Окислительное декарбоксилирование пирувата

1. Первая реакция ОПК - реакция окислительного декарбоксилирования пирувата описывается следующим суммарным уравнением (рис. 5.14).

Рис. 5.14. Суммарное уравнение окислительного декарбоксилирования пирувата

Эту реакцию катализирует сложно организованный пируватдегидрогеназный комплекс (ПДК).

1. Пируватдегидрогеназный комплекс (ПДК) состоит из трех типов каталитических протомеров, образующих три фермента: Е₁ - пируватдекарбоксилазу, Е₂ - дигидролипоилтрансацетилазу и Е₃ - дигидролипоилдегидрогена-

зу. Каждый фермент содержит разное количество протомеров. Протомеры каждого из трех ферментов содержат в своем составе прочно связанные с белками коферменты (табл. 5.2). Коферменты NAD+и HS-KoA включаются в состав комплекса только в момент реакций и освобождаются при завершении процесса в составе конечных продуктов - Ацетил-КоА и NADH + H+.

Таблица 5.3. Пируватдегидрогеназный комплекс (ПДК) млекопитающих

Все ферменты, входящие в состав комплекса, располагаются в пространстве таким образом, что обеспечивают одновременное протекание однотипных реакций в нескольких местах комплекса. Промежуточные метаболиты передаются от одного активного центра к другому, что делает работу ферментного комплекса максимально эффективной (рис. 5.15). В состав комплекса входят также регуляторные протомеры: киназа и фосфатаза ПДК, роль которых рассматривается в теме 5.11 (см. рис. 5.22).

Рис. 5.15. Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты.

Каждый фермент, входящий в ПДК, катализирует определенный этап реакции: I - Е₁ - пируватдекарбоксилаза катализирует декарбоксилирование пирувата и перенос С₂-фрагмента на ТДФ с образованием гидроксиэтила; II - Е₂ - дигидролипоилтрансацетилаза катализирует окисление гидроксиэтильной группы и перенос С₂-фрагмента на амид липоевой кислоты; III - ацетилированная трансацетилаза взаимодействует с HS-КоА с образованием восстановленной формы липоамида и ацетил-КоА; IV - восстановленная форма трансацетилазы дегидрируется дигидролипоилдегидрогеназой (Е₃), содержащей FAD; V - FADH₂ в составе Е₃ дегидрируется при участии NAD+. В реакциях, катализируемых ПДК, липоевая кислота, связанная в ферменте Е₂ с остатками лизина, функционирует как «поворотный кронштейн», переносящий атомы водорода и ацетильные остатки от одного фермента к другому

2. Ацетил-КоА, образовавшийся в реакции, катализируемой ПДК, далее вступает в цитратный цикл (рис. 5.16).

Цитратный цикл [цикл трикарбоновых кислот (ЦТК), цикл Кребса] - основной источник доноров водорода для ЦПЭ. Этот метаболический путь состоит из реакций, в результате которых ацетильный остаток ацетил-КоА окисляется до CO₂ и Н₂О. В ацетил-КоА связь между атомами углерода устойчива к окислению; включаясь в цитратный цикл, ацетильный остаток перестраивается и в конечном итоге,углерод ацетильной группы окисляется до двух молекул CO₂, а атомы водорода, освобождающиеся в реакциях дегидрирования, доставляются в ЦПЭ при участии NAD- и FAD-зависимых дегидрогеназ.

• Первая реакция цикла представляет собой конденсацию оксалоацетата с ацетил-КоА, катализируемую цитратсинтазой (рис. 5.17). В этой реакции выделяется большое количество энергии (AG = -8 ккал/моль), что сдвигает равновесие в сторону образования цитрата и определяет дальнейшее направление реакций ЦТК. На образование цитрата в каждом обороте цикла затрачивается одна молекула оксалоацетата; по завершении цикла происходит регенерация оксалоацетата. Таким образом, одна молекула оксалоацетата может многократно использоваться для окисления ацетильных остатков, выполняя функцию своеобразного катализатора цикла.

Рис. 5.16. Цитратный цикл.

Цифры 1-8 обозначают реакции одного оборота цикла. На каждую молекулу NADH (реакции 3, 4, 8) в ЦПЭ синтезируется 3 молекулы АТФ; на каждую молекулу FADH₂ (реакция 6) - 2 молекулы АТФ. Таким образом, каждый оборот цикла сопровождается синтезом 11молекул АТФ путем окислительного фосфорилирования; 1 молекула АТФ образуется за счет субстратного фосфорилирования (реакция 5)

Рис. 5.17. Образование цитрата при участии цитратсинтазы

• В одном обороте цикла, включающем 8 реакций, происходят 2 реакции декарбоксилирования с образованием 2 молекул CO₂. В 4 реакциях цитратного цикла происходит дегидрирование с образованием восстановленных коферментов: 3 молекул NADH и 1 молекулы FADH₂ в составе сукцинатдегидрогеназы.

• Ацетильный остаток ацетил-КоА (С₂) полностью окисляется в ЦТК, в результате чего в ЦПЭ синтезируется 11 молекул АТФ путем окислительного фосфорилирования (рис. 5.16).

• Одна молекула АТФ в ЦТК синтезируется путем субстратного фосфорилирования (рис. 5.18).

Рис. 5.18. Субстратное фосфорилирование ГДФ

В этой реакции донором энергии для синтеза ГТФ является молекула субстрата, поэтому такой способ синтеза ГТФ называется субстратным фосфорилированием. ГТФ и АТФ являются энергетическими эквивалентами.Энергия ГТФ может трансформироваться в энергию АТФ при участии нуклеозиддифосфаткиназы:

Следовательно, суммарный выход АТФ при окислении 1 молекулы ацетил-КоА составляет 12 молекул; из них 11 молекул образуется путем окислительного фосфорилирования и 1 путем субстратного.