Казимирский А.Н. - Биоокисление

клетках равновесие в этой реакции сдвинуто вправо.

Зависимость цикла трикарбоновых кислот от недостатка кислорода

Несмотря на то, что ни в одну реакцию ЦТК кислород не входит, существует очень сильная зависимость цикла трикарбоновых кислот от недостатка кислорода. В основе этой зависимости прочная функциональная связь между циклом трикарбоновых кислот и процессом окислительного фосфорилирования. Цикл трикарбоновых кислот производит электроны для процесса окислительного фосфорилирования, которые отправляются на последний на мобильных переносчиках – молекулах НАДН и ФАДН2. В процессе окислительного фосфорилирования электроны от НАДН и ФАДН2 движутся по дыхательной цепи и в конце пути достигают своего конечного акцептора – молекулу кислорода. При недостатке кислорода нарушается процесс передачи электронов в дыхательную цепь и молекулы НАДН и ФАДН2 не превращаются в НАД+ и ФАД. Резкое торможение скорости ЦТК при недостатке кислорода объясняется недостатком молекул НАД+ и ФАД, выполняющих роль вторых субстратов в реакциях цикла.

Регуляция общего пути катаболизма

Скорости функционирования пируватдегидрогеназного комплекса (ПВК) и цикла трикарбоновых кислот (ЦТК) точно соответствуют потребности клеток в молекулах ацетил-СоА, необходимых для синтеза липидов и АТФ, используемых в качестве универсального источника энергии. Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса (1) и цикла трикарбоновых кислот (2, 3 и 4) приведена на рис. 9.

Общим принципом регуляции пируватдегидрогеназного комплекса (ПДК) и цикла трикарбоновых кислот (ЦТК), процессов независимых, но функционально тесно связанных, является то, что они совместно активируются при низком энергетическом потенциале клетки и совместно ингибируются при высоком энергетическом клеточном потенциале.

Энергетический потенциал клетки определяется концентрацией молекул АТФ, НАДН, ацетил-СоА. Это такие молекулы, которые готовы отдать энергию в различных процессах (АТФ), или отдать электроны для синтеза АТФ (НАДН, ацетил-СоА).

При высоком энергетическом потенциале клетки велики внутриклеточные концентрации молекул АТФ и НАДН. Это вызывает торможение ПДК и ЦТК. При низком энергетическом потенциале клетки внутриклеточные концентрации АТФ и НАДН снижаются и увеличиваются концентрации таких молекул как АДФ, НАД+. Они активируют оба процесса (ПДК и ЦТК). Происходит ускоренный распад глюкозы до пирувата (активируется специфический катаболизм) и ускоряется преобразование пирувата в ацетил-КоА, происходит ускоренное образование молекул НАДН и ФАДН2, переносящих электроны в процесс окислительного фосфорилирования для синтеза АТФ (активируется общий путь катаболизма).

21

длинноцепочечные жирные кислоты.

2. Изоцитрат-дегидрогеназная реакция аллостерически активируется АДФ, изоцитратом, субстратом реакции и Са++ (3 на рис. 9). Фермент состоит из 8 каталитических субъединиц и при связывании первой молекулы субстрата в одной субъединице за счет конформационных изменений в других резко ускоряется присоединение последующих молекул субстрата, что ускоряет ферментативную реакцию (положительный кооперативный эффект).

Фермент аллостерически активируется АДФ и Са++, поскольку имеет аллостерические центры связывания АДФ и Са++ на каждой субъединице.

НАДН имеет более высокое сродство к каталитическому центру фермента, чем НАД+ и вытесняет его, что ингибирует ферментативную активность (механизм конкурентного ингибирования).

3. α-Оксоглутарат дегидрогеназный комплекс (4 на рис.9) катализирующий преобразование α-оксоглутарата (α-кетоглутарата) в сукцинил-СоА, структурно подобен и гомологичен пируват-дегидрогеназному комплексу, но в отличие от ПДК, не имеет регуляторных белков в своем составе. α-оксо- глутаратдегидрогеназный комплекс активируется АМФ, АДФ, Са++, но ингибируется сукцинил-СоА, АТФ, НАДН.

АМФ, АДФ – положительные аллостерические регуляторы ферментативного комплекса. Так, связывание АМФ ферментативным комплексом уменьшает Км для α-кетоглутарата в 10 раз. В области физиологических концентраций и сукцинил-СоА и НАДН (продукты реакции) обладают ингибирующим эффектом, действуя по механизму конкурентного ингибирования. Главным регулятором активности α-оксоглутарат дегидрогеназного комплекса является сукцинил-СоА.

Анаболические функции цикла лимонной кислоты

Другая роль цикла трикарбоновых кислот состоит в том, что он поставляет промежуточные продукты для процессов биосинтеза (рис. 10).

Из α-оксоглутарата (α-кетоглутарата) синтезируется 5-ти углеродная глутаминовая кислота (глутамат), а затем из глутамата синтезируются глутамин, аргинин и пролин.

Из оксалоацетата (в нем 4 углеродных атома) синтезируется аспарагиновая кислота (аспартат). Затем из аспартата синтезируется аспарагин.

Из сукцинил-СоА синтезируются порфирины и гем. Первая реакция синтеза порфирина – реакция конденсации сукцинил-СоА и аминокислоты глицина. В этой реакции конденсации, сопряженной с декарбоксилированием, образуется важный промежуточный продукт синтеза гема - δ-амино- левулиновая кислота.

Из оксалоацетата синтезируется глюкоза (процесс глюконеогенеза). Этот путь активируется при недостаточности глюкозы в клетке (2 на рис. 10).

23

шение образования оксалоацетата (при голодании, диабете) ведет к взаимной конденсации молекул ацетил-КоА друг с другом и вызывает образование кетоновых тел, главным образом – ацетоацетата (СН3-СО-СН2-СООН).

У здоровых людей эта АТФ-зависимая реакция позволяет включать в глюконеогенез лактат и аминокислоты, распадающиеся до пирувата. В отличие от пирувата ацетил-СоА не является анаплеротическим метаболитом, поскольку полностью окисляется до СО2.

Рис. 11. Реакция карбоксилирования пирувата с участием биотина происходит в три этапа:

1.фосфорилирование биотина по активному атому азота (источником фосфатной группы является АТФ );

2.замещение фосфатной группы на карбоксильную;

3.перенос карбоксильной группы на пируват.

Связь между общим путем катаболизма и цепью переноса электронов и протонов.

Общий путь катаболизма, включающий пируватдегидрогеназный комплекс (ПДК) и цикл трикарбоновых кислот (ЦТК), локализованные в митохондриальном матриксе, с одной стороны, и цепь переноса электронов локализованная во внутренней митохондриальной мембране, с другой, функционально связаны между собой через общие молекулы НАД+ и НАДН.

При увеличении расхода энергии в клетке уменьшается концентрация молекул АТФ и увеличивается число молекул АДФ. При этом увеличивается количество электронов поступающих в цепь переноса электронов от молекул НАДН, поэтому их доля снижается, но увеличивается количество молекул НАД+. Эти изменения активируют ПДК и ЦТК. В цикле активируются изо- цитрат-дегидрогеназная реакция и функционирование α-оксоглутарат дегидрогеназного комплекса, которые чувствительны к концентрации АДФ (3 и 4 на рис. 9).

Напротив, снижение энергопотребления в клетках влечет за собой увеличение концентраций АТФ и НАДН. При этом активность ПДК и ЦТК снижается. Снижение активности общего пути катаболизма вызвано тем, что для всех регуляторных этапов (1-4 на рис. 9) увеличение концентраций АТФ

25

и/или НАДН ингибирует ферментативные реакции.

ДЫХАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ, челночные механизмы

Дегидрирование субстратов и восстановление кислорода (образование воды) как источник энергии для синтеза АТФ.

АТФ – чрезвычайно важная молекула клетки. Она непрерывно синтезируется и используется. Энергия для синтеза АТФ поступает от субстратов, поставляющих электроны в ходе их дегидрирования. Электроны извлекаются из субстратов в ходе гликолиза (в цитозоле), при преобразовании пирувата в ацетил-СоА и в цикле трикарбоновых кислот (в митохондриальном матриксе). Молекулы НАДН и ФАДН2 переносят эти электроны в дыхательную цепь, локализованную в во внутренней митохондриальной мембране.

Дыхательная цепь состоит из переносчиков электронов, сгруппированных в 4 ферментативных комплекса, и ферментов. Особенность переносчиков электронов дыхательной цепи в том, что каждый способен принимать электроны от предыдущего и отдавать последующему. Прием и передача электронов молекулами переносчиков происходит упорядоченно в соответствии с их окислительно-восстановительными (редокс) потенциалами.

С

Рис. 13. Путь движения электронов по дыхательной цепи. От НАДН до кислорода – полная дыхательная цепь, от ФАДН2 до кислорода – укороченная. Это схема, отражающая примерное движение электронов во внутренней мембране митохондрии. С- внешняя сторона (вверху) внутренней мембраны митохондрии; М – внутренняя сторона (матриксная) внутренней мембраны митохондрии

Редокс-потенциал молекулы характеризует способность соединения участвовать в окислительно-восстановительных реакциях. Т.е. под редокспотенциалом молекулы понимают еѐ способность присоединять электрон и при этом восстанавливаться или отдавать его и при этом окисляться. В начало дыхательной цепи электроны вносит НАДН – он обладает самым низким

26

редокс-потенциалам, то есть самой низкой способностью удерживать приобретенные электроны. В конце дыхательной цепи находиться кислород – его редокс-потенциал самый высокий, его способность принимать электроны уступает только фтору. Электроны, перемещаясь по компонентам дыхательной цепи в сторону кислорода, совершают полезную работу по переносу протонов из митохондриального матрикса в межмембранное пространство (рис. 13). В межмембранном пространстве накапливаются протоны из митохондриального матрикса.

40-45% энергии, выделяемой при перемещении электронов, используется для создания протонного градиента, который, в свою очередь расходуется на синтез АТФ. 20-25% этой энергии используется для транспорта необходимых субстратов. Остальная энергия рассеивается в виде тепла, поэтому митохондрии место теплообразования.

Таким образом, за счет движения электронов по дыхательной цепи создается протонный градиент и значительный трансмембранный электрохимический потенциал между межмембранным пространством и митохондриальным матриксом (его обозначают ∆μН+ = 0,25 Вольта). ∆μН+ складывается из ∆Ψ = 0,2 Вольта (это электрический потенциал, обусловленный разными зарядами по обе стороны мембраны, на наружной стороне мембраны заряд более положительный, связанный с положительным зарядом протонов) и ∆Н+ = 0,05 Вольта (химический потенциал, обусловленный различной концентрацией протонов по обе стороны мембраны). Энергия этого электрохимического мембранного градиента затем используется для синтеза АТФ (еѐ использует АТФ-синтетазный комплекс, комплекс V) и транспорта необходимых субстратов.

Согласно закону Фарадея: G = - n•F•ΔE , где F – число Фарадея равно 96,5 кДж/моль•вольт

В данном случае E(ЭДС) =∆μН+=0,25 Вольта. При трансмембранном прохождении 2 моль Н+ G= - 2•96,5•0,25= -48,25 кДж, этой энергии вполне хватает на синтез одного моля АТФ.

Эндогенная вода

Эндогенной называется вода, возникающая в клетках в основном при функционировании дыхательных цепей в митохондриях. Некоторое количество эндогенной воды образуется при микросомальном окислении и при разложении пероксида водорода. У взрослого человека в сутки возникает 400÷450 мл эндогенной воды.

Каталаза присутствует во всех клетках организма и разлагает пероксид водорода:

Н2О2 + Н2О2 → О2 + 2 Н2О

Глутатионпероксидаза также присутствует во всех клетках организма и разлагает пероксид водорода. Содержит селеноцистеин в активном центре.

27

2 Глутатион-SH + Н2О2 → Глутатион-SS + 2Н2О

Глутатионпероксидаза также восстанавливает гидропероксиды липидов.

В конце дыхательной цепи электроны взаимодействуют с кислородом с последующим присоединением к восстановленному кислороду протонов из матрикса с образованием воды: 4е- + 4Н+ + О2 → 2Н2О.

Особенность образования воды в этой реакции состоит в том, что в неѐ входят электроны с цитохромооксидазы, имеющей достаточно высокий редокс-потенциал, и в процессе предачи электронов на кислород выделяется не так много энергии. Поэтому роль многочисленных промежуточных переносчиков электронов, локализованных во внутренней митохондриальной мембране, состоит в постепенном выделении энергии при переносе электронов по цепи дыхательных ферментов с использованием ее для создания протонного градиента на внутренней мембране митохондрии. Если бы не было промежуточных переносчиков электронов, то разом выделяющаяся тепловая энергия разрушила бы митохондриальную мембрану.

Митохондриальная цепь переноса электронов и компоненты дыхательной цепи.

Цепь переноса электронов (дыхательная цепь) представляет собой организованную совокупность белковых и небелковых переносчиков электронов локализованную во внутренней митохондриальной мембране. Электроны перемещаются по цепи ступенчато, в одном направлении, от переносчика с низким редокс-потенциалом к переносчику с более высоким редокс - потенциалом. Многоступенчатый транспорт электронов от НАДН и ФАДН2 к О2 по цепи этих переносчиков приводит к выбросу Н+ из митохондриального матрикса в межмембранное пространство и генерированию протонного градиента. Протоны перекачиваются тремя видами электронпереносящих комплексов. АТФ синтезируется при обратном токе Н+ через АТФ-синтетазный комплекс. Сопряжение окисления и фосфорилирования обеспечивается протонным градиентом через внутреннюю мембрану.

Дыхательная цепь включает в себя три основных белковых ферментативных комплекса (комплексы I, III и IV), встроенных во внутреннюю митохондриальную мембрану и две подвижные молекулы-переносчика (кофермент Q и цитохром С).

Сукцинатдегирогеназа, работающая в цикле трикарбоновых кислот, в цепи переноса электронов рассматривается как комплекс II. Комплексом V иногда называют АТФ-синтазу, хотя этот фермент не принимает участия в транспорте электронов. Комплексы (I-IV) дыхательной цепи состоят из большого числа полипептидных цепей и содержат ряд различных окисли- тельно-восстановительных коферментов, связанных с белками. К ним относятся ФМН (флавинмононуклеотид), ФАД (флавинадениндинуклеотид) в

28

комплексах I и II; железо-серные (FeS) центры в комплексах I, II и III и группы гема в комплексах II, III и IV.

Таблица 3 Ферментативные комплексы дыхательной цепи

Электроны транспортируются от комлексов I и II к комплексу III и, затем к комплексу IV в сторону увеличения электрохимического потенциала.

29

Переносчики электронов

Часть переносчиков электронов представлена белками цитохромами, содержащими в качестве простетической группы гем, который придает им красное окрашивание. Цитохромы (с1, с, а и а3) расположены в различных участках дыхательной цепи и различаются структурой полипептидных цепей, строением боковых групп и способом прикрепления к апобелку. Присоединение электрона к гему влечет за собой изменение степени окисления железа в активном центре.

Рис. 14 Изменение степени окисления гема при функционировании цитохромов: Fe2+ после получения электрона от предыдущего переносчика и Fe3+ - после передачи электрона последующему

К другому типу переносчиков электронов относят негемовые железосерные белки (FeS). В них атомы железа связаны с тиольными группами остатков цистеина белка, а также тиолят-анионами, образуя железо-серные комплексы или центры.

30