Слесарев. Основы Химии живого

Д е г и д р а т и р о в а н и е

SKoA

бутирилкофермент А

В итоге этого цикла окислительно-восстановительных реак­ ций, катализируемых мультиферментным ансамблем и сопря­ женных с гидролизом АТФ, происходит удлинение углеродной цепи на два атома углерода. Затем опять происходит конденса­ ция бутирилкофермента А с оксидом углерода(1У) и повторение последующих реакций цикла. Биосинтез пальмитиновой кисло­ ты включает 7 подобных циклов. Суммарное уравнение биосин­ теза пальмитиновой кислоты из ацетилкофермента А можно представить следующим образом:

SKoA

+ 6Н20 + 8 HSK0 A

19.4.2. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ ЖИРНЫХ КИСЛО Т

Жирными кислотами называют как предельные, так и не­ предельные высшие карбоновые кислоты, углеводородная цепь которых содержит более 12 углеродных атомов. В организмах окисление жирных кислот - чрезвычайно важный процесс, и оно может быть направлено на а-, (3- и со-углеродные атомы мо­ лекул карбоновых кислот. Среди этих процессов наиболее часто происходит |3-окисление.

Р-Окисление жирных кислот. Образующиеся при гидролизе жиров карбоновые кислоты подвергаются Р-окислению в мито­ хондриях, куда они поступают в виде соответствующих ацилкоферментов А. Р-Окисление жирных кислот включает после­ довательность окислительно-восстановительных реакций, пред­ ставленных ниже:

502

I реакция. Д е г и д р и р о в а н и е

НCOSKoA

IIреакция. Гидратация

I реакция заключается в дегидрировании по а- и Р-углерод- ным атомам при участии окисленной формы кофермента ФАД, которая выступает окислителем. Реакция протекает стереоспецифично, и ее продуктом является транс-изомер ненасыщенной кислоты.

II реакция состоит в присоединении молекулы воды по возник­ шей двойной связи. При гидратации транс-алкенового фрагмента образуется оптический L-изомер Р-оксикарбоновой кислоты.

503

III реакция включает дегидрирование спиртового фрагмен­ та, которое осуществляется соответствующей дегидрогеназой и окисленной формой кофермента НАД*. В результате окисления образуется Р-оксокислота, из-за чего весь процесс в целом назы­ вается Р-окислением.

IV реакция, катализируемая тиолазой, сопровождается вну­ тримолекулярным окислительно-восстановительным расщепле­ нием связи CpG^ с отщеплением ацетилкофермента и присоеди­ нением компонентов кофермента А по месту разрыва межуглеродной связи.

Четыре рассмотренные реакции процесса Р-окисления состав­ ляют цикл, в ходе которого происходит укорочение углеродной цепи жирной кислоты на два углеродных атома. Один из воз­ никших продуктов окисления стеариновой кислоты - пальмитилкофермент А - вновь подвергается Р-окислению путем повто­ рения рассмотренного цикла реакций. Другой продукт реакции - ацетилкофермент А - обычно вступает в реакции цикла Кребса с образованием конечных продуктов катаболизма СО2 и Н2 О.

Таким образом, Р-окисление жирных кислот имеет цикли­ ческий характер. Каждый цикл состоит из четырех реакций, а число циклов зависит от длины углеводородной цепи карбоно­ вой кислоты. При Р-окислении одной молекулы стеариновой кислоты параллельно образуется 40 молекул АТФ, а при пол­ ном окислении этой кислоты до СО2 и Н2 О, т. е. включая цикл Кребса, образуется всего 146 молекул АТФ. Это свидетельствует о важности процессов окисления жирных кислот с позиции энергетики организма.

а-Окисление жирных кислот. В растениях под действием ферментов происходит окисление жирных кислот по а-углерод- ному атому - а-окисление. Это окисление тоже имеет цикличе­ ский характер, причем цикл состоит из двух реакций.

I реакция заключается в окислении жирной кислоты перок­ сидом водорода с участием соответствующей пероксидазы в со­ ответствующий альдегид и СО2 :

В результате этой реакции углеводородная цепь укорачива­ ется на один углеродный атом.

II реакция состоит в гидратации и окислении образовавше­ гося альдегида в соответствующую карбоновую кислоту под дей­ ствием альдегидодегидрогеназы с окисленной формой кофер­ мента НАД+:

504

Затем цикл а-окисления повторяется снова. а-Окисление высших жирных кислот характерно только для растений.

оо-Окисление жирных кислот. В печени животных и у неко­ торых микроорганизмов существует ферментная система, обеспе­ чивающая со-окисление, т. е. окисление по концевой СНз-группе, обозначаемой буквой со, углеводородного радикала жирных ки­ слот. Сначала под действием монооксигеназы происходит гидроксилирование с образованием со-оксикислоты:

ЙНз—r —соон + "О" JSSSS5S5SSSU Ho 6 h 2 - r - c o o h

со-оксиквслота

Далее ю-оксикислота окисляется в ш-дикарбоновую кислоту:

—► НООС—R— СООН + 2НАД(Н) + 2Н+

(о-дикарбоновая кислота

Полученная со-дикарбоновая кислота укорачивается с любо­ го конца посредством реакций |3-окисления.

Окисление прямоцепочечных жирных кислот, которые обыч­ но имеются в живых системах, протекает гладко по любому из разобранных методов. Если же углеводородная цепь жирной ки­ слоты имеет разветвление, то ее биологическое окисление пре­ кращается, дойдя до места разветвления цепи. Это следует учи­ тывать при работе с синтетическими карбоновыми или суль­ фокислотами и их производными, имеющими разветвленную углеводородную цепь или содержащими фрагменты с бензольным кольцом, которые применяются как синтетические моющие средства (разд. 27.3.3). Их неполное окисление приводит к про­ дуктам, сохраняющим частично поверхностно-активные свойст­ ва. Загрязнение водоемов этими продуктами, способствующими пенообразованию на поверхности, приводит к резкому ухудше­ нию газообмена в таких водоемах.

19.4.3. РЕАКЦИИ ЦИКЛА КРЕБСА

Конечным продуктом Р-окисления жирных кислот в мито­ хондриях является ацетилкофермент А. Полное окисление его ацетильного остатка до С02 и Н20 осуществляется другим мультиферментным ансамблем, обеспечивающим протекание серии реакций, которая называется циклом Кребса. За открытие этого цикла Г. Кребс стал в 1953 г. лауреатом Нобелевской премии. Цикл Кребса также называют циклом лимонной кислоты или циклом ди- и трикарбоновых кислот.

Мультиферментный ансамбль цикла Кребса, так же как ан­ самбли ферментов Р-окисления жирных кислот, электронотранс­

505

портной цепи (ЭТЦ) и синтеза АТФ, расположен на внутренней мембране митохондрий. Все указанные ансамбли ферментов со­ пряжены друг с другом не только за счет единой мембраны, но и благодаря тому, что возникающие продукты одного ансамбля необходимы для деятельности других.

Заключительный этап окисления ацетильного фрагмента ацетилкофермента А до СО2 и Н2 О начинается с конденсации ацетилкофермента А с оксалоацетатом, т. е. анионом щавелево­ уксусной кислоты (рис. 19.2). Участвующие в цикле ди- и трикарбоновые кислоты в митохондриях находятся в виде анионов (pH —6 -г- 7), поэтому все реакции цикла Кребса даны для ани­ онных форм.

I стадия является реакцией нуклеофильного присоединения (An) ацетилкофермента А по двойной связи карбонильной группы оксалоацетата, сопровождаемой окислительно-восстановительной дисмутацией, на что указывает изменение степеней окисления углеродных атомов. Образующийся цитрилкофермент А легко гидролизуется до цитрата (аниона лимонной кислоты) и кофермента А:

II стадия заключается в изомеризации цитрата в изоцитрат, которая осуществляется за счет двух последовательных реак­ ций: дегидратации исходного цитрата и гидратации образующе­ гося промежуточного продукта:

цитрат

”ООССН2ч 2 —► .СН—СН—ООО”

1 1 1 а стадия - дегидрирование (окисление) изоцитрата дегид­ рогеназой с окисленной формой кофермента НАД+ с образова­ нием оксалосукцината:

506

+НАД(Н) + Н+

вЭТЦ для образования трех молекул АТФ

III6 стадия - декарбоксилирование оксалоацетата в 2 оксоглутарат в результате внутримолекулярной дисмутации:

“ООССН2

IV стадия является реакцией окислительного декарбоксилирования, происходящей под действием двух коферментов: НАД+ (окислитель) и HSKoA - и сопровождаемой межмолекулярной дисмутацией. На этом заканчивается afan окисления ацетильного остатка ацетилкофермента до СО2 и HjO:

““ООС(СН2 )2 —С—900- + Н£Д+ + HSKoA

V стадия заключается в гидролизе сукцинилкофермента А. Это - экзэргоническая реакция, с которой сопряжен синтез од­ ной молекулы АТФ:

VI стадия является реакцией дегидрирования сукцината в фумарат дегидрогеназой с окисленной формой кофермента ФАД, сопровождаемой межмолекулярной дисмутацией:

507

VII стадия заключается в стереоспецифическом присоедине­ нии молекулы воды по кратной межуглеродной связи с образо­ ванием исключительно L-малата (аниона L-оксиянтарной ки­ слоты). Эта реакция сопровождается внутримолекулярной дисмутацией:

VIII стадия, сопровождаемая межмолекулярной дисмутацией, приводит к регенерации оксалоацетата за счет дегидрирова­ ния L-малата дегидрогеназой и окисленной формой кофермента

НАД+:

Н

Образовавшийся оксалоацетат опять вступает в реакцию (I стадия) с новой молекулой ацетилкофермента А. Таким обра­ зом, из 11 реакций цикла Кребса девять сопровождаются окис- лительно-восстановительной дисмутацией за счет углеродных ато­ мов, причем пять имеют межмолекулярный, а четыре - внут­ римолекулярный характер.

Кратко и наглядно схема превращения ацетилкофермента А

иоксалоацетата в цикле Кребса представлена на рис. 19.2.

Врезультате реакций одного цикла Кребса образуется 12 мо­ лекул АТФ, из них одна молекула синтезируется в результате экзэргонической реакции стадии V, а остальные - за счет окис­ ления образовавшихся трех молекул НАД(Н) и одной молеку­ лы ФАД(2Н), которое протекает в электронотранспортной це­ пи. Всего за счет полного окисления одной молекулы стеари­ новой кислоты С^НзбСООН, включая реакции ее Р-окисления (разд. 19.4.2) и цикла Кребса, в митохондрии синтезируется

146 молекул АТФ, а пальмитиновой кислоты C1 5 H3 iCOOH - 129 молекул АТФ.

Работа ансамбля ферментов цикла Кребса чрезвычайно на­ дежна, так как не известны патологические состояния, связан­ ные с недостатком активности какого-либо из этих ферментов. Это указывает на важность реакций цикла Кребса для организ­ ма и хорошую их защищенность от внешних воздействий.

508

Рис. 19.2. Схема превращений в цикле Кребса

19.5.КИСЛОТЫ АРОМАТИЧЕСКОГО РЯДА

ИИХ ПРОИЗВОДНЫЕ КАК ЛЕКАРСТВЕННЫЕ СРЕДСТВА

Среди многообразия фармакологических средств особое место занимают производные бензола, кислоты ароматического ряда. Прежде всего это производные салициловой (о-гидроксибензой- ной) кислоты, я-аминобензойной кислоты, я-аминобензолсульфо- кислоты и я-аминофенола.

Салицилаты, содержащиеся в листьях ивы, использовались врачами еще в древние времена как обезболивающие и ослабляющие лихорадку соединения. Сама салициловая кислота оказыва­ ет жаропонижающее, антигрибковое, антиревматическое и бо­ леутоляющее действие. Однако как сильная кислота (рКа = 2,98) она раздражает слизистую желудка и поэтому внутрь применяет­ ся в виде производных: солей, эфиров или амидов.

509

Салициловая кислота образует производные по каждой функ­ циональной группе:

Наиболее широкое распространение в медицинской практике нашел аспирин, синтезированный еще в 1869 г., который менее токсичен, чем салицилат натрия. Ацетилсалициловая кислота в организме легко подвергается гидролизу с освобождением сали­ циловой кислоты. Метилсалицилат из-за раздражающего дейст­ вия используется наружно в виде мазей. Фенилсалицилат (салол) применяется как дезинфицирующее средство при кишечных за­ болеваниях, так как в кислой среде желудка не гидролизуется. Салициламид лучше переносится, чем другие салицилаты, и труднее гидролизуется.

Кроме перечисленных производных салициловой кислоты большое значение имеет натрий п-аминосалицилат (ПАСК) как противотуберкулезное средство.

ОН NHR

510