Биологическая роль общего пути катаболизма

1. За один оборот ЦТК молекула пировиноградной кислоты полностью окисляется до углекислоты и воды.

С₃Н₄О₃ + 3Н₂О + 2 ½О₂ → 3CО₂ + 5 H₂O

Всего образуется 3 молекулы СО₂ в следующих реакциях: при окислительном декарбоксилировании пировиноградной кислоты, при декарбоксилировании изолимонной кислоты и при декарбоксилировании α-кетоглутаровой кислоты. В общий путь катаболизма вступает 3 молекулы воды: в реакции окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты, α-кетоглутаровой кислоты и гидрирования фумаровой кислоты. Всего при окислении пировиноградной кислоты отнимается пять пар атомов водорода, из них одна пара – от сукцината и поступает на ФАД, четыре пары – на НАД⁺ с образованием НАДН+Н⁺ при окислительном декарбоксилировании пировиноградной, α-кетоглутаровой кислот, дегидрировании изоцитрата и малата.

2. В общем пути катаболизма выделяют 2 группы реакций. 1) Окислительное декарбоксилирование пирувата, сопровождаемое образованием НАДН+Н⁺. 2) Окисление ацетил-КоА в цикле Кребса. После дегидрировании метаболитов цикла трикарбоновых кислот образуется 3НАДН + Н⁺ и ФАДН₂, которые передают свои протоны и электроны на дыхательные цепи, где в сопряженных реакциях окислительного фосфорилирования и образуются молекулы АТФ. Общий итог:

1. Окислительное декарбоксилирование пирувата - 3 АТФ.

2. В ЦТК и сопряженных дыхательных цепях - 11 АТФ.

3. В реакции субстратного фосфорилирования ЦТК - 1 АТФ.

Итого: 15 АТФ.

В общем пути катаболизма образуется 3 молекулы СО₂ (1 на стадии декарбоксилирования пирувата и 2 в ЦТК). И атом кислорода и атом углерода в углекислоте происходят от субстратов окисления.

Амфиболическая функция цикла трикарбоновых кислот включает катаболические и анаболические реакции.

Катаболические реакции – это окисление ацетил-КоА, возникшего из пирувата (окисление глюкозы) или жирных кислот (β-окисление жирных кислот), и превращения некоторых аминокислот путем переаминирования в пируват (ала), ЩУК (асп) или α-кетоглутарат (глу).

Анаболические реакции: 1) Ацетил-КоА является исходным соединением для синтеза жирных кислот и, следовательно жиров, изопреноидов (включая стероиды), кетоновых тел. Ацетил-КоА служит донором ацетильной группы в синтезе различных эфиров (ацетилхолин, ацетилглюкозамин и др.). 2) Соединения, участвующие в ЦТК, образуют фонд промежуточных веществ, дающих начало ряду биосинтетических процессов. Например: a-кетоглутарат является важнейшим акцептором аминогрупп в реакциях трансаминирования: превращается в глутаминовую кислоту, которая затем превращается в глутамин, пролин, орнитин, цитруллин, аргинин и другие метаболиты. ЩУК является ключевым соединением для глюконеогенеза (синтеза углеводов). Путем трансаминирования из ЩУК образуются аспарагиновая кислота, аспарагин. Аспарагиновая кислота необходима для получения пиримидиновых нуклеотидов и некоторых аминокислот. Сукцинил-КоА может образовывать с глицином d-аминолевулиновую кислоту, которая конденсируется в порфобилиноген ® гем, цитохромы. Фумарат является одним из продуктов разложения ароматических аминокислот, он также образуется из аспарагиновой кислоты в цикле мочевины.

Итак, общий путь катаболизма обеспечивает: 1) продукцию энергии в дыхательных цепях, поставляя в нее протоны и электроны; 2) ряд биосинтетических процессов, начинающихся от ацетил-КоА и метаболитов ЦТК.

Роль витаминов в регуляции общего пути катаболизма. Семь витаминов выполняют функции кофакторов ферментов общего пути катаболизма.

1) Пируват- и a-кетоглутарат-дегидрогеназные комплексы: В₁ - необходим для синтеза ТПФ; липоевая кислота (витаминоподобное вещество); В₃ - необходим для синтеза HS-КоА; В₂ - необходим для синтеза ФАД; В₅ (РР) - необходим для синтеза НАД.

2) Биотин катализирует реакцию карбоксилирования пирувата с образованием ЩУК (щавелевоуксусной кислоты).

3) В₆ необходим для синтеза пиридоксальфосфата, являющегося кофактором аспартат- и аланинаминотрансфераз, катализирующих превращение аспарата в ЩУК и аланина в пируват, соответственно. Перечисленные выше витамины должны составлять основу сбалансированных поливитаминных препаратов.

Цикл трикарбоновых кислот обнаружен у животных, растений и микроорганизмов. Он может протекать не только в аэробных, но и в анаэробных условиях, например у фотосинтезирующих бактерий при наличии подходящего акцептора атомов водорода.

В клетках высших растений, плесневых грибов, ряда бактерий обнаружен глиоксилатный цикл (Г.Кребс, 1957), который служит механизмом пополнения промежуточных продуктов ЦТК. В животных клетках пока не найдены ключевые ферменты этого цикла. Глиоксилатный цикл – это видоизмененный ЦТК, в котором изоцитратдегидрогеназа и α-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс заменены изоцитрат-лиазой, которая расщепляет изолимонную кислоту до янтарной и глиоксиловой кислот. Другой ключевой фермент цикла – малат-синтаза, которая катализирует реакцию конденсации ацетил-КоА с глиоксиловой кислотой с образованием L-малата и HS-КоА. Итак, в глиоксилатном цикле идут следующие превращения: ЩУК + ацетилКоА → лимонная кислота → цис-аконитовая кислота → изолимонная кислота (выделяется сукцинат) → глиоксиловая кислота + ацетилКоА→ яблочная кислота (выделяются 2Н) → ЩУК. Таким образом, при каждом обороте цикла в него включаются две молекулы ацетилКоА и выделяется одна молекула янтарной кислоты. На последнем этапе цикла в малатдегидрогеназной реакции выделяются 2 атома водорода, которые в цепях переноса электронов дадут 3 молекулы АТФ.

Глиоксилатный цикл найден у микроорганизмов и дрожжей, использующих в качестве энергетического и пластического материала двухуглеродные соединения, например глицин или гликолевая кислота. Если уксусная кислота и этанол включаются в ЦТК в виде ацетилКоА, то глицин и гликолевая кислота окисляются до глиоксиловой кислоты. В тканях растений с помощью глиоксилатного цикла протекает превращение жиров в углеводы. Особенно активно этот процесс реализуется в прорастающих семенах масличных растений. Резервные триацилглицеролы расщепляются до жирных кислот, окисление последних ведет к образованию ацетилКоА, который в реакциях глиоксилатного цикла дает янтарную кислоту. Последняя превращается в углеводы через реакции ЦТК и глюконеогенеза. Глиоксилатный цикл локализуется в микротельцах растений, называемых глиоксисомами. Глиоксилатный цикл найден у беспозвоночных нематод и трематод (Fasciola hepatica). Появляются отдельные сообщения о выявлении ключевых ферментов глиоксилатного цикла в тканях позвоночных на стадии эмбриогенеза и в печени голодавших крыс.