Окислительное декарбоксилирование пирувата

В аэробных условиях пировиноградная кислота подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием ацетилКоА. Это превращение катализируется надмолекулярным пируватдегидрогеназным комплексом, локализованным в матриксе митохондрий. В состав пиру ватдегидрогеназного комплекса входят три различных фермента: пи руватдекарбоксилаза, дигидролипоатацетилтрансфераза и дегидроге наза дигидролипоевой кислоты, их количественные соотношения в составе комплекса зависят от источника выделения, как правило это соотношение приближается к 30:1:10.

Первый фермент этого комплекса пируватдекарбоксилаза ( Е1)

катализирует реакцию: Н

СН3СОСООН + ТДФЕ1 > СО2 + СН3 СТДФЕ1

ОН с образованием углекислого газа и активированного ацетальдегида, связанного с тиаминдифосфатом простетической группой фермента.

Второй фермент дигидролипоатацетильрансфераза ( Е2 ) ка тализирует два последовательных превращения:

а) на первом этапе идет перенос активированного остатка аце тальдегида на простетическую группу фермента липоевую кислоту, причем этот перенос сопровождается одновременным окислением аль дегидной группы до карбоксильной группы:

б) на втором этапе остаток ацетила переносится с липоевой кислоты, жестко связанной с ферментом, на свободный HSКоА:

Образуются ацетилКоА и фермент Е2 с восстановленной формой ко фермента.

Третий фермент дегидрогеназа дигидролипоевой кислоты ка тализирует превращение восстановленной формы липоевой кислоты предыдущего фермента в окисленную форму:

В состав фермента входит в качестве простетической группы ФАД и фактически атомы водорода с восстановленной формы липоевой кисло ты вначале переносятся на ФАД, а затем уже переносятся на НАД+ с образованием его восстановленной формы.

Следует напомнить, что при окислении глюкозы образуется 2 молекулы пирувата, что следует учесть при написании суммарного уравнения окислительного декарбоксилирования пирувата:

2Пируват +2НАД+ +2HSКоА >2АцетилКоА +2НАДН+Н+ +2СО2

В ходе окисления 2 моль пирувата высвобождается около 120 ккал энергии, из них около 100 ккал накапливается ввиде энергии восстановленного НАД. Остальная энергия рассеивается в виде теплоты.

Превращение пирувата в ацетилКоА в ходе функционирования пируватдегидрогеназного комплекса необратимо, посколько сопровож дается потерей 11,5 ккал/моль энергии в расчете на 1 моль окис ленного пирувата. Таким образом, мы имеем дело еще с одним пунк том термодинамического контроля в общей метаболической системе аэробного окисления глюкозы.

Контроль интенсивности потока метаболитов по пируватдегидрогеназному комплексу осуществляется за счет работы двух механизмов: ковалентной модификации и аллостерической модуляции. Ковалентная модификация реализуется в виде фосфорилирования и дефосфо рилирования комплекса:

Фосфорилирование усиливается при высоких соотношениях

АТФ/АДФ, НАДН/НАД+ и ацетилКоА/КоА. Иначе говоря, активность комплекса снижается, если клетка хорошо обеспечена энергией ( мно го АТФ и НАДН ) или же цикл Кребса не справляется с окислением имеющегося ацетилКоА. А дефосфорилирование стимулируется по ал лостерическому механизму пируватом, т .е. накопление пирувата в клетке ускоряет его утилизацию уже известный нам механизм сти муляции предшественником.

Образовавшийся ацетилКоА, как уже неоднократно упоминалось. поступает в цикл трикарбоных кислот, работа которого сопряжена с функционированием цепи дыхательных ферментов. При функционирова нии этих двух метаболических путей остаток ацетила окисляется до углекислого газа и воды.

В качестве напоминания можно привести суммарную реакцию окис ления ацетила ( из ацетилКоА ) в цикле Кребса:

АцетилКоА + НАД+ + ФАД + ГДФ + Ф + 2Н2О >2 СО2 + КоА + ГТФ + 3 НАДН+Н+ + ФАДН2

Далее уже можно написать суммарное уравнение для всех трех этапов окисления молекулы глюкозы:

Глюкоза + 2 АДФ + 2 ГДФ + 4Ф + 10 НАД+ + 2 ФАД + 2 Н2О Д>> 6 СО2 + 2 АТФ + 2 ГТФ + 10 НАДН+Н+ + 2 ФАДН2

Из уравнения следует, что аэробное окисление одной молекулы глюкозы сопровождается образованием 6 молекул углекислого газа, 4 макроэргов ( 2АТФ и 2 ГТФ ), а также 12 восстановленных кофермен тов ( 10 НАДН и 2 ФАДН2)

Полный расчет энергетической эффективности аэробного окисле ния глюкозы можно произвести, руководствуясь следующей далее схе мой:

На схеме видно следующее:

а) на первом этапе при фосфорилировании гексоз рас ходуется 2 АТФ ;

б) за счет субстратного окислительного фосфорилирова ния клетка получает 6 макроэргических эквивалентов ( 4АТФ + 2ГТФ)

в) за счет окислительного фосфорилирования в цепи ды хательных ферментов, куда будут поступать атомы водорода с восс тановленных коферментов, клетка получит 34 молекулы АТФ ( З0 мо лекул АТФ за счет окисления 10 НАДН и еще 4 молекулы АТФ за счет окисления 2 молекул ФАДН2 ).

Таким образом, при окислении 1 молекулы глюкозы до углекислого газа и воды клетка получит 38 молекул АТФ ( 40 синтезируется и 2 расходуется ).

Оценка энергетической эффективности процесса в плане акку муляции энергии окисления может быть проведена исходя из того, что свободная энергии гидролиза моля макроэргических связей АТФ в стандартных условиях составляет 7,3 ккал. В таком случае окисле ние 1 моля глюкозы сопровождается аккумуляцией в АТФ и ГТФ 278 ккал энергии, что составляет около 40% от общего количества энергии, высвобождающейся при окислении 1 моля глюкозы (686 ккал).

Второй важной функцией аэробного окисления глюкозы является пластическая функция. Из промежуточных продуктов ее окисления синтезируется много различных соединений, необходимых клетке:

а) Гл6ф используется в клетке для синтеза пентоз и глюкуроновой кислоты,

б) Фр6ф для синтеза аминосахаров,

в) ФГА и ФДА для образования 3фосфоглицерола, необходимого для синтеза глицеролсодержащих липидов,

г) 3фосфоглицериновая кислота для синтеза заменимых аминокислот: серина, глицина и цистеина,

д) ФЭП для синтеза сиаловых кислот, используемых при синтезе гетероолигосахаридов,

е) пируват для синтеза аланина ж) ацетилКоА для синтеза жирных кислот и стероидов. Безусловно, этот перечень может быть продолжен. Важно отметить, что атомы углерода из молекулы глюкозы могут оказаться в составе соединений различных классов, что было однозначно доказано с по мощью метода меченых атомов.