Биологическое окисление

Возможность такого окисления  доказана в эксперименте in vitro. А в живой клетке аскорбиновая кислота обычно используется как донор водорода в системе окисления оксигеназного типа (реакции, катализируемые монооксигеназами: смотрите лекцию «Внемитохондриальное окисление»). Такие реакции с участием витамина «С» особенно важны для формирования белка коллагена, в котором за счет монооксигеназной реакции образуется гидроксипролин.

ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ  ПИРОВИНОГРАДНОЙ

И a-КЕТОГЛУТАРОВОЙ КИСЛОТ В МИТОХОНДРИЯХ

Этот вариант дыхательной цепи удлинен по сравнению с полной цепью за счет того, что первое звено катализируется не никотинамидным ферментом, а мультиферментным комплексом. Это единая надмолекулярная структура. В состав этого комплекса входят 3 фермента и 5 коферментов. Такой комплекс называется мультиферментным комплексом окислительного декарбоксилирования a-кетокислот, и он окисляет два субстрата:

    1. Пировиноградную кислоту  (пируват, ПВК)

    Окисляется  с помощью ферментов пируватдегидрогеназного  комплекса;

    2. a-кетоглутаровую кислоту (a-КГ)

    Окисляется  с помощью ферментов a-кетоглутаратдегидрогеназного комплекса.

    Оба комплекса  ферментов работают одинаково.  Они катализируют реакции    окислительного декарбоксилирования  соответствующей a-кетокислоты.

ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ ПИРУВАТА

 

    1-ю реакцию  катализирует фермент ПИРУВАТДЕКАРБОКСИЛАЗА (Е₁).

    Простетической  группой пируватдекарбоксилазы  является тиаминдифосфат (ТПФ, тиаминпирофосфат, ТДФ) - это активная форма витамина  В₁. Активная часть ТПФ - тиазоловое кольцо и атом водорода в нем. Для краткости записывают: НС-ТПФ.

Пируватдекарбоксилаза отщепляет CO₂, а оставшаяся оксиэтильная группа присоединяется к ТПФ.

 

2-ю и 3-ю реакцию  процесса катализирует фермент АЦИЛТРАНСФЕРАЗА (Е₂). Простетическая группа ацетилтрансферазы - амид липоевой кислоты. Катализирует перенос оксиэтильного остатка на свой собственный кофермент (строение  ЛК  знать описательно по учебнику).  В ее  составе есть  дисульфидная связь.

 

 

На этом  этапе  уже  произошло  окисление  оксиэтильного остатка до  остатка  уксусной  кислоты,  одновременно с этим началось восстановление липоевой кислоты.

3 этап - продолжает работать  фермент ацилтрансфераза.

На этой стадии фермент переносит  остаток уксусной кислоты на молекулу кофермента А (КоА). В КоА содержится остаток пантотеновой кислоты (витамин В₃). Активной частью КоА является остаток тиоэтаноламина и его -SH группа.

Выяснено, что этот фермент  переносит не только остатки уксусной кислоты,     но и остатки  других кислот (нециклических). Поэтому его еще называют   коферментом ацилирования.

Второй фермент данного  комплекса является не только ацетилтрансферазой, но     и окислительным  ферментом одновременно (дегидрогенизирующая  ацетилтрансфераза).

Энергия этого окисления  аккумулируется в виде макроэргической связи   активной формы уксусной кислоты (ацетил-КоА).

 

    4 этап катализируется  ферментом ДИГИДРОЛИПОИЛДЕГИДРОГЕНАЗОЙ.

    Кофермент этого этапа  - особый ФАД с низким окислительно-восстановительным  потенциалом (обозначается как  ФАД'). Переносит протоны и электроны с дигидролипоата на НАД - последний кофермент в описанном комплексе.

  

 

    В итоге можем записать  суммарное уравнение:

    Аналогично действует  ферментный комплекс для окислительного  декарбоксилирования a-кетоглутарата. Но названия двух из трех ферментов другие:

    1-й фермент  - декарбоксилаза a-кетоглутаровой кислоты

    2-й фермент - сукцинилтрансфераза  (переносит остаток янтарной кислоты)

 

           Суммарное  уравнение для этого комплекса:

В результате действия этих двух комплексов, каждый из двух приведенных  субстратов (ПВК  и  a-КГ) - теряют СО₂, два протона и два электрона, которые передаются на   кислород с образованием Н₂О и параллельно происходит фосфорилирование трех  молекул АТФ. Сами субстраты превращаются в итоге в активную форму соответствующей кислоты.

Макроэргическая связь  в молекулах этих активных форм может  легко   трансформироваться в  макроэргическую связь молекулы АТФ. Например, для молекулы сукцинил-КоА:

Такой способ образования АТФ, когда нет сопряжения с процессами     окисления, называется СУБСТРАТНЫМ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕМ (при этом используется макроэргическая связь в молекуле какого-нибудь субстрата). В организмах высших животных и человека этот путь получения АТФ не является главным. Благодаря такому механизму окислительное декарбоксилирование a-кетокислот может считаться энергетически более выгодной, потому что образуется вещество с макроэргической связью - ацетил-КоА. Некоторые   синтетазы используют  макроэргические связи из Ацетил-КоА или Сукцинил-КоА для реакций биосинтеза.

Например, при синтезе  гема гемоглобина используется часть  молекул сукцинил-КоА:

Большая часть будет  все же использоваться для синтеза  ГТФ.

 

Другой продукт окислительного декарбоксилирования (Ацетил-КоА) может расходоваться в реакциях синтеза жирных  кислот, холестерина, стероидов. А самая большая часть этого вещества используется при синтезе лимонной кислоты в реакциях Цикла Трикарбоновых Кислот.

 

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИТОГ УДЛИНЕННОЙ ЦЕПИ.

Образуются 3 молекулы АТФ путем  окислительного фосфорилирования. Продукты окислительного декарбоксилирования (ацетил-КоА и сукцинил-КоА) содержат макроэргическую связь. Энергия  макроэргической связи сукцинил-КоА  используется двумя способами.

1) Субстратное фосфорилирование в ЦТК (так расходуется большая часть этого вещества).

2) Реакции синтеза  гема (меньшая часть сукцинил-КоА).

Энергия макроэргической  связи Ацетил-КоА используется только в реакциях синтеза:

а) Синтез лимонной кислоты (цитрата).

б) Синтез кетоновых тел

в) Синтез жирных кислот

г) Синтез холестерина

 

Среди субстратов МтО  почти нет веществ, которые организм получает с пищей - только глутаминовая кислота.

Субстраты МтО - в основном органические кислоты, которые образуются в организме в процессе катаболизма. В процессе катаболизма из большого количества разнообразных пищевых веществ образуется всего 2 вида общих метаболитов: Ацетил-КоА и ПВК.

ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ

                      (ЦТК,  лимоннокислый цикл, цикл  Кребса)

    ЦТК, как и реакции митохондриального окисления, протекает в митохондриях.  Представляет собой серию реакций, замкнутых в цикл.

 

 

 

Образовавшиеся молекулы ЩУК реагируют с новой молекулой  Ацетил-КоА и цикл повторяется  вновь от образования цитрата  до его превращения в ЩУК.

В реакциях этого цикла  участвуют четыре из девяти субстратов МтО.

Происходит серия дегидрогеназных  реакций. Из них 3-я, 4-я и 8-я происходят с участием НАД-зависимых дегидрогеназ, и каждая из этих реакций позволяет  получить 3 молекулы АТФ. На 6-й стадии происходит ФАД-зависимая дегидрогеназная реакция, которая сопряжена с образованием 2-х молекул АТФ (Р/О = 2).

На 5-й стадии 1 молекула АТФ образуется путем субстратного фосфорилирования.

Итого за 1 оборот ЦТК  образуется 12 молекул АТФ.

Смысл ЦТК заключается в том, чтобы остатки уксусной кислоты расщепились с образованием большого количества АТФ. Кроме того, из ацетатных остатков образуется СО₂ и Н₂О, как конечные продукты обмена веществ.

    СО₂ образуется в ходе ЦТК дважды:

    1. на третьей стадии (окисление изоцитрата)

    2. на четвертой  стадии (окисление альфа-кетоглутарата).

Если прибавить еще 1 молекулу СО₂, которая образуется до начала ЦТК - при превращении ПВК в Ацетил-КоА, то можно говорить о трех молекулах СО₂,  образующихся при распаде ПВК. Суммарно эти молекулы, образующиеся при распаде ПВК, составляют до 90% углекислоты, которая  выводится  из  организма.

ИТОГОВОЕ УРАВНЕНИЕ ЦТК

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ЦТК

 

ГЛАВНАЯ РОЛЬ ЦТК - ОБРАЗОВАНИЕ  БОЛЬШОГО КОЛИЧЕСТВА АТФ.

1. ЦТК - главный источник АТФ. Энергию для образования большого количества АТФ дает полный распад Ацетил-КоА до СО₂ и Н₂О.

2. ЦТК - это универсальный  терминальный этап катаболизма  веществ всех классов.

3. ЦТК играет важную  роль в процессах анаболизма (промежуточные  продукты ЦТК):

- из цитрата -------> синтез жирных кислот

- из aльфа-кетоглутарата  и ЩУК ---------> синтез аминокислот

- из ЩУК ----------> синтез  углеводов

- из сукцинил-КоА -----------> синтез гема гемоглобина

АВТОНОМНАЯ САМОРЕГУЛЯЦИЯ ЦТК

В ЦТК два ключевых фермента:

1) цитратсинтаза (1-я  реакция)

2) изоцитратдегидрогеназа (3-я реакция)

Оба фермента аллостерически ингибируются избытком АТФ и НАДН₂. Изоцитратдегидрогеназа сильно активируется АДФ. Если АДФ нет, то этот фермент неактивен. В условиях энергетического покоя концентрация АТФ увеличивается, и скорость реакций ЦТК мала - синтез АТФ уменьшается.

Изоцитратдегидрогеназа  ингибируется АТФ намного сильнее, чем цитратсинтаза, поэтому в  условиях энергетического покоя  повышается концентрация цитрата, и он выходит в цитоплазму по градиенту концентраций путем облегченной диффузии. В цитоплазме цитрат превращается в Ацетил-КоА, который участвует в синтезе жирных кислот.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ  ЗАРЯД КЛЕТКИ (ЭЗК)

Многие процессы метаболизма  регулируются соотношением АТФ/АДФ. Это соотношение характеризует энергетический статус (состояние) клетки (Энергетический Заряд Клетки).

[АТФ]+ 1/2[АДФ]

ЭЗК = ------------------------

[АТФ] + [АДФ] + [АМФ]

Теоретически ЭЗК может  меняться от 0 до 1. Обычно в норме  величина ЭЗК поддерживается в клетке в пределах 0.85-0.90.

ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ! Метаболические пути, приводящие к образованию АТФ, ингибируются высоким ЭЗК; метаболические пути, ведущие к использованию  АТФ, активируются высоким ЭЗК.

ЧЕЛНОЧНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕНОСА ВОДОРОДА

Никотинамидные дегидрогеназы  находятся не только в матриксе митохондрий, но и в цитозоле. Митохондриальная мембрана непроницаема для НАД, поэтому  НАДН₂, который образуется в цитозоле, может передать свой водород в митохондрию только с помощью специальных субстратных ЧЕЛНОЧНЫХ МЕХАНИЗМОВ. В митохондрию из цитозоля передается не сам НАДН₂, а только водород, отнятый от него. Переносимый водород включается  в молекулу вещества-челнока, способного проникать через митохондриальную  мембрану. В митохондрии вещество-челнок отдает водород на митохондриальный НАД или ФАД и возвращается обратно в цитозоль.

    В клетках  организма человека существуют 2 типа челночных механизмов.

    1. МАЛАТ-АСПАРТАТНЫЙ  челнок (наиболее универсален для клеток организма). С высокой скоростью работает в миокарде, почечной ткани, печени.

 

В этой транспортной системе  водород от цитоплазматического  НАД передается   на митохондриальный НАД(!), поэтому в митохондриях образуется 3 молекулы АТФ и не происходит потери энергии при переносе водорода. Для ткани печени малат-аспартатная система особенно важна, так как из митохондрии выводится Ацетил-КоА (в виде цитрата), а водород попадает в митохондрию (в составе малата).

Таким образом, происходит не только челночный транспорт водорода от  цитоплазматического НАД к митохондриальному, а и обратный транспорт Ацетил-КоА из митохондрий в цитоплазму в виде цитрата. В цитоплазме  Ацетил-КоА  может быть использован для синтеза жирных кислот.

ЩУК может вернуться  в цитоплазму и другим способом: она может вступить в реакцию трансаминирования с глутаминовой кислотой (СМОТРИТЕ РИСУНОК)

 

     2. ГЛИЦЕРОФОСФАТНЫЙ  челнок (встречается реже).

 

В этой транспортной системе водород  от цитоплазматического НАД передается   на митохондриальный ФАД(!), и в митохондриях образуется 2 молекулы АТФ вместо 3-х - происходит потеря энергии при переносе водорода.

      В клетке  существует не только челночный  транспорт водорода от цитоплазматического  НАД к митохондриальному. Происходит  и обратный транспорт Ацетил-КоА  из митохондрий в цитоплазму в виде цитрата. В цитоплазме Ацетил-КоА  может быть использован для синтеза жирных кислот.