- •Предисловие
- •Введение
- •1. Химия белков
- •1.1. Общая характеристика белковых веществ
- •1.2. Физико-химические свойства белков
- •1.3. Химический состав белков
- •1.4. Структура белков и их функции
- •1.5. Денатурация белка
- •1.6. Классификация белковых веществ
- •1.6.1. Протеины
- •1.6.2. Протеиды
- •2. Химия нуклеиновых кислот
- •2.1. Общая характеристика
- •2.2. Свойства и функции нуклеиновых кислот
- •3. Витамины
- •3.1. Общая характеристика
- •3.2. Классификация витаминов
- •3.3. Нарушение баланса витаминов в организме
- •3.4. Характеристика индивидуальных витаминов
- •4. Ферменты
- •4.1. Общее понятие о ферментах
- •4.2. Выделение ферментов и определение их активности
- •4.3. Химическое строение ферментов
- •4.4. Механизм действия ферментов
- •4.5. Свойства ферментов
- •4.6. Номенклатура и классификация ферментов
- •5.1. Общие понятия об обмене веществ и энергии
- •5.2. Энергетика обмена веществ
- •6. Биологическое окисление
- •6.1. Общая характеристика
- •6.2. Лимоннокислый цикл и окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты
- •6.3. Дыхательная цепь ферментов
- •6.4. Окислительное фосфорилирование
- •6.5. Оксигеназное и свободнорадикальное окисление
- •7. Обмен углеводов
- •7.2. Катаболизм углеводов в тканях
- •7.3. Биосинтез углеводов
- •7.4. Нейрогуморальная регуляция углеводного обмена. Роль печени в углеводном обмене
- •7.5. Фотосинтез
- •8. Обмен липидов
- •8.2. Катаболизм липидов в тканях
- •8.3. Окисление жирных кислот
- •8.4. Синтез жирных кислот
- •8.5. Синтез липидов
- •8.6. Обмен стеридов и холестерола
- •8.7. Превращение углеводов в жиры
- •8.8. Нейро-гуморальная регуляция липидного обмена
- •8.9. Нарушение обмена липидов
- •9. Обмен белков
- •9.1. Общая характеристика. Переваривание белков
- •9.2. Катаболизм белков и аминокислот в тканях
- •9.3. Обезвреживание аммиака. Орнитиновый цикл
- •9.4. Синтез аминокислот
- •9.5. Аминокислоты как лекарственные вещества
- •10. Обмен сложных белков
- •10.1. Обмен хромопротеидов
- •11. Синтез нуклеиновых кислот и их роль в хранении и передаче наследственных свойств организма
- •12. Синтез белков
- •13. Молекулярные механизмы изменчивости. Молекулярная патология
- •14. Полиморфизм белков. Иммуноглубулины
- •15. Интеграция и регуляция обмена веществ. Гормоны
- •15.1. Интеграция обмена веществ
- •15.3. Структура, метаболизм и механизм действия гормонов
- •15.4. Классификация и характеристики групп гормонов
- •15.4.1. Стероидные гормоны
- •15.4.2. Пептидные гормоны
- •15.4.3. Гормоны – производные аминокислот
- •15.4.4. Простагландины
- •15.4.5. Гормоны как лекарственные препараты
- •16.1. Биохимия печени
- •16.2. Биохимия почек
- •16.3. Биохимия крови
- •16.4. Биохимия мышц
- •16.5. Биохимия нервной системы
- •17. Фармацевтическая биохимия
- •17.1. Общая характеристика
- •17.3. Всасывание лекарственных веществ
- •17.4. Распределение и выведение лекарственных веществ
- •17.5. Метаболизм лекарственных веществ
- •17.6. Факторы, влияющие на метаболизм лекарств
- •Рекомендуемая литература
149
6. Биологическое окисление
6.1. Общая характеристика
Под биологическим окислением понимают совокупность множества разнообразных окислительно-восстановительных реакций, совершающихся в биологических объектах под влиянием ферментов.
Процессы биологического окисления являются основным источником энергии в организме.
Современное представление о биологическом окислении основывается на классических теориях так называемой «активации» водорода В.И. Палладина и Виланда и «активации» кислорода А.Н. Баха и Варбурга.
Об окисляющем веществе говорят, имея в виду потерю им электронов (е¯) или одновременную потерю электронов и протонов(т.е. потерю водородных атомов) или, наконец, присоединение кислорода. Противоположное превращение вещества обозначается как его восстановление. Иногда для обозначения группы, принимающей участие в окислительно-восстановительном процессе. (т.е. электронов, протонов, кислорода) используют обобщенный, «нейтральный» термин: восстановительный эквивалент.
При решении вопроса, какое соединение из участников реакции является окислителем, а какое восстановителем, необходимо знать способность восстановителя отдавать электроны окислителю, что выражается величиной окисли- тельно-восстановительного потенциала (стандартного восстановительного потенциала, редокс-потенциала). Редокс-потенциал определяется путём измерения электродвижущей силы (э.д.с.) в вольтах, возникающий в полуэлементе, в котором восстановитель и окислитель, присутствующие в 1,0 М концентрациях при 25ºC и при рН 7,0, находятся в равновесии с электродом, способным обратимо принимать электроны от восстановителя.
В качестве стандарта принят редокс-потенциал реакции Нà 2Н+ + 2 е¯,
2
который при давлении газообразного водорода в1 атмосферу (760 мм рт. ст.), при 1,0 М концентрации ионов Н+ (что соответствует рН=0) и при 25ºC условно принят за нуль. В условиях физиологического значения рН, т.е. при рН=7,0 редокс-потенциал водородного электрода (системы Н2 – 2Н+) равен -0,42 вольта. Значения редокс-потенциала некоторых биологических окислительновосстановительных систем приведены в табл. 2.
150 |
6. Биологическое окисление |
|
|
|
|||
|
Таблица 2 – Редокс-потенциал ( Е01 ) некоторых биологических окислительно- |
||||||
|
|
восстановительных систем |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
||
|
Восстановитель |
Окислитель |
|
Е01 |
|
||
|
|
Н2 |
2Н+ |
|
–0,42 |
|
|
|
|
Изоцитрат |
2-кетоглутарат + СО2 |
|
–0,38 |
|
|
|
|
НАДФН2 |
НАДФ+ |
|
–0,324 |
|
|
|
|
НАД.Н2 |
НАД+ |
|
–0,320 |
|
|
|
β-оксимасляная кислота |
Ацетоуксусная кислота |
|
–0,282 |
|
|
|
|
|
Лактат |
Пируват |
|
–0,175 |
|
|
|
|
Малат |
Оксалоацетат |
|
–0,160 |
|
|
|
|
Этанол |
Ацетальдегид |
|
–0,090 |
|
|
|
Флавопротеид восстановленный |
Флавопротеид окисленный |
|
–0,060 |
|
|
|
|
Цитохром восстановленный |
Цитохром окисленный |
|
–0,040 |
|
|
|
|
|
Сукцинат |
Фумарат |
|
–0,000 |
|
|
|
Цитохром С восстановленный |
Цитохром С окисленный |
|
+0,260 |
|
|
|
|
|
Н2О |
½ О2 |
|
+0,810 |
|
|
|
Системы |
с более отрицательным редокс-потенциалом, чем |
в системе |
Н2 à 2Н+ + 2 е- обладают большей, чем водород, способностью отдавать электроны, а у систем с более положительным редокс-потенциалом эта способность менее выражена, чем у водорода. Наибольший положительный редокс-
потенциал имеется в системе НO – 1/2O . Именно этим обстоятельством сле-
2 2
дует объяснить, что Н2О обладает очень слабой способностью отдавать электроны, тогда как молекулярный кислород характеризуется очень высоким сродством к электронам, превышающим такую у важнейших биологических акцепторов-переносчиков электронов НАД, НАДФ, ФМН, ФАД, цитохромы, участвующих в окислительно-восстановительных процессах в организме.
Величина редокс-потенциалов биологических окислительно-восстанови- тельных систем обусловливает направление переноса электронов от системы
Н – 2Н+ к системе Н О – 1/2О . Знание редокс-потенциалов различных биоло-
2 2 2
гических окислительно-восстановительных систем позволяет предсказывать направление потока электронов от одной системы к другой системе при ферментативном превращении веществ в процессе биологического окисления.
Установлено, что большинство биологических окислений в организме, приводящих к образованию конечных продуктов, осуществляется путем дегидрирования субстратов при участии специфических ферментов-дегидро- геназ. Отщепившийся водород присоединяется к тому или иному акцептору, что приводит к его восстановлению. Если роль акцептора выполняет не кислород, а какое-нибудь другое вещество, то говорят об анаэробном окислении. В
6. Биологическое окисление |
151 |
случае же, если акцептором водорода служит кислород, что приводит к образованию воды, биологическое окисление именуют аэробным окислением или тканевым дыханием. При тканевом дыхании происходит потребление кислорода с образованием конечных продуктов: Н2О и СО2. Для обозначения величины тканевого дыхания пользуются показателями Qо2 и Qсо2 определяемых c помощью манометрического метода на аппарате Варбурга. Qо2 обозначает количество микролитров кислорода, потребленного за 1 час при расчете на 1 мг сухого веса ткани, а Qсо2 – количество микролитров углекислоты, выделившейся в тех же условиях.
Конечными продуктами тканевого дыхания в случае окисления жиров и углеводов являются двуокись углерода и вода, а белков – СО2, Н2О и мочевина.
Следует сказать, что белки (протеины и протеиды), нуклеиновые кислоты, полисахариды, липиды не являются непосредственными субстратами биологического окисления. Субстраты биологического окисления образуются в процессе метаболизма в различной степени на разных его стадиях. Первичными субстратами биологического окисления являются аминокислоты, моносахариды, жирные кислоты, спирты, азотистые основания и др. продукты, образовавшиеся в результате ферментативного гидролиза высокомолекулярных -со единений – белков, полисахаридов, липидов, нуклеиновых кислот; иначе говоря, первичные субстраты окисления образуются на первой стадии катаболизма.
На последующих стадиях катаболизма в процессе расщепления веществ до конечных продуктов реакции окисления, катализируемые оксидоредуктазами, перемежаются с другими видами ферментативного преобразования -ве ществ.
Окисление, сопряженное с производством в организме энергии, почти во всех без исключения клетках проходит три стадии.
На первой стадии имеет место окислительное образование ацетилкоэнзима А из первичных субстратов биологического окисления– глюкозы, жирных кислот, аминокислот и др.
На второй стадии происходит расщепление ацетил-коэнзима А в лимоннокислом цикле. При этом в результате дегидрирования субстратов высвобождаются атомы водорода, восстанавливающие пиридинзависимые и флавинзависимые дегидрогеназы с образованием НАД.Н2, НАДФ.Н2, ФАД.Н2.
Кроме того, анаэробно путем декарбоксилирования субстратов образуется
СО2.
Третья стадия включает окисление НАД.Н2, НАДФ.Н2 и ФАД.Н2, т.е. перенос протонов и электронов на кислород с образованием воды и энергии в дыхательной цепи, состоящей из системы окислительно-восстановительных ферментов.
152 |
6. Биологическое окисление |
Следовательно, процесс биологического окисления можно представить как процесс дегидрирования с последующей передачей протонов и электронов через ряд промежуточных передатчиков на кислород с образованием воды.
На первой стадии биологического окисления образование - ацетил коэнзима А происходит различными путями в зависимости от вида первичных субстратов. Например, глюкоза путем гликолиза распадается до пировиноградной кислоты, а последняя – до ацетил-коэнзима А путем последующего окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты; жирные кислоты превращаются в ацетил-коэнзим А путем β-окисления и т..дЭти специфичные пути соответствуют II стадии катаболизма и рассматриваются в соответствующих разделах обмена веществ(обмена углеводов, обмена жиров и др.).
Вторая стадия окисления, связанная с превращением ацетил-коэнзима-А в
лимоннокислом цикле, в результате которого образуется НАД.Н, НАДФ.Н и
2 2
ФАД.Н2, и третья стадия окисления, включающая окисление образовавшихся в лимоннокислом цикле восстановленных пиридинпротеидов и флавопротеидов (т.е. НАД.Н2, НАДФ.Н2, ФАД.Н2) в дыхательной цепи являются унифицированным общим участком биологического окисления, независимо от того, каким путем и от какого первичного субстрата образовался ацетил-коэнзим.-А Эти стадии биологического окисления соответствуютIII стадии катаболизма. Это так называемые центральные пути метаболизма (амфиболические пути).
6.2. Лимоннокислый цикл и окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты
Детальное рассмотрение центральных путей метаболизма целесообразно начать с разбора предварительной реакции, поставляющей в лимоннокислый цикл ацетилкоэнзим-А – реакции образования ацетил-коэнзима А из пировиноградной кислоты. Эта важная подготовительная реакция лимоннокислого цикла непосредственно не входит в число реакций лимоннокислого цикла, но их совместное рассмотрение облегчает понимание важнейших аэробных превращений веществ в организме. При этом следует помнить, что в пировиноградную кислоту на второй стадии катаболизма (или первой стадии биологического окисления) превращаются многие вещества (моносахара, глицерин, 5 аминокислот) и таким образом, этап превращения пировиноградной кислоты в ацетил-КоА выступает как общий этап катаболизма для этих веществ.
Реакция образования ацетилкоэнзима-А из пировиноградной кислоты катализируется специальным ферментом – дегидрогеназой пировиноградной кислоты (пируватдегидрогеназной системой, локализованной внутри митохондрий). Это – мультиэнзимная система с М=4 млн. 500 тыс. состоящая из белковых субъединиц, образующих три апофермента (пируватдекарбоксилазу, ли-
6. Биологическое окисление |
153 |
поилредуктазуацетилтрансферазу и дигидролипоилдегидрогеназу), соединенных с различными коферментами– тиаминпирофосфатом, коэнзимом А, липоевой кислотой, ФАД и НАД. При этом коэнзим-А и НАД– внешние коферменты. Дегидрогеназа пировиноградной кислоты осуществляет как декарбоксилирование (с помощью пируватдекарбоксилазы), так и дегидрирование(с помощью липоилредуктазы – ацетилтрансферазы) пировиноградной кислоты. Этот процесс получил название окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты. Суммарно весь процесс можно изобразить в виде:
|
|
|
|
пируватдегидрогеназная |
|
||
H C |
|
|
CO COOH + HS KoA + |
НАД |
система |
CH CO KoA + |
|
|
|
|
|
||||
3 |
|
|
|
|
|
|
3 |
пировиноградная |
|
|
|
ацетилкоэнзим А |
|||
|
кислота |
|
|
|
|
||
|
|
|
+ СО2 |
+ НАД.Н2 |
|
Механизм окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты сложен и состоит из нескольких фаз (пяти фаз или этапов). Первая фаза указанного комплексного процесса состоит в декарбоксилировании пировиноградной кислоты при участии тиаминпирофосфата в качестве кофермента пируватдекарбоксилазы:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
пируватдекар- |
|||
|
|
|
|
|
N |
|
|
|
CH2 |
N |
|
|
|
CH3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
H C CO |
|
COOH + |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
OH O |
боксилаза |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
пировиноградная |
H C |
N |
|
NH |
S |
CH2 CH2 O |
P |
|
O |
|
|
P |
|
OH |
|
||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
3 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
кислота |
|
тиаминпирофосфат (ТПФ) |
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
O |
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
|
CH2 N |
|
|
CH3 |
|
|
OH |
O |
- |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- CH CH O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
H C |
N |
NH |
|
S |
|
P |
|
O |
|
|
|
P |
|
|
OH |
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
3 |
|
2 |
C |
2 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
HO CHCOOH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
фермент-субстратный комплекс
154 |
|
|
6. Биологическое окисление |
|
||||||||||||||||||||||
|
|
N |
|
|
CH |
|
N+ |
|
|
|
CH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
2 |
|
|
|
3 |
|
OH |
|
|
O |
+ СО 2 |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H3C |
N |
|
NH2 C |
S |
|
CH2 CH2 O |
|
|
P |
|
O |
|
|
P |
|
OH |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
O |
|
||||||||||||
|
|
|
|
HO |
|
|
|
H |
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
CH |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
оксиэтилтиаминпирофосфат (ОЭТПФ)
Образовавшийся оксиэтилтиаминпирофосфат далее распадается с отщеплением и одновременным окислением оксиэтильного радикала при участии фермента липоилредуктазы – ацетилтрансферазы (иное название – дигидролипоилтрансацетилаза), несущего в качестве простетической группы остаток липоевой кислоты.
|
|
N |
|
|
CH |
|
|
N+ |
|
|
|
CH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
S |
|
|
|
CH2 |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
3 |
OH |
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H C |
|
N |
|
|
NH |
|
|
|
S |
|
CH CH O P |
|
|
O |
|
P |
|
|
|
|
|
OH + |
|
|
|
|
CH2 |
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
3 |
|
|
|
|
|
|
2 C |
|
2 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CH (CH2)4 |
COOH |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
HO |
|
|
|
H |
O |
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
|
S |
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
CH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
липоевая кислота |
|
||||||
|
|
|
|
оксиэтилтиаминпирофосфат |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(ОЭТПФ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
липоилредуктаза- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
HS |
|
|
|
|
CH2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
ацетилтрансфераза |
|
|
ТПФ |
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CH2 |
|
|
|
|
+ HS-KoA |
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(CH2)4 |
|
|
COOH |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H3C |
|
CO S |
|
|
|
|
CH |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ацетилгидролипоевая кислота |
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
HS |
|
|
CH2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ТПФ + CH3-CO~KoA |
+ |
|
|
|
|
|
|
|
CH2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
HS CH (CH2)4 COOH
дигидролипоевая кислота
Возникший при распаде оксиэтилтиаминпирофосфата ацетильный радикал присоединяется сначала к липоевой кислоте с образованием ацетилгидролипоевой кислоты (вторая фаза), а затем передается на коэнзим-А с образованием ацетилкоэнзима-А и дигидролипоевой кислоты(третья фаза). Далее при посредстве третьего компонента мультиэнзимного комплекса дигидролипоилдегидрогоназы, содержащего в качестве простетической группы ФАД, дигидролипоевая кислота переходит в липоевую кислоту, а ФАД восстанавливается (четвертая фаза).
|
|
|
|
|
|
|
6. Биологическое окисление |
155 |
||||||
HS |
CH2 |
|
|
|
дигидролипоил- |
S |
|
CH2 |
|
|||||
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
+ ФАД |
дегидрогеназа |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CH2 |
+ ФАД.Н 2 |
||||
|
|
|
CH2 |
|
|
|
|
|
|
|
||||
HS |
|
|
CH |
|
(CH ) |
|
COOH |
S |
|
|
CH (CH2)4 |
COOH |
||
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
2 4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Восстановленный ФАД дигидролипоилдегидрогеназы обладает исключительной способностью передавать атомы водорода окисленной форме НАД (пятая фаза):
ФАД.Н 2 + НАД |
|
ФАД + НАД.Н2 |
||
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
3 АТФ |
Поэтому в приведенном выше суммарном уравнении окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты в качестве акцептора атомов водорода выступает НАД.
Таким образом, в итоге окисления пировиноградной кислоты в ацетилко- энзим-А осуществляется одно декарбоксилирование и одно дегидрирование субстратов с приростом свободной энергии (~8,0 ккал, ~33,5 кДж). Поскольку окисление пировиноградной кислоты в ацетилкоэнзим-А– сильно экзергоническая реакция, в клетке она практически необратима.
Восстановленный пиридинпротеид (НАД.Н2) подвергается последующему окислению в дыхательной цепи.
Ацетилкоэнзим-А, несущий макроэргическую связь, энергично обменивается далее в лимоннокислом цикле.
Установлено, что пируватдегидрогеназная система может ингибироваться АТФ. Когда содержание АТФ в клетке начинает превышать определенный уровень, пируватдегидрогеназная система, поставляющая «топливо» для лимоннокислого цикла, выключается путем фосфорилирования с помощью протеинкиназы. Активация пируватдегидрогеназы стимулируется инсулином.
Лимоннокислый цикл (его также называют циклом трикарбоновых -ки слот, циклом ди- и трикарбоновых кислот, циклом Сент-Дьерди-Кребса, циклом Кребса, метаболическим котлом Кребса) занимает особое место в обмене веществ, так как является общим конечным путем окислительного катаболизма всех видов веществ в аэробных условиях.
Главная функция цикла заключается в дегидрировании уксусной кислоты (поступающей в цикл в виде ацетилкоэнзима ),Акоторое в конечном итоге приводит к образованию четырех пар атомов водорода и образованию двух молекул СО2, что можно выразить следующей суммарной реакцией:
СН3СООН + 2Н2О à 2СО2 + 8Н
156 |
6. Биологическое окисление |
Этот процесс включает ряд последовательных ферментативных реакций, замкнутых в цикл.
Лимоннокислый цикл протекает в митохондриях клеток. Вступая в лимоннокислый цикл, образовавшийся в результате окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты или иным путем(β-окисление жирных кислот) ацетилкоэнзим-А конденсируется со щавелево-уксусной кислотой, которая всегда есть в клеточном содержимом. Образуется лимонная кислота и высвобождается коэнзим-А. Это есть начальная реакция лимоннокислого цикла, протекающая при участии так называемого– конденсирующего фермента (цитратсинтазы). Цитратсинтаза содержится в значительном количестве в тканях, обладающих высокой интенсивностью окислительных превращений. Цитратсинтаза относится к регуляторным ферментам; она ингибируется АТФ (конечным продуктом, в форме которого запасается энергия, высвобождающаяся в процессе дыхания) и НАД.Н2. (конечным продуктом реакций лимоннокислого цикла, связанных с дегидрированием).
Вследствие большого изменения свободной энергии (~7720 кал; 32,3 кДж) реакция конденсации является практически необратимой.
Освободившаяся энергия выделяется в виде тепла, образования АТФ не происходит. Предполагается, что реакция конденсации идет в несколько стадий:
COOH
CO
CH2
COOH
щавелево-уксусная кислота (оксалоацетат)
кетоформа
COOH
C OH
CH
COOH
щавелево-уксусная кислота (оксалоацетат) енольная форма
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6. Биологическое окисление |
|
|
|
|
157 |
||||||||||
HO |
|
|
|
C |
|
|
COOH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CO S |
|
KoA |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
+ CH3-CO~KoA |
цитрат-синтаза |
|
|
|
CH2 |
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
CH |
|
|
|
|
|
|
|
|
HO |
|
C |
|
COOH |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
COOH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CH2 |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
COOH |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
цитрил-КоА |
|||||||
|
|
|
CO S |
|
|
KoA |
|
|
|
|
|
COOH |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
CH2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
CH2 |
|
|
+ |
|
HS KoA |
||||||||||
HO |
|
|
C |
|
COOH |
+ H2O |
|
|
HO |
|
C |
|
COOH |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
CH2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
CH2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
COOH |
|
|
|
|
|
|
COOH |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
лимонная |
кислота |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(цитрат) |
|
|
|
|
|
|
Под действием фермента аконитазы(иначе его называют аконитатгидратазы) в реакции изомеризации лимонная кислота превращается в изолимонную, причем в качестве промежуточного продукта образуется цисаконитовая кислота. Аконитаза по своему механизму действия является одновременно и гидратазой и изомеразой:
|
|
C OOH |
|
|
|
C OOH |
|
|
|
|
|
C OOH |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C H2 |
|
|
|
|
C H |
|
+ Н О |
|
|
|
C H2 |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
аконитаза |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
HO |
|
C |
|
COOH |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
H |
|
C |
|
|
COOH |
||||
|
|
|
|
|
C |
|
COOH |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
- Н2О |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
HC |
|
OH |
|||
|
|
C H2 |
|
|
|
C H |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C OOH |
|
|
|
C OOH |
|
|
|
|
|
C OOH |
||||||||||||
лимонная |
кислота |
|
|
|
цис-аконитовая |
|
|
|
изолимонная |
|||||||||||||||
(цитрат) |
|
|
|
кислота (цис- |
|
|
|
кислота (изо- |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
аконитат) |
|
|
|
цитрат) |
В следующей реакции под действием фермента изоцитратдегидрогеназы изолимонная кислота дегидрируется в щавелево-янтарную кислоту. Имеются НАДФ- и НАД-зависимые изоцитратдегидрогеназы. НАД.Н2 или НАДФ.Н2 подвергаются последующему окислению в дыхательной цепи с приростом свободной энергии и аккумулированием ее в АТФ. Этот ферментный белок катализирует также реакцию декарбоксилирования щавелево-янтарной кислоты в α-кетоглутаровую кислоту, т.е., этот фермент обладает двойным действием. Поэтому его также называют изоцитратдегидрогеназа декарбоксилирующая. Для обеих реакций необходимы ионы Mg++ или Мn++. Изоцитратдегидрогеназа – аллостерический фермент, обычно лимитирующий скорость всего лимоннокислого цикла в целом. Фермент активируется АДФ и ингибируется
158 6. Биологическое окисление
АТФ, а также НАД.Н2, при накоплении их в клетке выше определенного уровня.
|
|
COOH |
|
изоцитрат-дегидро- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
геназа декарбокси- |
|
|
COOH |
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
CH2 |
|
|
лирующая |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Mn++ (Mg++ ), |
|
|
|
CH2 |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
H |
|
C |
|
|
COOH |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
НАД (НАДФ) |
H |
|
C |
|
COOH |
+ |
НАД.Н 2 |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
HC |
|
|
|
OH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(НАДФ.Н2 ) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CO |
|
|
|||||||||
|
|
COOH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
COOH |
|
|
|
|
|
|||||||
изолимонная |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 АТФ |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
щавелево-янтарная |
|
|
|||||||||||||||
кислота (изо- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
кислота (оксалосукцинат) |
|
|
|
||||||||||||||
цитрат) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
изоцитрат-дегидро- |
COOH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
геназа декарбокси- |
|
CH2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
лирующая |
|
|
|
CH2 |
+ CO2 |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CO |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
COOH |
кислота |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
альфа-кетоглутаровая |
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(альфа-кетоглутарат) |
|
|
|
|
|
Следующая реакция– превращение α-кетоглутаровой кислоты в янтарную – происходит с помощью фермента α-кетоглутаратдегидрогеназы. Это реакция окислительного декарбоксилирования. Она протекает принципиально по тому же механизму, что и декарбоксилирование пировиноградной кислоты. При участии коэнзимов окислительного декарбоксилирования(тиаминпирофосфата, НS-КоА, липоевой кислоты, НАД, ФАД) возникает активный сукцинат, т.е. сукцинил-КоА. Для реакции необходимы ионы Мg++.
COOH |
альфа-кетоглутарат- |
|
|
|
|
COOH |
||
CH2 |
дегидрогеназа |
|
|
|
|
|
|
|
ТПФ, ЛК, HS-KoA, |
|
|
|
|
|
CH2 |
||
CH2 |
++ |
|
|
|
|
|
||
ФАД, НАД, Mg . |
|
НАД.Н2 |
+ СО 2 + |
CH2 |
||||
|
|
|
|
|||||
CO |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
CO-S-KoA |
COOH |
|
|
3 АТФ |
|||||
|
|
сукцинил-КоА |
альфа-кетоглутаровая кислота (альфа-кетоглутарат)
6. Биологическое окисление |
159 |
НАД.Н.2 подвергается последующему окислению в дыхательной цепи с выделением энергии, аккумулируемой в процессе окислительного фосфорилирования в 3 молекулах АТФ.
Сукцинил-КоА затем расщепляется на янтарную кислоту и коэнзим А. Реакция катализируется ферментом сукцинаттиокиназой.
Энергия расщепления сукцинилкоэнзима-А накапливается в гуанозинтрифосфате.
COOH |
сукцинаттиокиназа |
|
COOH |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
||||
CH |
|
CH2 |
|
||||||
++ |
|
|
|
||||||
|
|
2 |
ГДФ, Ф, Mg , |
|
CH2 |
+ HS-KoA |
|||
|
|
CH |
Ф + ГДФ |
|
ГТФ |
|
|||
|
|
|
|
||||||
|
|
2 |
|
|
|
|
|
COOH |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
CO-S-KoA |
|
|
|
|
|
|
||
сукцинил-КоА |
|
|
|
|
янтарная кислота |
||||
|
|
|
|
|
|
|
(сукцинат) |
|
ГТФ + АДФ ГДФ + АТФ
Вслед за этим в сопряженной реакции перефосфорилирования АДФ фосфорилируется в АТФ, так что освобождающаяся в реакции ГДФ может вновь фосфорилироваться. Таким образом энергия, выделяющаяся при окислении α- кетоглутарата, частично накапливается сначала в сукцинил-КоА и затем переносится через ГТФ на АТФ. Эта реакция является примером субстратного фосфорилирования. В α-кетоглутуратдегидрогеназной системе, следовательно, происходит образование 1-ой молекулы АТФ путем субстратного фосфорилирования и 3-х молекул АТФ путем окислительного фосфорилирования. Образовавшаяся янтарная кислота превращается в фумаровую кислоту:
COOH |
сукцинатдегидрогеназа |
|
|
|
COOH |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
CH2 |
|
|
|
|
|
CH |
||||
|
|
+ ФАД |
|
|
ФАД.Н |
+ |
|
||||
|
|
|
|
|
|||||||
|
CH2 |
|
|
|
|
|
CH |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
2 АТФ |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
COOH |
|
|
|
|
|
|
COOH |
|||
янтарная кислота |
|
|
|
|
|
|
фумаровая кислота |
||||
|
|
|
|
|
|
(фумарат) |
|||||
(сукцинат) |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Реакция катализируется ферментом сукцинатдегидрогеназой. Этот фермент очень активен во всех клетках, обладающих способностью поглощать кислород. Он прочно фиксирован в структуре митохондрий. Сукцинатдегидрогеназа в качестве простетической группы содержит производное флавина(ФАД) и кроме того – 4 атома негиминового железа (М=200 тыс.). Восстановленный ФАД в последующем окисляется в дыхательной цепи с выделением энергии, аккумулируемой в процессе окислительного фосфорилирования в2-х молекулах АТФ. Сукцинатдегидрогенза обладает свойствами аллостерического фермента, она активируется фосфатом, сукцинатом и фумаратом и конкурентно
160 |
6. Биологическое окисление |
ингибируется оксалоацетатом – последней дикарбоновой кислотой лимоннокислого цикла, накопление которой выше определенного уровня тормозит сукцинатдегидрогеназную реакцию.
Фумаровая кислота, образовавшаяся в результате окисления янтарной кислоты, с помощью фермента фумаратгидратазы(фумаразы) превращается далее в яблочную кислоту. Этот фермент очень специфичен, действует стереоспецифически, образуя только L-яблочную кислоту. Реакция легко обратима.
COOH |
|
|
фумаратгидро- |
C OOH |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
CH |
|
|
таза |
HC |
OH |
|
+ |
Н |
2О |
|
|
|
|
CH |
|
|
C H2 |
||
|
|
|
|
|
||
COOH |
|
|
|
C OOH |
||
фумаровая кислота |
|
|
|
яблочная кислота |
||
(фумарат) |
|
|
|
|||
|
|
|
(L-малат) |
|||
|
|
|
|
|
С помощью фермента малатдегидрогеназы яблочная кислота далее окисляется в щавелево-уксусную кислоту.
COOH |
|
|
|
|
|
|
|
COOH |
||||
|
|
|
|
малатдегидрогеназа + НАД |
|
|
|
|
|
|
|
|
HC |
|
|
OH |
|
НАД.Н + |
|
|
CO |
||||
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CH2 |
|
|
|
3 АТФ |
|
|
CH2 |
||||
COOH |
|
|
|
|
COOH |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||
яблочная кислота |
|
|
|
|
|
|
щавелево-уксусная |
|||||
(L-малат) |
|
|
|
|
|
|
кислота (оксалоацетат) |
Хотя реакция носит эндергический характер, тем не менее в клетке она идет в прямом направлении, так как её продукты (оксалоацетат и восстановленный НАД) быстро удаляются. Оксалоацетат вступает в реакцию с новой молекулой ацетилкоэнзима-А, включающегося в лимоннокислый цикл, а НАД.Н2 окисляется в дыхательной цепи с аккумуляцией выделившейся энергии в 3-х молекулах АТФ.
Следовательно, с образованием вновь молекулы оксалоацетата цикл -за мыкается и по существу идет окисление ацетильных остатков, постоянно вносимых в лимоннокислый цикл в виде ацетилкоэнзима-А.
Лимоннокислый цикл – это каталитический механизм, при помощи которого осуществляется полное окисление не только ацетил-Ко-А и всех соединений, способных его образовать, но так же любого компонента цикла или любого соединения, способного превратиться в один из компонентов цикла. К примеру, существуют ферментативные реакции, обеспечивающие превращение некоторых аминокислот в субстраты лимоннокислого цикла: α-кетоглутарат, сукцинат, оксалоацетат и фумарат. Жирные кислоты с нечетным числом углеродных атомов превращаются через пропионил-КоА в сукцинил-КоА.
6. Биологическое окисление |
161 |
С другой стороны, лимоннокислый цикл поставляет исходные продукты для синтеза важных промежуточных продуктов метаболизма.
Все реакции лимоннокислого цикла более или менее обратимы. Однако, основное направление лимоннокислого цикла– его протекание в сторону образования щавелево-уксусной кислоты из лимонной через стадии цисаконитовой, изолимонной, щавелево-янтарной, α-кетоглутаровой, сукцинил-КоА, янтарной, фумаровой и яблочной кислот.
Благодаря наличию лимоннокислого цикла и сопряженной с ним дыхательной цепи происходит полное окисление уксусной кислоты(ацетилкоэнзи- ма-А) до СО2 и Н2О с образованием 205 ккал (858,8 кДж) свободной энергии.
В лимоннокислом цикле декарбоксилирование происходит на двух стадиях превращений: щавелево-янтарная кислота– α-кетоглутаровая кислота и α-кетоглутаровая кислота – сукцинил-КоА.
Необходимое количество молекул воды включается в двух реакциях гидратации (фумаровая кислота – яблочная кислота и цитрил-КоА – цитрат).
Прирост свободной энергии происходит в основном в четырех реакциях дегидрирования, которые поставляют основную часть энергии, благодаря последующему окислению водорода в дыхательной цепи. Это следующие реакции:
1)изолимонная – щавелево-янтарная кислоты;
2)α-кетоглутаровая – янтарная кислоты;
3)янтарная – фумаровая кислоты;
4)яблочная – щавелево-уксусная кислоты.
При окислении в лимоннокислом цикле в реакциях, сопряженных с дыхательной цепью ферментов одной молекулы уксусной кислоты в виде ацетилКоА образуется 12 молекул АТФ. Образование их происходит в уже указанных реакциях дегидрирования с последующим окислением атомов водорода в дыхательной цепи:
1)изолимонная кислота – щавелево-янтарная кислота – 3 мол. АТФ;
2)α-кетоглутаровая кислота – янтарная кислота – 4 мол. АТФ;
3)янтарная кислота – фумаровая кислота – 2 мол. АТФ;
4)яблочная кислота – щавелево-уксусная кислота – 3 мол. АТФ.
При окислении α-кетоглутаровой кислоты происходит образование1 молекулы АТФ путем субстратного фосфорилирования и3 молекул АТФ путем окислительного фосфорилирования в дыхательной цепи. При окислении янтарной кислоты выпадает одно фосфорилирование, так как водород субстрата переносится непосредственно на убихинон (Ко-Q, дыхательной цепи), поэтому при этой реакции образуется 2 молекулы АТФ.
Итак, четыре пары атомов водорода, снятые с субстратов в лимоннокис-
лом цикле, передаются с НАД.Н или ФАД.Н , на дыхательную цепь, локали-
2 2