Основи біоенергетики. Вступ до обміну речовин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основи біоенергетики. Вступ до обміну речовин



Вступ

Обмін речовин і енергії - закономірний порядок перетворення речовин та енергії в живих організмах, спрямований на їх збереження і самовідтворення. Сутність і зміст обміну речовин складають вся сукупність хімічних реакцій, що протікають в живих організмах, від засвоєння речовин, що надходять ззовні (асиміляція) до їх розщеплення (дисиміляція) аж до утворення кінцевих продуктів, що підлягають виділенню. Найважливіша характерна риса біологічної форми руху - саморегулювання, яке виникає як результат сукупності хімічних реакцій, з яких кожна окремо не володіє властивістю саморегулювання, але, разом узяті, вони утворюють систему, яка виявляє властивості механізму зворотного зв'язку.

Асиміляція - одна з властивостей живого, одна зі сторін обміну речовин. Асиміляція включає величезну кількість хімічних перетворень, що призводять до використання органічних і неорганічних речовин, що надходять в організм із зовнішнього середовища, для побудови специфічних для даного організму білків, нуклеїнових кислот, ліпідів, вуглеводів і т.д. Процес асиміляції забезпечує зростання, розвиток, оновлення організму і накопичення запасів, які використовуються в якості джерела енергії. Найбільш активно асиміляція відбувається в період зростання: у тварин - у молодому віці, у рослин - протягом світлової стадії.

Дисиміляція - протилежна асиміляції сторона обміну речовин: руйнування органічних сполук з перетворенням білків, нуклеїнових кислот, жирів, вуглеводів в прості речовини. Основні кінцеві продукти дисиміляції у всіх організмах - Н₂О, СО₂ і NH₃. У тварин більша частина кінцевих продуктів виділяється в міру накопичення назовні і тільки менша частина використовується для різних біосинтетичних процесів. У рослинах СО₂ і NH₃ в значно більших обсягах, ніж у тварин, використовуються для біосинтезу органічних речовин, будучи вихідним матеріалом для асиміляції. Нерозривний зв'язок дисиміляції з асиміляцією забезпечує постійне оновлення тканин організму.

Первинним джерелом енергії для всієї живої природи є сонячне випромінювання. Всі організми, що мешкають на землі, можливо поділити на дві основні групи, що відрізняються використанням різних джерел енергії - автотрофні та гетеротрофні організми. Аутотрофи - перш за все зелені рослини, здатні безпосередньо використовувати променисту енергію Сонця у процесі фотосинтезу, створюючи органічні сполуки (вуглеводи, амінокислоти, жирні кислоти і т.д.) з неорганічних. Гетеротрофи - інші живі організми - асимілюють вже готові органічні речовини, використовуючи їх як джерело енергії або матеріал для побудови свого тіла.

Проміжний обмін - перетворення речовин в організмі з моменту надходження їх в клітини до утворення кінцевих продуктів обміну, тобто сукупність хімічних реакцій, що протікають в живих клітинах і забезпечують організм речовинами і енергією для його життєдіяльності, зростання, розмноження. Потрапивши всередину клітини, поживна речовина метаболізується - зазнає ряд хімічних перетворень, що каталізуються ферментами. Певна послідовність таких хімічних змін називається метаболічним шляхом, а проміжні продукти, що утворилися - метаболітами.

Розрізняють дві сторони проміжного обміну - анаболізм і катаболізм. Анаболічні реакції спрямовані на утворення і оновлення структурних елементів клітин і тканин та полягають в синтезі складних молекул з більш простих. Ці реакції переважно відновлювальні, супроводжуються витратою вільної хімічної енергії (ендергонічні реакції). Катаболічні перетворення - процеси розщеплення складних молекул, як тих, що надійшли з їжею, так і таких, що входять до складу клітини - до простих компонентів. Ці реакції зазвичай окислювальні і супроводжуються виділенням вільної енергії (екзергонічні реакції).



1. Загальні принципи біоенергетики

Розвиток життя на Землі пішов по шляху використання в якості головного екзергонічного процесу, що забезпечує біоенергетичні потреби живих організмів практично універсального для всієї живої природи хімічного перетворення - гідролізу одного з пірофосфатних зв'язків в молекулах аденозин-5'-трифосфату (АТФ) або гуанозин-5'-трифосфату (ГТФ). Енергія АТФ використовується для здійснення більшості клітинних процесів, що протікають з витратою енергії, тобто для забезпечення різних фізіологічних видів робіт.

У зв'язку з цим глобальним завданням біоенергетики живих організмів є регенерація АТФ з АДФ і АМФ. У живій природі ця регенерація відбувається як фосфорилювання АДФ, а АМФ попередньо перетворюється в АДФ за реакцією:

АМФ + АТФ = 2АДФ,

що каталізується ферментом аденілаткіназою. Фосфорилювання АДФ є ендергонічним процесом і вимагає залучення спеціальних джерел енергії. Серед них в живій природі різко домінують два.

Одне з них - це сонячна енергія, яка засвоюється зеленими рослинами і деякими мікроорганізмами в процесі фотосинтезу. В ході фотосинтезу енергія поглинених квантів світла використовується для здійснення високоендергонічного процесу перенесення електронів від молекул води на НАДФ⁺ за сумарним рівнянням:

НАДФ⁺ + Н₂О > 0,5О₂ + НАДФ·Н + Н⁺

Частково ця енергія витрачається на фосфорилювання АДФ.

Друге джерело, яке використовується більшістю мікроорганізмів і всіма тваринами - енергія окислення органічних сполук, що надходять до них у вигляді їжі. Органічні сполуки, окислення яких служить джерелом енергії, тобто призводить в кінцевому підсумку до фосфорилювання АДФ, дуже різноманітні. Однак домінуюче місце серед них має окислення вуглеводів, в першу чергу, глюкози. Окислювальна деструкція глюкози поділяється на три групи реакцій. У першій групі реакцій глюкоза перетворюється у відсутності кисню в молочну кислоту або етанол, а в присутності кисню - в піруват і далі в зв'язаний з коферментом А ацетильний залишок. Цей процес називають гліколізом. У другій групі реакцій відбувається деструкція жирних кислот, підсумком якої теж є перетворення карбонового скелета жирної кислоти в відповідне число ацетильних залишків у вигляді СоА-SCOCH₃. У третій групі реакцій, загальної як для окиснення вуглеводів, так і жирних кислот, відбувається окиснення пов'язаного з коферментом А ацетильного залишку до СО₂ і Н₂О. Це окиснення відбувається в циклі трикарбонових кислот. В основному (хоча і не виключно) окисником в цих процесах є НАД⁺, який при цьому перетворюється в НАДФ·Н. Саме накопичення відновленої форми цього коферменту призводить далі до основного біоенергетичного підсумку окиснювального фосфорилювання - перетворення трьох молекул АДФ в три молекули АТФ при переносі кожної пари електронів від НАД·Н і О₂ за брутто-рівнянням:

НАД⁺ + 0,5О₂ + Н⁺ > НАД⁺ + Н₂О

Цей процес відбувається в складноорганизованій системі, яка має назву ланцюг переносу електронів (ЛПЕ).

Значення АТФ як універсального акумулятора енергії полягає в тому, що гідроліз будь-якого з двох пірофосфатних зв'язків АТФ у вигляді магнієвої солі характеризується значним за абсолютною величиною зменшенням стандартної вільної енергії(?G⁰): -31,0 кДж/моль при перетворенні АТФ в АДФ і -31,8 кДж/моль при перетворенні в АМФ.

У живих організмах є група сполук, для яких ?G⁰ гідролізу має той же порядок, що і для АТФ, а в деяких випадках перевершує цю величину. До цієї групи належать ангідриди (карбамоїлфосфат -51,46 кДж/моль, ацетилфосфат -43,10 кДж/моль), тіоетери (сукциніл-СоА -33,47 кДж/моль, ацетил-СоА -31,38 кДж/моль) і деякі окремі сполуки з іншою структурою гідролізуємої групи - фосфоєнолпіруват (-61,92 кДж/моль) і креатинфосфат (-37,66 кДж/моль). Ці сполуки нерідко приймають участь в регенерації АТФ і ГТФ з відповідних дифосфатів. Прикладами можуть служити реакції:

1. ^-2О₃РОСН₂СHOHCO₂PO₃^-2 + АДФ > ^-2О₃РОСН₂СHOHCO₂^- + АТФ

1,3-дифосфогліцерат 3-фосфогліцерат

2. СН₂=С(ОРО₃^-2)-СО₂ + АДФ > СН₃СОСО₂^- + АТФ

фосфоєнолпіруват піруват

3. -О₂СН₂СН₂СО-SCoA + НРО₄^-2 + ГДФ > -О₂СН₂СН₂СО₂^- +СоА-SH + ГТФ

сукцинілкофермент А

4. ^-2О₃РНN-C(=NH)-N(CH₃)CH₂CO₂^- + АДФ > H₂N-C(=NH)-N(CH₃)CH₂CO₂^- + АТФ

креатинфосфат

Реакції 1 і 2 є найважливішими джерелами АТФ при анаеробному перетворенні глюкози.

Хімічні зв'язки, гідроліз яких характеризується значеннями ?G⁰ порядку 30кДж/моль та вище (за абсолютним значенням) у біохімії часто називають макроергічними зв'язками. До їх числа відносять і пірофосфатні групи в нуклеозидтрифосфатах, в тому числі і АТФ. Самі сполуки, які мають такі зв'язки, називають макроергами. Макроерги в основному є ангідриди фосфорної і карбонової кислот, а також слабких кислот, якими є тіоли і єноли.

2. Гліколіз

Гліколіз є першим, а в анаеробних умовах основним етапом на шляху використання глюкози та інших вуглеводів для забезпечення біоенергетичних потреб живих організмів. Крім того, на проміжних стадіях гліколізу утворюються трикарбонові фрагменти, які використовуються для біосинтезу ряду речовин.

Стрижневим етапом гліколізу є окиснювальна деструкція глюкози до двох молекул пірувату - солі піровиноградної кислоти з використанням в якості окиснювача двох молекул НАД⁺. Стехіометричне рівняння процесу записується у вигляді:

С₆Н₁₂О₆ + 2НАД⁺ > 2СН₃СОСО₂^- +4Н⁺ + 2НАД·Н

Розглянемо основні стадії цього процесу і ферменти що їх каталізують.

1. Перетворення глюкози в глюкозо-6-фосфат, що каталізується гексокіназою.

Утворення в цій реакції глюкозо-6-фосфату пов'язано із звільненням значної кількості вільної енергії системи і може вважатися практично незворотнім процесом.

2. Ізомеризація глюкозо-6-фосфату у фруктозо-6-фосфат, що каталізується глюкозо-6-фосфатізомеразою.

О=СН-СНОНСНОНСНОНСНОНСН₂ОРО₃^2- - НОСН₂СОСНОН СНОНСНОНСН₂ОРО₃²

3. Фосфорилування фруктозо-6-фосфату до фруктозо-1,6-дифосфата, що каталізується 6-фосфофруктокіназою:

НОСН₂СОСНОНСНОНСНОНСН₂ОРО₃^2- + АТФ > ^-2О₃РОСН₂СОСНОНСНОНСНОНСН₂ОРО₃^2-

4. Розпад фруктозо-1,6-дифосфата на гліцеральдегід-3-фосфат і дигідрооксиацетон фосфат, що каталізується фруктозодифосфатальдолазою:

^2-О₃РОСН₂СОСНОНСНОНСНОНСН₂ОРО₃^2- - ^2-О₃РОСН₂СОСН₂ОН + ОСНСНОНСН₂ОРО₃^2-

5. Ізомеризація дигідроксиацетонфосфата в гліцераль-3-фосфат, що каталізується триозофосфатізомеразою:

^2-О₃РОСН₂СОСН₂ОН - О=СНСНОНС₂ОРО₃^2-

Якщо наступні стадії є переважаючим шляхом перетворення глюкози, то ця реакція забезпечує поступове перетворення всього дігідроксиацетонфосфата в гліцеральдегід-3-фосфат.

6. Окиснення гліцеральдегід-3-фосфату до 1,3-дифосфогліцерату, що каталізується гліцеральдегід-3-фосфат дегідрогеназою:

О=СНСНОНС₂ОРО₃^2- + НРО₄^2- + НАД⁺ - ^2-О₃РОСОНОНСН₂ОРО₃^2- + НАД·Н + Н⁺

Процес відбувається через проміжне утворення тіоетеру між альдегідної групою, що окиснюється і групою SH залишку цистеїну, що входить в активний центр. Цей зв'язок піддається фосфоролізу неорганічним фосфатом з регенерацією активного центру і утворенням змішаного ангідриду 3-фосфогліцеринової та фосфорної кислот:

Е-SH + О=СНОНСН₂ОРО₃^2- + НАД⁺ - Е-SHСОНОНСН₂ОРО₃^2- + НАД·Н + Н⁺

Е-SHСОНОНСН₂ОРО₃^2- +НРО₄^2- - Е-SH + ^2-О₃РОСОНОНСН₂ОРО₃^2-

7. Перенесення фосфату з 1,3-дифосфогліцерату на АДФ з утворенням АТФ, що каталізується фосфогліцераткіназою:

^2-О₃РОСОНОНСН₂ОРО₃^2- + АДФ - ^-О₂ССНОНСН₂ОРО₃^2- + АТФ

Тобто, завдяки дії 2 ферментів - гліцеральдегід -3-фосфатдегідрогенази (рівн.6) і фосфогліцераткінази (рівн.7), енергія, що утворюється при окисненні альдегідної групи гліцеральдегід-3-фосфату до карбоксильної групи 1,3-дифосфогліцеринової кислоти запасається у формі енергії АТФ.

8. Ізомеризація 3-фосфогліцерата в 2-фосфогліцерат, що каталізується фосфогліцератмутазою. Реакція легкозворотня, протікає в присутності іонів Mg²⁺.

^-О₂ССНОНСН₂ОРО₃^2- - ^-О₂ССН(ОРО₃^2-)СН₂ОН

9. Дегідратація 2-фосфогліцерата каталізується єнолазою і призводить до утворення сильного макроергу - фосфоєнолпірувата, так як при гідролізі зв'язку Р-О зміна вільної енергії системи ДG° перевищує 21кДж/моль. Для дії єнолази необхідний Mg²⁺ або Mn²⁺.

^-О₂ССН(ОРО₃^2-)СН₂ОН - ^-О₂СС(ОРО₃^2-)=СН₂ + Н₂О

10. Перенесення фосфату від фосфоєнолпірувата на АДФ з утворенням ще однієї молекули АТФ, що каталізується піруваткіназою.

^-О₂СС(ОРО₃^2-)=СН₂ + АДФ + Н⁺ - СН₂=СОСО₂^- + АТФ

Для дії піруваткінази необхідні Mg²⁺ або Mn²⁺, а також одновалентні катіони лужних металів.

У вигляді схеми перетворення глюкози в 2 молекули пірувату можна представити схемою гліколізу:

Таким чином, на 1 і 3 стадіях гліколізу витрачається два макроергічних зв'язки в молекулах АТФ для перетворення молекули глюкози в глюкозо-6-фосфат і фруктозо-6-фосфату у фруктозо-1,6-дифосфат. На стадіях 7 і 10 в розрахунку на одну молекулу глюкози дві молекули АДФ перетворюються в дві молекули АТФ. Підсумком є перетворення двох молекул АДФ і двох молекул ортофосфата в дві молекули АТФ. З огляду на це сумарне рівняння слід записати у вигляді:

С₆Н₁₂О₆ +2НАД⁺ +2АДФ + 2НРО₄^2- > 2СН₃СОСО₂^- + 2НАД·Н +2Н⁺ + 2АТФ + 2Н₂О

В анаеробних умовах для розвитку процесу необхідна регенерація НАД⁺. Це відбувається двома шляхами. Один з них - відновлення НАД·Н, що накопичується, пірувату за допомогою ферменту лактатдегідрогенази, що каталізує реакцію:

СН₃СОСО₂^- +НАД·Н + Н⁺ - СН₃СНОНСО₂^- + НАД⁺

Відомо, що зміна вільної енергії при розщепленні молекули глюкози до двох молекул молочної кислоти становить близько 210 кДж/моль.

С₆Н₁₂О₆ > 2СН₃СНОНСО₂Н + 210 кДж/моль

З цієї кількості енергії близько 126 кДж/моль розсіюється у вигляді теплоти, а 84 кДж/моль накопичується в формі багатих енергією фосфатних зв'язків АТФ. Кінцевий макроергічний зв'язок у молекулі АТФ містить ~33,6-42,0 кДж/моль. Відповідно, коефіцієнт корисної дії анаеробного гліколізу становить близько 0,4.

Другий шлях анаеробного гліколізу - декарбоксилювання пірувату з утворенням СО₂ і ацетальдегіду і відновленням останнього до етанолу, каталізують відповідно піруватдекарбоксилаза і алкогольдегідрогеназа:

СН₃СОСО₂^- + Н⁺ > СН₃СНО +СО₂

СН₃СНО +НАД·Н+Н⁺ > СН₃СН₂ОН + НАД⁺

Ці процеси називають відповідно молочнокислим і спиртовим бродінням. Обидва вони широко використовуються в харчовій промисловості. Молочнокисле бродіння здійснюється різними молочнокислими бактеріями, спиртове бродіння - дріжджами.

Молочнокисле і спиртове бродіння - основні джерела забезпечення енергією зазначених мікроорганізмів в анаеробних умовах. З наведеного вище випливає, що біоенергетичним підсумком анаеробного гліколізу є утворення двох макроергічних зв'язків на одну деградовану молекулу глюкози.

В аеробних умовах, коли регенерація НАД⁺ відбувається в результаті окислення НАД·Н киснем в ланцюзі перенесення електронів, до цього скромному підсумку додається ще 6 молекул АТФ, що утворюються в результаті окисного фосфорилювання двох молекул НАД·Н. Стільки ж молекул АТФ утворюється в результаті появи ще двох молекул НАД·Н при функціонуванні піруватдегідрогенозного комплексу, підсумком якого є декарбоксилювання пірувата і зв'язування ацетильного залишку з коферментом А:

СоА-SH + СН₃СОСО₂^- + НАД⁺ > СоА-SСОСН₃ + СО₂ + НАД·Н (х2)

З урахуванням супутнього фосфорилювання АДФ стехіометричні рівняння для трьох варіантів гліколізу можливо записати у вигляді:

1. молочнокисле бродіння:

С₆Н₁₂О₆ + 2АДФ +2НРО₄^2- > 2СН₃СНОНСО₂Н + 2АТФ

2. спиртове бродіння:

С₆Н₁₂О₆ + 2АДФ +2НРО₄^2- > 2СН₃СНОН + 2СО₂ + 2АТФ

3. Аеробний гліколіз:

С₆Н₁₂О₆ + 4НАД⁺ + 2СоА-SH + 2НРО₄^2- + 2АДФ > 2СоАS-СОСН₃ + 2СО₂ + 4НАД·Н + 2АТФ

З останнього рівняння випливає, що з урахуванням АТФ, що утворюється при окисненні НАД·Н в ланцюзі перенесення електронів, перетворення молекули глюкози в два ацетильні фрагменти, пов'язаних з коферментом А, забезпечує утворення 14 молекул АТФ.

Якщо гліколіз починається не з глюкози, а з глікогену або крохмалю, то першою стадією процесу є фосфороліз полісахариду з утворенням глюкозо-1-фосфату, що далі ізомеризуєтьсяв глюкозо-6-фосфат. Після цього включається весь наступний ланцюжок перетворень. При цьому на введення першого залишку фосфорної кислоти в гексозу АТФ не витрачається. Отже, в цьому випадку біоенергетичний підсумок анаеробного процесу складе три молекули АТФ, а аеробного - 15.

3. Окиснення жирних кислот

Поряд з окисненням вуглеводів важливим біоенергетичним процесом є окиснення жирних кислот, тому що організми вищих тварин і і рослин можуть запасати і зберігати значні кількості нейтральних жирів в якості резервного палива. Нейтральний жир характеризується високою калорійністю (~9 ккал/г) і зберігається в практично безводній формі у вигляді внутрішньоклітинних жирових крапельок, тоді як глікоген або крохмаль (калорійність ~4ккал/г) занадто сильно гідратовані і не можуть зберігатися в настільки концентрованій формі. У голодуючих тварин або тварин, які знаходяться в сплячці, а також у перелітних птахів жир є по суті єдиним джерелом енергії. У хребетних щонайменше половина енергії, що поставляється окисними процесами, які протікають в клітинах печінки, нирок, серцевої і скелетних м'язів, що знаходяться в стані спокою, забезпечується за рахунок окиснення жирних кислот. У той же час для мозку єдиним джерелом енергії служить глюкоза.

Залишки жирних кислот довжиною до 18 атомів Карбону входять до складу жирів (в основному у вигляді триацилгліцеринів) і найважливіших фосфоліпідів, з яких побудовані численні мембрани. Жирні кислоти утворюються при гідролізі естерних зв'язків цих сполук внутрішньоклітинними ферментами - ліпазами і фосфоліпазами - або аналогічними ферментами в травному тракті вищих організмів.

Всі стадії окисної деструкції жирних кислот протікають з ацильними залишками, пов'язаними тіоетерним зв'язком з коферментом А. Активація молекул жирних кислот включає 3 стадії:

1. Ферментативна естерифікація вільної жирної кислоти коферментом А з утворенням ацилкоферменту А, яка відбувається пов'язано з розщепленням АТФ до АМФ і пірофосфату, та каталізується ацил-СоА синтетазою (тіокіназою жирних кислот):

СоА-SH + СН₃(СН₂СН₂)_хСО₂^- + АТФ - СоА-SСО(СН₂СН₂)_хСН₃ + АМФ + НОРО₂ОРО₃^-

2. Перенесення залишку жирної кислоти від ацилкофермента А на молекулу карнітину, за допомогою якого здійснюється транспортування цього залишку через внутрішню мембрану мітохондрії. Реакція каталізується карнітинацил-СоА-трансферазою:

СоА-SСО(СН₂СН₂)_хСН₃ + (СН₃)₃N⁺CH₂СНОНСН₂СО₂^- - СоА-SH + (CH₃)₃N⁺CH₂СН[ОСО(СН₂СН₂)хСН₃]СН₂СО₂^-

3. Перенесення залишку жирної кислоти від карнітину на внутрішньомітохондріальний кофермент А за допомогою того ж ферменту. Після цього починається ланцюжок перетворень, що призводить до ступінчастої деградації вуглеводневого ланцюга. Кожен цикл такої деградації призводить до вкорочення ланцюга на два атома Карбону і складається з наступних стадій:

1) Дегідрування б, в-метиленових груп за допомогою ферменту ацил-СоА- дегідрогенази. Фермент являє собою флавопротеїд, який, отримавши електрони (атоми Н) від ацильного залишку, передає їх за допомогою іншого флавопротеїда на кофермент Q, тобто в ланцюг перенесення електронів:

СоА-SСОСН₂СН₂(СН₂СН₂)_х-1СН₃ + СоQ > СоА-SCOСН=СН(СН₂СН₂)_х-1СН₃ + СоQН₂

В мітохондріях всього три ацил-СоА-дегідрогенази, специфічні до ацильних залишків різної довжини: коротким (4-6 атомів С), середнім (8-12 атомів С) і довгим (8-18 атомів С). Оскільки з коферменту Q електрони переносяться на кисень через комплекси III і IV, то біоенергетичним підсумком одного акта дегідрування б, в-метиленових груп є фосфорилювання двох молекул АДФ з утворенням двох молекул АТФ.

2) Гідратація подвійного зв'язку, що утворився на попередній стадії, яка каталізується єнол-СоА-гідратазой.

СоА-SCOСН=СН(СН₂СН₂)_х-1СН₃ + Н₂О - СоА-SCOСН₂СНОН(СН₂СН₂)_х-1СН₃

3) Окиснення гідроксигрупи до кетогрупи за допомогою НАД⁺, що каталізується 3-гідроксиацил-СоА-дегідрогеназою:

СоА-SCOСН₂СНОН(СН₂СН₂)_х-1СН₃ + НАД⁺ - СоА-SCOСН₂СО(СН₂СН₂)_х-1СН₃ +НАД·Н + Н⁺

4) Перенесення фрагмента СО(СН₂СН₂)_х-1СН₃ на SH-групу нової молекули коферменту А, що каталізується 3-кетоацил-СоА-тіолазою:

СоА-SН + СоА-SCOСН₂СО(СН₂СН₂)_х-1СН₃ › СоА-SCO(СН₂СН₂)_х-1СН₃ + СоА-SCOСН₃

Сумарне стехиометричне рівняння для процесів стадій 1-4 записується у вигляді:

СоА-SСОСН₂СН₂(СН₂СН₂)_х-1СН₃ + СоА-SH + СоQ + НАД⁺ + Н₂О >

СоА-SCO(СН₂СН₂)_х-1СН₃ + СоА-SCOСН₃ + СоQН₂ + НАД·Н + Н⁺

Новоутворена молекула ацилкофермента А з укороченим на два атома Карбону ацильним фрагментом вступає в наступний цикл деградації. Процес триває до тих пір, поки не утворюється ацетоацетилкофермент А, при взаємодії якого з молекулою коферменту Со утворюються дві молекули ацетилкофермента А.

СоА-SCOСН₂СОСН₃ + СоА-SH › 2СоА-SCOСН₃

Схема одного циклу окисної деструкції СН₂-СН₂ групи жирної кислоти:

У прямокутні рамки включені молекули АТФ, що утворюються в ланцюзі перенесення електронів при окисленні НАД * Н і СоQH₂. (Схема)

З урахуванням перетворень, що зазнають коферменти Q і НАД⁺, повне рівняння при окислювальній деградації залишку жирної кислоти з парним числом атомів Карбону можна записати у вигляді:

СоА-SСО(СН₂СН₂)_хСН₃ + хСоА-SH + хСоQ + хНАД⁺ ›(х+1)СоА-SCOСН₃ +х СоQН₂ + хНАД·Н

Якщо окислення СоQH₂ і НАД·Н далі здійснюється в ланцюзі перенесення електронів і супроводжується окиснювальним фосфорилюванням, то біоенергетичний підсумок перетворення одного ацильного залишку, що містить (2x + 2) атома С до (x + 1) ацетильного залишку полягає в утворення п'яти молекул АТФ. Це ще не повний підсумок, оскільки подальше згоряння ацетильного залишку ацетилкофермента А до СО₂ і Н₂О супроводжується додатковим запасанням енергії (див. Цикл трикарбонових кислот).

Якщо деградації піддається ацильний залишок, що містить непарне число атомів С, а також при деградації деяких амінокислот ланцюжок процесів завершується утворенням пропіонілкоферменту А. В цьому випадку відбувається перетворення пропіонільного залишку в чотирьохкарбоновий фрагмент шляхом приєднання молекули СО₂, що каталізується пропіоніл-СоА-карбоксилазою; далі відбувається ізомеризація метилмалонілкоферменту А, що утворився в сукцинілкофермент А за участю ферменту метилмалоніл-СоА-мутази:

СоА-SСОСН₂СН₃ + СО₂ + АТФ - СоА-SCOСН(СН₃)СО₂^- + АДФ + НРО₄^2- ›

СоА-SCOСН₂СН₂СО₂^- + АДФ + НРО₄^2-

Утворений сукцинілкофермент А, як показано нижче, далі деградує за загальною схемою в циклі трикарбонових кислот.



4. Кінцева деструкція вуглеводів, ліпідів і білків. Цикл трикарбонових кислот Кребса

Повне згоряння як жирних кислот, так і вуглеводів вимагає окислення до СО₂ і води ацетильного залишку, пов'язаного з коферментом А. Згорання відбувається в системі реакцій, званих циклом трикарбонових кислот або по імені дослідника, що сформулював його - циклом Кребса. Він складається з наступних стадій:

1. Взаємодія ацетилкоферменту А та оксалоацетата, що каталізується ферментом цитратсинтазою і полягає в приєднанні атома С метильної групи ацетильного залишку до карбонільного атому С оксалоацетату і одночасному гідролізі тіоетерного зв'язку:

СоА-SCOСН₃ + СО₂^-СН₂СОСО₂^- + Н₂О > ^-О₂ССОН(СН₂СО₂^-)₂ + СоА-SH + Н⁺

2. Ізомеризація цитрату (солі лимонної кислоти) в ізоцитрат, що каталізується ферментом аконітазою і проходить через проміжне утворення аконітата шляхом дегідратації цитрату і подальшої гідратації аконітата з перетворенням його в ізоцитрат:

^-О₂ССОН(СН₂СО₂^-)₂ - ^-О₂CС(СН₂СО₂^-)=СНСО₂^- +Н₂О - ^-О₂CСН(СН₂СО₂^-)СНОНСО₂^-

цитрат аконітат ізоцитрат

3. Окислення гідроксигрупи ізоцитрату до карбонільної групи за допомогою НАД⁺, що супроводжується елімінацією карбоксильної групи в в-положенні з утворенням кетогрупи, що каталізується ізоцитратдегідрогеназою:

^-О₂CСН(СН₂СО₂^-)СНОНСО₂^- +НАД⁺ › ^-О₂CСН(СН₂СО₂^-)СОСО₂^-+ НАД·Н >^-Q₂CСН₂СН₂СОСО₂^- + СО₂

б-кетоглутарат

4. Окиснювальне декарбоксилювання б-кетоглутарата, що каталізує б-кетоглутаратдегідрогеназою, і приводить до утворення сукцінілкофермента А і виділення другої молекули СО₂:

^-Q₂CСН₂СН₂СОСО₂^- + СоА-SH + НАД⁺ > СоА-SСОСН₂СН₂СО₂^- + НАД·Н + СО₂

5. Фосфорилювання ГДФ, поєднане з гідролізом макроергічних тіоетерних зв'язків в сукцинілкоферменте А, що каталізується сукцинат: СоА-лігазою (утворює ГДФ) і приводить до звільнення сукцината:

СоА-SСОСН₂СН₂СО₂^- + ГДФ + НРО₄^2- - СоА-SH + ^-Q₂CСН₂СН₂СО₂^- + ГДФ

6. Перетворення сукцината в фумарат, що каталізується сукцинат дегідрогеназою:

^-Q₂CСН₂СН₂СО₂^- + СоQ > транс-^-Q₂CСН=СНСО₂^- + СоQН₂

7. Гідратація подвійного зв'язку фумарата з утворенням малата (солі яблучної кислоти), що каталізується фумаратгідратазою:

^-Q₂CСН=СНСО₂^- + Н₂О - ^-Q₂CСН₂СНОНСО₂^-

8. Окислення гідроксигрупи малата до кетогрупи, що приводить до регенерації оксалоацетата, що каталізується малатдегідрогеназою:

^-Q₂CСН₂СНОНСО₂^- + НАД⁺ - ^-Q₂CСН₂СОСО₂^- + НАДН + Н⁺

В ході циклу трикарбонових кислот відновлюється до НАД·Н три молекули НАД, пара електронів надсилається в комплекси III і IV ланцюга перенесення електронів через кофермент Q і утворюється один макроергічний зв'язок у молекулі ГТФ. З урахуванням АТФ, що утворюються в ланцюзі перенесення електронів при окисленні НАД·Н і СоQН₂, згоряння ацетильного залишку в циклі карбонових кислот супроводжується утворенням 11 молекул АТФ і однієї ГТФ, тобто утворенням 12 макроергічних пірофосфатних зв'язків (12 біоенергетичних еквівалентів). Підсумкове стехіометричне рівняння циклу трикарбонових кислот можна записати у вигляді: біоенергетика гліколіз трикарбоновий

СоА-SCOСН₃ +3НАД⁺ + СоQ + ГДФ + НРО₄^2- +2Н₂О >

СоА-SН + 3НАД·Н + СоQН₂ + ГТФ + 2СО₂ + 2Н⁺

Схема циклу трикарбонових кислот (разом зі стадією окисного декарбоксилювання пірувата)

Размещено на Allbest.ru