Топик к лекции

РЕГУЛЯЦИЯ КАТАБОЛИЗМА ГЛЮКОЗЫ

(РЕГУЛЯЦИЯ ГЛИКОЛИЗА, ЦИКЛА КРЕБСА, ЭТЦ).

ПОЛНЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС ОДНОЙ МОЛЕКУЛЫ ГЛЮКОЗЫ

Глюкоза играет главную роль в метаболизме, так как именно она является основным источником энергии. В процессе катаболизма глюкозы высвобождается энергия для синтеза АТФ, следовательно, катаболизм глюкозы - основной поставщик энергии для процессов жизнедеятельности организма.

Катаболизм глюкозы осуществляется двумя основными путями: аэробным и анаэробным.

АЭРОБНЫЙ РАСПАД ГЛЮКОЗЫ Аэробный распад глюкозы можно выразить суммарным уравнением: С6Н12О6 + 6О2 → 6СО2 + Н2О + 2880 кДж/моль. Этот процесс включает несколько стадий: 1. Аэробный гликолиз - процесс окисления глюкозы с образованием двух молекул пирувата; 2. Общий путь катаболизма, включающий превращение пирувата в ацетил-КоА и его дальнейшее окисление в цитратом цикле; 3. Цепь переноса электронов на кислород, сопряжённая с реакциями дегидрирования, происходящими в процессе распада глюкозы. 1. Аэробный гликолиз

Реакции аэробного гликолиза

Аэробным гликолизом называют процесс окисления глюкозы до пировиноградной кислоты, протекающий в присутствии кислорода. Все ферменты, катализирующие реакции этого процесса, локализованы в цитозоле клетки. Глюкозо-6-фосфат, образованный в результате фосфорилирования глюкозы с участием АТФ, в ходе следующей реакции превращается в фруктозо-6-фосфат. Эта обратимая реакция изомеризации протекает под действием фермента глюкозофосфатизомеразы. Затем следует ещё одна реакция фосфорилирования с использованием фосфатного остатка и энергии АТФ. В ходе этой реакции, катализируемой фосфофруктокиназой, фруктозо-6-фосфат превращается в фруктозо-1,6-бисфосфат. Данная реакция, так же, как гексокиназная, практически необратима, и, кроме того, она наиболее медленная из всех реакций гликолиза. Реакция, катализируемая фосфофруктокиназой, определяет скорость всего гликолиза, поэтому, регулируя активность фосфофруктокиназы, можно изменять скорость катаболизма глюкозы. Фруктозо-1,6-бисфосфат далее расщепляется на 2 триозофосфата: глицеральдегид-3-фосфат и дигидроксиацетонфосфат. Реакцию катализирует фермент

1

фруктозобисфосфатальдолаза, или просто альдолаза. Этот фермент катализирует как реакцию альдольного расщепления, так и альдольной конденсации, т.е. обратимую реакцию. Продукты реакции альдольного расщепления - изомеры. В последующих реакциях гликолиза используется только глицеральдегид-3-фосфат, поэтому дигидроксиацетонфосфат превращается с участием фермента триозофосфатизомеразы в глицероальдегид-3-фосфат. Эта часть аэробного гликолиза включает реакции, связанные с синтезом АТФ. Наиболее сложной в данной серии реакций является реакция превращения глицеральдегид-3-фосфата в 1,3-бисфосфоглицерат. Это превращение - первая реакция окисления в ходе гликолиза. Реакцию катализирует глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа, которая является NAD-зависимым ферментом. Значение данной реакции заключается не только в том, что образуется восстановленный кофермент, окисление которого в дыхательной цепи сопряжено с синтезом АТФ, но также и в том, что свободная энергия окисления концентрируется в макроэргической связи продукта реакции. В следующей реакции высокоэнергетический фосфат передаётся на АДФ с образованием АТФ. Фермент, катализирующий это превращение, назван по обратной реакции фосфоглицераткиназой (киназы называются по субстрату, находящемуся в уравнении реакции по одну сторону с АТФ). Образование АТФ описанным способом не связано с дыхательной цепью, и его называют субстратным фосфорилированием АДФ. Образованный 3-фосфоглицерат уже не содержит макроэргической связи. В следующих реакциях происходят внутримолекулярные перестройки, смысл которых сводится к тому, что низкоэнергетический фосфоэфир переходит в соединение, содержащее высокоэнергетический фосфат. Внутримолекулярные преобразования заключаются в переносе фосфатного остатка из положения 3 в фосфоглицерате в положение 2. Затем от образовавшегося 2-фосфоглицерата отщепляется молекула воды при участии фермента енолазы. Название дегидратирующего фермента дано по обратной реакции. В результате реакции образуется замещённый енол - фосфоенолпируват. Образованный фосфоенолпируват - макроэргическое соединение, фосфатная группа которого переносится в следующей реакции на АДФ при участии пируваткиназы (фермент также назван по обратной реакции, в которой происходит фосфорилирование пирувата, хотя подобная реакция в таком виде не имеет места). Превращение фосфоенолпирувата в пируват - необратимая реакция. Это вторая в ходе гликолиза реакция субстратного фосфорилирования. Образующаяся енольная форма пирувата затем неферментативно переходит в более термодинамически стабильную кетоформу.

Выход АТФ при аэробном гликолизе На образование фруктозо-1,6-бисфосфата из одной молекулы глюкозы требуется 2 молекулы АТФ (реакции 1 и 3). Реакции, связанные с синтезом АТФ, происходят после распада глюкозы на 2 молекулы фосфотриозы, т.е. на втором этапе гликолиза. На этом этапе происходят 2 реакции субстратного фосфорилирования и синтезируются 2 молекулы АТФ (реакции 7 и 10). Кроме того, одна молекула глицеральдегид-3-фосфата дегидрируется (реакция 6), a NADH передаёт водород в митохондриальную ЭТЦ. Однако сам цитозольный NADH не способен передавать водород на дыхательную цепь, потому что митохондриальная мембрана для него непроницаема. Перенос водорода через мембрану происходит с помощью специальных систем, называемых "челночными". В этих системах водород транспортируется через мембрану при участии пар субстратов, связанных

2

соответствующими дегидрогеназами, т.е. с обеих сторон митохондриальной мембраны находится специфическая дегидрогеназа. Известны 2 челночные системы. В первой из этих систем водород от NADH в цитозоле передаётся на дигидроксиацетонфосфат ферментом глицерол-3-фосфатдегидрогеназой (NAD-зависимый фермент, назван по обратной реакции). Образованный в ходе этой реакции глицерол-3-фосфат, окисляется далее ферментом внутренней мембраны митохондрий - глицерол-3-фосфатдегидрогеназой (FAD-зависимым ферментом). Затем протоны и электроны с FADH2 переходят на убихинон и далее по ЭТЦ.

Рис.1. Глицерофосфатная челночная система. 1 - глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа; 2 - глицерол-3-фосфатдегидрогеназа (цитозольный фермент, назван по обратной реакции); 3 - глицерол-3-фосфатдегидрогеназа (митохондриальныи флавиновый фермент).(Северин, 2003) Вторая челночная система, в которой участвуют малат, цитозольная и митоховдриальная малат-дегидрогеназы, является более универсальной. В цитоплазме NADH восстанавливает оксалоацетат в малат (реакция 1), который при участии переносчика проходит в митохондрии, где окисляется в оксалоацетат NAD-зависимой малатдегидрогеназой (реакция 2). Восстановленный в ходе этой реакции NAD отдаёт водород в митохондриальную ЭТЦ. Однако образованный из малата оксалоацетат выйти самостоятельно из митохондрий в цитозоль не может, так как мембрана митохондрий для него непроницаема. Поэтому оксалоацетат превращается в аспартат, который и транспортируется в цитозоль, где снова превращается в оксалоацетат. Превращения оксалоацетата в аспартат и обратно связаны с присоединением и отщеплением аминогруппы. Эта челночная система называется малат-аспартатной. Результат её работы - регенерация цитоплазматического NAD+ из NADH.

3

Рис.2. Малат-аспартатная челночная система. 1,2 - окислительно-восстановительные реакции, обеспечивающие транспорт водорода из цитозоля в митохондрии на ЦПЭ; 3,4 - транслоказы, обеспечивающие транспорт а-кетоглутарата, аспартата и глутамата и через мембрану митохондрий.(Северин, 2003) Обе челночные системы существенно отличаются по количеству синтезированного АТФ. В первой системе соотношение Р/О равно 2, так как водород вводится в ЦПЭ на уровне KoQ. Вторая система энергетически более эффективна, так как передаёт водород в ЦПЭ через митохондриальный NAD+ и соотношение Р/О близко к 3.

Регуляция гликолиза I. Аллостерическая регуляция гликолиза

Поскольку основное значение гликолиза состоит в синтезе АТФ, его скорость должна коррелировать с затратами энергии в организме. Большинство реакций гликолиза обратимы, за исключением трёх, катализируемых гексокиназой (или глюкокиназой), фосфофруктокиназой и пируваткиназой. Регуляторные факторы, изменяющие скорость гликолиза, а значит и образование АТФ, направлены на необратимые реакции. Показателем потребления АТФ является накопление АДФ и АМФ. Последний образуется в реакции, катализируемой аденилаткиназой: 2 АДФ ↔ АМФ + АТФ. Даже небольшой расход АТФ ведёт к заметному увеличению АМФ. Отношение уровня АТФ к АДФ и АМФ характеризует энергетический статус клетки, а его составляющие служат аллостерическими регуляторами скорости как общего пути катаболизма, так и гликолиза. Существенное значение для регуляции гликолиза имеет изменение активности фосфофруктокиназы, потому что этот фермент, как упоминалось ранее, катализирует наиболее медленную реакцию процесса. Фосфофруктокиназа активируется АМФ, но ингибируется АТФ. АМФ, связываясь с аллостерическим центром фосфофруктокиназы, увеличивает сродство фермента к фруктозо-6-фосфату и повышает скорость его фосфорилирования. АТФ может взаимодействовать как с аллостерическим, так и с активным центром, в последнем случае как субстрат. При физиологических значениях АТФ активный центр фосфофруктокиназы всегда насыщен субстратами (в том числе АТФ). Повышение уровня АТФ относительно АДФ снижает скорость реакции, поскольку АТФ в этих условиях действует как ингибитор: связывается с аллостерическим центром фермента, вызывает конформационные изменения и уменьшает сродство к его субстратам. Изменение активности фосфофруктокиназы способствует регуляции скорости фосфорилирования глюкозы гексокиназой. Снижение активности фосфофруктокиназы при высоком уровне АТФ ведёт к накоплению как фруктозо-6-фосфата, так и глюкозо-6-фосфата, а последний ингибирует гексокиназу. Следует напомнить, что гексокиназа во многих тканях (за исключением печени и β-клеток поджелудочной железы) ингибируется глюкозо-6-фосфатом.

4

II. Регуляция скорости реакции гликолиза и глюконеогенеза, составляющих субстратные циклы

"Субстратные" циклы - парные комбинации процессов синтеза и распада метаболитов. Название "субстратный цикл" означает объединение реакций синтеза и распада субстрата. Изменение в печени гликолитического направления на глюконеогенез и обратно при смене абсорбтивного состояния на постабсорбтивное или при голодании происходит главным образом в результате регуляции активности ферментов, катализирующих реакции субстратных циклов.

Направление реакции первого субстратного цикла регулируется главным образом концентрацией глюкозы. При пищеварении концентрация глюкозы в крови повышается (до 8-10 ммоль/л). Активность глюкокиназы в этих условиях максимальна. Вследствие этого ускоряется гликолитическая реакция образования глюкозо-6-фосфата. Кроме того, инсулин индуцирует синтез глюкокиназы и ускоряет тем самым фосфорилирование глюкозы. Поскольку глюкокиназа печени не ингибируется глюкозо-6-фосфатом (в отличие от гексокиназы мышц), то основная часть глюкозо-6-фосфата в абсорбтивном периоде направляется на синтез гликогена и по гликолитическому пути.

Направление реакций второго субстратного цикла зависит от активности фосфофруктокиназы и фосфатазы фруктозо-1,6-бисфосфата. Активность этих ферментов зависит от концентрации фруктозо-2,6-бисфосфата. Фруктозо-2,6-бисфосфат - метаболит, образующийся в незначительных количествах из фруктозо-6-фосфата и выполняющий только регуляторные функции. Образование фруктозо-2,6-бисфосфата путём фосфорилирования фруктозо-6-фосфата катализирует бифункциональный фермент (БИФ), который катализирует также и обратную реакцию. Однако превращения не являются обратимыми процессами. Образование фруктозо-2,6-бисфосфата требует затрат АТФ, а при образовании фруктозо-6-фосфата из фруктозо-2,6-бисфосфата гидролитически отщепляется неорганический фосфат.

В реакции фосфорилирования фруктозо-6-фосфата фермент БИФ проявляет киназную активность, а при дефосфорилировании образованного фруктозо-2,6-бисфосфата - фосфатазную. Это обстоятельство и определило название фермента "бифункциональный".

Киназная активность БИФ проявляется, когда фермент находится в дефосфорилированной форме (БИФ-ОН). Дефосфорилированная форма БИФ характерна для абсорбтивного периода, когда инсулин/глюкагоновый индекс высокий. В этот период количество фруктозо-2,6-бисфосфата увеличивается.

При низком инсулинглюкагоновом индексе, характерном для периода длительного голодания, происходит фосфорилирование БИФ, и он функционирует как фосфатаза. Результат - снижение количества фруктозо-2,6-бисфосфата.

Киназную и фосфатазную реакции катализируют разные активные центры БИФ, но в каждом из двух состояний фермента (фосфорилированном и дефосфорилированном) один из активных центров ингибирован. Регуляторное влияние фруктозо-2,6-бисфосфата заключается в том, что он аллостерически активирует фосфофруктокиназу (фермент гликолиза). При этом фруктозо-2,6-бисфосфат снижает ингибирующее действие АТФ на этот фермент в абсорбтивном периоде и повышает его сродство к фруктозо-6-фосфату. В то же время фруктозо-2,6-бисфосфат ингибирует фруктозо-1,6-бисфосфатазу (фермент

5

глюконеогенеза). Итак, в абсорбтивном периоде уровень фруктозо-2,6-бисфосфата повышается, что приводит к активации фосфофруктокиназы и ускорению гликолиза.

Результатом уменьшения количества фруктозо-2,6-бисфосфата в постабсорбтивном периоде будет снижение активности фосфофруктокиназы, замедление гликолиза и переключение гликолиза на глюконеогенез.

А

Б

Рис.3. Реакции, катализируемые бифункциональным ферментом (БИФ) в печени (А). Регуляция активности БИФ (Б). (ПКА – протеинкиназа А; ФП - фосфопротеинфосфатаза) (По Северину, 2003)

Рис.4. Регуляция реакций II субстратного цикла фруктозо-2,6-бисфосфатом (По Северину, 2003)

В регуляции третьего субстратного цикла основная роль принадлежит пируваткиназе, фосфорилированная форма которой неактивна, а дефосфорилированная - активна (рис.5).

гликоли глюконеогене

Рис.5. Регуляция пируваткиназы в печени (По Северину, 2003)

6

В период пищеварения инсулин активирует фосфопротеинфосфатазу, которая дефосфорилирует пируваткиназу, переводя её в активное состояние. Кроме того, инсулин в печени влияет на количество ферментов, индуцируя синтез пируваткиназы и репрессируя синтез фосфоенолпируваткарбоксикиназы (фермент глюконеогенеза). Следовательно, гликолитическая реакция фосфоенолпируват → пируват ускоряется при пищеварении. Эта же реакция замедляется в постабсорбтивном состоянии под влиянием глюкагона, который опосредованно через цАМФ-зависимую протеинкиназу фосфорилирует и инактивирует пируваткиназу.

Координация скорости реакции II и III субстратных циклов достигается с помощью фруктозо-1,6-бисфосфата - продукта II субстратного цикла (гликолитическое направление), который является аллостерическим активатором пируваткиназы. В период пищеварения вследствие ускорения начальных стадий гликолиза концентрация фруктозо-1,6-бисфосфата повышается, что приводит к дополнительной активации пируваткиназы.

Необходимо отметить, что противоположные реакции каждого из субстратных циклов могут протекать одновременно. Соответственно, гликолиз и глюконеогенез в печени в какой-то мере тоже могут происходить одновременно, хотя их относительные скорости изменяются. Так, при пищеварении преобладает гликолитическое направление, а в постабсорбтивном состоянии - направление глюконеогенеза. 2. 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+ (рис.6).

Рис.6. Транспорт пирувата через митохондриальную мембрану (Северин, 2003)

Превращение пирувата в ацетил-КоА описывают следующим суммарным уравнением:

СН3-СО-СООН + NAD+ + HSKoA → 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.

7

Главные продукты реакции — это NADH+H+ и ацетил—КоА. NADH+H+ далее окисляется в дыхательной цепи, где энергия используется на синтез 3 моль АТР, а ацетил—КоА окисляется в цитратном цикле.

Строение пируватдегидрогеназного комплекса

Процесс окислительного декарбоксилирования пирувата катализирует сложнооргани-зованный пируватдегидрогеназный комплекс. В пируватдегидрогеназный комплекс (ПДК) входят 3 фермента: пируватдекарбоксилаза (Е1), дигидролипоилтрансацетилаза (Е2) и дигидролипоилдегидрогеназа (Е3), а также 5 коферментов: тиаминдифосфат (ТДФ), липоевая кислота,. FAD, NAD+ и КоА. Кроме того, в состав комплекса входят регуляторные субъединицы: протеинкиназа и фосфопротеинфосфатаза (табл.1).

Таблица 1. Пируватдегидрогеназный комплекс (ПДК) млекопитающих (По Северину, 2003)

Фермент Число мономеров Кофермент Витамин

1. Пируватдекарбоксилаза (пируватдегидрогеназа)

E1 120 (30 тетрамеров) ТДФ BB1

Липоамид Липоевая кислота (ЛК)

2. Дигидролипоилтрансацетилаза Е2 180 (60 тримеров)

KoA Пантотеновая кислота

3. Дигидролипоилдегидрогеназа Е3 12 (6 димеров) FAD NAD+

В2 РР

Все эти ферменты и коферменты объединены в мультиферментную систему, содержащую разные количества каждого из ферментов и имеющую молекулярную массу более 6×106.

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 ТДФ, 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.

Окислительное декарбоксилирование пирувата

Превращение пирувата в ацетил-КоА включает 5 стадий (рис.7).

• Стадия I. На этой стадии пируват соединяется с ТДФ в составе Е1 и подвергается декарбоксилированию

Пируват + Е1-ТДФ → Гидроксиэтил-ТДФ + CO2

8

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

• Стадия III. На стадии III КоА взаимодействует с ацетильным производным Е2, в результате чего образуются ацетил-КоА и полностью восстановленный липоильный остаток, простетическая группа Е2

• 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.

Пируватдегидрогеназный комплекс характеризуется большим отрицательным окислительно-восстановительным потенциалом, который обеспечивает наряду с восстановлением кофермента (NADH) 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, или шаперонов, предотвращающих их преждевременный фолдинг до поступления в митохондриальный матрикс или внутреннюю мембрану митохондрий.

Рис.7. Последовательность реакций, катализируемых ПДК. I - Е1 катализирует декарбоксилирование пирувата и перенос С2-фрагмента на ТДФ; II - Е2 катализирует окисление гидроксиэтильной группы и перенос С2-фрагмента на липоевую кислоту (ЛК); III - ацетилированная дигидролипоилтрансацетилаза взаимодействует с КоА с образованием восстановленной формы липоевой кислоты и ацетил-КоА; IV - окисленная форма трансацетилазы регенерируется при умастии E3;V - окисленная форма Е3 регенерируется при участии NAD+. (Северин, 2003)

9

Энергетический баланс и регуляция окислительного декарбоксилирования пирувата

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

Активность пируватдегидрогеназного комплекса регулируется различными способами: доступностью субстратов, ингибированием продуктами реакции, аллостерически и путём ковалентной модификации.

Ковалентная модификация ПДК осуществляется фосфорилированием и дефосфорилированием. В состав ПДК входят 2 регуляторных субъединицы. Одна из них, киназа ПДК, фосфорилирует ПДК в определённых участках по остаткам серина. При фосфорилировании ПДК инактивируется. Другая регуляторная субъединица, фосфатаза, дефосфорилирует фермент, превращая его в активную форму (рис.8).

Рис.8. Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса. ПДК аллостерически активируется АДФ, NAD+, КоА, Са2+ и пируватом; ацетил-КоА, NADH и АТФ активируют киназу и ингибируют ПДК. Фосфатаза активируется Са2+. (По Северину, 2003)

При повышении концентрации АДФ ПДК находится в нефосфорилированной активной форме. Этот эффект усиливается в некоторых клетках при повышении концентрации внутриклеточного Са2+, который активирует фосфатазу ПДК. Такой механизм активации ПДК особенно важен в мышцах и жировой ткани.

Продукты пируватдегидрогеназной реакции (ацетил-КоА и NADH) аллостерически активируют киназу ПДК. Активированная киназа фосфорилирует и инактивирует ПДК. Таким образом, при накоплении NADH и ацетил-КоА тормозится превращение пирувата в ацетил-КоА. Такая ситуация создаётся, например, в печени при голодании: из жировых депо в печень поступают жирные кислоты, из которых образуется ацетил-КоА. В присутствии высокомолекулярных жирных кислот ингибирование ПДК усиливается. Пируват при этом не окисляется и может быть использован для синтеза глюкозы.

Пируват аллостерически активирует нефосфорилированную форму ПДК, действуя согласованно с другими субстратами - NAD+ и КоА. Активация ПДК происходит также под влиянием инсулина. Один из эффектов инсулина - повышение концентрации внутримитохондриального Са2+. При повышении концентрации Са2+ ПДК активируется. Этот механизм особенно важен в жировой ткани, где ацетил-КоА необходим для синтеза жирных кислот. В клетках миокарда ПДК активируется адреналином, однако это влияние адреналина не связано с изменением концентрации цАМФ.

10

3. Цикл Кребса

Цикл лимонной кислоты (цитратный цикл, цикл Кребса, цикл трикарбоновых кислот, ЦТК) - заключительный этап катаболизма, в котором углерод ацетильного остатка ацетил-КоА окисляется до 2 молекул СО2. Все реакции цитратного цикла, как и окислительного декарбоксилирования пирувата, локализованы в митохондриях. В ходе одного полного цикла происходит:

• полное окисление ацетильного остатка до двух молекул СО2; • образование трех молекул восстановленного NAD+ и одной молекулы FADH2; • образование одной молекулы GTP в результате субстратного фосфорилирования.

Связь между атомами углерода в ацетил-КоА устойчива к окислению. В условиях организма окисление ацетильного остатка происходит в несколько этапов, образующих циклический процесс из 8 реакций (рис9).

1

32

4

5

678

3 NADH1FADH2

Рис.9. Общая схема цитратного цикла. Цифры 1-8 обозначают реакции цитратного цикла. Цикл начинается с того, что ацетильный остаток конденсируется с оксалоацетатом, в результате чего образуется шестиуглеродное соединение - цитрат. На образование цитрата в каждом обороте цикла расходуется одна молекула оксалоацетата; в результате завершения цикла происходит регенерация оксалоацетата. Таким образом, одна молекула оксалоацетата может многократно использоваться для окисления ацетильных остатков.

Последовательность реакций цитратного цикла (рис.8)

1. Образование цитрата

В реакции образования цитрата углеродный атом метильной труппы ацетил-КоА связывается с карбонильной группой оксалоацетата; одновременно расщепляется тиоэфирная связь и освобождается коэнзим A (ΔG0' = -37,6 кДж/моль). Равновесие реакции в клетке сильно сдвинуто вправо, о чём свидетельствует отрицательная величина

11

стандартной свободной энергии. Реакция сопровождается потерей большого количества энергии в виде теплоты. Катализирует реакцию цитрат синтаза, фермент, локализованный в матриксе митохондрий.

2. Превращение цитрата в изоцитрат

Вторая реакция цитратного цикла - обратимое превращение цитрата в изоцитрат. Фермент, катализирующий эту реакцию, назван аконитазой по промежуточному продукту, цис-аконитовой кислоте, которая предположительно образуется в реакции. Однако это соединение не обнаруживается в свободном виде, так как не отделяется от активного центра фермента до завершения реакции.

3. Окислительное декарбоксилирование изоцитрата

Эту реакцию катализирует изоцитратдегидрогеназа. Существуют 2 формы изоцитратдегидрогеназы: одна содержит в качестве коферментa NAD+, вторая - NADP+. NAD-зависимый фермент локализован в митохондриях и участвует в ЦТК; NADP-зависимый фермент, присутствующий и в митохондриях, и в цитоплазме, играет иную метаболическую роль. В результате действия этого фермента на изоцитрат образуется α-кетоглутарат. Реакция, катализируемая NAD-зависимой изоцитратдегидрогеназой, - самая медленная реакция цитратного цикла. АДФ - аллостерический активатор фермента.

4. Окислительное декарбоксилирование α-кетоглутарата

В этой реакции α-кетоглутарат подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием в качестве конечных продуктов сукцинил-КоА, СО2 и NADH + Н+. В результате этой реакции образуется сукцинил-КоА. Реакцию катализирует α-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс, который по структуре и функциям сходен с пируватдегидрогеназным комплексом (ПДК). Подобно ПДК, он состоит из 3 ферментов: α-кетоглутаратдекарбоксилазы, дигидролипоилтранссукцинилазы и дигидролипоилдегидрогеназы. Кроме того, в этот ферментный комплекс входят 5 коферментов: тиаминдифосфат, кофермент А, липоевая кислота, NAD+ и FAD. Существенное отличие этой ферментной системы от ПДК - то, что она не имеет сложного механизма регуляции, какой характерен для ПДК. В частности, в этом комплексе отсутствуют регуляторные субъединицы. Равновесие реакции окислительного декарбоксилирования α-кетоглутарата сильно сдвинуто в сторону образования сукцинил-КоА, и её можно считать однонаправленной.

5. Превращение сукцинил-КоА в сукцинат

Сукцинил-КоА - высокоэнергетическое соединение. Изменение свободной энергии гидролиза этого тиоэфира составляет ΔG0'= -35,7 кДж/моль. В митохондриях разрыв тиоэфирной связи сукцинил-КоА сопряжён с реакцией фосфорилирования гуанозиндифосфата (ГДФ) до гуанозинтрифосфата (ГТФ).

Сукцинил-КоА → Сукцинат (ΔG0 = -10,36 кДж/моль).

Эту сопряжённую реакцию катализирует сукцинаттиокиназа. Промежуточный этап реакции - фосфорилирование молекулы фермента по одному из гистидиновых остатков активного центра. Затем остаток фосфорной кислоты присоединяется к ГДФ с образованием ГТФ. С ГТФ концевая фосфатная группа может переноситься на АДФ с образованием АТФ; эту обратимую реакцию катализирует нуклеозид-дифосфаткиназа.

12

ГТФ + АДФ ↔ ГДФ + АТФ.

Образование высокоэнергетической фосфо-ангидридной связи за счёт энергии субстрата (сукцинил-КоА) - пример субстратного фосфорилирования.

6. Дегидрирование сукцината

Образовавшийся на предыдущем этапе сукцинат превращается в фумарат под действием сукцинатдегидрогеназы. Этот фермент - флавопротеин, молекула которого содержит прочно связанный кофермент FAD. Сукцинат дегидрогеназа прочно связана с внутренней митохондриальной мембраной. Она состоит из 2 субъединиц, одна из которых связана с FAD. Кроме того, обе субъединицы содержат железо-серные центры; одна - Fe2S2, a другая - Fe4S4. В железо-серных центрах атомы железа меняют свою валентность, участвуя в транспорте электронов.

7. Образование малата из фумарата

Образование малата происходит при участии фермента фумаратгидратазы. Этот фермент более известен как фумараза. Фумараза - олигомерный белок, состоящий из 4 идентичных полипептидных цепей. Он расположен в матриксе митохондрий. Фумаразу относят к ферментам с абсолютной субстратной специфичностью: она катализирует гидратацию только транс-формы фумарата.

8. Дегидрирование малата

В заключительной стадии цитратного цикла малат дегидрируется с образованием оксалоацетата. Реакцию катализирует NAD-зависимая малатдегидрогеназа, содержащаяся в матриксе митохондрий. Равновесие малатдегидрогеназной реакции сильно сдвинуто влево. Тем не менее, в интактных клетках эта реакция идёт слева направо, потому что продукт реакции, оксалоацетат, активно используется в цитратсинтазной реакции. В цитозоле содержится изоформа малатдегидрогеназы, также NAD-зависимая, но не принимающая участие в цитратном цикле. Обе изоформы малатдегидрогеназы - димеры.

Энергетический баланс цикла Кребса

В 4 реакциях цитратного цикла происходит дегидрирование с образованием восстановленных коферментов: 3 молекул NADH+H+ и 1 молекулы FADH2.

Восстановленные коферменты (3 молекулы NADH и 1 молекула FADH2), образованные в цикле лимонной кислоты, отдают электроны в ЭТЦ на кислород - конечный акцептор электронов.

На каждую молекулу NADH при образовании молекулы воды в процессе тканевого дыхания синтезируются 3 молекулы АТФ, а на каждую молекулу FADH2 - 2 молекулы АТФ.

Таким образом, каждый оборот цикла лимонной кислоты сопровождается синтезом 11 молекул АТФ путём окислительного фосфорилирования. Одна молекула АТФ образуется путём субстратного фосфорилирования. В итоге на каждый ацетильный остаток, включённый в цитратный цикл, образуется 12 молекул АТФ.

13

Регуляция цикла Кребса (рис.10)

В большинстве случаев скорость реакций в метаболических циклах определяется их начальными реакциями. В ЦТК важнейшая регуляторная реакция - образование цитрата из оксалоацетата и ацетил-КоА, катализируемая цитратсинтазой. Эта реакция ускоряется при повышении концентрации оксалоацетата - субстрата реакции и тормозится продуктом реакции - цитратом. Когда отношение NADH/NAD+ снижается, скорость окисления маната в оксалоацетат возрастает. Повышение концентрации оксалоацетата ускоряет цитратсинтазную реакцию. Скорость реакции снижается при повышении концентрации АТФ, сукцинил-КоА и длинноцепочечных жирных кислот. Однако точный механизм влияния этих метаболитов на цитратсинтазу недостаточно ясен.

Изоцитратдегидрогеназа, олигомерный фермент, состоит из 8 субъединиц. Присоединение изоцитрата к первой субъединице вызывает кооперативное изменение конформации других, увеличивая скорость присоединения субстрата. Фермент аллостерически активируется АДФ и Са2+, которые присоединяются к ферменту в разных аллостерических центрах. В присутствии АДФ конформация всех субъединиц меняется таким образом, что связывание изоцитрата происходит значительно быстрее. Таким образом, при концентрации изоцитрата, которая существует в митохондриальном матриксе, небольшие изменения концентрации АДФ могут вызвать значительное изменение скорости реакции. Увеличение активности изоцитратдегидрогеназы снижает концентрацию цитрата, что, в свою очередь, уменьшает ингибирование цитратсинтазы продуктом реакции. При повышении концентрации NADH активность фермента снижается.

α-Кетоглутаратдегидрогеназный комплекс, имеющий сходное строение с пируватдегидрогеназным, в отличие от последнего, не имеет в своём составе регуляторных субъединиц. Главный механизм регуляции α-кетоглутаратдегидрогеназного комплекса - ингибирование реакции NADH и сукцинил-КоА.

α-Кетоглутаратдегидрогеназный комплекс, как и изоцитратдегидрогеназа, активируется Са2+, а при повышении концентрации АТФ скорости обеих реакций снижаются.

В регуляции цитратного цикла существует множество дополнительных механизмов, обеспечивающих необходимый уровень метаболитов и их участие в других метаболических путях.

Компартментализация ферментов, участвующих в реакциях окислительного декарбоксилирования пирувата и цикла лимонной кислоты, играет важную роль в регуляции этих процессов.

Внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для анионов и катионов, в том числе и для промежуточных продуктов цитратного цикла, которые могут быть перенесены через мембрану только при участии специальных белков. Поэтому ферменты цитратного цикла имеют больше возможностей для взаимодействия с продуктами предыдущих реакций, чем в случае свободного удаления этих продуктов из митохондрий.

Доступность субстратов возрастает также в результате образования ферментных комплексов. Малатдегидрогеназа и цитратсинтаза образуют непрочные комплексы, в которых цитратсинтаза может использовать оксалоацетат, непосредственно образующийся малатдегидрогеназой.

14

В ПДК и α-кетоглутаратдегидрогеназном комплексе субстраты непосредственно передаются от одного фермента к другому: только трансацилаза может взаимодействовать с промежуточным продуктом, связанным с ТДФ, а дигидролипоилдегидрогеназа – с дигидролипоевой кислотой.

NAD+, NADH, КоА, ацетил-КоА и сукцинил-КоА не имеют транспортных белков в мембране митохондрий. Поэтому эти соединения не могут пройти через митохондриальную мембрану.

Накопление ацил-КоА производных, таких как ацетил-КоА или сукцинил-КоА, в митохондриальном матриксе ингибирует другие реакции, для которых необходим КоА.

Тесная связь цитратного цикла и ЭТЦ поддерживается благодаря использованию в этих реакциях общего фонда NAD+ и NADH.

Рис.10. Регуляция общего пути катаболизма. 1 - ПДК активируется пируватом, NAD+, КоА; ингибируется NADH и ацетил-КоА; 2 - цитратсинтаза (реакция ускоряется при повышении концентрации оксалоацетата и замедляется при повышении концентрации цитрата, NADH, АТФ и сукцинил-КоА); 3 - изоцитратдегидрогеназа аллостерически активируется АДФ, ионами кальция, ингибируется NADH; 4 - α-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс ингибируется NADH, АТФ и сукцинил-КоА, а активируется ионами кальция. (По Северину, 2003)

4. Электронтранспортная цепь митохондрий

Организация дыхательной цепи в митоходндриях

Основные переносчики электронов встроены во внутреннюю мембрану митохондрий и организованы в 4 комплекса, расположенных в определённой последовательности

15

(векторно). В этой последовательности их стандартные окислительно-восстановительные потенциалы становятся более положительными по ере приближения к кислороду (табл.2, рис. 11). Каждое звено этой цепи специфично в отношении донора и акцептора электронов. Транспорт протонов и электронов по дыхательной цепи обеспечивается разностью потенциалов

м

между ее компонентами. При этом каждое увеличение потенциала на 0,16 В

На Акцептор е

освобождает энергию, достаточную для синтеза одной молекулы АТФ из АДФ и Н3РО4.

Таблица 2. Компоненты митохондриальной цепи переноса электронов

звание компонента Простетическая группа Донор e

Nкомплекс

NAD KADH-дегидрогеназа, I

FMN, FeS H oQ

Коэнзим Q, убихинон NADH Комплекс III (bc1)

рН -дегидрогеназа, 2комплекс III

гем b1 (562), гемb2(566),гемм с1

2FeS, QH Цитохром с

Цитохром с Гем с Комплекс III Комплекс IV

Цитохромокскомплекс IV

идаза, Гем А Сu2+

Цитохром с O2

Сукцинатдегидрогенкомплекс II

аза, eS FAD, F Сукцинат KoQ

Рис.11. Изменение свободной энергии при переносе электронов по ЦПЭ. E-FMN - комплекс I; E-FAD - комплекс II; b-с1 - комплекс III; aa3 - комплекс IV. (Северин, 2003)

.12)

1) NAD-зависи сти внутренней мембраны митохондрий отдает пару электронов водорода на FAD-зависимую

р

Получив электроны КоQ принимает из матрикса пару протонов и превращается в КоQ Н2.

Механизм окислительного фосфорилирования (рис

мая дегидрогеназа расположена на матриксной поверхно

дегидрогеназу. При этом из матрикса пара протонов переходит также на FAD и в результате образуется FADН2. В это в емя пара протонов, принадлежащих NAD выталкивается в межмембранное пространство. 2) FAD-зависимая дегидрогеназа отдает пару электронов на КоQ а пару протонов выталкивает в межмембранное пространство.

16

3) КоQ Н2 выталкивает пару протонов в межмембранное пространство, а пара электронов передается на цитохромы и далее на кислород с образованием молекулы воды. В итоге при переносе пары электронов о цепи из матрикса в межмембранное пространство перекачивается 6 протонов (3 пары), что ведет к созданию разницы

п

отенциалов и разницы рН между поверхностями внутренней мембраны.

) Такое обратное движение протонов ведет к активации АТФ-синтазы и синтезу АТФ из При е

кислительное фосфорилирование регулируется потребностями клетки в энергии. Энергетический статус и отношением

TФ]([AТФ][Фi]).

ю быстрее она расходуется, тем больше накапливается АДФ, тем

ность в энергии и, следовательно, активнее идет процесс окислительного дыхательной

носится одна молекула АДФ и одна молекула фосфорной кислоты. Понятно, что нарушение транспорта АДФ и фосфа

ом ATP, что обусловливает рассеивание выделяемой энерги окисления жирных кислот в виде тепла.

п 4) Разница потенциалов и разница рН обеспечивают движение протонов через протонный канал обратно в матрикс. 5АДФ и фосфорной кислоты. перенос одной пары электронов (т.е. трех пар протонов) синтезируется 3 молекулы АТФ.

Регуляция окислительного фосфорилирования

О

клетки определяется концентрацией АДФ[A Скорость окислительного фосфорилирования зависит в перву очередь от содержания АТФ, чембольше потребфосфорилирования. АДФ является стимулятором цепи, АТФ – её аллостерическим ингибитором. Регуляцию скорости окислительного фосфорилирования концентрацией в клетке АДФ называют дыхательным контролем.

Образовавшаяся АТФ из матрикса в цитоплазму переносится ферментами

транслоказами, при этом в обратном направлении в матрикс пере та тормозит синтез АТФ. В бурой жировой ткани, специализирующейся на продукции тепла, транспорт

электронов разобщен с синтези

17

Рис.12 Схема окислительного фосфорилирования в митохондриях (По Пустоваловой Л.М.)

Ингибиторы дыхательной цепи

Изучению последовательности переноса электронов способствовало исследование действия специфических ингибиторов, блокирующих определённые этапы этого процесса (рис.13). Переносчики электронов, стоящие в цепи непосредственно перед блокированным этапом, становятся более восстановленными, а стоящие после этого этапа - более окисленными. Это можно обнаружить при помощи спектрофотометра, так как у окисленных и восстановленных форм переносчиков разные спектры поглощения.

18

Рис.13. Места действия ингибиторов ЦПЭ. Ингибиторы NADH-дегйдрогеназы: ротенон-высокотоксичное вещество, содержащееся в некоторых водорослях и являющееся ядом для рыб; амитал - лекарственный препарат из группы барбитуратов. Ингибитор QН2 дегидрогеназы - антимицин А, токсичный антибиотик, продуцируемый одним из штаммов Streptomyces. Ингибиторы цитохромоксидазы - цианид, СО, H2S. Цианид наиболее токсичен для человека; он присоединяется к Fe3+ цитохромоксидазы и блокирует перенос электронов к кислороду. (Северин, 2003)

Полный энергетический баланс одной молекулы глюкозы в аэробных условиях Энергия, выделяющаяся в процессе полного распада глюкозы до СО2 и Н2О, составляет 2880 кДж/моль. Если эту величину сравнить с энергией гидролиза высокоэнергетических связей - 38 моль АТФ (50 кДж на моль АТФ), то получим: 50×38 = 1900 кДж, что составляет 65% от всей энергии, выделяющейся при полном распаде глюкозы. Такова эффективность использования энергии распада глюкозы для синтеза АТФ. Необходимо учитывать, что реальная эффективность процесса может быть ниже. Точно оценить выход АТФ можно только при субстратном фосфорилировании, а соотношение между поступлением водорода в дыхательную цепь и синтезом АТФ является приблизительным. Энергетический результат (выраженный в АТФ) катаболизма одной молекулы глюкозы в аэробных условиях составляет приблизительно 8АТФ + 6 АТФ + 24 АТФ = 38 АТФ.

АНАЭРОБНЫЙ РАСПАД ГЛЮКОЗЫ Анаэробный гликолиз Анаэробным гликолизом называют процесс расщепления глюкозы с образованием в качестве конечного продукта лактата. Этот процесс протекает без использования кислорода и поэтому не зависит от работы митохондриальной дыхательной цепи. АТФ образуется за счёт реакций субстратного фосфорилирования. Суммарное уравнение процесса:

19

С6Н1206 + 2Н3Р04 + 2АДФ = 2С3Н6О3 + 2АТФ + 2Н2O.

Реакции анаэробного гликолиза При анаэробном гликолизе (рис.14) в цитозоле протекают все 10 реакций, идентичных аэробному гликолизу. Лишь 11-я реакция, где происходит восстановление пирувата цитозольным NADH, является специфической для анаэробного гликолиза (рис.15). Восстановление пирувата в лактат катализирует лактатдегидрогеназа (реакция обратимая, и фермент назван по обратной реакции). С помощью этой реакции обеспечивается регенерация NAD+ из NADH без участия митохондриальной дыхательной цепи в ситуациях, связанных с недостаточным снабжением клеток кислородом. Роль акцептора водорода от NADH (подобно кислороду в дыхательной цепи) выполняет пируват. Таким образом, значение реакции восстановления пирувата заключается не в образовании лактата, а в том, что данная цитозольная реакция обеспечивает регенерацию NAD+. К тому же лактат не является конечным продуктом метаболизма, удаляемым из организма. Это вещество выводится в кровь и утилизируется, превращаясь в печени в глюкозу, или при доступности кислорода превращается в пируват, который вступает в общий путь катаболизма, окисляясь до СО2 и Н2О.

Баланс АТФ при анаэробном гликолизе

Анаэробный гликолиз по сравнению с аэробным менее эффективен. В этом процессе катаболизм 1 моль глюкозы без участия митохондриальной дыхательной цепи сопровождается синтезом 2 моль АТФ и 2 моль лактата. АТФ образуется за счёт 2 реакций субстратного фосфорилирования. Поскольку глюкоза распадается на 2 фосфотриозы, то с учётом стехиометрического коэффициента, равного 2, количество моль синтезированного АТФ равно 4. Учитывая 2 моль АТФ, использованных на первом этапе гликолиза, получаем конечный энергетический эффект процесса, равный 2 моль АТФ. Таким образом, 10 цитозольньгх ферментов, катализирующих превращение глюкозы в пируват, вместе с лактатдегидрогеназой обеспечивают в анаэробном гликолизе синтез 2 моль АТФ (на 1 моль глюкозы) без участия кислорода.

Рис.14. Анаэробный гликолиз.(По Северину, 2003)

20

Рис.15. Восстановление пирувата в лактат. (По Северину, 2003)

21