Введение. Жизнь на Земле существует бла­годаря солнечному свету

Жизнь на Земле существует бла­годаря солнечному свету. Свет явля­ется источником энергии для расте­ний. Энергия света в растениях в процессе фотосинтеза используется для синтеза органических соединений из СО2 и воды. Фотосинтез это слож­ный многоступенчатый процесс, од­нако, он имеет простой химический баланс. Из 6 молекул СО₂ синтезиру­ется молекула гексозы (глюкозы или фруктозы). Необходимый для процес­са восстановления водород извлекает­ся из воды. Кислород (О2) при этом является побочным продуктом фото­синтеза и поступает в атмосферу.

В первой части фотосинтеза (све­товые реакции) происходит расщеп­ление воды с образованием протонов, электронов и атома кислорода под действием солнечного света. Два электрона и один протон, получив энергию квантов света, присоединя­ются к молекуле НАДФ⁺ и превра­щают её в НАДФН. В ходе поглоще­ния квантов световой энергии также синтезируется молекула АТФ.

Вторая часть фотосинтеза не требует притока света (темновые ре­акции). Из СОг, электронов, получае­мых от НАДФН и энергии АТФ син­тезируются углеводы - глюкоза, фруктоза или полимер глюкозы крах­мал. Первый и наиболее важный этап этого процесса - перенос высокоэнер­гетических электронов на СОг с вос­становлением углерода в молекуле СО₂. Так возникает одноуглеродный фрагмент НСОН, характерный для моносахаридов. Затем синтезируется глюкоза (С₆Н₁₂О₆) в реакциях анало­гичных полимеризации формальдеги­да до углеводов по Бутлерову.

Таким образом, эти молекулы включают в себя электроны высокой энергии. После поступления углево­дов в организм человека с пищей эти электроны извлекаются в катаболических процессах. Их энергия использу­ется по двум направлениям:

- синтез АТФ (который является
универсальным источником энергии
для большого числа энергозависимых
процессов);

- прямой перенос электронов в
новые, синтезирующиеся связи (главным образом при синтезе липидов).

Катаболизм (распад) основных пи­щевых веществ - углеводов, жиров, белков (аминокислот).

В системе пищеварения основные классы молекул - белки, липиды и углеводы подвергаются фермента­тивному гидролизу и расщепляются до аминокислот, жирных кислот и глицерола, а также аминокислот со­ответственно. После их всасывания, транспорта и распределения по всем клеткам организма начинаются специфические пути катаболизма. Специфические пути катаболизма Жирные кислоты в процессе |3-окисления (в митохондриях) превра­щаются в ацетил-КоА. Глицерол че­рез стадию глицеральдегида превра­щается в глицеральдегид-3-фосфат и поступает в гликолиз. Моносахариды, поступая в клетку, преобразуются в форму глюкозы, а затем вступают в гликолиз в цитозоле.

Аминокислоты, после удаления ами­ногруппы, превращаются в кето-кислоты. Первая реакция распада аминокислот это отделение амино­группы. Часть аминокислот (1) затем превращается в пируват (они называ­ются гликогенные), часть в молекулу ацетил-КоА (2) (они называются кетогенные) и промежуточные продук­ты цикла трикарбоновых кислот (3). Специфическими путями катаболизма называют внутриклеточное превра­щение жирных кислот, моносахаров и аминокислот в универсальные моле­кулы пирувата и ацетил-КоА. Общий путь катаболизма. Этот путь начинается с пирувата, ко­торый превращается в молекулу ацетил-КоА под действием сложного мультифетментного пируватдегидрогеназного комплекса в митохондриях.

Затем молекула ацетил-КоА подвер­гается полному окислению в цикле трикарбоновых кислот, где из неё из­влекаются высокоэнергетические электроны. Эти электроны в составе молекул НАДН и ФАДН₂ вовлекают­ся

Особенностью ферментов и белков комплекса является то, что все ферменты и белковые компоненты мультиферментного комплекса кодируются в ядерной ДНК и синтезируются в цитозоле. После их поступления в митохондриальный матрикс (при этом затрачивается энергия АТФ и протонного градиента) они подвергаются финальному фолдингу с помощью митохондриальных шаперонов, приобретают функциональную активность и объединяются в мультиферментный комплекс.

Последовательность реакций в пируватдегидрогеназном комплексе. В этом ком­плексе происходит преобразование пирувата в ацетил-КоА, содержащего макро-эргическую тиоэфирную связь и удаление из пирувата 2-х высокоэнергетических электронов в составе молекулы НАДН.

Для превращения пирувата в ацетил-КоА необходимы 5 реакций (1-5 на рис.3). 1. Реакция декарбоксилирования пирувата.

Значение декарбоксилирования пирувата в отношении извлечения энергии из мо­лекулы исключительно велико. Три углеродных атома пирувата имеют разную степень окисления. Углерод метильной группы (-СНз) не окислен и, следователь­но, в дальнейшем при его окислении можно получить полезную энергию. Углерод кето-группы (>С=О) окислен частично. При его дальнейшем окислении можно также извлечь некоторое количество дополнительной энергии. А углерод карбок­сильной группы окислен почти полностью. Поэтому карбоксильная группа это до некоторой степени балластная часть молекулы с позиции извлечения энергии. Её необходимо удалить. Удаление карбоксильной группы (т.е. реакцию декарбокси­лирования) катализирует фермент пируватдегидрогеназа в активном центре кото­рого локализован тиаминдифосфат - кофермент декарбоксилирования.

1. В активном центре фермента происходит прямое взаимодействие двух атомов углерода с образованием между ними ковалентной связи. Это взаимодействие обусловлено частичными разноименными зарядами, которыми обладают углерод кето-группы пирувата с одной стороны и атом углерода тиазолового кольца тиа-минпирофосфата с другой.

2. На этой стадии Ei (пируватдегидрогеназа) переносит атом водорода и двухуг-
леролеродный ацетильный фрагмент (СН₃-СО-) на молекулу липоевой кислоты,
локализованную в активном центре фермента Е₂ (дигидролипоамидацетилтранс-
феразы). При этом в активном центре фермента образуется ацетилтиоэфир липое­
вой кислоты.

3. В этой реакции KoA-SH атакует тиоэфирную связь в активном центре фермента
Е₂, разрывает её и присоединяет к себе двухуглеролеродный ацетильный фраг­
мент (СНз-СО-). Происходит образование ацетил~КоА, который покидает актив­
ный центр фермента Е₂ (дигидролипоамидацетилтрансферазы). При этом оба ато­
ма серы липоевой кислоты полностью восстановлены.

4. В этой реакции фермент Е₃ (дигидролипоамиддегидрогеназа) катализирует пе­
ренос двух атомов водорода с восстановленной липоевой кислоты, находящейся в
активном центре фермента Е₂ на кофермент ФАД, локализованный в своём актив­
ном центре. При этом в активном центре фермента Е₃ образуется ФАДН₂.

5. В активный центр дегидрогеназы (Е₃) пируватдегидрогеназного комплекса вхо­
дит НАД⁺ и присоединяет к себе 2 электрона и протон от кофермента ФАДН₂ и в
форме НАДН переносит их в процесс окислительного фосфорилирования.

Связь окислительного декарбоксилирования пирувата с процессом окисли­тельного фосфорилирования

При превращении пирувата в ацетил-КоА происходит образование НАДН, транс­портирующего электроны в дыхательную цепь. Из пары высокоэнергетических электронов в процессе окислительного фосфорилирования может синтезироваться до 3 молекул АТФ. Усиление распада АТФ в клетке ведет к повышению концен­трации АДФ и ускорению окисления НАДН в дыхательной цепи. Повышение концентрации НАДГ/, в свою очередь, стимулирует окислительное декарбоксили-рование пирувата. Напротив, повышение концентрации АТФ и НАДН снижает скорость этого процесса.

Таким образом, изменения отношений АДФ/АТФ и НАДН/НАД⁺ - важнейшие внутриклеточные регуляторные сигналы, отражающие энергетические потребно­сти клетки и регулирующие скорость окислительного декарбоксилирования пиру­вата. Каталитическая активность пируватдегидрогеназного комплекса снижается, когда в клетках имеется достаточно "топлива" в виде жирных кислот и аце-тил~КоА.