Биологическое окисление
вности. Кребс также подтвердил, что обнаруженные ранее в животных
тканях другие органические кислоты (янтарная, яблочная, фумаровая и
щавелевоуксусная) стимулируют окисление пирувата. Кроме того, он нашел, что
окисление пирувата мышечной тканью стимулируется шестиуглеродными
трикарбоновыми кислотами - лимонной, цис-аконитовой и изолимонной, а также
пятиуглеродной (-кетоглутаровой кислотой. Испытаны были и некоторые другие
встречающиеся в природе органические кислоты, но ни одна из них не
обнаружила подобной активности. Обращал на себя внимание сам характер
стимулирующего действия активных кислот: даже малого количества любой из
них было достаточно для того, чтобы вызвать окисление во много раз большего
количества пирувата.[9, 1991]
Простые эксперименты, а также логические рассуждения позволили Кребсу
высказать предположение, что цикл, который он назвал циклом лимонной
кислоты, является главным путем окисления углеводов в мышце. После, цикл
лимонной кислоты был обнаружен практически во всех тканях высших животных и
растений и у многих аэробных микроорганизмов. За это важное открытие Кребс
был удостоен в 1953 году Нобелевской премии. Юджин Кеннеди и Альберт
Ленинджер показали позднее, что все реакции цикла лимонной кислоты
протекают в митохондриях животных клеток. В изолированных митохондриях
печени крысы были обнаружены не только все ферменты и коферменты цикла
лимонной кислоты; здесь же, как выяснилось, локализованы все ферменты и
белки, которые требуются для последней стадии дыхания, т.е. для переноса
электронов и окислительного фосфорилирования. Поэтому митохондрии с полным
правом называют «силовыми станциями» клетки.
Катаболическая роль цикла лимонной кислоты
Цикл начинается со взаимодействия молекулы ацетил-СоА с
щавелевоуксусной кислотой (оксалоацетатом), в результате которого
образуется шестиуглеродная трикарбоновая кислота, называемая лимонной.
Далее следует серия реакций, в ходе которых происходит высвобождение двух
молекул С02 и регенерация оксалоацетата. Поскольку количество
оксалоацетата, необходимое для превращения большого числа ацетильных единиц
в С02, весьма невелико, можно считать, что оксалоацетат выполняет
каталитическую роль.
Цикл лимонной кислоты является механизмом, обеспечивающим улавливание
большей части свободной энергии, освобождаемой в процессе окисления
углеводов, липидов и белков. В процессе окисления ацетил-СоА благодаря
активности ряда специфических дегидрогеназ происходит образование
восстановительных эквивалентов в форме водорода или электронов. Последние
поступают в дыхательную цепь; при функционировании этой цепи
происходит окислительное фосфорилирование, то есть синтезируется АТФ.
Ферменты цикла лимонной кислоты локализованы в митохондриальном
матриксе, где они находятся либо в свободном состоянии, либо на внутренней
поверхности внутренней митохондриальной мембраны; в последнем случае
облегчается перенос восстановительных эквивалентов на ферменты
дыхательной цепи, локализованные во внутренней митохондриальной
мембране.[11, 1989]
Реакции ЦТК.
Начальная реакция - конденсация ацетил-СоА и оксалоацетата,
катализируется конденсирующим ферментом, цитратсинтетазой, при этом
происходит образование связи углерод-углерод между метальным углеродом
ацетил-СоА и карбонильным углеродом оксалоацетата. За реакцией конденсации,
приводящей к образованию цитрил-СоА, следует гидролиз тиоэфирной связи,
сопровождающийся потерей большого количества свободной энергии в форме
теплоты; это определяет протекание реакции слева на право до ее завершения:
Ацетил-СоА + Оксалоацетат + Н2О > Цитрат + CoA-SH
Превращение цитрата в изоцитрат катализируется аконитазой, содержащей
железо в двухвалентном состоянии. Эта реакция осуществляется в две стадии:
сначала происходит дегидратация с образованием цис-аконитата (часть его
остается в комплексе с ферментом), а затем - гидратация и образование
изоцитрата:
Цитрат ? цис -Аконитат ? Изоцитрат – Н2О
Реакция ингибируется фторацетатом, который сначала превращается во
фторацетил-СоА; последний конденсируется с оксалоацетатом, образуя
фторцитрат. Непосредственным ингибитором аконитазы является
фторцитрат, при ингибировании накапливается цитрат.
Эксперименты с использованием промежуточных соединений показывают,
что аконитаза взаимодействует с цитратом ассиметрично: она всегда действует
на ту часть молекулы цитрата, которая образовалась из оксалоацетата.
Возможно, что цис-аконитат не является обязательным интермедиатом между
цитратом и изоцитратом и образуется на боковой ветви основного пути.
Далее изоцитратдегидрогеназа катализирует дегидрогенирование с
образованием оксалосукцината. Описаны три различных формы
изоцитратдегидрогеназы. Одна из них, НАД-зависимая, найдена только в
митохондриях. Две другие формы являются НАДФ-зависимыми, причем одна из них
также находится в митохондриях, а другая в цитозоле. Окисление изоцитрата,
связанное с работой дыхательной цепи, осуществляется почти исключительно
НАД-зависимым ферментом:
Изоцитрат + НАД+ ? Оксалосукцинат (в комплексе с ферментом) ?
альфакетоглутарат + СО2+ НАДН2
Рисунок 5. Реакции цикла Кребса.[10,1993]
Далее следует декарбоксилирование с образованием
альфакетоглутарата, которое также катализируется
изоцитратдегидрогеназой. Важным компонентом реакции
декарбоксилирования являются ионы Mg2+ (или Мn2+). Судя по имеющимся
данным, оксалосукцинат, образующийся на промежуточной стадии реакции,
остается в комплексе с ферментом.
Альфакетоглутарат, в свою очередь, подвергается окислительному
декарбоксилированию, сходному с окислительным декарбоксилированием
пирувата: в обоих случаях субстратом является альфакетокислота. Реакция
катализируется альфакетоглутаратдегидрогеназным комплексом и требует
участия того же набора кофакторов - тиаминдифосфата, липоата, НАД+, ФАД и
СоА; в результате образуется сукцинил-СоА - тиоэфир, содержащий
высокоэнергетическую связь.
?-кетоглуторат + НАД+ + CoA-SH > Сукцинил-СоА + СО2 + НАДН+Н+
Равновесие реакции настолько сильно сдвинуто в сторону образования
сукцинил-СоА, что ее можно считать физиологически однонаправленной. Как и
при окислении пирувата, реакция ингибируется арсенатом, что приводит к
накоплению субстрата (альфакетоглутарат).
Продолжением цикла является превращение сукцинил-СоА в сукцинат,
катализируемое сукцинаттиокиназой (сукцинил-СоА-синтетазой):
Сукцинил-СоА + ФН + ГДФ? Сукцинат + ГТФ + CoA-SH
Одним из субстратов реакций является ГДФ (или ИДФ), из которого в
присутствии неорганического фосфата образуется ГТФ (ИТФ). Это -
единственная стадия цикла лимонной кислоты, в ходе которой генерируется
высокоэнергетическая фосфатная связь на субстратном уровне; при
окислительном декарбоксилировании ?-кетоглутарата потенциальное количество
свободной энергии достаточно для образования НАДН и высокоэнергетической
фосфатной связи. В реакции, катализируемой фосфокиназой, АТФ может
образовываться как из ГТФ, так и из ИТФ. Например:
ГТФ+АДФ (ГДФ+АТФ.
В альтернативной реакции, протекающей во внепеченочных тканях и
катализируемой сукцинил-СоА-ацетоацетат-СоА-трансферазой, сукцинил-СоА
превращается в сукцинат сопряженно с превращением ацетоацетата в
ацетоацетил-СоА. Впечени имеется диацилазная активность,
обеспечивающая гидролиз части сукцинил-СоА с образованием сукцината и СоА.
Далее сукцинат дегидрогенируется, затем присоединяется молекула воды, и
следует еще одна стадия дегидрогенирования, приводящая к регенерации
оксалоацетата:
Сукцинат + ФАД ( Фумарат + ФАДН2
Первое дегидрогенирование катализируется сукцинатдегидрогеназой,
связанной с внутренней поверхностью внутренней митохондриальной мембраны.
Это единственная дегидрогеназная реакция ЦТК, в ходе которой осуществляется
прямой перенос с субстрата на флавопротеин без участия НАД+. Фермент
содержит ФАД и железо-серный белок. В результате дегидрогенирования
образуется фумарат. Как показали эксперименты с использованием изотопов,
фермент стереоспецифичен к транс-атомам водорода метиленовых групп
сукцината. Добавление малоната или оксалоацетата ингибирует
сукцинатдегидрогеназу, что приводит к накоплению сукцината.
Фумараза (фумаратгидротаза) катализирует присоединение воды к фумарату
с образованием малата:
Фумарат +Н2О ( L-малат
Фумараза специфична к L-изомеру малата, она катализирует присоединение
компонентов молекулы воды по двойной связи фумарата в транс-конфигурации.
Малатдегидрогеназа катализирует превращение малата в оксалоацетат, реакция
идет с участием НАД+:
L-малат + НАД+ ( 0ксалоацетат + НАДН2
Хотя равновесие этой реакции сильно сдвинуто в направлении малата,
реально она протекает в направлении оксалоацетата, поскольку он вместе с
НАДН постоянно потребляется в других реакциях.
Ферменты цикла лимонной кислоты, за исключением
альфакетоглутарат- и сукцинатдегидрогеназы, обнаруживаются и вне
митохондрий. Однако некоторые из этих ферментов (например,
малатдегидрогеназа) отличаются от соответс
| |  скачать работу |
Биологическое окисление |
