Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
БХ учебник Николаев.pdf
Скачиваний:
579
Добавлен:
02.05.2015
Размер:
15.53 Mб
Скачать

2 3 8

Часть II. Обмен веществ и энергии

котором полупродукт передается непосредственно от машины к машине. Такая организация пируватдегидрогеназного комплекса делает процесс более эффек­ тивным: промежуточные продукты не освобождаются в раствор и, следователь­ но, устраняется зависимость встречи реагирующих веществ от диффузии и слу­ чайности.

Пируватдегидрогеназный комплекс — митохондриальный фермент: он соеди­ нен с внутренней мембраной со стороны матрикса; иируват поступает к комплек­ су из матрикса, и сюда же освобождаются ацетил-КоА и НАДН.

Цитратный цикл

В цикле лимонной кислоты (цитратный цикл, цикл Кребса, цикл трикарбоксильных кислот) ацетильный остаток, входящий в ацетил-КоА, образует ряд первич­ ных доноров водорода. Дагее водород при участии дегидрогеназ поступает в ды­ хательную цепь. В результате сопряженного действия цитратного цикла и дыха­ тельной цепи ацетильный остаток окисляется до CO, и H2O.

Процесс начинается с конденсации ацетильного остатка (из ацетил-КоА) и оксатоацетата (щавелевоуксусной кислоты) при участии цитратсинтазы; в реак­ ции образуется лимонная кислота:

COOH

COOH

I

I

CH,— С— S-KoA + C = O + H7O -> H O - C - C H 2-C O O H + HS-KoA

3 Il

I

I

О

CH,

CH,

 

I 2

I 2

 

COOH

COOH

 

оксалоацетат

нитрат

Лимонная кислота изомеризуется в изолимонную кислоту’ при участии аконитазы (в качестве промежуточного продукта в составе фермент-субстратного комп­ лекса образуется аконитовая кислота). Далее при действии изоцитратдегидрогеназы изолимонная кислота дегидрируется и одновременно декарбоксилируется, превращаясь в а-кетоглутаровую кислоту:

COOH

COOH

 

COOH

1

1

НАд

,L

CH2

CH2

НАДН ^ H 2

н о — с — с о о н

-+ н е — с о о н

— —

CH2+ CO2

сн ,

н е — ОН

 

C = O

I 2

I

 

I

с о о н

с о о н

 

с о о н

цитрат

изоцитрат

 

а-кетоглутарат

Продукт последней реакции, подобно пирувату, представляет собой а-кетокис- лоту: общая формула для них R-CO-COOH. Подобно пирувату, а-кетоглутарат под­ вергается окислительному декарбоксилированию; это превращение катализирует а-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс, сходный по структуре и катализируе­ мым реакциям с пируватдегидрогеназным комплексом. Суммарный результат дей­ ствия а-кетоглутаратдегидрогеназного комплекса следующий:

Глава 8. Энергетический обмен

2 3 9

а-Кетоглутарат + HS-KoA + НАД+ -► Сукцинил-КоА + НАДН + H ++ C O 2.

Сукцинил-КоА — это аналог ацетил-КоА. Связь, соединяющая ацильные остат­ ки с KoA, является высокоэнергетической. В случае сукцинил-КоА энергия этой связи используется для образования высокоэнергетической связи ГТФ; реакцию катализирует сукцинаттиокиназа:

СООН

СООН

I

I

CH,

CH9

I ‘

I

CH2 + ГД Ф + H3PO4

CH, + HS-KoA + ГТФ

C = O

I

СООН

I

 

S-KoA

 

сукцинил-КоА

сукцинат

В составе фермент-субстратного комплекса KoA сначала замещается на фос­ фатный остаток, который затем переносится на ГДФ. Такой путь образования макроэргической связи нуклеозидтрифосфата называют субстратным фосфорилированием; его главное отличие от окислительного фосфорилирования — от­ сутствие предварительного превращения химической формы энергии в энергию электрохимического потенциала мембраны. Энергия ГТФ может трансформи­ роваться в энергию АТФ при действии нуклеозиддифосфаткиназы:

ГТФ + А ДФ - ГДФ + АТФ.

Однако в некоторых процессах в качестве источника энергии используется непосредственно ГТФ.

Последние три реакции цикла, катализируемые сукцинатдегидрогеназой, фумаразой и малатдегидрогеназой, завершаются регенерацией оксалоацетата:

СООН

I

CH7

I 2

CH,

 

соон

 

<|:оон

 

СООН

Q H 2

CH

+н2о

н с — о н

Н А Д + Н А Д Н

I

 

 

C = O

 

я

—►

I

 

I

 

CH

 

CH,

 

CH,

I ‘

СООН

СООН

I

СООН

соон

сукцинат

фумарат

малат

оксалоацетат

На рис. 8.11 представлена схема цитратного цикла как части общего пути ката­ болизма.

В общем пути катаболизма распадается трехуглеродное вещество — пировиноградная кислота; соответственно, образуется три молекулы CO2 (в расчете на I молекулу пирувата): одна при окислительном декарбоксилировании пирувата и две за счет окисления ацетильного остатка в цитратном цикле (реакции 3 и 4). Человек за сутки выделяет с выдыхаемым воздухом около 500 л углекислого газа; подавляющая часть его (примерно 90 %) образуется в общем пути катаболизма, в указанных трех реакциях.

Как уже говорилось, пируватдегидрогеназный комплекс фиксирован на внутрен­ ней поверхности внутренней мембраны митохондрий. Сукцинатдегидрогеназа час­

2 4 0

Часть II. Обмен веществ и энергии

тью своей молекулы выступает в матрикс, а частью — погружена во внутреннюю мембрану: в матриксной части находится центр связывания сукцината, а в погру­ женной — центр связывания убихинона. Все остальные ферменты цитратного цикла находятся в матриксе митохондрий.

CHr -C -C O O H

Оксалоацетат

ИАД.Н-Л о

НАД+-—'

 

 

Малат

Изоцитрат

 

 

• НАД+

H2O ■

CO,

-НАДН

Фумарат

а-Кетоглутарат

 

4-6

НАД+

Q

CO •

НАДН

 

 

Сукцинат

- Сукцинил-КоА

ГТФ

ГДФ+Н3Р 0 4

 

Рис. 8.11. Общий путь катаболизма

Роль общего пути катаболизма в энергетическом обмене

Общий путь катаболизма — это прежде всего путь поставки водорода органичес­ ких веществ в дыхательную цепь. При сгорании в калориметрической бомбе пируват окисляется в соответствии со следующим уравнением:

CH3-CO -C O O H + 2,5 O2 = 2Н 20 + ЗСОг + 1200 кДж/моль.

Вживой клетке энергия, заключенная в пирувате, извлекается иным путем —

сучастием реакций дегидрирования: всего в общем пути катаболизма происходит пять реакций дегидрирования, в которых участвует 10 атомов водорода. Ho пировиноградная кислота содержит только 4 атома водорода, т. е. только на две реак­ ции дегидрирования. Еще 6 атомов водорода поступает из двух молекул воды, по­ требляемых в реакциях цитратного цикла (реакции I и 9 на рис. 8.12), и из одноймолекулы воды, которая получается в реакции 7 при превращении ГДФ и H3PO4в ГТФ. Следовательно, водород трех молекул воды (в расчете на I молекулу пирува­ та) включается в метаболиты цитратного цикла и в конечном счете попадает в гидрированные коферменты — НАДН или QH 2.

Глава 8. Энергетический обмен

2 4 1

Для непрерывного протекания реакций общего пути катаболизма кофермен­ ты, перешедшие в восстановленное состояние, должны снова окислиться. Их окисление происходит путем переноса водорода с коферментов на атмосферный кислород в митохондриальной дыхательной цепи (см. рис. 8.1). Таким образом, общий путь катаболизма и дыхательная цепь представляют собой единый про­ цесс, и эти две его части не могут функционировать отдельно одна от другой.

Энергия переноса водорода с дегидрируемых субстратов общего пу ти катабо­ лизма на атмосферный кислород используется для синтеза АТФ. При переносе водорода с каждой молекулы НАДН в дыхательной цепи образуется 3 молекулы АТФ. В четырех реакциях дегидрирования в общем пути катаболизма образуется 4 НАДН; следовательно, синтезируется 4 x 3 = 1 2 молекул АТФ. В одной реакции (катализируемой сукцинатдегидрогеназой) водород переносится на убихинон; при дальнейшем переносе в дыхательной цепи в этом случае синтезируется 2 мо­ лекулы АТФ. И, наконец, в цитратном цикле происходит одна реакция субстрат­ ного фосфорилирования, дающая еще одну молекулу АТФ. Таким образом всего при распаде I моль пирувата образуется 15 моль АТФ. Отметим, что 3 из них обра­ зуются при окислительном декарбоксилировании пирувата и 12 — в цитратном цикле. Эти величины отражают теоретически возможный максимум синтеза АТФ; фактически АТФ синтезируется меньше, поскольку часть электрохимического потенциала расходуется на перенос разных веществ через мембрану при участии транслоказ.

Регуляция общего пути катаболизма

Как мы видели, скорость дыхания и фосфорилирования в митохондриях зависит от концентрации АДФ и в конечном счете определяется скоростью расходования АТФ (дыхательный контроль). В свою очередь, скорость реакций общего пути катаболизма, поставляющего водород в митохондрии, зависит от скорости дыха­ ния митохондрий и окислительного фосфорилирования. Один из механизмов этой зависимости уже отмечен выше — он связан с необходимостью регенерации НАД", которая происходит в результате передачи водорода с НАДН в дыхатель­ ную цепь митохондрий.

Кроме того, важную роль в регуляции общего пути катаболизма в целом играет регуляция первого звена этого процесса — пируватдегидрогеназного комплекса. Комплекс может быть в двух состояниях — нефосфорилированном (активная фор­ ма) и фосфорилированном (неактивная форма). Протеинкиназа, фосфорилирующая комплекс, является одной из его субъединиц. Протеинфосфатаза, дефосфорилирующая комплекс, также связана с комплексом. На рис. 8.12 представлены наиболее существенные регуляторные связи пируватдегидрогеназного комплекса. Главное назначение этого механизма — поддерживать скорости образования пи­ рувата и ацетил-КоА, соответствующие их расходованию. При этом пируват и аце- тил-КоА расходуются не только как источники энергии для синтеза АТФ в цит­ ратном цикле, но и в анаболических процессах: при определенных состояниях организма и в определенных органах пируват используется для синтеза глюко­ зы и аминокислот, а ацетил-КоА — для синтеза жирных кислот (эти процессы подробнее рассматриваются в последующих двух главах). При мышечной работе

242

Часть II. Обмен веществ н энергии

©

повышается концентрация ионов Ca2+ в саркоплазме; ионы Ca2+ активируют фосфатазу пируватдегидрогеназного комплекса, в результате фосфорилированный не­ активный комплекс превращается в дефосфорилированный активный комплекс.

Избыток ацетил-КоА во всех клетках снижает скорость его синтеза путем сти­ муляции фосфорилирования ПДК, в результате чего он инактивируется.

Цитратный цикл регулируется по механизму отрицательной обратной связи, с участием аллостерических ферментов. НАДН ингибируют НАД-зависимые де­ гидрогеназы цикла (рис. 8.13). При уменьшении расхода АТФ активность дыха­ тельной цепи снижается (дыхательный контроль), концентарция НАДН в клетке повышается и ингибирование указанных на рис. 8.13 реакций приводит к сниже­ нию активности цитратного цикла в целом.

 

Ацетил-КоА

H S -K o A

 

 

Оксалоацетаг

 

Цитрат

НАД-Н ^ ‘ НАД+ НАД-Н ©

Малат

А

©

Изоцитрат

©АДФ Y ~ НАД+

©НАД-Н к

 

©

Ca2+

T

НАД-Н

Фумарат

 

а-Кетоглутарат

 

©

а т ф

 

НАД +

 

© НАД-Н К

 

 

© Ca2+

Г "

НАД-Н

Сукцинат

------- Сукцинил-КоА

Рис. 8.13. Аллостерические механизмы регуляции цитратного цикла

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.