Окислительное декарбоксилирование пирувата

Основная масса АТФ получается путём окисления пирувата в цикле Кребса. Во время этого процесса образуется НАДН и ФАД*Н2, которые используются в процессе окислительного фосфорилирования. Судьба пирувата зависит от энергетического состояния клетки. В клетках с высоким энергетическим состоянием пируват идёт на глюконеогенез. Если в клетке энергетическое состояние низкое, то пируват окисляется до Н2О и СО2 в цикле Кребса с образованием 15 моль АТФ. Ферменты цикла Кребса, как и ферменты окислительного фосфорилирования, локализованы в митохондрии. Когда пируват попал в митохондрию, то на него действует либо фермент глюконеогенеза пируваткарбоксилаза либо первый фермент пируватдегидрогеназного комплекса пируват дегидрогеназа. В клетке с высоким энергетическим состоянием (где много КоА ацилировано до ацетил-КоА), аллостерически активируется (активатором является сам ацетил-КоА) пируват карбоксилаза, направляя пируват на глюконеогенез. В клетке с низким энергитическим состоянием, где КоА ацилировано мало, пируват карбоксилаза не активна и пируват идёт через пируватдегидрогеназный комплекс. Пируватдегидрогеназный комплекс включает в себя три фермента: -пируватдегидрогеназа -дигидролипоил трансацетилаза -дигидролипоил дегидрогеназа. Пируватдегидрогеназный комплекс использует также 5 коферментов: КоА, НАД+, ФАД+,липоевая кислота и ТПФ.

Во время первой реакции ацетильная группа, которая получилась при декарбоксилировании, связывается с ТПФ. Следующая реакция - перено ацетильной грууппы с ацетил-ТПФ (оксиэтил-ТПФ) на липоевую кислоту, которая ковалентно связана с ферментом дигидролипоил трансацетилазой. Затем ацетильная группа переносится на КоА-SH. При этом образуется дигидролипоамид с двумя SH-группами. Вместе с превращением ЛК-(SH)2 в ЛК-SS ФАД превращается в ФАД*Н2, который связан с дигидролипоилДГ. Регуляция Реакции пируватдегидрогеназного комплекса служат для взаимосвязи гликолиза, глюконеогенеза и синтеза ЖК с циклом Кребса. 1).Ингибирование конечными продуктами - ацетилКоА и НАДН. 2).Ковалентная модификация фосфорилирование/дефосфорилирование. Киназа - активируется при увеличенииНАДН/НАД+, - ингибируется соотношением АДФ/АТФ. Фосфатаза -активируется инсулином (в клетках жировой ткани).

Цитратсинтаза. Первая реакция цикла - это конденсирование ацетилКоА и ЩУК. При этом продуктом реакции является цитрат. Кроме того, цитрат используется в транспорте ацетилКоА из митохондрии в цитоплазму, где он используется на синтез ЖК и холестерола. В дополнение надо сказать, что цитрат в цитоплазме активирует ацетилКоАкарбоксилазу, первый фермент синтеза ЖК, и ингибирует фосфофруктокиназу-1. Во внепечёночных тканях цитрат также требуется для синтеза кетоновых тел. Аконитаза. Изомеризация цитрата в изоцитрат посредством аконитазы - стереоспецифична, с миграцией ОН-группы от центрального углеродного атома на соседний. Аконитза - один из нескольких митохондриальных ферментов, которые в своём составе содержат негемовое железо. Изоцитратдегидрогеназа (ИДГ). Изоцитрат окислительно декарбоксилируется до альфа-кетоглутарата посредством фермента ИДГ. Известно два различных фермента ИДГ. ИДГ, который используется в цикле Кребса, как кофактор использует НАД+, в то время как другая ИДГ использует НАДФ+ как кофактор. Первый фермент обнаружен только в митохондриях, а второй - как в митохондрии, так и в цитоплазме. СО2, который образуется в этой реакции, идёт на синтез цитрата. Альфа-кетоглутаратДГ. Альфа-кетоглутарат декарбоксилируется до сукцинилКоА с помощью альфа-кетоглутаратДГ. В ходе этой реакции образуется второй моль СО2. СукцинилКоАсинтетаза. Катализирует реакцию превращения сукцинилКоА в сукцинат. При этом из ГДФ образуется ГТФ, процесс такой известен как субстратное фосфорилирование. СукцинатДГ. СукцинатДГ катализирует реакцию окисление сукцината в фумарат с последующим восстановлением ФАД. Фумараза. Под действием этого фермента образуется L-малат. МалатДГ. L-малат - специфический субстрат для МДГ, последнего фермента цикла Кребса. При этом происходит окисление малат в ЩУК с последующим восстановлением НАД+.

Глюконеогенез Глюконеогенез - синтез глюкозы из неуглеводных предшественников. Глюконеогенез необходим в мозге, яичках, эритроцитах и мозговом веществе почек, где глюкоза является единственным источником энергии. Однако, во время голодания мозг может получать энергию из кетоновых тел, которые превращаются в ацетилКоА.

Первоначально пируват под влиянием пируваткарбоксилазы и при участии СО2 и АТФ карбоксилируется с образованием оксалоацетата (ЩУК). Пируваткарбоксилаза находится в митохондриях. Мембрана митохондрий непроницаема для образовавшегося ЩУКа. Последний здесь же в митохондриях восстанавливается в малат. Реакция протекает при участии митохондриальной НАД-зависимой малатдегидрогеназы. В митохондриях отношение НАДН2/НАД+ относительно высоко, и поэтому внутримитохондриальный ЩУК легко восстанавливается в малат, который легко выходит из митохондрии, проходя мембрану митохондрий. В цитоплазме же отношение НАДН2/НАД+ очень мало, и малат вновь окисляется в ЩУК при участии НАД-зависимой цитоплазматической малатдегидрогеназы. Субстраты глюконеогенеза Лактат - образуется в процессе анаэробного гликолиза в эритроцитах и клетках скелетных мышц. Превращение лактата в глюкозу происходитв результате работы цикла Кори. Значение - с участием цикла Кори конечные продукты гликолиза из эритроцитов и скелетных мышц транспортируется в печень и используются на синтез глюкозы.

Аланин - основная глюкогенная аминокислота. Превращение аланина в глюкозу происходит в аланиновом цикле. В скелетных мышцах пируват, образующий в ходе гликолиза, может превращаться в аланин. Аланин, образующийся в этих реакциях, является транспортной формой NH2-групп из мышц в печень, где они в конечном счёте включаются в молекулы мочевины и экскретируются. При поступлении аланина в гепатоциты он может превращаться в пируват и использоваться как субстрат в глюконеогенезе. Значение - Аммиак является чрезвычайно токсическим соединением и основное его количество обезвреживается в клетках печени (в орнитиновом цикле происходит связывание его в молекулу мочевины и затем экскреция). Аланин служит транспортной формой аммиака в печень, где осуществляется его обезвреживание. Другие аминокислоты. Только две аминокислоты (лейцин и лизин) не могут использоваться в процессе глюконеогенеза. Это строго кетогенные аминокислоты. Все остальные глюкогенные аминокислоты при своём метаболизме дают промежуточные продукты гликолиза или цикла Кребса. Глицерол. Образуется при катаболизме триацилглицеролов в клетках жировой ткани, выходит в кровь и затем попадает в печень, где под действием двух ферментов (глицеролкиназа и альфа-глицеролфосфатдегидрогеназа) превращается в фосфодиоксиацетон (ФДА), промежуточный продукт гликолиза. Пропионил-КоА. Бетта-окисление ЖК с нечётным числом атомов углерода и метаболизм некоторых аминокислот (валин, изолейцин, триптофан, метионин) сопровождается образованием пропионил-КоА, который может быть превращён в сукцинил-КоА (метаболит цикла Кребса) под действием двух ферментов: -пропионил-КоА-карбоксилаза (в качестве кофермента используется биотин - смотри витамин Н). -метилмалонил-КоА-мутаза (метилкобаламин в качестве кофермента - смотри витамин В12).

Суммарное уравнение: 2ПВК + 4АТФ + 2ГТФ + 2НАДН + 2Н+ + 6Н2О = глюкоза + 4АДФ + 2ГДФ + 6Ф + 2НАД+ На синтез молекулы глюкозы из двух молекул пирувата расходуется 4АТФ и 2ГТФ. Процесс окисления ЖК поставляет энергию для глюконеогенеза. Для восстановительных этапов требуется две молекулы НАДН. Пируваткарбоксилаза, катализирующая первую реакцию, имеет аллостерического активатора - ацетилКоА.

Регуляция глюконеогенеза 1).Репрессируется после приёма богатой углеводами пищи (под действием инсулина) и индуцируется при голодании, стрессе, диабете (под действием глюкокортикоидов). 2).Процесс окисления ЖК стимулирует глюконеогенез. Стимуляция осуществляется через увеличение уровня ацетил-КоА. 3).Реципрокная взаимосвязь: -ацетилКоА ингибирует пируватДГ и активирует пируваткарбоксилазу. -АТФ активирует фруктозодифосфатазу, АМФ - ингибирует. -фруктозо-2,6-дифосфат активирует фосфофруктокиназу-1 и ингибирует фруктозодифосфатазу-1.

Пентозофосфатный путь Значение пентозофосфатного пути (ПФП): 1).Образуется НАДФН*Н+ (50% всей потребности организма), который используется в востановительных реакциях биосинтеза веществ, в реакциях микросомального окисления и как антиоксидант. 2).Снабжает клетку рибозо-5-фосфатом, который используется для синтеза нуклеотидов и нуклеиновых кислот. Большое количество НАДФН*Н+ используется для синтеза жирных кислот, холестерола, желчных кислот и стероидных гормонов, поэтому в клетках печени, жировой ткани, лактирующей молочной железе имеется высокий уровень ферментов для ПФП. Кроме того, эритроциты используют ПФП для получения большого количества НАДФН*Н+, который используется в восстановлении глутатиона. Превращение рибонуклеотидов в дезоксирибонуклеотиды через активацию рибонуклеотид редуктазы (смотри синтез нуклеотидов) требует НАДФН*Н+ как источник электронов. Следовательно, в быстро пролиферирующих клетках необходимо большое количество НАДФН*Н+. Превращение углеводов по ПФП не требует присутствия О2.

Реакции ПФП идут исключительно в цитоплазме. Окислительный этап главным образом предназначен для синтеза НАДФН*Н+. Неокислительный этап ПФП предназначен главным образом для получения рибозо-5-фосфата. Также на этом этапе идёт превращение 5-углеродных сахаров в 6-и (фруктозо-6-фосфат) и 3-углеродные (3-ФГА) сахара, которые могут быть использованы в гликолизе. Основные ферменты неокислительного этапа - это трансальдолаза и транскетолаза: -транскетолаза переносит 2х-углеродные группы (для этого требуется тиамин пирофосфат как кофактор - смотри витамин В1. -трансальдолаза переносит 3х-углеродные группы. Трансальдолазные и транскетолазные реакции обратимы. В конечном счёте 3 моля 5-углеродных сахара превращаются в 2 моля 6-углеродных и 1 моль 3-углеродных. Следовательно, 6 моль 5-углеродных сахара превращаются в 4 моля 6-угл. и 2 моля 3-угл. Но 2 моля 3-угл. - это 1 моль 6-угл., поэтому в сумме получается 5 моль 6-угл. Общая реакция: 6 Гл-6-ф + 7Н2О + 12НАДФ+ = 5 Гл-6-ф + 6СО2 + 12 НАДФН*Н+ + 12Н+ + Фн Значение неокислительного этапа: -стабилизирует концентрацию фосфопентоз в клетке; -синтез фосфопентоз в клетке при тормржении окислительного этапа.

Регуляция Уровень регуляции - глюкозо-6-фосфат дегидрогеназы. 1). Регуляция активности: -изостерический ингибитор - НАДФН*Н+. Ингибирование снимается окислительным глутатионом. -аллостерический ингибитор - ацилКоА. -простагландины стимулируют активность ДГ окислительного этапа. 2). Регуляция количества фермента: -инсулин стимулирует синтез.

Эритроциты и ПФП Всего 3 пути обмена углеводов в эритроцитах: 1).Гликолиз 2).ПФП 3).Метаболизм 2,3-дифосфоглицерата. Гликолиз снабжает эритроциты энергией АТФ для мембранных насосов и НАДНЧН+ для реокисления метгемоглобина ( Fe2+ = Fe3+). ПФП снабжает эритроциты НАДФН*Н+ для поддержание уровня глутатиона. Невозможность поддерживать уровень глутатиона в эритроцитах ведёт к ослаблению клеточной стенки и гемолизу. Глутатион удаляет Н2О2 через активность глутатион пероксидазы. 2,3-дифосфоглицерат взаимодействует с гемоглобином, при этом понижается его сродство к О2.