Биологическая химия - часть 85

которых три относительно прочно связаны с ферментами (ТПФ-E

1

, ли-

поамид-Е

2

 и ФАД-Е

3

), а два – легко диссоциируют (HS-KoA и НАД).

Все эти ферменты, имеющие субъединичное строение, и коферменты

организованы в единый комплекс. Поэтому промежуточные продукты

способны быстро взаимодействовать друг с другом. Показано, что со-

ставляющие комплекс полипептидные цепи субъединиц дигидролипоил-

ацетилтрансферазы составляют как бы ядро комплекса, вокруг которого

расположены пируватдегидрогеназа и дигидролипоилдегидрогеназа. При-

нято считать, что нативный ферментный комплекс образуется путем са-

мосборки.

Суммарную реакцию, катализируемую пируватдегидрогеназным комп-

лексом, можно представить следующим образом:

Пируват + НАД

+

 + HS-KoA –> Ацетил-КоА + НАДН + Н

+

 + СO

2

.

Реакция сопровождается значительным уменьшением стандартной сво-

бодной энергии и практически необратима.

Образовавшийся в процессе окислительного декарбоксилирования аце-

тил-КоА подвергается дальнейшему окислению с образованием СО

2

и Н

2

О. Полное окисление ацетил-КоА происходит в цикле трикарбоновых

кислот (цикл Кребса). Этот процесс, так же как окислительное декарбо-

ксилирование пирувата, происходит в митохондриях клеток.

ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ (ЦИКЛ КРЕБСА)

Цикл трикарбоновых кислот впервые был открыт английским биохимиком

Г. Кребсом *.

Он первым постулировал значение данного цикла для полного сгорания

пирувата, главным источником которого является гликолитическое пре-

вращение углеводов. В дальнейшем было показано, что цикл трикарбо-

новых кислот является тем центром, в котором сходятся практически все

метаболические пути. Таким образом, цикл Кребса – общий конечный путь

окисления ацетильных групп (в виде ацетил-КоА), в которые превращается

в процессе катаболизма большая часть органических молекул, играющих

роль «клеточного топлива»: углеводов, жирных кислот и аминокислот.

Образовавшийся в результате окислительного декарбоксилирования

пирувата в митохондриях ацетил-КоА вступает в цикл Кребса. Данный

цикл происходит в матриксе митохондрий и состоит из восьми последова-

тельных реакций (рис. 10.9). Начинается цикл с присоединения ацетил-КоА

к оксалоацетату и образования лимонной кислоты (цитрата). Затем лимон-

ная кислота (шестиуглеродное соединение) путем ряда дегидрирований

(отнятие водорода) и двух декарбоксилирований (отщепление СО

2

) теряет

два углеродных атома и снова в цикле Кребса превращается в оксалоацетат

(четырехуглеродное соединение), т.е. в результате полного оборота цикла

одна молекула ацетил-КоА сгорает до СО

2

 и Н

2

О, а молекула окса-

лоацетата регенерируется. Рассмотрим все восемь последовательных реак-

ций (этапов) цикла Кребса.

* За это выдающееся открытие Г. Кребс получил Нобелевскую премию в 1953 г.

(совместно с Ф. Липманом). Цикл трикарбоновых кислот часто называют его именем - цикл

Кребса (цикл лимонной кислоты Кребса).

345

Рис. 10.9. Цикл трикарбоновых

кислот (цикл Кребса).

П е р в а я  р е а к ц и я ката-

лизируется ферментом цит-

рат-синтазой, при этом аце-

тильная группа ацетил-КоА

конденсируется с оксалоаце-

татом, в результате чего об-

разуется лимонная кислота:

По-видимому, в данной реакции в качестве промежуточного продукта

образуется связанный с ферментом цитрил-КоА. Затем последний само-

произвольно и необратимо гидролизуется с образованием цитрата и

HS-KoA.

В результате  в т о р о й  р е а к ц и и образовавшаяся лимонная кислота

подвергается дегидратированию с образованием цис-аконитовой кислоты,

которая, присоединяя молекулу воды, переходит в изолимонную кислоту

(изоцитрат). Катализирует эти обратимые реакции гидратации–дегидра-

тации фермент аконитатгидратаза (аконитаза). В результате происходит

взаимоперемещение Н и ОН в молекуле цитрата:

346

цис-Аконитат

Н

2

О

Н

2

О

Цитрат

Изоцитрат

НАД

+

НАДН + Н

+

СО

2

α-Кетоглутарат

НАД

+

НАДН + Н

+

HS-KoA

СО

2

Сукцинил-КоА

HS-KoA

Н

3

РО

4

 + ГДФ

ГТФ

Сукцинат

Е-ФАД

Е-ФАДН

2

Фумарат

Н

2

О

Малат

НАД

+

НАДН+ Н

+

Оксалоацетат

Ацетил-КоА

HS-KoA

Н

2

О

Н

2

О

HS-КoA

Цитрат-синтаза

Ацетил-КоА

Оксалоацетат

Цитрат

Цитрат

Н

2

О

Н

2

О

Аконитат-гидратаза

цис-Анонитат

Н

2

О

Н

2

О

Аконитат-гидратаза

Изоцитрат

Т р е т ь я  р е а к ц и я , по-видимому, лимитирует скорость цикла Кребса.

Изолимонная кислота дегидрируется в присутствии НАД-зависимой изо-

цитратдегидрогеназы *.

В ходе изоцитратдегидрогеназной реакции изолимонная кислота одно-

временно декарбоксилируется. НАД-зависимая изоцитратдегидрогеназа

является аллостерическим ферментом, которому в качестве специфического

активатора необходим АДФ. Кроме того, фермент для проявления своей

активности нуждается в ионах Mg

2+

 или Мn

2+

.

Во время  ч е т в е р т о й  р е а к ц и и происходит окислительное декарбокси-

лирование α-кетоглутаровой кислоты с образованием высокоэнергетическо-

го 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 кис-

лоты, HS-KoA, ФАД и НАД

+

.

П я т а я  р е а к ц и я катализируется ферментом сукцинил-КоА-синтета-

зой. В ходе этой реакции сукцинил-КоА при участии ГТФ и неорганического

фосфата превращается в янтарную кислоту (сукцинат). Одновременно

происходит образование высокоэргической фосфатной связи ГТФ ** за счет

высокоэргической тиоэфирной связи сукцинил-КоА:

* В митохондриях существует 2 типа изоцитратдегидрогеназ: НАД- и НАДФ-зависимый;

первый тип встречается только в митохондриях, второй - как в митохондриях, так и

в цитозоле.

** Образовавшийся ГТФ отдает затем свою концевую фосфатную группу на АДФ,

вследствие чего образуется АТФ. Образование высокоэргического нуклеозидтрифосфата в ходе

сукцинил-КоА-синтетазной реакции - еще один пример фосфорилирования на уровне субстрата

(субстратное фосфорилирование).

347

Изоцитратдегидрогеназа

Изоцитрат

α-Кетоглутарат

α-Кетоглутаратдегидрогеназный комплекс

α-Кетоглутарат

Сукцинил-КоА

НАД

+

НАДН

 + Н

+

СО

2

HS-KoA

НАД

+

НАДH

 + Н

+

СO

2

В результате шестой  р е а к ц и и сукцинат дегидрируется в фумаровую

кислоту. Окисление сукцината катализируется сукцинатдегидрогеназой,

в молекуле которой с белком прочно (ковалентно) связан кофермент ФАД.

В свою очередь сукцинатдегидрогеназа прочно связана с внутренней ми-

тохондриальной мембраной:

С е д ь м а я  р е а к ц и я осуществляется под влиянием фермента фума-

ратгидратазы (фумаразы). Образовавшаяся при этом фумаровая кислота

гидратируется, продуктом реакции является яблочная кислота (малат).

Следует отметить, что фумаратгидратаза обладает стереоспецифичностью

(см. главу 4) – в ходе реакции образуется L-яблочная кислота:

Наконец, в ходе  в о с ь м о й  р е а к ц и и цикла трикарбоновых кислот под

влиянием митохондриальной НАД-зависимой малатдегидрогеназы проис-

ходит окисление L-малата в оксалоацетат:

348

Сукцинил-КоА-синтетаза

Сукцинил-КоА

Сукцинат

Сукцинатдегидрогеназа

Сукцинат

Фумарат

Фумарат

Фумараза

L-малат

L- малат

Малатдегидрогеназа

Оксалоацетат

+ ГДФ + P

i

+

 ГТФ

 + HS-KoA

Е-ФАД

Е-ФАДН

2

H

2

O

H

2

O

+ НАД

+

+ НАДН

 + Н

+