Материал: Рогожин В.В., Рогожина Т.В. Биохимия сельскохозяйственной продукции

Глава 10. Метаболизм углеводов

обеспечить синтез трех молекул АТФ (при окислении одной молекулы НАДН2 в процессе окислительного фосфорилирования образуется три молекулы АТФ).

10.5. ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ

Ферменты ЦТК локализуются в матриксе митохондрий (рис. 10.7). Инициирование процесса начинается с реакции, катализируемой цитратсинтазой (1), которая осуществляет перенос ацильного радикала с ацетила КоА на оксалоацетат; в результате образуется лимонная кислота (цитрат).

При участии аконитазы (2) осуществляется последовательное превращение цитрата вначале в цис-аконитовую кислоту, а затем — в изолимонную (изоцитрат). В третьей реакции изоцитрат превращается в α-кето- глутаровую кислоту. Реакция катализируется изоцитратдегидрогеназой (3), коферментом которой служит НАД+. Для каталитического процесса необходимы ионы Mg2+ или Mn2+. Активность фермента возрастает в при-

Рис. 10.7. Превращение ацетил-КоА в матриксе митохондрий (цикл трикарбоновых кислот)

(1 — цитратсинтаза, 2 — аконитаза, 3 — изоцитратдегидрогеназа, 4 — α-кето- глутаратдегидрогеназный комплекс, 5 — сукцинил-КоА-синтетаза, 6 — сукцинатдегидрогеназа, 7 — фумаратгидратаза, 8 — малатдегидрогеназа)

158

10.5. Цикл трикарбоновых кислот

сутствии АДФ и понижается при накоплении АТФ и НАДН. Четвертую реакцию катализируют ферменты α-кетоглутаратдегидрогеназного комплекса (4), осуществляющие окислительное декарбоксилирование α-ке- тоглутаровой кислоты до янтарной кислоты (сукцинат). α-Кетоглутаратде- гидрогеназный комплекс имеет структуру, аналогичную ПДК. Конечным продуктом реакции является сукцинил-КоА, представляющий высокоэнергетический тиоэфир, у которого в образовании сложноэфирной связи принимает участие одна из СООН-групп янтарной кислоты. В действии комплекса принимают участие 5 коферментов (тиаминпирофосфат, липоевая кислота, НSКоА, НАД+ и ФАД). В пятой реакции сукцинил-КоА утрачивает свою КоА-группу, при этом освобождающаяся энергия запасается в фосфатной связи нуклеозидтрифосфата. Реакция катализируется ферментом сукцинил-КоА-синтетазой (5).

Энергия, запасенная в сукцинил-КоА, переносится на ГТФ, который отдает фосфорильную группу АДФ; в результате синтезируется АТФ. Реакцию катализирует нуклеозиддифосфаткиназа.

ГТФ + АДФ ←→ ГДФ + АТФ

Сукцинатдегидрогеназа (6) катализирует шестую реакцию, в которой осуществляется окисление янтарной кислоты до фумаровой (фумарат). Фермент активен в присутствии ФАД, который выступает в качестве акцептора атомов водорода. Сукцинатдегидрогеназа располагается в структуре внутренней мембраны митохондрий, участвуя в работе дыхательной цепи, в переносе протонов и электронов от ФАДН2 к кислороду. В седьмой реакции фумаровая кислота подвергается обратимой гидратации, превращаясь в яблочную (малат). Реакция катализируется фумаратгидратазой (7); в составе молекулы фермента четыре субъединицы с молекулярной массой по 50 кДа, каждая из которых в отдельности каталитической активностью не обладает. В восьмой реакции при участии НАД-зависимой малатдегидрогеназы (8) яблочная кислота подвергается дегидрированию, превращаясь в щавелевоуксусную кислоту (оксалоацетат), которая может вступать в новый цикл реакций. Суммарная реакция цикла трикарбоновых кислот имеет следующий вид:

СН3СО-КоА + 3НАД+ + ФАД + ГДФ + Фн + Н2О →

→ 2СО2 + 3НАДН + ФАДН2 + ГТФ + 2Н+ + КоА

Таким образом, превращение ацетил-КоА в ЦТК начинается с переноса остатка ацетила с ацетил-КоА на оксалоацетат с образованием лимонной кислоты, последовательное превращение которой сопровождается дегидрированием и декарбоксилированием. В результате двухуглеродное производное (ацетил) расщепляется до СО2 и Н2О. Цикл завершается образованием четырехуглеродного соединения (оксалоацетата), которое

159

Глава 10. Метаболизм углеводов

способно участвовать в новом циклическом процессе. ЦТК выполняет роль основного процесса, в котором происходит окисление производных ацетил-КоА, конечного продукта окисления углеводов, жирных кислот

иаминокислот. Ферменты ЦТК располагаются в матриксе митохондрий

икатализируют протекание восьми последовательных энзиматических

реакций. Реакции дегидрирования катализируются четырьмя ферментами ЦТК (ИЦДГ, α-КГДГ, СДГ, МДГ); в результате протекания этих реакций образуются три молекулы НАДН и одна молекула ФАДН2. Цитрат-синтаза

иизоцитратдегидрогеназа катализируют лимитирующие реакции ЦТК. За один цикл Кребса возможен синтез 12 молекул АТФ. Одна молекула АТФ синтезируется непосредственно в цикле Кребса (субстратное фосфо-

рилирование), а окисление трех молекул НАДН и одной молекулы ФАДН2 в дыхательной цепи обеспечивает синтез дополнительно 11 молекул АТФ. Аллостерическим ингибитором цитрат-синтазы служит АТФ, тогда как АДФ может являться активатором НАД-зависимой изоцитратдегидрогеназы. Через действие нуклеозидфосфатов на ферменты лимитирующих реакций осуществляется регуляция в целом активности ферментов ЦТК. При этом накопление АТФ понижает, а увеличение содержания АДФ активирует ферменты ЦТК.

10.6. ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ

Все живые организмы для активного функционирования нуждаются в энергии, которая накапливается в клетках в виде макроэргических (богатых энергией) соединений. К числу таких соединений относится молекула аденозинтрифосфорной кислоты. Молекулы АТФ необходимы для протекания в клетках анаболических и катаболических процессов. Основным местом синтеза АТФ являются митохондрии. Процессу синтеза АТФ предшествуют процессы окисления органических соединений. Энергия, высвобождающаяся в результате химических реакций окисления, преобразуется в электрохимическую и в дальнейшем используется для синтеза АТФ.

Процесс образования АТФ сопряжен с транспортом электронов по цепи переносчиков от НАДН или ФАДН к О2. При этом вначале происходит окисление восстановленных коферментов и создание трансмембранного потенциала, обусловленного зарядом биомембраны протонами (Н+), перенесенными из матрикса в межмембранное пространство митохондрий. Затем электроны и протоны переносятся на молекулу кислорода, восстанавливая ее до молекулы воды. Эти окислительно-восстановительные процессы обуславливают протекание процесса фосфорилирования АДФ с образованием АТФ.

160

10.6.Окислительное фосфорилирование

Вреакциях окисления участвуют ферменты, располагающиеся во внутренней мембране митохондрий, использующие в качестве носителя заряда ион водорода. В результате окислительной реакции происходит перенос электронов от молекулы-донора к молекуле-акцептору. При этом совокупность оксидоредуктаз, катализирующих процесс внутриклеточного дыхания, называют дыхательной цепью.

Окислительное фосфорилирование катализируется четырьмя ферментативными комплексами, расположенными на внутренней мембране митохондрий (рис 10.8), структура и механизм действия которых еще недостаточно изучены. Комплекс I — НАДН: убихинон-оксидоредуктаза (ФМН, FeS), комплекс II — сукцинат: убихинон-оксидоредуктаза (ФАД, FeS), комплекс III — убихинон: феррицитохром с-оксидоредуктаза (цит b и c, FeS), комп-

лекс IV — ферроцитохром с-кислород-оксидоредуктаза (цит а и а3, Cu2+). Цитохромы располагаются в порядке возрастания окислительно-восстано-

вительного потенциала. Терминальный цитохром аа3 (цитохромоксидаза) осуществляет конечную стадию процесса — перенос восстановительных эквивалентов на молекулярный кислород.

O2

Межмембранное пространство

Внутренняя мембрана

Рис. 10.8. Компоненты дыхательной цепи

В состав комплекса I могут входить от 13 до 46 субъединиц с общей молекулярной массой 700…980 кДа. Располагается комплекс I в окружении фосфолипидов мембраны. Содержит в своем составе флавин (ФМН)

иболее 20 атомов железа, связанных с атомами серы в виде железосерных кластеров.

Комплекс II содержит убихинон, гидрофобный хвост которого погружен в липидный слой мембраны, полярная головка располагается на поверхности мембраны. Убихинон осуществляет ступенчатое присоединение электронов и протонов, его полувосстановленная форма называется убисемихинон. Комплекс III содержит железо, связанное с атомами серы

ипротопорфирина. В составе комплекса IV два различных гема и несколько атомов меди, прочно связанных с белком.

161

Глава 10. Метаболизм углеводов

Процесс окислительного фосфорилирования начинается с присоединения НАДН к комплексу I. Два электрона отщепляются от кофермента и переносятся на убихинон, который связывается с другим активным центром, расположенным внутри мембраны. При этом протоны остаются

вводной среде межмембранного пространства митохондрий, а электроны возвращаются на другую молекулу окислителя. В результате на мембране возникает трансмембранный потенциал. При этом комплекс I осуществляет постоянную регенерацию окисленной формы НАД+, которая необходима для протекания катаболических процессов углеводов, липидов, аминокислот и других соединений.

Восстановленный убихинон отдает электроны на атом железа гема цитохрома с. Процесс катализируется комплексом III. В свою очередь восстановленный цитохром с связывается с комплексом IV. В завершающей стадии процесса участвует кислород, который акцептирует электроны и протоны, восстанавливаясь до молекулы воды. При окислении ФАДН кофермент связывается с комплексом II, компоненты которого передают далее электроны по электронтранспортному пути на кислород.

Некоторые белки комплексов могут выполнять роль протонных насосов, приводимых в действие потоком электронов дыхательной цепи. Энергия, выделяющаяся при переносе электронов, расходуется на функционирование протонных насосов, обеспечивающих транспорт протонов из матрикса в межмембранное пространство. В результате наблюдается избыток протонов на наружной стороне мембраны, которая приобретает положительный заряд. При этом в матриксе образуется избыток ОН–;

врезультате этого внутренняя сторона мембраны заряжается отрицательно. Такое распределение зарядов обусловливает возникновение градиента электрического потенциала. При этом обратный поток протонов по градиенту их концентрации в сторону матрикса осуществляется АТФ-син- тетазным комплексом, инициируя процесс синтеза АТФ.

По цепи переноса электронов располагаются три протонных насоса, инициирующих три реакции фосфорилирования, в результате которых синтезируются три молекулы АТФ. Поэтому в результате окисления одной молекулы НАДН синтезируется 3 молекулы АТФ, а одной молекулы ФАДН — 2 молекулы АТФ. Уравнения реакций окислительного фосфорилирования имеют следующий вид:

162