Аэробный гликолиз.
Пируватдегидрогеназный комплекс и ПДГ-реакция как связующее звено между анаэробным и аэробным окислением глюкозы. Цитратный цикл (Цикл Кребса).Реакции цитратного цикла.Метаболические функции цитратного цикла.
В предыдущей лекции мы рассмотрели как анаэробные организмы регенерируют НАД+. А как это делают животные и другие аэробные организмы?
У человека и животных пируват претерпевает дальнейшее превращение и окисляется до углекислого газа и воды. Так вот совокупность реакций анаэробного гликолиза и реакций дальнейшего катабализма пирувата до углекислого газа и называется аэробным гликолизом. Таким образом, под аэробным гликолизом понимают процесс катаболизма глюкозы до углекислого газа. Аэробный гликолиз включает в себя 10 реакций анаэробного гликолиза, Пируватдегидрогеназную (ПДГ) реакцию и 8 реакций цикла Кребса - всего 19 реакций.
10 реакций анаэробного гликолиза протекают в цитоплазме, а остальные 9 в специализированных органеллах клетки митохондриях (митохондрии есть только у аэробных организмов). Сначала пируват проникает из цитоплазмы в матрикс митохондрии, где превращается в ацетил-КоА в ходе пируватдегидрогеназной реакции, являющейся связующим звеном между метаболизмом углеводов, липидов и белков. Поэтому её рассмотрим подробнее.
Пируватдегидрогеназный комплекс и ПДГ-реакция как связующее звено между анаэробным и аэробным окислением глюкозы
Баланс пируватдегидрогеназной реакции отображается уравнением:
СН3СОСОО- + НАД+ + КоА-SH КоА-SCOCH3 + НАДН + СО2
Эта сложная реакция с точки зрения химика-органика по сути включает в себя 3 реакции: декарбоксилирование, окисление и этерификацию.
Действительно в пируватдегидрогеназной реакции участвуют три различных фермента, которые сокращенно обозначаются как (Е1, Е2 и Е3).
Е1 – пируватдегидрогеназа
Е2 – дигидролипоамидацетилтрансфераза
Е3 - дигидролипоамиддегидрогеназа
Они образуют сложный мультиферментный комплекс который называется ПДГ-комплексом. Поскольку ПДГ-реакция является одной из важнейших в метаболизме различных веществ, и в частности углеводов ПДГ-комплекс изучен весьма глубоко. Он имеет молекулярную массу от 5,3·106 Да и диаметр больше 30 нм, т.е. ПДГ-комплекс крупнее, чем рибосома.
Комплекс состоит из 60 полипептидов: 24 молекулы Е2 (8 тримеров) образуют ядро комплекса кубической формы. Каждая из 6 граней этого куба занята димерами компонентов ЕЗ, в то время как на 12 ребрах куба лежат димеры молекул Е1.
В этой реакции участвуют также 5 коферментов, а именно: тиаминпирофосфат (ТПФ), липоамид, флавинадениндинуклеотид (ФАД), НАД+ и КоА. Пять разных коферментов этой реакции различными способами ассоциированы с белковыми компонентами ферментов.
ТПФ нековалентно связан на Е1. Липоамид ковалентно связан с остатком лизина Е2 и является простетической группой, также как и ФАД, который прочно ассоциирован в виде простетической группы на ЕЗ. НАД+ и кофермент А взаимодействуют с комплексом в виде растворимых коферментов.
Пространственная организация составных частей комплекса очень важна для катализа. Кофермент, липоевая кислота, очень подвижен благодаря образованию связи с лизиновым остатком фермента Е2. “Ручка” липоамида длиной примерно 1,4 нм в процессе катализа перемещается между Е1 и ЕЗ. Липоамид таким способом может взаимодействовать как со связанным в Е1 тиаминдифосфатом, так и с растворимым коферментом А и акцептирующим электроны ФАД в ЕЗ. Белковый домен ацетилтрансферазы, который связывает липоевую кислоту, очень гибок. Это дополнительно повышает дальность действия липоамидной «ручки».
Из уравнения ПДГ-реакции видно, что в ней участвуют два водорастворимых кофермента - КоА и HAД+. Однако процесс на самом деле гораздо сложнее. Совокупность процессов, происходящих при пируватдегидрогеназной реакции, показана на схеме.
Пируватдегидрогеназа (Е1) катализирует декарбоксилирование пирувата, перенос образованного гидроксиэтильного остатка на ТПФ и окисление гидроксиэтильной с образованием ацетильного остатка, который переносится на липоамид. Следующий фермент, дигидролипоамидацетилтрансфераза (Е2) переносит ацетильный остаток с липоамида на КоА, при этом липоамид восстанавливается до дигидролипоамида. Последний вновь окисляется до липоамида под действием третьего фермента – дигидролипоамид-дегидрогеназы (Е3), простетической группой которого является ФАД и наконец, ФАДН2 окисляется НАД+.
Схема. Механизм пируватдегидрогеназной реакции.
Образующуйся в ПДГ-реакции ацетил-КоА является макроэргическим соединением (по сути это активированная уксусная кислота) и ключевым метаболитом цикла Кребса. Цикл Кребса – цикл трикарбоновых кислот – цикл лимонной кислоты – цитратный цикл - это циклический процесс происходящий в матриксе митохондрий и поддерживающий работу дыхательной цепи, функционирование которой обеспечивает процесс окислительного фосфорилирования.
Ацетил-КоА является исходным соединением для работы цитратного цикла и дыхательной цепи. Если по каким-либо причинам исчезнет ацетил-КоА остановятся реакции цикла Кребса и как следствие дыхательная цепь – что равносильно смерти. Поэтому организмы научились делать и пируват и ацетил-КоА не только из углеводов как мы сейчас с Вами рассматриваем, но и из липидов и белков.
