Окислительное декарбоксилирование пирувата

В аэробных условиях в клетках большинства организмов пировиноградная кислота преимущественно используется в процессе окислительного декарбоксилирования.

Окислительное декарбоксилирование представляет собой сложный метаболический процесс, протекающий в митохондриях. В нем принимают участие несколько ферментов, объединенных в единый структурный ансамбль – пируватдегидрогеназный комплекс.

Пируватдегидрогеназный комплекс встроен во внутреннюю митохондриальную мембрану. Он включает три фермента: пируватдегидрогеназу (Е ), дигидролипоилацетилтрансферазу (Е ) и дигидролипоиддегидрогеназу (Е ). Для их функционирования необходимо присутствие пяти коферментов, представленных производными водорастворимых витами-нов – тиаминпирофосфата (ТПФ, витамин В₁), ФАД (витамин В₂), НАД (витамин В₅), коэнзима А (витамин В₃), и витаминоподобного вещества – амидалипоевой кислоты (ЛК).

Ниже представлена последовательность реакций, происходящих в процессе окислительного декарбоксилирования пирувата (жирным шрифтом выделены конечные продукты процесса):

На I стадии процесса пируват подвергается декарбоксилированию. При взаимодействии с коферментом пируватдегидрогеназы (Е₁) он теряет свою карбоксильную группу. Продукт декарбоксилирования, в форме гидроксиэтильного производного, оказывается связанным с ТПФ.

На II стадии гидроксиэтильная группа с кофермента пируватдегидрогеназы переносится на кофермент дигидролипоил-ацетилтрансферазы (Е2) –амидлипоевой кислоты. При этом образуется ацетильный радикал, связанный с восстановленной формой амида липоевой кислоты и освобождается редуцированная пируватдегидрогеназа (Е₁).

На III стадии процесса происходит перенос ацетильной группы на коэнзим А с образованием ацетил-КоА, представляющего собой один из конечных продуктов окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты.

На IV стадии происходит окисление восстановленной формы амида липоевой кислоты за счет дегидролипоилдегидрогеназы (Е₃). Атомы водорода переносятся с сульфгидрильных групп амида липоевой кислоты на флавиновую простетическую группу Е₃.

На V стадии восстановленный ФАД используется для восстановления НАД. При этом образуется следующий продукт окислительного декарбоксилирования пирувата – восстановленный НАД.

Балансовое уравнение окислительного декарбоксилирования пирувата может быть представлено как:

Пируват + НАД + КоА-SH = Ацетил-КоА + НАДН+Н⁺ + СО₂

Процесс, катализируемый пируватдегидрогеназным комплексом, сопровождается значительным уменьшением свободной энергии. Поэтому он практически необратим.

Функционирование пируватдегидрогеназного комплекса подвержено тонкой регуляции. Входящий в его состав энзим пируватдегидрогеназа (Е₁) является аллостерическим ферментом. Его ингибиторы – АТФ, восстановленный НАД, ацетил-КоА и высшие жирные кислоты.

Помимо аллостерической регуляции, активность пируватдегидрогеназы регулируется путем ее ковалентной модификации. В состав пируватдегидрогеназного комплекса, наряду с тремя ферментами, которые катализируют отдельные стадии процесса, входят два регуляторных фермента:

1 – киназа пируватдегидрогеназы, катализирующая фосфорилирование Е₁ за счет АТФ; 2 – фосфатаза Е₁, катализирующая дефосфорилирование того же энзима (рис. 89).

Рисунок 89 – Регуляция активности пируватдегидрогеназы (Е₁) путем

ковалентной модификации (ПДГ- пируватдегидрогеназа)

Ковалентная модификация (фосфорилирование) пируватдегидрогеназы происходит при увеличении концентрации АТФ в клетке. Фосфорилированный фермент утрачивает каталитические свойства. Активность восстанавливается в том случае, если фермент дефосфорилируется под влиянием фосфатазы.

Основным путем обмена образовавшегося в результате окислительного декарбоксилирования пирувата ацетил-КоА является окисление в цикле трикарбоновых кислот до конечных продуктов обмена (двух молекул углекислого газа). Окисление одного ацетильного радикала сопровождается восстановлением трех молекул НАД и одной молекулы ФАД, а также образованием одной молекулы ГТФ.

Окисление каждой молекулы восстановленного НАД в дыхательной цепи может обеспечивать синтез трех молекул АТФ, а восстановленного ФАД – двух молекул АТФ. В этой связи энергетический эффект окисления одной молекулы ацетил-КоА в цикле Кребса соответствует 12 молекулам АТФ.

Таким образом, в аэробных условиях происходит окисление глюкозы до конечных продуктов обмена – углекислого газа и воды. Этот процесс складывается из трех основных стадий (рис. 90).

Рисунок 90 – Стадии процесса полного аэробного распада глюкозы

На первой стадии происходит окисление глюкозы до пирувата в гликолитических реакциях. На второй стадии продукт гликолиза – пировиноградная кислота подвергается процессу окислительного декарбоксилирования с образованием ацетил-КоА. На третьей стадии ацетил-КоА подвергается окислению в цикле Кребса.

Для расчета энергетического эффекта полного аэробного окисления глюкозы необходимо суммировать энергетические эффекты каждой стадии этого процесса:

1. В процессе гликолиза синтезируются две молекулы АТФ и две молекулы восстановленного НАД (образующегося в глицеральдегид-3-фосфат-дегидрогеназной реакции), из которого при окислении в дыхательной цепи может возникать

2 х 3 = 6 АТФ.

Итого, в процессе гликолиза при окислении молекулы глюкозы в аэробных условиях может образоваться

2 + 6 = 8 АТФ.

2. Из двух молекул пирувата, образующихся в процессе гликолиза, при окислительном декарбоксилировании синтезируется две молекулы восстановленного НАД. При их окислении в дыхательной цепи митохондрий может образовываться

2 х 3 = 6 АТФ.

3. При окислении в цикле Кребса двух молекул ацетил-КоА, образующихся из двух молекул пирувата, в процессе его окислительного декарбоксилирования, образуется (3 х 2) молекулы восстановленного НАД, (1 х 2) молекулы восстановленного ФАД и (1 х 2) молекулы ГТФ (АТФ). Всего при окислении в дыхательной цепи восстановленных коферментов может образоваться 2 х 3 х 3 = 18 АТФ и 2 х 1 х 2 = 4 АТФ.

Итого: 18 + 4 + 2 = 24 АТФ.

Суммируя количество молекул АТФ, образующихся в процессе полного аэробного окисления глюкозы, получаем 8 + 6 + 24 = 38 АТФ.

Итого, энергетический баланс полного аэробного окисления глюкозы составляет 38 АТФ в расчете на одну молекулу глюкозы.

Сравнивая энергетический эффект аэробного и анаэробного окисления глюкозы, можно придти к выводу о значительном преимуществе (2/38) аэробного окисления глюкозы. Вместе с тем при условиях, когда доступность кислорода ограничена, клетка использует анаэробный гликолиз, как основной источник энергетического обеспечения.

В аэробных условиях две молекулы НАД, восстановленного в глицеральдегиддегидрогеназной реакции гликолиза могут быть использованы для окисления в дыхательной цепи митохондрий, в результате чего образуется соответствующее количество АТФ (что было учтено при расчете энергетического баланса полного аэробного окисления глюкозы). Однако гликолитические реакции проходят в цитозоле клетки, а дыхательная цепь локализуется во внутренней митохондриальной мембране. При этом внутренняя митохондриальная мембрана непроницаема ни для окисленного, ни для восстановленного НАД. В этой связи возможность использования цитозольного восстановленного НАД для окисления в дыхательной цепи, может быть связана с существованием особых механизмов переноса восстановленного НАД внутрь митохондрий. Действительно, в процессе эволюции были сформированы особые системы переноса цитозольного восстановленного НАД в матрикс митохондрий, которые получили название “челночные системы”.