БХ

38. Цикл лимонной кислоты: последовательность реакций и характеристика ферментов. Связь между циклом трикарбоновых кислот и цепью переноса электронов и протонов. Аллостерическая регуляция цитратного цикла, его анаболические функции. Нарушения цикла лимонной кислоты при авитаминозах, гипоксиях и т.д.

Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) (цикл Кребса, цикл лимонной кислоты, цитратный цикл) – заключительный этап катаболизма, в ходе которого ацетил-КоА окисляется до двух молекул СО2. Атомы водорода при участии НАД- и ФАД-зависимых ферментов передаются в митохондриальную цепь переноса электронов, в результате чего происходит образование 11 молекул АТФ путем окислительного фосфорилирования. Еще одна молекула АТФ образуется в реакции субстратного фосфорилирования благодаря разрыву макроэргической связи сукцинил~КоА. Всего в результате 8 реакций цикла Кребса образуется 12 АТФ. Окисление Ацетил-КоА – это циклический процесс, включающий 8 ферментативных реакций. Протекает в матриксе митохондрий.

Схемы ЦТК

61

3. Дигидролипоилдегидрогеназа (коферментФАД) + еще два кофермента – КоА и НАД.

5. Превращение сукцинил-КоА в сукцинат.

Пятая реакция катализируется ферментом сукцинил-КоА-синтетазой. В ходе этой реакции сукци- нил-КоА при участии ГДФ и неорганического фосфата (Рi) превращается в янтарную кислоту (сукцинат). Одновременно происходит образование высокоэргической фосфатной связи ГТФ за счет высокоэргической тиоэфирной связи сукцинил-КоА. (Образовавшийся ГТФ отдает затем свою концевую фосфатную группу на АДФ, вследствие чего образуется АТФ. Образование высокоэргического нуклеозидтрифосфата в ходе сукцинил-КоА-синтетазной реакции - пример фосфорилирования на уровне субстрата.)

6. Дегидрирование сукцината.

В шестой реакции сукцинат дегидрируется в фумаровую кислоту (фумарат). Окисление сукцината катализируется сукцинатдегидрогеназой, в молекуле которой с белком ковалентно связан кофермент ФАД.

7. Образование малата из фумарата.

В седьмой реакции образовавшаяся фумаровая кислота гидратируется под влиянием фермента фумаратгидратазы. Продуктом данной реакции является яблочная кислота (малат). Следует отметить, что фумаратгидратаза обладает стереоспецифичностью, - в ходе данной реакции образуется L-яблочная кислота.

8. Дегидрирование малата.

В восьмой реакции цикла трикарбоновых кислот под влиянием НАД-зависимой малатдегидрогеназы происходит окисление L-малата в оксалоацетат.

От сукцината до оксалоацетата реакции являются обратимыми. Поэтому эта часть цикла может функционировать в обратном направлении, то есть оксалоацетат может превращаться в метаболиты цикла Кребса вплоть до сукцината. Такая возможность реализуется в тех случаях, когда оксалоацетат интенсивно синтезируется из других субстратов.

Таким образом, за один оборот цикла, состоящего из восьми ферментативных реакций, происходит полное окисление ("сгорание") одной молекулы ацетил-КоА. Для непрерывной работы цикла

64

необходимо постоянное поступление в систему ацетил-КоА, а коферменты (НАД и ФАД), перешедшие в восстановленное состояние, должны снова и снова окисляться. Это окисление осуществляется в дыхательной цепи, локализованной в митохондриях.

Освобождающаяся в результате окисления ацетил-КоА энергия в значительной мере сосредоточивается в макроэргических фосфатных связях АТФ. Из четырех пар атомов водорода три пары переносятся через НАД на систему транспорта электронов; при этом в расчете на каждую пару в системе биологического окисления образуются три молекулы АТФ (в процессе сопряженного окислительного фосфорилирования), а всего, следовательно, девять молекул АТФ. Одна пара атомов попадает в систему транспорта электронов через ФАД, - в результате образуются 2 молекулы АТФ. В ходе реакций цикла Кребса синтезируется также 1 молекула ГТФ, что равносильно 1 молекуле АТФ (субстратное фосфорилирование). Итак, при окислении ацетил-КоА в цикле Кребса образуется 12 молекул АТФ.

Биологические функции цикла Кребса:

1.Катаболическая – образуется конечный продукт обмена веществ – углекислый газ (2 молекулы) 2.Анаболическая – вещества, образующиеся в ходе цикла Кребса, могут идти на синтез других

веществ. Например, α-кетоглутарат идёт на синтез аминокислот, сукцинил-КоА – на синтез гема. 3.Образование восстановленных форм коферментов: 3 НАДН2 и 1 ФАДН2 4.Энергетическая – образуется 12 АТФ, из них 1 АТФ путём субстратного фосфорилирования (сук-

цинил-КоА-синтазная реакция) и 11 АТФ путём окислительного фосфорилирования (изоцитратдегидрогеназная, α-кетоглутаратдегидрогеназная, сукцинатдегидрогеназная и малатдегидрогеназная реакции).

5.Интегративная – цикл является связующем звеном между обменом белков, углеводов и липидов. 6. Амфиболическое значение общего пути катаболизма Общий путь катаболизма выполняет как энергетическую, так и анаболическую функцию. Анабо-

лическая функция ОПК проявляется в том, что ряд промежуточных продуктов используется для синтеза необходимых организму веществ.

Так пируват, α-кетоглутарат и оксалоацетат являются кетокислотами, которые путем трансаминирования могут превращаться в аланин, глутаминовую и аспарагиновую кислоты соответственно. Сук- цинил-КоА используется для синтеза гема, а пируват и оксалоацетат могут включаться в процесс синтеза глюкозы.

65

Регуляция общих путей катаболизма

1 – пируватдегидрогеназный комплекс активируется пируватом, НАД+, КоА; ингибируется НАДН и ацетил-КоА;

2 – цитратсинтаза - реакция ускоряется при повышении концентрации оксалоацетата и замедляется при повышении концентрации цитрата, НАДН, АТФ и сукцинил-КоА;

3 – изоцитратдегидрогеназа аллостерически активируется АДФ, ионами кальция, ингибируется НАДН;

4 - -кетоглутаратдегидрогеназный комплекс ингибируется НАДН, АТФ и сукцинилКоА, активируется ионами кальция.

Нарушения цикла лимонной кислоты

Наиболее частой причиной гипоэнергетических состояний является гипоксия, возникновение которой, в свою очередь, связано с нарушением:

•Поступления кислорода в кровь, что наблюдается при недостаточности О2 во вдыхаемом воздухе или недостаточности легочной вентиляции;

•Транспорта кислорода в ткани при патологии кровообращения или снижении транспортной функции гемоглобина;

•Функций митохондрий, вызванных действием ядов и разобщителей.

При гипоксии ЦТК останавливается и пируват идет в лактат.

Кроме того, причиной гипоэнергетических состояний могут быть гиповитаминозы, так как в реакциях общих путей катаболизма и дыхательной цепи участвуют коферменты, содержащие витамины. Так, витамин В1 входит в состав тиаминдифосфа а, В2 является составной частью FMH и FAD, витамин РР в виде никотинамида входит в состав NAD+ и NADР, пантотеновая кислота — в состав кофермента А; биотин выполняет коферментную функцию в реакции карбоксилирования пирувата.

66

39. Митохондриальное окисление. Дегидрирование субстратов и окисление водорода как источник энергии для синтеза АТФ. Структура и функции цепи переноса электронов, окислительно-восстановительный потенциал структурных компонентов цепи. Нарушение функции цепи переноса электронов при гипоксиях и других патологических состояниях.

Биологическое окисление - совокупность окисли-

тельных процессов, происходящих в организме.

1. Окисление оксидазного типа.

Окисидазы используют кислород в качестве акцептора электронов, восстанавливая его до Н2О (или Н2О2).

О2 + 4ē + 4Н+ → 2Н2О

Кэтому типу относится митохондриальное (сопряженное) окисление. Протекает преимущественно в мембранах митохондриях. Сопровождается выделением энергии АТФ.

2. Окисление оксигеназного типа.

Оксигеназы включают один (монооксигеназы) или два (диоксигеназы) атома кислорода в субстрат. SH + 2H+ + O2 → SOH + H2O

Кэтому типу относится микросомальное (свободное) окисление. Протекает преимущественно в

мембранах ЭПС. Используется для пластических целей.

3. Свободно-радикальное окисление.

Процесс окисления органических соединений под действием активных форм кислорода (АФК). Протекает спонтанно (без участия ферментов).

Митохондриальное окисление (сопряженное окисление).

Процесс биологического окисления субстратов, происходящий на внутренней мембране митохондрий и сопровождающийся синтезом АТФ окислительным фосфорилированием.

Переносчики митохондриальной ц.п.э.

Вещества, осуществляющие транспорт электронов (и иногда протонов) по внутренней мембране митохондрий. Переносчики располагаются в цепи согласно своему ОВП (редокс потенциалу) и формируют митохондриальную цепь переноса электоронов.

Строение и характеристика комплексов, расположенных на внутренней мембране митохондрий.

Комплекс I (НАДН-дегидрогеназный камплекс (НАДН-дегидрогеназа) или НАДНубихинон-окси- доредуктоза) — первый мультибелковый комплекс дыхательной цепи переноса электронов. Содержит ФМН и FeS-белки. Комплекс I окисляет НАДН и восстанавливает одну молекулу убихинона (Ко Q).

67

НАДНдегидрогеназный комплекс работает как протонная помпа: на каждый окисленный НАДН и восстановленный убихинон через мембрану в межмембранное пространство переносится 4Н+.

Комплекс II (сукцинатдегидрогеназа или сукцинат-убихиноноксидоредуктаза) — белковый комплекс, расположенный во внутренней мембране митохондрий, участвует в цикле трикарбоновых кислот (катализирует окисление сукцината до фумарата) и дыхательной цепи переноса электронов. Содержит ФАД.

Комплекс II окисляет сукцинат до фумарата и восстанавливает убихинон, при этом не перекачивает протоны из матрикса.

Комплекс III (цитохром-bс1-комплекс или убихинол-цитохром соксидоредуктаза) - окисляет восстановленный убихинон и восстанавливает цитохром c. Содержит цитохром b, цитохром с1 и FeSбелки. На каждые два электрона, проходящие по цепи переноса от убихинона до цитохрома c, 2Н+поглощается из матрикса, и 4Н+ высвобождаются в межмембранное пространство.

Комплекс IV (цитохром с-оксидаза (цитохромоксидаза) или цитохром с – кислород - оксидоредуктаза, или цитохром aa3) — терминальная оксидаза аэробной дыхательной цепи переноса электронов, которая катализирует перенос электронов с цитохрома с на кислород с образованием воды. Содержит цитохромы a и a3. При восстановлении O2 4H+ захватываются из митохондриального матрикса для образования двух молекул H2O, а ещё 4H+ активно перекачиваются через мембрану в межмембранное пространство.

Переносчики митохондриальной цепи переноса электронов.

1. Пиридиновые дегидрогеназы (НАД – зависимые дегидрогеназы)

Ферментативные переносчики водорода митохондриальной ц.п.э. Располагаются в матриксе митохондрий и цитоплазме. Не связаны с мембраной. Относят к первичным дегидрогеназам (отнимают атомы водорода непосредственно от окисляемого вещества). В качестве кофермента содержат активную форму витамина РР – НАД+(НАДФ+), который осуществляет связывание одного протона, второй протон остается в среде, подкисляя ее. Передают протоны на флавиновые дегидрогеназы (НАДН - дегидрогеназы).

2. Флавиновые дегидрогеназы (ФАД – зависимые дегидрогеназы, НАДН - дегидрогеназы)

Ферментативные переносчики водорода митохондриальной ц.п.э. Располагаются во внутренней мембране митохондрий. В качестве кофермента содержат активную форму витамина В2 – ФАД(ФМН), который осуществляет связывание двух протонов. ФМН-зависимая НАДН-дегидрогеназа является вторичной дегидрогеназой – принимают электроны и протоны от первичной дегидрогеназы (НАД - зависимой). ФАД-зависимые дегидрогеназы относятся к первичным дегидрогеназам – окисляют жирные кислоты и янтарную кислоту. В дальнейшем электроны и протоны передаются на убихинон.

3. Железо-серные центры или Fe-S-белки ([Fe-S]n)

Низкомолекулярные белки, содержащие негеминовое железо и атомы серы. Ассоциированы с НАДНдегидрогеназой, сукцинатдегидрогеназой и цитохромом b. Железо-серные центры участвуют в транспорте электронов за счет обратимого изменения степени окисления атомов железа [Fe (II) – Fe (III)].

4. Убихинон

Кофермент-Q (КоQ))

Низкомолекулярный переносчик митохондриальной ц.п.э. Не является ферментом. Располагаются во внутренней мембране митохондрий. Относится к витаминоподобным жирорастворимым веществам.

Убихинон выполняет коллекторную функцию, собирая восстановительные эквиваленты от НАДНдегидрогеназы и других флавиновых дегидрогеназ и передает электроны на систему цитохромов

5. Циторохромы

Гемсодержащие ферменты, молекулы которых содержат железо, входящее в состав железопорфиринового комплекса (гема). Цитохромы встроены во внутреннюю мембрану митохондрий.

68

Существуют три класса цитохромов: a, b, c. Цитохромы являются компонентами дыхательной цепи, где располагаются в следующем порядке: b → c1 → c

→ aa3. Каждый из цитохромов присоединяет электрон по схеме: Fe3+ + e- ↔ Fe2+. Последним в ряду переносчиков электронов в дыхательной цепи стоит цитохром aa3, называемый также цитохромоксидазой, поскольку он переносит электроны прямо на кислород.

Цитохром аа3 содержит в своем составе дополнительно два атома меди [Cu (II) – Cu (I)], которые участвуют в переносе электронов на кислород. Из всех переносчиков цепи переноса электронов только цитохром аа3 способен вступать непосредственно в реакцию с кислородом.

Принцип работы дыхательной цепи

В целом работа дыхательной цепи заключается в следующем:

•Образующиеся в реакциях катаболизма НАДН и ФАДН2 передают атомы водорода (т.е. протоны водорода и электроны) на ферменты дыхательной цепи.

•Электроны движутся по ферментам дыхательной цепи и теряют энергию.

•Эта энергия используется на выкачивание протонов Н+ из матрикса в межмембранное простран-

ство.

•В конце дыхательной цепи электроны попадают на кислород и восстанавливают его до воды.

•Протоны Н+ стремятся обратно в матрикс и проходят через АТФ-синтазу.

•При этом они теряют энергию, которая используется для синтеза АТФ.

69

При дефиците кислорода – конечного акцептора электронов в редокс-цепи митохондрий – отмечается выраженная гиперредукция всех компонентов терминального звена окисления. Прекращаются транспорт электронов по дыхательной цепи и сопряженный с ним процесс образования макроэнергических фосфатов.

40. Окислительное фосфорилирование, его сопряжение с дыхательной цепью. Химиоосмотическая теория Митчела. Коэффициент Р/О. Разобщение тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования. Биологические разобщители как регуляторы окислительного фосфорилирования. Нарушения энергетического обмена: гипоксические состояния.

Теория сопряженного окисления Питера Митчелла

1.Образованные в реакциях катаболизма НАДН*Н+ и ФАДН2 передают протоны и электроны на ферменты дыхательной цепи.

2.Электроны движутся по ферментам дыхательной цепи и теряют энергию.

3.Эта энергия используется для выкачивания протонов из матрикса в межмембранное простран-

ство.

4.В конце дыхательной цепи электроны попадают на кислород и восстанавливают его до воды.

5.Протоны по градиенту концентрации стремятся обратно в матрикс митохондрий и проходят через канал АТФ-синтазы.

6.При этом они теряют энергию, которая используется для синтеза АТФ.

АТФ-синтаза – фермент, осуществляющий образование АТФ окислительным фосфорилированием.

Для активации АТФ-синтазы необходим электрохимический градиент.

Электрохимический градиент – это разность концентраций протонов и заряда по обе стороны внутренней мембраны митохондрий. Электрохимический градиент создается при движении электронов по ц.п.э.

Каталитический цикл синтеза АТФ включает 3 этапа:

1.связывание АДФ и Н3РО4;

2.образование фосфоангидридной связи АТФ;

70