Е3 - дигидролипоамиддегидрогеназа

Е2 – дигидролипоамидацетилтрансфераза

Они образуют сложный мультиферментный комплекс который называется ПДГ-комплексом. Поскольку ПДГ-реакция является одной из важнейших в метаболизме различных веществ, и в частности углеводов ПДГ-комплекс изучен весьма глубоко. Он имеет молекулярную массу от 5,3·10⁶ Да и диаметр больше 30 нм, т.е. ПДГ-комплекс крупнее, чем рибосома.

Комплекс состоит из 60 полипептидов: 24 молекулы Е2 (8 тримеров) образуют ядро комплекса кубической формы. Каждая из 6 граней этого куба занята димерами компонентов ЕЗ, в то время как на 12 ребрах куба лежат димеры молекул Е1.

В этой реакции участвуют также 5 коферментов, а именно: тиаминпирофосфат (ТПФ), липоамид, флавинадениндинуклеотид (ФАД), НАД⁺ и КоА. Пять разных коферментов этой реакции различными способами ассоциированы с белковыми компонентами ферментов.

ТПФ нековалентно связан на Е1. Липоамид ковалентно связан с остатком лизина Е2 и является простетической группой, также как и ФАД, который прочно ассоциирован в виде простетической группы на ЕЗ. НАД⁺ и кофермент А взаимодействуют с комплексом в виде растворимых коферментов.

Пространственная организация составных частей комплекса очень важна для катализа. Кофермент, липоевая кислота, очень подвижен благодаря образованию связи с лизиновым остатком фермента Е2. “Ручка” липоамида длиной примерно 1,4 нм в процессе катализа перемещается между Е1 и ЕЗ. Липоамид таким способом может взаимодействовать как со связанным в Е1 тиаминдифосфатом, так и с растворимым коферментом А и акцептирующим электроны ФАД в ЕЗ. Белковый домен ацетилтрансферазы, который связывает липоевую кислоту, очень гибок. Это дополнительно повышает дальность действия липоамидной «ручки».

Из уравнения ПДГ-реакции видно, что в ней участвуют два водорастворимых кофермента - КоА и HAД⁺. Однако процесс на самом деле гораздо сложнее. Совокупность процессов, происходящих при пируватдегидрогеназной реакции, показана на схеме.

Пируватдегидрогеназа (Е₁) катализирует декарбоксилирование пирувата, перенос образованного гидроксиэтильного остатка на ТПФ и окисление гидроксиэтильной с образованием ацетильного остатка, который переносится на липоамид. Следующий фермент, дигидролипоамидацетилтрансфераза (Е₂) переносит ацетильный остаток с липоамида на КоА, при этом липоамид восстанавливается до дигидролипоамида. Последний вновь окисляется до липоамида под действием третьего фермента – дигидролипоамид-дегидрогеназы (Е₃), простетической группой которого является ФАД и наконец, ФАДН₂ окисляется НАД⁺.

Схема. Механизм пируватдегидрогеназной реакции.

Образующуйся в ПДГ-реакции ацетил-КоА является макроэргическим соединением (по сути это активированная уксусная кислота) и ключевым метаболитом цикла Кребса. Цикл Кребса – цикл трикарбоновых кислот – цикл лимонной кислоты – цитратный цикл - это циклический процесс происходящий в матриксе митохондрий и поддерживающий работу дыхательной цепи, функционирование которой обеспечивает процесс окислительного фосфорилирования.

Ацетил-КоА является исходным соединением для работы цитратного цикла и дыхательной цепи. Если по каким-либо причинам исчезнет ацетил-КоА остановятся реакции цикла Кребса и как следствие дыхательная цепь – что равносильно смерти. Поэтому организмы научились делать и пируват и ацетил-КоА не только из углеводов как мы сейчас с Вами рассматриваем, но и из липидов и белков.

Цитратный цикл (Цикл Кребса).

Цитратный цикл - цикл лимонной кислоты – цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) и наконец цикл Кребса* разные обозначения одного и того же процесса. Этот процесс, образно говоря, та главная ось вокруг которой вертится метаболизм почти всех существующих клеток. Значение этого цикла, первоначально постулированного для объяснения полного сгорания пирувата (и, таким образом, углеводов), а также дву- и трех углеродных конечных продуктов окисления жирных кислот, вышло далее за рамки этих и им подобных чисто катаболических функций, связанных с выработкой энергии. Цикл Кребса является «фокусом», в котором сходятся все метаболические пути. Поэтому его реакции и субстраты играют решающую роль в биосинтезе (анаболизме) множества важных соединений: аминокислот, пуринов, пиримидинов, углеводов, жирных кислот с длинной цепью, порфиринов и др.

Краткая история вопроса.

Исследования по окислению ряда органических соединений, в том числе некоторых моно-, ди- и трикарбоновых кислот, препаратами из тканей животных были начаты в 20-х годах прошлого века учеными Тунбергом, а также Бателли и Штерн. Эти ученые обнаружили, что из многих опробованных субстратов лишь сукцинат, фумарат, малат и цитрат окислялись препаратами из мышцы лягушки со скоростью, достаточно большой для соединений, претендующих на роль промежуточных продуктов окисления жиров и углеводов. В 1936 г. Марциус и Кноп высказали предположение, что цитрат превращается в сукцинат указанным ниже путем:

Цитрат → Изоцитрат → Оксалосукцинат → α-Кетоглутарат → Сукцинат.

В следующем году Кребс на основе установленного им факта образования лимонной кислоты (в грудной мышце голубя) из пирувата и оксалоацетата пришел к заключению, что если упомянутые реакции изобразить в виде цикла, то можно объяснить полное окисление пировиноградной кислоты до трех молекул СО₂:

Пируват + Оксалоацетат → Цитрат → цис-Аконитат → Изоцитрат →

α-Кетоглутарат → Сукцинат → Фумарат → Малат → Оксалоацетат.

—

* Ганс Кребс - выдающийся английский биохимик, родившийся в Германии, - получил в 1953 г.

Нобелевскую премию по физиологии и медицине за работу по промежуточному метаболизму.

Ниже перечислены наблюдения, убедительно свидетельствующие о том, что эта последовательность реакций (вместе со всеми ее модификациями, которые мы обсудим ниже) действительно представляет собой главный путь распада пировиноградной и уксусной кислот (вовлекаемых в цикл в виде ацетил-КоА) в тканях всех животных, начиная с человека и кончая высшими растениями и многими микроорганизмами.

1. Было показано, что предполагаемые промежуточные продукты цикла действительно присутствуют в большинстве исследованных тканей. Кроме того, скорости окисления этих соединений оказались достаточно высокими, т.е. вполне соответствующими скоростям превращений участников цикла.

2. Добавление какой-либо из ди- и трикарбоновых кислот сильно увеличивает интенсивность эндогенного дыхания. При этом поглощение кислорода во много раз превышает количество, которое потребовалось бы для окисления самого добавленного соединения. Именно этот последний факт наиболее убедительно указывает на циклическую природу процесса окисления, ибо если добавленные субстраты действуют каталитически, а не стехиометрически, то они должны (хотя бы частично) регенерироваться в ходе реакции.

3. Малоновая кислота в малых концентрациях является высокоспецифичным ингибитором реакции превращения янтарной кислоты в фумаровую. Введение малоновой кислоты в «дышащую» дыхательную систему приводит к накоплению янтарной кислоты.

4. Распределение С¹⁴ в различных промежуточных продуктах, возникающих при окислении таких типичных субстратов, как глюкоза или жирная кислота, полностью согласуется с данной схемой.

5. Было показано, что в клетках животных и растений все реакции цикла протекают в одной и той же клеточной органелле - митохондрии. Более того, ферменты, катализирующие отдельные реакции цикла, присутствуют в митохондриях различных клеток одного организма и разных организмов в примерно в одном и том же соотношении.