А. Пируватдегидрогеназа: реакция

В пируватдегидрогеназной реакции участвуют три различных фермента [1-3]. Пируватдегидрогеназа (Е1) катализирует декарбоксилирование пирувата, перенос образованного гидроксиэтильного остатка на тиаминдифосфат (TPP, 1а), а также окисление гидроксиэтильной группы с образованием ацетильного остатка. Этот остаток и полученные восстановительные эквиваленты переносятся на липоамид (1б). Следующий фермент, дигидролипоамидацетилтрансфераза (Е2) переносит ацетильный остаток с липоамида на кофермент А (2), при этом липоамид восстанавливается до дигидролипоамида. Последний снова окисляется до липоамида третьим ферментом, дигидролипоамиддегидрогеназой (Е3) с образованием НАДН + Н+ (NADH + Н+) (3). Электроны переносятся на растворимый НАД+ через ФАД и каталитически активный дисульфидный мостик субъединицы Е3.

Пять разных коферментов этой реакции различными способами ассоциированы с белковыми компонентами ферментов. Тиаминдифосфат нековалентно связан на Е1, Липоамид ковалентно связан с остатком лизина Е2, а ФАД прочно ассоциирован в виде простетической группы на Е3. НАД+ (NAD+) и кофермент А взаимодействуют с комплексом в виде растворимых коферментов.

Б. Пируватдегидрогеназный комплекс Escherichia coli

Пируватдегидрогеназный комплекс (ПДГ-комплекс) бактерии Escherichia coli достаточно подробно исследован. Он имеет молекулярную массу от 5,3 · 106 Да и диаметр больше 30 нм, т. е. ПДГ-комплекс крупнее, чем рибосома. Комплекс состоит из 60 полипептидов (1,2): 24 молекулы Е2 (8 тримеров) образуют ядро комплекса кубической формы. Каждая из 6 граней этого куба занята димерами (возможно, тетрамерами) компонентов Е3, в то время как на 12 ребрах куба лежат димеры молекул Е1. Другие дегидрогеназы кетокислот построены аналогично, но могут отличаться числом субъединиц и молекулярной массой.

Пространственная организация составных частей комплекса очень важна для катализа. Кофермент, липоевая кислота, очень подвижен благодаря образованию связи с лизиновым остатком фермента Е2. "Ручка" липоамида длиной примерно 1,4 нм в процессе катализа перемещается между E1 и Е3 (3). Липоамид таким способом может взаимодействовать как со связанным в Е1 тиаминдифосфатом, так и с растворимым коферментом А и акцептирующим электроны ФАД в Е3. Белковый домен ацетилтрансферазы, который связывает липоевую кислоту, очень гибок. Это дополнительно повышает дальность действия липоамидной «ручки».

Регуляция ПДГ-комплекса организма животных обсуждается на с. 152.

Метаболизм. Энергетика Цитратный цикл: реакции

В цитратном цикле (цикл лимонной кислоты; метаболический процесс, протекающий в матриксе митохондрий) ацетильные остатки (CH3CO—) окисляются до диоксида углерода (CO2). Полученные при этом восстановительные эквиваленты переносятся на НАД+ или убихинон и включаются в дыхательную цепь (см. с. 142). Центральная роль цитратного цикла в метаболизме клетки рассматривается на с. 140.

А. Цитратный цикл

Большая часть потребляемого в цитратном цикле ацетил-КоА получает ацетильные остатки, образовавшиеся в результате β-окисления жирных кислот (см. с. 166) и окислительного декарбоксилирования пирувата, катализируемого пируватдегидрогеназой (см. с. 136). Оба процесса протекают в матриксе митохондрий.

Окисление ацетильных остатков включает ряд промежуточных стадий, образующих цикл: сначала ацетильная группа в реакции, катализируемой цитрат-синтазой [1], конденсируется с молекулой оксалоацетата с образованием цитрата (цикл получил свое название по продукту этой реакции). На следующей стадии [2] цитрат изомеризуется в изоцитрат с переносом гидроксильной группы внутри молекулы. При этом промежуточный продукт реакции, ненасыщенный аконитат, остается во время реакции связанным с ферментом (на схеме не показано). Поэтому фермент, катализирующий реакцию, называют аконитат-гидратазой [2] («аконитазой»).

Свойства аконитат-гидратазы обеспечивают абсолютную стереоспецифичность изомеризации. В то время как цитрат не обладает хиральностью, изоцитрат содержит два асимметрических центра и может существовать в четырех изомерных формах. Однако в цитратном цикле образуется только один из стерео изомеров, (2R,3S)-изоцитрат (см. с. 16).

На следующей стадии изоцитратдегидрогеназа (3) окисляет гидроксигруппу изоцитрата в оксогруппу с одновременным отщеплением одной из карбоксильных групп в виде CO2 и образованием 2-оксоглутарата. Последующее образование сукцинил-КоА [4], включающее реакции окисления и декарбоксилирования, катализируется мультиферментным комплексом, 2-оксоглутаратдегидрогеназой (дегидрогеназы кетокислот рассмотрены на предыдущей странице). Расщепление тиолсложноэфирной связи сукцинил-КоА с образованием сукцината и кофермента А, катализируемое сукцинат-КоА-лигазой («тиокиназой» (5)], — высокоэкзоэргическая реакция, энергия которой используется для синтеза фосфоангидридной связи («субстратного фосфорилирования», см. с. 126). В цитратном цикле синтезируется не АТФ, как в большинстве таких реакций, а гуанозинтрифосфат [ГТФ (GTP)], который легко превращается в АТФ нуклеозиддифосфаткиназой (на схеме не показано).

В приведенных реакциях ацетильный остаток полностью окисляется до CO2. Однако одновременно молекула переносчика оксалоацетата восстанавливается в сукцинат. В трех последующих реакциях цикла сукцинат снова превращается в оксалоацетат. Вначале сукцинатдегидрогеназа [6] окисляет сукцинат в фумарат. В отличие от других ферментов цикла сукцинатдегидрогеназа является интегральным белком внутренней митохондриальной мембраны. Поэтому ее относят также к комплексу II дыхательной цепи. Сукцинатдегидрогеназа содержит ФАД (FAD) в качестве простетической группы, однако фактическим акцептором электронов является убихинон. Затем к двойной связи фумарата с помощью фумарат-гидратазы («фумаразы», [7]) присоединяется вода и образуется хиральный (2S)-малат. На последней стадии цикла малат окисляется малатдегидрогеназой (8) в оксалоацетат с образованием НАДН + Н+. Эта реакция замыкает цитратный цикл.

Общий баланс цитратного цикла состоит в том, что из одного ацетильного остатка образуются 2 CO2, 3 НАДН + Н+ и одна молекула восстановленного убихинона (QH2). При этом за счет восстановленных форм коферментов путем окислительного фосфорилирования в клетке синтезируются 9, а с учетом трансформации одной молекулы ГТФ — 10 молекул АТФ (см. с. 148).

Метаболизм. Энергетика

Цитратный цикл: метаболические функции

Цитратный цикл: функции

Цитратный цикл (см. с. 138) играет центральную роль в промежуточном метаболизме клетки. Наряду с катаболическими и анаболическими цикл выполняет и амфиболические функции. Промежуточные соединения цитратного цикла, включая такие важные метаболиты, как пируват и ацетил-КоА, способные окисляться до CO2, идентичны промежуточным соединениям многих катаболических путей. Образующиеся в цикле восстановительные эквиваленты (см. с. 20) окисляются в дыхательной цепи (окислительное фосфорилирование) с образованием АТФ (АТР) (см. ниже).

Промежуточные соединения цитратного цикла включаются во многие процессы биосинтеза, например в биосинтез глюкозы (глюконеогенез; оксалоацетат и малат), синтез порфиринов (сукцинил-КоА) и синтез аминокислот (2-оксоглутарат, оксалоацетат). Кроме того, цитратный цикл поставляет в цитоплазму ацетил-КоА, необходимый для синтеза жирных кислот и изопреноидов.

Ацетил-КоА, образующийся в матриксе митохондрий при участии пируватдегидрогеназы (см. с. 136), не может проходить через внутреннюю митохондриальную мембрану. Поэтому ацетильный остаток конденсируется митохондриальной цитрат-синтазой с оксалоацетатом с образованием цитрата. Последний переносится в цитоплазму по механизму антипорта с малатом (см. с. 214), где снова расщепляется АТФ-зависимой цитрат-лиазой [4] с образованием ацетил-КоА и оксалоацетата. Образовавшийся оксалоацетат восстанавливается цитоплазматической малатдегидрогеназой [2] в малат, который возвращается в митохондрии за счет антипорта или подвергается окислительному декарбоксилированию «малат-ферментом» [5] с образованием пирувата. Образующийся НАДФН + Н+ принимает участие в биосинтезе жирных кислот.

Промежуточные продукты цитратного цикла присутствуют в митохондриях лишь в очень незначительных количествах. При окислении ацетил-КоА они вновь регенерируются, так что их концентрации остаются практически постоянными. В то же время анаболические процессы быстро истощают пул некоторых промежуточных продуктов цикла. Поэтому их запас постоянно пополняется за счет метаболитов, поступающих из других источников. Ферментативные процессы, пополняющие запас промежуточных продуктов цикла, называются анаплеротическими (возмещающими) реакциями (см. с. 168).

Анаплеротический характер носит деградация большинства аминокислот, так как при этом образуются промежуточные соединения цикла или пируват (глюкогенные аминокислоты, см. с. 156). Фактически глюконеогенез поддерживается в основном за счет деградации аминокислот. Особенно важной анаплеротической стадией в метаболизме животных является превращение пирувата в оксалоацетат. Эта АТФ-зависимая реакция, катализируемая пируваткарбоксилазой [1], позволяет включать в глюконеогенез пируватпоставляющие аминокислоты и лактат.

В отличие от пирувата ацетил-КоА не является анаплеротическим метаболитом у высших животных. Его углеродный скелет полностью окисляется до CO2 и поэтому не принимает участия в биосинтезе. Поскольку при деградации жирных кислот образуется ацетил-КоА, клетки животных не в состоянии превращать жирные кислоты в глюкозу. Поэтому при голодании в организме прежде всего утилизируются не жиры, а белки. Высвободившиеся аминокислоты, напротив, могут превращаться и в жирные кислоты, и в глюкозу и, тем самым, поддерживать уровень сахара в крови (см. с. 300).