Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты

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 амидлипоевой 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 участиифермента дигидролипоилдегидрогеназы (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).

Рис. 10.8. Механизм действия пируватдегидрогеназного комплекса.

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.

 

Значение:участие в анаэробной фазе дыхания и спиртовом брожении

 

Окислительное декарбоксилирование пирувата сопровождается образованием NADH, поставляющим электроны в дыхательную цепь и обеспечивающим синтез 3 молей АТФ на 1 моль пирувата путём окислительного фосфорилирования.

 

Билет 45

 

. Взаимоотношение аэробных и анаэробных путей образования энергии

Между обоими процессами — гликолизом и окислительным фосфор ил ирова-нием — существует тесная взаимосвязь несмотря на то, что бнн локализованы в разных участках клетки. На связь дыхания н гликолиза указывают два явления: эффекты Пастера и Кребтри. Эффект Пастера состоит в подавлении дыханием гликолиза, т.е. в присутствии кислорода прекращается брожение углеводов. Механизм пастеровского эффекта (несмотря на открытие егс в 1876 г.) еще неясен. Его объясняют наличием конкуренции между дыханием и гликолизом за неорганический фосфат (Ф„)- и АДФ. Дыхание приводит к снижению Ф_и и АДФ — необходимых субстратов и активаторов ферментов гликолиза, и повышает содержание АТФ. АТФ как аллостерический эффектор фосфофруктокиназы угнетает ее, что приводит к накоплению глюкозо-6-фос-фата нз фрухтозо-б-фосфата.

Глкжозо-6-фосфат инактивирует гексокиназу, что прекращает усвоение глюкозы в клетках.

Эффект Кребтри, или обратный пастеровский эффект, состоит в тормо­жении дыхания избытком глюкозы. Правда, сначала он был показан для опухолевых клеток, а затем и для некоторых нормальных клеток. Механизм эффекта Кребтри, очевидно, тоже связан с конкуренцией за Ф„ н АДФ. Избы­ток глюкозы, которая является своего рода «ловушкой» для фосфата, приво­дит к повышению АДФ в цитоплазме н позволяет глнколнтическим фермен­там более эффективно конкурировать за АДФ с дыханием.

В опухолях координация дыхания и гликолиза нарушена. В них оба про­цесса разобщены: активен и гликолиз, ведущий к образованию лактата, и дыхание.

Активный аэробный гликолиз считался даже характерным именно для опухолей, но впоследствии был обнаружен в йекоторых нормальных тканях (например, в сетчатке глаза).

Обычно же оба процесса, производящих энергию, — гликолиз и дыха­ние — работают согласованно. Клетки млекопитающих способны произво­дить энергии больше, чем это необходимо для жизнедеятельности. Однако производство энергии не самоцель, поэтому образование АТФ путем гликолиза и окислительного фосфорилирования в клетках организма подчинено просто­му принципу: спрос диктует предложение. Энергии производится столько, сколько требуется для потребляющих ее процессов. Как только уровень АТФ в митохондриях и цитоплазме достигает определенного значения, дальнейшее его производство в дыхательной цепи и гликолизе прекращается, т. е. продукт (АТФ) регулирует свое образование. Снижение содержания АТФ, сопровож­дающееся обычно увеличением концентрации АДФ, АМФ н Ф„, активирует гликолиз и окислительное фосфорилирование и уровень АТФ восстанав­ливается.

 

Энергетическая ценность аэробного превращення углеводов

Выход энергии при аэробном пре­вращении составляет 38 молекул АТФ на одну молекулу расщеплен­ной глюкозы (рис. 41) в том слу­чае, если нодород НАД * Н₂ цито­плазмы доставляется к дыхатель­ной цепи с помощью малат-аспар-татного цикла (или, возможно, лактатного). Если водород НАД • Hj переносится глицеро-фосфатным циклом, то энергии шести молекул АТФ теряется в виде теплоты, и чистый выход энергии составляет 32 молекулы АТФ на 1 молекулу расщепленной глюкозы.

Глихолиз дает две молекулы АТФ, а аэробный распад 38 (или 32) молекул. Это доказывает, на­сколько ценнее для энергетики клетки аэробный гликолиз. Чтобы произвести столько же энергии анаэробным путем, нужно потра­тить в 19 (или 16) раз больше глю­козы', чем в присутствии кислоро­да. Да к тому же образуется метаболический «шлак» — лактат.

Эффективность аэробного распада глюкозы можно рассчитать так. При полном окислении глюкозы до СО_э и Н₂0 освобождается 2861 кДж/моль. В физиологических условиях для образования-АТФ требуется 45—50 кДж/моль. Следовательно, для образования 38 (32) молей АТФ при аэробном распаде глюкозы требуется 19 000 (16 000) хДж энергии, т.е. энергетическая эффек­тивность аэробного гликолиза составляет

19 000(16 000) - 100% = 65(55)%

 

 

Билет 46

 

Существует еще один путь распада углеводов в тканях, получивший на­звание пентозофосфатного пути (

Пентоэофосфатный цикл представляет собой полнферментную систему, где важным промежуточным продуктом, судя по названию, служат пентозо-фосфаты. Этот цикл является как бы ответвлением, или шунтом, гликолиза на стадии глюкозо-6-фосфата.

Пентоэофосфатный цикл

Для протекания всех стадий пентозофосфатного цикла требуется не менее трех молекул глюкоэо-6-фосфата. Рассмотрим отдельные реакции этого цикла.

1. Дегидрирование глюкозо-б-фосфата — реакция, направляющая глю-коэо-6-фосфат по пентоэофосфатному пути, катализируется глюкоза-6-фосфат-дееидрогеназой по уравнению (для полного описания циклического процесса в уравнениях реакций сразу используем три молекулы глюкозо-б-фосфата)

2. Гидролиз 6-фосфоглюконолактона с образованием 6-фосфоглюконата:

 

3, Дегидрирование в-фосфоглюконата с образованием рибулозо-5-фосфа-

та. Эта реакция катализируется 6-фосфоелюконат-дегидрогеназой по урав­нению

Особенность реакции.состоит в том, что при дегидриро­вании образуется нестойкое промежуточное соединение, которое на поверх­ности этого же фермента декарбоксилируется. Это вторая реакция окисления в пентозофосфатном цикле, приводящая х образованию НАДФ • Н₂₎ поэтому превращение глюкозо-6-фосфата до рибулозо-5-фосфата принято называть окислительной фазой пентозофосфатного цикла. Фаза от рнбулозо-5-фосфата до образования вновь глюкозо-6-фосфата называется неокислительной или анаэробной фазой этого цикла.

4. Взаимопревращение, или изомеризация, пеитозофосфатов. Рибулозо-5-фосфат может обратимо изомеризоваться в другие пентозофосфаты — кси-лулозо-5-фосфат и рабозо-5-фосфат. Катализируют эти реакции два разных фермента — пентозофосфат-эпимераэа и пентозофосфат-изомераза по урав­нениям:

5. Перенос глнколевого альдегида с ксилулозо-5-фосфата на рнбозо-5-фосфат, млн первая транскетолазнаи реакция. В следующей реакции, катали зируемоЙ транскетолазой, используются образовавшиеся в предыдущей реак­ции пентозофосфаты (в рамку взят переносимый фрагмент):

6.перенос дигидроксиацетонового фрагмента с седогептулозо -7 -фосфата на глицеральдегид -3 -фосфат. Эта обратимая реакция катализируется транс-альдолазой по уравнению

7- перенос гликолевого альдегида с ксилулозо -5 -фосфата на эрнтрозо -4- фосфат, или вторая транскетолазная реакция. Эта реакция сродни первой транскетолазной реакции и катализируется тем же ферментом. Отли­чие ее в том, что акцептором гликолевого альдегида служит эрнтрозо-4-фосфат:

Следовательно, в ходе реакций, катализируемых собственно ферментами пентозофосфатного цикла, из трех молекул глюкозо-6-фосфата образуется дв£ молекулы фруктозо-6-фосфата, одна молекула глицеральдегнд-3-фосфата и три молекулы диоксида углерода. Кроме того, образуется шесть молекул НАДФ • Н₂. Суммарное уравнение пентозофосфатного цикла:

3 Г л юкоэо-6-фосфат + 6НАДФ⁺ -* 2Фруктоэо-6-фосфат + Глицеральдегнд-З-фосфат +

+6НАДФ-Н, + 3CO,

Биологическая функция пентозофосфатного цикла связана с производством двух веществ -— НАДФ • Н₂, являющегося «восстановительной силой» при синтезе различных веществ, и метаболита — рибозо-5-фосфата, использующе­гося как строительный материал в синтезе различных веществ (см; рнс. 52). Перечислим его основные функции:

1) амфиболическая —он яаляется путем распада углеводов и одновре­менно веществ, используемых в синтетических реакциях (НАДФ • Н₃ и рибо-зо-5-фосфат);

2) энергетическая, так как при подключении его продуктов (глицераль-дегид-3-фосфат) к гликолизу образуется энергия;,.

3) синтетическая — основная функция, связанная с использованием НАДФ • Н_а и рибозо-5-фосфата.

НАДФ • Н, используется: 1) в обезвреживании лекарств и ядов в моно-окснгеназной цепи окисления эндоплазматической сети печени;

2) в синтезе Жирных кислот и других структурных и резервных липидов;

3) в синтезе холестерина и его производных — желчных кислот, стероид­ных гормонов (кортикостероиды, женские н мужские половые гормоны), витаминов D;

4) в обезвреживании аммиака при восстановительном аминировании.

Рибозо -5- фосфат используется в синтезе гистидина, нуклеозидов н нук­леотидов (нуклеотндмоно-, ди- н трифосфатов), нуклеотидных коферментов (НАД, НАДФ, ФАД, КоА) и полимерных производных нуклеотидов — поли-нуклеотидов (ДНК, РНК, коротких олигонуклеотидев).

ПентозофосфатныЙ путь превращения углеводов активен прежде всего в тех органах и тканях, в которых требуется интенсивное использование НАДФ * Н₂ в реакциях восстановительных синтезов и рибозо-5-фосфата в синтезе иуклеотидов и нуклеиновых кислот. Поэтому высокая активность этого пути отмечается в жировой ткани, печени, ткани молочной железы, особенно в период лактации (так как необходимо синтезировать жир молока), над­почечниках, половых железах, костном мозге, лимфоидной ткани. Относитель­но активны дегидрогеназы пентозофосфатного шунта в эритроцитах. Низкая активность его наблюдается в мышечной ткани (сердцеЛскелетная мышца).

 

Билет47

 

Синтез глюкозы из неуглеводных источников называется глюконеогеявтл или новообразованием глюкозы. Он возможен не во всех тканях организма. Главным местом глюконеогенез.а является печень. В меньшей степени он про-.текает в почках, слизистой кишечника.

Механизм глюконеогенеза. Поскольку в гликолизе имеются три энергети­чески необратимые стадии на уровне пнруваткиназы, фосфофруктокиназы и гексокиназы, то образованна глюкозы нэ простых неуглеводных веществ, например пирувата или лактата, путем обратного гликолиза («снизу вверх>) невозможно. Необходимы обходные реакции.

Первый обходный путь при синтезе глюкозы связан е-образова-нием фосфоенолпирувата из пирувата в обход пнруваткиназы. Он катализиру­ется двумя- ферментами. Сначала пируват превращается в оксалоацетат. Реакция происходит в митохондриях, куда проникает Пируват, н катализиру­ется- пируваткарбоксилазой по уравнению

Этот фермент в качестве кофактора, как и все ферменты, усваивающие CO2, содержит биотин. Оксалоацетат поступает из митохондрий в цитоплазму, где протекает глюконеогенез. В цитоплазме оксалоацетат превращается в фосфо-енолпируват в реакции, катализируемой фосфоенолпируват-карбоксилазой:

Равновесие реакции сдвинуто вправо. Источником фосфатных групп служит главным образом ГТФ, но может быть и АТФ.

От фосфоенолпирувата до фруктозо-1,6-бисфосфата все реакции гликоли­за обратимы, поэтому образовавшиеся молекулы фосфоенолпирувата исполь­зуются для образования фруктозо-1,6-бисфосфата теми же ферментами гли­колиза.

Второй обходный путь связан с образованием нз фруктозо-1,6-бисфосфата фруктозо-6-фосфата в обход фосфофрукгокиназной реакции. Ре­акция катализируется фруктозо-бисфосфатаэой:

Реакция необратимо сдвинута вправо. Фруктозо-6-фосфат изомеризуется в глюкозо-6- фосфат с помощью глюкозофосфатиэомеразы.

Третий обходный путь связан с образованием из глюкозо-б-фосфата свободной глюкозы в обход гёксокнназной реакции. Эта реакция катализируется глюкозо-6-фосфатаэой:

Свободная глюкоэа, образующаяся в этой реакции, поступает нз ткани в кровь. Общая схема глюконеогенеза нз пирувата представлена на рис. 50. На примере глюконеогенеза можно видеть экономичность организации путей обмена, поскольку помимо четырех специальных ферментов глюконеогенеза: пнруваткарбоксилазы, фосфопнруваткарбокснлазы, фруктозо-бис фосфат азы и глюкозо-6-фосфатазы для новообразования глюкозы используются отдель­ные ферменты гликолиза.

Взаимоотношение процессов синтеза н распада гликогена. Гликогенснн-тетаэа существует в двух формах, переходящих одна в другую. Фосфорилиро-вочная, или неактивная, форма ее называется гликогенсантетаза D, нефос-форилированная, или активная, форма — гликогенсинтетаза I. Переход из од­ной формы в другую осуществляется с помощью двух ферментов — киназы гликогенсинтетазы (1) и фосфатаэы гликогенсинтетазы (2) по уравнениям:

Процессы синтеза и 'распада гликогена в клетках регулируются благодаря включению механизмов фосфорилирования ключевых ферментов обмена гли­когена — гликогенсинтетазы и гликогёнфосфорнлазы. Активация аденилатци-клаэы (например, под действием адреналина или глюкагона) приводит к об­разованию цАМФ, запускающего «каскадный» механизм фосфорилирования гликогенсинтетазы н гликогёнфосфорнлазы, что приводит, к образованию неактивной (фосфорилированной) гликогенсинтетазы D и активной (фосфори-лированйой) гликогёнфосфорнлазы А. Эта ситуация благоприятствует распаду гликогена. Напротив, включение механизма дефосфорилировання указанных ферментов с помощью фосфопротендфосфатазы приводит к образованию не­активной гликогёнфосфорнлазы В и активной гликогенсинтетазы I, что спо­собствует синтезу, а не распаду гликогена.

Биологическое значение глюконеогенеза. Необходимость поддержание постоянного уровня глюкозы в крови связана с тем что, для многих тканей глюкоза является основным (нервная ткань), а для некоторых единственным (эритроциты) источником энергии. Потребность в синтезе глюкозы объясняется тем что, гликогенолиз печени может самостоятельно обеспечивать гомеостаз глюкозы в крови только в течение 8-12 часов, далее запас гликогена в течение суток почти полностью истощается. В условиях длительного голодания (больше суток) глюконеогенез является единственным источником глюкозы в организме.

 

 

Билет 48

 

Аэробным гликолизом называют процесс окисления глюкозы до пировиноградной кислоты, протекающий в присутствии кислорода. Все ферменты, катализирующие реакции этого процесса, локализованы в цитозоле клетки.

Этапы аэробного гликолиза

В аэробном гликолизе можно выделить 2 этапа.

1. Подготовительный этап, в ходе которого глюкоза фосфорилируется и расщепляется на две молекулы фосфотриоз. Эта серия реакций протекает с использованием 2 молекул АТФ.
2. Этап, сопряжённый с синтезом АТФ. В результате этой серии реакций фосфотриозы превращаются в пируват. Энергия, высвобождающаяся на этом этапе, используется для синтеза 10 моль АТФ.

Реакции аэробного гликолиза