Джефферсон - Сборник упражнений и задач - 2000 / Student Guide8

Глава 8: Гликолиз, цикл лимонной кислоты, система транспорта электронов

55

Глава 8

Гликолиз, цикл лимонной кислоты, система транспорта электронов. Реакции этих метаболических путей.

Резюме главы

В этой главе описываются метаболические пути гликолиза, цикла лимонной кислоты и транспорта электронов. Приводятся детали химических ст руктур и названия ферментов. В дополнение к этому упоминаются пируваткарбо ксилазная реакция и кофермент биотин. Рассматриваются промежуточные продук ты в цепи транспорта электронов и в создании протонного градиента, а также механизм образования АТР. Для каждого восстановленного кофактора приводится расч ет образующихся эквивалентов АТР.

Цели урока

♦Различия в потребности и выделении энергии, в зависимости от того, что служит исходным материалом для гликолиза - гликоген или свободная глюкоза.

♦Названия и структуры каждого промежуточного продукта в путях гликолиза и цикла лимонной кислоты.

♦Названия ферментов, участвующих в гликолитическом пути и цикле лимонной кислоты.

♦Термины, применяемые к функциональным группам, претерпевающим превращения в процессе гликолиза и цикла трикарбоновых кислот.

♦Стадии гликолиза и цикла лимонной кислоты, в ходе которых образуются высокоэнергетические молекулы.

♦Пируваткарбоксилазная реакция, которая поддерживает запасы оксалоацетата на достаточном уровне и использует биотин.

♦Названия главных переносчиков электронов при образовании АТР из восстановленных кофакторов.

♦Значение кофермента Q (убихинона).

♦Роль протонного градиента через митохондриальную мембрану.

♦Транслоказный механизм переноса молекул ATP и ADP.

56	Глава 8: Гликолиз, цикл лимонной кислоты, система транспорта электронов
♦	Реакция, катализируемая АТР-синтазой.	♦ Количество АТР, которое может

образоваться из каждого восстановленного кофермента в ходе механизма транспорта электронов.

Прогулка по главе

Гликолиз

Гликолиз - (glyco = сахар) + (lysis = расщепление), - заключается в расщеплении шестиуглеродного сахара глюкозы на две трехуглеродные молекулы пирувата. Гликолиз может начинаться с глюкозы или с ее полимерной формы - гликогена. Более эффективен путь получения энергии из гликогена, поскольку для инициации процесса гликолиза, начинающегося с глюкозы, должна быть затрачена энергия одной молекулы АТР. Каждый из метаболитов цикла гликолиза имеет химическое название и многие из них часто приводятся в сокращенном виде. Каждый этап может быть описан согласно происходящему химическому превращению, причем каждую реакцию катализирует свой специфичный фермент.

Заполните следующее

	Метаболит	Сокращение	Структура		Реакция (название
					фермента)
	Глюкоза	Обычно не	?		Фосфорилирование
		сокращается			(гексокиназа)
	Глюкозо-6-фосфат	G-6-P			Перестройка(фосфогекзо-
					зоизомераза)
	Фруктозо-6-фосфат	F-6-P	CH2OH		Фосфорилирование
			|		(фосфофруктокиназа-1)
			C=O
			|
			CH2OH
			|
			CH2OH
			|
			CH2OH
			|
			CH OPÎ 2-
			2	3
	Фруктозо-1,6-дифосфат	F-1,6-P	?		Расщепление С-С связи
					(альдолаза)

	Глава 8: Гликолиз, цикл лимонной кислоты, система транспорта электронов			57
	Метаболит	Сокращение	Структура	Реакция (название
				фермента)
	Глицеральдегид-3-фосфат	G-3-P	?	Окисление и
				фосфорилирование с Рi
				(глицеральдегид-3-фосфат-
				дегидрогеназа
	1,3-дифосфоглицерат	1,3-ÄÔÃ	?	Субстратное
				фосфорилирование ADP
				(фосфоглицераткиназа;
				необратима)
	3-фосфоглицерат	3-PG	?	Перестройка
				(фосфоглицератмутаза)
	2-фосфоглицерат	2-PG	?	Дегидратация с
				образованием двойной
				связи (енолаза)
	Фосфоенолпируват	PEP	?	Субстратное
				фосфорилирование ADP
				(пируваткиназа;
				необратима)
	Пируват	Обычно не	O O	Декарбоксилирование и
		сокращается	|| ||	сопряжение с коэнзимом А
			HO-C-C-CH3	(пируватдегидрогеназа) для
				поступления в цикл
				лимонной кислоты

Последующие пояснения к отдельным реакциям помогут поня ть как функционирует цикл. Обратите внимание, что четыре последних этапа происходят дважды для каждой молекулы глюкозы, входящей в цикл. Глюкозо-6-фосфата изомеризуется во фруктозо-6-фосфат. Фруктозо-6-фосфат превращается в 1,6-дифосфат, так что оба трехуглеродных фрагмента, образующиеся в результате обратной реакции альдольной конденсации (см. заметки по органической химии), содержат фосфат. Специфические условия внутри клетки создают ситуацию, при которой отсутствует хорошая корреляция между величиной G0′ и реальной величиной G. Это обусловлено значительными отличиями истинных концентраций реагентов и продуктов от стандартных условий (концентрация 1 М), а также тем, что из одной исходной молекулы реагента образуются два продукта. Затем происходит реакция изомеризации и оба трехуглеродных фрагмента могут вступать в следующий этап, в котором альдегид окисляется до фосфорного эфира. Фосфат из молекулы 1,3- дифосфоглицерата с помощью фермента киназы переносится на ADP с образованием АТР. Эта реакция известна как реакция субстратного фосфорилирования. Продукт реакции - 3-фосфоглицерат, - далее превращается в пируват в результате реакций переноса фосфата с атома С-3 на С-2, удаления

58	Глава 8: Гликолиз, цикл лимонной кислоты, система транспорта электронов

молекулы воды при участии фермента енолазы и переноса фосфата на ADP (образуется АТР) под действием киназы (фермент назван так, как если бы он “работ ал” в обратном направлении). Из одной молекулы глюкозы образуется две молекулы АТР (из гликогена три). Образующийся NADH повторно окисляется либо аэробно в митохондриях, либо анаэробно. Аэробный процесс включает перенос электронов от NADH в митохондриях, либо через глицерофосфатный, либо малатаспартатный шунт, причем последний является энергетически более эффективным.

Заполните следующее

Глава 8: Гликолиз, цикл лимонной кислоты, система транспорта электронов	59

Образующиеся в процессе гликолиза две молекулы пирувата поступают в митохондрии, где в ходе реакции окислительного декарбоксилирования они превращаются в ацетил-СоА. В этом процессе, катализируемом мультиферментным комплексом, принимает участие ряд кофакторов, включая тиаминпирофосфат и липоевую кислоту.

Заполните следующее

Цикл лимонной кислоты

Двууглеродная ацетильная группа, присоединенная к коферменту А, поступает в цикл лимонной кислоты, чтобы превратиться в СО2 с образованием трех молекул NADH, одной FADH2, одной GTP и CoA-SH (не ацилированный кофактор). При этом происходит поглощение воды.

Заполните следующее

60	Глава 8: Гликолиз, цикл лимонной кислоты, система транспорта электронов

В этом цикле принимает участие девять химических соедине ний (считая промежуточный продукт цис-аконитат) и восемь ферментов. Образование оксалоацетата можно считать как исходной, так и конечной точкой цикла.

Заполните следующее

Метаболит	Структура	Реакция (название фермента)
Ацетил-СоА	O	Kонденсация с оксалоацетатом с
	||	образованием цитрата (цитрат синтаза)
	CoA-S-C-CH3
Оксалоацетат	?	Kонденсация с ацетил-СоА с
		образованием цитрата (цитрат синтаза)
Цитрат	?	Перегруппировка с образованием öèñ-
		аконитата (аконитаза)
Öèñ-аконитат	?	Промежуточный продукт в
		перегруппировке цитрата с образованием
		изоцитрата
Изоцитрат	?	Окислительное декарбоксилирование с
		образованиемa α-кетоглутарата
		(изоцитратдегидрогеназа)
α-Kетоглутарат	?	Декарбоксилирование и конденсация с
		коферментом А с образованием
		сукцинил-СоА
		(α-кетоглутаратдегидрогеназа)
Сукцинил-СоА	?	Гидролиз до сукцината (сукцинил-СоА-
		синтетаза; необратима)
Сукцинат	?	Окисление до фумарата;
		алкена(сукцинатдегидрогеназа)
Фумарат	?	Стереоспецифическая гидратирация
		(фумараза)
Малат	?	Окисление: спирта до кетона
		(малатдегидрогеназа )
Оксалоацетат	?	Возврат к началу цикла

Глава 8: Гликолиз, цикл лимонной кислоты, система транспорта электронов	61

Двууглеродный остаток ацетата конденсируется с оксалоацетатом с образованием цитрата, который перегруппировывается в изоцитрат; последний декарбоксилируется с образованием α− кетоглутарата и одной молекулы NADH. Далее α−кетоглутарат подвергается декарбоксилированию и остающийся четырехуглеродный фрагмент переносится на СоА, при этом образуется одна молекула NADH. Образовавшийся сукцинил-СоА теряет молекулу СоА, при этом из GDP и Pi синтезируется GTP, а образующийся сукцинат дегидрируется с образованием фумарата и одной молекулы FADH2, а в ходе последующей гидратации фумарата образуется малат; окисление последнего приводит к образованию одной молекулы NADH и оксалоацетата, который может опять вступать в новый цикл.

Составляющие цикл промежуточные продукты не существуют изолированно от остальных путей метаболизма и участвуют в поддержании их равновесия (что описывается ниже). Одна из наиболее важных реакций обеспечения организма оксалоацетатом заключается в карбоксилировании пирувата, которое катализирует фермент пируваткарбоксилаза. Для его работы необходимы кофактор биотин, НСО3- è ÀÒÐ.

Заполните следующее

Транспорт электронов

Заключительная стадия 3 «имеет» дело с образовавшимися молекулы NADH и FADH2 Она протекает во внутренней митохондриальной мембране или на ней. В полной последовательности реакций участвует ряд переносчиков электронов. Простетической группой цитохромов служит гем,

62	Глава 8: Гликолиз, цикл лимонной кислоты, система транспорта электронов

содержащий железо, которое переходит из двухвалентного (фeppо-форма, Fe2+) в трехвалентное состояние (ферри-форма, Fe3+)и наоборот. Существуют также негемовые переносчики электронов, содержащие железо-серные центры, принимающие электроны от FADH2 è FMNH2 и переносящие их на кофермент Q (убихинон), который хорошо растворим и подвижен в неполярной фазе мембраны, где в виде семихинонового свободного радикала и функционирует в качестве одноэлектронного переносчика. Есть также переносчики электронов, фиксированные в мембране. Электроны переносятся в энергетически выгодном направлении от молекул легко отдающих к молекулам легко их принимающим. Процесс может быть описан как транспорт электронов от молекул с низким окислительно-восстановительным потенциалом к молекулам с более высоким потенциалом. В этом процессе происходит высвобождение свободной энергии ( G < 0).

Заполните следующее

Заполните следующее

Глава 8: Гликолиз, цикл лимонной кислоты, система транспорта электронов	63

Переносимые электроны доставляются на кислород, в реакции которого с Н+, образуется вода. Сопряжение энергии, высвобождающейся при транспорт е электронов от одного переносчика к другому, с синтезом АТР достигается путем генерирования протонного градиента: протоны (Н+) перекачиваются на наружную сторону мембраны, а затем через эту мембрану возвращаются назад, регулируя АТР-синтазный комплекс, который и синтезирует АТР из ADP + Pi; этот процесс получил название хемиосмотического механизма. Механизм функционирования протонного градиента полностью не ясен, однако то, что известно о роли, выполняемой коферментом Q в комплексе III позволяет предположить, что кофермент Q превращается в QH2, принимая протоны из матрикса (изнутри) внутренней митохондриальной мембраны, а когда QH2 вновь возвращается в исходное состояние Q, протоны высвобождаются на наружной стороне мембраны. Таким путем создается градиент.

Заполните следующее

Синтез АТР связан с конформационными изменениями АТР-синтазы, вызываемыми обратным трансмембранным потоком протонов в матрикс. Хорошей аналогией является представление об АТР-синтазе как о протонном насосе, действующим наоборот; вместо использования АТР для перекачки протонов, он способен перекачивать протоны и синтезировать АТР. Механизм транспорта, известный как АТР-ADP транслоказа, осуществляет перенос этих несущих энергию соединений из митохондрий, где синтезируется АТР, в другие компартаменты клетки, где АТР используется. Значительное количество энергии для этого процесса также сопряжено с перемещением протонов через мембрану. Для синтеза одной молекулы АТР АТР-синтаза перекачивает три протона и один дополнительный протон для транслокации ADP, ATP и фосфата. Таким образом, для синтеза одной молекулы АТР необходимы четыре протона. Количество протонов, перекачиваемых в ответ на NADH или FADH2, передающих свои электроны на кислород, зависит от ряда факторов. Для NADH

64	Глава 8: Гликолиз, цикл лимонной кислоты, система транспорта электронов

это число может составлять 2,5 или 1,5, а для FADH2 - 1,5. Начиная со свободной глюкозы (а не с гликогена) суммарный выход АТР составляет либо 30, либо 32 молекулы, в зависимости от того, какой челночный механизм используется для транспорта цитоплазматического NADH в митохондрии. В клетках E.coli отсутствуют митохондрии и для функционирования сходного метаболического пути используется клеточная мембрана. Существуют и другие пути использования энергии, запасаемой при работе протонного градиента, например, образование тепла клетками бурой жировой ткани у новорожденных детей, некоторые типы перекачки ионов или вращение жгутиков у ряда бактерий.

Обзор вопросов в конце главы 8

∙Фосфогексозоизомераза осуществляет перенос карбонильной группы от атома углерода С-1 глюкозы на С-2 с образованием фруктозы. Следующую за ней реакция катализирует альдолаза, для которой необходим кетонный карбонил.

∙Субстратное фосфорилирование означает, что в ходе реакции качестве источника фосфата

используется фосфат из одного из субстратов (а не Pi ). Существует несколько реакций субстратного фосфорилирования: две в гликолизе и одна в цикле лимонной кислоты.

∙В соответствие с правилами номенклатуры фермент пируват киназа получил свое название по реакции, обратной той, что происходит в организме. Энергетика системы направляет реакцию в сторону образования АТР, поскольку фосфоенолпируват является более “высокоэнергетическим” интермедиатом, по сравнению с АТР.

∙При гликолизе, начинающемся с гликогена, образуется больше АТР (3 молекулы), чем при использовании глюкозы (2 молекулы), так как на активацию глюкозы необходимо затратить одну молекулу АТР, тогда как неорганический фосфат присоединяется к высвобождаемому из гликогена мономеру глюкозы в реакции, не требующей АТР.

∙Существует два мембранных челночных пути для NADH, причем малат-аспартатный шунт более эффективен, чем глицерофосфатный. Отчасти различия в количестве энергии, генерируемой

этими восстановленными кофакторами, объясняются тем, по какому пути NADH и FADH2 передаются по цепи транспорта электронов.

∙“Пропущенная молекула” Н2О в цикле лимонной кислоты образуется в реакции

GDP + Pi → GTP + Í2Î,

которая часто записывается без упоминания воды.

∙При окислении изоцитрата образуется α−кетокислота с карбонильными остатками у соседних

атомов углерода. Такое соединение может затем терять СО2, образуя при этом в одну стадию тиоэфир с коферментом А..