Katabolismin yleinen polku on joukko biokemiallisia prosesseja, jotka sisältävät:
Suurin osa dehydrausreaktioiden substraateista muodostuu katabolian yleisellä reitillä. Yhdessä hengitysketjun ja oksidatiivisen fosforylaation kanssa yleinen kataboliareitti on tärkein energianlähde ATP:n muodossa [1] .
Pyruvaatin hapettuminen asetyyli-CoA:ksi tapahtuu useiden entsyymien ja koentsyymien osallistuessa, jotka ovat rakenteellisesti yhdistyneet monientsyymijärjestelmäksi, jota kutsutaan "pyruvaattidehydrogenaasikompleksiksi" [2] .
Tämän prosessin vaiheessa I pyruvaatti menettää karboksyyliryhmänsä johtuen vuorovaikutuksesta tiamiinipyrofosfaatin (TPP) kanssa osana pyruvaattidehydrogenaasientsyymin ( E1 ) aktiivista keskustaa . Vaiheessa II E1-TPF-CHOH-CH3-kompleksin hydroksietyyliryhmä hapetetaan muodostaen asetyyliryhmän , joka samanaikaisesti siirtyy entsyymiin liittyvään lipoiinihappoamidiin (koentsyymiin) dihydrolipoyyliasetyylitransferaasin (E2 ) avulla. Tämä entsyymi katalysoi vaihetta III - asetyyliryhmän siirtymistä koentsyymi-CoA:ksi (HS-KoA), jolloin muodostuu lopputuote asetyyli-CoA , joka on korkeaenerginen ( korkeaenergia ) yhdiste [2] .
Vaiheessa IV lipoamidin hapetettu muoto regeneroidaan pelkistetystä dihydrolipoamidi-E2- kompleksista . Dihydrolipoyylidehydrogenaasientsyymin (E 3 ) osallistuessa vetyatomit siirtyvät dihydrolipoamidin pelkistetyistä sulfhydryyliryhmistä FAD:hen, joka toimii tämän entsyymin proteettisena ryhmänä ja liittyy vahvasti siihen. Vaiheessa V pelkistynyt FADH2- dihydrolipoyylidehydrogenaasi siirtää vetyä koentsyymille NAD muodostaen NADH + H + [2] .
Pyruvaatin oksidatiivinen dekarboksylaatioprosessi tapahtuu mitokondriomatriisissa . Se sisältää (osana monimutkaista monientsyymikompleksia ) 3 entsyymiä (pyruvaattidehydrogenaasi, dihydrolipoyyliasetyylitransferaasi, dihydrolipoyylidehydrogenaasi) ja 5 koentsyymiä (TPF, lipoiinihappoamidi, koentsyymi A , FAD ja NAD), joista kolme liittyy suhteellisen voimakkaasti entsyymit (TPF- E1 , lipoamidi-E2 ja FAD-E3 ) , ja kaksi hajoavat helposti (HS-KoA ja NAD) [2] .
Kaikki nämä entsyymit, joilla on alayksikkörakenne, ja koentsyymit on järjestetty yhdeksi kompleksiksi. Siksi välituotteet pystyvät olemaan nopeasti vuorovaikutuksessa toistensa kanssa. On osoitettu, että dihydrolipoyyliasetyylitransferaasialayksiköiden polypeptidiketjut, jotka muodostavat kompleksin, muodostavat ikään kuin kompleksin ytimen, jonka ympärillä pyruvaattidehydrogenaasi ja dihydrolipoyylidehydrogenaasi sijaitsevat. On yleisesti hyväksyttyä, että natiivi entsyymikompleksi muodostuu itsekokoonpanon kautta.
Pyruvaattidehydrogenaasikompleksin katalysoima kokonaisreaktio voidaan esittää seuraavasti:
Pyruvaatti + NAD + + HS-KoA \ u003d asetyyli-CoA + NADH + H + + CO 2 .
Reaktioon liittyy merkittävä standardi vapaan energian lasku ja se on käytännössä peruuttamaton.
Oksidatiivisessa dekarboksylaatioprosessissa muodostuva asetyyli-CoA hapettuu edelleen, jolloin muodostuu CO 2 :ta ja H 2 O:ta. Asetyyli-CoA:n täydellinen hapettuminen tapahtuu trikarboksyylihappokierrossa (Krebsin sykli ). Tämä prosessi, samoin kuin pyruvaatin oksidatiivinen dekarboksylaatio, tapahtuu solujen mitokondrioissa [2] .
Arsenaatti, samoin kuin elohopea-ionit, muodostavat komplekseja lipoiinihapon -SH-ryhmien kanssa ja estävät pyruvaattidehydrogenaasia; kun ruokavaliossa ei ole riittävästi tiamiinia, pyruvaattidehydrogenaasin aktiivisuus laskee ja pyruvaatti voi kerääntyä. Tiamiinin puutetta esiintyy alkoholisteilla, joiden ruokavalio on häiriintynyt; kun heille annetaan glukoosia, pyruvaatin ja laktaatin nopeaa kertymistä voi tapahtua, mikä johtaa maitohappoasidoosiin , joka usein johtaa kuolemaan. Potilaille, joilla on perinnöllinen pyruvaattidehydrogenaasin puutos, voi myös kehittyä maitohappoasidoosi, erityisesti glukoosikuormituksen jälkeen . Lähes kaikkien hiilihydraattiaineenvaihdunnan entsyymien mutaatioita on rekisteröity, ja jokaisessa tapauksessa niiden seurauksena on ihmisen sairaus [3] .
Trikarboksyylihappokierto ( Krebsin sykli , sitraattikierto , sitruunahappokierto ) on keskeinen osa yleistä katabolian polkua , syklistä biokemiallista aerobista prosessia, jonka aikana kahden ja kolmen hiilen yhdisteet muuttuvat, joita muodostuu välituotteina eläviin organismeihin hiilihydraattien, rasvojen ja proteiinien hajoamisen aikana, jopa CO 2 . Tässä tapauksessa vapautunut vety lähetetään kudosten hengitysketjuun, jossa se hapetetaan edelleen vedeksi, osallistuen suoraan yleisen energialähteen - ATP :n - synteesiin .
Krebsin sykli on keskeinen vaihe kaikkien happea käyttävien solujen hengityksessä, elimistön monien aineenvaihduntareittien risteyskohdassa. Merkittävän energiaroolin lisäksi syklille on osoitettu myös merkittävä plastinen tehtävä, eli se on tärkeä esiastemolekyylien lähde, josta muiden biokemiallisten muutosten aikana solun elämälle tärkeitä yhdisteitä kuten aminohappoja , hiilihydraatteja, rasvahappoja jne. syntetisoidaan.
Sitruunahapon transformaatiosyklin elävissä soluissa löysi ja tutki saksalainen biokemisti Hans Krebs , josta hänelle (yhdessä F. Lipmanin kanssa ) myönnettiin Nobel-palkinto ( 1953 ).
Eukaryooteilla kaikki Krebsin syklin reaktiot tapahtuvat mitokondrioiden sisällä , ja niitä katalysoivat entsyymit yhtä lukuun ottamatta ovat vapaassa tilassa mitokondriomatriisissa, lukuun ottamatta sukkinaattidehydrogenaasia , joka sijaitsee mitokondrioiden sisäkalvolla ja integroituu. lipidikaksoiskerrokseen. Prokaryooteissa syklin reaktiot tapahtuvat sytoplasmassa.
Alkureaktiota, asetyyli-CoA:n ja oksaloasetaatin kondensaatiota, joka johtaa sitraatin muodostumiseen, katalysoi kondensoiva entsyymi sitraattisyntaasi, ja asetyyli-CoA:n metyylihiilen ja karbonyylihiilen välille muodostuu hiili-hiilisidos. oksaloasetaatista. Kondensaatioreaktiota, joka johtaa sitryyli-CoA:n muodostumiseen, seuraa tioeetterisidoksen hydrolyysi, johon liittyy suuri määrä vapaata energiaa lämmön muodossa; tämä määrittää reaktion kulkua vasemmalta oikealle, kunnes se on valmis:
Asetyyli-CoA + Oksaloasetaatti + H 2 O → Sitraatti + KoASH
Sitraatin muuttumista isositraatiksi katalysoi akonitaasi (akoniittihydrataasi), joka sisältää rautaa Fe 2+ -tilassa. Tämä reaktio suoritetaan kahdessa vaiheessa: ensin tapahtuu dehydraatio, jolloin muodostuu trans -akonitaatti (osa siitä jää kompleksiin entsyymin kanssa), ja sitten hydratoituminen ja isositraatin muodostuminen :
Sitraatti ↔ Kys- Akonitaatti ↔ Isositraatti
Reaktiota estää fluoriasetaatti , joka ensin muunnetaan fluoriasetyyli-CoA:ksi; jälkimmäinen kondensoituu oksaaliasetaatin kanssa muodostaen fluorositraattia. Akonitaasin suora estäjä on fluorositraatti; esto kerää sitraattia. Kokeet, joissa käytettiin 14C-isotoopilla leimattuja välituotteita, osoittavat, että akonitaasi on vuorovaikutuksessa sitraatin kanssa epäsymmetrisellä tavalla: se vaikuttaa aina sitraattimolekyylin siihen osaan, joka muodostui oksaaliasetaatista. Tätä oli aluksi vaikea selittää, koska sitruunahappo on ulkoisesti symmetrinen yhdiste. Kahden ryhmän - sitruunahapon CH2COOH - asema avaruudessa suhteessa ryhmiin - OH ja -COOH ei kuitenkaan ole identtinen . Akonitaasin epäsymmetrinen vaikutus on todisteena leimatun asetyyli-CoA:n "kohtalosta" (eli 14 C- atomin asemasta ) sitruunahapposyklin välituotteissa. On mahdollista, että cis -akonitaatti ei ole pakollinen välituote sitraatin ja isositraatin välillä ja muodostuu pääreitin sivuhaaraan. Lisäksi isositraattidehydrogenaasi katalysoi dehydrausta muodostamalla oksalosukkinaattia. Isositraattidehydrogenaasin kolmea eri muotoa on kuvattu. Yksi niistä, NAD + -riippuvainen, löytyy vain mitokondrioista. Entsyymin kaksi muuta muotoa ovat NADP + -riippuvaisia, joista toinen löytyy myös mitokondrioista ja toinen sytosolista. Hengitysketjun toimintaan liittyvän isositraatin hapetuksen suorittaa lähes yksinomaan NAD + -riippuvainen entsyymi:
Isositraatti + NAD + ↔ Oksalosukkinaatti (kompleksissa entsyymin kanssa) ↔ α-ketoglutaraatti + CO 2 + NADH + H +
Tätä seuraa dekarboksylaatio, jossa muodostuu a-ketoglutaraattia, jota myös isositraattidehydrogenaasi katalysoi. Tärkeä komponentti dekarboksylaatioreaktiossa ovat Mn 2+ (tai Mg 2+ ) -ionit. Saatavilla olevien tietojen perusteella reaktion välivaiheessa muodostunut oksalosukkinaatti jää kompleksiin entsyymin kanssa. α-ketoglutaraatti puolestaan käy läpi oksidatiivisen dekarboksylaation, joka on samanlainen kuin pyruvaatin oksidatiivinen dekarboksylaatio: molemmissa tapauksissa substraatti on α-ketohappo. Reaktiota katalysoi o- ketoglutaraattidehydrogenaasikompleksi, ja se vaatii saman kofaktorijoukon – tiamiinidifosfaatin, lipoaatin, NAD + :n , FAD:n ja CoA:n – osallistumisen; seurauksena muodostuu sukkinyyli-CoA, tioeetteri, joka sisältää korkean energian sidoksen.
α-ketoglutaraatti + NAD + + KoASH → sukkinyyli-CoA + CO 2 + NADH + H + .
Reaktion tasapaino on siirtynyt niin voimakkaasti kohti sukkinyyli-CoA:n muodostumista, että sitä voidaan pitää fysiologisesti yksisuuntaisena. Kuten pyruvaatin hapettumisen yhteydessä, arsenaatti estää reaktion, mikä johtaa substraatin (a-ketoglutaraatti) kertymiseen. Kierto jatkuu sukkinyyli-CoA:n konversiolla sukkinaatiksi, jota katalysoi sukkinaattitiokinaasi (sukkinyyli-CoA-syntetaasi):
Sukkinyyli-CoA + P i + BKT ↔ Sukkinaatti + GTP + CoASH
Yksi reaktiosubstraateista on GDP (tai IDP), josta muodostuu GTP (ITP) epäorgaanisen fosfaatin läsnä ollessa. Tämä on ainoa vaihe sitruunahapposyklissä, joka synnyttää korkeaenergisen fosfaattisidoksen substraattitasolla; α-ketoglutaraatin oksidatiivisessa dekarboksylaatiossa potentiaalinen vapaan energian määrä on riittävä NADH:n ja korkeaenergisen fosfaattisidoksen muodostamiseen. Fosfokinaasin katalysoimassa reaktiossa ATP:tä voi muodostua sekä GTP:stä että ITP:stä. Esimerkiksi:
GTP + ADP ↔ BKT + ATP.
Vaihtoehtoisessa reaktiossa, joka tapahtuu maksan ulkopuolisissa kudoksissa ja jota katalysoi sukkinyyli-CoA-asetoasetaatti-CoA-transferaasi (tioforaasi), sukkinyyli-CoA muuttuu sukkinaatiksi asetoasetaatin muuttuessa asetoasetyyli-CoA:ksi. Maksassa on deasylaasiaktiivisuutta, mikä saa aikaan osan sukkinyyli-CoA:n hydrolyysin muodostaen sukkinaattia ja CoA:ta. Seuraavaksi sukkinaatti dehydrataan, sitten lisätään vesimolekyyli, ja seuraava dehydrausvaihe johtaa oksaloasetaatin regeneroitumiseen :
Sukkinaatti + FAD ↔ Fumaraatti + FADH.
Ensimmäisen dehydrogenaation katalysoi sukkinaattidehydrogenaasi, joka on sitoutunut sisäisen mitokondrion kalvon sisäpintaan. Tämä on sitruunahapposyklin ainoa dehydrogenaasireaktio, jonka aikana vedyn suora siirto substraatista flavoproteiiniin tapahtuu ilman NAD + :n osallistumista . Entsyymi sisältää FAD:ta ja rauta-rikkiproteiinia (Fe:S). Dehydrauksen seurauksena muodostuu fumaraattia. Isotooppeja käyttävät kokeet ovat osoittaneet, että entsyymi on stereospesifinen sukkinaatin metyleeniryhmien trans -vetyatomeille. Malonaatin tai oksaloasetaatin lisääminen estää sukkinaattidehydrogenaasia, mikä johtaa sukkinaatin kertymiseen . Fumaraasi (fumaraattihydrataasi) katalysoi veden lisäämistä fumaraattiin malaatin muodostamiseksi:
Fumaraatti + H 2 O ↔ L-malaatti.
Fumaraasi on spesifinen malaatin L-isomeerille; se katalysoi vesimolekyylikomponenttien lisäystä fumaraattikaksoissidokseen trans-konfiguraatiossa. Malaattidehydrogenaasi katalysoi malaatin muuttumista oksaloasetaatiksi, reaktio etenee NAD + :n osallistuessa :
L-malaatti + NAD + ↔ Oksaloasetaatti + NADH + H + .
Vaikka tämän reaktion tasapaino on siirtynyt voimakkaasti malaatin suuntaan, se etenee itse asiassa oksaloasetaatin suuntaan . koska sitä kulutetaan yhdessä NADH:n kanssa jatkuvasti muissa reaktioissa. Sitruunahapposyklin entsyymejä, lukuun ottamatta α-ketoglutaraattia ja sukkinaattidehydrogenaasia, löytyy myös mitokondrioiden ulkopuolelta . Jotkut näistä entsyymeistä (esim. malaattidehydrogenaasi) eroavat kuitenkin vastaavista mitokondrioentsyymeistä.
Jotkut aineenvaihduntareitit päättyvät metaboliitteihin, jotka ovat osa kiertoa; toiset päinvastoin ovat peräisin sen metaboliiteista. Puhumme glukoneogeneesin, transaminaatio-, deaminaatio- ja rasvahappojen synteesin prosesseista [3] .
Glukoneogeneesi , transaminaatio ja deaminaatio
Kaikki tärkeimmät kiertoon osallistuvat yhdisteet, sitraatista oksaloasetaattiin , ovat mahdollisesti glukogeenisia. Sekä maksassa että munuaisissa niistä voi muodostua glukoosia , koska näissä elimissä on täydellinen sarja glukoneogeneesiin tarvittavia entsyymejä . Avainentsyymi glukoneogeneesiprosessissa on fosfoenolipyruvaattikarboksykinaasi, joka katalysoi oksaloasetaatin dekarboksylaatiota (jossa GTP osallistuu korkeaenergisen fosfaatin lähteenä) muodostaen fosfoenolipyruvaattia:
Oksaloasetaatti + GTP \u003d fosfoenolipyruvaatti + CO 2 + BKT. [3]
Yhdisteet tulevat kiertoon useiden erilaisten reaktioiden seurauksena. Yksi merkittävimmistä on oksaloasetaatin muodostuminen pyruvaattikarboksylaatiossa , jota pyruvaattikarboksylaasi katalysoi:
ATP + CO 2 + H 2 O + pyruvaatti ↔ oksaloasetaatti + ADP + P i .
Tämä reaktio tarjoaa riittävät oksaloasetaattipitoisuudet, kun se kondensoidaan asetyyli-CoA:n kanssa . Jos asetyyli-CoA:n pitoisuutta lisätään, se toimii pyruvaattikarboksylaasin allosteerisena aktivaattorina ja nopeuttaa oksaloasetaatin muodostumista. Laktaatti , joka on tärkeä substraatti glukoneogeneesille, siirtyy kiertoon sen jälkeen, kun se muuttuu ensin pyruvaatiksi ja sitten oksaaliasetaatiksi. Transaminaasien katalysoimissa reaktioissa alaniinista muodostuu pyruvaattia, aspartaatista oksaloasetaattia ja glutamaatista α - ketoglutaraattia . Näiden reaktioiden palautuvuuden vuoksi kierto voi toimia hiilirunkojen lähteenä ei- välttämättömien aminohappojen synteesissä [3] . Esimerkiksi:
Aspartaatti + pyruvaatti ↔ Oksaloasetaatti + alaniini
Glutamaatti + pyruvaatti ↔ α-ketoglutaraatti + alaniini
Myös muut aminohapot osallistuvat tietyllä tavalla glukoneogeneesiin, koska deaminoinnin tai transaminoinnin jälkeen niiden hiilirunko sisältyy kokonaan tai osittain kiertoon. Esimerkkejä ovat alaniini , kysteiini , glysiini , hydroksiproliini , seriini , treoniini ja tryptofaani , joista muodostuu pyruvaattia; arginiini, histidiini, glutamiini ja proliini, joista muodostuu glutamaattia ja sitten a-ketoglutaraattia; isoleusiini , metioniini ja valiini , joista muodostuu sukkinyyli-CoA ; fumaraatti muodostuu tyrosiinista ja fenyylialaniinista . _ Aineet, jotka muodostavat pyruvaattia , joko hapettuvat kokonaan CO 2 :ksi pyruvaattidehydrogenaasireitin kautta, mikä johtaa asetyyli-CoA:n muodostumiseen, tai seuraavat glukoneogeneesireittiä oksaloasetaatin muodostuessa karboksylaation seurauksena [3] .
Asetyyli-CoA , joka muodostuu pyruvaatista pyruvaattidehydrogenaasin vaikutuksesta, on päärakennusaine pitkäketjuisten rasvahappojen synteesissä nisäkkäillä (poikkeuksena ovat märehtijät, joissa asetyyli-CoA muodostuu suoraan asetaatista). Koska pyruvaattidehydrogenaasi on mitokondrioiden entsyymi ja rasvahappojen synteesientsyymit sijaitsevat mitokondrioiden ulkopuolella, solujen on kuljettava asetyyli-CoA:ta mitokondriokalvon läpi, joka on sitä läpäisemätön. "Kuljetus" suoritetaan seuraavasti: asetyyli-CoA siirtyy sitruunahappokiertoon, jossa se osallistuu sitraatin muodostumiseen; jälkimmäinen kuljetetaan mitokondrioista ja muuttuu jälleen asetyyli-CoA:ksi sytosolissa ATP-sitraattilyaasientsyymin katalysoiman reaktion seurauksena [3] .
Sitraatti + ATP + KoA → asetyyli-KoA + oksaloasetaatti + ADP + P i .
Pääasiallinen hengitysnopeutta ja fosforylaatiota säätelevä tekijä on kehon energiantarve. ATP - synteesi suoritetaan CPE:ssä, mutta suurin osa hengitysketjun pelkistetyistä ekvivalenteista tulee tavallisista kataboliareiteistä. Siksi yleisten katabolian reittien ja hengitysketjun säätely liittyvät läheisesti toisiinsa.
Solun energiatilan arvioimiseksi käytetään energiavarauksen arvoa, joka heijastaa ATP:n pitoisuuden suhdetta sen hajoamistuotteisiin - ADP ja AMP. Energiavarauksen lisääntyessä solussa (levossa) katabolian yleisten reittien reaktioiden nopeus laskee ja energiavarauksen pienentyessä se kasvaa. Tämä saavutetaan johtuen siitä, että ATP toimii allosteerisena inhibiittorina, kun taas ADP ja AMP toimivat joidenkin DMO-entsyymien allosteerisina aktivaattoreina.
DMO:n säätely suoritetaan neljän reaktion tasolla, joita katalysoivat:
PDC:n katalysoima reaktio on avainreaktio, koska se on aineenvaihduntareittien risteyksen keskellä ja tarjoaa prosessien, kuten glykolyysin , glukoneogeneesin , rasvahapposynteesin ja hapettumisen , välisen yhteyden . PDC tarjoaa sitraattisykliin substraatin - asetyyli-CoA:n .
Ihmisen biokemia: 2 osassa. Per. englannista: - M .: Mir, 1993. - 384 s., ill. ISBN 5-03-001774-7