Pyruvate

Цикл трикарбоновых кислот Кребса реакции (Схема)

Цикл трикарбоновых кислот (Цикл Кребса или цикл лимонной кислоты) – центральный процесс метаболизма. Суть процесса состоит в том, что первоначально пировиноградная кислота соединяется со сложным органическим веществом — коэнзимом А. При этом сразу отщепляется СО2, образуется НАД • Н и комплекс СН3СО—5—коэнзим А (ацетил-коэнзим А).

Этот комплекс реагирует со щавелево-уксусной кислотой с образованием кислоты лимонной. Коэнзим А освобождается, а лимонная кислота подвергается последовательным превращениям в цикле Кребса (8 реакций). При этом получается 2 молекулы СО2, восстанавливается молекула щавелево-уксусной кислоты, а выделяющаяся энергия запасается в виде АТФ.

В пересчете на одну молекулу глюкозы энергетический выход цикла Кребса составляет 30 молекул АТФ. Таким образом, суммарный энергетический выход всего процесса дыхания составляет 38 молекул АТФ на одну молекулу глюкозы. Часть образующейся энергии выделяется в виде тепла (44,6%). Цикл Кребса идет только в присутствии необходимого количества кислорода. Этот цикл открыл Г.

Кребс, за которое он в 1953 году получил Нобелевскую премию.

Схема цикл трикарбоновых кислот, цикл Кребса

ATP (АТФ) – это аденозинтрифосфорная кислота, универсальный источник и переносчик энергии

NAD (НАД) – никотинамидадениндинуклеотидфосфата, кофермент

NADH (НАД•Н) – востановленная форма NAD

Ацетил-КоА – сложное органическое вещество ацетил-коэнзим А (СН3СО—S)

Пируват – это соли пировиноградной кислоты

Таблица реакции цикла трикарбоновых кислот Кребса

Цикл Кребса это аэробный процесс (проходит с участием кислорода) и состоит из восьми стадий (процессов).

Реакции цикла трикарбоновых кислот (цикла Кребса) Описание и ход реакция цикла Ферменты
1 реакцияКонденсация ацетил-КоА с оксалоацетатом Конденсация ацетил-СоА с оксалоацетатом, в результате чего образуется цитрат (лимонная кислота), а кофермент А освобождается. Реакция катализируется цитратсинтазой, которая является одним из регуляторных ферментов, лимитирующих скорость цикла Кребса. цитратсинтаза
2 реакцияИзомеризация цитрата в изоцитрат Превращение цитрата в изоцитрат (изолимонная кислота) с участием аконитат-гидратазы (сложного фермента, содержащего Fe2+ и кислотолабильные атомы серы, образующие железо-серные центры) через промежуточную стадию цис-аконитата, связанного с ферментом. аконитаза
3 реакцияОкислительное декарбоксилирование изоцитрата Дегидрирование (так называется удаление из молекулы атомов водорода) цитрата с образованием a-кетоглутарата и СO2 при участии изоцитратдегидрогеназы, которая функционирует при наличии Mg2+ и Мn2+. изоцитратдегидрогеназа
4 реакцияОкислительное декарбоксилирование а-кетоглутарата Реакция окислительного декарбоксилирования a-кетоглутарата до высокоэнергетического сукцинил-СоА. Реакция катализируется a-кетоглутаратдегидрогеназным комплексом (Mg2+), который похож на пируватдегидрогеназный комплекс. ферменты:а-кетоглутаратдегидрогеназадегидролиполилтранссукцинилазадегидролипоилдегидрогеназакоферменты: ТПФ, липоевая кислота, ФАД, HS-KoA, НАД+
5 реакцияСубстратное фосфорилирование На этом этапе цикла Кребса происходит превращение сукцинил-СоА под влиянием сукцинил-СоА-синтетазы в сукцинат (янтарная кислота) с отщеплением СоА. Эта реакция сопряжена с образованием гуанозинтрифосфата (GTP) из GDP и фосфата и также катализируется указанным ферментом. сукцинил-КоА-синтетаза
6 реакцияДегидрирование сукцината Катализируемое сукцинатдегидрогеназой, содержащей ковалентно связанный FAD и два железо-серных центра, дегидрирование сукцината с образованием фумарата (фумаровая кислота). сукцинатдегидрогеназа
7 реакцияГидратация фумарата Эта реакция цикла трикарбоновых кислот представляет обратимую гидратацию фумарата с образованием L-малата (яблочная кислота), катализируемая фумарат-гидратазой или фумаразой. фумараза
8 реакцияРегенерация оксалоацетата Катализируемое NAD-зависимой L-малатдегидрогеназой дегидрирование L-малата с образованием оксалоацетата. Эта реакция замыкает цикл Кребса и поставляет оксалоацетат (щавелевоянтарная кислота) для нового цикла. Большинство реакций цикла Кребса обратимы. малатдегидрогеназа

_______________

Источник информации:

1. Биология для поступающих в вузы / Г.Л. Билич, В.А. Крыжановский. — 2008.

2. Биохимия в схемах и таблицах / И. В. Семак – Минск — 2011.

Pyruvate Structure

This molecule is the conjugate base of pyruvic acid, a three-carbon molecule containing a carboxylic acid group and a ketone functional group. The chemical formula for pyruvic acid is C3H4O3 and for its deprotonated form is C3H3O3. The carbon atom forming the carboxylic acid is often referred to as the first carbon atom, with the number increasing along the carbon backbone, away from the carboxylic acid terminus. In pyruvate, the ketone group is attached to the second carbon atom, also known as the α-carbon since it is closest to the main functional group; the third carbon comprises a methyl group.

It is, therefore, the simplest α-keto acid and according to official nomenclature by IUPAC, it is called α-keto propanoic acid. It contains three atoms that can act as hydrogen-bond donors and one atom that can be a hydrogen-bond acceptor. Like other keto acids, pyruvic acid can also tautomerize from its ketone form to its enol form, containing a double bond and an alcohol. This is particularly important in the last step of glycolysis.

Other α-keto acids involved in cellular respiration include oxaloacetic acid, α-keto glutaric acid and oxalosuccinic acid.

Пируваты в медицине и диетологии

Исследования, посвященные использованию пируватов для борьбы с жиром, ведутся уже 30 лет. Первоначально эти соли предполагалось применять как средства против жировой дистрофии печени. Проведенные эксперименты дали положительные результаты. Дальнейшие работы в данной области также подтвердили способность пировиноградной кислоты и ее солей ускорять «сброс» жира. Планировалось даже производство их как медикаментов. Однако, поскольку пируват натрия и кальция стали выпускать как пищевые добавки, этот продукт не нашел применения в медицине.

Действительно, было обнаружено значительное усиление липолиза при приеме пируватов. По сравнению с контрольной группой, пациенты, принимавшие пируват, теряли на 30-50% больше жира.

Наиболее ярко липолитический эффект пирувата проявляется при низкокалорийных диетах. Вероятно, за счет смещения энергообмена в сторону жиров организм сберегает часть белка. По крайней мере, прием пирувата обеспечивает снижение соотношения жировой и мышечной массы.

Для тех же целей использовали другой продукт метаболизма, дигидроксиацетон, получающийся при частичном окислении глицерина. Однако он оказался значительно менее эффективным. Соединения, включающие в себя фрагменты пировиноградной кислоты и аминокислот (пирувилглицин) еще сильнее активируют липолиз, чем пируваты. Однако их использование не вышло за стадию клинических экспериментов. По крайней мере, нам не удалось обнаружить эти препараты в списках продукции фармацевтических фирм. К тому же пирувилглицин достаточно дорог из-за трудностей в производстве.

Generation of Pyruvate

Pyruvate is generated by two primary methods – through the glycolytic pathway, and through the metabolism of amino acids. While proteins supply nearly 10% of the body’s energy needs, only some amino acids are channeled through pyruvate into the cellular respiratory machinery. Those that do are classified as glucogenic amino acids, while others that generate acetyl-CoA or acetoacetate are classified as ketogenic amino acids. Lactate produced by anaerobic fermentation can also regenerate pyruvate, especially through the activity of enzymes in the liver. Other minor sources include the intermediates of the citric acid cycle.

Glycolysis

Glycolysis begins with the six-carbon monosaccharide – glucose. In the first few steps of this biochemical pathway, glucose undergoes phosphorylation and isomerization to produce fructose-6-phosphate. Another phosphorylation reaction facilitates the splitting of this hexose sugar into two 3-carbon molecules – glyceraldehyde phosphate (G3P) and dihydroxy acetone phosphate (DHAP). These initial steps require the input of energy and utilize two molecules of ATP for every molecule of glucose, but result in the major transformation of a hexose into two triose molecules.

Images show the chemical structures of G3P and DHAP. These isomers can be interconverted, especially through enzyme-mediated catalysis.

Thereafter, G3P is converted to pyruvic acid, which exists as its conjugate base at physiological concentration and pH. This process occurs through a set of five biochemical reactions, releasing two molecules of ATP and one molecule of NADH for each molecule of G3P.

The penultimate molecule in this chain of reactions is called phosphoenol pyruvate (PEP). PEP is the phosphorylated ester of the pyruvate in its enol isomeric form. PEP loses a phosphate group to generate pyruvate and the released phosphate moiety is transferred to ADP, forming ATP. This reaction is catalyzed by an enzyme called pyruvate kinase (PK). The reaction forms one of the rate-limiting steps of glycolysis that can determine the overall reaction rate, since it is one of the slower reactions in the chain. For all practical purposes, it is irreversible, unlike most enzyme-catalyzed reactions, especially since pyruvate is often quickly moved to the mitochondria or fermented to form lactate. When glucose needs to be generated from non-carbohydrate sources (gluconeogenesis), for instance, changing concentrations of reactants and products does not induce PK to catalyze the reverse reaction, forming PEP from pyruvate. In fact, during gluconeogenesis, PK is deactivated through phosphorylation and PEP is diverted towards a different cascade of reactions.

Amino Acid Metabolism

Six major amino acids can be metabolized to produce pyruvate – alanine, cysteine, serine, glycine, threonine and tryptophan. Of these, alanine and serine have three carbon atoms and are therefore the easiest to transform. These reactions involve a single enzyme that essentially catalyzes the replacement of the amine functional group with a ketone. The enzymes are also called transaminases for this reason. Cysteine, while also containing three carbon atoms, has to undergo an additional step to remove the sulfur atom.

Glycine, on the other hand, has only two carbon atoms. Therefore, it is first converted into a three-carbon amino acid – serine – before undergoing deamination. The action of serine dehydratase enzyme then catalyzes its conversion into pyruvate. In a similar strategy, three alkyl groups of tryptophan are first converted to alanine before being transformed into a pyruvate molecule through the action of alanine transaminase enzyme. Threonine follows an even longer path, first being converted to glycine, and then to serine before being acted on by serine dehydratase.

Pyruvate Definition

Pyruvate is an important molecule that is present at the intersection of multiple biochemical pathways. It is commonly encountered as one of the end products of glycolysis, which is then transported to the mitochondria for participating the citric acid cycle. In the absence of oxygen, or when oxygen demand outstrips supply, pyruvate can undergo fermentation to produce lactate. Both pyruvate and lactate can be used to regenerate glucose as well. Pyruvate can also be involved in the anabolic synthesis of fatty acids and amino acids. There is also growing evidence that it can directly influence nuclear activity and epigenetic modifications, forming the interface between the genome and the metabolic state of the cell.

2.1.3. Патология декарбоксилирования пирувата

Подавление скорости
процесса может носить приобретенный
характер вследствие:

а)
дефицита в диете витаминов (В2,РР)
– его участников;

б) у
алкоголиков может развиваться недостаток
витамина тиамина. В этих ситуациях
создаются условия для накопления
пирувата, а поступление с пищей глюкозы
увеличивает опасность развития
лактатацидоза,
нередко с летальным исходом.

Описана
и наследственная недостаточность
пируватдегидрогеназы, причем
зарегистрированы мутации всех ферментов
комплекса. Для подобных патологий также
характерен сдвиг рН вследствие накопления
пировиноградной и молочной кислот.

Поколение пирувата

Пируват генерируется двумя основными методами – через гликолитический путь и через метаболизм аминокислот. В то время как белки обеспечивают почти 10% потребностей организма в энергии, только некоторые аминокислоты направляются через пируват в клеточный дыхательный аппарат. Те, которые действительно классифицируются как глюкогенные аминокислоты, тогда как другие, которые генерируют ацетил-КоА или ацетоацетат, классифицируются как кетогенные аминокислоты. Лактат, образующийся при анаэробной ферментации, также может регенерировать пируват, особенно благодаря активности ферментов в организме. печень, Другие второстепенные источники включают промежуточные продукты цикла лимонной кислоты.

гликолиз

Гликолиз начинается с шестиуглеродного моносахарид Глюкоза. На первых нескольких этапах этого биохимического пути глюкоза подвергается фосфорилированию и изомеризации с образованием фруктозо-6-фосфата. Другая реакция фосфорилирования облегчает расщепление этого гексозного сахара на две 3-углеродные молекулы – глицеральдегидфосфат (G3P) и дигидроксиацетонфосфат (DHAP). Эти начальные шаги требуют ввода энергии и используют две молекулы АТФ для каждой молекулы глюкозы, но приводят к серьезному превращению гексозы в две молекулы триозы.

Изображения показывают химическую структуру G3P и DHAP. Эти изомеры могут быть взаимопревращены, особенно посредством ферментативного катализа.

После этого G3P превращается в пировиноградную кислоту, которая существует в виде его сопряженного основания при физиологической концентрации и pH. Этот процесс происходит через набор из пяти биохимических реакций, высвобождая две молекулы АТФ и одну молекулу NADH для каждой молекулы G3P.

Предпоследняя молекула в этой цепочке реакций называется фосфоенолпируват (PEP). PEP представляет собой фосфорилированный сложный эфир пирувата в его енольной изомерной форме. ПКП теряет фосфатная группа для генерации пирувата и высвобожденный фосфатный фрагмент переносится в АДФ, образуя АТФ. Эта реакция катализируется ферментом, называемым пируваткиназой (ПК). Реакция образует одну из ограничивающих скорость стадий гликолиза, которая может определять общую скорость реакции, поскольку она является одной из более медленных реакций в цепи. Для всех практических целей он необратим, в отличие от большинства ферментативно-катализируемых реакций, особенно потому, что пируват часто быстро переносится в митохондрии или ферментируется с образованием лактата. Когда глюкоза должна генерироваться из неуглеводных источников (глюконеогенез ), например, изменение концентраций реагентов и продуктов не побуждает ПК катализировать обратную реакцию, образуя ПЭП из пирувата. Фактически, во время глюконеогенеза, PK дезактивируется посредством фосфорилирования, а PEP направляется в другой каскад реакций.

Аминокислотный метаболизм

Шесть основных аминокислот могут метаболизироваться с образованием пирувата – аланин, цистеин, серин, глицин, треонин и триптофан. Из них аланин и серин имеют три атома углерода и поэтому их легче всего преобразовать. Эти реакции включают один фермент, который по существу катализирует замену функциональной группы амина кетоном. По этой причине ферменты также называют трансаминазами. Цистеин, хотя и содержит три атома углерода, должен пройти дополнительную стадию для удаления атома серы.

Глицин, с другой стороны, имеет только два атома углерода. Следовательно, он сначала превращается в трехуглеродную аминокислоту – серин, а затем подвергается дезаминированию. Действие фермента сериндегидратазы затем катализирует его превращение в пируват. В аналогичной стратегии три алкильные группы триптофана сначала превращаются в аланин, а затем превращаются в молекулу пирувата под действием фермента аланина трансаминазы. Треонин следует еще более длинному пути: сначала он превращается в глицин, а затем в серин, а затем подвергается действию сериндегидратазы.

Преобразование пирувата

По аербних условий в клетках эукариот пируват, образованный в гликолизе и других метаболических реакциях, транспортируется в митохондрии (если не синтезируется сразу в этой органеллы, как в случае переаминирования аланина). Здесь он превращается одним из двух возможных путей: либо вступает в реакцию окислительного декарбоксилирования, продуктом которой является ацетлы-кофермент А, или каброксилюеться к оксалоацетата, который является исходным молекулой для глюконеогенеза.

Окислительное декарбоксилирование пирувата осуществляется пируватдегидрогеназного мультиэнзимных комлпекс, в состав которого входят три различные ферменты и пять коферментов. В этой реакции от молекулы пирувата отщепляется карбоксильная группа в форме CO 2, образованный остаток уксусной кислоты переносится на кофермент А, также восстанавливается одна молекула НАД:

Суммарная стандартная изменение свободной энергии составляет ΔG = -33,4 кДж / моль. Образованный НАДH переносит пару электронов в дыхательная цепь переноса электронов, что дает в конечном результате энергию для синтеза 2,5 молекул АТФ. Ацетил-КоА вступает в цикл Кребса или используется для других целей, например для синтеза жирных кислот.

Большинство клеток в условиях достаточного количества жирных кислот используют их, а не глюкозу, как источник энергии. Вследствие β-окснення жирных кислот концентрация ацетил-КоА в митохондриях значительно повышается, и это вещество действует как негативный модулятор пируватдекарбоксилазного комплекса. Похожий эффект наблюдается в случае, когда энергетические потребности клетки низкие: в таком случае увеличивается концентрация НАДH по сравнению с НАД +, что приводит к подавлению цикла Кребса и накопления ацетил-КоА.

Ацетил-кофермент А одновременно действует как положительный аллостерический модулятор для пируваткарбоксилазы, которая катализирует превращение пирувата в оксалоацетата с гидролизом одной молекулы АТФ:

Поскольку оксалоацетат не может транспортироваться через внутреннюю мембрану митохондрий вследствие отсутствия соответствующего переносчика, он восстанавливается до малата, переносится в цитозоль, где снова окисляется. На оксалоацетат действует фермент фосфоенолпируваткарбоксикиназа, что превращает его в фосфоэнолпируват, используя для этого фосфатную группу ГТФ:

Как видно, эта сложная последовательность реакций обратной к последней реакции гликолиза, и соответственно первой реакцией глюконеогенеза. Такой обходной путь используется, потому что преобразования фосфоэнолпируват до пирувата очень екзергонична необорона реакция.

В эукариотических клетках с анаэробных условиях (например в очень активных скелетных мышцах, погруженных в воду растительных тканях и солидных опухолях), а также в молочнокислых бактерий, происходит процесс молочнокислого брожения, при котором пируват является конечным акцептором электронов. Принимая пару электронов и протонов от НАДH пировиноградная кислота восстанавливается до молочной, катализирует реакцию лактатдегидрогеназа (ΔG = -25,1 кДж / моль).

Эта реакция необходима для регенерации НАД +, необходимого для протекания гликолиза. Несмотря на то, что суммарно в процессе молочнокислого брожения не происходит окисления глюкозы (соотношение C: H как для глюкозы, так и для молочной кислоты равно 1: 2), выделенной энергии достаточно для синтеза двух молекул АТФ.

Пируват является исходным веществом и для других типов брожения, таких спиртовое, маслянокислое, пропионовокислое т.

В организме человека пируват может использоваться для биосинтеза заменяемой аминокислоты аланина путем переаминирования с глутамата (обратная реакция описанной выше переаминирования между аланином и α-кетоглутаратом). У бактерий он участвует в метаболических путях образования таких незаменимых для человека аминокислот как валин, лейцин, изолейцин а также лизин.

Структура

Ферменты Аббревиатура Кофакторы # субъединицы прокариот # субъединицы эукариоты
E1 TPP (тиаминпирофосфат) 24 30
E2 липоатный кофермент А 24 60
E3 FAD NAD + 12 12


Механизм PDC с пируватом (R = H)

Пируватдегидрогеназа (E1)

Первоначально пируват и тиаминпирофосфат (TPP или витамин B 1 ) связываются субъединицами пируватдегидрогеназы . Тиазолиевое кольцо ТЭС находится в цвиттерионных форме, и анионные C2 углерод выполняет нуклеофильную атаку на С2 (кетон) карбонил пируваты. Полученный гемитиоацеталь подвергается декарбоксилированию с образованием эквивалента ацильного аниона (см. Химию циангидрина или альдегид-дитиан умполунг , а также конденсацию бензоина ). Этот анион атакует S1 окисленных липоатов, которые присоединены к остатку лизина . В S N 2-подобном механизме раскрытия кольца S2 замещается как сульфидный или сульфгидрильный фрагмент. Последующий коллапс тетраэдрического гемитиоацеталя выбрасывает тиазол, высвобождая кофактор TPP и генерируя тиоацетат на S1 липоата. Процесс, катализируемый E1, является лимитирующей стадией всего комплекса пируватдегидрогеназы.

Дигидролипоил трансацетилаза (E2)

На данный момент, липоаты-тиоэфир функциональность транслоцируется в dihydrolipoyl transacetylase активного сайта (Е2), где реакция transacylation передает ацетил из «поворотного кронштейна» от lipoyl к тиолу коэнзим А . Это производит ацетил-КоА , который высвобождается из ферментного комплекса и впоследствии входит в цикл лимонной кислоты . E2 также может быть известен как липоамидредуктаза-трансацетилаза.

Дигидролипоилдегидрогеназа (E3)

Dihydrolipoate , по- прежнему связан с остатком лизина комплекса, затем мигрирует к dihydrolipoyl дегидрогеназе (E3) активному сайт , где он подвергается Flavin опосредованного окисления, идентичного по химии к дисульфидной изомеразе . Во-первых, FAD окисляет дигидролипоат обратно до состояния покоя липоата, производя FADH 2 . Затем кофактор NAD + окисляет FADH 2 обратно до состояния покоя FAD, производя NADH.

Quiz

1. Which of these amino acids needs more than one enzyme to be converted to pyruvate?A. GlycineB. AlanineC. SerineD. All of the above

2. Why is the conversion of PEP to pyruvate one of the rate limiting steps in glycolysis?A. It generates the most important molecule of glycolysisB. It is one of the slower reactions in the pathwayC. The enzyme, pyruvate kinase, is present in low concentrationD. It is an irreversible reaction

3. Which of these is a function of pyruvate?A. Fermentation to lactate during aerobic respirationB. Epigenetic modifications of the mitochondrial genomeC. Participation in the generation of glucoseD. All of the above

Что такое пируват?

Собственно говоря, когда речь идет о пирувате, имеется в виду целая группа веществ — соли пировиноградной кислоты (pyruvic acid) CH3C(O)COOH. Пировиноградная кислота является одним из ключевых метаболитов в аэробном гликолизе — расщеплении глюкозы при участии кислорода. В отличие от молочной кислоты — продукта анаэробного гликолиза -она практически полностью расходуется в различных биохимических процессах и не накапливается. Дальнейшие превращения ведут в конечном счете к образованию углекислого газа и воды.

Благодаря высокой реакционной способности и наличию нескольких активных позиций, пировиноградная кислота может превращаться в другие органические кислоты и таким образом входить в «энергетическую цепь» клеток.

Одна из основных ролей пировиноградной кислоты в организме — участие в синтезе ряда интермедиатов цикла Кребса. Этот цикл называемый еще циклом трикарбоновых кислот, имеет огромное значение в энергообеспечении жизненных процессов. Пировиноградная кислота включается в него через стадию ацетилирования ацетилкоферментом А.

Здесь стоит немного углубиться в биохимию. Известно, что углеводы способствуют усвоению жиров. Предположительно, активным агентом, активирующим липолитические ферменты, является именно пировиноградная кислота. Кроме того, она способна превращаться в аланин, одну из ключевых аминокислот в энергетическом глюкозо-аланиновом цикле. Как известно, аланин служит сырьем для получения глюкозы. Следовательно, пируват является промежуточной ступенью глюконеогенеза и накопления гликогена.

Сама пировиноградная кислота очень нестабильна. В природе встречаются ее соли — натриевая, кальциевая, калийная. Особенно богаты ими яблоки, виноградное вино, сыр и темное пиво. Из пищевых источников организм может получить до 2 г различных пируватов в день.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Андрей Измаилов
Наш эксперт
Написано статей
116
Добавить комментарий