Катаболизм (распад) основных пи­щевых веществ - углеводов, жиров, белков (аминокислот)

В системе пищеварения основные классы молекул - белки, липиды и углеводы подвергаются фермента­тивному гидролизу и расщепляются до аминокислот, жирных кислот и глицерола, а также аминокислот со­ответственно. После их всасывания, транспорта и распределения по всем клеткам организма начинаются специфические пути катаболизма. Специфические пути катаболизма Жирные кислоты в процессе |3-окисления (в митохондриях) превра­щаются в ацетил-КоА. Глицерол че­рез стадию глицеральдегида превра­щается в глицеральдегид-3-фосфат и поступает в гликолиз. Моносахариды, поступая в клетку, преобразуются в форму глюкозы, а затем вступают в гликолиз в цитозоле.

Аминокислоты, после удаления ами­ногруппы, превращаются в кето-кислоты. Первая реакция распада аминокислот это отделение амино­группы. Часть аминокислот (1) затем превращается в пируват (они называ­ются гликогенные), часть в молекулу ацетил-КоА (2) (они называются кетогенные) и промежуточные продук­ты цикла трикарбоновых кислот (3). Специфическими путями катаболизма называют внутриклеточное превра­щение жирных кислот, моносахаров и аминокислот в универсальные моле­кулы пирувата и ацетил-КоА. Общий путь катаболизма. Этот путь начинается с пирувата, ко­торый превращается в молекулу ацетил-КоА под действием сложного мультифетментного пируватдегидрогеназного комплекса в митохондриях.

Затем молекула ацетил-КоА подвер­гается полному окислению в цикле трикарбоновых кислот, где из неё из­влекаются высокоэнергетические электроны. Эти электроны в составе молекул НАДН и ФАДН₂ вовлекают­ся

Особенностью ферментов и белков комплекса является то, что все ферменты и белковые компоненты мультиферментного комплекса кодируются в ядерной ДНК и синтезируются в цитозоле. После их поступления в митохондриальный матрикс (при этом затрачивается энергия АТФ и протонного градиента) они подвергаются финальному фолдингу с помощью митохондриальных шаперонов, приобретают функциональную активность и объединяются в мультиферментный комплекс.

Последовательность реакций в пируватдегидрогеназном комплексе. В этом ком­плексе происходит преобразование пирувата в ацетил-КоА, содержащего макро-эргическую тиоэфирную связь и удаление из пирувата 2-х высокоэнергетических электронов в составе молекулы НАДН.

Для превращения пирувата в ацетил-КоА необходимы 5 реакций (1-5 на рис.3). 1. Реакция декарбоксилирования пирувата.

Значение декарбоксилирования пирувата в отношении извлечения энергии из мо­лекулы исключительно велико. Три углеродных атома пирувата имеют разную степень окисления. Углерод метильной группы (-СНз) не окислен и, следователь­но, в дальнейшем при его окислении можно получить полезную энергию. Углерод кето-группы (>С=О) окислен частично. При его дальнейшем окислении можно также извлечь некоторое количество дополнительной энергии. А углерод карбок­сильной группы окислен почти полностью. Поэтому карбоксильная группа это до некоторой степени балластная часть молекулы с позиции извлечения энергии. Её необходимо удалить. Удаление карбоксильной группы (т.е. реакцию декарбокси­лирования) катализирует фермент пируватдегидрогеназа в активном центре кото­рого локализован тиаминдифосфат - кофермент декарбоксилирования.

1. В активном центре фермента происходит прямое взаимодействие двух атомов углерода с образованием между ними ковалентной связи. Это взаимодействие обусловлено частичными разноименными зарядами, которыми обладают углерод кето-группы пирувата с одной стороны и атом углерода тиазолового кольца тиа-минпирофосфата с другой.

2. На этой стадии Ei (пируватдегидрогеназа) переносит атом водорода и двухуг-
леролеродный ацетильный фрагмент (СН₃-СО-) на молекулу липоевой кислоты,
локализованную в активном центре фермента Е₂ (дигидролипоамидацетилтранс-
феразы). При этом в активном центре фермента образуется ацетилтиоэфир липое­
вой кислоты.

3. В этой реакции KoA-SH атакует тиоэфирную связь в активном центре фермента
Е₂, разрывает её и присоединяет к себе двухуглеролеродный ацетильный фраг­
мент (СНз-СО-). Происходит образование ацетил~КоА, который покидает актив­
ный центр фермента Е₂ (дигидролипоамидацетилтрансферазы). При этом оба ато­
ма серы липоевой кислоты полностью восстановлены.

4. В этой реакции фермент Е₃ (дигидролипоамиддегидрогеназа) катализирует пе­
ренос двух атомов водорода с восстановленной липоевой кислоты, находящейся в
активном центре фермента Е₂ на кофермент ФАД, локализованный в своём актив­
ном центре. При этом в активном центре фермента Е₃ образуется ФАДН₂.

5. В активный центр дегидрогеназы (Е₃) пируватдегидрогеназного комплекса вхо­
дит НАД⁺ и присоединяет к себе 2 электрона и протон от кофермента ФАДН₂ и в
форме НАДН переносит их в процесс окислительного фосфорилирования.