Полезные материалы за все 6 курсов / Учебники, методички, pdf / Биохимия

Так как отношения АДФ/АТФ и НАДН/НАД+ в клетке относительно постоянны, ускорение утилизации АТФ приводит к повышению концентрации АДФ и ускорению окисления НАДН в дыхательной цепи. Повышение концентрации НАД+, в

свою очередь, стимулирует окислительное декарбоксилирование пирувата.

Напротив, повышение концентрации АТФ и НАДН снижает скорость этого процесса.

Таким образом, изменения отношений АДФ/АТФ и НАДН/ НАД+ — важнейшие 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 ацетил-КоА.

Цикл лимонной кислоты

Цикл лимонной кислоты (цитратный цикл, цикл Кребса, цикл трикарбоновых кислот, ЦТК) — заключительный этап катаболизма, в котором углерод ацетильного остатка ацетил-КоА окисляется до 2 молекул СO2. Атомы водорода,

освобождающиеся в окислительно-восстановительных реакциях, доставляются в ЦПЭ при участии NAD- и FAD-зависимых дегидрогеназ, в результате чего происходят синтез воды и окислительное фосфорилирование АДФ. Связь между атомами углерода в ацетилКоА устойчива к окислению. В условиях организма окисление ацетильного остатка происходит в несколько этапов, образующих циклический процесс из 8 реакций :

Общая схема цитратного цикла

Цифры 1-8 обозначают реакции цитратного цикла. Цикл начинается с того, что ацетильный остаток конденсируется с оксалоацетатом, в

результате чего образуется шестиуглеродное соединение — цитрат. На образование цитрата в каждом обороте цикла расходуется одна молекула оксалоацетата; в результате завершения цикла происходит регенерация оксалоацетата. Таким образом, одна молекула оксалоацетата может многократно использоваться для окисления ацетильных остатков.

Общая характеристика и энергетическое значение цитратного цикла

Образованием оксалоацетата завершается один оборот цитратного цикла.

В одном обороте цикла лимонной кислоты в 2 реакциях декарбоксилирования

(превращение изоцитрата в α-кетоглутарат и α-кетоглутарата в сукцинил-КоА)

происходит образование 2 молекул СO2. В 4 реакциях цитратного цикла происходит дегидрирование с образованием восстановленных коферментов: 3 молекул NАDН +

Н+ и 1 молекулы FАDН2 в составе сукцинатдегидрогеназы. Наконец, на один оборот цикла затрачивается 2 молекулы воды: одна — на стадии образования цитрата,

вторая — на стадии гидратации фумарата.

Восстановленные коферменты (3 молекулы NАDН и 1 молекула FАDН2),

образованные в цикле лимонной кислоты, отдают электроны в ЦПЭ на кислород — конечный акцептор электронов. Восстановленный кислород взаимодействует с протонами с образованием воды.

На каждую молекулу NАDН при образовании молекулы воды в процессе тканевого дыхания синтезируются 3 молекулы АТФ, а на каждую молекулу FАDН2 —

2 молекулы АТФ:

Схема взаимосвязи общего пути катаболизма и ЦПЭ

Таким образом, каждый оборот цикла лимонной кислоты сопровождается синтезом 11 молекул АТФ путём окислительного фосфорилирования. Одна молекула АТФ образуется путём субстратного фосфорилирования.

В итоге на каждый ацетильный остаток, включённый в цитратный цикл,

образуется 12 молекул АТФ.

Регуляция общего пути катаболизма

Скорость синтеза АТФ строго соответствует энергетическим потребностям клетки. Это достигается согласованной регуляцией всех этапов заключительного пути катаболизма, включающего превращение пирувата в ацетил-КоА, цитратный цикл и ЦПЭ. В большинстве тканей, где главная функция общего пути катаболизма — обеспечение клетки энергией, важную роль в регуляции играет дыхательный контроль.

Увеличение скорости утилизации АТФ для совершения различных видов работы увеличивает концентрацию АДФ, что ускоряет окисление NADH в ЦПЭ и,

следовательно, повышает скорость реакций, катализируемых NAD-зависимыми дегидрогеназами. Окисление пирувата и ацетил-КоА может происходить только в том случае, если электроны и протоны от NADH и FADH2 поступают в ЦПЭ. Таким образом, отношения АДФ/АТФ и NADH/NAD+ — главные модуляторы скорости реакций общего пути катаболизма (ОПК).

Как известно, скорость метаболических путей, которые должны обеспечивать постоянный уровень конечных продуктов, таких, как АТФ, регулируется на уровне реакций, катализируемых регуляторными ферментами. На заключительном этапе катаболизма наиболее важные регуляторные ферменты —

ПДК, цитратсинтаза, изоцитратдегидрогеназа и α-кетоглутаратдегидрогеназный

комплекс.

Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса

Активность пируватдегидрогеназного комплекса регулируется

различными способами: доступностью субстратов, ингибированием продуктами

реакции, аллостерически и путём ковалентной модификации.

Ковалентная модификация ПДК осуществляется фосфорилированием и дефосфорилированием. В состав ПДК входят 2 регуляторных субъединицы. Одна из них, киназа ПДК, фосфорилирует ПДК в определённых участках по остаткам серина.

При фосфорилировании ПДК инактивируется. Другая регуляторная субъединица,

фосфатаза, дефосфорилирует фермент, превращая его в активную форму:

Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса

При повышении концентрации АДФ ПДК находится в нефосфорилированной активной форме. Этот эффект усиливается в некоторых клетках при повышении концентрации внутриклеточного Са2+, который активирует фосфатазу ПДК. Такой механизм активации ПДК особенно важен в мышцах и жировой ткани.

Продукты пируватдегидрогеназной реакции (ацетил-КоА и НАДН)

аллостерически активируют киназу ПДК. Активированная киназа фосфорилирует и инактивирует ПДК. Таким образом, при накоплении НАДH и ацетил-КоА тормозится превращение пирувата в ацетилКоА. Такая ситуация создаётся, например, в печени при голодании: из жировых депо в печень поступают жирные кислоты, из которых образуется ацетил-КоА. В присутствии высокомолекулярных жирных кислот ингибирование ПДК усиливается. Пируват при этом не окисляется и может быть использован для синтеза глюкозы.

Пируват аллостерически активирует нефосфорилированную форму ПДК,

действуя согласованно с другими субстратами — НАД+ и КоА. Активация ПДК происходит также под влиянием инсулина. Один из эффектов инсулина — повышение концентрации внутримитохондриального Са2+. При повышении концентрации Са2+ ПДК активируется. Этот механизм особенно важен в жировой ткани, где ацетил-КоА необходим для синтеза жирных кислот. В клетках миокарда ПДК активируется адреналином, однако это влияние адреналина не связано с изменением концентрации цАМФ.

Регуляция цитратного цикла

В большинстве случаев скорость реакций в метаболических циклах определяется их начальными реакциями. В ЦТК важнейшая регуляторная реакция — образование цитрата из оксалоацетата и ацетилКоА, катализируемая

цитратсинтазой. Эта реакция ускоряется при повышении концентрации оксалоацетата — субстрата реакции и тормозится продуктом реакции — цитратом.

Когда отношение НАДH/НАД+ снижается, скорость окисления малата в оксалоацетат возрастает. Повышение концентрации оксалоацетата ускоряет цитратсинтазную реакцию. Скорость реакции снижается при повышении концентрации АТФ, сукцинил-

КоА и длинноцепочечных жирных кислот. Однако точный механизм влияния этих метаболитов на цитратсинтазу недостаточно ясен.

Изоцитратдегидрогеназа, олигомерный фермент, состоит из 8 субъединиц.

Присоединение изоцитрата к первой субъединице вызывает кооперативное изменение конформации других, увеличивая скорость присоединения субстрата.

Фермент аллостерически активируется АДФ и Са2+, которые присоединяются к ферменту в разных аллостерических центрах. В присутствии АДФ конформация всех

субъединиц меняется таким образом, что связывание изоцитрата происходит значительно быстрее. Таким образом, при концентрации изоцитрата, которая существует в митохондриальном матриксе, небольшие изменения концентрации АДФ могут вызвать значительное изменение скорости реакции. Увеличение активности изоцитратдегидрогеназы снижает концентрацию цитрата, что, в свою очередь, уменьшает ингибирование цитратсинтазы продуктом реакции. При повышении концентрации NADH активность фермента снижается.

Регуляция общего пути катаболизма:

1 — ПДК активируется пируватом, NAD+, КоА; ингибируется NADH и ацетил-

КоА; 2 — цитратсинтаза (реакция ускоряется при повышении концентрации оксалоацетата и замедляется при повышении концентрации цитрата, NADH,

АТФ и сукцинил-КоА); 3 — изоцитратдегидрогеназааллостерически активируется АДФ, ионами кальция, ингибируется NADH; 4 — α-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс ингибируется NADH, АТФ и сукцинил-КоА, а активируется ионами кальция.

α- Кетоглутаратдегидрогеназный комплекс, имеющий сходное строение с пируватдегидрогеназным, в отличие от последнего, не имеет в своём составе регуляторных субъединиц. Главный механизм регуляции α-КГ дегидрогеназного комплекса — ингибирование реакции NADH и сукцинил-КоА.

α-Кетоглутаратдегидрогеназный комплекс, как и изоцитратдегидрогеназа,

активируется Са2+, а при повышении концентрации АТФ скорости обеих реакций снижаются.

Анаболические функции нитратного цикла

Цикл лимонной кислоты — один из амфиболических путей метаболизма. В

нём осуществляются не только окислительные превращения энергетических субстратов до конечных продуктов СO2 и Н2O, но и происходит образование субстратов для других метаболических путей:

Использование метаболитов ЦТК в синтезе различных соединений:

синтез заменимых аминокислот (1, 2, 3), глюкозы (4, 5, 6), жирных кислот (7),

гема (8).

Некоторые промежуточные продукты цикла лимонной кислоты: α-

кетоглутарат, сукцинат, оксалоацетат могут использоваться для синтеза заменимых аминокислот.

Убыль промежуточных продуктов цикла восполняется в реакциях,

катализируемых специфическими ферментами. Реакции, обеспечивающие пополнение фонда промежуточных продуктов ЦТК, называются анаплеротическими

(пополняющими). Важнейшая из них — реакция синтеза оксалоацетата из пирувата.

Эту реакцию катализирует митохондриальный фермент — пируваткарбоксилаза: