Биохимия и молекулярная биология - Белясова Н.А. 2002

Метаболизм. Процессы, приводящие к запасанию энергии
Цикл трикарбоновых кислот
Окислительное декарбоксилирование пирувата

Продукты катаболизма углеводов, жирных кислот, аминокислот у боль­шинства аэробных организмов (клеток) подвергаются полному окислению в цикле трикарбоновых кислот (иначе — цикл лимонной кислоты, цикл Креб­са). В этой системе замкнутых реакций образуются СО₂, Н₂О, запасается не­большое количество энергии на уровне субстратного фосфорилирования и формируется большое количество восстановительных эквивалентов. Послед­ние с помощью переносчиков попадают в дыхательную цепь и обусловлива­ют там синтез АТР (окислительное фосфорилирование). Таким образом, ос­новной задачей цикла трикарбоновых кислот (ЦТК) является окончательное окисление топливных молекул и улавливание восстановительных эквивален­тов. Кроме этого, в ЦТК образуется ряд промежуточных продуктов, которые используются в качестве субстратов для биосинтеза важных соединений (аминокислот, порфиринов, глюкозы). Поэтому ЦТК рассматривают как промежуточный или центральный тип метаболизма — амфиболизм (от грече­ского «амфи» — оба), связывающий между собой реакции катаболизма и анаболизма.

Топливные молекулы вступают в ЦТК в виде активированного двуугле­родного соединения — ацетил-СоА. В свою очередь, ацетил-СоА образуется при окислении жирных кислот, расщеплении некоторых аминокислот и в хо­де окислительного декарбоксилирования пирувата.

Как показано ранее (глава 9), основным продуктом катаболизма углево­дов является пируват. Это трехуглеродное соединение образуется также при окислении многих аминокислот. Для того чтобы пируват мог подвергнуться дальнейшему окислению в ЦТК, он должен быть превращен в ацетил-СоА. Этот весьма сложный процесс осуществляется с участием пируватдегидрогеназного комплекса, который включает три фермента и пять кофакторов. Суммарное уравнение процесса окислительного декарбоксилирования пирувата выглядит довольно просто (рис. 11.1), однако механизм действия всех компонентов пируватдегидрогеназного комплекса включает несколько ста­дий.

На первой стадии пируватдекарбоксилаза (называется также дегидроге­назой) с помощью своего кофактора — тиаминдифосфата катализирует декарбоксилирование пирувата с образованием оксиэтильного производного (— СНОН—СН₃), которое остается связанным с кофактором и ферментом. Затем происходит перенос оксиэтильного остатка на молекулу липоевой кислоты, которая служит кофактором второго фермента ком­плекса — липоат-ацетилтрансферазы. Перенос завершается окислением оксиэтильного остатка до ацетильной группы и частичным восстановлением липоевой кислоты. На третьей стадии ацетильная группа переносится от ли­поевой кислоты на тиоловую группу коэнзима А, в результате чего ацетил-СоА отделяется от комплекса и образуется полностью восстановленная форма липоевой кислоты — дигидролипоевая кислота. Последняя стадия процесса катализируется третьим ферментом — дигидролипоилдегидрогеназой, со­держащей FAD в качестве простетической группы. Этот фермент катализиру­ет окисление дигидролипоевой кислоты в липоевую с восстановлением FAD до FADH₂. Наконец, восстановительные эквиваленты от FADH₂ передаются на NAD⁺, который транспортирует их в дыхательную цепь.

Рис. 11.1. Суммарное уравнение процесса окислительного декарбоксилирования пирувата

Следует отметить, что в составе сформированного в процессе окислитель­ного декарбоксилирования пирувата продукта — ацетил-СоА — появляется макроэргическая связь (обозначена волнистой линией на рис. 11.1).

Активность пируватдегидрогеназного комплекса зависит от количества АТР в клетке и регулируется с привлечением механизма ферментативной модификации белка: АТР-зависимая протеинкиназа осуществляет фосфори­лирование определенных аминокислотных остатков в пируватдекарбоксилазной субъединице, в результате чего фермент утрачивает активность. Обрат­ное действие (восстановление активности пируватдекарбоксилазы) совершает особая фосфатаза, которая дефосфорилирует белковую молекулу.