Аэробное окисление углеводов. (Часть 1)

1. Военно-медицинская Академия

Кафедра биохимии и лабораторной
диагностики

2. Аэробное окисление углеводов

3. Содержание

1. «Аэробное окисление глюкозы»
/дихотомический путь/
2. Пентозный цикл

4.

1.Аэробное окисление глюкозы
Валовое уравнение: C6
C H12O6 + 6O2=>6CO2 + 6H2O + W
Полный выход энергии (W) при распаде глюкозы 2880 кДж
Запас: =1569 кДж (около 50% всей энергии) в форме АТФ
При
pO2
ПВК
Лактат
Окислительное декарбоксилирование (матрикс митохондрий)
Выделяют три этапа окисления глюкозы.
1 Этап. Окисление глюкозы до ПВК.
2 НАД
Глюкоза
2 НАДН2
2ПВК
2 АДФ
2 АТФ
Итог первого этапа: 2 АТФ + 4(6) АТФ = 6(8) АТФ

5.

Глицерофосфатный челночный механизм.
NADH2
NAD+
Цитозоль
Цитоплазматическая
глицерол 3-фосфат - ДГ
Диоксиацетон
фосфат
Глицерол - 3 фосфат
Митохондриальная
глицерол - 3 - фосфат - ДГ
ФАДН2
КоQ
2ē
ФАД
О2
С
a a3
АТФ
АТФ
В
Митохондрия

6.

Малат-аспартатный челночный механизм
Внутренняя мембрана митохондрии
NAD
NAD
малат
малат
NADH2
NADH2
оксалоацетат
глутамат
оксалоацетат
глутамат
АсАТ
АсАТ
аспартат
α-кетоглутарат
Цитозоль
аспартат
α-кетоглутарат
Матрикс Mt

7.

При гликолизе пировиноградная кислота восстанавливается и превращается
в молочную кислоту – конечный продукт анаэробного обмена, а в случае же
аэробного окисления глюкозы образовавшаяся пировиноградная кислота подвергается окислительному декарбоксилированию с последующим образованием
в ацетил-КоА и СО2
2 Этап. Окисление пирувата до ацетил-КоА (окислительное
декарбоксилирование пировиноградной кислоты)
Данный процесс катализируется мультиферментной системой и протекает в
несколько стадий, в которых принимает участие три фермента( пируватдегидрогеназа, липоацетил-трансфераза, дигидро-липоацетилдегидрогеназа) и пять коферментов ( НАД, ФАД, тиаминдифосфат, амид липоевой кислоты и коэнзим А).
Суммарно:
ПДГ
СО2
2 Пируват
2 СН3СО~SKoA
НАД
НАДН2

8.

Окислительное декарбоксилирование пирувата (Mt)
CH3
C=0
COOH
пируват (ПВК)
ТДФ
S
CH3
C=0
ЛК
S
HS-KoA
NAD; ФАД;
цитохромы
ферменты
ПВК-ДГ
комплекса
Е1, Е2, Е3
SKA
Ацетил-КоА
+
СО2
+
3 АТФ
+
Н2О

9.

Амид липоевой кислоты
сн2
н2с
s
H2C
S
S
сн сн2 сн2 сн2 сн2
NH2
или
ЛК
S
s
H2
H2
C
C
CH (CH2)4 CO E
S
Окисленная форма
H2C
S
CH (CH2)4 CO E
S
Восстановленная форма

10. Тиаминдифосфат (ТДФ) или Е1-ТПФ

NH2
N
H3C
CH2
N+
CH2
N
CH2
O
P
O
P
S
B1-тиамин
Коэнзим А (HS-KoA)
O
Пантотеновая кислота
(вит. В3)
O OH CH3
HS (CH2)2 NH C (CH2)2 NH C CH C CH2 O
O
P
CH3
O
CH2-O
P
N
N
3’-фосфоаденозин5’-дифосфат
P
O
OH
NH2
N

11.

Стадии окислительного декарбоксилирования
пирувата:
Первая стадия катализируется пируватдегидрогеназой (Е1), коферментом
служит ТДФ. В результате данной реакции происходит отщепление СО2 и из
пирувата образуется оксиэтильное производное ТДФ , или «активный
ацетальдегид»:
СН3
СН2
С=О
СООН
Пируват
+ Е1-ТДФ
Н-С-ТДФ-Е1 + СО2
ОН
«Активный ацетальдегид»
На второй стадии процесса оксиэтильная группа комплекса Е1-ТДФ-СНОН-СН3
переносится на амид липоевой кислоты, который в свою очередь связан с
ферментом липоатацетил-трансферазой (Е2). Образуется ацетил, связанный с
восстановленной формой амида липоевой кислоты, и освобождает ТПФ-Е1:

12.

СН3
S
Н-С-ТДФ-Е1
+
Н3С-С-S
ЛК-Е2
ЛК-Е2 + ТДФ-Е1
S
ОН
«Активный
ацетальдегид»
Амид липоевой кислот
(окисленная форма)
НS
Ацетил-липоат
В третьей стадии ацетил-липоат (связанный с ферментым комплексом) взаимодействует с коэнзимом А. Реакция катализируется ферментом дигидролипоилтрансацетилазой (Е2). Образуется ацетил-КоА, который отделяется от ферментного комплекса:
Н3С-С-S
ЛК-Е2 + HS-KoA
НS
Ацетил-липоат
HS
ЛК-Е2
+
HS
Амид липоевой кислоты
(восстановленная форма)
СН3СО S~KoA
Ацетил-КоА

13.

На четвертой стадии происходит окисление восстановленной липоевой кислоты
до ее дисульфидной формы. Реакция катализируется ферментом дигидролипоилдегидрогеназой (Е3), которая содержит кофермент ФАД, способный к
восстановлению :
S
HS
ЛК-Е2
+
HS
Амид липоевой кислоты
(восстановленная форма)
Е3-ФАД
ЛК-Е2
+
Е3-ФАДН2
S
Амид липоевой кислот
(окисленная форма)
Наконец, на пятой стадии Е3-ФАДН2 реокисляется за счет НАД. В результате
реакции регенирирует окисленная форма Е3-ФАД и образуется НАДН2:
Е3-ФАДН2 + НАД
Е3-ФАД + НАДН2
В целом процесс окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты может быть представлен в виде следующей схемы:

14.

Пируватдегидрогеназный комплекс
CH3
Е1 – пируват-ДГ
Е2 – дигидролипоил-ТФ
Е3 – дигидролипоил-ДГ
E1-ТПФ
C=O
Е1-ТПФ-СНОН-СН3
COOH
Оксиэтиламинопирофосфат-Е1
E2
СО2
E2
S
S
E3-ФАДН2
S
H3C-C
Липоамид-Е2
O
Ацетиллипоамид-Е2
NAD
E2
NADH2
SH
HS-KoA
Е3-ФАД
HS
SH
дигидролипоамид
O
CH3-C~S-KoA

15.

Образовавшийся в процессе окислительного декарбоксилирования ацетил-КоА
подвергается дальше окислению с образованием в конечном счете СО2 и Н2О.
Иными словами, полное окисление ацетил-КоА происходит в цикле трикарбоновых
кислот или цикле Кребса. Этот процесс так же, как и окислительное декарбоксилирование пирувата, происходит в митохондриях клеток.
Все эти ферменты и коферменты структурно организованы в единый комплекс,
благодаря чему простетические группы сближены, и промежуточные продукты
реакции быстро взаимодействуют друг с другом. Если бы эти крупные ферментные
молекулы были разобщены и свободно перемещались, то им бы пришлось в
процессе диффузии преодолевать немалые расстояния.
Следует отметить, что этот процесс необратим, регулируется следующим образом: когда концентрация АТФ в митохондриях велика и достаточна концентрация
ацетил-КоА, образование ацетил-КоА приостанавливается :
АТФ
Активная ПДГ
(деформиров.)
Фосфатаза
ПДГ
Н2О
Ca++
Mg++
НАДН2
Неактивная ПДГ
(фосфорилирован.)
Киназа
ПДГ
АДФ

16.

3 этап. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)
Итак, образовавшийся в результате окислительного декарбоксилирования
пирувата ацетил-КоА вступает в цикл Кребса. Данный цикл состоит из 8 последовательных реакций. Начинается цикл с конденсации ацетил-КоА с оксалоацетатом и образования лимонной кислоты. Затем лимонная кислота путем ряда
дегидрирований и декарбоксилирований теряет два углеродных атома и снова в
цикле Кребса появляется оксалоацетат, т.е. в результате полного оборота
цикла молекула ацетил-КоА сгорает до СО2 и Н2О, а молекула оксалоацетата
регениригуется.

17.

Н2О
Цикл лимонной кислоты (цикл Кребса).
Н2О
Цис-аконитат
3
2
Цитрат
Изоцитрат
Н2О
4
1
HS-KoA
НАД+
ИДГ
НАДН2
Ацетил-КоА
Оксалоацетат
СО2
НАДН2
9
НАД+
α-кетоглутарат
12 АТФ
НАД+
МДГ
Малат
5
НАДН2
НS-KoA
8
Н2О
CO2
Фумарат
Е-ФАДН2
Е-ФАД
Сукцинил - КоА
СДГ
HS-KoA
7
6
Сукцинат
H3PO4 + ГДФ
ГТФ

18.

В первой реакции, катализируемой ферментом цитрат-синтазой, происходит
конденсация ацетил-КоА с оксалоацетатом. В результате образуется лимонная
кислота :
СООН
СН3-СО~SKoA
Ацетил-КоА
+
С=О
СООН
Н2О
СН2
СООН
оксалоацетат
СН2
СОН
+
HS-KoA
СН2
СООН
Лимонная кислота
По-видимому, в процессе данной реакции в качестве промежуточного продукта
образуется связанный с ферментом цитрил-КоА. Затем последний самопроизвольно и необратимо гидролизуется с образованием цитрила и HS-KoA.

19.

Во второй реакции цикла образовавшаяся лимонная кислота подвергается
дегидратированию с образованием цис-аконитовой кислоты. Последняя, присоединяя молекулу воды, переходит в изолимонную кислоту. Катализирует эти
обратимые реакции гидратации-дегидратации фермент аконитаза :
СООН
СООН
Н2О
СН2
НО-С-СООН
Н2О
С-СООН
СН2
СООН
СН2
СООН
Н2О
Акониат-гидратаза
Лимонная кислота
СН2
СООН
СН2
Н-С-СООН
Н2О
Акониат-гидратаза
Цис-аконитовая кислота
СН2
СООН
Изо-лимонная
кислота

20.

В третьей реакции, которая , во-видимому, является лимитирующей реакцией
цикла Кребса, происходит дегидрирование изолимонной кислоты в присутствии
НАД-зависимой изоцитратдегидрогеназы :
СООН
СООН
СН2
Н-С-СООН
Изоцитратде-
+
НАД
гидрогеназа
СН2
СН2
СН2
С=О
СООН
СООН
Изо-лимонная
кислота
+
НАДН2 + СО2
α-кетоглутаровая
кислота
Заметим, что в ходе изоцитратдегидрогеназной реакции происходит также
процесс декарбоксилирования, НАД-зависимая изоцитратдегидрогеназа является
аллостерическим ферментом, которому в качестве специфического активатора
необходим АДФ. Кроме того, фермент для проявления своей активности нуждается в ионах Mg++ или Mn++.

21.

В четвертой реакции происходит окислительное декарбоксилирование
α-кетоглутаровой кислоты до сукцинил-КоА. Механизм этой реакции сходен с
реакцией окислительного декарбоксилирования пирувата до ацетил-КоА.
Альфа-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс напоминает по своей структуре
пируватдегидрогеназный комплекс. Как в том, так и в этом случае в ходе
реакции принимает участие пять коферментов: ТПФ, амид липоевой кислоты,
HS-KoA, ФАД и НАД+ :
СООН
СООН
СН2
HS-KOA
НАД+
НАДН2
СО2
СН2
СН2
СН2
С=О
СО~S-KoA
СООН
α-кетоглутаровая
кислота
Сукцинил-КоА

22.

В пятой реакции сукцинил-КоА при участии ГТФ и неорганического фосфата
превращается в янтарную кислоту. Одновременно происходит образование
высокоэргической связи ГТФ за счет высокоэргической тиоэфирной связи
сукцинил-КоА. Субстратное фосфорилирование катализируется ферментом
сукцинил-КоА-синтетазой :
СООН
СООН
СН2
СН2
Сукцинил-
+ ГДФ
+ Pi
КоА-синтетаза
СН2
СН2
+
СО~S-KoA
СOOH
Сукцинил-КоА
Янтарная
кислота
ГТФ
+ HS-KoA