3. Основные понятия и термины темы

Гликолипиды – сложные эфиры ВЖК и сфингозина, в состав которых входит углеводная компонента.

Жиры (триглицериды) - сложные эфиры ВЖК и трехатомного спирта глицерина.

Кетонемия – состояние организма, при котором происходит избыточное накопление кетоновых тел.

Кетоновые тела – продукты обмена ацетил-КоА; к ним относятся ацетоуксусная и β-оксимасляная кислоты, ацетон.

Кетонурия – состояние организма, при котором происходит выделение кетоновых тел с мочой.

Липиды – природные неполярные соединения, нерастворимые в воде, но растворимые в неполярных растворителях.

Липолиз – гидролитическое расщепление жиров.

Стериды – сложные эфиры ВЖК и полициклических спиртов.

Сфингофосфолипиды - сложные эфиры ВЖК и сфингозина, содержащие остаток фосфорной кислоты и связанное с ней добавочное соединение.

Фосфатиды - сложные эфиры ВЖК и глицерин, содержащие остаток фосфорной кислоты и связанное с ней добавочное соединение.

Вопросы и задания

1. Какие органические вещества называются липидами?

2. Какие химические компоненты входят в состав фосфатидов?

3. Напишите структурные формулы трипальмитина, пальмитодилаурина, пальмитостеароолеина. Какие триглицериды входят в группу простых, а какие – смешанных триглицеридов?

4. Приведите схему гидролиза триолеина.

5. Напишите структурную формулу лецитина и схему гидролиза его при участии фосфолипаз А₁, А₂ и D.

6. Напишите схемы реакций с использованием структурных формул субстратов и продуктов, а также ферментов, ускоряющих данные реакции:

а) Глицерин + АТФ → Фосфоглицерин + АДФ;

б) Пальмитиновая кислота + АТФ + КоАSH Пальмитил-КоА + АМФ + Н₄Р₂О₇;

в) β-Оксилаурил- КоА + НАД⁺ → β-Кетолаурил-КоА +

+ НАДН + Н⁺.

4. Цикл трикарбоновых кислот

Окислительное декарбоксилирование пирувата с образованием ацетил СоА, протекающее в митохондриальном матриксе, служит связывающим звеном между гликолизом и циклом трикарбоновых кислот:

Пируват + СоА + NAD Ацетил- СоА + СО₂ + NADH.

Это необходимое включение продукта гликолиза в цикл трикарбоновых кислот катализируется пируват-дегидрогеназным комплексом, представляющий собой очень большой мультиферментный комплекс – высоко интегрированную систему трех видов ферментов.

4.1. Общая схема цикла трикарбоновых кислот

Четырехуглеводородное соединение (оксалоацетат) конденсирует с двухуглеродным ацетиловым компонентом с образованием шестиуглеродной трикарбоновой кислоты (цитрата). Далее изомер цитрата подвергается окислительному декарбоксилированию. Образующееся при этом пятиуглеродное соединение ( -оксоглутарата) в результате окислительного декарбокилирования превращается в четырехуглеродное соединение (сукцинат). Дальнейшие превращения сукцината приводят к регенерованию оксалоацетата. Два атома углерода включается в цикл в виде ацетильного компонента, а два атома углерода покидают цикл в виде двух молекул СО₂. Поскольку ацетильная группа восстановлена в большей степени, чем СО₂, то в цикле трикарбоновых кислот должны иметь место окислительно-восстановительные реакции. Действительно, насчитываются четыре таких реакции. Три гидрид-иона (т.е. шесть электронов) переносится на три молекулы NAD⁺, а одна пара атомов водорода (два электрона) переносится на молекулу флавинадениндинуклетида (FAD). При окислении этих переносчиков электронов за счет О₂ в цепи переноса электронов образуется 11 молекул аденозинтрифосфата (АТР). Кроме того, одна высокоэнергетическая связь генерирует при каждом обороте самого цикла трикарбоновых кислот.

Цикл начинается с конденсации четырехуглеродного компонента, оксалоацетата, и двухуглеродного компонента, ацетильной группы ацетил-СоА. Оксалоацетат реагирует с ацетил-СоА и Н₂О, давая цитрат и СоА.

О СН₂-СОО^-

О=С-СОО^- +С–СН₃ + Н₂О НО-С-СОО^-+HS-СоА+Н⁺

Н₂С-СОО^- S-СоА СН₂-СОО^-

Оксалоацетат Ацетил-СоА Цитрат

Эта реакция, представляющая собой альдольную конденсацию с последующим гидролизом, катализируется цитрат – синтазой (первоначально именовавшейся конденси-рующим ферментом). Оксалоацетат вначале конденсируется с ацетил-СоА, образуя цитрил-СоА. Гидролиз цитрил-СоА приводит к тому, что суммарная реакция оказывается сдвинутой в направлении синтеза цитрата.

О

СН₂ С S CoA

H O C COO^-

CH₂ COO^-

Цитрил-СоА

Для того чтобы стало возможным окислительное декарбоксилирование шестиуглеродного соединения, цитрат должен быть изомеризирован в изоцитрат. Изомеризация цитрата осуществляется путем дегидратации с последующей гидратацией. В результате происходит взаимоперемещение Н и ОН. Фермент, катализирующий обе реакции, назван аконитазой, поскольку предполагаемый промежуточный продукт представляет собою цис-аконитат.

СОО^- СОО^- СОО^-

Н-С-Н Н₂О Н-С Н₂О Н-С-ОН

^- ООС-С-ОН^{- -}ООС - С ^-ООС-С-Н

СН₂ СН₂ СН₂

СОО^- СОО^- СОО^-

Цитрат цис-Аконит Изоцитрат

Это первая из четырех окислительно-восстановительных реакций цикла трикарбоновых кислот. Окислительное декарбоксилирование изоцитрата катализирует изоцитрат-дегидрогеназой:

Изоцитрат + NAD - Оксоглутарат + СО₂ + NADH.

Промежуточный продукт этой реакции – оксалосукцинат, который быстро теряет СО₂ при связывании с ферментом и образовании - оксоглутарата.

Скорость образования - оксоглутарата играет важную роль в регуляции общей скорости цикла. Следует также отметить, что имеются два вида изоцитрат – дегидрогеназ: одна зависимая от NAD⁺, вторая – от никотина – миддинуклеатидфосфата (NADP⁺). NAD⁺ - зависимый фермент, локализованный в митохондриях, имеет важное значение для цикла трикарбоновых кислот, NADP⁺ - зависимый фермент, присущий и в митохондриях, и в цитоплазме, играет иную метаболическую роль.

За превращением изоцитрата в - оксоглутарат следует вторая реакция окислительного декарбоксилирования – образование сукцинил – СоА из - оксоглутарата:

- оксоглутарат + NAD⁺ + CoA Сукцинил – СоА +

+ СО₂ + NADH.

Реакция катализируется - оксоглутарат – дегидрогеназным комплексом, организованным ансамблем, состоящим из трех видов ферментов. Механизм этой реакции очень сходен с механизмом превращения пирувата в Ацетил – СоА. В обоих случаях используются одни и те же кофакторы: NAD⁺, СоА, тиаминпирофосфат, липоамид и FAD. Пируват – дегидрогеназный комплекс и - оксоглутарат – дегидрогеназный комплекс имеют в действительности ряд общих структурных особенностей.

В сукцинильном тиоэфире СоА имеется связь, богатая энергией. G⁰ для гидролиза сукцинил – СоА около

– 8 ккал/ моль, что сравнимо с этой величиной для АТР (-7,3 ккал/моль.). Расщепление тиоэфирной связи сукцинил – СоА сопряжено с фосфорилированием гуанозиндифосфата (GDP):

Сукцинат – СоА + Р_i + GDP Сукционат + GTP + CoA.

С ОО^-

СОО^-

СН₂

СН₂

СН₂

СН₂

С==О

СОО^-

Сукцинат

S-CоА

Сукцинил-СоА

Эта легкообратимая реакция катализируется сукцинил-СоА – синтетазой. Фосфорильная группа гуанозинтрифосфата в ходе реакции, катализируемой нуклеозиддифосфокиназой, легко переносится на аденозиндифосфат с образованием АТР.

Образование высокоэнергетической фосфатной связи из сукцинил-СоА представляет собою пример субстратного фосфорилирования. В самом деле, эта единственная реакция цикла трикарбоновых кислот, непосредственно приводящая к образованию высокоэнергетической фосфатной связи. По контрасту с нею, в процессе фосфорилирования, связанного с дыхательной цепью (называемого также окислительным фосфорилированием), образование АТР сопряжено с окислением или под действием О₂.

Реакции соединений, содержащих четыре атома углерода, составляют последнюю стадию цикла трикарбоновых кислот. Сукцинат превращается в оксалоацетат в три этапа: окисление, присоединение молекулы воды (гидратации) и вторая реакция окисления. Таким образом, при каждом обороте цикла происходит регенерирование одной молекулы оксалоацетата и одновременно улавливание энергии в форме FADH₂ и NADH. Сукцинат окисляется в фумарат сукцинат – дегидрогеназной. Акцептором водорода в этой реакции служит FAD, а не NAD⁺, который используется в трех других окислительных реакциях цикла. Роль акцептора водорода в этой реакции выполняется FAD, потому что изменение свободной энергии оказывается недостаточным для восстановления NAD⁺. В реакциях такого типа функцию акцептора электронов почти всегда несет FAD. В молекуле сукцинат - дегидрогеназы изоаллоксазиновое кольцо FAD ковалентно связано с боковой цепью гистидина, входящего в состав фермента (Е - FAD).

E – FAD + Сукцинат E – FADH₂ + Фумарат.

Молекулу сукцинат – дегидрогеназы содержат кроме флавина четыре атома железа и четыре неорганических сульфида. Гем в состав этого фермента не входит. Атомы железа связаны с неорганическими сульфидами. Белки такого типа известны как железосеропротеины (Fe-S-белки), или белки, содержащие негемовое железо. Железосеропротеины играют важную роль в электронтранспортных системах митохондрий и хлоропластов. Сукцинат–дегидрогиназа сос-тоит из компонента 70 кДа, включающего FAD и два кластера Fe- S- белков, и компонента 27 кДа, содержащего единичный кластер белков. Этот фермент в отличие от других ферментов цикла трикарбоновых кислот является интегральным белком внутренней мембраны митохондрий. Сукцинат - дегидрогеназа непосредственно связана с цепью переноса электронов. FADH₂, образовавшийся при окислении сукцината, не отделяется от фермента (в противоположность NADH). Два электрона FADH₂ прямо переносятся на атомы Fe³⁺ фермента. Конечным акцептором этих электронов служит молекулярный кислород.

Следующий этап цикла – гидратация фурамата с образованием L - малата. Фумараза катализирует стереоспецифическое трансприсоединение Н и ОН. Поскольку ОН – группа присоединяется только с одной стороны двойной связи фумарата, образуется исключительно L – изомер малата.

В конце концов малат окисляется, образуя оксалоацетат. Эта реакция катализируется малат – дегидрогеназой, и роль акцептора электронов в ней опять выполняется NAD⁺ .

Малат + NAD⁺ Оксалоацетат + NADH + H⁺ .