Lenindzher Основы биохимии т.2 (1128696), страница 31
Текст из файла (страница 31)
Бег трусцой по 5 хм~лень 2. Обезжиренная диета 3. Диета с низким содержанием лактозы 4. Запрещается .тяжелая физическая работа 5. Болылне дозы ииацниа б. Частое и регулярное пихание 14. Тллеесть гыннических си,интомое, обусловленных Щерментной недоенюточностью. Клинические симптомы двух форм галактоземии, одна из которыя обусловлена недостаточностью галактокинаэы, а другая -- галактозо-! -фосфат — урндилилтрансферазы, реэко различаются по сваей тяжести. И атом и в другом случае молоко вызывает у больных кишечные расстройства, но прн недостаточности галактозо-1-фосфат — уридилнлтрансферазы нарушаются также функции печени, почек, селезенки и мозга.
а затем наступает смерть. Какие продукты накапливаются в крови и в тканях при недостаточности каждого из этих двух ферментов7 Оцените сравнительную токсичность этих продуктов на основе приведенных выше данных. ГЛАВА 16 ЦИКЛ ЛИМОННОЙ КИСЛОТЫ В предыдущей главе мы познакомились с тем, как энергия.
извлекаемая при расщеплении глюкозы в отсутствие кислорода, запасается в форме АТР. Однако почти все животньге и растительные клетки в норме аэробиы и свое органическое «топливо» окисляют полностью до двуокиси углерода и воды. В этих условиях пируват, образующийся при расщеплении глюкозы, не восстанавливается до лактата илн до этаиола и СО,, как в анаэробных условиях. Вместо этого он окисляется до СО, и НхО в аэробной стадии катаболизма, которую биохимики называют дыхаицелг. Говоря о дыхании, мы обычно имеем в виду его физиолога- ческий или макроскопический аспект, т, е. подразумеваем под этим термином процесс поглощения О, и вылеления СО, в легких.
Биохимики же и цитологи вклалывают в этот термин другой смысл: они рассматривают дыхание на микроскопическом уровне, т.е. интересуются молекулярными механизмами процессов потребления Ох и образования СО, в клетках. В клеточном дыхании различают три главные стадии (они показаны на рис. 16-1). На первой стадии органические соединения, играющяе роль клеточ- Рис 'гб- Ь Стадии кзетоаиого дыхания.
Сме днх 2: мобилизация ацетил-СоА из глюкозы. жирных кислот и некоторых амииокислот. Смядиа уд цгжл лимоииоя яислоты. С»ю- дия Зг перенос злектроиов и окислихсльиое фосфорилироваиие. На каждую пару атомов вопорода, поступаюпгую в цепь переноса злек- троиов в виде УЧАОН, образуются три моле- кулы АТР. ного топлива, т.е. углеводы, жирные кислоты и некоторые аминокислоты, окисляются до двухуглеролных фрагментов-апетнльных групп, входящих в со- Пируват Жирные ы"' ~Я.. ~лд Сгмкх ! Охг мснгг тат Цхтрат уаяхянен Питсхрем Е Цятохром с, хп,ьх [ЙД Пятохром с Цнтохром ля ( („ 478 ЧАГТЪ и БИОЭНЕРГЕТИКА И МЕТАБОЛИЗМ став ацетилкофермента А.
На второй стадии эти ацетильные группы включаются в цикл лимонной кислоты, в котором они ферментативным путем расщепляются с образованием высокоэнергетических атомов водорода и высвобождением СО,, которая представляет собой конечный продукт окисления органического топлива. На третьей стадии атомы водорода разделяются на протоны (Н' ) и богатые энергией электроны, которые передаются по цепи переносчиков электронов, или дыхательной пени, на молекулярный кислород и восстанавливают его в Н,О. Перенос элекэиранов сопровожлается выделением большого количества энергии, запасаемой в форме АТР в процессе, получившем название окислнтельного дзосг1горилироваыил. Дыхание — процесс гораздо болае сложный, чем гликолиз; было удачно сказано, что дыхание относьгтся к гликолизу так, как современная реактивная турбина к одноцилиндровому поршневому двигателю. В этой главе мы рассмотрим открытый Кребсом цикл .гиыонной кисло«ни, называемый также Чггклоле трикарбоновых кислот.
Это общий конечный путь для окисления ацетильных групп, в которые превращается в процессе катаболизма большая часть органических молекул, играющих роль клеточного топлива- углеводов, жирных кислот и аминокислот. !6.1. Прн окислении глюкозы до СОт и Н,О нысвобождаетси значительно больше энергии, чем при гликолизе Выше (дополнение 15-!) мы говорили о том, что при расщеплении глюкозы до лактата в процессе з.ликолиза высвобождается лишь очень небольшая часть химической энергии.
которая потенциально может быть извлечена из молекулы г люкозы. Гораздо больше энергии извлекается, когда молекула глюкозы окисляется полностью до СО, н НэО, в чем можно убедиться, сравнив величины изменения стандартной свободной энергии ддя этих двух реакций: Число атаман водорода, присоединенных к углероду Ф вЂ” С вЂ” Ф 4 ! Метан Метанол Формальдгзгнд йй — С вЂ” йи 2 О 4-С вЂ” ОН !! О Муравьиная кислота Двуокись углерода СО б Рис. Гб-Х Последовательные этапы окисление метана ло ОО« Па мере того как четыре атома водорода адин за другим опнепляштся ат углерола, скачкаабрьзна сниэггется н коли- чество доступной саабаднок энергии. В прос- ты«органически«соединения«отношение чис- ла связанны«с углеродам атаман водорода к числу атомов углерода приблизительно про- парпионапьно стандартная сяоболиов энергии окяслення даинога соединения до ОО«.
Глюкоза — 2Лактат + 2Н' Лбо' =- — 47,0 ккал~молть Глюкоза + 6Оэ — 6СОя + 6Н,О Лба' = — 686 ккал/моль. Когда в клетках расщепление глюкозы протекает анаэробно, продукт этого расщепления, лактат, солержит в себе приблизительно 93;;-' той энергии, которая была заключена в исходной молекуле глюкозы. Объясняется это тем, что молочная кислота — соединение почти столь ГЛ. Гб.
ЦИКЛ ЛИМОННОЙ КИСЛОТЫ 479 же сложное, как глюкоза, а также тем, что реального окисления при гликолизе не происходит. Количество свободной энергии, выделяющееся при полном сгорании какого-нибудь органического соединения, приблизительно пропорционально величине отношения между числом атомов водорода, связанных с углеродом, и общим числом углеродных атомов, как это видно из очень простого примера, приведенного на рис. !6-2. Вся биологически лоступная свободная энергия высвобождается из глюкозы или из другого органического топлива лишь в том случае, если все водородные а~омы, связанные с атомами углерода данной молекулы, будут удалены и заменены кислородом с образованием СО,. 16.2. Пируват должен сначала окислиться до ацетил-СоА и СО, Углеводы, жирные кислоты и большинство аминокислот окисляются в конечном счете через цикл лимонной кислоты до СОг и НзО.
Однако, прежде чем эти питательные вещества будут вовлечены в цикл, их углеролный скелет должен быть разрушен, а его фрагменты должны превратиться в ацетильныс группы ацетил-СоА, потому что именно в этой форме цикл лпмонной кислоты принимает большую часть поступающего в него «топлива». О том, как из жирных кислот и аминокислот образуются ацетильные группы для этого цикла, мы узнаем из гл. 18 и 19. Здесь же мы рассмотрим процесс, в результате которого пируват, образовавшийся при гидролитическом расщепленип глюкозы, окисляется до ацетил-СоА и СО, при участии набора ферментов, объединенных структурно в так называемый пируватдегидрогеназний комплекс. Эта мультиферментная система, находящаяся у эукариотических клеток в мнтохондриях, а у прокариотических-в цито- плазме, катализирует следующую суммарную реакцию: Пируват + УЧАО + СоА-БН Ацстил-СоА + АРАОН + СОз Аб~' = — 8,0 ккал1моль.
В ходе этой довольно сложной реакции происходит окислительное декарбоксилиравание пирувата-процесс дегидрирования, в результате которого карбоксильная группа пирувата удаляется в виде молекулы СО,, а его ацетнльная группа включается в состав ацетил-СоА. Один атом водорода, о.пцепляемый от пирувата, обнаруживается в составе АРАОН, а другой — в виде Н '. Затем образовавшийся ~аким путем АРАОН передает свои электроны в цепь переноса электронов (рис.
16-1), по которой они в конечном счете передаются на молекулярный кислород. В объединенном процессе дегидрирования и декарбоксилирования пирувата до ацетил-СоА участвуют последовательно три разных фермента: нируватдегидрогеназа (Е,), дигидролиноил-аиетилтрангфграза (Ез) н дигидролипоилдегидрогеназа (Е,), а также пять коферментов. или простетнческих групп - тиа.ииннирофогфат (ТРР), флавинадениндинуклеотид (ГАВ), кофермент А (СоА), никотинамидадениндинуклеотид (ХАО' ) и липсевач кислота. Все эти фермензъг и коферменты объединены в мультифермснтную систему, которую впервые выделили и подробно исследовали Лестер Рнд с сотрудниками из Техасского университета. Четыре витамина из числа тех, в которых нуждается организм человека, являются необходимыми компонентами именно этой сястемы.
Эти витамины: тиамин (в ТРР), рибофлавин (в ГАО), пантотеновая кислота (в СоА) и никотинамид (в УЧАО+). Кроме того, для реакции требуется еще и липоевая кислота (рис. 16-3); она играет роль необходимого витамина, или фактора роста у некоторых микроорганизмов, тогда как высшие животные способны ее синтезировать из легко доступных предшественников. Пируватдегидрогеназный комплекс, выделенный из клеток Е. со(6 представляет собой частицу диаметром около 45 нм, т.е. несколько большую по своим размерам, чем рибосома.Молекулярная масса этой крупной мультиферментной системы превышает 6 10«.
В центре комплекса, составляя как бы его «ядро», к которому прикрепляются другие ферменты, распо- ЧАЕТЪ Н БИОЭНЕРГЕТИКА И МЕТАБОЛИЗМ лагается дигидролипонл-ацетилтрансфераза (мол. Масса 200 000). Ее молекула состоит нз 24 субъединиц- полипептидных цепей, в каждой из которых к двум специфическим остаткам лизина в активном центре субъединицы присоединены две липоильные группы (присоединение происходит путем образования пептидной связи между карбокснльной группой липоевой кислоты н е-аминогруппой остатка лизина; рис. 1б-3). К дипщролипоилацетилтрансферазе присоединены очень '$ сн, лччхсн нн сн, Ыгим иии, сн, Н С Пмии, ии н 1 чеи ип~ ихиро рераин крупные молекулы пируватдегидрогеназы н дигндролипоилдегидрогеназы. Пируватдегидрогеназа содержит связанный тиаминпирофосфат, а дигидролипоилдегндрогеназа-связанный ГА0.
Липоиллизиновые группы центрального фермента пируватдепщрогеназного комплекса, имеющие длину около 1.4 нм, функционируют как иповоротные кронштейны», переносящие атомы водорода и ацетнльные группы от одной ферментной молекулы комплекса к другой. К пируватдегидрогенаэному комплексу присоединены еще и два других фермента, регулирующие пируватдегидрогеназную реакцию (о них будет сказано ниже). На рис. 16-4 представлена в схематическом виде катализируемая пируватдегидрогеназным комплексом последовательность реакций, в ходе которых осуществляется декарбоксилирование сн. сн, сн, сн, ооон ооон 1иииии а тир и1 ии ' О'ги сн, сгг-з -с-сн.
сн, ооон Лии:и м и дегидрирование пнрувата. Эта последовательность включает пять стадий. На стадии 1 пируват теряет свою карбоксильную группу в результате взаимодействия с тиаминпирофосфатом, присоединенным к пнруватдегидрогеназе (Е, ); в результате этой реакции образуется гидроксиэтильное производное тиаминпирофосфата с пщроксиэтильной группой при тиазольном кольце (равд. !0.4). Пируватдегндрогеназа катализирует также стадию 2 — перенос атомов водорода Рис 16-3. Липпевая кислота и ее активная форма. представлшоюая собой простетическую группу лигидролипоил-апетнлтраисферазм, Липоевав кислота и липоильная группа могут сушествовап.
вокисленной 1лисульфнлнои). воссгановленной 1дитиоловой1 и апетнлнрованной формах. Поэтому липоильная группа лействует и как переносчик водорода, и «ак переносчик адетильных групп.Лиооиллиэиновая группа, имеюшав длину около 1Я нм. действу. ет «ак ьдоворотный кронштейн» Онв переносит атомы водорода от пируватлегкдрогеназы на дигилролипоилдегилрагеназу, а такие анетильную группу на СоА-БН. Липоевую кисло гу называют н нагла псевдо- аитамнном и ацетильной группы от тиаминпирофосфата на окисленную форму липоиллизиновых простетических групп центрального фермента комплекса, дигилролипоилацетилтрансферазы, с образованием б-ацетилтиоэфира восстановленных липоильных групп. На стадии 3 молекула СоА-ЯН взаимодействует с ацетильным производным дигицролипонл-ацетилтрансферазы, что приводит к образованию ацетил-Я-СоА и к полностью восстановленной, или дитиоловой, форме липоильных групп.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
