Общие и специфические пути катаболизма

В настоящее время доказано, что огромное разнообразие пищевых продуктов и в-в, из которых эти продукты состоят, при попадании в организм, подвергаются относительно ограниченным катаболитическим превращениям
Схема катаболизма Б, Л, У:


Существует четыре этапа распада У, Ж, Б:
I этап - Распад полимеров до мономеров: Белки до АК, Углеводы домоносахаров, Липиды до жирных кислот и глицерина.


Процесс распада в основ гидролитический, освобождающаяся при этом в небольшом количестве энергия превращается в тепло.
II этап - Мономеры подвергаются дальнейшему распаду по своим специфическим путям (1, 2, 3, 4, 5, 6) в результате чего все продукты переваривания пищи превращаются в ПВК и ацетил КоА.
В ПВК превращаются все моносахара, глицерин, некоторые АК. Затем путем окислительного декарбоксилирования ПВК превращается в ацетил КоА.
Минуя образование ПВК в ацетил КоА превращаются жирные кислоты и некоторые АК.
Далее ацетил КоА вступает в реакции окисления в лимоннокислом цикле ( цикле трикарбоновых кислот (ЦТК)) Кребса.
Образование ацетил КоА и реакции ЦТК (I и II этапы) относятся к общему пути катаболизма. Некоторы АК вступают в общий путь катаболизма на промежуточных стадиях ЦТК.
III этап - Окисление ацетил КоА и др. метаболитов (α-кетоглутарат, щавелевоуксусная кислота (ЩУК)) в ЦТК. Этот этап сопровождается образованием восстановленных форм НАД ∙Н2 и ФАД∙Н2
IV этап - Через дыхательную цепь происходит перенос ℮‾ от восстановленных форм НАД ∙Н2 и ФАД∙Н2 на кислород. В результате образуется конечный продукт Н2О.
Не все мономеры сложных веществ пищи подвергаются катаболизмау. Часть мономеров используется для анаболических реакций, при этом синтезируются специфические для данной особи сложные вещества: Ж, Б, У, нуклеотиды и т.д.
Этот связывающий цикл, объединяющий анаболизм и катаболизм посредством энергетических системы и общих метаболитов, называется двойственным или амфиболическим путем обмена.



Окислительное декарбоксилирования ПВК и ЦТК.
Большинство тканей энергию получают за счет аэробных процессов. Полное окисление ПВК происходит через общий конечный путь обмена Ж Б У, т.е. лимонно-кислый цикл Кребса (ЦТК) в аэробных условиях.
В ЦТК включается не сам пируват, а продукт его окислительного декарбоксилирования – ацетилКоА.
ПВК предварительно путем диффузии переносится из цитозоля в митохондрии, реакция ее превращения катализируются мультиферментным пируват-ДГ-комплексом.

Общая схема реакции:
ПВК+НSКоА+НАДацетилКоА+СО2+НАД•Н2

Пируват ДГ комплекс – это мультифермент, состоящие из 3-х ферментов:
а) пируват ДГ (Е1)
б) дигидролипоилтрансацетилаза (Е2)
в) дигидролипоил ДГ (Е3), в которой используют 5 коферментов:
1. тиаминпирофосфат (ТПФ),
2. амид липоевой кислоты (липоамид),
3. НSКоА,
4. ФАД,
5. НАД.

1) Реакция декарбоксилирования ПВК (ф-т Е1)
СН3 СН3
| |
С=О + Е1-ТПФ  СН – ТПФ-Е1 + СО2
| |
СООН ОН
ПВК гидроксиэтилтиаминпирофосфат

2) Реакция окисления гидроксиэтиламинпирофосфата и перенос его на амид ЛК
СН3 S
| | ЛК-Е2  ТПФ-Е1 + Н3С-С-S-ЛК-Е2
СН – ТПФ-Е1 + S || |
| окислен. форма ф-та О SН
ОН ацетиллипоат

3) Перенос ацетильной гр. на КоА (Е2)
ацетил липоатЕ2 + НSКоА  НS ЛК•Е2 + СН3СО~SКоА
НS ацетил- КоА
восст. форма ферментата

4) Окисление ЛК до ее дисульфида (Е3)
НS ЛК•Е2 + Е3ФАД S
НS | ЛК Е2 + Е3ФАД•Н2
S
амид ЛК (окисл. форма).

5) Регенерация окисленной Е3ФАД• Н2:
Е3ФАД•Н2+НАД Е3ФАД + НАД • Н2

Т.о., все ферменты дегидрогеназного комплекса оказываются в исходном положении, пригодном для следующего цикла.
Ацетил-КоА включается в ЦТК и полностью окисляется до СО2. Когда содержание АТФ в клетке начинает превышать определенный уровень, ПДГ - комплекс, поставляющий энергетич. «топливо» для ЦТК, включается.
ПВК, является исходным субстратом общего пути катаболизма.

Цикл трикарбоновых кислот.
-этап катаболизма У, Ж, Б, в аэробных условиях.
Реакции ЦТК протекают, как и образование ацетил-КоА, в митохондриях, в отличие от гликолиза, которое протекает в цитозоле.
Реакции ЦТК
1). Реакция конденсации
СН3Со~S-КоА + СООН СООН
Ацетил-КоА | |
С=О цитрат синтаза СН2 + НS• КоА
|  |
СН2 ОН - С-СООН
| |
СН-СООН СН2
ЩУК(оксалоацетат) |
СООН цитрат
Цитратсинтаза катализирует гидролиз макроэргической связи ацетил КоА, за счет энергии гидролиза обеспечивается протекание ферментативного катализа.
2). Реакция дегидратации
СООН СООН
– Н2О | +Н2О |
 СН2  СН2
цитрат аконитат гидратаза | - Н2О |
 С-СООН СН - СООН
+Н2О || |
СН СН-ОН
| |
СООН СООН
цис-аконитат изоцитрат
гидроксильная группа присоединяется к другому углеродному атому.
3).Реакция окисления и декарбоксилирования.
Е- изоцитратдегидрогеназа
Происходит перенос протона и двух электронов на молекулу НАД и освобождение второго протона, т.е. дегидрирование изоцитрата

Изоцитрат + НАД (НАДФ)  СООН
|
(СН2)2 + НАД•Н2 + СО2
|
С=О
|
СООН
-кетоглутарат
4. Окислительное декарбоксилирование.
-кетоглутарат СООН
-кетоглутарат + НS-КоА + НАД дГ – комплекс |  (СН2)2 +
|
О= С ~ S-КоА сукцинил КоА
5. Реакция расщепления.
сукцинил КоА- СООН
сукцинил КоА + ГДФ + Фн синтетаза |
 (СН2)2 + ГТФ + НS•КоА
|
СООН янтарная кислота (сукцинат)
5а реакция субстратного фосфорилирования (Е нуклеозиддифосфаткиназа)
ГТФ + АДФ  АТФ + ГТФ
Происходит перенос макроэргической связи с сукцината на молекулу ГДФ с образованием ГТФ и сукцината (субстратное фосфорилирование)

6. Реакция дегидрирования
сукцинат дГ СООН
сукцинат + ФАД  |
СН + ФАД•Н2
||
СН
|
СООН
фумаровая кислота (фумарат)
после восстановления ФАД происходит пернос протонов и электронов с него в дыхательную цепь при участии коэнзима Q. При этом осуществляется регенерация простетической группы фермента.

7.Реакция гидратации. СООН
фумарат гидратаза |
фумарат + Н2О  НО - СН + ФАД•Н2
|
СН2
|
СООН
Яблочная к-та (малат)
Положительно заряженный атом углерода взаимодействует с -ОН группой, сначала за счет электростатических сил, а затем образуется сигма связь с атомом кислорода.

8. Реакция окисления.
Фермент осуществляет перенос Н с -ОН и близлежащего углеродного атома на НАД с дальнейшим поступлением в дыхательную цепь
митохондриальная СООН
Малат + НАД НАД – завис. малатДГ |
 С=О + НАД•Н2
|
СН2
|
СООН ЩУК(оксалоацетат).
Т. о., за один оборот цикла происходит полное окисление одной молекулы ацетил – КоА.

Суммарное уравнение превращения ацетил – КоА ферментами ЦТК:
СН3СО~SКоА+2Н2О + Фн. + АДФ  2СО2 + 3НАД•Н2 + ФАД•Н2 + АТФ + КоА•SH ферменты ЦТК

Всего (включая окислительное декарбоксилирование ПВК) образуется 4 мол. НАД•Н2 и 1 мол. ФАД•Н2, которые поступают в матрикс митохондрий и дифундируют к ее внутренней мембране, окисляются соответствующей ДГ-зой.
При окислении 1 мол. НАД•H2 образуется 3 мол. АТФ;
1 мол ФАД • Н2 – 1мол. АТФ;
ПВК: 1 мол. НАД•H2  3 мол АТФ
ЦТК: 3 мол. НАД•H2  9 мол АТФ
1 мол. ФАД•Н2  2 мол. АТФ
Субстратное фосфорилирование  1 мол. АТФ
Всего образуется 15 мол. АТФ.