Пируватдегидрогеназный комплекс может существовать в активной и неактивной формах. Переход одной формы в другую осуществляется путём обратимого фосфорилирования с участием киназы и дефосфорилирования с участием фосфатазы. При этом фосфорилированная форма является неактивной, а дефосфорилированная – активной (рис.3).
Рис.3. Активирование пируватдегидрогеназы.
При низкой концентрации инсулина и высоком уровне энергообеспеченности клетки (↑АТФ, ↑ ацетил-КоА и ↑ НАДН·Н+) этот комплекс находится в неактивном состоянии. Активирование пируватдегидрогеназного комплекса индуцируется инсулином, КоА-SН, пируватом, АДФ и ионами магния.
Цикл Кребса – центральный путь обмена веществ.
Своё название этот метаболический путь получил по имени открывшего его автора – Ганса Кребса, получившего (совместно с Ф. Липманом) за это открытие в 1953 г. Нобелевскую премию. В цикле лимонной кислоты улавливается большая часть свободной энергии, образующейся при распаде белков, жиров и углеводов пищи. Цикл Кребса – центральный путь обмена веществ.
Образовавшийся в результате окислительного декарбоксилирования пирувата ацетил-КоА в матриксе митохондрий включается в цепь последовательных реакций окисления. Таких реакций 8.
1 реакция – образование лимонной кислоты.
Образование цитрата происходит путём конденсации ацетильного остатка ацетил-КоА с оксалацетатом (ЩУК) при помощи фермента цитратсинтазы (с участием воды):
СН3 О=С―СООН Н2О НS-КоА СН2―СООН
│ + │ │
С= О Н2С―СООНцитратсинтазаНО―С―СООН
КоА │
Н2С―СООН
Ацетил-КоА Оксалацетат Лимонная кислота
Данная реакция практически необратима, поскольку при этом распадается богатая энергией тиоэфирная связь ацетил~S-КоА.
2 реакция – образование изолимонной кислоты. Эта реакция катализируется железосодержащим (Fe – негеминовое) ферментом – аконитазой. Реакция протекает чрез стадию образования цис-аконитовой кислоты (лимонная кислота подвергается дегидратированию с образованием цис-аконитовой кислоты, которая, присоединяя молекулы воды, превращается в изолимонную).
СООН СООН
│ │
СН2 СН2
│ │
ОН―С―СООН Н―С―СООН
│ │
Н―С―Н НО―С―Н
│ │
СООН СООН
Цитрат Изоцитрат
Реакция – дегидрирование и прямое декарбоксилирование изолимонной кислоты.
Реакция катализируется НАД+–зависимым ферментом изоцитратдегидрогеназой. Фермент нуждается в присутствии ионов марганца (или Mg2+). Являясь по своей природе аллостерическим белком, изоцитратдегидрогеназа нуждается в специфическом активаторе – АДФ.
СООН СООН
│ │
СН2 СН2
│ │
Н―С―СООН СН2
│ │
НО―С―Н С=О
│ │
СООН СООН
Изоцитрат α-кетоглутарат
4 реакция – окислительное декарбоксилирование α-кетоглутаровой кислоты.
Процесс катализируется α-кетоглутаратдегидрогеназой – ферментным комплексом, по стуктуре и механизму действия похожим на пируватдегидрогеназный комплекс. В его «распоряжении» те же коферменты: ТПФ, липоевая кислота и ФАД – собственные коферменты комплекса; КоА-SH и НАД+ – внешние коферменты.
СООН СООН
│ │
CH2 CH2
│ ТПФ, липоевая к-та, КоА-SH, ФАД, НАД+ │
CH2 CH2
│ │
C=O СО2 НАДН·Н+ С=О
│ S-KoA
COOH
α-кетоглутарат Сукцинил-КоА
Реакция – субстратное фосфорилирование.
Суть реакции заключается в переносе богатой энергией связи сукцинил-КоА (макроэргическое соединение) на ГДФ с участием фосфорной кислоты – при этом образуется ГТФ, молекула которого вступает в реакцию перефосфорилирования с АДФ – образуется АТФ.
СООН СООН
│ │
CH2 ГДФ Н3РО4 CH2
│ │ + ГТФ +SH-KoA
CH2 сукцинил-КоА-синтетаза CH2
│ │
СО COOH
SkoA
Cукцинил-КоА Сукцинат
нуклеозидфосфаткиназа
ГТФ + АДФ ГДФ + АТФ
Реакция – дегидрирование янтарной кислоты сукцинатдегидрогеназой.
Фермент осуществляет прямой перенос водорода с субстрата (сукцината) на II комплекс дыхательной цепи митохондрий. Коферментом в этой реакции является ФАД. Комплекс «ФАД – сукцинатдегидрогеназа» прочно связан с внутренней мембраной митохондрий.
СООН СООН
│ ФАД ФАДН2│
CH2CH
│ ║
CH2 сукцинатдегидрогеназа CH
│ │
СООН СООН
Сукцинат Фумарат
7 реакция – образование яблочной кислоты ферментом фумаразой.
Фумараза (фумаратгидратаза) гидратирует фумаровую кислоту – при этом образуется яблочная кислота, причём её L-форма, так как фермент обладает стереоспецифичностью.
СООН СООН
│ Н2О │
СН ОН –СН
║ │
СН фумараза Н–С –Н
│ │
СООН СООН
Фумарат L-Малат
8 реакция – образование оксалацетата.
Реакция катализируется малатдегидрогеназой, коферментом которой служит НАД+. Образовавшийся под действием фермента оксалацетат вновь включается в цикл Кребса и весь циклический процесс повторяется.
СООН СООН
│ │
НО–С– Н НАД+ НАДН ∙Н+ С=О
│ │
CH2 CH2
│ │
СООН СООН
Малат ЩУК
Последние 3 реакции обратимы, но поскольку НАДН∙Н+ захватывается дыхательной цепью, равновесие реакции сдвигается вправо, т.е. в сторону образования оксалацетата. Как видно, за один оборот цикла происходит полное окисление, «сгорание», молекулы ацетил-КоА. В ходе цикла образуются восстановленные формы никотинамидных и флавиновых коферментов, которые окисляются в дыхательной цепи митохондрий. Таким образом, цикл Кребса находится в тесной взаимосвязи с процессом клеточного дыхания.