Биохимия метаболизма. Учебное пособие

Превращение глюкозы в глюкуроновую и аскорбиновую кислоты

По другому вторичному пути катаболизма глюкозы в животных тканях образуются два специализированных продукта: D-глюкуронат, важная роль которого связана с обезвреживанием и выведением из организма чужеродных органических веществ, и L-аскорбиновая кислота (витамин С) (схема реакций образования аскорбиновой кислоты представлена на рисунке 6).

Рисунок 6: Схема реакций биосинтеза аскорбиновой кислоты (витамина С) (черный круг с буквой Р в центре обозначает фосфатную группу).

В этом случае D-глюкозо-1-фосфат сначала взаимодействует с УТФ и превращается в УДФ-глюкозу. Затем глюкозная часть молекулы УДФ-глюкозы подвергается ферментативному дегидрированию с образованием УДФ-D-глюкуроната. Эта реакция представляет собой еще один пример использования УДФ-производных в качестве промежуточных продуктов при ферментативных превращениях сахаров. УДФ-D-глюкуронат способствует обезвреживанию некоторых чужеродных веществ или лекарственных препаратов (например, фенола) и таким образом усиливает их выведение через почки. Кроме того, УДФ-глюкуронат служит предшественником D-глюкуронатных остатков в структурных полисахаридов, и промежуточным продуктом в процессе превращения D- глюкозы в L-аскорбиновую кислоту. Он восстанавливается за счет NADPH до шестиуглеродной сахарной кислоты L-гулоната, которая затем превращается в соответствующий лактон. L-гулонолактон дегидрируется до L-аскорбиновой кислоты, или витамина С, при участии флавопротеина гулополактон-оксидазы. Именно этим путем синтезируется L-аскорбат в растениях и у тех животных, которые способны обеспечивать себя этим витамином.

В организме человека, морской свинки, обезьян, некоторых видов птиц и индийской плодоядной летучей мыши витамин С не синтезируется; эти виды должны получать его в готовом виде, с пищей. Человек, морская свинка и разные виды обезьян не синтезируют витамин С потому, что у них отсутствует фермент гулонолактон – оксидаза. Можно думать, что некогда все организмы располагали набором ферментов, необходимых для синтеза аскорбата, но затем какие-то виды утратили эту способность к синтезу вследствие мутации, которая, однако, не оказалась для них летальной, поскольку обычную пищу данного вида составляли богатые витамином С растения.

Доля глюкозы, отвлекаемой на этот вторичный путь, очень невелика, по сравнению с большим ее количеством, расщепляемым в процессе гликолиза и через цикл лимонной кислоты. Однако продукты таких вторичных путей жизненно необходимы организму.

Клеточное дыхание

Как говорилось выше, у аэробных организмов пируват, образовавшийся в ходе гликолиза, поступает в процесс клеточного дыхания, который дает значительно больше молекул АТФ, чем гликолиз или другие пути анаэробного окисления углеводов.

Клеточное дыхание включает три стадии:

окислительное образование ацетил-СоА из пирувата, жирных кислот и аминокислот, расщепление ацетильных остатков в цикле лимонной кислоты, в результате которого образуются СО

и атомы водорода, перенос электронов на молекулярный кислород, сопряженный с окислительным фосфорилированием AДФ до АТФ.

При окислении углеводов гликолиз завершается образованием пирувата, который поступает в пируват дегидрогеназный комплекс, катализирующий образование ацетил-коА, то есть в первый этап клеточного дыхания, где субстратом являются углеводы.

Пируватдегидрогеназная реакция

В аэробных условиях конечный продукт гликолиза пируват подвергается сначала дегидрированию и декарбоксилированию с образованием ацетил-Со А и СО

. Катализирует этот процесс пируватдегидрогеназный комплекс, располагающийся во внутренней мембране митохондрии и состоящий из трех последовательно действующих ферментов, важным коферментом которого является тиамин пирофосфат (ТПФ), производное витамина В

. Недостаток витамина B

, или тиамина, обуславливает заболевание, известное под названием бери-бери.

Рисунок 7: схема реакций пируватдегидрогеназного комплекса. А – схема работы пируватдегидрогеназного комплекса; Б – структура тиаминпирофосфата; В – схема реакции с тиаминпирофосфатом

Теперь нам ясно, что в организме животных, лишенных тиамина, оказывается невозможным нормальное окисление пирувата. Особенно сильно влияет такое нарушение на мозг, который обычно получает всю необходимую энергию путем аэробного окисления глюкозы и для которого поэтому окисление пирувата жизненно необходимый процесс. Превращение пирувата в ацетил-СоА происходит в четыре стадии (схема реакций с участием пируватдегидрогеназного комплекса представлен на рисунке 7).

На первой стадии пируват соединяется с ТПФ и затем подвергается декарбоксилированию. Реакция катализируется пируват-дегидрогеназным компонентом мультиферментного комплекса. Решающее значение для данного процесса имеет следующая особенность ТПФ, у простетической группы пируватдегидрогеназного компонента: очень кислый характер атома углерода, находящегося между атомами азота и серы тиазолового кольца (смотри рис. 7, Б). Этот атом углерода ионизируется, образуя карбанион, который легко присоединяется к карбонильной группе пирувата. Положительно заряженный азот в кольце ТПФ принимает на себя электроны, стабилизируя формирование отрицательного заряда, необходимого для декарбоксилирования.

Затем протонирование приводит к образованию гидроксиэтиламинпирофосфата. На второй стадии гидроксиэтильная группа, связанная с ТПФ, окисляется с образованием ацетильной группы и одновременно переносится на липоамид. Окислителем в этой реакции служит дисульфидная группа липоамида, которая превращается в сульфгидрильную группу. Реакция катализируется дигидролипоил трансацетилазным компонентом комплекса и приводит к образованию ацетиллипоамида. На третьей стадии ацетильная группа переносится с ацетиллипоамида на СоА, образуя ацетил-СоА, Процесс также катализируется дигилролипоилтрансацетилазой.

При переходе ацетильной группы на СоА сохраняется богатая энергией тиоэфирная связь. На четвертой, завершающей стадии происходит регенерирование окисленной формы липоамида. Реакция катализируется дигидролипоил-дегидрогеназным компонентам комплекса, Окислителем в ней служит NAD

, а роль простетической группы фермента выполняет FAD

.

Пируватдегидрогеназный комплекс настолько крупный, что по размеру может быть сравнен с рибосомой или другой млекулярной «машиной». Молекулярная масса данного комплекса составляет 4600 кDa и размер 300 А. В состав комплекса входит 48 полипептидных цепей, ядро комплекса образуют трансацетилазные цепи, пируват и липоил дегидрогеназные комплексы присоединяются к ядру с внешней стороны. Структурное объединение трех видов ферментов делает возможным координированный катализ при осуществлении сложной реакции. Все промежуточные продукты реакции окислительного декарбоксилирования пирувата прочно связываются с комплексом. Тесная близость между ферментами увеличивает суммарную скорость процесса и сводит к минимуму побочные реакции. Активированные промежуточные продукты переносятся от одного активного центра к другому липоамидной простетической группой трансацетилазы. Присоединение липоильной группы к ?-аминогруппе лизинового остатка трансацетилазы создает гибкий рычаг для реакционноспособного кольца. Этот молекулярный рычаг в 14? способствует взаимодействию липоильной части трансацетилазной субъединицы с тиаминпирофосфатным компонентом соседней пируват-дегидрогеназной субъединицы и с флавиновым компонентом соседней липоилдегидрогеназы. Кроме того, липоильные компоненты мультиферментного комплекса могут реагировать друг с другом, образуя сеть взаимодействующих реакционноспособных групп.

Таким образом, суммарная реакция пируватдегидрогеназного комплекса может быть сформулирована следующим образом:

Пируват + NAD

?AC-coA + CO

+NADH

Скорость реакции пируватдегидрогеназной реакции регулируется.

Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса

Реакция образования ацетил-СоА, катализируемая пируватдегидрогеназным комплексом, регулируется в животных тканях при помощи ковалентной модификации этого комплекса. Когда концентрация АТФ в митохондриях относительно велика и когда ацетил-СоА, а также промежуточные продукты цикла Кребса имеются в достаточном количестве, обеспечивающем удовлетворение энергетических нужд клетки, дальнейшее образование ацетил-СоА приостанавливается. В этих условиях, которые служат сигналом для такой приостановки, АТФ является положительным модулятором, активирующим вспомогательный фермент – киназу пируватдегидрогеназы. Этот фермент использует АТФ для фосфорилирования остатка серина в активном центре молекулы пируватдегидрогеназы, в результате чего образуется неактивная форма фермента – фосфопируватдегидрогеназа.

Если, однако, потребность в АТФ возрастает и уровень АТФ соответственно снижается, то неактивная, фосфорилированная, форма пируватдегидрогеназы может быть вновь активирована. Это происходит в результате гидролитического отщепления от молекулы пируватдегидрогеназы ингибирующей фосфатной группы. Катализирует эту реакцию другой фермент – фосфатаза фосфопируватдегидрогеназы. Стимулирующее действие на этот фермент оказывает повышение концентрации ионов Са

, играющих роль важного метаболического посредника; концентрация ионов Са

увеличивается всякий раз, когда возникает потребность в АТФ.

Киназа пируватдегидрогеназы и фосфатаза фосфопируватдегидрогеназы присутствуют в пируватдегидрогеназном комплексе. Этот комплекс, следовательно, представляет собой очень сложную, независимую и саморегулирующуюся систему. Пируватдегидрогеназный комплекс регулируется также путем аллостерической модуляции. Сильное ингибирующее действие оказывают на него (помимо АТФ) ацетил-СоА и NADH, которые являются продуктами пируватдегидрогеназной реакции и в то же время играют роль аллостерических ингибиторов этой системы. Аллостерическое ингибирование окисления пирувата резко усиливается в присутствии высокомолекулярных жирных кислот; ниже будет показано, что жирные кислоты тоже служат источником ацетил-СоА. Таким образом, каталитическая активность пируватдегидрогеназного комплекса выключается в тех случаях, когда в клетках имеется достаточно топлива в виде жирных кислот и ацетил-СоА или когда в них повышаются концентрация АТФ и отношение NADH/NAD

.

Цикл трикарбоновых кислот

Ацетил-СоА поступает в цикл трикарбоновых кислот, который является вторым этапом клеточного дыхания. Впервые предположение о существовании такого цикла для окисления пирувата в животных тканях было высказано в 1937 г. Гансом Кребсом. Эта идея родилась у него, когда он исследовал влияние анионов различных органических кислот на скорость поглощения кислорода суспензиями измельченных грудных мышц голубя, в которых происходило окисление пирувата. Грудные мышцы отличаются чрезвычайно высокой интенсивностью дыхания, что делает их особенно удобным объектом для изучения окислительной активности. Незадолго до описываемых работ Кребса Альберт Сент-Дьёрдьи в Венгрии обнаружил, что некоторые четырехуглеродные дикарбоновые органические кислоты, присутствующие в животных тканях (янтарная, фумаровая, яблочная и щавелевоуксусная), способны усиливать поглощение кислорода мышечной тканью. Кребс подтвердил это наблюдение и показал, что перечисленные органические кислоты стимулируют также 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.

Цикл трикарбоновых кислот выполняет несколько функций.

Во-первых, цикл трикарбоновых кислот представляет собою конечный общий путь для окисления топливных молекул. Большинство топливных молекул вступают в цикл в виде ацетил-СоА.

Во-вторых, образующиеся в реакциях цикла трикарбоновых кислот активные восстановительные эквиваленты, такие как NADH и FADH

, затем поступают в третий этап – окислительное фосфорилирование, в результате которого образуется основная масса молекул АТФ. Именно поэтому цикл трикарбоновых кислот является одним из основных путей энергетического обмена.

В-третьих, цикл трикарбоновых кислот служит также источником строительных блоков для процессов биосинтеза.

Цикл трикарбоновых кислот осуществляется в митохондрии, где располагаются ферменты, катализирующие реакции этого цикла. Большая часть ферментов располагается в матриксе митохондрии. Исключение – ?-кетоглутаратдегидрогеназа и сукцинатдегидрогеназа, располагающиеся во внутренней мембране митохондрии.

Несмотря на то, что реакции замкнуты в цикл, их можно подразделить на два этапа: окисление ацетил коА до СО

и регенерация оксалоацетата (последовательность реакций цикла трикарбоновых кислот представлена на рисунке 8).

Рисунок 8: Схема реакций цикла трикарбоновых кислот.

Первая стадия окисления ацетил-СоА начинается с начальной реакции цикла. Начальная реакция – конденсация ацетил-СоА и оксалоацетата, приводящая к образованию цитрата, катализируется конденсирующим ферментом, цитратсинтазой, при этом происходит образование связи углерод-углерод между метильным 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 направо до ее завершения. Превращение цитрата в изоцитрат катализируется аконитазой (аконитатгидратазой), содержащей ион железа в Fe

-состоянии. Ион железа является кофактором, обеспечивающим правильную организацию каталитического центра. Аконитаза относится классу лиаз, а не изомераз, как могло бы показаться на первый взгляд. 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. Реакция ингибируется фторацетатом, который сначала превращается во фторацетил-СоА; последний конденсируется с оксалоацетатом, образуя фторцитрат. Непосредственным ингибитором аконитазы является фторцитрат; при ингибировании накапливается цитрат.