Учебник для ВУЗОВ

БИОХИМИЯ

>>> Перейти на полный размер сайта >>>

       

А. Окислительное декарбоксилирование пирувата

Окислительное декарбоксилирование пирувата происходит в матриксе митохондрий. Транспорт пирувата в митохондриальный матрикс через внутреннюю мембрану митохондрий осуществляется при участии специального белка-переносчика по механизму симпорта с Н+ (рис. 6-20).

Рис. 6-20. Транспорт пирувата через митохондриальную мембрану

Превращение пирувата в ацетил-КоА описывают следующим суммарным уравнением:

СН3-СО-СООН + NAD+ + HSKoA ↔ СН3-СО-SKoA + NADH + Н+ + СO2.

В ходе этой реакции происходит окислительное декарбоксилирование пирувата, в результате которого карбоксильная группа удаляется в виде СO2, а ацетильная группа включается в состав ацетил-КоА. Один атом водорода оказывается в составе NADH, а другой в виде Н+ поступает в среду. Реакция необратима, поскольку ΔG0' -33,5 кДж/моль.

1. Строение пируватдегицрогеназного комплекса

Процесс окислительного декарбоксилиро-вания пирувата катализирует сложноорганизованный пируватдегидрогеназный комплекс.

В пируватдегидрогеназный комплекс (ПДК) входят 3 фермента: пируватдекарбоксилаза (Е1), дигидролипоилтрансацетилаза (Е2) и дигидролипоилдегидрогеназа (Е3), а также 5 коферментов: тиаминдифосфат (ТДФ), липоевая кислота, FAD, NAD+ и КоА. Кроме того, в состав комплекса входят регуляторные субъединицы: протеинкиназа и фосфопротеинфос-фатаза (табл. 6-5).

Таблица 6-5.
Пируватдегидрогеназный комплекс (ПДК) млекопитающих

Все эти ферменты и коферменты объединены в мультиферментную систему, содержащую разные количества каждого из ферментов и имеющую молекулярную массу более 6x106.

В центре комплекса располагается дигидролипоилтрансацетилаза (Е2), образуя его ядро. К дигидролипоилтрансацетилазе присоединены молекулы: пируватдекарбоксилазы (Е1) и дигид-ролипоилдегидрогеназы (Е3).

Пируватдекарбоксилаза содержит прочно связанный с белковой частью ТДФ, а дигидроли-поилдегидрогеназа — FAD.

Липоиллизиновые группы центрального фермента (Е2) функционируют как поворотные «кронштейны», переносящие атомы водорода и ацетильные группы от одной ферментной молекулы комплекса к другой.

2. Окислительное декарбоксилирование пирувата

Превращение пирувата в ацетил-КоА включает 5 стадий (рис. 6-21).

Рис. 6-21. Последовательность реакций, катализируемых ПДК. I — Е1 катализирует декарбоксилирование пирувата и перенос С2-фрагмента на ТДФ; II — Е2 катализирует окисление гидроксиэтильной группы и перенос С2-фрагмента на липоевую кислоту (ПК); III — ацетилированная дигидролипоилтрансацетилаза взаимодействует с КоА с образованием восстановленной формы пипоевой кислоты и ацетил-КоА; IV — окисленная форма трансацетипазы регенерируется при участии Е3; V — окисленная форма Е3 регенерируется при участии NAD+

Стадия I. На этой стадии пируват соединяется с ТДФ в составе Е, и подвергается декар-боксилированию.

Пируват + Е1-ТДФ -> Гидроксиэтил-ТДФ + СO2.

В результате этой реакции образуется производное ТДФ с гидроксиэтильной группой при тиазоловом кольце (рис. 6-22).

Рис. 6-22. Тиаминдифосфат (ТДФ) и гидроксиэтил-ТДФ. Рабочей частью ТДФ служит тиазоловое кольцо, к которому присоединяется продукт декарбоксилирования пирувата — гидроксиэтил

Стадия II. Дигидролипоилтрансацетилаза (Е2) катализирует перенос атома водорода и ацетильной группы от ТДФ на окисленную форму липоиллизиновых групп с образованием аце-тилтиоэфира липоевой кислоты (рис. 6-21).

Стадия III. На стадии III КоА взаимодействует с ацетильным производным Е1, в результате чего образуются ацетил-КоА и полностью восстановленный липоильный остаток, про-стетическая группа Е1 (рис. 6-23).

Рис. 6-23. Липоевая кислота в составе дигидролипоилтрансацетилазы (Е2). Липоевая кислота или липоильная группа могут существовать в окисленной (дисульфидной ЛК-SS) и восстановленной (ЛK-(SH)2) формах. В составе дигидролипоилтрансацетилазы липоевая кислота связана с белком через остаток лизина амидной связью. Липоевая кислота играет роль витамина или фактора роста у некоторых микроорганизмов, тогда как высшие животные способны её синтезировать

Стадия IV. На стадии IV дигидролипоилде-гидрогеназа (Е3) катализирует перенос атомов водорода от восстановленных липоильных групп на FAD — простетическую группу фермента Е3.

Стадия V. На стадии V восстановленный FADH2 передаёт водород на NAD+ с образованием NADH.

Пируватдегидрогеназный комплекс характеризуется большим отрицательным окислительно-восстановительным потенциалом, который обеспечивает наряду с восстановлением кофермента (NADH) образование высокоэнергетической тиоэфирной связи в ацетил-КоА.

Структурное объединение 3 видов ферментов создаёт возможности для координации отдельных этапов сложной ферментативной реакции. Все промежуточные продукты реакции окислительного декарбоксилирования пирувата прочно связаны с комплексом, что увеличивает суммарную скорость процесса и сводит к минимуму побочные реакции.

Пируватдегидрогеназный комплекс, как и все белки, участвующие в реакциях ЦТК, кодируется ядерной ДНК. Транспорт субъединиц ПДК в митохондрии происходит сложным путём за счёт энергии АТФ или трансмембранного электрохимического потенциала при участии белков теплового шока, или шаперонов (см. раздел 1), предотвращающих их преждевременный фолдинг до поступления в митохондриальный матрикс или внутреннюю мембрану митохондрий.

3. Связь окислительного декарбоксилирования пирувата с ЦПЭ

Окислительное декарбоксилирование пирувата сопровождается образованием NADH, поставляющим электроны в дыхательную цепь и обеспечивающим синтез 3 молей АТФ на 1 моль пирувата путём окислительного фосфорилирования.

Так как отношения АДФ/АТФ и NADH/NAD+ в клетке относительно постоянны, ускорение утилизации АТФ приводит к повышению концентрации АДФ и ускорению окисления NADH в дыхательной цепи. Повышение концентрации NAD+, в свою очередь, стимулирует окислительное декарбоксилирование пирувата. Напротив, повышение концентрации АТФ и NADH снижает скорость этого процесса. Таким образом, изменения отношений АДФ/АТФ и NADH/ NAD+ — важнейшие сигналы, отражающие энергетические потребности клетки и регулирующие скорость окислительного декарбоксилирования пирувата. Каталитическая активность пируват-дегидрогеназного комплекса снижается, когда в клетках имеется достаточно «топлива» в виде жирных кислот и ацетил-КоА.

 

 

Top.Mail.Ru
Top.Mail.Ru