1 Биохимия и молекулярная биология Лекция 3. Аэробный катаболизм глюкозы
2 Содержание Аэробный гликолиз Окислительное декарбоксилирование пирувата Цикл лимонной кислоты Биохимические функции цикла Кребса Регуляция цикла Кребса Анаплеротические реакции, пополняющие запас компонентов, участвующих в цикле Кребса Аэробный катаболизм глюкозы
3 Этапы аэробного окисления глюкозы Аэробный катаболизм глюкозы Аэробный катаболизм глюкозы C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 >> 6 CO 2 + 6 H 2 O 1. Аэробный гликолиз. 2. Окислительное декарбоксилирование пирувата. 3. Цикл Кребса. 4. Окислительное фосфорилирование в ЭТЦ (образование основного количества АТР).
4 Этапы аэробного окисления глюкозы Аэробный катаболизм глюкозы Аэробный катаболизм глюкозы
5 Этапы аэробного окисления глюкозы Аэробный катаболизм глюкозы Аэробный гликолиз 1. Локализация - цитоплазма клетки. 2. Осуществляется в два этапа. 3. Первый (подготовительный) этап – превращение глюкозы в 2 молекулы D -глицеральдегид-3-фосфата. Затрата 2 молекул АТФ. 4. Второй этап (окислительный, образование АТФ) – 2 молекулы D -глицеральдегид-3-фосфата превращаются в 2 молекулы пирувата. Образуется 4 молекулы АТФ и 2 молекулы NADH. 5. Итоговый результат: 2 молекулы пирувата, 2 молекулы АТФ, 2 молекулы NADH.
6 Этапы аэробного окисления глюкозы Аэробный катаболизм глюкозы Аэробный гликолиз
7 Этапы аэробного окисления глюкозы Аэробный катаболизм глюкозы Аэробный метаболизм пирувата Пируват специфическим белком-транспортером, локализованным во внутренней мембране митохондрий переносится совместно с протонами водорода в матрикс, где подвергается окислительному декарбоксилированию.
8 Этапы аэробного окисления глюкозы Аэробный катаболизм глюкозы Окислительное декарбоксилирование пирувата 1. Локализация – матрикс митохондрий. 2. 2 молекулы пирувата превращаются в 2 молекулы ацетил-СоА, образуются 2 NADH и 2СО 2. 3. Осуществляется мультиэнзимным пируватдегидрогеназным комплексом. 4. М.м. ПДК у прокариот – 6*10 6 Да, у эукариот – 9*10 6 Да.
9 Строение пируватдегидрогеназного комплекса Е.coli Аэробный катаболизм глюкозы Белок (фермент) Число мономеров Кофактор Витамин Е1 – пируватдегидрогеназа декарбоксилирующая 24 (12 димеров ) ТРР В 1 Е2 – дигидролипоил - трансацетилаза 24 (8 тримеров ) Липоамид HS - CoA Липоевая кислота Пантотеновая кислота Е3 – дигидролипоил-дегидрогеназа 12 (6 димеров ) FAD NAD + B 2 PP
10 Строение пируватдегидрогеназного комплекса млекопитающих Аэробный катаболизм глюкозы Белок (фермент) Число мономеров Кофактор Витамин Е1 – пируватдегидрогеназа декарбоксилирующая 120 (30 тетрамеров ) ТРР В 1 Е2 – дигидролипоилтранс-ацетилаза 180 (60 тримеров ) Липоамид HS - CoA Липоевая кислота Пантотеновая кислота Е3 – дигидролипоил - дегидрогеназа 12 (6 димеров) FAD NAD + B 2 PP ВР – (Е2/Е3 – связывающий белок) 12 (6 димеров) Киназа пируватдегидрогеназа 2 – 6 (1 -3 димера ) Фосфатаза пируватдегидрогеназы 2 ( димер )
11 Строение пируватдегидрогеназного комплекса млекопитающих Аэробный катаболизм глюкозы Пируватдегидрогеназный комплекс млекопитающих
12 Окислительное декарбоксилирование пирувата Аэробный катаболизм глюкозы Кофакторы, необходимые для окислительного декарбоксилирования пирувата
13 Окислительное декарбоксилирование пирувата Аэробный катаболизм глюкозы Окислительное декарбоксилирование пирувата
14 Окислительное декарбоксилирование пирувата Аэробный катаболизм глюкозы Декарбоксилиро-вание пирувата. Перенос оксиэтильного (ацетильного) фрагмента на липоевую кислоту. Образование ацетил-СоА. Регенерация окисленной формы липоевой кислоты. Регенерация окисленной формы FAD.
15 Окислительное декарбоксилирование пирувата Аэробный катаболизм углеводов Реакция, катализируемая пируватдегидрогеназным комплексом Δ G 0′ = - 40 кДж/моль
16 Регуляция активности ПДК млекопитающих Аэробный катаболизм глюкозы У млекопитающих киназа пируватдегидрогеназы входит в состав мультиэнзимного комплекса. Аллостерические активаторы этого фермента - NADH и ацетил-СоА. Они стимулируют фосфорилирование остатков Ser в пируватдегидрогеназе, блокируя первый этап окислительного декарбокси-лирования пирувата. Реактивация фермента осуществляется фосфатазой пируватдегидрогеназы – Са2+ -активируемым ферментом, который связывается с ПДК и гидролизует фосфосерин.
17 Окислительное декарбоксилирование пирувата Аэробный катаболизм глюкозы Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса
18 Регуляция активности ПДК млекопитающих Аэробный катаболизм глюкозы ПДК может существовать в активной и неактивной формах. Переход одной формы в другую осуществляется путем обратимого фосфорилирования с участием киназы и дефосфорилирования с участием фосчфатазы. При этом фосфорилированная форма является неактивной, а дефосфорилированная – активной. При высоком уровне энергообеспечения клетки ( ↑ АТФ, ↑ ацетил-СоА, ↑ N А D Н) этот комплекс находится в неактивном состоянии. Активирование ПДК индуцируется пируватом, SH -СоА, АДФ и ионами Mg 2 +.
19 Цикл лимонной кислоты (Цикл Кребса) Аэробный катаболизм глюкозы Ханс Адольф КРЕБС, 1900–1981 гг. Британский биохимик, выходец из Германии. В 1937 году в Шеффилдском университете воспроизвел химический цикл, который теперь носит его имя и за который в 1953 году он (совместно с Ф. Линеном) был удостоен Нобелевской премии в области физиологии и медицины
20 Этапы аэробного окисления глюкозы Аэробный катаболизм глюкозы Схема цикла лимонной кислоты (цикла Кребса) Субстрат ацетил-СоА (С 2 ) конценсируется с оксалоацетатом (С 4 ), образуя цитрат (С 6 ). Цитрат в последующих реакциях цикла теряет два углерода в виде молекул СО 2, вновь превращаясь в 4-х углеродное соединение – оксалоацетат.
21 Этапы аэробного окисления глюкозы Аэробный катаболизм глюкозы Цикл Кребса, цитратный цикл, цикл трикарбоновых кислот, цикл лимонной кислоты 1. Локализация – матрикс митохондрий. 2. 2 молекулы ацетил-СоА расщепляются до 4 СО 2 (по 2 молекулы на 1 молекулу ацетил-СоА). 3. Образуется 6 молекул NADH (по 3 молекулы на 1 молекулу ацетил-СоА). 4. Образуется 2 молекулы FADH 2 (по одной на 1 молекулу ацетил-СоА). 5. Образуются 2 молекулы Г T Ф (AT Ф ).
22 Этапы аэробного окисления глюкозы Аэробный катаболизм глюкозы Цикл Кребса (цитратный цикл) – центральная часть общего метаболизма, циклический биохимический аэробный процесс, в ходе которого происходит превращение двух- и трёхуглеродных соединений, образующихся как промежуточные продукты в живых организмах при распаде углеводов, жиров и белков, до СО 2. Освобожденный при этом водород направляется в цепь переноса электронов, где в дальнейшем окисляется до воды, принимая непосредственное участие в синтезе универсального источника энергии – АТФ.
23 Цикл лимонной кислоты (Цикл Кребса) Аэробный катаболизм глюкозы
24 Цикл лимонной кислоты (цикл Кребса) Аэробный катаболизм глюкозы 1 реакция цикла Е 1 - цитратсинтаза
25 Цикл лимонной кислоты (цикл Кребса) Аэробный катаболизм глюкозы Образование цитрата
26 Цикл лимонной кислоты (цикл Кребса) Аэробный катаболизм глюкозы 2 реакция цикла Е 2 - аконитатгидратаза (аконитаза)
27 Цикл лимонной кислоты (цикл Кребса) Аэробный катаболизм глюкозы Образование изоцитрата (реакция дегидратации – гидратации)
28 Цикл лимонной кислоты (цикл Кребса) Аэробный катаболизм глюкозы 3 реакция цикла Е 3 - изоцитратдегидрогеназа
29 Цикл лимонной кислоты (цикл Кребса) Аэробный катаболизм глюкозы 4 реакция цикла Е 4 - -кетоглутаратдегидрогеназный комплекс
30 Цикл лимонной кислоты (цикл Кребса) Аэробный катаболизм глюкозы 5 реакция цикла Е 5 - сукцинаттиокиназа ( сукцинил-СоА-синтетатаза )
31 Цикл лимонной кислоты (цикл Кребса) Аэробный катаболизм глюкозы 6 реакция цикла Е 6 - сукцинатдегидрогеназа
32 Цикл лимонной кислоты (цикл Кребса) Аэробный катаболизм углеводов 7 реакция цикла Е 7 - фумаратгидратаза
33 Цикл лимонной кислоты (цикл Кребса) Аэробный катаболизм глюкозы 8 реакция цикла Е 8 - м алатдегидрогеназа
34 Цикл лимонной кислоты (цикл Кребса) Аэробный катаболизм глюкозы Суммарное уравнение цикла лимонной кислоты Ацетил-СоА + 3 NAD + + FAD + ГДФ + H 3 PO 4 + 2 H 2 O → 2 CO 2 + 3 NADH + 3H + + FADH 2 + Г T Ф + HS-CoA
35 Аэробный катаболизм глюкозы Энергетический баланс анаэробного и аэробного катаболизма глюкозы
36 Аэробный катаболизм глюкозы Аэробный катаболизм глюкозы Аэробный катаболизм глюкозы Аэробный гликолиз: 2 молекулы АТР (субстратное фосфорилирование) 2 молекулы NADH 2 молекулы пирувата Окислительное декарбоксилирование 2-х молекул пирувата: 2 молекулы NADH 2 молекулы СО2 2 молекулы ацетил-СоА Цикл Кребса (окисление 2-х молекул ацетил-СоА): 6 молекул NADH 2 молекулы FADH2 2 молекулы AT Ф (субстратное фосфорилирование) 4 молекулы СО2
37 Регуляция цикла Кребса Общая схема регуляции цикла Кребса Аэробный катаболизм глюкозы Регуляция общего пути катаболизма. 1 – ПДК активируется пируватом, NAD +, СоА ; ингибируется NAD Н и ацетил-СоА ; 2 – цитратсинтаза (реакция ускоряется при повышении концентрации оксалоацетата и замедляется при повышении концентрации цитрата, NAD Н, АТФ и сукцинил-СоА ); 3 – изоцитратдегидрогеназа аллостерически активируется АДФ, ионами кальция, ингибируется NAD Н; 4 - - кетоглутаратдегидрогеназный комплекс ингибируется NAD Н, АТФ и сукцинил-СоА, активируется ионами кальция.
38 Цикл лимонной кислоты (Цикл Кребса) Амфиболическая роль цикла Кребса Аэробный катаболизм глюкозы Использование метаболитов ЦТК в синтезе различных соединений. Синтез заменимых аминокислот (1, 2, 3), глюкозы (4, 5, 6), жирных кислот (7), гема (8).
39 Необходимость путей, пополняющих запас компонентов, участвующих в цикле кребса Анаплеротические реакции Аэробный катаболизм глюкозы Анаплероmuческuе (пополняющие) реакции - специальные ферментативные реакции, обеспечивающие пополнение пула промежуточных продуктов цикла лимонной кислоты. Реакция Ткань/организм Пируват + НСО 3 ¯ + АТР → Оксалоацетат + А D Р + P i Печень, почки Фосфоенолпируват + СО2 + GD Р → Оксалоацетат + GT Р Сердце, скелетная мусулатура Фосфоенолпируват + НСО 3 ¯ → Оксалоацетат + Р i Высшие растения, дрожжи, бактерии Пируват + НСО 3 ¯ + NAD ( P ) H → Малат + NAD ( P ) + Широко распространена у эукариот и прокариот
40 Зависимое от АТ P и биотина карбоксилирование пирувата - анаплеротический путь синтеза оксалоацетата Ферментативное карбоксилирование пирувата Аэробный катаболизм глюкозы Наиболее важная анаплеротическая реакция в животных тканях - это ферментативное карбоксилирование пирувата за счет СО2 с образованием оксалоацетата; катализирует эту обратимую реакцию фермент пuруваmкарбоксuлаза :
