Окислительное декарбоксилирование пирувата

Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты (пирувата) катализируется пируватдегидрогена­зой (ПДГ). ПДГ - это ком­плекс из трех ферментов, для работы которого требуются следующие вита­мины: В₁ (тиамин), В₂ (рибофлавин), РР (никотинамид), пантотеновая и липоевая кислоты. ПДГ осуществляет декарбоксили­рование (отщепление карбоксильной группы) и окисление (отщепление водорода) молекулы пирувата.

СН₃ СН₃

С=О + НS-КоА + НАД⁺ С=О + СО₂ + НАДН + Н⁺

СООН S-КоА

Пируват Ацетил-КоА

Продукты реакции и их дальнейшие превращения:

СО_2.В основном выделяется с выдыхаемым воздухом, а также используется для карбок­силирования субстратов.

Ацетил-КоА.Расщепляется в цикле Кребса до СО₂ и Н₂;

НАДН. Окисляется в дыхательной цепи.

Регуляция ПДГ: ПДГ может быть в двух формах: фосфорилированной (неактивной) и дефосфорилированной (активной). АТФ, НАДН, ацетил-КоА, жирные кислоты ингибируют ПДГ, инсулин активирует.

1.4. Цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот, цикл лимонной ки­слоты)

Ацетил-КоА, образованный в результате окисления жирных кислот и пировиноградной кислоты, в цикле Кребса распадается СО₂ и Н₂.

Итоговое уравнение цикла Кребса:

Ацетил-КоА + 3НАД⁺ + ФАД + 2Н₂О + АДФ + Н₃РО₄ 2СО₂ + 3НАДН + ФАДН₂ + АТФ

В ходе цикла Кребса образуется сукцинил-КоА, который содержит макроэргическую связь и является первичным макроэргом. Гидролиз макроэргической связи со­пряжен с реакцией фосфорилирования АДФ, при этом образу­ется АТФ. Синтез АТФ за счет энергии, накопленной в субстрате, на­зывается субстратным фосфорилированием.

Конечные продукты цикла Кребса и пути их использования:

-СО₂ выдыхается с воздухом, небольшая часть используется в реак­циях карбоксилирования.

-НАДН и ФАДН₂ окисляются в дыхательной цепи.

-АТФ используется на различные виды работы:

1) механическая работа (сокращение мышц, движение сперматозоидов, лейкоцитов);

2) осмотическая работа или активный транспорт, то есть движение против градиента концентрации;

3) химическая работа, когда энергия АТФ используется в биосинте­тических процессах и на активацию субстра­тов;

4) электрическая работа (генерация биотоков);

5) при передаче гормонального сигнала (для работы аденилатциклазы и протеинкиназы).

Регуляция цикла Кребса

Осуществляется путем влияния на ключевые ферменты: цитратсинтазу (начинает процесс), изоцитратдегидрогеназу (лимитирующий фермент), 2-оксоглутаратдегид­ро­геназу (фермент, стоящий на развилке).

Цитратсинтазу активируют оксалоацетат и ацетил-КоА, ингибируют АТФ, НАДН, длинноцепочные ацилы-КоА, сукцинил-КоА.

Изоцитратдегидрогеназа является аллостерическим ферментом. Ее акти­вируют АДФ, Са²⁺, цАМФ. Ингибируют изоцитратдегидрогеназу АТФ, НАДН, НАДФН.

2-оксоглутаратдегидрогеназуактивируют Са²⁺ и цАМФ, ингибирует сукцинил-КоА.

Цикл Кребса активируется под влиянием катехоламинов, глюкагона и йодтиронинов.

Значение цикла Кребса:

- катаболическое и энергетическое (цикл Кребса является общим конеч­ным путем распада для метаболитов всех классов соединений; в нем обра­зуется АТФ в результате субстратного фосфорилирования; он является главным поставщиком водорода для дыхательной цепи);

- анаболическое или биосинтетическое. Промежуточные метаболиты цикла Кребса используются на синтез дру­гих соединений. Например, из оксалоацетата, 2-оксоглутарата и сукцината образуются аминокислоты; из окса­лоацетата - глюкоза и другие углеводы; сукцинил-КоА используется на синтез гема;

- регуляторное. Метаболиты - цитрат и АТФ являются регуляторами других процессов. Они активируют син­тез жирных кислот и ингиби­руют гликолиз.

Дыхательная цепь

Дыхательная цепь (цепь переноса электронов) - это цепь сопряженных окислительно-восстано­ви­тель­ных реакций, в ходе которых водород, отщеп­ленный от субстратов, переносится на кислород с образованием воды и выделением энергии. Назначение дыхательной цепи - генерирование энергии.

Компоненты дыхательной цепи называются дыхательными переносчиками. Большинство из них (кроме убихинона) являются сложными белками.

Схема дыхательной цепи

Субстраты НАД-зав. Субстраты ФАД-зав.

дегидрогеназ дегидрогеназ

Характеристика дыхательных переносчиков:

НАДН-дегидрогеназа(НАДН-ДГ) (в схеме - ФП) - это флавинза­висимый фермент, небелковой частью которого является ФМН и железо-серные центры. НАДН-ДГ встроена во внутреннюю мембрану митохонд­рий. Она осущест­вляет перенос водорода с НАДН вначале на ФМН с обра­зованием ФМНН₂, затем переносит водород с ФМНН₂ на железо-серные центры и только потом на КоQ, при этом последний восстанавливается до КоQН_2.

Таким образом, НАДН-ДГ ката­лизирует реакцию:

НАДН₂ + КоQ НАД⁺ + КоQН₂

КоQ (убихинон)- это небелковый переносчик, растворимый в ли­пидах. Восстановленная форма убихинона (КоQН₂) называется убихи­нол. Убихинон может перемещаться в липидной фазе внутренней мембраны митохондрий, пред­ставляя, таким об­разом, лабильный субстрат для ферментов встроенных в мембрану.

Цитохромы (b, c₁, c, a, а₃) - это сложные белки, небелковой частью которых является гем, содержащий Fe³⁺. Прини­мая электрон, железо трех­валентное переходит в железо двухвалентное, отдавая электрон - переходит опять в трехва­лентное.

Fe³⁺ + e^- Fe²⁺

Fe²⁺ - e^- Fe³⁺

Комплекс цитохромов b-c₁ является ферментом (КоQН₂ -дегидро-геназой). Он переносит электроны с КоQН₂ на цитохром c, при этом железо цито­хрома восстанавливается до двухвалентного. Протоны атомов водорода выбрасываются в межмембранное пространство.

Таким образом, осуществляется реакция:

КоQН₂ + 2c(Fe³⁺) KoQ +2Н⁺ + 2c(Fe²⁺)

Комплекс цитохромов a-a₃ является оксидазой. Он переносит элек­троны с цитохрома c на кислород, превращая последний в ион (О^2-). Цито­хромоксидаза катализирует реакцию:

2c(Fe²⁺) + 1/2 О₂ 2c(Fe³⁺) + О^2-

Ионы кислорода и протоны водорода взаимодействуют с образова­нием воды.

Перенос электронов по дыхательной цепи происходит по градиенту окисли­тельно-восстановительного потенциала (Е_о). Окислительно-восста­новительный потенциал характеризует способность сопряженной окисли­тельно-восста­новительной пары обратимо отдавать электроны. Чем более отрицательна величина Е_о, тем выше способность дан­ной пары отда­вать электроны, чем более положительна - тем выше способность принимать электроны. Величина Е_о у пары НАДН/НАД⁺ -0,32в, Е_о у пары Н₂О/О^2- +0,82в, при этом разность между этими величинами составляет 0,82-(-0,32)=1,14в. Этому соответствует разность свободной энергии - 220 кдж на пару перено­симых электронов. Этого количества энергии достаточно для синтеза 4 молекул АТФ. Однако в дыхательной цепи синтезируется только 3 АТФ. Синтез АТФ происходит в тех участках дыхательной цепи, где имеет место наибольший перепад окислительно-восстанови­тельного потенциала. В этих участках энергии выделяется столько, что ее достаточно для проведения реакции фос­форилирования АДФ.

АДФ + Н₃РО₄ АТФ

Таким образом, в дыхательной цепи синтез АТФ (фосфорилирова­ние) энергетически сопряжен с переносом элек­тронов, то есть окислением дыхательных переносчиков.

Синтез АТФ, сопряженный с переносом электронов по дыхательной цепи, называется окислительным фосфо­рилированием.

Участки дыхательной цепи, где есть такой синтез, называют пунк­тами сопряжения окисления с фосфорилирова­нием.

Пункты сопряжения: между НАДН и КоQ, на участке цитохромов

b - c₁, и a - a₃.

Таким образом, окисление 1 молекулы НАДН приводит к синтезу 3 молекул АТФ, окисление 1 молекулы ФАДН₂ - к образованию 2 молекул АТФ.

Для работы цикла Кребса и дыхательной цепи требуются следую­щие витамины: В₁, В₂, РР, Q, пантотеновая и липое­вая кислоты.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: