Katabolismens generelle vej er et sæt biokemiske processer, som inkluderer:
Det er i den generelle katabolismevej, at hovedparten af substraterne til dehydrogeneringsreaktioner dannes. Sammen med respirationskæden og oxidativ fosforylering er den generelle katabolismevej hovedkilden til energi i form af ATP [1] .
Oxidationen af pyruvat til acetyl-CoA sker med deltagelse af en række enzymer og coenzymer, strukturelt forenet i et multienzymsystem, kaldet "pyruvatdehydrogenasekomplekset" [2] .
På trin I af denne proces mister pyruvat sin carboxylgruppe som et resultat af interaktion med thiaminpyrophosphat (TPP) som en del af det aktive center af pyruvatdehydrogenaseenzymet (E 1 ). I trin II oxideres hydroxyethylgruppen i E 1 -TPF-CHOH-CH 3 -komplekset til dannelse af en acetylgruppe, som samtidigt overføres til liponsyreamidet (coenzymet) forbundet med enzymet ved hjælp af dihydrolipoylacetyltransferase (E 2 ). Dette enzym katalyserer trin III - overførslen af en acetylgruppe til coenzym CoA (HS-KoA) med dannelsen af slutproduktet acetyl-CoA , som er en højenergiforbindelse (højenergi ) [ 2] .
I trin IV regenereres den oxiderede form af lipoamid fra det reducerede dihydrolipoamid-E2- kompleks . Med deltagelse af enzymet dihydrolipoyldehydrogenase (E 3 ) overføres hydrogenatomer fra dihydrolipoamids reducerede sulfhydrylgrupper til FAD, der fungerer som en protesegruppe af dette enzym og er stærkt forbundet med det. I trin V overfører den reducerede FADH 2 dihydrolipoyldehydrogenase hydrogen til coenzymet NAD med dannelse af NADH + H + [2] .
Processen med oxidativ decarboxylering af pyruvat forekommer i mitokondriematrixen . Det involverer (som en del af et komplekst multienzymkompleks ) 3 enzymer (pyruvatdehydrogenase, dihydrolipoylacetyltransferase, dihydrolipoyldehydrogenase) og 5 coenzymer (TPF, lipoinsyreamid, coenzym A , FAD og NAD), hvoraf tre er relativt stærkt forbundet med enzymer (TPF-E 1 , lipoamid-E 2 og FAD-E 3 ), og to er let dissocierede (HS-KoA og NAD) [2] .
Alle disse enzymer, som har en underenhedsstruktur, og coenzymer er organiseret i et enkelt kompleks. Derfor er mellemprodukter i stand til hurtigt at interagere med hinanden. Det er blevet vist, at polypeptidkæderne af dihydrolipoyl-acetyltransferase-underenheder, der udgør komplekset, så at sige danner kernen af komplekset, omkring hvilken pyruvatdehydrogenase og dihydrolipoyldehydrogenase er placeret. Det er almindeligt accepteret, at det native enzymkompleks dannes ved selvsamling.
Den samlede reaktion katalyseret af pyruvatdehydrogenasekomplekset kan repræsenteres som følger:
Pyruvat + NAD + + HS-KoA \ u003d Acetyl-CoA + NADH + H + + CO 2 .
Reaktionen er ledsaget af et betydeligt fald i standardfri energi og er praktisk talt irreversibel.
Dannet i processen med oxidativ decarboxylering undergår acetyl-CoA yderligere oxidation med dannelse af CO 2 og H 2 O. Fuldstændig oxidation af acetyl-CoA sker i tricarboxylsyrecyklussen (Krebs-cyklus ). Denne proces, såvel som den oxidative decarboxylering af pyruvat, sker i mitokondrierne i celler [2] .
Arsenat, såvel som kviksølvioner, danner komplekser med -SH-grupperne af liponsyre og hæmmer pyruvatdehydrogenase; med et utilstrækkeligt indhold af thiamin i kosten falder aktiviteten af pyruvatdehydrogenase, og pyruvat kan akkumuleres. Thiaminmangel forekommer hos alkoholikere med en forstyrret kost; når glucose administreres til dem, kan der forekomme en hurtig ophobning af pyruvat og laktat, hvilket fører til laktatacidose , ofte dødelig. Patienter med arvelig pyruvatdehydrogenase- mangel kan også udvikle laktatacidose, især efter en glukosebelastning . Mutationer af næsten alle enzymer i kulhydratmetabolismen er blevet registreret, og deres konsekvens er i hvert tilfælde en menneskelig sygdom [3] .
Tricarboxylsyrecyklussen ( Krebs-cyklus , citratcyklus , citronsyrecyklus ) er den centrale del af den generelle katabolismevej , en cyklisk biokemisk aerob proces, hvorunder to- og tre-carbonforbindelser omdannes, som dannes som mellemprodukter i levende organismer under nedbrydningen af kulhydrater, fedtstoffer og proteiner, op til CO 2 . I dette tilfælde sendes det frigivne brint til vævets respirationskæde, hvor det oxideres yderligere til vand, idet det tager en direkte del i syntesen af en universel energikilde - ATP .
Krebs-cyklussen er et nøgletrin i respirationen af alle celler , der bruger ilt, krydsfeltet mellem mange metaboliske veje i kroppen. Ud over en væsentlig energirolle tildeles cyklussen også en betydelig plastisk funktion, det vil sige, at den er en vigtig kilde til forstadiemolekyler, hvorfra der i løbet af andre biokemiske transformationer er vigtige forbindelser for cellelivet som aminosyrer. , bliver kulhydrater, fedtsyrer osv. syntetiseret.
Cyklussen af citronsyretransformation i levende celler blev opdaget og undersøgt af den tyske biokemiker Hans Krebs , for dette arbejde blev han (sammen med F. Lipman ) tildelt Nobelprisen ( 1953 ).
I eukaryoter forekommer alle reaktioner i Krebs-cyklussen inde i mitokondrier , og de enzymer , der katalyserer dem , undtagen én, er i en fri tilstand i mitokondriematrixen, med undtagelse af succinatdehydrogenase , som er lokaliseret på den indre mitokondrielle membran, der integrerer ind i lipid-dobbeltlaget. Hos prokaryoter foregår cyklussens reaktioner i cytoplasmaet.
Den indledende reaktion, kondensationen af acetyl-CoA og oxaloacetat, der fører til dannelsen af citrat, katalyseres af det kondenserende enzym, citratsyntase, og der dannes en carbon-carbon-binding mellem methyl-carbonet i acetyl-CoA og carbonyl-carbonet. af oxaloacetat. Kondensationsreaktionen, der fører til dannelsen af citryl-CoA, efterfølges af hydrolyse af thioetherbindingen, ledsaget af tab af en stor mængde fri energi i form af varme; dette bestemmer strømmen af reaktionen fra venstre mod højre, indtil den er afsluttet:
Acetyl-CoA + Oxaloacetat + H2O → Citrat + KoASH
Omdannelsen af citrat til isocitrat katalyseres af aconitase (aconithydratase), som indeholder jern i Fe 2+ tilstand. Denne reaktion udføres i to trin: først sker dehydrering med dannelsen af trans -aconitat (en del af det forbliver i kompleks med enzymet), og derefter hydrering og dannelsen af isocitrat :
Citrat ↔ Cys- Akonitat ↔ Isocitrat
Reaktionen hæmmes af fluoracetat , som først omdannes til fluoracetyl-CoA; sidstnævnte kondenserer med oxaloacetat til dannelse af fluorcitrat. Den direkte hæmmer af aconitase er fluorcitrat; hæmning akkumulerer citrat. Eksperimenter med mellemprodukter mærket med 14C isotopen viser, at aconitase interagerer med citrat på en asymmetrisk måde: den virker altid på den del af citratmolekylet, der blev dannet af oxaloacetat. Dette var svært at forklare i starten, da citronsyre er en eksternt symmetrisk forbindelse. Positionen i rummet af to grupper - CH 2 COOH af citronsyre i forhold til grupperne - OH og - COOH er ikke identisk. Den asymmetriske virkning af aconitase fremgår af "skæbnen" for mærket acetyl-CoA (det vil sige positionen af 14 C- atomer ) i mellemprodukterne af citronsyrecyklussen. Det er muligt, at cis -aconitat ikke er et obligatorisk mellemprodukt mellem citrat og isocitrat og dannes på sidegrenen af hovedvejen. Yderligere katalyserer isocitratdehydrogenase dehydrogenering med dannelsen af oxalosuccinat. Tre forskellige former for isocitratdehydrogenase er blevet beskrevet. En af dem, NAD + -afhængig, findes kun i mitokondrier. De to andre former af enzymet er NADP + -afhængige, hvoraf den ene også findes i mitokondrierne og den anden i cytosolen. Oxidationen af isocitrat , forbundet med driften af den respiratoriske kæde, udføres næsten udelukkende af et NAD + -afhængigt enzym:
Isocitrat + NAD + ↔ Oxalosuccinat (i kompleks med enzymet) ↔ α-Ketoglutarat + CO 2 + NADH + H +
Dette efterfølges af decarboxylering med dannelse af α-ketoglutarat, som også katalyseres af isocitrat dehydrogenase. En vigtig bestanddel af decarboxyleringsreaktionen er Mn 2+ (eller Mg 2+ ) ioner. At dømme efter de tilgængelige data forbliver oxalosuccinatet dannet i reaktionens mellemtrin i et kompleks med enzymet. α-Ketoglutarat gennemgår til gengæld oxidativ decarboxylering svarende til den oxidative decarboxylering af pyruvat: i begge tilfælde er substratet α-ketoasyre. Reaktionen katalyseres af o -ketoglutarat-dehydrogenasekomplekset og kræver deltagelse af det samme sæt cofaktorer - thiamindiphosphat, lipoat, NAD + , FAD og CoA; som et resultat dannes succinyl-CoA, en thioether, der indeholder en højenergibinding.
a-Ketoglutarat + NAD + + KoASH → Succinyl-CoA + CO2 + NADH + H + .
Reaktionens ligevægt er så stærkt forskudt mod dannelsen af succinyl-CoA, at den kan betragtes som fysiologisk ensrettet. Som ved oxidation af pyruvat hæmmes reaktionen af arsenat, hvilket fører til ophobning af substratet (α-ketoglutarat). Cyklussen fortsætter med omdannelsen af succinyl-CoA til succinat, katalyseret af succinat-thiokinase (succinyl-CoA-syntetase):
Succinyl-CoA + Pi + BNP ↔ Succinat + GTP + CoASH
Et af reaktionssubstraterne er GDP (eller IDP), hvoraf GTP (ITP) dannes i nærvær af uorganisk fosfat. Dette er det eneste trin i citronsyrecyklussen, der genererer en højenergi-phosphatbinding på substratniveau; i den oxidative decarboxylering af α-ketoglutarat er den potentielle mængde fri energi tilstrækkelig til at danne NADH og en højenergiphosphatbinding. I en reaktion katalyseret af phosphokinase kan ATP dannes ud fra både GTP og ITP. For eksempel:
GTP + ADP ↔ BNP + ATP.
I en alternativ reaktion, der forekommer i ekstrahepatisk væv og katalyseret af succinyl-CoA-acetoacetat-CoA-transferase (thiophorase), omdannes succinyl-CoA til succinat i forbindelse med omdannelsen af acetoacetat til acetoacetyl-CoA. Leveren har deacylaseaktivitet, som giver hydrolyse af en del af succinyl-CoA med dannelse af succinat og CoA. Derefter dehydrogeneres succinatet , derefter tilsættes et vandmolekyle, og et andet dehydrogeneringstrin følger, hvilket fører til regenerering af oxaloacetat :
Succinat + FAD ↔ Fumarat + FADH.
Den første dehydrogenering katalyseres af succinatdehydrogenase bundet til den indre overflade af den indre mitokondriemembran. Dette er den eneste dehydrogenasereaktion i citronsyrecyklussen, hvor den direkte overførsel af hydrogen fra substratet til flavoproteinet sker uden deltagelse af NAD + . Enzymet indeholder FAD og jern-svovl (Fe:S) protein. Som et resultat af dehydrogenering dannes fumarat. Eksperimenter med isotoper har vist, at enzymet er stereospecifikt for trans - hydrogenatomerne i methylengrupperne i succinat. Tilsætningen af malonat eller oxaloacetat hæmmer succinatdehydrogenase, hvilket resulterer i akkumulering af succinat . Fumarase (fumarathydratase) katalyserer tilsætningen af vand til fumarat for at danne malat:
Fumarat + H 2 O ↔ L-malat.
Fumarase er specifik for L-isomeren af malat; det katalyserer tilsætningen af vandmolekylekomponenter til fumarat-dobbeltbindingen i trans-konfigurationen. Malatdehydrogenase katalyserer omdannelsen af malat til oxaloacetat, reaktionen fortsætter med deltagelse af NAD + :
L-malat + NAD + ↔ Oxaloacetat + NADH + H + .
Selvom ligevægten af denne reaktion er stærkt forskudt i retning af malat, fortsætter den faktisk i retning af oxaloacetat . fordi det sammen med NADH konstant indtages i andre reaktioner. Enzymer i citronsyrecyklussen, med undtagelse af α-ketoglutarat og succinatdehydrogenase, findes også uden for mitokondrierne . Nogle af disse enzymer (f.eks. malatdehydrogenase) adskiller sig dog fra de tilsvarende mitokondrielle enzymer.
Nogle metaboliske veje ender med metabolitter, der er en del af cyklussen; andre stammer tværtimod fra dets metabolitter. Vi taler om processerne af gluconeogenese, transaminering, deaminering og syntese af fedtsyrer [3] .
Gluconeogenese , transaminering og deaminering
Alle vigtige forbindelser involveret i cyklussen, fra citrat til oxaloacetat , er potentielt glucogene. Både i leveren og i nyrerne kan der dannes glukose fra dem , da disse organer har et komplet sæt enzymer, der er nødvendige for glukoneogenese . Nøgleenzymet i processen med gluconeogenese er phosphoenolpyruvat carboxykinase, som katalyserer decarboxyleringen af oxaloacetat (med deltagelse af GTP som en kilde til højenergifosfat) til dannelse af phosphoenolpyruvat:
Oxaloacetat + GTP \u003d Phosphoenolpyruvat + CO 2 + BNP. [3]
Forbindelser kommer ind i kredsløbet som følge af flere forskellige reaktioner. En af de mest betydningsfulde er dannelsen af oxaloacetat ved pyruvatcarboxylering katalyseret af pyruvatcarboxylase :
ATP + CO 2 + H 2 O + pyruvat ↔ oxaloacetat + ADP + Pi .
Denne reaktion giver passende koncentrationer af oxaloacetat, når den kondenseres med acetyl-CoA . Hvis koncentrationen af acetyl-CoA øges, virker det som en allosterisk aktivator af pyruvatcarboxylase, hvilket accelererer dannelsen af oxaloacetat. Lactat , som er et vigtigt substrat for gluconeogenese, kommer ind i cyklussen efter først at være blevet omdannet til pyruvat og derefter til oxaloacetat. I reaktioner katalyseret af transaminaser dannes pyruvat fra alanin, oxaloacetat fra aspartat og α-ketoglutarat fra glutamat . På grund af reversibiliteten af disse reaktioner kan cyklussen tjene som en kilde til kulstofskeletter i syntesen af ikke- essentielle aminosyrer [3] . For eksempel:
Aspartat + Pyruvat ↔ Oxaloacetat + Alanin
Glutamat + Pyruvat ↔ α-Ketoglutarat + Alanin
Andre aminosyrer yder også et vist bidrag til glukoneogenesen, da deres kulstofskelet efter deaminering eller transaminering er helt eller delvist inkluderet i cyklussen. Eksempler er alanin , cystein , glycin , hydroxyprolin , serin , threonin og tryptophan , hvorfra pyruvat dannes; arginin, histidin, glutamin og prolin, hvoraf glutamat og derefter α-ketoglutarat dannes; isoleucin , methionin og valin , hvoraf succinyl-CoA dannes ; fumarat dannes af tyrosin og phenylalanin . Stoffer, der danner pyruvat , oxideres enten fuldstændigt til CO 2 via pyruvat-dehydrogenase-vejen, der fører til dannelsen af acetyl-CoA, eller følger gluconeogenese-vejen med dannelse af oxaloacetat som følge af carboxylering [3] .
Acetyl-CoA , dannet ud fra pyruvat ved påvirkning af pyruvatdehydrogenase, er hovedbyggestenen i syntesen af langkædede fedtsyrer hos pattedyr (drøvtyggere er en undtagelse, hvor acetyl-CoA dannes direkte fra acetat). Da pyruvatdehydrogenase er et mitokondrielt enzym, og fedtsyresyntesenzymer er lokaliseret uden for mitokondrierne, skal celler transportere acetyl-CoA gennem mitokondriemembranen, der er uigennemtrængelig for den. "Transport" udføres som følger: acetyl-CoA går ind i citronsyrecyklussen, hvor det deltager i dannelsen af citrat; sidstnævnte transporteres fra mitokondrierne og omdannes igen til acetyl-CoA i cytosolen som følge af en reaktion katalyseret af enzymet ATP-citratlyase [3] .
Citrat + ATP + KoA → Acetyl-KoA + Oxaloacetat + ADP + Pi .
Den vigtigste faktor, der regulerer hastigheden af respiration og fosforylering, er kroppens behov for energi. ATP -syntese udføres i CPE, men hovedparten af de reducerede ækvivalenter for respirationskæden kommer fra almindelige katabolismeveje. Derfor er reguleringen af almindelige katabolismeveje og respirationskæden tæt forbundet.
For at vurdere cellens energitilstand anvendes værdien af energiladningen, som afspejler forholdet mellem koncentrationen af ATP og dets henfaldsprodukter - ADP og AMP. Med en stigning i energiladningen i cellen (i hvile), falder reaktionshastigheden af de generelle katabolismeveje, og med et fald i energiladningen stiger den. Dette opnås på grund af det faktum, at ATP virker som en allosterisk inhibitor, mens ADP og AMP fungerer som allosteriske aktivatorer af nogle DMO-enzymer.
Reguleringen af DMO udføres på niveau med 4 reaktioner katalyseret af:
Reaktionen katalyseret af PDC er en nøglereaktion, da den er i centrum af skæringspunktet mellem metaboliske veje og giver sammenkoblingen af processer såsom glykolyse , gluconeogenese , fedtsyresyntese og oxidation . PDC forsyner citratcyklussen med et substrat - acetyl-CoA .
Human biokemi: I 2 bind. Om. fra engelsk: - M .: Mir, 1993. - 384 s., ill. ISBN 5-03-001774-7