Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты (ПВК)

Аэробное окисление

Клетки, недостаточно снабжаемые кислородом, могут частично или полностью существовать за счет энергии гликолиза. Однако большинство животных и растительных клеток в норме находятся в аэробных условиях. В этих условиях пируват, образовавшийся при расщеплении глюкозы, не восстанавливается до лактата, а постепенно окисляется до СО₂ и Н₂О в аэробной стадии катаболизма, при этом первоначально происходит окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты.

Окисление ПВК до ацетил-КоА происходит при участии ряда ферментов и коферментов, объединенных структурно в мультиферментную систему, получившую название «пируватдегидрогеназный комплекс».

Процесс окислительного декарбоксилирования ПВК происходит в матриксе митохондрий. В нем принимают участие (в составе пируватдегидрогеназного комплекса) 3 фермента (пируватдегидрогеназа, дигидролипоилдегидрогеназа и дигидролипоилацетилтрансфераза) и 5 коферментов (тиаминпирофосфат (ТПФ (витамин В₁)), амид липоевой кислоты, коэнзим А (СоА (витамин В₃)), ФАД (флавинадениндинуклеотид (витамин В₂)),НАД⁺(никотинамидадениндинуклеотид (витамин РР)).

Суммарную реакцию, катализируемую пируватдегидрогеназным комплексом, можно представить следующим образом:

Образовавшийся в процессе окислительного декарбоксилирования ацетил-СоА окисляется далее в цикле трикарбоновых кислот с образованием СО₂ и АТФ.

5.2.6.2 Цикл трикарбоновых кислот (Цикл Кребса).

Этот цикл известен также под названием цикла лимонной кислоты или цикла Кребса в честь Г. Кребса, определившего последовательность реакций цикла. За это открытие Кребс получил в 1953 году Нобелевскую премию.

Хотя цикл трикарбоновых кислот мы рассматриваем во взаимосвязи с катаболизмом углеводов, однако его роль в метаболизме веществ гораздо шире.

Цикл Кребса выполняет следующие функции:

1. Интегративную – объединяет пути катаболизма углеводов, жиров, белков; во всех аэробных организмах он выступает в роли центрального метаболического пути углерода.

2. Амфиболическую – выполняет не только катаболическую функцию распада ацетильных остатков, но и анаболическую, поскольку субстраты цикла используются для синтеза других веществ;

3. Энергетическую – совместно с цепью переноса электронов является основным поставщиком химической энергии в форме АТФ.

Реакции цикла протекают в матриксе митохондрий и представляют восемь последовательных превращений.

Первая реакция цикла начинается с конденсации ацетил-СоА с оксалоацетатом, в результате чего образуется лимонная кислота.

Реакция катализируется цитрат-синтазой (класс лиазы):

В результате второй реакции образовавшаяся лимонная кислота подвергается дегидрагированию с образованием цис-аконитовой кислоты, которая, присоединяя молекулу воды, переходит в изолимонную (изоцитрат). Обратимые реакции гидратации-дегидратации катализирует фермент аконитаза (класс лиазы):

Третья реакция лимитирует скорость цикла Кребса. Изолимонная кислота дегидрируется в присутствии НАД–зависимой дегидрогеназы (класс оксидоредуктазы):

Во время четвертой реакции происходит окислительное декарбоксилирование a-кетоглутаровой кислоты с образованием высокоэнергетического соединения сукцинил-СоА.

Механизм этой реакции сходен с механизмом реакции окислительного декарбоксилирования ПВК. a-кетоглутаратдегидроге-назный комплекс напоминает по своей структуре пируватдегидрогеназный комплекс (см. пируватдегидрогеназный комплекс):

Пятая реакция катализируется ферментом сукцинил-СоА-синтетазой (класс лигазы):

Данная реакция является реакцией субстратного фосфорилирования, т.к. за счет высокоэргической тиоэфирной связи сукцинил-КоА происходит образование высокоэргической фосфатной связи ГТФ.

В результате шестой реакции сукцинат дегидрируется в фумаровую кислоту. Окисление сукцината катализируется сукцинатдегидрогеназой (класс оксидоредуктазы), простетической группой при этом является ФАД.

Седьмая реакция осуществляется под влиянием фермента фумаратгидратазы (класс лиазы):

В ходе восьмой реакции цикла трикарбоновых кислот под влиянием НАД-зависимой малатдегидрогеназы происходит окисление яблочная кислоты в оксалоацетат:

Таким образом за один оборот цикла происходит полное окисление одной молекулы ацетил-СоА и регенерация оксалоацетата, который вновь может конденсироваться с новой молекулой ацетил-СоА.

Схематически цикл Кребса представлен на рис. 2.

5.2.6.3 Дыхательная цепь переноса электронов. Окислительное фосфорилирование, биосинтез АТФ

Для непрерывной работы цикла Кребса необходимо постоянное поступление в систему ацетил-СоА, а восстановленные коферменты НАДН и ФАДН₂ должны снова и снова окисляться. НАДН и ФАДН₂ окисляются молекулярным кислородом не сразу и непрямо (в реакциях цикла Кребса молекулярный кислород нигде не участвует, хотя этот цикл является аэробным, т.е. кислородзависимым). Процесс идет постепенно с помощью последовательно функционирующих окислительно-восстановительных систем, переносящих водород, отнятый у субстрата в виде эквивалента электронов и протонов к молекулярному кислороду. Совокупность этих систем получила название дыхательной цепи переноса электронов.

Ферментные системы, составляющие дыхательную цепь переноса электронов, встроены во внутренней мембране митохондрий.

Митохондрии – это органеллы клетки (рис.3), играющие роль «силовых станций» клетки. Данная органелла является местом, где протекает цикл трикарбоновых кислот и окисление жирных кислот, генерирующие восстановленные коферменты, которые затем окисляются с помощью дыхательной электронтранспортной цепи.

Рис. 2 Цикл Кребса

Митохондрия окружена двумя мембранами с сильно различающимися свойствами. Внутренняя мембрана митохондрии является барьером для протонов. Она способна пропускать такие молекулы как вода, молекулярный кислород, СО₂, но фактически непроницаема для большинства полярных и ионизированных веществ (Na⁺, K⁺, НАД⁺, НАДН и т.д.). Наружная мембрана свободно проницаема для соединений с молекулярной массой около 10.000.

Компоненты дыхательной цепи распределены по плоскости внутренней мембраны равномерно. Они находятся в липидном окружении, прочно связаны с мембраной.

Также в митохондриальной мембране находится АТФ-синтетазный комплекс, ответственный за образованием АТФ.

Синтез АТФ из АДФ и фосфорной кислоты, который происходит с использованием энергии, освобождающейся при окислении веществ в живых клетках, и сопряжен с переносом электронов по дыхательной цепи, называется окислительным фосфорилированием.

Дыхательная цепь переноса электронов включает пять комплексов белков, в состав которых входят:

1. пиридинзависимые дегидрогеназы, коферментом которых является НАД⁺

2. флавинзависимые дегидрогеназы, коферментом которых является ФАД или ФМН

3. небелковый переносчик убихинон, который называют коферментом
Q (KoQ).

4. Цитохромная система.

Цитохромы представляют собой гемопротеины, т.е. белки, содержащие в качестве простетической группы – гем. В составе гема имеется ион железа, который при переносе электронов подвергается обратимому окислению-восстановлению.

Цитохромы относятся к одноэлектронным окислительно-восстановительным соединениям. Они не могут принимать или отдавать водород, поэтому их называют переносчиками электронов.

Цитохромы подразделяются на цитохромы а, в, с и d в соответствии с положением их спектральных полос поглощения в восстановленном состоянии. Гемовые простетические группы цитохромов также имеют небольшие структурные различия; кроме того они отличаются структурой белка, с которым связан гем. Цитохромы а и а₃ существуют и функционируют в виде единого прочного комплекса. Особенностью комплекса а×а₃ является наличие в нем меди, связанной с компонентом а₃, необходимой для его функционирования.

Перенос электронов комплексом а×а₃ включает следующие реакции:

Особенностью комплекса а×а₃ является то, что эта система цитохромов непосредственно реагирует с молекулярным кислородом воздуха, т.е. электроны передаются на кислород, переводя его в ионы. Комплекс а×а₃ называют цитохромоксидазой.

5.Железосерные белки, или негеминовые белки, т.е. белки, в составе которых железо не связано с гемом.

Компоненты дыхательной цепи расположены по мере возрастания окислительно-восстановительного потенциала. Окислительно-восстанови-тельной потенциал пары НАД/НАДН + Н⁺ = -0,32 В, а пары О₂/Н₂О = +0,82 В.

Последовательность реакций, протекающих в дыхательной цепи переноса электронов представлена в виде схемы (рис. 4).

Процесс начинается с переноса электронов и протонов от восстановленного субстрата АН₂ к НАД⁺ (например: малат + НАД⁺ ® оксалоацетат + НАДН + Н⁺ (см. реакции цикла Кребса)).

Восстановленный НАДН + Н⁺ передает два электрона и два протона ФМН. От флавина электроны и протоны переходят к убихинону (CoQ). После убихинона пути электронов и протонов расходятся. Электроны в определенной последовательности передаются по цепи цитохромов и, наконец, через цитохромоксидазу (а×а₃) достигают кислорода воздуха, переводя его в ион. При этом осуществляется одноэлектронный перенос по системе цитохромов. Существует также укороченная дыхательная цепь, когда субстрат А₁Н₂ взаимодействует с ФАД-дегидрогеназой (например: янтарная кислота + ФАД ® фумаровая кислота + ФАДН₂ (см. реакции цикла Кребса)), которая восстанавливается до ФАДН₂ и далее электроны и протоны идут на CoQ. Дальнейший путь электронов и протонов совпадают.

Протоны после убихинона выталкиваются в межмембранное пространство митохондрии за счет энергии, извлекаемой при движении электронов по дыхательной цепи.

В результате наружная сторона внутренней мембраны заряжается положительно, а матрикс митохондрии – отрицательно. Возникает электрохимический градиент концентраций ионов ΔМН⁺.

Диффузия протонов обратно через мембрану, т.е. в область с их меньшей концентрацией, происходит по концентрационному градиенту и сопряжена с фосфорилированием, осуществляемым АТФ-синтетазой.

Согласно хемиосмотической теории, разработанной П. Митчелом, энергия, сосредоточенная в протонном потенциале, используется АТФ-синтетазой для выполнения химической работы, т.е. синтеза АТФ:

АДФ + Н₃РО₄ ® АТФ + НОН

В данном случае синтез АТФ происходит одновременно за счет энергии, выделяемой по мере продвижения электронов по дыхательной цепи, т.е. одновременно с окислением водорода, снятого с субстрата до воды, синтезируется АТФ. Такой способ синтеза АТФ называется окислительным фосфорилированием.

В дыхательной цепи в трех пунктах происходит сопряжение переноса электронов (окисления) и фосфорилирования. Первым этапом является перенос электронов от восстановленной анаэробной дегирогеназы НАДН + Н⁺ к флавиновой дегидрогеназе ФМН. Второй точкой сопряжения является переход электронов от цитохрома в на цитохром с₁. Третья молекула АТФ выделяется, когда цитохромоксидаза (а×а₃) передает электроны кислороду воздуха. Таким образом, при окислении молекулы водорода, снятой с субстрата НАД-зависимой дегидрогеназой, синтезируется 3 молекулы АТФ. Если водород передается ФАД-зависимой дегидрогеназой, то первая точка сопряжения минуется, поскольку от ФАДН₂ электроны и протоны передаются коферменту Q, следовательно образуется только 2 молекулы АТФ.

5.2.6.4 Энергетика аэробного окисления глюкозы

Итак, полный путь окисления глюкозы включает гликолиз, окислительное декарбоксилирование ПВК, в результате чего образуется ацетил-СоА, окисление ацетил-СоА в цикле Кребса, передача водорода от НАДН + Н⁺ и ФАДН₂ в виде эквивалента протонов и электронов по дыхательной цепи и окисление его до воды.

При этом образование АТФ происходит как за счет субстратного, так и за счет окислительного фосфорилирования. Поэтому для расчета энергетического выхода учтем, что в процессе гликолиза за счет субстратного фосфорилирования образуется 4 молекулы АТФ (реакции 7 и 10). Кроме того, в реакции 6 образуется 2НАДН + Н⁺, которые могут передавать электроны и протоны в дыхательную цепь, т.е. окисляться. Однако, сами молекулы внемитохондриального НАДН не способны проникать через мембрану внутрь митохондрий. Для передачи цитоплазматического НАДН в дыхательную цепь могут быть использованы так называемые челночные механизмы:

1. глицерол – фосфатный;

2. малат – аспартатный.

При использовании глицерол-фосфатного челночного механизма окисление 1 молекулы НАДН дает две молекулы АТФ, а при использовании малат-аспартатного челночного механизма – 3 АТФ.

Значит, 2НАДН + Н (цитоплазматически перенесенные в митохондрию, например, с помощью малат-аспартатного челночного механизма) при окислении в дыхательной цепи дадут 6 АТФ, итого гликолиз дает 10 молекул АТФ, из которых вычтем 2, затраченные на активирование в реакциях 1 и 3, т.е. остается 8 молекул АТФ.

Т.к. при распаде глюкозы образуется 2 молекулы ПВК. Следовательно, в результате окислительного декарбоксилирования образуется 2НАДН + Н⁺, что эквивалентно 6АТФ.

В цикл Кребса от одной молекулы глюкозы также вступает 2 молекулы ацетил-СоА, следовательно, количество образовавшихся НАДН и ФАДН₂ удвоим.

Итак, в реакциях 3, 4, 8 образуется 6 НАДН₂ = 6×3 = 18 АТФ. В реакции 5 образуется 2ГТФ = 2 АТФ (за счет субстратного фосфорилирования), в реакции 6 – 2ФАДН₂=2×2 = 4 АТФ. Итого: 8 + 6 + 18 + 2 + 4 = 38 молекул АТФ.

При использовании глицерол-фосфатного челночного механизма цитоплазматический НАДН образуется 2 АТФ, следовательно, общий энергетический выход будет равен 36 молекул АТФ, а не 38.

Дата добавления: 2015-07-13