Ферменты и коферменты ПД- комплекса

Экз №__

Кафедра клинической биохимии и лабораторной диагностики

«УТВЕРЖДАЮ»

ИО начальника кафедры

клинической биохимии и

лабораторной диагностики

полковник медицинской службы

В.ПАСТУШЕНКОВ

«___» _____________ 2008 г.

преподаватель кафедры клинической биохимии и лабораторной диагностики

кандидат биологических наук Е.БАТОЦЫРЕНОВА

_____________________________________________________________________

должность, ученая степень, ученое звание, воинское звание, инициал имени, фамилия автора (авторов)

ЛЕКЦИЯ № 9

_________________________________________

(номер по тематическому плану изучения дисциплины)

по дисциплине: «Биохимия»

___________________________________________________________

(наименование учебной дисциплины)

на тему: «Аэробный обмен углеводов»

________________________________________________

(наименование темы занятий по тематическому плану изучения дисциплины)

с курсантами и студентами 2 курса факультетов подготовки врачей

(военно-медицинских специалистов иностранных армий)

Обсуждена и одобрена на заседании кафедры

Г.

Протокол №______

Уточнено (дополнено):

«____» ____________ 200___ г.

_____________________________________

(воинское звание, подпись, инициал имени, фамилия)

Лекция на тему: «Аэробный обмен углеводов»

Учебные групп: курсанты и слушатели II курса ФПВ

Цель лекции: Рассмотреть основные этапы аэробного обмена углеводов и его отличие от анаэробного обмена углеводов.

Время лекции: 2 часа

План лекции.

Введение. Основные этапы аэробного обмена углеводов

Аэробный гликолиз

Челночные механизмы переноса восстановительных эквивалентов через мембрану митохондрии

Подсчет энергетического баланса аэробного гликолиза

Окислительное декарбоксилирование пирувата

Регуляция окислительного декарбоксилирования пирувата

Цикл трикарбоновых кислот

Энергетический баланс ЦТК

Регуляция ЦТК

Амфиболическая роль ЦТК

Пентозомонофосфатный путь

Регуляция пентозомонофосфатного шунта

Основным катаболическим процессом деструкции глюкозы в клетках животных и человека является последовательность ряда реакций ее окисления, в результате которых в анаэробных условиях глюкоза превращается в лактат, а в аэробных – в конечные продукты: СО₂ и воду.

Гликолиз – это уникальный путь, так как может протекать как в анаэробных условиях, так и в аэробных условиях.

Гликолиз – это последовательность 11 реакций, в случае анаэробного гликолиза, и 10 реакций, в случае аэробного гликолиза.

Разделение на аэробный и анаэробный гликолиз носит условный характер, так как реакции гликолиза в присутствии О₂ или в его отсутствие одни и те же. При недостатке О₂ окисление НАДН₂ идет сопряжением пирувата в лактат, а в аэробных условиях НАДН₂ окисляется в дыхательной цепочке, то есть путем окислительного фосфорилирования, результатом которого является образование АТФ.

Итак, процесс аэробного окисления глюкозы состоит из трех этапов:

1. На первом этапе протекают реакции аэробного гликолиза, где результатом является появление двух молекул пирувата. Все ферменты гликолитического пути находятся в цитозоле.

2. Следующий этап окисления глюкозы протекает в матриксе митохондрий. А именно, окислительное декарбоксилирование пирувата, в результате которых происходит образование одного из центральных метаболитов клетки ацетил-КоА и окисление одного атома углерода до СО₂ .

3. Третий этап окисления глюкозы также протекает в матриксе митохондрий и называется цикл трикарбоновых кислот ЦТК.

Процесс аэробного окисления углеводов сопровождается большим выходом энергии 2880 кДж/моль глюкозы или 38 молекул АТФ, но

хотелось бы обратить внимание, что восстановленные в цитоплазме в процессе гликолитической оксидоредукции (6-ая р-ция) две молекулы НАДН₂ могут давать не всегда 6 АТФ, а только 4. Это объясняется тем, что для НАДН внутренняя мембрана митохондрий непроницаема, поэтому для их транспорта может быть использован либо глицерофосфатный челночный механизм (ткани скелетных мышц и мозга) либо малатаспартатная челночная система (клетки печени, сердечной мышцы).

В первом случае, цитоплазматический НАДН вначале восстанавливает дигидроксиацетон-3- фосфат до глицерол-3- фосфата, который легко проникает через митохондриальную мембрану, где снова окисляется до дигидроксиацетон-3- фосфат, но уже при участии фермента, коферментом которого является ФАД, это дает 2 АТФ.

Во втором случае, цитоплазматический НАДН восстанавливает цитозольный оксалоацетат при участии малатдегидрогеназы, образуется малат. Последний проходит через внутреннюю мембрану мембрану митохондрий в матрикс. Здесь малат окисляется в оксалоацетат, а окисленный НАД⁺ восстанавливается в НАДН₂ , который может передавать свои электроны в цепь дыхательных ферментов, получаем 3 АТФ. Образовавшийся оксалоацетат в присутствии глутамата и аспартатаминотрансферазы вступает в реакцию трансаминирования. В результате образуется аспартат и α- кетоглутарат.

Окислительное декарбоксилирование ПВК.

Пируват, образовавшийся в цитоплазме клетки в результате реакций аэробного гликолиза, поступает в матрикс митохондрии, где при действии сложноорганизованного мультиферментного комплекса, превращается в ацетил – КоА и СО₂ . Напомню, что в гликолизе каждую реакцию катализирует отдельный фермент (парциальные реакции гликолиза).

В состав ПД-комплекса входят три сложных фермента, коферменты которых достаточно прочно ассоциированы с апоферментами, плюс два кофермента – легко диссоциирующие KoA-SH и НАД⁺ .

Ферменты ПД-комплекса и коферменты, локализованные в матриксе митохондрий, имеют мол.массу выше 6 × 10³ кДа. «Ядро» этого комплекса составляет дегидролипоилтрансацетилаза, к которой присоединены крупные молекулы 2-х других ферментов – пируватдегидрогеназы и дегидролипоилдегидрогеназы, что позволяет продукту действия одного фермента быстро взаимодействовать с другим субстратом.

Ферменты и коферменты ПД- комплекса

Каждый фермент ПД-комплекса катализирует определенную стадию. На первой стадии, катализируемая пируватдегидрогеназой, пируват взаимодействует с коферментом ТПФ, происходит активация пирувата, его декарбоксилирование и образование оксиэтильного производного ТПФ-Е₁ . На 2-ой стадии Е₂ окисляет оксиэтильную группу и переносит образующийся ацетильный остаток на окисленную форму липоевой кислоты. Ацетиллипоевая кислота содержит активированную ацетильную группу. На 3-ей стадии Е₂ катализирует перенос ацетильной группы на КоА-SH. Образуется один из конечных продуктов окислительного декарбоксилирования пирувата ацетил-КоА и восстановленная форма липоевой кислоты.

На 4-ой и 5-ой стадиях регенерируются окисленные формы ФАД и НАД. На 4-ой стадии окисляется дегидролипоевая кислота. Реакция катализируется Е₃ , переносящей атомы водорода от восстановленных сульфгидрильных групп дегидролипоевой кислоты на ФАД кофермент Е₃.

На 5-ой стадии восстановленная форма ФАД взаимодействует с НАД, тем самым способствуя его восстановлению.

Образовавшийся в результате данного процесса ацетильный остаток в форме ацетил-КоА далее полностью окисляется до СО₂ и Н₂О. Следует обратить внимание, что включение ацетил-КоА в ЦТК не потребует затрат АТФ, так как уже находится в комплексе с коэнзимом А, что является активированной формой.

В расчете на одну молекулу глюкозы происходит восстановление двух молекул НАД⁺ , а следовательно, в процессе их окисления в дыхательной цепочке синтезируется 6 АТФ.

Окислительное декарбоксилирование пирувата представляет собой один из общих путей катаболизма, поскольку на уровне пирувата в этот процесс вовлекается ряд метаболитов обмена аминокислот и липидов.

Регуляция ОДП.

Регуляция его активности составляет одну из важнейших стадий в регуляции общих путей катаболизма, связывая такие метаболические процессы, как гликолиз, глюконеогенез, синтез и распад жирных кислот, ЦТК. В состав ПД-комплекса входят регуляторные ферменты киназа и фосфатаза. Киназа катализирует фосфорилирование Е₁ и переводит этот фермент в неактивное состояние, а фосфатаза отщепляет от него фосфорную кислоту и активирует его.

Активность киназы и фосфатазы регулируется по аллостерическому механизму. Аллостерическими ингибиторами киназы являются пируват, АДФ, KoA-SH, Са⁺² . Следовательно, при их высокой концентрации ПД-комплекс поддерживается в активной, нефосфорилированной форме, то есть в клетке создаются условия для образования из пирувата ацетил-КоА, который может быть использован в ЦТК или на синтез жирных кислот.

Регуляция ионами кальция. Потенциал действия увеличивает концентрацию Са в митохондриях, что одновременно ингибирует киназу и активиркет фосфатазу. Соответветственно приводит ПДК в активную нефосфорилированную форму. Одновременно Са активирует регуляторные ферменты ЦТК и ацетил-КоА быстро окисляется, обеспечивая синтез АТФ для работы мышц.

И наоборот, аллостерическими активаторами киназы являются конечные продукты ОДП, что прекращает превращение пирувата в ацетил-КоА, и он может быть использован, к примеру, на синтез глюкозы.

Следовательно, ПД-комплекс представляет собой сложную, саморегулирующуюся систему, которая играет важную роль в контроле клеточного дыхания, в энергетическом обеспечении организма, в регуляции общих путей катаболизма.

Далее активированный ацетильный остаток полностью окисляется в цикле трикарбоновых кислот, цикл Кребса. Этот путь назван циклом Кребса в честь английского ученого Кребса лауреата Нобелевской премии 1953 года, определившего последовательность реакций окисления ацетила.

Наряду с ОДП этот процесс является конечным путем окислительного катаболизма всех видов биомолекул (углеводов, липидов, аминокислот), которые в аэробных условиях либо превращаются в ацетил-КоА, либо в промежуточные соединения ЦТК.

Следовательно, ЦТК выполняет функции единого интегрального механизма, взаимосвязи и взаимозависимости процессов клеточного метаболизма.

Для энергетического обмена клетки в ЦТК образуются доноры водорода в виде восстановленных НАД и ФАД для дыхательной цепи митохондрий, где энергия электронов окисляемых субстратов способна трансформироваться в энергию макроэргических связей АТФ.

ЦТК

ЦТК представляет собой последовательность 8ми реакций, протекающих в матриксе митохондрий. Начинается цикл с конденсации ацетил-Коа с оксалоацетатом и образованием первой трикарбоновой кислоты – цитрата. Затем цитрат в результате реакций дегидрирования и двух декарбоксилирований теряет 2 углеродных атома и превращается в оксалоацетат.

Хотелось бы обратить внимание на 3-ю и 4-ю реакции цикла. Изоцитрат подвергается окислительному декарбоксилированию и превращается в α-кетоглутарат и идет восстановление НАД. НАД-зависимая изоцитратдегидрогеназа является аллостерическим ферментом, для которого аллостерическим активатором является АДФ. В 4-ой реакции происходит окислительное декарбоксилирование α-кетоглутаровой кислоты с образованием высокоэнергетического соединения сукцинил-КоА. Механизм этой реакции сходен с реакцией окислительного декарбоксилирования пирувата до ацетил-КоА, а α-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс напоминает по своей структуре пируватдегидрогеназный комплекс: состоит из 3хферментов и пяти коферментов: α-кетоглутаратдегидрогеназа (ТПФ), дегидролипоилтранссукцинилаза (липоевая кислота), дегидролипоилдегидрогеназа (ФАД), а также КоА-SH,НАД⁺ .

5-ая реакция является единственной в цикле реакцией субстратного фосфорилирования. Происходит образование высокоэргической фосфатной связи ГТФ за счет высокоэргической тиоэфирной связи сукцинил-КоА.

Для непрерывной работы цикла необходимо постоянное поступление в систему ацетил-КоА, окисленных ФАД и НАД. Их окисление происходит в цепи дыхательных ферментов, встроенных во внутреннюю мембрану митохондрий. Таким образом, баланс энергии в ЦТК следующий: образуется 3 восстановленных НАД, 1 ФАД, что дает за один оборот ЦТК 11АТФ, образованные путем окислительного фосфорилирования и 1АТФ за счет субстратного фосфорилирования. Итого на 1 молекулу глюкозы в ЦТК образуется 24 АТФ, а окисление одной молекулы пирувата - 15АТФ.

Расчет энергетического баланса при полном окислении одной молекулы глюкозы.

1. Аэробный гликолиз: 2АТФ путем субстратного фосфорилирования, 4 или 6 АТФ путем окислительного фосфорилирования, то есть через дыхательную цепь. Итого 6-8 АТФ.