Окислительное декарбоксилирование
Окислительное декарбоксилирование — реакция декарбоксилирования, вызванная окислением . Большинство из них сопровождается α-кетоглутаратом α-декарбоксилированием, вызванным дегидрированием гидроксильных карбоновых кислот, таких как карбонилкарбоновая кислота, яблочная кислота , изолимонная кислота и т. д. [1]
Различия между окислительным декарбоксилированием и простым декарбоксилированием
[ редактировать ]Пируватная каталитическая реакция, катализируемая пируватдегидрогеназной системой , представляет собой особый метод декарбоксилирования, а именно окислительное декарбоксилирование, который отличается от обычной реакции декарбоксилирования, а именно обычного декарбоксилирования.
Реакция окислительного декарбоксилирования катализируется пируватдегидрогеназной системой, в состав которой входят три различных фермента: пируватдегидрогеназа (Е1), дигидролипоамидацетилтрансфераза (Е2), дигидролипоамиддегидрогеназа (Е3), шесть кофакторов: тиаминпирофосфат (ТПП), липоамид , кофермент А (КоА). ), флавинадениндинуклеотид (ФАД), ион магния и один ко-субстрат: никотинамидадениндинуклеотид (НАД+). [2]
В ходе реакции Е1 участвует в декарбоксилировании пировиноградной кислоты ТПП присоединяет ацетильную группу , а затем после реакции . Карбонильная группа ацетильной группы реагирует с карбонильной группой углерод-отрицательного иона тиазольного кольца ТФП с образованием гидроксиэтила . Затем, катализируя E2, TPP отправляет гидроксиэтил в липоамид , который повторно окисляется до ацетила с образованием тиоэфирной связи. В это время соединение представляет собой ацетилдигидролипоамид, который затем катализируется E2 и ацетил переносится с образованием ацетил-КоА, все вышеперечисленные реакции включают только реакцию декарбоксилирования и не включают перемещение H, в то время как реальный дегидрирования эффект Пируватдегидрогеназная система отразится на следующем этапе реакции. Ацетилдигидролипоамид без ацетильной группы теряется, то есть дигидролипоамид необходимо повторно окислить до липоамида, чтобы снова участвовать в реакции. В это время Е3 должен участвовать в каталитической реакции, а водород, удаленный из дигидролипоамида, будет передан в ФАД, чтобы сделать его ФАДН2, ФАДН2 реагирует с НАД+ с образованием НАДН и Н+.
Подводя итог, можно сказать, что в реакции окислительного декарбоксилирования есть как реакция окисления, так и декарбоксилирование.
В простой реакции декарбоксилирования ферментом, участвующим в этой реакции, является пируватдекарбоксилаза, которая отличается от окислительного декарбоксилирования. В ходе реакции пируват напрямую соединяется с тиазольным кольцом ТФП, а карбоксильная группа пирувата после соединения удаляется с образованием углекислого газа. Затем гидроксиэтил отделяли от ТФП с получением ацетальдегида. [2]
Мостиковый гликолиз и цикл лимонной кислоты
[ редактировать ]
Пируват, продукт гликолиза в аэробных условиях, является точкой метаболического ветвления. Прежде чем проследить основной путь аэробного метаболизма от гликолиза до цикла лимонной кислоты , мы рассмотрели пируват в перспективе, рассмотрев его различные возможные судьбы. Мы также рассматриваем более широкий контекст распространенных реакций карбоксилирования и декарбоксилирования в биохимии.
Наиболее важной судьбой пирувата, по крайней мере для наших нынешних целей, является его окислительное декарбоксилирование до ацетил-КоА. Эта реакция катализируется очень большим собранием ферментных субъединиц, называемым комплексом пируватдегидрогеназы (комплекс ПДГ или часто просто «ПДГ»). Эта большая супрамолекулярная сборка содержит множество копий трех разных типов субъединиц. Эти субъединицы катализируют различные стадии общей реакции. Центральное место в работе комплекса ПДГ занимает ключевой каталитический кофактор – тиаминпирофосфат (TPP). Мы внимательно изучим химию этого необычного и важного кофактора. [3]
Реакции карбоксилирования и декарбоксилирования.
[ редактировать ]Определим реакцию карбоксилирования как присоединение звена CO 2 к молекуле субстрата, а декарбоксилирование – как потерю CO 2 . Реакции декарбоксилирования обычно весьма термодинамически выгодны из-за энтропийного вклада расщепления одной молекулы на две, одна из которых представляет собой газ. И наоборот, мы можем ожидать, что реакции карбоксилирования будут энергозатратными, и нам не следует удивляться, узнав, что гидролиз АТФ сочетается с карбоксилированием. Наиболее известные реакции карбоксилирования в биохимии катализируются биотинзависимыми карбоксилазами и RuBisCO. [4]
Биохимия тиамина
[ редактировать ]Декарбоксилирование в метаболизме может быть как неокислительным, так и окислительным. В отличие от относительно легкого декарбоксилирования β-кетокислот, декарбоксилирование α-кетокислот представляет собой механистическую проблему. Тиаминпирофосфат (TPP) дает биохимический и ферментологический ответ.
TPP является ключевым каталитическим кофактором, используемым ферментами, катализирующими неокислительное и окислительное декарбоксилирование α-кетокислот. Пируват, например, подвергается обоим типам декарбоксилирования, оба с участием TPP. В ферментативных организмах пируват неокислительно декарбоксилируется с помощью TPP-зависимого фермента пируватдекарбоксилазы. В составе комплекса ПДГ ТПП способствует окислительному декарбоксилированию пирувата. TPP является настоящим каталитическим кофактором. По механистическому признаку, общему для всех реакций, ТФП является переносчиком активированных альдегидных фрагментов. Водород, присоединенный к углероду C2 тиазольного кольца TPP, демонстрирует необычно низкое значение pKa. Дефицит тиамина лежит в основе расстройства бери-бери.
Комплекс пируватдегидрогеназы (ПДГ)
[ редактировать ]Окислительный метаболизм влечет за собой дальнейший катаболизм пирувата. Пируватдегидрогеназа, или комплекс ПДГ, осуществляет процесс окислительного декарбоксилирования, в результате которого из пирувата образуется ацетил-КоА. Комплекс ПДГ служит связующим звеном между гликолизом и циклом лимонной кислоты и необходим для окислительного метаболизма . Активность PDH включает три различных фермента , четыре активности и пять различных кофакторов. [5] [6] [7]
Этапы комплекса PDH:
(1) декарбоксилирование (E1, образование гидроксиэтил-ТФП)
(2) окисление (перенос ацетильной группы на липоамид)
(3) перенос ацетильной группы от ацетиллипоамида к КоА)
(4) окисление дигидролипоамида в липоамид (Е3, ФАД, НАД+)
Ацетил-КоА, который участвует в цикле лимонной кислоты. Это преобразование, окислительное декарбоксилирование пирувата с образованием тиоэфирного продукта, осуществляется с помощью сложного и захватывающего мультиферментного комплекса, известного как комплекс пируватдегидрогеназы (также иногда сокращенно PDC).
Множественные копии трех различных ферментов составляют супрамолекулярную структуру, которая координирует четырехэтапный процесс превращения пирувата α-кетокислоты в тиоэфир (с коферментом А) ацетата, а также реакции переноса электрона (окислительно-восстановительные реакции), в результате которых образуется НАДН . В реакциях комплекса участвуют пять кофакторов. E1 представляет собой пируватдегидрогеназу, которая использует тиаминпирофосфат (TPP) в качестве кофактора для декарбоксилирования пирувата и переноса оставшегося гидроксиэтильного фрагмента на липоамидный кофактор , присоединенный к E2. Это приводит к образованию ацетиллипоамида, что эквивалентно восстановлению липоамида (и окислению гидроксиэтильного фрагмента), что становится ясно при последующем переносе ацетильного остатка на кофермент А, катализируемом Е2, ацетилтрансферазой и Е3, который регенерирует липоамид из дигидролипоамид — дигидролипоилдегидрогеназа .
Начиная с левой стороны, тиазолиевая форма кофактора TPP , которая представляет собой карбанион, образующийся в результате потери H+ из необычно кислого C2 тиазольного кольца, атакует карбонильный углерод пирувата, образуя соединение присоединения, показанное вверху. фигуры. Это присоединение может легко подвергаться декарбоксилированию (потере диоксида углерода), при этом продукт гидроксиэтил ТФП стабилизируется резонансом. Следующим этапом является перенос гидроксиэтильного фрагмента из ТФП в окисленную форму липоамидного кофактора. Гидроксиэтильная группа богата электронами и при реакции с липоамидом фактически окисляется до карбоксильного уровня окисления, тогда как липоамид восстанавливается. Эту реакцию можно разделить на две стадии, где на первой стадии богатый электронами атом углерода гидроксиэтильной группы, присоединенной к ТФП, атакует - как сильный нуклеофил - один из относительно электронодефицитных атомов серы внутримолекулярного дисульфида окисленного липоамида. . В результате образуется промежуточное соединение, показанное на рисунке слева внизу, которое имеет форму гемитиокетала. На следующем этапе, когда TPP уходит как уходящая группа, забирая с собой электроны из связи в гидроксиэтильную группу, гидроксиэтил рекрутирует электроны из связи OH, чему способствует удобно расположенное основание, полученное ферментом, для принятия образующегося иона водорода. . Результатом этих двух стадий является производство тиоэфира ацетиллипоамида и регенерация кофактора TPP. Все эти реакции катализируются E1, или пируватдегидрогеназа , компонент комплекса ПДГ.
Остальная часть химического состава комплекса PDH показана внизу рисунка. Ацетильная группа переносится от восстановленного липоамида к коферменту А (КоА) за счет активности Е2, или дигидролипоилтрансацетилазы , компонента комплекса. Это изоэнергетическое превращение одного тиоэфира в другой. Свободный дигидролипоамид (восстановленная форма липоамида) должен быть повторно окислен, и это достигается за счет активности Е3, или дигидролипоилдегидрогеназы , компонента комплекса ПДГ. Обратите внимание, что кофактором E3 является прочно связанная молекула флавинадениндинуклеотида (FAD). Электроны от дигидролипоамида передаются через ФАД на НАД+, образуя НАДН. Это примечательно, поскольку в обычном порядке восстановительных потенциалов восстановление ФАД НАДН было бы энергетически выгодным процессом. По-видимому, специфическое белковое окружение может нарушать потенциалы восстановления окислительно-восстановительных групп так же, как они способны нарушать рКа ионизируемых групп.
Очень похожая серия реакций осуществляется в рамках цикла лимонной кислоты мультиферментным комплексом α-кетоглутаратдегидрогеназы, который также тесно связан с комплексом PDH по составу и структуре, с использованием того же компонента E3 и E1, который действует на α-кетоглутарате в качестве субстрата вместо пирувата. В данном случае Е2 представляет собой сукцинилтрансферазу, а сукцинил-КоА — тиоэфирный продукт.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Дэджун, Чжоу (2012). Механизм органической реакции . Пресса химической промышленности.
- ^ Перейти обратно: а б Исянь, Льв. Органическая химия. 7-е издание .
- ^ Роджер, Л. Мисфельд; Меган, М. МакЭвой. Биохимия .
- ^ Дональд, Воэт; Джудит, Г. Воэт; Шарлотта, В. Пратт. Основы биохимии .
- ^ Патель, М.С.; Корочкина, Л.Г. (2003). «Биохимия комплекса пируватдегидрогеназы». Биохим Мол Биол Образование .
- ^ Стонтон, Дж. Первичный метаболизм (1978). Механистический подход . Издательство Оксфордского университета.
- ^ Сильверман, РБ (2002). Органическая химия ферментативно-катализируемых реакций . Академическая пресса.