрогеназы и малатдегидрогеназы. Тиамин

(витамин В1) входит в состав тиаминдифосфата, который является коферментом

альфакетоглутаратдегидрогеназы. Пантотеновая кислота входит в состав

кофермента А, который является кофактором, связывающим активные ацильные

остатки.

Макроэргические соединения и макроэргические связи.

В клетках, освобождающаяся в результате катаболических процессов

распада питательных веществ, свободная энергия может быть использована для

осуществления многих химических реакций, протекающих с затратой энергии.

Запасание энергии происходит в виде богатых энергией химических связей

особого класса соединений, большинство из которых являются ангидридами

фосфорной кислоты (нуклеозидтрифосфаты).

Существуют высокоэнергетические и низкоэнергетические фосфаты. Условной

границей для этих двух групп соединений является величина свободной

энергии гидролиза фосфатной связи. Следовательно,

высокоэнергетические фосфаты имеют богатую энергией высокоэргическую

(макроэргическую) связь.

Энергию связи определяют как разницу свободных энергий соединений,

содержащего эту связь, и соединений, получающихся после ее разрыва.

Макроэргическими (богатыми энергией) принято считать те связи, при

гидролизе которых изменения свободной энергии системы составляют более 21

кДж/моль.

Центральную роль в энергообмене клеток всех типов осуществляет система

адениновых нуклеотидов, которая включает в себя АТФ, АДФ и АМФ, а также

неорганический фосфат и ионы магния. АТФ является термодинамически

неустойчивой молекулой и гидролизуется с образованием АДФ и АМФ. Именно эта

неустойчивость позволяет АТФ выполнять функцию переносчика химической

энергии, необходимой для удовлетворения большей части энергетических

потребностей клеток. К соединениям, обладающим богатой энергией связью,

помимо АТФ, относится также УТФ, ЦТФ, ГТФ, ТТФ, креатинфосфат, пирофосфат,

некоторые тиоэфиры (например, ацетил-КоА), фосфоенолпируват, 1,3-

бифосфоглицерат и ряд других соединений.

При гидролизе АТФ в стандартных условиях изменение свободной энергии

составляет -30,4 кДж/моль. В физиологических условиях реальная свободная

энергия гидролиза концевой фосфатной связи АТФ будет иная и приближается к

-50,0 кДж/моль.

Возможно несколько вариантов освобождения энергии фосфатных связей

АТФ. Основной вариант - это отщепление концевого фосфата АТФ (АТФ+Н2О

(АДФ+Н3РО4). Другой вариант - пирофосфатное расщепление АТФ (АТФ+Н20

(АМФ+Н4Р2О7). Этот тип реакции значительно реже используется в

биохимических процессах.

Накопление энергии в специфических фосфатных связях АТФ лежит в

основе механизма переноса энергии в живой клетке. Есть основания считать,

что в клетке существуют три основных типа перехода энергии АТФ:

в энергию химических связей, в тепловую энергию и энергию, затрачиваемую на

совершение работы (осмотической, электрической, механической и

др.).[15,1997]

Витамин PP.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5