Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты - многостадийный процесс, который катализирует пируватдегидрогеназный комплекс - митохондриальный мультиферментный комплекс, соединенный с внутренней мембраной со стороны матрикса. ПВК поступает к комплексу из матрикса, и туда же освобождаются продукты реакции.
Пируватдегидрогеназный комплекс включает три фермента (пируватдегидрогеназа (Е1), ацетилтрансфераза (Е2), дегидрогеназа дигидролипоевой кислоты (Е3)) и пять коферментов (НАД+, ФАД, тиаминпирофосфат, липоевая кислота, кофермент А (рис. 36)).
Тиаминпирофосфат связан с пируватдегидрогеназой (Е1), липоевая кислота - с ацетилтрансферазой (Е2), ФАД - с дегидрогеназой дигидролипоевой кислоты (Е3). Кофермент А и НАД+ находятся в свободно растворенном состоянии.
В состав пируватдегидрогеназного комплекса входит примерно по три десятка молекул Е1 и Е2 и 10 молекул Е3. Комплекс работает как конвейер: промежуточные продукты не освобождаются в раствор, а передаются от фермента к ферменту.
а
| 
б
|
| Рис. 36. Структура кофермента А (а) и липоевой кислоты (б) |
Первую реакцию (рис. 37) катализирует Е1, субстратами являются ПВК и дегидролипоевая кислота, являющаяся простетической группой Е2. От ПВК отщепляется карбоксильная группа и образуется СО2, а ацетильный остаток соединяется с атомом серы липоевой кислоты в составе ацетилтрансферазы. Образуется ацетиллипоат-Е2.
Во второй реакции ацетилтрансфераза (Е2) катализирует перенос ацетильного остатка, соединенного с его простетической группой, на коэнзим А. Продукты этой реакции - дигидролипоевая кислота в составе Е2 и ацетил-KоА.
В третьей реакции происходит дегидрирование дигидролипоевой кислоты в составе ацетилтрансферазы при воздействии фермента Е3 (дегидрогеназа дигидролипоевой кислоты), содержащего ФАД. ФАД передает водород на НАД+. Образуются НАДН+Н+ и дегидролипоевая кислота в составе Е2. Последний фермент снова вступает в окислительное декарбоксилирование ПВК.
Ацетил-KоА (продукт второй реакции) затем окисляется в цикле Кребса. Водород с НАДН (продукт третьей реакции) поступает в дыхательную цепь, где образуется АТФ.
Энергетический выход окислительного декарбоксилирования пирувата – 3 АТФ.
Суммарное уравнение процесса:
СH3-CО-COOH + HS-KoA + НАД+ ® СH3-CО-S-KoA + НАДН + Н+ + СО2.
Рис. 37. Схема окислительного декарбоксилирования пирувата
По механизму «обратной связи» работу пируватдегидрогеназного комплекса ингибируют конечные продукты окислительного декарбоксилирования - ацетил-KоА, НАДН+Н+, а также АТФ. Увеличивают активность комплекса пировиноградная кислота и АДФ.
Также имеет место гормональная регуляция: инсулин увеличивает активность пируатдегидрогеназного комплекса, глюкагон - снижает.
ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ
Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса, цитратный цикл) открыт английским биохимиком Хансом Кребсом, получившим за это выдающееся достижение в 1953 г. Нобелевскую премию.
Цикл Кребса - путь окисления молекул ацетил-KoA, в которые превращается в процессе катаболизма большая часть углеводов, жирных кислот и аминокислот.
Цикл трикарбоновых кислот протекает в матриксе митохондрий. Его стадии:
1. Реакция конденсации ацетил-KoA с оксалоацетатом при участии цитрат-синтазы с образованием лимонной кислоты:
2. Реакция дегидратации лимонной кислоты с образованием цис-аконитовой кислоты, которая присоединяет молекулу воды и переходит в изолимонную кислоту (изоцитрат). Процесс катализирует аконитат-гидратаза:
3. Реакция дегидрирования и декарбоксилирования изолимонной кислоты в присутствии НАД-зависимой изоцитратдегидрогеназы. Это лимитирующая стадия цикла Кребса, в результате которой образуется
a-кетоглутарат. НАД-зависимая изоцитратдегидрогеназа активируется АДФ и ионами Mg2+; АТФ и НАДН являются ингибиторами.
4. Окислительное декарбоксилирование a-кетоглутаровой кислоты с образованием макроэргического соединения сукцинил-KoA при участии
a-кетоглутаратдегидрогеназного комплекса, включающего пять коферментов: тиаминпирофосфат, липоевую кислоту, кофермент А, ФАД и НАД+:
5. Сукцинил-KoA при участии ГДФ и неорганического фосфата превращается в сукцинат (янтарная кислота). Одновременно образуется ГТФ за счет макроэргической тиоэфирной связи сукцинил-KoA. Реакцию катализирует сукцинил-KoA-синтетаза. Ингибиторами являются НАДН, АТФ и сукцинил-КоА.
ГТФ + АДФ ® АТФ + ГДФ.
6. Реакция дегидрирования сукцината с образованием фумаровой кислоты при участии сукцинатдегидрогеназы, коферментом которой является ФАД. Сукцинатдегидрогеназа связана с внутренней мембраной митохондрий:
7. Реакция гидратации фумаровой кислоты в яблочную (L-малат) при участии фумаразы:
8. Под влиянием митохондриальной НАД-зависимой малатдегидрогеназы L-малат окисляется в оксалоацетат и, тем самым, цикл Кребса замыкается:
В цикле Кребса образуется:
3 молекулы НАДН (реакции 3 - изоцитратдегидрогеназная, 4 –
α-кетоглутаратдегидрогеназная, 8 - малатдегидрогеназная) следовательно, в цепи передачи электронов синтезируется 3х3 = 9 молекул АТФ;
1 молекула ФАДН2 (реакция 6 - сукцинатдегидрогеназная), которая дает 2 молекулы АТФ в дыхательной цепи;
1 молекула ГТФ из сукцинил-КоА (реакция 5), а из нее 1АТФ.
ИТОГО: 9АТФ + 2АТФ + 1АТФ = 12АТФ.
Суммарно в общем пути катаболизма образуется:
3АТФ (окислительное декарбоксилирование ПВК) + 12АТФ (цикл Кребса) =
= 15АТФ.
Цикл Кребса регулируется по механизму «отрицательной обратной связи» с участием аллостерических ферментов.
НАДН ингибируют НАД-зависимые дегидрогеназы цикла. При уменьшении расхода АТФ активность дыхательной цепи снижается (дыхательный контроль), концентрация НАДН в клетке повышается, и ингибирование реакций 3, 4 и 8 снижает активность цикла Кребса в целом.
