содержание      ..     16      17      18      19     ..

АЭРОБНЫЙ КАТАБОЛИЗМ УГЛЕВОДОВ (ЧАСТЬ  1)

Аэробный метаболизм пирувата. Митохондрии: структура

и энергетические функции

Клетки, недостаточно снабжаемые кислородом, могут частично или полностью существовать за счет энергии гликолиза. Однако большинство животных и растительных клеток в норме находится в аэробных условиях и свое органическое «топливо» окисляет полностью (до СО₂ и Н₂О). В этих условиях пируват, образовавшийся при расщеплении глюкозы, не восстанавливается до лактата, а постепенно окисляется до СО₂ и Н₂О в аэробной стадии катаболизма, при этом первоначально происходит окислительное декарбоксилирование пирувата с образованием ацетил-CоА.

Окислительное декарбоксилирование пирувата. Строение

мультиферментного пируватдегидрогеназного комплекса. Суммарное уравнение и энергетический баланс окислительного

декарбоксилирования пирувата. Регуляция активности

пируватдегидрогеназного комплекса: ковалентная модификация,

аллостерический механизм

Окисление пирувата до ацетил-CоА происходит при участии ряда ферментов и коферментов, объединенных структурно в мультиферментную систему, получившую название «пируватдегидрогеназный комплекс».

На первой стадии этого процесса пируват (рис. 18.1) теряет свою карбоксильную группу в результате взаимодействия с тиаминпирофосфатом (TPP) в составе активного центра фермента пируватдегидрогеназы (E₁). На второй стадии оксиэтильная группа комплекса E₁–TPP–СНОН–СН₃ окисляется с образованием ацетильной группы, которая одновременно переносится на амид липоевой кислоты (кофермент), связанной с ферментом дигидроли-поилацетилтрансферазой (Е₂). Этот фермент катализирует третью стадию – перенос ацетильной группы на коэнзим CоА (HSCoA) с образованием конечного продукта (ацетил-CоА), который является высокоэнергетическим (макроэргическим) соединением.

На четвертой стадии регенерируется окисленная форма липоамида из восстановленного комплекса дигидролипоамида-Е₂. При участии фермента дигидролипоилдегидрогеназы (Е₃) осуществляется перенос атомов водорода от восстановленных сульфгидрильных групп дигидролипоамида на FAD, который выполняет роль простетической группы данного фермента и прочно с ним связан. На пятой стадии восстановленный FADН₂ дигидро-липоилдегидрогеназы передает водород на кофермент NAD⁺ (с образованием NADН + Н⁺).

Рис. 18.1. Механизм действия пируватдегидрогеназного комплекса. Е₁ – пируватдегидрогеназа; Е₂ – дигидролипоилацетилтрансфераза; Е₃ – дигидролипоилдегидрогеназа (цифры в кружках обозначают стадии процесса)

Процесс окислительного декарбоксилирования пирувата происходит в матриксе митохондрий. В нем (в составе сложного мультиферментного комплекса) принимают участие 3 фермента (пируватдегидрогеназа, ди-гидролипоилацетилтрансфераза, дигидролипоилдегидрогеназа) и 5 кофер-ментов (TРP, амид липоевой кислоты, коэнзим А, FAD и NAD), из которых три относительно прочно связаны с ферментами (ТPP-E₁, липоамид-Е₂ и FAD-Е₃), а два – легко диссоциируют (HS-CoA и NAD).

Все эти ферменты, имеющие субъединичное строение, и коферменты организованы в единый комплекс. Поэтому промежуточные продукты способны быстро взаимодействовать. Доказано, что полипептидные цепи субъединиц дигидролипоил-ацетилтрансферазы составляют как бы ядро комплекса, вокруг которого расположены пируватдегидрогеназа и дигидролипоилдегидрогеназа. Принято считать, что нативный ферментный комплекс образуется путем самосборки.

Суммарную реакцию, катализируемую пируватдегидрогеназным комплексом, можно представить следующим образом:

Реакция сопровождается значительным уменьшением стандартной свободной энергии и практически необратима (∆G₀′= ‒ 40 кДж/моль).

Образовавшийся в процессе окислительного декарбоксилирования аце-тил-CоА подвергается дальнейшему окислению с образованием СО₂ и Н₂О. Полное окисление ацетил-CоА происходит в цикле трикарбоновых кислот (цикл Кребса). Этот процесс, так же как окислительное декарбо-ксилирование пирувата, происходит в митохондриях клеток.

Цикл лимонной кислоты. Отдельные реакции цикла,

их термодинамическая характеристики. Суммарное уравнение

окисления ацетил-CоА в цикле 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 превращение углеводов. В дальнейшем было доказано, что цикл трикарбоновых кислот является тем центром, в котором сходятся практически все метаболические пути. Таким образом, цикл Кребса, – общий конечный путь окисления ацетильных групп (в виде ацетил-CоА), в которые в процессе катаболизма превращается большая часть органических молекул, играющих роль «клеточного топлива»: углеводов, жирных кислот и аминокислот.

Ацетил-СоА, образовавшийся в результате окислительного декарбоксилирования пирувата в митохондриях, вступает в цикл Кребса. Данный цикл происходит в матриксе митохондрий и состоит из восьми последовательных реакций. Начинается цикл конденсацией ацетил-СоА с оксалоацетатом и образованием лимонной кислоты (цитрата). Затем лимонная кислота (шестиуглеродное соединение) путем ряда дегидрирований (отнятие водорода) и двух декарбоксилирований (отщепление СО₂) теряет два углеродных атома и снова в цикле Кребса превращается в оксалоацетат (четырехуглеродное соединение), т.е. в результате полного оборота цикла одна молекула ацетил-СоА сгорает до СО₂ и Н₂О, а молекула оксалоацетата регенерируется. Рассмотрим все восемь последовательных реакций (этапов) цикла Кребса.

Первая реакция катализируется ферментом цитрат-синтазой; при этом ацетильная группа ацетил-СоА конденсируется с оксалоацетатом, в результате чего образуется лимонная кислота:

По-видимому, в данной реакции в качестве промежуточного продукта образуется связанный с ферментом цитрил-СоА, который затем самопроизвольно и необратимо гидролизуется с образованием цитрата и HS-СoA.

В результате второй реакции образовавшаяся лимонная кислота подвергается дегидратированию с образованием цис-аконитовой кислоты, которая, присоединив молекулу воды, переходит в изолимонную кислоту (изоцитрат). Катализирует эти обратимые реакции гидратации-дегидратации фермент аконитатгидратаза (аконитаза). В результате происходит взаимоперемещение Н и ОН в молекуле цитрата:

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

В ходе изоцитратдегидрогеназной реакции изолимонная кислота одновременно декарбоксилируется. NAD⁺-зависимая изоцитратдегидрогеназа является аллостерическим ферментом, которому в качестве специфического активатора необходим ADP. 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-CоА. Механизм этой реакции сходен с механизмом реакции окислительного декарбоксилирования пирувата до ацетил-СоА, α-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс напоминает по своей структуре пируватдегидрогеназный комплекс. Как в одном, так и в другом случае в реакции принимают участие 5 коферментов: TPP, амид липоевой кислоты, HS-CoA, FAD и NAD⁺.

Пятая реакция катализируется ферментом сукцинил-СоА-синтетазой. В ходе этой реакции сукцинил-СоА при участии GTP и неорганического фосфата превращается в янтарную кислоту (сукцинат). Одновременно происходит образование высокоэргической фосфатной связи GTP за счет высокоэргической тиоэфирной связи сукцинил-СоА:

В результате шестой реакции сукцинат дегидрируется в фумаровую кислоту. Окисление сукцината катализируется сукцинатдегидрогеназой, в молекуле которой с белком прочно (ковалентно) связан кофермент FAD. В свою очередь сукцинатдегидрогеназа прочно связана с внутренней ми-тохондриальной мембраной:

Седьмая реакция 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, т.е. в ходе реакции образуется L-яблочная кислота:

Наконец, в ходе восьмой реакции цикла трикарбоновых кислот под влиянием митохондриальной NAD-зависимой малатдегидрогеназы происходит окисление L-малата в оксалоацетат:

Как видно, за один оборот цикла, состоящего из восьми ферментативных реакций, происходит полное окисление («сгорание») одной молекулы ацетил-CоА. Для непрерывной работы цикла необходимо постоянное поступление в систему ацетил-CоА, а коферменты (NAD⁺ и FAD), перешедшие в восстановленное состояние, должны снова и снова окисляться. Это окисление осуществляется в системе переносчиков электронов в дыхательной цепи (в цепи дыхательных ферментов), локализованной в мембране митохондрий. Образовавшийся FADН₂ прочно связан с сукцинатдегидрогеназа, поэтому он передает атомы водорода через CoQ.

Освобождающаяся в результате окисления ацетил-CоА энергия в значительной мере сосредоточивается в макроэргических фосфатных связях ATP. Из четырех пар атомов водорода три пары переносят NADH на систему транспорта электронов; при этом в расчете на каждую пару в системе биологического окисления образуется три молекулы ATP (в процессе сопряженного окислительного фосфорилирования), а всего, следовательно, девять молекул ATP. Одна пара атомов от сукцинатдегидрогеназы-FADН₂ попадает в систему транспорта электронов через CoQ, в результате образуется только две молекулы ATP. В ходе цикла Кребса синтезируется также одна молекула GTP (субстратное фосфорилирование), что равносильно одной молекуле ATP. Итак, при окислении одной молекулы ацетил-CоА в цикле Кребса и системе окислительного фосфорилирования может образоваться двенадцать молекул ATP.

Если подсчитать полный энергетический эффект гликолитического расщепления глюкозы и последующего окисления двух образовавшихся молекул пирувата до СО₂ и Н₂О, то он окажется значительно большим.

Как отмечалось, одна молекула NADH (три молекулы ATP) образуется при окислительном декарбоксилировании пирувата в ацетил-CоА. При расщеплении одной молекулы глюкозы образуется две молекулы пирувата, а при окислении их до двух молекул ацетил-CоА и в ходе двух оборотов цикла трикарбоновых кислот синтезируется тридцать молекул ATP (следовательно, окисление молекулы пирувата до СО₂ и Н₂О дает пятнадцать молекул ATP). К этому количеству надо добавить две молекулы ATP, образующиеся при аэробном гликолизе, и шесть молекул ATP, синтезирующихся за счет окисления двух молекул внемитохондриального NADH, которые образуются при окислении двух молекул глицеральдегид-3-фосфата в дегидрогеназной реакции гликолиза. Следовательно, при расщеплении в тканях одной молекулы глюкозы по уравнению С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ → 6СО₂ + 6Н₂О синтезируется тридцать восемь молекул ATP. Несомненно, что в энергетическом отношении полное расщепление глюкозы является более эффективным процессом, чем анаэробный гликолиз.

Необходимо отметить, что образовавшиеся в процессе превращения глицеральдегид-3-фосфата две молекулы NADH в дальнейшем при окислении могут давать не шесть молекул АТР, а только четыре. Дело в том, что сами молекулы внемитохондриального NADH не способны проникать через мембрану внутрь митохондрий. Однако отдаваемые ими электроны могут включаться в митохондриальную цепь биологического окисления с помощью так называемого глицеролфосфатного челночного механизма. Цитоплазматический NADH сначала реагирует с цитоплазматическим дигидроксиацетонфосфатом, образуя глицерол-3-фосфат. Реакция катализируется NАDН-зависимой цитоплазматической глицерол-3-фосфатдегидрогеназой:

Дигидроксиацетонфосфат + NАDН + Н⁺ ↔ Глицерол-3-фосфат + NАD ⁺.

Образовавшийся глицерол-3-фосфат легко проникает через митохондриальную мембрану. Внутри митохондрии другая (митохондриальная) глицерол-3-фосфатдегидрогеназа (флавиновый фермент) снова окисляет глицерол-3-фосфат до диоксиацетонфосфата:

Глицерол-3-фосфат + FAD ↔ Диоксиацетонфосфат + FADН₂.

Восстановленный флавопротеин (фермент-FADН₂) вводит на уровне CoQ приобретенные им электроны в цепь биологического окисления и сопряженного с ним окислительного фосфорилирования, а диоксиаце-тонфосфат выходит из митохондрий в цитоплазму и может вновь взаимодействовать с цитоплазматическим NАDН + Н⁺.

Таким образом, пара электронов (из одной молекулы цитоплазматического NАDН + Н⁺), вводимая в дыхательную цепь с помощью глицеролфосфатного челночного механизма, дает не три, а две молекулы АТР.

АЭРОБНЫЙ  КАТАБОЛИЗМ  УГЛЕВОДОВ  (ЧАСТЬ  2)

Регуляция цикла Кребса на уровне цитратсинтазы,

изоцитратдегидрогеназы и a-кетоглутаратдегидрогеназного комплекса

В большинстве случаев скорость функционирования метаболических циклов определяется их начальными реакциями. В ЦТК важнейшая регуляторная реакция – образование цитрата из оксалоацетата и ацетил-СоА, катализируемая цитратсинтазой. Эта реакция ускоряется при повышении концентрации оксалоацетата – субстрата реакции – и тормозится продуктом реакции – цитратом. Когда отношение NADH/NАD⁺ снижается, скорость окисления малата в оксалоацетат возрастает. Повышение концентрации оксалоацетата повышает цитратсинтазную реакцию. Скорость реакции снижается при повышении концентрации АТP, сукцинил-СоА (сукцинил-СоА понижает сродство цитратсинтазы к ацетил-СоА) и длинноцепочечных жирных кислот (служат предшественниками ацетил-СоА). Однако точный механизм влияния этих метаболитов на цитратсинтазу недостаточно ясен (рис. 19.1).

Рис. 19.1. Регуляция общего пути катаболизма: 1 – 4 – основные этапы

На первом этапе пируватдегидрогеназный комплекс активируется пируватом, NAD⁺, СоА; ингибируется NADH и ацетил-СоА; на втором этапе цитратсинтазная реакция ускоряется при повышении концентрации оксалоацетата и замедляется при повышении концентрации цитрата, NADH, АТP и сукцинил-СоА; на третьем этапе изоцитратдегидрогеназа аллостерически активируется АDP, ионами кальция, ингибируется NADH; на четвёртом этапе a- кетоглутаратдегидрогеназный комплекс ингибируется NADH, АTP и сукцинил-СоА, активируется ионами кальция.

Изоцитратдегидрогеназа – олигомерный фермент, состоящий из 8 субъединиц. Присоединение изоцитрата к первой субъединице вызывает кооперативное изменение конформации других, увеличивая скорость присоединения субстрата. Фермент аллостерически активируется АDP и Са²⁺ , которые присоединяются к нему в разных аллостерических центрах. В присутствии АDP конформация всех субъединиц меняется таким образом, что связывание изоцитрата происходит значительно быстрее. Таким образом, при концентрации изоцитрата, которая существует в митохондриальном матриксе, небольшие изменения концентрации АDP могут вызвать значительное изменение скорости реакции. Увеличение активности изоцитратдегидрогеназы снижает концентрацию цитрата, что в свою очередь уменьшает ингибирование цитратсинтазы продуктом реакции. При повышении концентрации NADH активность фермента снижается.

a- Кетоглутаратдегидрогеназный комплекс, имеющий сходное строение с пируватдегидрогеназным, в отличие от последнего не имеет в своём составе регуляторных субъединиц. Главный механизм регуляции a-кетоглутаратдегидрогеназного комплекса – ингибирование реакции NADH и сукцинил-СоА. a- Кетоглутаратдегидрогеназный комплекс, как и изоцитратдегидрогеназа, активируется Са²⁺, а при повышении концентрации АТР скорости обеих реакций снижаются.

Таким образом, в цикле лимонной кислоты регулируются, по меньшей мере, три стадии, и только в своих деталях эта регуляция у разных типов клеток несколько различается. Кроме описанных механизмов в регуляции цитратного цикла существует множество дополнительных механизмов, обеспечивающих необходимый уровень метаболитов и их участие в других метаболических путях.

Скорость гликолиза в нормальных условиях согласована со скоростью функционирования цикла лимонной кислоты: в клетке до пирувата расщепляется ровно столько глюкозы, сколько необходимо для того, чтобы обеспечить цикл лимонной кислоты «топливом», т. е. ацетильными группами ацетил-СоА. Ни пируват, ни лактат, ни ацетил-СоА обычно не накапливаются в аэробных клетках в больших количествах; их концентрации поддерживаются на некоем постоянном уровне, соответствующем динамическому равновесию. Согласованность между скоростью гликолиза и скоростью функционирования цикла лимонной кислоты объясняется не только тем, что первый процесс ингибируется высокими концентрациями АТP и NADH, т. е. компонентами, общими для гликолитической и дыхательной стадий окисления глюкозы; определенную роль в этой согласованности играет также и концентрация цитрата. Продукт первой стадии цикла лимонной кислоты – цитрат – является аллостерическим ингибитором фосфофруктокиназы, катализирующей в процессе гликолиза реакцию фосфорилирования фруктозо-6-фосфата.

Амфиболическое значение цикла Кребса.

Необходимость анаплеротических путей, пополняющих запас

 компонентов, участвующих в цикле

Цикл лимонной кислоты ‒ это один из амфиболических путей. Он используется не только для окислительного катаболизма, т. е. расщепления углеводов, жирных кислот и аминокислот, но может служить также первой стадией многих биосинтетических путей, для которых он является источником молекул-предшественников (рис. 19.2).

Рис. 19.2. Использование метаболитов ЦТК в синтезе различных соединений: 1 – 3 – синтез заменимых аминокислот; 4 – 6 синтез глюкозы; 7 – синтез жирных кислот; 8 – синтез гема

Под воздействием ряда важных вспомогательных ферментов некоторые промежуточные продукты цикла лимонной кислоты, главным образом a-кетоглутарат, сукцинат и оксалоацетат, могут удаляться из цикла и использоваться в качестве молекул-предшественников аминокислот. Скорость функционирования цикла лимонной кислоты при этом, казалось бы, должна снижаться, поскольку такой отток промежуточных продуктов из цикла должен понижать их концентрацию в клетке. В действительности же этого не происходит, т. к. убыль промежуточных продуктов цикла восполняется благодаря действию другого набора ферментов (анаплеротические реакции), (см. рис. 19.2, 19.3; табл. 19.1).

Анаплеротические (пополняющие) реакции – специальные ферментативные реакции, обеспечивающие пополнение пула промежуточных продуктов цикла лимонной кислоты.

Рис. 19.3. Роль интермедиатов цикла лимонной кислоты в анаболизме

Таблица 19.1

Анаплеротические реакции

При нормальных условиях реакции, отвлекающие промежуточные продукты из цикла, и реакции, восполняющие их убыль, находятся в состоянии динамического равновесия, так что концентрация этих продуктов в митохондриях остается более или менее постоянной.

Зависимое от АТP и биотина карбоксилирование пирувата:

анаплеротический путь синтеза оксалоацетата

Наиболее важная анаплеротическая реакция в животных тканях – это ферментативное карбоксилирование пирувата за счет СО₂ с образованием оксалоацетата (рис. 19.4); катализирует эту обратимую реакцию фермент пuруваmкарбоксuлаза:

Рис. 19.4. Пируваткарбоксилазная реакция

На рис. 19.4. видно, что карбоксильная группа биотина образует пептидную связь с e-аминогруппой остатка лизина, входящего в состав активного центра фермента. СО₂ активируется, образуя N-карбоксипроизводное биотинильной простетической группы. Затем эта карбоксильная группа ‒ непосредственный донорСО₂ для пирувата ‒ переносится на пируват.

Если для цикла лимонной кислоты не хватает оксалоацетата или какого-нибудь другого промежуточного продукта цикла, то карбоксилирование пирувата стимулируется и запас оксалоацетата растет. Для ферментативного присоединения карбоксильной группы к молекуле пирувата требуется энергия. Её источником служит сопряженное с данной реакцией расщепление АТP до ADP и фосфата. Поскольку суммарная реакция сопровождается лишь незначительным изменением стандартной свободной энергии, мы можем заключить, что свободная энергия, необходимая для присоединения карбоксильной группы к пирувату, примерно равна свободной энергии, выделяющейся при гидролизе АТР.

Пируваткарбоксилаза – очень сложный фермент. Его молекулярная масса равна приблизительно 650 кДа. Молекула фермента содержит четыре простетические группы. Каждая из них состоит из одной молекулы витамина бuоmuна, ковалентно связанного пептидной связью с e-аминогруппой особого остатка лизина, находящегося в активном центре (рис. 19.4). Свободный СО₂, предшественник новой карбоксильной группы оксалоацетата, сначала активируется путём присоединения к одному из атомов азота в молекуле биотина. Эта активация, связанная с расходованием АТР, составляет первую стадию реакции, катализируемой пируваткарбоксилазой:

АТР + СО₂ + Е-биотин + Н₂О « ADP + P_i + Е-биотин-СОО¯ + 2Н⁺

На второй стадии, протекающей также в активном центре фермента, активированная карбоксильная группа, ковалентно связанная с простетической группой фермента, переносится на пируват с образованием оксалоацетата (рис. 19.4):

Е-биотин-СОО¯ + Пируват « Е-биотин + Оксалоацетат

Пируваткарбоксилаза принадлежит к регуляторным ферментам. В отсутствие ацетил-СоА, который служит для нее положительным модулятором, скорость катализируемой ею прямой реакции, приводящей к образованию оксалоацетата, очень невелика (рис. 19.5). Избыток же ацетил-СоА, поставляющего «топливо» для цикла лимонной кислоты, стимулирует пируваткарбоксилазную реакцию; в результате этого образуется больше оксалоацетата и цикл использует больше ацетил-СоА в цитратсинтазной реакции.

Пируваткарбоксилазная реакция ‒ главная анаплеротическая реакция в печени и почках. В миокарде и в мышцах протекают другие анаплеротические реакции. Одна из таких реакций катализируется фосфоенолпируваткарбоксикиназой.

В этой реакции происходит расщепление фосфоенолпирувата – сверхвысокоэнергетического фосфорилированного соединения, образующегося в процессе гликолиза. Высвобождаемая энергия используется для карбоксилирования с образованием оксалоацетата, а ее остаток запасается в форме GTP.

Пентозофосфатный путь (гексозомонофосфатный шунт)

Пентозофосфатный путь (ПФП), называемый также гексомонофосфатным шунтом, служит альтернативным путём окисления глюкозо-б-фосфата.

Пентозофосфатный цикл начинается с окисления глюкозо-6-фосфата и последующего окислительного декарбоксилирования продукта (в результате от гексозофосфата отщепляется первый атом углерода). Это первая, так называемая окислительная, стадия пентозофосфатного цикла. Вторая стадия включает неокислительные превращения пентозофосфатов с образованием исходного глюкозо-6-фосфата (рис. 19.5).

Рис. 19.5. Пентозофосфатный путь окисления углеводов

В норме доля ПФП в количественном превращении глюкозы обычно невелика, варьируется у разных организмов и зависит от типа ткани и ее функционального состояния.

У млекопитающих активность ПФП относительно высока в печени, надпочечниках, эритроцитах, эмбриональной ткани и молочной железе в период лактации. Реакции пентозофосфатного цикла протекают в цитозоле клетки. Значение ПФП в обмене веществ велико. Он поставляет восстановленный NADPH, необходимый для биосинтеза жирных кислот, холестерина и т.д. За счет пентозофосфатного цикла примерно на 50% покрывается потребность организма в NADPH.

Другая функция пентозофосфатного цикла заключается в том, что он поставляет пентозофосфаты для синтеза нуклеиновых кислот и многих коферментов. При ряде патологических состояний удельный вес пенто-зофосфатного пути окисления глюкозы возрастает. Механизм реакций пентозофосфатного цикла достаточно расшифрован.

Отдельные реакции ПФП, их термодинамические характеристики.

Суммарное уравнение пентозофосфатного пути.

Регуляция пентозофосфатного пути на уровне

глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы

Первая реакция – дегидрирование глюкозо-6-фосфата при участии фермента глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы (Г6ФДГ) и кофермента NADP⁺. Образовавшийся в ходе реакции 6-фосфоглюконо-d- лактон – соединение нестабильное и с большой скоростью гидролизуется либо спонтанно, либо с помощью фермента 6-D-фосфоглюконолактоназы с образованием 6-фосфоглюконовой кислоты (6-фосфоглюконат):

Г6ФДГ представляет собой димер с молекулярной массой 104-110 кДа, состоящий из двух идентичных субъединиц. Установлено, что лизин-169 является функциональным центром фермента, влияющим на каталитическую активность Г6ФДГ. Показано, что NADP⁺ способствует стабилизации Г6ФДГ и сохранению её в активном состоянии, а NADPH – продукт реакции, является сильным ингибитором Г6ФДГ, вызывающим диссоциацию белковой молекулы. Кроме того, ингибировать активность Г6ФДГ могут АТP и 2,3-бисфосфоглицерат (в меньшей степени). Г6ФДГ локализована в цитозоле и на внутренней поверхности плазматической мембраны.

Во второй окислительной реакции, катализируемой 6- фосфоглюконатдегидрогеназой (декарбоксилирующей), 6-фосфоглюконат дегидрируется и декарбоксилируется. В результате образуется фосфорилированная кетопентоза ‒ D-рибулозо-5-фосфат и еще 1 молекула NADPH:

Под действием соответствующей эпимеразы из рибулозо-5-фосфата может образоваться другая фосфопентоза ‒ ксилулозо-5-фосфат. Кроме того, рибулозо-5-фосфат под влиянием особой изомеразы легко превращается в рибозо-5-фосфат. Между этими формами пентозофосфатов устанавливается состояние подвижного равновесия:

При определенных условиях пентозофосфатный путь на этом этапе может быть завершен. Однако при других условиях наступает так называемый неокислительный этап пентозофосфатного цикла. Реакции этого этапа не связаны с использованием кислорода и протекают в анаэробных условиях. При этом частично образуются вещества, характерные для первой стадии гликолиза (фруктозо-6-фосфат, фруктозо-l,6-бисфосфат, фосфотриозы), а частично – специфические для пентозофосфатного пути (седогептулозо-7-фосфат, пентозо-5-фосфаты, эритрозо-4-фосфат).

Основными реакциями неокислительной стадии пентозофосфатного цикла являются транскетолазная и трансальдолазная. Эти реакции катализируют превращение изомерных пентозо-5-фосфатов:

Коферментом в транскетолазной реакции служит тиаминпирофосфат, играющий роль промежуточного переносчика гликольальдегидной группы от ксилулозо-5-фосфата к рибозо-5-фосфату. В результате образуется семиуглеродный моносахарид седогептулозо-7-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат.

Транскетолазная реакция в пентозном цикле встречается дважды (второй раз – при образовании фруктозо-6-фосфата и триозофосфата в результате взаимодействия второй молекулы ксилулозо-5-фосфата с эритрозо-4-фосфатом):

Фермент трансальдолаза катализирует перенос остатка диоксиацетона (но не свободного диоксиацетона) от седогептулозо-7-фосфата на глицеральдегид-3-фосфат:

Шесть молекул глюкозо-6-фосфата, вступая в пентозофосфатный цикл, образуют 6 молекул рибулозо-5-фосфата и 6 молекул СО₂, после чего из шести молекул рибулозо-5-фосфата снова регенерируется пять молекул глюкозо-6-фосфата (рис.19.5). Однако это не означает того, что молекула глюкозо-6-фосфата, вступающая в цикл, полностью окисляется. Все 6 молекул СО₂ образуются из С-l-атомов шести молекул глюкозо-6-фосфата.

Валовое уравнение окислительной и неокислительной стадий пентозофосфатного цикла можно представить в следующем виде:

6 Глюкозо-6-фосфат + 7Н₂О + 12 NADP^{+            ----------------------->}                                 5 Глюкозо-6-фосфат + 6СО₂ + Рi + 12 NADPH + 12Н⁺

или

Глюкозо-6-фосфат + 7Н₂О + 12 NADP^{+     ----------------------->}                                                     6СО₂ + Рi + 12 NADPH + 12Н⁺

Образовавшийся NADPH используется в цитозоле на восстановительные синтезы и, как правило, не участвует в окислительном фосфорилировании, протекающем в митохондриях.

Участки перекреста ПФП с гликолизом

В последние годы появились работы, которые дают основание предполагать, что в некоторых тканях схема пентозофосфатного превращения углеводов сложнее, чем это представлено на рис. 19.5. Согласно этой более полной схеме пентозофосфатного пути первые этапы превращения совпадают с прежней схемой, однако после первой транскетолазной реакции начинаются некоторые отклонения (рис. 19.6).

Рис. 19.6. Современная схема пентозофосфатного пути окисления углеводов

Согласно этой схемы, ПФП и гликолиз, протекающие в цитозоле, взаимосвязаны и способны переключаться друг на друга в зависимости от соотношения концентраций промежуточных продуктов, образававшихся в клетке.

Циклический характер ПФП

Окислительный этап образования пентоз и неокислительный этап (путь возвращения пентоз в гексозы) вместе составляют циклический процесс.

Вернёмся к суммарному уравнению ПФП:

6 Глюкозо-6-фосфат + 7Н₂О + 12 NADP^{+----------------------->}5 Глюкозо-6-фосфат + 6СО₂ + Рi + 12 NADPH + 12Н⁺

Это означает, что из шести молекул глюкозы образуется шесть молекул рибулозо-5-фосфат (пентозы) и шесть молекул СО₂. Ферменты неокислительной фазы превращают 6 молекул рибулозо-5-фосфат в 5 молекул глюкозы (гексозы). При последовательном проведении этих реакций единственным полезным продуктом является NADPH, образующийся в окислительной фазе пентозофосфатного пути. Такой процесс называют пентозофосфатным циклом (рис. 19.7)

Рис. 19.7. Пентозофосфатный цикл в жировой ткани

Протекание пентозофосфатногo цикла позволяет клеткам продуцировать NADPH, необходимый для синтеза жиров, не накапливая пентозы.

Энергия, выделяющаяся при распаде глюкозы, трансформируется в энергию высокоэнергетического донора водорода – NADPH. Гидрированный NADPH служит источником водорода для восстановительного синтеза, а энергия NADPH преобразуется и сохраняется во вновь синтезированных веществах, например в жирных кислотах, высвобождается при их катаболизме и используется клетками.

содержание      ..     16      17      18      19     ..