Marri_i_dr_-_Biokhimia_cheloveka_tom_1

Основные биохимические функции субклеточных

компонентов и клеточных органелл приведены

в табл. 2.4. Однако большинство клеток выполняют специализированные функции, в связи с чем важное значение приобретают определенные метаболиче­

ские пути, тогда как другие практически не исполь­

зуются. На рис. 16.7 представлены основные метабо­

лические пути и их взаимосвязь в паренхиматозных

вцитозоле, должны поступать внутрь митохондрии

ипревращаться в оксалоацетат; из последнего обра­

зуется глюкоза.

Мембраны эидоплазматического ретнкулума со­ держат ферментную систему синтеза ацилглицеро­

лов, а рибосомы ответственны за синтез белков.

Следует отметить, что транспорт метаболитов,

различающихся по размерам, заряду и растворимо­

клетках печени с указанием их внутриклеточной ло­

кализации.

Сразу становится очевидной центральная роль

мнтохоидрий, в которых пересекаются процессы ме­

таболизма углеводов, липидов и аминокислот. В ми-

сти в липидах мембран, окружающих органеллы, связан с работой весьма сложных механизмов. Неко­ торые из них обсуждались, когда речь шла о мито­ хондриальной мембране (см. гл. 13); другие механиз-

. мы будут рассмотрены.в последующих главах.

ВВЕДЕНИЕ

Цикл лимонной КИСЛОТЫ (цикл Кребса, цикл три­ карбоновых кислот) представляет собой серию реак­

ЦИЙ, протекающих в митохондриях, в ходе которых

осуществляются катаболизм ацетильных групп

и высвобождение водородных эк·вивалентов; при

окислении последних поставляется свободная эне­ ргия топливных ресурсов тканей. Ацетильные груп­ пы находятся в составе ацетил-СоА (СНз -

- СО - S - СоА, актИlШОГО ацетата), тиоэфира ко­

фермента А. В состав СоА входит ВИТИМИН ~

пантотеновая кислота.

БИОМЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ

Главная функuия цикла лимонной кислоты со­ СТОИТ в том, ЧТО он является общим конечным путем окисления углеводов, липидов и белков, поскольку в ходе метаболизма глюкоза, жирные кислоты

и аминокислоты превращаются либо в ицетил-СоА,

либо в промежуточные соединения рассматриваемо-

Рис. 17.1. ЦИКЛ ЛИМОННОЙ кислоты; рисунок иллюсrрирует

каталитический РОЛЬ оксалоацетата.

го цикла. Цикл лимонной кислоты играет также

главную роль в процессах глюконеогенеза, переами­

нирования, дезаминирования и липогенеза. Хотя ряд

этих процессов протекает во многих тканях, пе­

чень - единственный орган, в котором идут все пе­ речисленные проuессы. Поэтому серьезные послед­ ствия вызывает повреждение большого числа клеток

печени или замещение их соединительной тканью,

как это имеет место при остром гепатите или цирро­

зе соответственно. О жизненно вижной роли цикла лимонной кислоты свидетельствует и тот факт, что у человеки почти неизвестны (или их вообще нет) ге­ нетически обусловленные изменения ферментов, ка­

тализирующих реакции цикла; вероятно, наличие та­

ких нарушений несовместимо с нормальным разви­

тием.

КАТАБОЛИЧЕСКАЯ РОЛЬ ЦИКЛА

ЛИМОННОЙ КИСЛОТЫ

Цикл начинается с взаимодействия молекулы ацетил-СоА с четырехуглеродной дикарбоновой ки­ слотой - щавелевоуксусной (оксилоацетатом), в ре­

зультате обризуется шестиуглеродная трикарбоновая

кисдота, называемая лимонной. Далее следует серия рсакuий, в ходе которых происходит высnобождение

двух молекул CO~ и регенериция оксалоаuстата (рис. 17.1). Поскольку количество оксалоаuетити, необхо­ димое для превращения большого числа аuетильных единиц в СО:!, весьма невелико, можно считить, ч.то

оксилоицепп выполняет каталитическую po.'IL.

Цикл лимонной кислоты является механизмом, обеспечивающим улавливание большей части сво­ бодной lнергии, освобождаемой в проuессе окисле­ ния yr леводов, липидов и белков. В проuессе окисле­ ния иuетил-СоА благодаря иктивности ряда специ­ фических дегидрогеназ происходит образование вос­ становительных эквивалентОВ в форме водороди или электронов. Последние поступают в дыхательную цепь; при функционировинии этой uепи происходит

окислительное фосфорилирование, т. е. синтезируе­

тся АТР (РИС. 17.2; см. также гл. 13).

либо в свободном состоянии, либо на внутренней по­

верхности внутренней митохондриальной мембра­

ны; в последнем случае облегчается перенос восстано­

вительвыx эквивалентов на ферменты дыхательной

цепи, локализованные во внутренней митохондриа­

льной мембране.

РЕАКЦИИ ЦИКЛА ЛИМОННОЙ

КИСЛОТЫ (рис. 17.3)'

Начальная реакция- конденсация ацетил-СоА

и оксалоацетата, приводящая к образованию цитра­ та, катализируется конденсирующим ферментом,

цитратсинтазой, при этом происходит образование

связи углерод-углерод между метильным углеродом

ацетил-СоА и карбонильным углеродом оксалоаце­

тата. За реакцией конденсации, приводящей к обра­

зовани.ю цитрил-СоА, следует гидролиз тиоэфирной

связи, сопровождающийся потерей большого коли­

чества свободной энергии в форме теплоты; это

определяет протекание реакции слева направо до ее

завершения:

Ацетил-СоА + Оксалоацетат + Н2О -. Цитрат +

CoA'SH

Превращение цитрата в изоцитрат катализируе­

тся аконитазой (аконитатгидратазой), содержащей железо в Fе2 +-состоянии. Эта реакция осуществляе­

тся в две стадии: сначала происходит дегидратация

Реакция ингибируется фторацетатом, который снача­ ла превращается во фторацетил-СоА; последний

конденсируется с оксалоацетатом, образуя фторци­

трат. Непосредственным ингибитором аконитазы является фторцитрат; при ингибировании накапли­

вается цитрат.

Эксперименты с использованием промежуточ­

ных соединений, меченных изотопом 14 С, показы­

вают, что аконитаза взаимодействует с цитратом асимметрично: она всегда действует на ту часть мо­

лекулы цитрата, которая образовалась из оксалоаце-

I Согласно рекомендациям, принятым Комитетом ре­ дакторов биохимических журналов (1975 г.), окончание 11m (например, пальмитат) обозначает смесь свободной кисло­

ты и ее ионизированной формы (при рассматриваемом рН)

без указания природы присутствующих катионов. Это по­

ложение принято в тексте для всех карбоновых' кислот.

соединением. Однако положение в пространстве

двух групп - СН2СООН лимонной кислоты относи­

тельно групп - ОН и - СООН неидентично. Об

асимметричном действии аконитазы свидетель­

ствует «судьба» меченого ацетил-СоА (т. е. положе­

ние атомов 14С) в интермедиатах цикла лимонной

кислоты (рис. 17.3). Возможно, что цuс-аконитат не является обязательным интермедиатом между ци­

тратом и изоцитратом и образуется на боковой вет­

ви основного пути.

~алее изоцитратдегидрогеназа катализирует де­

гидрогенирование с образованием оксалосукцината. Описаны три различных формы изоцитратдегидро­ геназы. Одна из них, NAD+ -зависимая, найдена то­ лько в митохондриях. Две другие формы фермента являются NADP+ -зависимыми, причем одна из них

также находится в митохондриях, а другая в цитозо­

ле. Окисление изоцитрата, связанное с работой ды­

хательной цепи, осуществляется почти исключитель­

но NАD+-зависимым ферментом:

Изоцитрат + NAD+ +--+ Оксалосукцинат (в комплексе с ферментом) +-+ а-Кетоглутарат +

СО2 + NADH + Н+.

Далее следует декарбоксилирование с образованием

а-кетоглутарата, которое также катализируется изо­

цитратдегидрогеназоЙ. Важным компонентом реак­

ции декарбоксилирования являются ионы Mn2+ (или

Mg2+). Судя по имеющимся данным, оксалосукци­ нат, образующийся на промежуточной стадии реак­

ции, остается в комплексе с ферментом.

а-Кетоглутарат в свою· очередь подвергается оки­ слительному декарбоксилированию, сходному с .оки­ слительным декарбоксилированием пирувата (см. рис. 18.5): в обоих случаях субстратом является а-кетокислота. Реакция катализируется а-ке­ тоглутаратдегидрогеназиым комплексом и требует

участия того же набора кофакторов- тиамин­ дифосфата, липоата, NAD+, FАО и СоА; в резуль­ тате образуется сукцинил-СоА- тиоэфир, содер­

жащий высокоэнергетическую связь.

а-Кетоглутарат + NAD+ + CoA·SH -. СукцинилСоА + СО2 + NADH + Н+.

Равновесие реакции настолько сильно сдвинуто

в сторону образования сукцинил-СоА, что ее можно

считать физиологически однонаправленной. Как и при окислении пирувата (см. С. 186), реакция ин­

гибируется арсенатом, что приводит к накоплению субстрата (а-кетоглутарата).

Продолжением цикла является превращение сук­

цинил-СоА в сукцинат, катализируемое сукцинаттио­

киназой (сукцинил-СоА-синтетазой):

Сукцинил-СоА + Pj + GDP +- -. Сукцинат + GTP +

CoA'SH

" 6н2-ёoo~

Дцетип-Сод

ЦитраТСИНТ8З8

CoA·SH

---ён2~OO-

1

но-сг-соо-

~~~~COO\-АК"""....

ФУ_~ L-Мапат

!'-н2о

•

:, Н- I-соо-

-оое- - ...

фУМ8рат

Сукцинатдегидрогенаэа

~НГCOQ

«Н2

O=C-S-СоА

Сукцинип-СоА

а-Кетогпутарат­

дегидрогеназнь.Й комппекс

Fe2+

С-СОО-

11

СН-СОО-

Цuс-аконитат

Дконитаза

сн-соо­

I

но-сн-соо-

+ Изоцитрат

NAD

NADH + н+~~ ~И3OQ>lТPlТ-

УГ_идporен

Арсенат ~ .]000- ...

,сн-соо-

со2 о=сI-соо-

~Kгёoo- \ ~ Окcanосукцинат

СН ~г-

1 2 Mn2+ Изоцитратдегидрогеназа

О=С-СОО-

а-Кетогпутарат

Одним из субстратов реакций является GDP (или IDP), из которого в присутствии неорганического фо­ сфата образуется GTP (ITP). Это-единственная

стадия цикла лимонной 1<ИСЛОТЫ, в ходе которой ге­

нерируется высокоэнергетическая фосфатная связь на

субстратном YPOBHe~ при окислительном декарбокси­

лировании а-кетоглутарата потенциальное количе­

ство свободной энергии достаточно для образования NADH и высокоэнергетической фосфатной связи. В реакции. катализируемой фосфокиназоЙ. ЛТР мо­ жет образовываться как из GTP, так и из ITP. На­

пример:

GTP + АОР +--+ GDP + АТР.

в альтернативной реакции, протекающей во внепе­

ченочных тканях и катализируемой сукцинил­

COA-ацетоацетат-СоА-трансферазой (тиофоразой), сукцинил-СоА превращается в сукцинат сопряженно

с превращением ацетоацетата в ацетоацетил-СоА

(см. с. 290). В печени имеется деацилазная актив­

ность, обеспечивающая гидролиз части сукцинил­

СоА с образованием сукцината и СоА.

Далее сукцинат дегидрогенируется. затем присое­

диняется молекула воды, и следует еще одна стадия

дегидрогенирования, приводящая к регенерации ок­

салоацетата:

Сукцинат + FАО +- -+ Фумарат + FАОН2•

Первое дегидрогенирование катализируется сукци­

натдегидрогеназой, связанной с внутренней поверх­

ностью внутренней митохондриальной мембраны. Это- единственная дегидрогеназная реакция цикла

лимонной кислоты, в ходе которой осуществляется

прямой перенос водорода с субстрата на флавопротеин без участия NAD+. Фермент содержит FЛD и желе­ зо-серный (Fe:S) белок. В результате дегидрогениро­ вания образуется фумарат. Как показали 'Экспери­ менты с использованием изотопов, фермент стерео­ специфичен к транс-атомам водорода метиленовых групп сукцината. Добавление малоната или оксало­ dцетата ингибирует сукцинатдегидрогеназу, что при­

водит к накоплению сукцината.

. Фумараза (фумаратгидратаза) катализирует при­

соединение волы к фумарату с образованием мала­

правлении оксалоацетата. поскольку он вместе

с NADH постоянно потребляется в других реакциях. Ферменты цикла лимонной кислоты, за исключе­

нием а-кетоглутарат- и сукцинатдегидрогеназы, об­ наруживаются и вне митохондриЙ. Однако некото­

рые из этих ферментов (например, малатдегидроге­ наза) отличаются от соответствующих митохонд­ риальных ферментов.

ЭНЕРГЕТИКА ЦИКЛА ЛИМОННОЙ

КИСЛОТЫ

в результате окисления, катализируемого дегид­

рогеназами цикла лимонной кш;лоты, на каждую ка­

таболизируемую за период одного цикла молекулу ацетил-СоА образуются три молекулы NADH и одна молекула FADHz. Эти восстановительные эквивален­

ты передаются в дыхательную цепь, локализован­

ную во внутренней митохондриальной мембране

(рис. 17.2). При прохождении по цепи восстановите­ льные эквиваленты NADH генерируют три высо­ коэнергетические фосфатные связи посредством

образования АТР из ЛDР в процессе окислительного фосфорилирования (см. гл. 13). За счет FADH2 гене­

рируются только две высокоэнергетические фосфат­ ные связи, поскольку FЛDН2 переносит восстанови';

тельные эквиваленты на кофермент Q и. следовате­

льно, в обход первого участка окислительного фо­

сфорилирования в дыхательной цепи (см. рис. 13.6).

Еще один высокоэнергетический фосфат генерируе­

тся на одном из участков цикла лимонной кислоты,

т. е. на субстратном уровне, при превращении сукци­

нил-СоЛ В сукцинат. Таким образом, за период каж­ дого ЦИЮJа образуется 12 новых высокоэнергетиче­ ских фосфатных связей (табл.

Таблица 17.1. Образование высокоэнергетических фосфат­ ных связей при функционировании цикла лимонной кисло­

ты

1) Рибофлавин входит в состав флавииадениндииу­

клеотида (FAD), который является кофактором а­

кетоглутаратдегидрогеназного комплекса и сукци­

натдегидрогеназы. 2) Ниацин входит в состав никоти­ намидадениндинуклеотида (NAD), который является

коферментом трех дегидрогеназ цикла: изоцитратде­

гидрогеназы, о-кетоглутаратдегидрогеназы и малат­

дегидрогеназы. 3) Тиамин (витамин В,) входит в со­

став тиаминдифосфата, который является кофермен­

том а-кетоглутаратдегидрогеназы. 4) Пантотеновая кислота входит в состав кофермента А, который

является кофактором, связывающим «активные»

ацильные остатки, например, в ацетил-СоА или сук­

Рис. 17.5. Пантотеновая кислота.

Ilантотеновая кислота

Пантотеновая кислота является амидом, образо­

ванным пантоевой кислотой и Р-аланином (рис.

17.5). Она легко всасывается в кишечнике и затем фо­

сфорилируется АТР с образованием 4'-фосфо­

пантотената (рис. 17.6). На пути превращения в активный кофермент (кофермент А) к фосфопанто­

цинил-СоА. (Подробнее о рибофлавине и ниацине

см. с. 121-123)

Тиамин (витамин Вд

Структура тиамина показана на рис. 17.4. АТР­ зависимая тиаминпирофосфотрансферазаl' присут­

ствующая в мозге и в печени, превращает тиамин

в его активную форму, тиаминдифосфат (тиаминпи­ рофосфат).

Тиаминдифосфат служит коферментом в реак­

циях, в которых происходит перенос активирован­

ных альдегидных групп. Имеется два типа таких ре­

акций: 1) окислительное декарбоксилирование а­

кетокислот (а-кетоглутарата, пирувата и а­

кетоаналогов лейцина, изолейцина и валина) и 2)

транскетолазные реакции (например, реакции пенто­

зофосфатного пути). При недостатке тиамина все эти реакции затормаживаются (см. гл. 53).

Роль тиаминдифосфата в функционировании пи­

руватдегидрогеназного комплекса показана на рис.

тенату присоединяется цистеин, затем отщепляется

карбоксильная группа последнего (что равносильно

присоединению тиоэтаноламина), в результате

образуется 4'-фосфопантетеин. Подобно многим ко­ ферментам, в состав которых входят водораствори­ мые витамины, активная форма пантотената содер­ жит адениловый нуклеотид; 4'-фосфопантетеин аде­ нилируется с образованием дефосфокофермента А. На конечной стадии АТР фосфорилирует дефосфо­ кофермент А по 3'-гидроксильной группе рибозы

с образованием кофермента А. Тиоловая ....руппа

функционирует как переносчик ацильных групп; эту

роль она выполняет в реакциях окисления жирных

кислот и их синтеза, ацетилирования и в рассмотрен­

ных выше процессах окислительного декарбоксили­

рования, в которых участвует также тиаминдифо­

сфат. Связь между ацильной группой и атомом серы

также является высокоэнергетнческой; энергетически

она эквивалентна макроэргической связи в АТР.

Образование такой высокоэнергетической связи

предполагает поступление энергии либо от сопря­

178

П8нтотеН8Т

V:-ATP

4-ФОСфоП8Нтетеин

Гла~а /7

глюконеогенез, переаминирование

и дезаминирование

Все главные соединения, участвующие в цикле, от

цитрата до оксалоацетата являются потенциально

глюкогенными. И в печени, и в почках из них может

образовываться глюкоза, поскольку в этих органах имеется полный набор ферментов, необходимых для

глюконеогенеза (см. с. 196). Ключевым ферментом

процесса глюконеогенеза явл'яется фосфоеиолпиру­ ваткарбоксикииаза, катализирующая декарбоксили­ рование оксалоацетата (при участии GTP в качестве источника высокоэнергетического фосфата) с обра­

зованием фосфоенолпирувата (рис. 17.7):

Оксалоацетат + GTP -. Фосфоенолпируват +

CO~ + GDP.

Поступление соединений в цикл осуществляется в результате нескольких различных реакций. Одной из наиболее существенных является образование ок­

салоацетата путем карбоксилирования пирувата, ка­

тализируемого пируваткарбоксилазой:

АТР + СО2 + Н2О + пируват -. оксалоацетат + АОР+ Pj •

Эта реакция обеспечивает адекватные концентрации

оксалоацетата при его конденсации с ацетил-СоА. Если концентрация ацетил-СоА увеличивается, он действует как аллостерический активатор пируват­

-o-J--o ОН

Ь- Кофермент Д

Рис. 17.6. Синтез кофермента А из пантотеновой кислоты.

карбоксилазы, ускоряя образование оксалоацетата. Лактат, являющийся важным субстратом глюконео­

генеза, вступает в цикл посде превращения сначала

впируват, а затем в оксалоацетат.

Вреакциях, катализируемых трансаминазами, пн­

руват образуется из аланина, оксалоацетат-из

аспартата и а-кетоглутарат-из глутамата. Вслед­

ствие обратимости этих реакций цикл может слу­

жить источником углеродных скелетов при синтезе

заменимых аминокислот. Например:

Аспартат + Пируват ..- -. Оксалоацетат + Аланин, Глутамат + Пируват ..- -+ а-Кетоглутарат + Аланин.

Определенный вклад в глюконеогенез вносят

и другие аминокислоты, поскольку после дезамини­

рования или переаминирования их углеродный ске­

лет полностью или частично включается в цикл.

Примерами служат аланин, цистеин, глицин,. гидрок­

сипролин, серин, треонин и триптофан. из которых

образуется пируват; аргинин, гистидин, глутамин

и пролин, из которых образуется глутамат и далее (1-

кетогл.утарат; изолейцин, метионин и валин. из кото­

рых образуется сукцинил-СоА; из тирозина и фени­ лаланина образуется фумарат (рис. 17.7). Вещества,

образующие пируват, либо полностью окисляются дО CO~ по пируватдегидрогеназному пути, ведущему к образованию ацетил-СоА, либо следуют по пути глюконеогенеза с образованием оксалоацетата в ре­ зультате карбоксилирования.