Регуляция общего пути катаболизма

Скорости функционирования пируватдегидрогеназного комплекса (ПДК) и цикла трикарбоновых кислот (ЦТК) точно соответствуют потребности клеток в молеку­лах ацетил-КоА (необходимых для синтеза липидов) и АТФ (используемых в каче­стве универсального источника энергии). Регуляция ПДК(1) и ЦТК (2,3,4):

Общим принципом регуляции пируватдегидрогеназного комплекса (ПДК) и цикла трикарбоновых кислот (ЦТК), процессов независимых, но функционально тесно связанных, является то, что они совместно активируются при низком энергетиче­ском потенциале клетки. И совместно ингибируются при высоком энергетическом клеточном потенциале.

Энергетический потенциал клетки определяется концентрацией молекул АТФ, НАДН, ацетил-КоА. Это такие молекулы, которые готовы отдать энергию в раз­личных процессах (АТФ), или отдать электроны высоких энергий для синтеза АТФ (НАДН), или готовы к отдаче высокоэнергетических электронов как ацетил-КоА (для образования НАДН, а впоследствии АТФ).

При высоком энергетическом потенциале клетки велики внутриклеточные кон­центрации молекул АТФ и НАДН. Это вызывает торможение ПДК и ЦТК. При низком энергетическом потенциале клетки внутриклеточные концентрации АТФ и НАДН снижаются и увеличиваются концентрации таких молекул как АДФ, НАД⁺. Они активируют оба процесса (ПДК и ЦТК). Происходит ускоренный распад глюкозы до пирувата (активируется специфический катаболизм) и ус­коряется преобразование пирувата в ацетил-КоА, происходит ускоренное образо­вание молекул НАДН и ФАДН₂, переносящих электроны в процесс окислительно­го фосфорилирования для синтеза АТФ (активируется общий путь катаболизма). Энергетический потенциал клетки характеризует отношение АТФ/АДФ и НАДН/над⁺.

Механизмы регуляции цитратного цикла

Главным и основным регулятором ЦТК является оксалоацетат, а точнее его доступность. Наличие оксалоацетата вовлекает в ЦТК ацетил-SКоА и запускает процесс.

Обычно в клетке имеется баланс между образованием ацетил-SКоА (из глюкозы, жирных кислот или аминокислот) и количеством оксалоацетата. Источником оксалоацетата является глюкоза (синтез из пирувата в анаплеротической реакции), поступление из фруктовых кислот самого цикла (яблочной, лимонной), образование из аспарагиновой кислоты в результате трансаминирования.

1. Первая цитратсинтазная реакция образования цитрата из оксалоацетата и ацетилтил-КоА - важнейшая регуляторная реакция всего цикла. Реакция активируется оксалоацетатом - субстратом реакции, и ингибируется продуктом - цитратом. Увеличение энергетического потенциала клетки (увеличение отноше­ния НАДН/ НАД⁺, концентрация АТФ) тормозит образование цитрата. АТФ - аллостерический ингибитор цитратсинтазы. Его действие заключается в повышении К_м для ацетил-КоА. Поэтому с увеличением содержания АТФ снижается насыще­ние фермента ацетил-КоА и в результате уменьшается образование цитрата. Ингибируют реакцию Сукцинил-КоА и длинноцепочечные жирные кислоты.

2. Изоцитрат-дегидрогеназная реакция аллостерически активируется АДФ, изоцитратом, субстратом реакции и Са⁺⁺ (3 на рис.). Фермент состоит из 8 каталитических субъединиц и при связывании первой молекулы субстрата в одной субъ­единице за счет конформационных изменений в других резко ускоряется присоединение последующих молекул субстрата, что ускоряет ферментативную реак­цию (положительный кооперативный эффект).

Фермент аллостерически активируется АДФ и Са⁺⁺, поскольку имеет аллостерические центры связывания АДФ и Са на каждой субъединице. НАДН имеет более высокое сродство к каталитическому центру фермента, чем НАД⁺ и вытесняет его, что ингибирует ферментативную активность (механизм конкурентного ингибирования).

3. а-Оксоглутарат дегидрогеназный комплекс (4 на рис.) катализирующий пре­образование а-оксоглутарата (а-кетоглутарата) в сукцинил-КоА, структурно по­добен и гомологичен пируват-дегидрогеназному комплексу, но в отличие от ПДК, не имеет регуляторных белков в своем составе. а-Оксоглутарат дегидрогеназный комплекс активируется АМФ, АДФ, Са⁺⁺, но ингибируется Сукцинил-КоА, АТФ, НАДН.

АМФ, АДФ - положительные аллостерические регуляторы ферментативного комплекса. Так, связывание АМФ ферментативным комплексом уменьшает К_м для а-кетоглутарата в 10 раз. В области физиологических концентраций и сукцинил-КоА и НАДН (продукты реакции) обладают ингибирующим эффектом, дей­ствуя по механизму конкурентного ингибирования. Главным регулятором актив­ности а-оксоглутарат дегидрогеназного комплекса является сукцинил-КоА.