Общий путь катаболизма — совокупность биохимических процессов, которая включает в себя:

1. окисление пирувата до ацетил-КоА ;
2. окисление ацетил-КоА в цикле трикарбоновых кислот ;

Именно в общем пути катаболизма образуется основная масса субстратов для реакций дегидрирования. Совместно с дыхательной цепью и окислительным фосфорилированием общий путь катаболизма является основным источником энергии в форме АТФ .

Окислительное декарбоксилирование пирувата

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

На I стадии этого процесса пируват теряет свою карбоксильную группу в результате взаимодействия с тиаминпирофосфатом (ТПФ) в составе активного центра фермента пируватдегидрогеназы (E ₁ ). На II стадии оксиэтильная группа комплекса E ₁ -ТПФ-СНОН-СН ₃ окисляется с образованием ацетильной группы, которая одновременно переносится на амид липоевой кислоты (кофермент), связанной с ферментом дигидролипоилацетилтрансферазой (Е ₂ ). Этот фермент катализирует III стадию — перенос ацетильной группы на коэнзим КоА (HS-KoA) с образованием конечного продукта ацетил-КоА , который является высокоэнергетическим ( макроэргическим ) соединением .

На IV стадии регенерируется окисленная форма липоамида из восстановленного комплекса дигидролипоамид-Е ₂ . При участии фермента дигидролипоилдегидрогеназы (Е ₃ ) осуществляется перенос атомов водорода от восстановленных сульфгидрильных групп дигидролипоамида на ФАД, который выполняет роль простетической группы данного фермента и прочно с ним связан. На V стадии восстановленный ФАДН ₂ дигидролипоилдегидрогеназы передает водород на кофермент НАД с образованием НАДН + Н ⁺ .

Процесс окислительного декарбоксилирования пирувата происходит в матриксе митохондрий . В нём принимают участие (в составе сложного мультиферментного комплекса ) 3 фермента (пируватдегидрогеназа, дигидролипоилацетилтрансфераза, дигидролипоилдегидрогеназа) и 5 коферментов (ТПФ, амид липоевой кислоты, коэнзим А , ФАД и НАД), из которых три относительно прочно связаны с ферментами (ТПФ-E ₁ , липоамид-Е ₂ и ФАД-Е ₃ ), а два — легко диссоциируют (HS-KoA и НАД) .

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

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

Пируват + НАД ⁺ + HS-KoA = Ацетил-КоА + НАДН + Н ⁺ + СO ₂ .

Реакция сопровождается значительным уменьшением стандартной свободной энергии и практически необратима.

Образовавшийся в процессе окислительного декарбоксилирования ацетил-КоА подвергается дальнейшему окислению с образованием СО ₂ и Н ₂ О. Полное окисление ацетил-КоА происходит в цикле трикарбоновых кислот ( цикл Кребса ). Этот процесс, так же как окислительное декарбоксилирование пирувата, происходит в митохондриях клеток .

Клинические аспекты метаболизма пирувата

Арсенат, а также ионы ртути образуют комплексы с —SH-группами липоевой кислоты и ингибируют пируватдегидрогеназу; при недостаточном содержании тиамина в диете активность пируватдегидрогеназы снижается и пируват может накапливаться. Недостаток тиамина возникает у алкоголиков с нарушенным режимом питания; при введении им глюкозы может происходить быстрое накопление пирувата и лактата, приводящее к лактатацидозу , нередко с летальным исходом. У больных с наследственной недостаточностью пируватдегидрогеназы также может развиваться лактатацидоз, особенно после глюкозной нагрузки. Зарегистрированы мутации практически всех ферментов углеводного метаболизма, и в каждом случае их следствием является заболевание человека .

Цикл трикарбоновых кислот

Ци́кл трикарбо́новых кисло́т ( цикл Кре́бса , цитра́тный цикл , цикл лимонной кислоты ) — центральная часть общего пути катаболизма , циклический биохимический аэробный процесс, в ходе которого происходит превращение двух- и трёхуглеродных соединений, образующихся как промежуточные продукты в живых организмах при распаде углеводов, жиров и белков, до CO ₂ . При этом освобождённый водород направляется в цепь тканевого дыхания, где в дальнейшем окисляется до воды, принимая непосредственное участие в синтезе универсального источника энергии — АТФ .

Цикл Кребса — это ключевой этап дыхания всех клеток , использующих кислород, центр пересечения множества метаболических путей в организме. Кроме значительной энергетической роли циклу отводится также и существенная пластическая функция, то есть это важный источник молекул-предшественников, из которых в ходе других биохимических превращений синтезируются такие важные для жизнедеятельности клетки соединения как аминокислоты, углеводы, жирные кислоты и др.

Цикл превращения лимонной кислоты в живых клетках был открыт и изучен немецким биохимиком Хансом Кребсом , за эту работу он (совместно с Ф. Липманом ) был удостоен Нобелевской премии ( 1953 год ).

У эукариот все реакции цикла Кребса протекают внутри митохондрий , причём катализирующие их ферменты , кроме одного, находятся в свободном состоянии в митохондриальном матриксе, исключение составляет сукцинатдегидрогеназа , которая локализуется на внутренней митохондриальной мембране, встраиваясь в липидный бислой. У прокариот реакции цикла протекают в цитоплазме.

Реакции цикла лимонной кислоты

Начальная реакция — конденсация ацетил-СоА и оксалоацетата, приводящая к образованию цитрата, катализируется конденсирующим ферментом, цитратсинтазой, при этом происходит образование связи углерод-углерод между метальным углеродом ацетил-КоА и карбонильным углеродом оксалоацетата. За реакцией конденсации, приводящей к обра- зованию цитрил-КоА, следует гидролиз тиоэфирной связи, сопровождающийся потерей большого количества свободной энергии в форме теплоты; это определяет протекание реакции слева направо до её завершения:

Ацетил-КоА + Оксалоацетат + Н ₂ О → Цитрат + КoASH

Превращение цитрата в изоцитрат катализируется аконитазой (аконитатгидратазой), содержащей железо в Fe ²⁺ — состоянии. Эта реакция осуществляется в две стадии: сначала происходит дегидратация с образованием транс -аконитата (часть его остается в комплексе с ферментом), а затем — гидратация и образование изоцитрата :

Цитрат ↔ Цис -Аконитат ↔ Изоцитрат

Реакция ингибируется фторацетатом , который сначала превращается во фторацетил-СоА; последний конденсируется с оксалоацетатом, образуя фторцитрат. Непосредственным ингибитором аконитазы является фторцитрат; при ингибировании накапливается цитрат. Эксперименты с использованием промежуточных соединений, меченных изотопом ¹⁴ С, показывают, что аконитаза взаимодействует с цитратом асимметрично: она всегда действует на ту часть молекулы цитрата, которая образовалась из оксалоацетата. Это сначала было трудно объяснить, так как лимонная кислота является внешне симметричным соединением. Однако положение в пространстве двух групп — СН ₂ СООН лимонной кислоты относительно групп — ОН и — СООН неидентично. Об асимметричном действии аконитазы свидетельствует «судьба» меченого ацетил-КоА (то есть положение атомов ¹⁴ С) в интермедиатах цикла лимонной кислоты. Возможно, что цис -аконитат не является обязательным интермедиатом между цитратом и изоцитратом и образуется на боковой ветви основного пути. Далее изоцитратдегидрогеназа катализирует дегидрогенирование с образованием оксалосукцината. Описаны три различных формы изоцитратдегидрогеназы. Одна из них, НАД ⁺ -зависимая, найдена только в митохондриях. Две другие формы фермента являются НАДФ ⁺ -зависимыми, причем одна из них также находится в митохондриях, а другая в цитозоле. Окисление изоцитрата , связанное с работой дыхательной цепи, осуществляется почти исключительно НАД ⁺ -зависимым ферментом:

Изоцитрат + НАД ⁺ ↔ Оксалосукцинат (в комплексе с ферментом) ↔ α-Кетоглутарат + СО ₂ + НАДН + Н ⁺

Далее следует декарбоксилирование с образованием α-кетоглутарата, которое также катализируется изоцитратдегидрогеназой. Важным компонентом реакции декарбоксилирования являются ионы Мn ²⁺ (или Mg ²⁺ ). Судя по имеющимся данным, оксалосукцинат, образующийся на промежуточной стадии реакции, остается в комплексе с ферментом. α-Кетоглутарат в свою очередь подвергается окислительному декарбоксилированию, сходному с окислительным декарбоксилированием пирувата: в обоих случаях субстратом является α-кетокислота. Реакция катализируется о -кетоглутаратдегидрогеназным комплексом и требует участия того же набора кофакторов—тиамин-дифосфата, липоата, НАД ⁺ , ФАД и КоА; в результате образуется сукцинил-КоА—тиоэфир, содержащий высокоэнергетическую связь.

α-Кетоглутарат + НАД ⁺ + КoASH → Сукцинил-КоА + СО ₂ + НАДH + Н ⁺ .

Равновесие реакции настолько сильно сдвинуто в сторону образования сукцинил-КоА, что её можно считать физиологически однонаправленной. Как и при окислении пирувата, реакция ингибируется арсенатом, что приводит к накоплению субстрата (α-кетоглутарата). Продолжением цикла является превращение сукцинил-КоА в сукцинат, катализируемое сукцинаттиокиназой (сукцинил-КоА-синтетазой):

Сукцинил-КоА + P _i + ГДФ ↔ Сукцинат + ГТФ + КoASH

Одним из субстратов реакций является ГДФ (или ИДФ), из которого в присутствии неорганического фосфата образуется ГТФ (ИТФ). Это — единственная стадия цикла лимонной кислоты, в ходе которой генерируется высокоэнергетическая фосфатная связь на субстратном уровне; при окислительном декарбоксилировании α-кетоглутарата потенциальное количество свободной энергии достаточно для образования НАДН и высокоэнергетической фосфатной связи. В реакции, катализируемой фосфокиназой, АТФ может образовываться как из ГТФ, так и из ИТФ. Например:

ГТФ + АДФ ↔ ГДФ + АТФ.

В альтернативной реакции, протекающей во внепеченочных тканях и катализируемой сукцинил-КоА-ацетоацетат-КоА-трансферазой (тиофоразой), сукцинил-КоА превращается в сукцинат сопряженно с превращением ацетоацетата в ацетоацетил-КоА. В печени имеется деацилазная активность, обеспечивающая гидролиз части сукцинил-КоА с образованием сукцината и КоА. Далее сукцинат дегидрогенируется, затем присоединяется молекула воды, и следует ещё одна стадия дегидрогенирования, приводящая к регенерации оксалоацетата :

Сукцинат + ФАД ↔ Фумарат + ФАДН.

Первое дегидрогенирование катализируется сукцинатдегидрогеназой, связанной с внутренней поверхностью внутренней митохондриальной мембраны. Это — единственная дегидрогеназная реакция цикла лимонной кислоты, в ходе которой осуществляется прямой перенос водорода с субстрата на флавопротеин без участия НАД ⁺ . Фермент содержит ФАД и железо-серный (Fe:S) белок. В результате дегидрогенирования образуется фумарат. Как показали эксперименты с использованием изотопов, фермент стереоспецифичен транс -атомам водорода метиленовых групп сукцината. Добавление малоната или оксалоацетата ингибирует сукцинатдегидрогеназу, что приводит к накоплению сукцината . Фумараза (фумаратгидратаза) катализирует присоединение воды к фумарату с образованием малата:

Фумарат + Н ₂ О ↔ L-Малат.

Фумараза специфична к L-изомеру малата, она катализирует присоединение компонентов молекулы воды по двойной связи фумарата в трансконфигурации. Малатдегидрогеназа катализирует превращение малата в оксалоацетат, реакция идет с участием НАД ⁺ :

L-Малат + НАД ⁺ ↔ Оксалоацетат + НАДН + Н ⁺ .

Хотя равновесие этой реакции сильно сдвинуто в направлении малата, реально она протекает в направлении оксалоацетата . поскольку он вместе с НАДН постоянно потребляется в других реакциях. Ферменты цикла лимонной кислоты, за исключением α-кетоглутарат — и сукцинатдегидрогеназы, обнаруживаются и вне митохондрий . Однако некоторые из этих ферментов (например, малатдегидрогеназа) отличаются от соответствующих митохондриальных ферментов.

Амфиболическая роль цикла лимонной кислоты

Некоторые метаболические пути оканчиваются метаболитами, входящими в состав цикла; другие же, наоборот, берут начало от его метаболитов. Речь идет о процессах глюконеогенеза, переаминирования, дезаминирования и синтеза жирных кислот .

Глюконеогенез , переаминирование и дезаминирование

Все главные соединения, участвующие в цикле, от цитрата до оксалоацетата являются потенциально глюкогенными. И в печени, и в почках из них может образовываться глюкоза , поскольку в этих органах имеется полный набор ферментов, необходимых для глюконеогенеза . Ключевым ферментом процесса глюконеогенеза является фосфоенолпируваткарбоксикиназа, катализирующая декарбоксилирование оксалоацетата (при участии ГТФ в качестве источника высокоэнергетического фосфата) с образованием фосфоенолпирувата:

Оксалоацетат + ГТФ = Фосфоенолпируват + СО ₂ + ГДФ.

Поступление соединений в цикл осуществляется в результате нескольких различных реакций. Одной из наиболее существенных является образование оксалоацетата путём карбоксилирования пирувата , катализируемого пируваткарбоксилазой:

АТФ + СО ₂ + Н ₂ О + пируват ↔ оксалоацетат + АДФ + P _i .

Эта реакция обеспечивает адекватные концентрации оксалоацетата при его конденсации с ацетил-КоА . Если концентрация ацетил-KоА увеличивается, он действует как аллостерический активатор пируваткарбоксилазы, ускоряя образование оксалоацетата. Лактат , являющийся важным субстратом глюконеогенеза, вступает в цикл после превращения сначала в пируват, а затем в оксалоацетат. В реакциях, катализируемых трансаминазами , пируват образуется из аланина, оксалоацетат — из аспартата и α-кетоглутарат — из глутамата . Вследствие обратимости этих реакций цикл может служить источником углеродных скелетов при синтезе заменимых аминокислот . Например:

Аспартат + Пируват ↔ Оксалоацетат + Аланин

Глутамат + Пируват ↔ α-Кетоглутарат + Аланин

Определенный вклад в глюконеогенез вносят и другие аминокислоты, поскольку после дезаминирования или переаминирования их углеродный скелет полностью или частично включается в цикл. Примерами служат аланин , цистеин , глицин , гидроксипролин , серин , треонин и триптофан , из которых образуется пируват; аргинин, гистидин, глутамин и пролин, из которых образуется глутамат и далее α-кетоглутарат; изолейцин , метионин и валин , из которых образуется сукцинил-КоА ; из тирозина и фенилаланина образуется фумарат . Вещества, образующие пируват , либо полностью окисляются до СО ₂ по пируватдегидрогеназному пути, ведущему к образованию ацетил-KоА, либо следуют по пути глюконеогенеза с образованием оксалоацетата в результате карбоксилирования .

Синтез жирных кислот

Ацетил-КоА , образующийся из пирувата при действии пируватдегидрогеназы, служит главным строительным блоком при синтезе длинноцепочечных жирных кислот у млекопитающих (исключением являются жвачные животные, у которых ацетил-KоА образуется непосредственно из ацетата). Поскольку пируватдегидрогеназа является митохондриальным ферментом, а ферменты синтеза жирных кислот локализованы вне митохондрий, клетки должны осуществлять транспорт ацетил-KоА через непроницаемую для него митохондриальную мембрану. «Транспорт» осуществляется следующим образом: ацетил-KоА вступает в цикл лимонной кислоты, где участвует в образовании цитрата; последний транспортируется из митохондрии и в цитозоле снова превращается в ацетил-KоА в результате реакции, катализируемой ферментом АТФ-цитратлиазой .

Цитрат + АТФ + KоА → Ацетил-KoA + Оксалоацетат + АДФ + Р _i .

Регуляция общих путей катаболизма

Главным фактором, регулирующим скорость дыхания и фосфорилирования, является потребность организма в энергии. Синтез АТФ осуществляется в ЦПЭ, но основная масса восстановленных эквивалентов для дыхательной цепи поступает из общих путей катаболизма. Следовательно, регуляция общих путей катаболизма и дыхательной цепи тесно связана.

Для оценки энергетического состояния клетки используют величину энергетического заряда, отражающего соотношение концентрации ATФ к продуктам её распада — AДФ и AMФ. При увеличении энергетического заряда в клетке (в состоянии покоя) скорость реакций общих путей катаболизма снижается, а при уменьшении энергетического заряда — увеличивается. Это достигается за счет того, что ATФ действует как аллостерический ингибитор, а AДФ и AMФ — как аллостерические активаторы некоторых ферментов ОПК.

Регуляция ОПК осуществляется на уровне 4-х реакций, катализируемых:

• ПДК (пируватдекарбоксилазой);
• цитратсинтазой;
• изоцитратдегидрогеназой;
• α-кетоглутаратдегидрогеназным комплексом.

Реакция, катализируемая ПДК, является ключевой реакцией, так как находится в центре пересечения метаболических путей и обеспечивает взаимосвязь таких процессов, как гликолиз , глюконеогенез , синтез и окисление жирных кислот . ПДК обеспечивает цитратный цикл субстратом — ацетил-КоА .

Примечания

Литература

Биохимия человека: В 2-х томах. Пер. с англ.: — М.: Мир, 1993. — 384 с, ил. ISBN 5-03-001774-7

См. также

• Цикл Кребса
• Углеводный обмен
• Дыхательная цепь
• Катаболизм