Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты: последовательность реакций, строение пируватдегндрогеназного комплекса

Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты

В результате окислительного декарбоксилирования пирувата образуются ацетил-КоА, восстановленный НАД и диоксид углерода:

Эта схема представляет собой суммарный результат многостадийного процес­са, который катализируется сложной ферментной системой — пируватдегидрогеназным комплексом. Комплекс содержит три фермента: пируватдекарбоксила-зу, ацетилтрансферазу и дегидрогеназу дигидролипоевой кислоты. Кроме того, в реакциях участвуют пять коферментов: НАД, ФАД, тиаминдифосфат, липоевая кислота и кофермент А (КоА).

Первую реакцию процесса катализирует пируватдекарбоксилаза. Субстратами этого фермента служат пируват и дигидролипоевая кислота, которая является простетической группой второго фермента — дигидролипоат-ацетилтранс-феразы (Е2).

Липоевая кислота содержит дисульфидную группу в составе пятичлен-ного гетероцикла и боковую цепь; своей карбоксильной группой липоевая кислота соединена амидной связью с е-аминогруппой остатка лизина, входящего в пептид­ную цепь ацетилтрансферазы.

В результате действия пируватдекар-боксилазы (Е1) от пировиноградной кис­лоты отщепляется карбоксильная группа, а ацетильный остаток присоединяется к атому серы липоевой кислоты, т. е. полу­чается ацетиллипоат-Е2.

Пируватдекарбоксилаза — сложный белок: он содержит тиаминдифосфат, вы­полняющий роль кофермента. Тиаминдифосфат — это производное вита­мина В1 (тиамина) и пирофосфорной кислоты. Декарбоксилирование пирувата происходит при прямом участии тиаминди-фосфата: в ходе реакции к атому углерода тиазолового кольца присоединяется промежуточный продукт превращения пирувата — оксиэтильный остаток СН₃—СНОН—, который затем переносится на липоевую кис­лоту, превращаясь при этом в ацетильный остаток СН₃—СО—.

Второй фермент комплекса — дигидролипоат-ацетилтрансфераза — катализи­рует перенос ацетильного остатка, соединенного с его (фермента 2) собственной простетической группой, на КоА; при этом получаются дигидролипоевая кислота (в составе ацетилтрансферазы) и ацетил-КоА.

Третий фермент — дегидрогеназа дигидролипоевой кислоты (ЕЗ). Акцепто­ром водорода в реакции служит НАД. В результате дегидрирования дигидроли­поевая кислота превращается в начальную форму — дегидролипоевую кислоту, и пируватдегидрогеназный комплекс может реагировать с очередной молекулой пирувата. Дигидролипоилдегидрогеназа содержит в качестве кофермента ФАД, который служит промежуточным акцептором водорода.

Таким образом, в окислительном декарбоксилировании пирувата участвует пять коферментов. Три из них — тиаминпирофосфат, липоевая кислота и ФАД — прочно связаны с ферментами комплекса, а два других — КоА и НАД — находят­ся в свободно растворенном состоянии и служат акцепторами главных конечных продуктов — ацетильного остатка и атомов водорода. Ацетильный остаток затем окисляется в цитратном цикле, а водород с НАДН поступает в цепь переноса элек­тронов и протонов.

Пируватдегидрогеназный комплекс представляет собой крупную частицу с молекулярной массой 7-10 млн. В его состав входит примерно по три десятка молекул Е1 и Е2 и около десятка молекул ЕЗ. Отдельные ферменты соединены друг с другом таким образом, что серосодержащая часть липоевой кислоты, соединен­ная с Е2 достаточно длинной и гибкой углеводородной цепью, может «наносить визиты» последовательно активному центру Е1, своему собственному активному центру и активному центру ЕЗ. Поэтому комплекс работает подобно конвейеру, в котором полупродукт передается непосредственно от машины к машине. Такая организация пируватдегидрогеназного комплекса делает процесс более эффек­тивным: промежуточные продукты не освобождаются в раствор и, следователь­но, устраняется зависимость встречи реагирующих веществ от диффузии и слу­чайности.

Пируватдегидрогеназный комплекс — митохондриальный фермент: он соеди­нен с внутренней мембраной со стороны матрикса; пируват поступает к комплек­су из матрикса, и сюда же освобождаются ацетил-КоА и НАДН.

Цикл лимонной кислоты: последовательность реакций и характеристика ферментов. Связь между общим путем катаболизма и дыхательной цепью. Механизмы регуляции нитратного цикла. Анаболические функции цикла лимонной кислоты. Реакции, пополняющие цитратный цикл.

В цикле лимонной кислоты (нитратный цикл, цикл Кребса, цикл трикарбоксиль-ных кислот) ацетильный остаток, входящий в ацетил-КоА, образует ряд первич­ных доноров водорода. Далее водород при участии дегидрогеназ поступает в ды­хательную цепь. В результате сопряженного действия цитратного цикла и дыха­тельной цепи ацетильный остаток окисляется до С0₂ и Н₂0.

Процесс начинается с конденсации ацетильного остатка (из ацетил-КоА) и оксалоацетата (щавелевоуксусной кислоты) при участии цитратсинтазы; в реак­ции образуется лимонная кислота:

Лимонная кислота изомеризуется в изолимонную кислоту при участии аконитазы (в качестве промежуточного продукта в составе фермент-субстратного комп­лекса образуется аконитовая кислота). Далее при действии изоцитратдегидроге-назы изолимонная кислота дегидрируется и одновременно декарбоксилируется, превращаясь в альфа-кетоглутаровую кислоту:

Продукт последней реакции, подобно пирувату, представляет собой альфа-кетокислоту: общая формула для них R-CO-COOH. Подобно пирувату, альфа-кетоглутарат под­вергается окислительному декарбоксилированию; это превращение катализирует альфа-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс, сходный по структуре и катализируе­мым реакциям с пируватдегидрогеназным комплексом. Суммарный результат дей­ствия альфа-кетоглутаратдегидрогеназного комплекса следующий:

а-Кетоглутарат + HS-KoA + НАД⁺ -> Сукцинил-КоА + НАДН + Н⁺+ С0₂.

Сукцинил-КоА — это аналог ацетил-КоА. Связь, соединяющая ацильные остат­ки с КоА, является высокоэнергетической. В случае сукцинил-КоА энергия этой связи используется для образования высокоэнергетической связи ГТФ; реакцию катализирует сукцинаттиокиназа:

В составе фермент-субстратного комплекса КоА сначала замещается на фос­фатный остаток, который затем переносится на ГДФ. Такой путь образования макроэргической связи нуклеозидтрифосфата называют субстратным фосфори-лированием; его главное отличие от окислительного фосфорилирования — от­сутствие предварительного превращения химической формы энергии в энергию электрохимического потенциала мембраны. Энергия ГТФ может трансформи­роваться в энергию АТФ при действии нуклеозиддифосфаткиназы:

ГТФ + АДФ - ГДФ + АТФ.

Однако в некоторых процессах в качестве источника энергии используется непосредственно ГТФ.

Последние три реакции цикла, катализируемые сукцинатдегидрогеназой, фумаразой и малатдегидрогеназой, завершаются регенерацией оксалоацетата:

В общем пути катаболизма распадается трехуглеродное вещество — пировиноградная кислота; соответственно, образуется три молекулы С0₂ (в расчете на 1 молекулу пирувата): одна при окислительном декарбоксилировании пирувата и две за счет окисления ацетильного остатка в цитратном цикле (реакции 3 и 4). Человек за сутки выделяет с выдыхаемым воздухом около 500 л углекислого газа; подавляющая часть его (примерно 90 %) образуется в общем пути катаболизма, в указанных трех реакциях.

Как уже говорилось, пируватдегидрогеназный комплекс фиксирован на внутрен­ней поверхности внутренней мембраны митохондрий. Сукцинатдегидрогеназа частью своей молекулы выступает в матрикс, а частью — погружена во внутреннюю мембрану: в матриксной части находится центр связывания сукцината, а в погру­женной — центр связывания убихинона. Все остальные ферменты цитратного цикла находятся в матриксе митохондрий.