61

Глава 4. Цикл трикарбоновых кислот

4.1Общая характеристика

Глюкоза является одним из основных источников энергии для большинства клеток, однако гликолитический путь, в ходе которого она окисляется до 2 молекул пирувата, далеко не единственный катаболический путь живых клеток. Организмы, целиком зависящие от гликолиза, теряют значительную часть энергии, поскольку не окисляют продукты гликолиза.

Окисление органических соединений требует присутствия акцептора электронов — NO3–, SO42–, Fe3+, O2. Аэробные организмы используют кислород O2 в качестве акцептора. Полное окисление глюкозы происходит в ходе окислительного декарбоксилирования пирувата и цикла трикарбоновых кислот (ЦТК): пируват, образующийся в гликолизе, может быть окислен до двухуглеродного фрагмента, который далее поступит в ЦТК в виде молекулы ацетил-КоА, и CO2.

ЦТК часто рассматривают как дополнение к гликолизу, однако ошибочно считать его лишь продолжением обмена углеводов. ЦТК — центральный метаболический блок, участвующий как в катаболизме, так и в анаболизме всех ключевых соединений

— жирных кислот, углеводов и аминокислот.

4.2Окислительное декарбоксилирование пирувата

Окислительное декарбоксилирование пирувата — это метаболический путь окисления пирувата до ацетил-КоА (основной субстрат ЦТК), катализируемый ком-

плексом ферментов и коферментов — пируватдегидрогеназным комплексом

(ПДК).

Реакции окислительного декарбоксилирования служат важным связующим звеном между гликолизом и ЦТК. У эукариотических организмов они происходят в митохондриях. Пируват попадает в матрикс митохондрий из цитозоли с помощью симпорта с H+ (вторично-активный транспорт, осуществляемый Mpc-белки). Далее он окисляется до ацетил-КоА, который поступает в ЦТК.

А Строение пируватдегидрогеназного комплекса

Пируватдегидрогеназный комплекс состоит из множества копий 3 типов ферментов:

1.Пируватдегидрогеназа (E1);

2.Дигидролипоилтрансацетилаза (E2);

3.Дигидролипоилдегидрогеназа (E3).

Комплекс представляет собой крупную частицу диаметром 500 Å (50 нм) и массой 10 МДа, состоящую из:

1.60 субъединиц E2 (образуют ядро комплекса);

2.45 молекул E1 (каждая представляет собой α2β2-гетеротетрамерный белок)

3.9 молекул E3 (гомодимерный белок).

62Глава 4 Цикл трикарбоновых кислот

4.12 молекул E3-связывающего белка, участвующего в связывании E3 и E2.

5.Несколько молекул киназы и фосфатазы, участвующих в регуляции ак-

тивности комплекса (см. Раздел 5.4).

Подобные мультиферментные комплексы являются эволюционно более эффективными и обладают рядом преимуществ:

1.Скорость ферментативной реакции зависит и от частоты, с которой сталкиваются субстрат и фермент. Если серия реакций происходит на мультиферментном комплексе, то расстояние, которое должен преодолеть субстрат, перемещаясь между активными центрами, резко снижается, а значит, субстрат быстрее и с бо́льшей вероятностью попадает в следующий активный центр.

2.Туннелирование метаболитов между ферментами и их активными центрами снижает вероятность реакции этих метаболитов с другими молекулами, что положительно сказывается на скорости и эффективности всего метаболического пути.

3.Реакции, катализируемые мультиферментным комплексом, легче поддаются регуляции, поскольку все ферменты находятся в одном месте и связаны друг с другом (вступают в кооперативные взаимодействия).

БРеакции окислительного декарбоксилирования пирувата

Пируватдегидрогеназный комплекс катализирует 5 последовательных реакций окислительного декарбоксилирования пирувата. Суммарное уравнение:

Пируват + КоА + NAD+ Ацетил-КоА + CO2 + NADH

Вреакциях участвуют 5 коферментов:

1.Тиаминпирофосфат: активная форма витамина B1. Участвует в декарбоксилировании пирувата, образуя гидроксиэтил-ТПФ карбанион.

2.Липоамид: производное липоевой кислоты — витамина N. Акцептирует гидроксиэтильный карбанион от ТПФ в виде ацетильной группы.

3.Кофермент: производное пантотеновой кислоты — витамина B5. Акцептирует ацетильную группу от липоамида.

4.FAD: производное рибофлавина — витамина B2. Восстанавливается, принимая на себя протоны и электроны от липоамида.

5.NAD+: производное никотиновой кислоты (ниацина) — витамина B3. Восстанавливается, принимая электроны и протон от FADH2.

Реакция 1