Окислительный пентозофосфатный цикл

В клетках растений и животных существует еще один способ окисления-глю­козы, не связанный с энергообменом, но играющий важную роль в конструк­тивном обмене, — окислительный пентозофосфатный цикл (оПФЦ). В ПФЦ можно выделить два этапа (рис. 4.12). На первом из них первые три реакции цикла необратимы и связаны с последовательным окислением глюкозо-6-фосфата при участии Глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы и 6-фосфоглюконатдегидрогеназы. В результате этих двух реакций теряется СО2, восстанавливаются две молекулы НАДФ+ и образуется рибулезо-5-фосфат. Второй этап включает ре­акции, связанные с рекомбинацией 5С-сахаров, в результате которых образу­ется исходный субстрат — глюкозо-6-фосфат. Для того чтобы цикл был замк­нут, необходимо участие 6 молекул глюкозо-6-фосфата и образование соот­ветственно 6 молекул рибулезо-5-фосфата.

У растений ферменты оПФЦ обнаружены как в цитозоле, так и в пластидах. Пластидные и цитозольные изоформы кодируются разными ядерными генами.

Пируватдегидрогеназный комплекс

Пируватдегидрогеназный комплекс состоит из трех ферментов и пяти кофакторов. 

Пируватдегидрогеназный комплекс регулируется тремя способами: 1) ингибируется продуктами реакции, т.е. ацетил - КоА и НАДН, активируется HS-KoA и НАД; 2) ингибируется ГТФ и активируется АМФ, т.е. активность комплекса снижается, когда клетка богата легкодоступной энергией; 3) фосфорилированием-дефос-форилированием, т.е. ковалентной модификацией. Пируватдегидрогеназный комплекс неактивен в фосфорилированном состоянии и активен в дефосфорилированном. Дефосфорилирование усиливается при высоком содержании пирувата( пируват же ингибирует фос-форилирование), т.е. пируват является активатором. 

Пируватдегидрогеназа содержит связанный тиаминпирофосфат, а дигидроли-поилдегидрогеназа - связанный FAD. Липоиллизиновые группы центрального фермента пируватдегидрогеназного комплекса, имеющие длину около 1 4 нм, функционируют как поворотные кронштейны, переносящие атомы водорода и ацетильные группы от одной ферментной молекулы комплекса к другой. 

Кепгоглутаратдегидрогеназа катализирует окислительноедекарбоксилирование а. Мультиферментный комплекс а-кетоглутаратдегидрогеназы похож на пируватдегидрогеназный комплекс. Окислительное декарбоксилирование а-кетоглутарата протекает аналогично окислительному декарбоксилированию пирувата. 

Из цитозоляпируват транспортируется в митохондрии с помощью специального переносчика, который обеспечивает транспорт молекул пирувата через внутреннюю мембрану митохондрий по механизму симпорта с протоном. Превращение пирувата в ацетил - КоА катализирует мультиферментныйпируватдегидрогеназный комплекс. Перемещение индивидуальных ферментов в комплексе ограничено. Промежуточные продукты превращений пирувата не отделяются от мультиферментного комплекса. 

Цикл трикарбоновых кислот

Трикарбоновых кислот цикл (цикл Кребса), циклическая последовательность ферментативных реакций (схема 1; названия неионизированных форм кислот см. в ст. Обмен веществ), в которых осуществляются превращения ди- и трикарбоновых кислот, образующихся как промежут. продукты в организме животных, в растениях и микробах.

Схема 1. Цикл трикарбоновых кислот.

Одновременно цикл трикарбоновых кислот, путь окислениядо СО₂ и Н₂О аминокислот, жирных кислот иуглеводов. которые вступают в этот цикл на разл. его стадиях (схема 2). Кроме того, образующиеся ди- и трикарбоновые кислоты могут быть исходными субстратами вбиосинтеземн. соед. (схема 3). Так, оксалоацетат - субстрат вглюконеогепезе; сукцинил-КоА - промежуточный продукт в синтезе порфиринов, ацетил-КоА-в синтезе жирных кислот,стероидов,ацетилхолина. Образующийся в цикле СО₂ используется в реакциях карбоксилированияв синтезе жирных кислот,орнитиновом циклеи др. Участие цтк вбиосинтезеикатаболизмемн. веществ обусловливает его важное место в обмене веществ.

Трикарбоновых кислот цикл широко распространен у всех аэробных организмов, у эукариот (все организмы, за исключением бактерий и синезеленыхводорослей) он осуществляется в митохондриях.

Суммарная реакция трикарбоновых кислот цикла у животных имеет вид:

CH₃C(O)SKoA + 3НАД + ФАД + ГДФ + F + Н₂О : : 2СО₂ + 3НАДН + ФАДН + ГТФ + 2Н + KoASH

НАДН и НАД, ФАДН и ФАД-соответственно восстановленные и окисленные формы коферментаникотинамидадениндинуклеотида (см.Ниацин) и коферментафлавинадениндинуклеотида(см.Рибофлавин); ГДФ и ГТФ-соотв. гуанозинди- и гуанозинтрифосфат, Ф-неорг. фосфат, KoASH-кофермент А.

НАДН и ФАДН, образующиеся в цикле, окисляются в цепи переноса электронов(см.Дыхание. Окислительное фосфорилирование) с образованием АТФ, который играет важную роль в энергетич. обмене.

В реакции 1 цикла, катализируемой цитрат- оксалоацетатлиазой, CH₃C(O)SKoA стерео специфично конденсируется с карбонильной группой оксалоацетата с образованием цитрата и свободного KoASH. Реакция сопровождается значительным изменением свободной энергии (DG⁰ — 32,24 кДж/моль) и является практически необратимой. Активность митохондриального ферментау дрожжей ингибируется АТФ.

Реакция 2 цикла, катализируемая аконитатгидратазой, изомеризация цитрата в изоцитрат путем последовательной дегидратации - регидратации через промежут. образование цис-аконитата. Реакция обратима, равновесие сдвинуто в сторону синтеза цитрата, однако в условиях непрерывного функционирования цикла конечным продуктом реакции является изоцитрат.

В реакции 3, катализируемой НАД- или НАДФ-зависимой изоцитратдегидрогеназой, происходит дегидрированиеизо-цитрата приатомеС-2 с одновременным декарбоксилированием и образованием 2-оксоглутарата и СО₂.

Реакция 4 катализируется мультиферментным 2-оксоглутаратдегидрогеназным комплексом, состоящим из трех осн. ферментов: 2-оксоглутаратдегидрогеназы, дигидролипоилсукцинилтрансферазы и дигидролипоилдегидрогеназы.

Схема 2. Цикл трикарбоновых кислот и катаболич. реакции. Двойными стрелками отмечены многостадийные реакции; семиальдегиды кислот ω-оксокислоты.

Сукцинил-КоА в реакции 5, катализируемой сукцинил-КоА-синтетазой, подвергается распаду, в результате которого энергия тиоэфирной связи сукцинил-КоА запасается в виде синтезированного нуклеозидтрифосфата (у бактерий, грибов, растений-АТФ, у животных - ГТФ).

В реакции 6, катализируемой сукцинатдегидрогеназой, происходит превращение сукцината в фумарат. Фермент входит в состав более сложного сукцинатдегидрогеназного комплекса (комплекса II) дыхат. цепи, поставляя восстановит.эквиваленты, образующиеся в реакции, в дыхат. цепь.

Фумаратгидратаза, катализирующая реакцию 7, осуществляет гидратированиефумарата с образованием L-малата. Активностьферментаингибируется АТФ.

Последняя реакция цикла, 8, катализируется L-малатдегидрогеназой; L-малат при этом превращается в оксалоацетат, который может взаимодействовать с новой молекулой ацетил-КоА. Реакция обратима, равновесие сдвинуто в сторону образования L-малата (DG⁰ +29,73 кДж/моль), но в условиях функционирования цикла конечным продуктом реакции является оксалоацетат.

У большинства растений, тесное сопряжение цикла с дыхательной цепью преодолевается развитием альтернативных несопряженных путей окисления, позволяющих поддерживать дыхательная активность и активность трикарбоновых кислот цикла на высоком уровне даже в условиях высокого фосфорильного потенциала.

Глиоксилатный цикл

Глиоксилатный цикл -  последовательность биохимических превращений уксусной кислоты, промежуточным продуктом которых является глиоксиловая кислота (СНОСООН). Г. ц. — видоизменённый Трикарбоновых кислот цикл (ТКЦ); наблюдается у микроорганизмов, растущих на среде, содержащей в качестве единственного источника углерода уксусную кислоту, а также у плесневых грибов и некоторых растений. Г. ц. начинается с конденсации щавелевоуксусной кислоты с ацетил-КоА в лимонную кислоту, которая через цис-аконитовую кислоту переходит в изолимонную. Последняя распадается на янтарную кислоту и глиоксиловую кислоту, которая затем, конденсируясь с новой молекулой ацетил-КоА, превращается в яблочную кислоту. Эти две реакции катализируют характерные для Г. ц. ферменты: изоцитратлиаза и малатсинтаза. Яблочная кислота, как и в ТКЦ, превращается в щавелевоуксусную кислоту.

         Г. ц. можно рассматривать как механизм регенерации промежуточных продуктов ТКЦ. У высших растений малатсинтаза и особенно изоцитратлиаза присутствуют в тканях, активно расщепляющих жиры.