Суммарное уравнение окислительного декарбоксилирования пирувата

Окислительное декарбоксилирование пирувата.

Раздел 2. Тема 7. Общий путь катаболизма.

Сущность общего пути катаболизма.

Начальные этапы катаболизма (специфические пути катаболизма) основных пищевых веществ (углеводы, белки, жиры) происходят при участии ферментов, специфичных для каждого класса веществ, и завершаются образованием 2 метаболитов — ПВК и уксусной кислоты в форме ацетил-КоА. После образования ПВК дальнейший путь распада веществ до конечных продуктов СО₂ и Н₂О происходит одинаково в общем пути катаболизма (ОПК, см. рисунок. ).

Ацетил-КоА образуется в специфических реакциях катаболизма жирных кислот и некоторых аминокислот. Но главным источником ацетил-КоА служит пировиноградная кислота, образующаяся в реакциях катаболизма глюкозы и некоторых аминокислот.

Катаболизм основных пищевых веществ. 1-3 — пищеварение; 4-8 — специфические пути катаболизма; 9-10 — общий путь катаболизма; 11 — ЦПЭ; 12 — окислительное фосфорилирование.

Таким образом, общий путь катаболизма включает: 1) окислительное декарбоксилирование пирувата до ацетил-КоА; 2) окисление ацетильной группы ацетил-КоА в цикле трикарбоновых кислот (ЦТК=Цикле Кребса=цикле лимонной кислоты).

Общий путь катаболизма протекает в матриксе митохондрий, реакции являются необратимыми, т.к. происходит уменьшение стандартной свободной энергии.

Строение пируватдегидрогеназного комплекса.

Пируватдегидрогеназный комплекс (ПДК) является классическим мультиферментным комплексом (молекулярная масса более 6×10 6 ), в котором промежуточные продукты остаются связанными на поверхности молекулы фермента до образования конечного продукта. Его концентрация повышена в сердечной мышце, почках.

В состав ПДК входит 3 фермента и 5 кофакторов.

I-й фермент – пируватдегидрогеназа содержит кофактор тиаминпирофосфат (производное витамина В1);

II-й фермент – дигидролипоилтрансацетилаза содержит кофакторы липоевую кислоту (липоамид, ЛК) и кофермент А (НS-КоА);

III-й фермент — дигидролипоилдегидрогеназа содержит кофакторы ФАД + и НАД + .

Кроме того, в состав комплекса входят регуляторные субъединицы: протеинкиназа и фосфопротеинфосфатаза.

В центре комплекса располагается дигидролипоилтрансацетилаза (Е₂), образуя его ядро. К дигидролипоилтрансацетилазе присоединены молекулы: пируватдекарбоксилазы (Е₁) и дигидролипоилдегидрогеназы (Е₃). Пируватдекарбоксилаза содержит прочно связанный с белковой частью ТПФ, а дигидролипоилдегидрогеназа — FAD. Липоиллизиновые группы центрального фермента (Е₂) функционируют как поворотные «кронштейны», переносящие атомы водорода и ацетильные группы от одной ферментной молекулы комплекса к другой.

Пируватдегидрогеназный комплекс характеризуется большим отрицательным окислительно-восстановительным потенциалом, который обеспечивает наряду с восстановлением кофермента (NADH+Н + ) образование высокоэнергетической тиоэфирной связи в ацетил-КоА.

Структурное объединение 3 видов ферментов создаёт возможности для координации отдельных этапов сложной ферментативной реакции. Все промежуточные продукты реакции окислительного декарбоксилирования пирувата прочно связаны с комплексом, что увеличивает суммарную скорость процесса и сводит к минимуму побочные реакции.

Пируватдегидрогеназный комплекс, как и все белки, участвующие в реакциях ЦТК, кодируется ядерной ДНК. Транспорт субъединиц ПДК в митохондрии происходит сложным путём за счёт энергии АТФ или трансмембранного электрохимического потенциала при участии белков теплового шока — шаперонов, предотвращающих их преждевременный фолдинг (приобретение окончательной нативной конформации) до поступления в митохондриальный матрикс или внутреннюю мембрану митохондрий.

Окислительное декарбоксилирование пирувата.

Окислительное декарбоксилирование пирувата происходит в матриксе митохондрий. Транспорт пирувата в митохондриальный матрикс через внутреннюю мембрану митохондрий осуществляется при участии специального белка-переносчика по механизму симпорта с Н + .

Превращение пирувата в ацетил-КоА описывают следующим суммарным уравнением:

СН₃-СО-СООН + NAD + + HS-KoA → CH₃-CO ∼SKoA + (NADH + H + ) + CO₂

В ходе этой реакции происходит окислительное декарбоксилирование пирувата, в результате которого карбоксильная группа удаляется в виде СО₂, а ацетильная группа включается в состав ацетил-КоА. Один атом водорода оказывается в составе NADH, а другой в виде Н + поступает в среду. Реакция необратима, поскольку ΔG 0′ = -33,5 кДж/моль.

Превращение пирувата в ацетил-КоА включает 5 стадий (см. рисунок ниже).

Стадия I.На этой стадии пируват соединяется с ТПФ в составе Е₁ и подвергается декарбоксилированию. В результате двух реакций образуется производное ТДФ с гидроксиэтильной группой — гидроксиэтилтиаминпирофосфат.

Стадия П.Дигидролипоилтрансацетилаза (Е₂) катализирует перенос атома водорода и ацетильной группы от ТДФ на окисленную форму липоиллизиновых групп с образованием ацетилтиоэфира липоевой кислоты (ацитиллипоевая кислота).

Стадия III.На стадии III КоА взаимодействует с ацетильным производным Е₂, в результате чего образуются ацетил-КоА и полностью восстановленный липоильный остаток (дигидролипоевая кислота).

Стадия IV.На стадии IV дигидролипоилдегидрогеназа (Е₃) катализирует перенос атомов водорода от восстановленных липоильных групп на FAD — простетическую группу фермента Е₃.

Стадия V. На стадии V восстановленный FADH₂ передаёт водород на NAD + с образованием NADH+Н + .

Окислительное декарбоксилирование пирувата сопровождается образованием NADH+Н + , поставляющим электроны в дыхательную цепь и обеспечивающим синтез 3 молей АТФ на 1 моль пирувата путём окислительного фосфорилирования.

или упрощенная схема (учим по той, которая больше нравится):

Пируват окисляется до уксусной кислоты

Пировиноградная кислота (ПВК, пируват) является продуктом окисления глюкозы и некоторых аминокислот. Ее судьба различна в зависимости от доступности кислорода в клетке. В анаэробных условиях она восстанавливается до молочной кислоты. В аэробных условиях пируват симпортом с ионами Н + , движущимися по протонному градиенту, проникает в митохондрии. Здесь происходит его превращение до уксусной кислоты, переносчиком которой служит коэнзим А.

Пируватдегидрогеназный мульферментный комплекс

Суммарное уравнение отражает окислительное декарбоксилирование пирувата, восстановление НАД до НАДН и образование ацетил-SKoA.

Суммарное уравнение окисления пировиноградной кислоты

Превращение состоит из пяти последовательных реакций, осуществляется мультиферментным комплексом, прикрепленным к внутренней митохондриальной мембране со стороны матрикса. В составе комплекса насчитывают 3 фермента и 5 коферментов:

• Пируватдегидрогеназа (Е₁, ПВК-дегидрогеназа), ее коферментом является тиаминдифосфат (ТДФ), катализирует 1-ю реакцию.
• Дигидролипоат-ацетилтрансфераза (Е₂), ее коферментом является липоевая кислота, катализирует 2-ю и 3-ю реакции.
• Дигидролипоат-дегидрогеназа (Е₃), кофермент – ФАД, катализирует 4-ю и 5-ю реакции.

Помимо указанных коферментов, которые прочно связаны с соответствующими ферментами, в работе комплекса принимают участие коэнзим А и НАД.

Суть первых трех реакций сводится к декарбоксилированию пирувата (катализируется пируватдегидрогеназой, Е₁), окислению полученного гидроксиэтила до ацетила и переносу ацетила на коэнзим А (катализируется дигидролипоат-ацетилтрансферазой, Е₂).

Реакции синтеза ацетил-SКоА

Оставшиеся 2 реакции необходимы для возвращения липоевой кислоты и ФАД в окисленное состояние (катализируются дигидролипоат-дегидрогеназой, Е₃). При этом образуется НАДН.

Реакции образования НАДН

Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса

Регулируемым ферментом ПВК-дегидрогеназного комплекса является первый фермент – пируватдегидрогеназа (Е₁). Два вспомогательных фермента – киназа и фосфатаза обеспечивают регуляцию активности пируватдегидрогеназы путем ее фосфорилирования и дефосфорилирования.

Вспомогательный фермент киназа активируется при избытке конечного продукта биологического окисления АТФ и продуктов ПВК-дегидрогеназного комплекса – НАДН и ацетил-S-КоА . Активная киназа фосфорилирует пируватдегидрогеназу, инактивируя ее, в результате первая реакция процесса останавливается.

Фермент фосфатаза, активируясь ионами кальция или инсулином , отщепляет фосфат и активирует пируватдегидрогеназу.

Регуляция активности пируватдегидрогеназы

Таким образом, работа пируватдегидрогеназы подавляется при избытке в митохондрии (в клетке) ацетил-SКоА и НАДН, что позволяет снизить окисление пирувата и, следовательно, глюкозы в случае когда энергии достаточно.

Если АТФ мало или имеется влияние инсулина, то образуется ацетил-SКоА. Последний в зависимости от условий будет направляться либо в цикл трикарбоновых кислот с образованием энергии АТФ, либо на синтез холестерина и жирных кислот.

Лекционные материалы на тему: «Цикл трикарбоновых кислот»

Обращаем Ваше внимание, что в соответствии с Федеральным законом N 273-ФЗ «Об образовании в Российской Федерации» в организациях, осуществляющих образовательную деятельность, организовывается обучение и воспитание обучающихся с ОВЗ как совместно с другими обучающимися, так и в отдельных классах или группах.

«Актуальность создания школьных служб примирения/медиации в образовательных организациях»

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

ЦЕНТРАЛЬНЫЕ МЕТАБОЛИЧЕСКИЕ ПУТИ:
ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ ПИРУВАТА,
ЦИКЛ ТИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ

ЦЕНТРАЛЬНЫЕ МЕТАБОЛИЧЕСКИЕ ПУТИ

Основными поставщиками восстановленных субстратов являются центральные метаболические пути, а именно, окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты и цикл лимонной кислоты. Они локализованы в матриксе митохондрий, в ходе этих процессов происходят реакции декарбоксилирования (большая часть всей углекислоты, образующейся в клетках, образуется именно здесь). Кроме того, в ходе этих процессов происходят реакции дегидрирования субстратов, образуются восстановленные коферментные формы НАДН·Н + и ФАДН₂, водород которых поступает в дыхательную цепь внутренней мембраны митохондрий, где происходит его окисление кислородом до воды и синтез АТФ.

ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ ПИРУВАТА

Пировиноградная кислота (ПВК, пируват) является продуктом окисления глюкозы и некоторых аминокислот. Ее судьба различна в зависимости от доступности кислорода в клетке. В анаэробных условиях она восстанавливается до молочной кислоты. В аэробных условиях происходит ее окислительное декарбоксилирование до уксусной кислоты, переносчиком которой служит коэнзим А.

Суммарное уравнение реакции отражает декарбоксилирование пирувата, восстановление НАД до НАДН Н + и образование ацетил-SKoA.

Окислительное декарбоксилирование пирувата состоит из пяти последовательных реакций и осуществляется при участии набора ферментов, объединенных в пируватдегидрогеназный комплекс (ПВДГК). Это мультиферментная система, которая включает 3 фермента и 5 коферментов (все они являются водорастворимыми витаминами).

Е1 — пируватдекарбоксилаза. Коферментом является активная форма витамина В1, тиамина — ТПФ (тиаминпирофосфат).

Е2 — дигидролипоилацетилтрансфераза. Коферментом является витаминоподобное вещество — липоевая кислота (липоил), которая может временно превращаться в дигидролипоил, присоединив 2 атома водорода. Липоил может также переносить ацетильные остатки.

С этим ферментом также работает активная форма пантотеновой кислоты — КоА-SH, которая принимает ацетильный остаток от липоевой кислоты.

Е3 — дигидролипоилдегидрогеназа. Коферментом является ФАД — активная форма витамина В2, рибофлавина. С работой этого фермента связан также кофермент НАД + — активная форма витамина РР, никотиновой кислоты.

Суть первых трех реакций сводится к декарбоксилированию пирувата (катализируется Е1), окислению пирувата до ацетила и переносу ацетила на коэнзим А (катализируется Е2).

Оставшиеся 2 реакции необходимы для возвращения липоевой кислоты и ФАД в окисленное состояние (катализируются Е3). При этом образуется

Таким образом, в результате образуются конечные продукты — СО₂, атомы водорода для дыхательной цепи в составе НАДН·Н + и макроэргическое соединение ацетил- S КоА.

Лимитирующей реакцией в этом процессе является пируватдекарбоксилазная реакция. Поскольку фермент
Е1- пируватдекарбоксилаза в качестве кофермента использует ТПФ, при недостатке тиамина в пище нарушается окисление пирувата — процесса, который поставляет клеткам энергию. Возникает энергодефицит, что требует коррекции нарушения метаболизма с помощью тиамина. Схема регуляции работы пиуватдегидогеназного комплекса предствалена на рисунке (слайде).

ЛИМОННОКИСЛЫЙ ЦИКЛ КРЕБСА,

ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ (ЦТК)

Цикл лимонной кислоты локализован в матриксе митохондрий. Это циклический процесс из восьми последовательных реакций, в результате которых происходит декарбоксилирование и дегидрирование ацетил-КоА (универсального клеточного топлива).

Цикл начинается с конденсации ацетил-КоА с 4-углеродной кетокислотой — щавелевоуксусной (ЩУК). В результате образуется трикарбоновая кислота – лимонная, или цитрат. Изомеризация цитрата ведет к образованию изоцитрата. В ходе последовательных реакций изоцитрат де-карбоксилируется и одновременно дегидрируется (фермент изоцитратДГ). Образовавшийся альфа-кетоглутарат также декарбоксилируется и дегидрируется. Образовавшийся макроэрг сукцинил-КоА служит источником энергии для синтеза АТФ (субстратное фосфорилирование в цикле Кребса). В результате еще двух дегидрирований (ферменты сукцинатДГ и малатДГ) ЩУК регенерирует и запускает новый оборот цикла Кребса.

Таким образом, наряду с конечным продуктом обмена — СО₂, в четырех дегидрогеназных реакциях трижды восстанавливается НАД+ (изоцитратДГ, альфа-кетоглутаратДГ, малатДГ) и один раз восстанавливается ФАД (сукцинатДГ). Чтобы цикл мог функционировать, необходимо окислить эти коферменты, т. е. передать атомы водорода в дыхательную цепь, где происходит их окисление кислородом до воды.

Функции цикла Кребса

1. Интегративная функция. Цикл Кребса является связующим звеном между реакциями катаболизма и анаболизма.

2. Катаболическая функция. В ходе ЦТК окисляются до конечных продуктов обмена ацетильные остатки, образовавшиеся из топливных молекул (глюкоза, жирные кислоты, глицерол, аминокислоты).

3. Анаболическая функция. Субстраты ЦТК являются основой для синтеза многих молекул (кетокислоты — α-кетоглутарат и ЩУК — могут превращаться в аминокислоты глутамин и аспарагин; ЩУК может превращаться в глюкозу, сукцинил-КоА используется на синтез гема).

4. Водороддонорная функция. Цикл Кребса поставляет субстраты для дыхательной цепи (НАД-зависимые субстраты: изоцитрат, альфа-кетоглутарат, малат; ФАД-зависимый субстрат – сукцинат).

5. Энергетическая функция. На уровне сукцинил-КоА происходит субстратное фосфорилирование с образованием 1 молекулы макроэрга. Помимо этого, 4 дегидрогеназные реакции в цикле Кребса создают мощный поток электронов, богатых энергией. Эти электроны поступают в дыхательную цепь внутренней мембраны митохондрий. Конечным акцептором электронов является кислород. При последовательном переносе электронов на кислород выделяется энергия, достаточная для образования 9 молекул АТФ путем окислительного фосфорилирования.

Несмотря на постоянную убыль субстратов в результате анаболической функции, цикл Кребса не прерывается благодаря анаплеротическим реакциям, которые пополняют фонд его субстратов. Важнейшей анаплеротической реакцией является образование ЩУК (молекулы, запускающей цикл) путем карбоксилирования ПВК.

1. Главным и основным регулятором ЦТК является доступность оксалоацетата. Наличие оксалоацетата вовлекает в ЦТК ацетил-SКоА и запускает процесс.

В клетке имеется баланс между образованием ацетил-SКоА (из глюкозы, жирных кислот или аминокислот) и количеством оксалоацетата. Источником оксалоацетата является синтез из пирувата (анаплеротическая или пополняющая реакция), поступление из фруктовых кислот самого ЦТК (яблочной, лимонной), образование из аспарагиновой кислоты.

2. Ферменты ЦТК являются чувствительными к аллостерической регуляции метаболитами.

Например, первый фермент цитратсинтаза ингибируется АТФ, жирными кислотами. Лимитирующим ферментом (катализирует самую медленную реакцию) является изоцитратДГ. Он активируется АДФ, НАД+, ингибируется АТФ, НАДН·Н+. Когда в клетке достаточно АТФ (покой), скорость цикла снижается, при распаде же АТФ образуется АДФ, который активирует самую медленную реакцию и, следовательно, скорость всего цикла в целом.