A katabolizmus általános útja biokémiai folyamatok összessége, amely magában foglalja:
A dehidrogénezési reakciókhoz szükséges szubsztrátok nagy része a katabolizmus általános folyamatában képződik. A légzési lánccal és az oxidatív foszforilációval együtt az általános katabolizmus útja a fő energiaforrás ATP formájában [1] .
A piruvát acetil-CoA-vá történő oxidációja számos enzim és koenzim részvételével megy végbe, amelyek szerkezetileg egy multienzimes rendszerré egyesülnek, az úgynevezett "piruvát-dehidrogenáz komplex" [2] .
Ennek a folyamatnak az I. szakaszában a piruvát elveszti karboxilcsoportját a piruvát-dehidrogenáz enzim (E 1 ) aktív centrumának részeként tiamin-pirofoszfáttal (TPP) való kölcsönhatás következtében . A II. szakaszban az E 1 -TPF-CHOH-CH 3 komplex hidroxi-etil-csoportja oxidálódik, és acetilcsoport keletkezik, amely egyidejűleg a dihidrolipoil-acetil-transzferáz (E 2 ) segítségével átkerül az enzimhez kapcsolódó liponsav-amidra (koenzimre ). Ez az enzim katalizálja a III. szakaszt - egy acetilcsoport átvitelét koenzim CoA-vá (HS-KoA) az acetil-CoA végtermék képződésével , amely egy nagy energiájú (nagy energiájú ) vegyület [2] .
A IV. szakaszban a lipoamid oxidált formáját regenerálják a redukált dihidrolipoamid-E2 komplexből . A dihidrolipoil-dehidrogenáz (E 3 ) enzim részvételével a hidrogénatomok a dihidrolipoamid redukált szulfhidrilcsoportjaiból FAD-ba kerülnek, amely ennek az enzimnek a protetikus csoportjaként működik, és erősen kapcsolódik hozzá. Az V. szakaszban a redukált FADH 2 dihidrolipoil-dehidrogenáz hidrogént ad át a NAD koenzimnek NADH + H + képződésével [2] .
A piruvát oxidatív dekarboxilezési folyamata a mitokondriális mátrixban megy végbe . 3 enzimet (piruvát-dehidrogenáz, dihidrolipoil-acetil-transzferáz, dihidrolipoil-dehidrogenáz) és 5 koenzimet (TPF, liponsavamid, koenzim A , FAD és NAD) tartalmaz (egy összetett többenzim komplex részeként ), amelyek közül három viszonylag erősen kapcsolódik a enzimek (TPF-E 1 , lipoamid-E 2 és FAD-E 3 ), és kettő könnyen disszociál (HS-KoA és NAD) [2] .
Mindezek az enzimek, amelyek alegység szerkezettel rendelkeznek, és a koenzimek egyetlen komplexbe szerveződnek. Ezért a köztes termékek gyorsan képesek kölcsönhatásba lépni egymással. Kimutatták, hogy a komplexet alkotó dihidrolipoil-acetil-transzferáz alegységek polipeptidláncai mintegy a komplex magját alkotják, amely körül a piruvát-dehidrogenáz és a dihidrolipoil-dehidrogenáz található. Általánosan elfogadott, hogy a natív enzimkomplex önszerveződéssel jön létre.
A piruvát-dehidrogenáz komplex által katalizált teljes reakció a következőképpen ábrázolható:
Piruvát + NAD + + HS-KoA \ u003d Acetil-CoA + NADH + H + + CO 2 .
A reakció a standard szabadenergia jelentős csökkenésével jár, és gyakorlatilag visszafordíthatatlan.
Az oxidatív dekarboxilezés során képződő acetil-CoA további oxidáción megy keresztül CO 2 és H 2 O képződésével. Az acetil-CoA teljes oxidációja a trikarbonsav ciklusban (Krebs-ciklus ) megy végbe. Ez a folyamat, valamint a piruvát oxidatív dekarboxilezése a sejtek mitokondriumában megy végbe [2] .
Az arzenát, valamint a higanyionok komplexeket képeznek a liponsav -SH csoportjaival, és gátolják a piruvát-dehidrogenázt; az étrend elégtelen tiamintartalma esetén a piruvát-dehidrogenáz aktivitása csökken, és a piruvát felhalmozódhat. Tiaminhiány lép fel a megzavart étrenddel rendelkező alkoholistáknál; ha glükózt adnak be nekik, a piruvát és a laktát gyors felhalmozódása léphet fel, ami tejsavas acidózishoz vezethet, amely gyakran halálos kimenetelű. Az örökletes piruvát-dehidrogenáz -hiányban szenvedő betegeknél tejsavas acidózis is kialakulhat, különösen glükózterhelés után . A szénhidrát-anyagcsere szinte valamennyi enzimjének mutációját regisztrálták, és ezek következménye minden esetben emberi betegség [3] .
A trikarbonsav- ciklus ( Krebs-ciklus , citrát-ciklus , citromsav-ciklus ) a katabolizmus általános útjának központi része , egy ciklikus biokémiai aerob folyamat, amelynek során két- és háromszén-vegyületek alakulnak át, amelyek közbenső termékként képződnek a katabolizmusban. élő szervezetek a szénhidrátok, zsírok és fehérjék lebontása során, egészen a CO 2 -ig . Ebben az esetben a felszabaduló hidrogén a szöveti légzési láncba kerül, ahol tovább oxidálódik vízzé, és közvetlenül részt vesz egy univerzális energiaforrás - ATP - szintézisében .
A Krebs-ciklus kulcsfontosságú lépés minden oxigént használó sejt légzésében, a szervezetben számos anyagcsereút kereszteződésében. Jelentős energetikai szerepe mellett a ciklus jelentős plasztikus funkciót is kap, vagyis fontos prekurzor molekulák forrása, amelyből más biokémiai átalakulások során a sejtélet szempontjából olyan fontos vegyületek, mint az aminosavak kerülnek ki. , szénhidrátok, zsírsavak stb.
A citromsav átalakulásának ciklusát élő sejtekben Hans Krebs német biokémikus fedezte fel és tanulmányozta , ezért munkájáért ( F. Lipmannel együtt ) Nobel-díjat kapott ( 1953 ).
Az eukariótákban a Krebs-ciklus összes reakciója a mitokondriumokon belül megy végbe, és az ezeket katalizáló enzimek egy kivételével a mitokondriális mátrixban szabad állapotban vannak, kivéve a szukcinát-dehidrogenázt , amely a mitokondriális belső membránon lokalizálódik, integrálva. a lipid kettős rétegbe. A prokariótákban a ciklus reakciói a citoplazmában mennek végbe.
A kezdeti reakciót, az acetil-CoA és az oxálacetát kondenzációját, ami citrát képződéséhez vezet, a citrát-szintáz kondenzáló enzim katalizálja, és szén-szén kötés jön létre az acetil-CoA metil-szénje és a karbonil-szén között. oxálacetátból. A citril-CoA képződéséhez vezető kondenzációs reakciót a tioéter kötés hidrolízise követi, amely nagy mennyiségű szabad energia hő formájában történő elvesztésével jár; ez határozza meg a reakció áramlását balról jobbra, amíg be nem fejeződik:
Acetil-CoA + Oxaloacetát + H 2 O → Citrát + KoASH
A citrát izocitráttá való átalakulását az akonitáz (aconit hidratáz) katalizálja, amely Fe 2+ állapotban tartalmaz vasat. Ez a reakció két szakaszban megy végbe: először a dehidratáció következik be a transz -akonitát képződésével (ennek egy része komplexben marad az enzimmel), majd a hidratáció és az izocitrát képződése :
Citrát ↔ Cys- Aconitate ↔ Izocitrát
A reakciót gátolja a fluor -acetát , amely először fluor-acetil-CoA-vá alakul; ez utóbbi oxálacetáttal kondenzálva fluorcitrátot képez. Az akonitáz közvetlen inhibitora a fluorocitrát; gátlás felhalmozódik a citrát. A 14C izotóppal jelölt intermedierekkel végzett kísérletek azt mutatják, hogy az akonitáz aszimmetrikusan lép kölcsönhatásba a citráttal: mindig a citrátmolekula azon részére hat, amely oxálacetátból keletkezett. Ezt eleinte nehéz volt megmagyarázni, mivel a citromsav külsőleg szimmetrikus vegyület. Azonban két csoport - a citromsav CH2COOH-ja a térben - az OH és -COOH csoportokhoz viszonyított helyzete nem azonos . Az akonitáz aszimmetrikus hatását bizonyítja a jelölt acetil-CoA (vagyis a 14 szénatomos helyzet ) „sorsa” a citromsavciklus közbenső termékeiben. Lehetséges, hogy a cisz -akonitát nem kötelező intermedier a citrát és az izocitrát között , és a főút mellékágán képződik. Ezenkívül az izocitrát-dehidrogenáz katalizálja a dehidrogénezést oxaloszukcinát képződésével. Az izocitrát-dehidrogenáz három különböző formáját írták le. Az egyik, a NAD + -függő, csak a mitokondriumokban található. Az enzim másik két formája NADP + -függő, amelyek közül az egyik szintén a mitokondriumban, a másik a citoszolban található. Az izocitrát oxidációját , amely a légzési lánc működéséhez kapcsolódik, szinte kizárólag egy NAD + -függő enzim végzi :
Izocitrát + NAD + ↔ oxaloszukcinát (az enzimmel komplexben) ↔ α-ketoglutarát + CO 2 + NADH + H +
Ezt követi a dekarboxiláció α-ketoglutarát képződésével, amit az izocitrát-dehidrogenáz is katalizál. A dekarboxilezési reakció fontos komponense a Mn 2+ (vagy Mg 2+ ) ion. A rendelkezésre álló adatok alapján a reakció közbenső szakaszában képződött oxaloszukcinát komplexben marad az enzimmel. Az α-ketoglutarát pedig a piruvát oxidatív dekarboxilezéséhez hasonlóan oxidatív dekarboxiláción megy keresztül: mindkét esetben a szubsztrát α-ketosav. A reakciót az o -ketoglutarát-dehidrogenáz komplex katalizálja, és ugyanazon kofaktorok – tiamin-difoszfát, lipoát, NAD + , FAD és CoA – részvétele szükséges; ennek eredményeként szukcinil-CoA képződik, amely egy nagy energiájú kötést tartalmazó tioéter.
α-ketoglutarát + NAD + + KoASH → szukcinil-CoA + CO 2 + NADH + H + .
A reakció egyensúlya olyan erősen eltolódik a szukcinil-CoA képződése felé, hogy az élettanilag egyirányúnak tekinthető. A piruvát oxidációjához hasonlóan a reakciót az arzenát gátolja, ami a szubsztrát (α-ketoglutarát) felhalmozódásához vezet. A ciklus a szukcinil-CoA szukcináttá történő átalakulásával folytatódik, amelyet a szukcinát-tiokináz (szukcinil-CoA szintetáz) katalizál:
Succinyl-CoA + P i + GDP ↔ szukcinát + GTP + CoASH
A reakció egyik szubsztrátja a GDP (vagy IDP), amelyből szervetlen foszfát jelenlétében GTP (ITP) képződik. Ez az egyetlen lépés a citromsavciklusban, amely nagy energiájú foszfátkötést hoz létre a szubsztrát szintjén; az α-ketoglutarát oxidatív dekarboxilezésében a potenciális szabadenergia mennyiség elegendő a NADH és egy nagy energiájú foszfát kötés kialakításához. A foszfokináz által katalizált reakcióban ATP képződhet GTP-ből és ITP-ből egyaránt. Például:
GTP + ADP ↔ GDP + ATP.
Egy másik, májon kívüli szövetekben végbemenő reakcióban, amelyet szukcinil-CoA-acetoacetát-CoA-transzferáz (tioforáz) katalizál, a szukcinil-CoA szukcináttá alakul az acetoacetát acetoacetil-CoA-vá történő átalakulásával együtt. A máj deaciláz aktivitással rendelkezik, amely biztosítja a szukcinil-CoA egy részének hidrolízisét szukcinát és CoA képződésével. Ezután a szukcinátot dehidrogénezzük, majd vízmolekulát adunk hozzá, és egy újabb dehidrogénezési lépés következik, ami az oxálacetát regenerálódásához vezet :
Szukcinát + FAD ↔ Fumarát + FADH.
Az első dehidrogénezést a belső mitokondriális membrán belső felületéhez kötött szukcinát-dehidrogenáz katalizálja. Ez a citromsavciklus egyetlen dehidrogenázreakciója, amelynek során a hidrogén közvetlen átvitele a szubsztrátból a flavoproteinbe NAD + részvétele nélkül megy végbe . Az enzim FAD-ot és vas-kén (Fe:S) fehérjét tartalmaz. A dehidrogénezés eredményeként fumarát képződik. Izotópokkal végzett kísérletek kimutatták, hogy az enzim sztereospecifikus a szukcinát metiléncsoportjainak transz -hidrogénatomjaira. A malonát vagy oxálacetát hozzáadása gátolja a szukcinát-dehidrogenázt, ami a szukcinát felhalmozódását eredményezi . A fumaráz (fumarát-hidratáz) katalizálja a víz hozzáadását a fumaráthoz , hogy malátot képezzen:
Fumarát + H 2 O ↔ L-malát.
A fumaráz specifikus a malát L-izomerjére; katalizálja a vízmolekula komponensek hozzáadását a transz konfigurációban lévő fumarát kettős kötéshez. A malát-dehidrogenáz katalizálja a malát átalakulását oxál-acetáttá, a reakció NAD + részvételével megy végbe :
L-malát + NAD + ↔ Oxaloacetát + NADH + H + .
Bár ennek a reakciónak az egyensúlya erősen eltolódik a malát irányába, valójában az oxálacetát irányába halad . mert a NADH-val együtt folyamatosan más reakciókban is elfogy. A citromsav ciklus enzimjei az α-ketoglutarát és a szukcinát-dehidrogenáz kivételével a mitokondriumokon kívül is megtalálhatók . Azonban ezen enzimek némelyike (pl. malát-dehidrogenáz) különbözik a megfelelő mitokondriális enzimektől.
Egyes metabolikus útvonalak a ciklus részét képező metabolitokkal végződnek; mások éppen ellenkezőleg, metabolitjaiból származnak. A zsírsavak glükoneogenezisének, transzaminációjának, dezaminációjának és szintézisének folyamatairól beszélünk [3] .
Glükoneogenezis , transzamináció és dezamináció
A ciklusban részt vevő összes fő vegyület, a citráttól az oxálacetátig , potenciálisan glükogén. Mind a májban, mind a vesében glükóz képződhet belőlük, mivel ezek a szervek rendelkeznek a glükoneogenezishez szükséges enzimek teljes készletével . A glükoneogenezis folyamatában a kulcsenzim a foszfoenolpiruvát-karboxikináz, amely katalizálja az oxál-acetát dekarboxilezését (a GTP részvételével, mint nagy energiájú foszfátforrással) foszfoenolpiruváttá:
Oxaloacetát + GTP \u003d foszfoenolpiruvát + CO 2 + GDP. [3]
A vegyületek több különböző reakció eredményeként lépnek be a ciklusba. Az egyik legjelentősebb az oxál -acetát képződése piruvát-karboxilezéssel, amelyet piruvát - karboxiláz katalizál:
ATP + CO 2 + H 2 O + piruvát ↔ oxaloacetát + ADP + P i .
Ez a reakció megfelelő koncentrációjú oxál -acetátot biztosít acetil-CoA-val kondenzálva . Ha az acetil-CoA koncentrációja megnő, az a piruvát-karboxiláz alloszterikus aktivátoraként működik, felgyorsítva az oxálacetát képződését. A laktát , amely a glükoneogenezis fontos szubsztrátja, belép a ciklusba, miután először piruváttá, majd oxálacetáttá alakul. A transzaminázok által katalizált reakciókban alaninból piruvát, aszpartátból oxálacetát , glutamátból α - ketoglutarát képződik . E reakciók reverzibilitása miatt a ciklus szénvázak forrásaként szolgálhat a nem esszenciális aminosavak szintézisében [3] . Például:
Aszpartát + piruvát ↔ Oxaloacetát + alanin
Glutamát + piruvát ↔ α-ketoglutarát + alanin
Más aminosavak is bizonyos mértékben hozzájárulnak a glükoneogenezishez, mivel dezaminálás vagy transzaminálás után szénvázuk teljesen vagy részben bekerül a ciklusba. Ilyenek például az alanin , cisztein , glicin , hidroxiprolin , szerin , treonin és triptofán , amelyekből piruvát képződik; arginin, hisztidin, glutamin és prolin, amelyekből glutamát , majd α-ketoglutarát keletkezik; izoleucin , metionin és valin , amelyekből szukcinil-CoA képződik ; a fumarát tirozinból és fenilalaninból képződik . A piruvátot alkotó anyagok vagy teljesen CO 2 -dá oxidálódnak a piruvát-dehidrogenáz útvonalon keresztül, ami acetil-CoA képződéséhez vezet, vagy pedig a glükoneogenezis útját követik a karboxilezés eredményeként oxálacetát képződésével [3] .
A piruvátból piruvát -dehidrogenáz hatására képződő acetil-CoA a fő építőelem a hosszú szénláncú zsírsavak szintézisében emlősökben (kivételt képeznek a kérődzők, ahol az acetil-CoA közvetlenül acetátból képződik). Mivel a piruvát-dehidrogenáz mitokondriális enzim, és a zsírsavszintézis enzimek a mitokondriumokon kívül helyezkednek el, a sejteknek át kell szállítaniuk az acetil-CoA-t a mitokondriális membránon, amely áthatolhatatlan a számára. A "szállítás" a következőképpen történik: az acetil-CoA belép a citromsav ciklusba, ahol részt vesz a citrát képződésében; ez utóbbi a mitokondriumból transzportálódik, és az ATP-citrát liáz enzim által katalizált reakció eredményeként ismét acetil-CoA-vá alakul a citoszolban [3] .
Citrát + ATP + KoA → Acetil-KoA + Oxaloacetát + ADP + P i .
A légzés és a foszforiláció sebességét szabályozó fő tényező a szervezet energiaszükséglete. Az ATP szintézis a CPE-ben történik, de a légzőlánc redukált ekvivalenseinek nagy része a közös katabolizmusból származik. Ezért a katabolizmus és a légzési lánc közös útvonalainak szabályozása szorosan összefügg.
A sejt energiaállapotának értékeléséhez az energiatöltés értékét használják, amely tükrözi az ATP koncentrációjának arányát bomlástermékeihez - ADP és AMP. A sejt energiatöltésének növekedésével (nyugalmi állapotban) a katabolizmus általános pályáinak reakcióinak sebessége csökken, az energiatöltés csökkenésével pedig nő. Ez annak köszönhető, hogy az ATP alloszterikus inhibitorként, míg az ADP és az AMP egyes DMO enzimek alloszterikus aktivátoraként működik.
A DMO szabályozása 4 reakció szintjén történik, amelyeket a következők katalizálnak:
A PDC által katalizált reakció kulcsreakció, mivel az anyagcsere-pályák metszéspontjának középpontjában van, és biztosítja az olyan folyamatok összekapcsolását, mint a glikolízis , a glükoneogenezis , a zsírsavszintézis és az oxidáció . A PDC biztosítja a citrát ciklust egy szubsztrátummal - acetil-CoA .
Humán biokémia: 2 kötetben. Per. angolból: - M .: Mir, 1993. - 384 p., ill. ISBN 5-03-001774-7