Пируваткарбоксилаза                                      D. Карбоксибиотин

Сложные ферменты (холоферменты) имеют в своем составе белковую часть, состоящую из аминокислот – апофермент, и небелковую часть – кофактор. Примером сложных ферментов являются сукцинатдегидрогеназа (содержит ФАД), аминотрансферазы (содержат пиридоксальфосфат), различные пероксидазы (содержат гем), лактатдегидрогеназа (содержит Zn2+), амилаза (содержит Ca2+).

Кофактор, в свою очередь, может называться коферментом (НАД+, НАДФ+, ФМН, ФАД, биотин) или простетической группой (гем, олигосахариды, ионы металлов Fe2+, Mg2+, Ca2+, Zn2+).

А. 1 – B. Лактатдегидрогеназа содержит в качестве кофермента НАД.

2 – А. Сукцинатдегидрогеназа содержит кофермент ФАД.

3 – С. Глутаматоксалоацетаттрансаминаза содержит кофермент ПФ. 

4 – D. Пируваткарбоксилаза содержит кофермент карбоксибиотин.

1-Фермент лактатдегидрогеназа (ЛДГ) фермент класса оксидоредуктаз, катализирует обратимую реакцию окисления лактата (молочной кислоты) до пирувата (пировиноградной кислоты). Лактатдегидрогеназапредставляет собой олигомерный белок с молекулярной массой 134 000 Д, состоящий из 4 субъединиц двух типов: М (от англ., muscle - мышца) и Н (от англ., heart – сердце). Комбинация этих субъединиц лежит в основе формирования 5 изоферментов лактатдегидрогеназы:

Изофермент ЛДГ1 (НННН), ЛДГ2    (НННМ), ЛДГ3 (ННММ), ЛДГ4 (НМММ), ЛДГ5 (ММММ).

Несмотря на то, что по общему количеству ЛДГ разные органы и ткани мало отличаются друг от друга, изоферментный состав ЛДГ в разных тканях будет различаться довольно значительно. В тканях с преимущественно аэробным обменом веществ (сердце, мозг, почки) наибольшей активностью обладают ЛДГ1 и ЛДГ2. В тканях с выраженным анаэробным обменом (печень, скелетные мышцы) преобладают ЛДГ4 и ЛДГ5. Однако существуют и исключения – в эритроцитах, тромбоцитах и клетках хрусталика, несмотря на выраженный анаэробный обмен, наибольшую активность имеют фракции ЛДГ1 и ЛДГ2. Коферментом лактатдегидрогеназы является никотинамидадениндинуклеотид, сокращенно NAD. NAD — кофермент динуклеотидного типа, в котором два нуклеозид-5'-монофосфата соединены фосфоангидридной связью.

2. Сукцинатдегидрогеназа или сукцинат-убихинон-оксидорекдуктаза, фермент класса оксидоредуктаз, расположенный во внутренней мембране митохондрий и мембранах многих прокариотических организмов. Одновременно участвует в цикле трикарбоновых кислот и дыхательной цепи переноса электронов.

На шестой стадии цикла трикарбоновых кислот сукцинатдегидрогеназа катализирует окисление сукцината до фумарата, восстанавливая убихинон до убихинола. Связь ФАД с белком в молекулесукцинатдегидрогеназы осуществляется за счет имидазольной группы остатка гистидина и 7-CH3-группы рибофлавина.

Сукцинатдегидрогеназа обладает практически абсолютной специфичностью, катализируя окисление сукцината в фумарат (анион фумаровой к-ты) в соответствии с уравнением

3. Глутаматоксалоацетаттрансаминаза эндогенный фермент из группы трансфераз, подгруппы аминотрансфераз (трансаминаз). Трансферазы катализируют реакции переноса различных групп от одного субстрата (донор) к другому (акцептор), участвуют в реакциях взаимопревращения различных веществ, обезвреживания природных и чужеродных соединений. Коферментами являются пиридоксальфосфат, коэнзим А, тетрагидрофолиевая кислота, метилкобаламин. Фермент катализирует реакцию трансаминирования Глутамата. Знаение реакции заклчается в переносе аминогруппы от α-аминокислоты (глутамата) к α-кетокислоте(α-кетоглутарат). В переносе аминогруппы активное участие принимает кофермент трансаминаз пиридоксальфосфат (производное витамина В6), который в процессе реакции обратимо превращается в пиридоксаминфосфат.

Реакция катализируема ГОТ:

 глутамат + пируват→ α-кетоглутарат+аланин

4. Пируваткарбоксилаза обнаружена только у животных. Фермент состоит из 4 тетрамеров, содержащих по 4 идентичные субъединицы. Каждый тетрамер содержит одну молекулу биотина и один ион Mn2+. Для пируваткарбоксилазы характерна аллостерическая регуляция активности (регуляторный участок находится не на той субъединице, где находится активный центр фермента). Пируваткарбоксилаза является высокоспецифичным ферментом, катализирующим уникальную реакцию усвоения СО2 в организме животных.

Сущность реакции сводится к пополнению запасов оксалоацетата (щавелевоуксусная кислота) в лимоннокислом цикле (так называемые «анаплеротические», «пополняющие» реакции), т.е. его синтезу из СО2 и пирувата. Реакция протекает в две стадии: на первой стадии, связанной с затратой энергии, СО2 подвергается активированию, т.е. ковалентному связыванию с биотином в активном центре фермента (Е-биотин). На второй стадии СО2 из комплекса переносится на пируват с образованием оксалоацетата и освобождением фермента.

Значение реакции: Перенос СО2 – группы на пируват с образованием оксалоацетата, необходимого для функции ЦТК и биосинтеза глюкозы путем глюконеогенеза, также для синтеза ряда аминокислот, превращении ацетил- КоА в малонил-КоА при биосинтезе ВЖК.

Реакция:

Пируват + СО2 + АТФ→ оксалоацетат + АДФ + Н3РО4

Б. Витамин РР входит в состав НАД (никотинамидаденидинуклеотид) и НАДФ (Никотинамидадениндинуклеотидфосфат),

НАД (никотинамидадениндинуклеотид), динуклеотид и состоит из двух нуклеотидов(рибозо-5-фосфата), соединённых своими фосфатными группами. Один из нуклеотидов в качестве азотистого основания содержит аденин, другой — никотинамид, участвует в окислительно-восстановительных реакциях. Никотинамидадениндинуклеотид существует в двух формах: окисленной (НАД+) и восстановленной(НАДН). Биохимические функция: Перенос гидрид-ионов Н– (атом водорода и электрон) в окислительно-восстановительных реакциях. Окислительно-восстановительные реакции, катализируемые оксидоредуктазами, составляют важнейшую часть всех метаболических путей, однако наиболее значима их роль в процессах, связанных с выделением энергии из питательных веществ. В них такие восстановленные соединения, как глюкоза и жирные кислоты, окисляясь и в связи с этим выделяют энергию. Эта энергия запасается НАД+ при его восстановлении до НАДH в ряде реакций β-окисления жирных кислот, гликолиза и цикла трикарбоновых кислот.

Примеры реакций:

анаэробный гликолиз (специфическая 11 реакция) Одиннадцатая реакция гликолиза протекает только в анаэробных условиях. В ходе неё пируват восстанавливается с помощью НАДH до лактата. Образуется окисленная форма НАД+.

Смысл этой реакции заключается в восполнении НАД+. В отсутствии кислорода молекулы НАДH, образующиеся в 6-й реакции гликолиза, накапливаются. Но для того, чтобы гликолиз активно работал, необходимо, чтобы в клетке присутствовали окисленные молекулы НАД+, поскольку именно они служат коферментом в 6 реакции (НАДH эту роль выполнять не способен). Т.е. отсутствие этой реакции попросту невыгодно для клетки и её энергетического баланса.

 реакции ЦТК, Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) или цикл лимонной кислоты или цикл Кребса – путь окислительных превращений ди- и трикарбоновых кислот, образующихся в качестве промежуточных продуктов при распаде и синтезе белков, жиров и углеводов.

Третья реакция, по-видимому, лимитирует скорость цикла Кребса. Изолимонная кислота дегидрируется в присутствии НАД-зависимой изо-цитратдегидрогеназы.  

В ходе изоцитратдегидрогеназной реакции изолимонная кислота одновременно декарбоксилируется. НАД-зависимая изоцитратдегидрогеназа является аллостерическим ферментом, которому в качестве специфического активатора необходим АДФ. Кроме того, фермент для проявления своей активности нуждается в ионах Mg2+или Мn2+.

Во время четвертой реакции происходит окислительное декарбокси-лирование α-кетоглутаровой кислоты с образованием высокоэнергетического соединения сукцинил-КоА. Механизм этой реакции сходен с таковым реакции окислительного декарбоксилирования пирувата до ацетил-КоА, α-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс напоминает по своей структуре пируватдегидрогеназный комплекс. Как в одном, так и в другом случае в реакции принимают участие 5 коферментов: ТПФ, амид липоевой кислоты, HS-KoA, ФАД и НАД+

Восьмая реакция ЦТК. Последней реакцией ЦТК является окисление малата до оксалоацетата, катализируемое малатдегидрогеназой. В ходе этой реакции гидрид-ион H– переносится на молекулу НАД⁺, которая восстанавливается до НАДH₂.

окисление ВЖК; Окисление ВЖК происходят в митохондриях клеток, и называется бетта окислением. Доставка их к тканям и органам происходит при участии альбумина, а транспорт из цитоплазмы в митохондрии при участии карнитина.

Участие НАД в бета-окислении: Β-гидроксилацил-КоА окисляется НАД+-зависимой дегидрогеназой(β-Гидроксиацил-КоА-дегидрогеназой) превращаясь в β-кетоацил-КоА. Восстановленный НАДН. Окисляясь в цепи ЦПЭ, обеспечвает энергией синтез 3 молекул АТФ.

Витамин В₂ (рибофлавин) представляет собой кристаллы желтого цвета, слабо растворимые в воде. Источники: печень, почки, яйца, молоко, дрожжи. Суточная потребность: 1,8-2,6. Биологические функции. После всасывания витамина в слизистой кишечника происходит образование коферментов FMN и FAD. ФМН – флавинмононуклеотид, состоит из флавина, рибитола, Н3РО4.

ФАД – флавинадениндинуклеотид, ФАД образуется из рибофлавина, многие оксидоредуктазы, называемые флавопротеинами, для своей работы используют ФАД как простетическую группу в реакциях переноса электронов (изоаллоксазиновое кольцо + спирт рибитол) + АДФ)

 

ФАД может быть восстановлен до ФАДH2, при этом он принимает два атома водорода. Молекула ФАДH2 является переносчиком энергии и восстановленный кофермент может быть использован как субстрат в реакции окислительного фосфорилирования в митохондрии. Молекула ФАДH2 окисляется в ФАД, при этом выделяется энергия, эквивалентная (запасаемая в форме) двум молекулам ATФ. В составе флавиновых ферментов ФАД и ФМН участвуют в многочисленных окислительно-восстановительных реакциях в клетках:

1) участвуют в переносе электронов и протонов в дыхательной цепи;

2) в составе пируватдегидрогеназ и α-кетоглутаратдегидрогеназ участвуют в окислительном декарбоксилировании пирувата и α-кетоглутарата;

3) участвуют в окислении жирных кислот в митохондриях;

 4) важная роль флавиновых дегидрогеназ заключается в обеспечении клеток энергией. Пример реакций покажите по метаболической карте:

реакции ЦТК,

4-я реакция – окислительное декарбоксилирование α-кетоглутаровой кислоты. Процесс катализируется α-кетоглутаратдегидрогеназой – ферментным комплексом, по структуре и механизму действия похожим на пируватдегидрогеназный комплекс. В его состав входят те же коферменты: ТПФ, ЛК и ФАД – собственные коферменты комплекса; КоА-SH и НАД+ – внешние коферменты.

6-я реакция – дегидрирование янтарной кислоты сукцинатдегидрогеназой. Фермент осуществляет прямой перенос водорода с субстрата (сукцината) на убихинон внутренней мембраны митохондрий. Сукцинатдегидрогеназа - II комплекс дыхательной цепи митохондрий. Коферментом в этой реакции является ФАД.

окисление ВЖК; β-окисление ЖК-специфический путь катаболизма жирных кислот, протекающий в матриксе митохондрй только в аэробных условиях и заканчивающийся образованием ацетил-КоА.

Бета-окисление начинается с дегидрирования ацетил-КоА ФАД-зависимой ацетил-КоА дегидрогеназой с образованием двойной связи между альфа- и бета-атомами углерода в продукте реакции-еноил-КоА. Восстановленный в этой реакции кофермент ФАДН2 передает атомы водорода в ЦПЭ на ковермент Q/ В результате синтезируются 2 молекулы АТФ.

Витамин В6 (пиридоксин). В основе структуры витамина лежит пиридиновое кольцо. Известны три формы витамина, отличающиеся строением замещающей группы у атома углерода в п-положении к атому азота. Все они характеризуются одинаковой биологической активностью (пиридоксол, пиридоксаль, пиридоксамин). Все 3 формы витамина бесцветные кристаллы, растворимые в воде. Источники: яйца печень, молоко, зеленый перец, морковь пшеница, дрожжи. Некоторое количества витамина синтезируется кишечной флорой. Суточная поребность 2-3 мг.

 Коферменты: пиридоксальфосфат и пиридоксаминфосфат. Коферменты образуются путем фосфорилированияпо гидроксиметильной группев пятом положении пиримидинового кольца при участии фермента пиридоксалькиназы и АТФ как источника фосфата.

Пиридоксальфосфат:

-принимает участие в образовании эритроцитов;

-участвует в процессах усвоения нервными клетками глюкозы;

-необходим для белкового обмена и трансаминирования аминокислот;

-принимает участие в обмене жиров;

-оказывает гипохолестеринемический эффект;

-оказывает липотропный эффект, достаточное количество пиридоксина необходимо для нормального функционирования печени.

 Пример реакций покажите по метаболической карте:

трансаминирование, Трансаминирование – реакции переноса α-аминогруппы с аминокислоты на α-кетокислоту, в результате чего образуются новая кетокислота и новая аминонокислота. Реакции катализируют ферменты аминотрансферазы. Это сложные ферменты, коферментом которых является производное витамина В6 – пиридоксальфосфат, который обратимо может переходить в пиридоксаминфосфат. Реакции трансаминирования протекают в 2 стадии. На первой стадии к пиридоксальфосфату в активном центре фермента присоединяется аминогруппа от первого субстрата – аминокислоты. Образуется комплекс фермент- пиридоксаминфосфат и кетокислота – первый продукт реакции. Этот процесс включает промежуточное образование 2 шиффовых оснований (альдимин и кетимин).

На второй стадии пиридоксаминфосфат соединяется с новой кетокислотой (второй субстрат) и снова через промежуточное образование 2 шиффовых оснований передает аминогруппу на кетокислоту. В результате фермент возвращается в свою нативную форму, и образуется новая аминокислота – второй продукт реакции

непрямое дезаминирование аминокислот, большинство аминокислот не способно дезаминироваться в одну стадию, подобно глутамату. Аминогруппы таких аминокислот перносятся на a-кетоглутарат с образованием глутаминовой кислоты, которая затем подвергается прямому окислительному дезаминированию. Такой механизм дезаминирования аминокислот в 2 стадии получил название трансдезаминирования или непрямого дезаминирования. Он происходит с участием 2 ферментов аминотрансферазы и глутаматдегидрогеназы. Значение этих реакций в обмене аминокислот очень велико, так как непрямое дезаминирование – основной способ дезаминирования большинства аминокислот. Обе стадии непрямого дезаминирования обратимы, что обеспечивает как катаболизм аминокислот, так и возможность образования практически любой аминокислоты из соответствующей a-кетокислоты. Коферменты осуществляют перенос аминогрупп от аминокислоты на кето-кислоту. Аминогруппы в дальнейшем используются для биосинтеза мочевины.

декарбоксилирование аминокислот. В организме человека происходит только окислительное декарбоксилирование. Ферменты - декарбоксилазы. Их простетическая группа представлена пиридоксальфосфатом - это активная форма витамина В6:

В реакциях декарбоксилирования участвует альдегидная группа пиридоксальфосфата:

 Аминокислота соединяется с активным центром фермента, в состав которого входит альдегидная группа ПФ. Образуются Шиффовы основания (альдимины и кетимины). В результате СООН-группа становится лабильной и отщепляется в виде СО2. Далее происходит гидролиз до соответствующего амина. Эта реакция необратима. Отнятие СО2 происходит без окисления. В тканях животных процесс декарбоксилирования аминокислот протекает под действием декарбоксилаз с образованием аминов.

Витамин Н Витамин Н, Биотин, в его основе строения лежит тиофеновое кольцо, к которому присоединяется молекула мочевины, а бьоковая цепь представлена валерьяновой кислотой. Источники: содержится почтиво всех продуктах животного и растительного происхождения, наиболее богаты печень, почки, молоко, желток яйца, небольшое количество синтезируется кишечной флорой в кишечнике. Суточная потребность не превышает 10 мкг. Биолгическая роль: учавствует в образовании активной формы СО2. Также используется в образовании малонил-КоА из ацетил-КоА.

кофермент – карбоксибиотин; В тканях свободный биотин связывается с ε-NH2-группой лизина, находящегося в активном центре “биотиновых” ферментов. Его коферментной формой считается N5-карбоксибиотин. Кофермент биотина способствует усвоению тканями углекислоты (точнее ионов гидрокарбоната). Карбоксибиотин участвует в синтезе пуринов (аденина и гуанина) реакция карбоксилирования, при переносе СО2, в составе пируваткарбоксилазы, ацетил~КоА-карбоксилазы (синтез малонил~SKoA), пропионил~КоА-карбоксилазы, а также в других многочисленных реакциях. Тем самым, биотин обеспечивает протекание глюконеогенеза, синтез жирных кислот, окисление остатков пропионовой кислоты в цикле Кребса (т.е. окисление жирных кислот с нечетным числом атомов углерода).

Биологическая роль: является коферментом ферментов карбоксилирования, транскарбоксилирования (т.е. участвует в активировании и переносе СО2)

46