
Полезные материалы за все 6 курсов / Ответы к занятиям, экзаменам / Биохимия для чайников
.pdfРазные аминокислоты |
|
Пируват^ |
|
Лактат |
||||
Пируваткарбоксилаза |
S' |
АДФ + Р, |
|
|||||
|
|
Mg2+ |
||||||
|
|
|
со2 |
> |
|
АТФ |
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
||
Разные аминокислоты |
- |
Оксалоацетат— |
|
|
||||
|
|
со2 |
|
f |
ГДФ + Р, |
|
||
|
|
|
|
|
^ |
|
|
|
Фосфоэнолпируваткарбокиназа |
-ГТФ |
|
|
|||||
|
|
Фосфоэнолпируват |
|
|
||||
|
|
Энолаза |
Н20 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
2-фосфоглицерат |
|
|
||||
Фосфоглицеромутаза |
|
|
|
|
||||
|
|
3-фосфоглицерат |
|
|
||||
Фосфоглицераткиназа |
s~ |
АТФ |
|
|
||||
|
АДФ + Р, |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
1,3- бифосфоглицерат |
|
|||||
|
|
|
|
НАДН |
|
|
||
Глицеральдегид-З-фосфат |
Глицеральдегид-З-фосфатдегидрогеназа |
|||||||
ндд |
|
|
|
ч |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Триозофосфатизомераза |
|
|
ч |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Дигидроксиацетонфосфат **— |
|
|
Глицерол |
\ |
||||
Р, |
|
н2о |
|
|
|
|
Адолаза / |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Фруктоза- 5-фосфат |
Фруктоза-1,6-бифосфат |
|
|
|||||
Фосфоглюкоизомераза |
|
л, |
|
|
||||
Глюкоза-6-фосфат |
„ |
гw- |
= |
= |
Глюкоза |
|||
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Н20 |
|
|
|
Р |
|
|
Рис. 13.3.Этапы глюконеогенеза |
||||||||
ГЛАВА 13 |
АТФ: энергетическая единица организма 231 |
На первом этапе спиртового брожения пируват подвергается декарбоксили-
рованию с образованием углекислого газа и ацетальдегида. Фермент пируват- декарбоксилаза вместе с кофактором в виде ионов Mg2+ и ТПФ (триаминпи-
рофосфат) катализирует этот шаг. Преобразование ацетальдегида до этанола катализируется с помощью фермента алкогольдегидрогеназы вместе с кофер- ментом НАДН. Рис. 13.4 дает общее представление об этапах процесса.
1. Реакция пируватдекарбоксилазы
ЧС А |
|
|
|
|
О |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ТПФ |
со2 |
|
сн3 |
-С |
^н |
с |
о |
Mg2+ |
+ |
||||
|
|
|
|
||||
сн3 |
|
|
|
|
Ацетальдегид |
||
Пируват |
|
|
|
|
|
|
|
2. Реакция алкогольдекарбоксилазы |
|
|
|
|
О |
||
О |
|
|
|
|
|
|
|
|
Zn2+ |
|
|
|
|
|
|
сн3 -с |
|
|
|
|
|
сн3 -с |
|
|
|
|
|
|
|
||
н |
|
|
|
|
|
он |
|
|
|
|
|
|
|
Этанол |
|
Ацетальдегид |
НАДН + Н+ |
НАД+ |
|
||||
|
|
||||||
|
|
|
|
Рис. 13.4.Этапы спиртового брожения
Метаболизм второго типа:цикл
лимонной кислоты (Кребса)
Цикл лимонной кислоты и окислительное фосфорилирование — это аэроб-
ные процессы катаболизма, которые приводят к высвобождению энергии
(АТФ). Цикл лимонной кислоты еще называют циклом Кребса, или циклом
трикарбоновых кислот (ТКК). Молекула, с которой все начинается в этой
цепи реакций, — ацетил-СоА (сокращенно от ацетил-коэнзим А). Источником
ацетил-СоА выступает пируват, полученный в процессе гликолиза, отдельные
аминокислоты или жирные кислоты, входящие в состав жиров. Структура аце- тил-СоА показана на рис. 13.5. Примечание: Описанные процессы протекают в митохондриях — клеточных энергетических фабриках.
232 ЧАСТЬ 4 Биоэнергетическая химия и метаболизм
Фосфорилированный АДФ
|
|
|
|
|
|
|
|
N H2 |
|
|
|
|
|
|
N |
|
с |
|
|
|
|
|
|
С |
N |
|
|
|
|
|
|
|
// |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Н С\ |
с |
сн |
Г |
|
|
|
о— |
|
|
|
N^ |
о |
|
о |
сн2 |
о |
|
|
||
|
сн2 |
о |
о |
|
С н |
Н С |
|
|
СН3-С СН3 |
|
|
НVсI |
сI 4Н |
|
|
||
|
|
о |
он |
|
|
|||
|
НС |
он |
|
о |
> |
о |
|
|
Пантотенат |
|
|
|
|
о |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
NH |
|
|
|
|
|
|
|
|
сн2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
сн2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
с=о |
|
о |
|
|
|
|
|
V |
1 |
CH2-CH2-S |
1 |
СН3 |
|
|
|
|
^ |
HN |
С |
|
|
|
V J
J
Цистеин Ацетил
Рис. 13.5. Структура ацетил-СоА
Выступая источником энергии, ацетил-СоА также является стартовым мате- риалом для синтеза множества биомолекул. В следующих нескольких разделах мы обсудим цикл лимонной кислоты. В общих чертах этот цикл проиллюстри- рован на рис. 13.6, а его структуры — на рис. 13.7.
Пожалуй начнем:синтез ацетил-СоА
Синтез молекулы ацетил-СоА — это многоэтапный процесс. Этапы объеди-
няются по принципу “ захвата” энергии, полученной в результате декарбокси- лирования. На первом этапе пируват соединяется с ТПФ (тиаминпирофосфа- том) и подвергается декарбоксилированию. Катализатором этого этапа высту- пает компонент мультиферментного комплекса — пируватдегидрогеназа. На втором этапе производная ТПФ окисляется и образует ацетильную группу, ко- торая перемещается к липоамиду. В этой реакции образуется ацетиллипоамид,
ГЛАВА 13 АТФ: энергетическая единица организма 233
а окислителем является дисульфидная группа липоамида. Эту реакцию ка-
тализирует все та же пируватдегидрогеназа. На завершающем шаге ацетиль-
ная группа ацетиллипоамида переходит к коэнзиму А, чтобы образовать аце-
тил-СоА. Катализатором этой реакции выступает дигидролипоилтрансаце-
тилаза (другой компонент пируватдегидрогеназного комплекса). На рис. 13.8
показан упрощенный вариант всех этапов процесса.
о
сн3-с— |
СоА |
СоА |
|
Цитрат
н20
Оксалоацетат
|
|
|
Изоцитрат |
|
|
НАДН |
|
|
|
НАДд*\ |
|
|
|
|
|
НАДН |
I |
НАД+ |
|
|
|
С02 |
|
|
|
|
|
а-кетоглутарат |
|
Малат |
|
|
|
НАД+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
СоА |
НАДН |
|
|
|
|
|
|
|
|
Фумарат |
Сукцинил-СоА |
|
|||
|
СоА |
|
|||
|
Сукцинат |
|
|
|
|
ФАДН2 |
|
ГДФ |
+ |
Р |
|
ФАД |
|
, |
|
||
|
ГТФ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 13.6. Цикл лимонной кислоты (Кребса) |
|
|
||
234 ЧАСТЬ 4 |
Биоэнергетическая химия и метаболизм |
|
|
|
V
с |
/о |
|
с\ |
с |
/ |
\и |
||
(:и2 |
|
|
/
Цитрат
\S СоА
СН2
сН2
ОО
Сукцинил-СоА
\СЛ
сн2 |
/о |
н с! |
|
но — сI — |
н Q- |
/оI
Изоцитрат
г\оi
сн2
сн2
О/чО
Сукцинат
\с/'
:н2
^Н2
О•"Ч
/Ч
а-кетоглугарат
\
н
Сн
О/\О
Фумарат
\с'' О" |
о\ |
' |
|
но — с — н |
о=с |
сн2 |
сн2 |
о/чо |
о/\о |
Малат Оксалоацетат
Рис. 13.7.Структуры молекул,участвующих в цикле лимонной кислоты
ГЛАВА 13 АТФ: энергетическая единица организма 235
с |
|
со2 |
2 е |
|
лсн3- |
о |
|
сн3-с— |
о |
сн3- |
|
Пируват |
|
Декарбоксилирование |
Окисление |
|
|
|
СоА |
|
|
|
Перенос к СоА |
сн3- S СоА
Ацетил-СоА
Рис. 13.8.Упрощенная схема поэтапногообразования ацетил-СоА
Однако на образовании ацетил-СоА процесс не завершается. Окисленная форма липоамида должна восстановиться. Катализирует этот шаг фермент
дигидролипоилдегидрогеназа. Два электрона при окислении перемещаются к ФАД, а затем — к НАД+. Важные промежуточные вещества, образуемые на этом шаге, показаны на рис. 13.9.
NH2
|
|
|
|
СИ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
сн2 „ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
|
|
V\^ js |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
•С \ |
|
|
/с"с\ |
|
|
у |
\ |
\ |
|
||
СН3 |
|
N |
|
СН3 |
сн, -сн, |
0 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0;/ |
|
||
|
|
|
|
Тиаминпирофосфат (ТПФ) |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
сн2 |
|
|
|
|
HS |
|
сн2 |
|
|
|
S |
|
\ |
|
|
|
|
|
|
\ |
|
|
|
|
/сн2 |
|
|
|
|
|
|
с/сн2 |
|
|
|
|
S |
|
|
СИз *ч |
С |
S |
|
|
|
|||
|
|
|
С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
н/ 4 4* R |
|
|
О |
|
н |
R |
|
|
|||
|
Липоамид |
|
Ацетиллипоамид |
|
|
|||||||
|
Рис. 13.9.Структуры ТПФ |
липоамида и |
ацетиллипоамида |
|
|
|||||||
|
|
|
|
, |
|
|
|
|||||
236 ЧАСТЬ 4 |
Биоэнергетическая химия и метаболизм |
|
|
|
Трое — это уже толпа: трикарбоновые кислоты
Включаясь в цикл лимонной кислоты, ацетил-СоА взаимодействует с окса- лоацетазой в присутствии цитратсинтазы. Это взаимодействие приводит к пе-
реносу ацетильной группы от цитрата к оксалоацетату. Гидролиз тиоэфирной связи ацетил-СоА высвобождает огромное количество энергии.
Фермент аконитаза с кофактором Fe2+ катализирует изомеризацию цитра-
та до изоцитрата. Долгое время считалось, что неотъемлемой частью цикла
лимонной кислоты является цис-аконитаза, производная аконитазы. Однако оказалось, что промежуточной структурой в образовании изоцитрата и частью цикла лимонной кислоты выступает вещество цис-аконитат. Структура цис- аконитата показана на рис. 13.10.
С
сн2 |
// |
|
с |
\- |
|
с |
||
н О |
||
Рис. 13.10.Структура |
0 |
|
цис-аконитата |
|
Окислительное декарбоксилирование
Следующий шаг заключается в преобразовании изоцитрата в а-кетоглутарат
с промежуточным состоянием, представленным оксалосукцинатом. Изоцитрат связывается с ферментом изоцитратдегидрогеназой. В это же время кофермент
НАД+ подвергается реакции восстановления. Как АТФ, так и НАДН относятся
к отрицательным факторам аллостерической регуляции активности изоцитрат-
дегидрогеназы, а АДФ выступает ее положительным фактором. Это важный
механизм регуляции в производстве АТФ.
Получение сукцината и ГТФ
Преобразование а-кетоглутарата в сукцинат проходит в два этапа. Для обра-
зования комплекса а-кетоглутарат должен связаться с а-кетоглутаратдегидро- геназой. Для реакции необходимы те же кофакторы, что и при образовании ацетил-СоА. В результате ее проведения удаляется углекислота и образуется
ГЛАВА 13 АТФ: энергетическая единица организма 237
сукцинил-СоА. В физиологических условиях этот процесс является необра- тимым.
На втором этапе сукцинил-СоА отделяется, чтобы образовать сукцинат и выделить энергию, которая используется при превращении ГДФ в ГТФ. Та-
кое фосфорилирование субстрата катализируется сукцинил-СоА-синтетазой. (В ГТФ содержится примерно столько же энергии, как и в АТФ; эта молекула может замещать АТФ.)
Восстановление оксалоацетата
Восстановление оксалоацетата завершает цикл, для чего требуется проведе- ния трех реакций, которые сообща превращают метилен в карбонильную груп-
пу. Во-первых, атом водорода удаляется из каждых двух соседних атомов угле-
рода, что в итоге приводит к образованию двойной связи. Потом к этой связи
добавляется молекула воды. Наконец, удаление двух атомов водорода приводит
к образованию соответствующей а-кетоновой группы. Сукцинатдегидрогеназа
катализирует первую из этих реакций. Простетическая группа, ФАД, принима-
ет два атома водорода посредством ковалентных связей, образованных с фер- ментом. Следующий этап катализируется фумаразой. Финальное окисление
выполняется с участием фермента малатдегидрогеназы с двумя коферментами НАД+. Оксалоацетат готов включиться в цикл заново.
Аминокислоты как источник энергии
Процесс получения энергии из аминокислот начинается с удаления ами-
ногруппы. Обычно эта реакция связана с трансаминированием — переходом
аминогруппы от одной молекулы к другой. Ему подвергаются все аминокисло- ты, кроме треонина, пролина и лизина. Обычно аминогруппы переходят к угле- род-связанному кетоновому комплексу а-кетоглутарата, оксалоацетата или пи- рувата, чтобы образовать соответственно глутамат, аспартат или аланин . Здесь
востребованными оказываются специфические трансаминазы, а катализаратором процесса выступает кофермент пиридоксальфосфат. Второе трансаминирование выполняется как часть процесса преобразования аспартата и аланина в глутамат.
В процессе окислительного дезаминирования глутамат преобразуется в
а-кетоглутарат. В результате этого процесса, изначально возникающего в пече-
ни, высвобождаются ионы аммония. Обратная реакция — синтез глутамата — представляет одну или несколько реакций, протекающих у животных, в кото- рых неорганический азот заключается в органическую форму. Ион аммония,
полученный в окислительном дезаминировании, может принимать участие в
одной или нескольких каскадных биохимических реакциях или в цикле обра-
зования мочевины. У большинства позвоночных ион аммония преобразуется до мочевины, которая выводится с мочой. Большинство морских организмов,
238 ЧАСТЬ 4 Биоэнергетическая химия и метаболизм
включая рыб, выделяют аммиак непосредственно, в то время как птицы, насе-
комые и рептилии преобразуют аммоний в мочевую кислоту.
Продукты трансаминирования, окислительного дезаминирования и даль-
нейшего преобразования остатков аминокислот являются промежуточными
веществами в гликолизе или цикле лимонной кислоты. Такую участь постига- ют все аминокислоты — некоторые из них выступают промежуточным соеди-
нением только единожды, в то время как другие — заметно чаще. На рис. 13.11
Глюкоза
Лейцин
Лизин
Фенилаланин
у.Тирозин j
< г
Ацетоацетил-СоА
Фенилаланин
Тирозин
Изолейцин
Метионин
Треонин
Валин
' -
Пируват
Ацетил-СоА
Оксалоацетат
Сукцинил-СоА
”Аланин
Цистеин
лÿ;8F8=
Серин
. Треонин
Изолейцин
Лейцин
Триптофан
Цитрат
Изоцитрат
а-кетоглутарат
Аргинин
Глутамат
Глутамин
Гистидин
Пролин
Рис. 13.11.Роль аминокислот в гликолизе
ГЛАВА 13 АТФ: энергетическая единица организма 239
