72Глава 4 Цикл трикарбоновых кислот

Таким образом, в одном цикле образуется 12 АТФ:

3 × 3 АТФ + 2 × 1 АТФ + 1 АТФ = 12 АТФ

Одна молекула глюкозы окисляется до 2 молекул пирувата в ходе гликолиза. Далее 2 молекулы пирувата окисляются до 2 молекул ацетил-КоА с образованием 2 NADH. Каждая молекула ацетил-КоА поступает в ЦТК и даёт клетке 12 АТФ. Таким образом, полное окисление глюкозы при участии кислорода даёт 38 АТФ (см. ).

Рис. 21. Энергетический баланс полного окисления глюкозы.

4.4Регуляция ЦТК и окислительного декарбоксилирования пирувата

АРегуляция пируватдегидрогеназного комплекса

Окислительное декарбоксилирование пирувата — необратимый процесс, приводящий к образованию ацетил-КоА. Регуляция этого процесса крайне важна для клеток и организма в целом. Она осуществляется с помощью двух механизмов:

1. Аллостерическая регуляция:

а. АТФ, NADH и ацетил-КоА ингибируют пируватдегидрогеназный комплекс. Они конкурируют с молекулами NAD+ и КоА за активные центры. Кроме этого, они меняют направление реакций, катализируемых E2 и E3 (в обратную сторону). Высокие показатели соотношений [NADH] / [NAD+] и [Ацетил-КоА] / [КоА] поддерживают E2 в ацетилированной форме, что препятствует передаче на

Регуляция ЦТК и окислительного декарбоксилирования пирувата 73

него гидроксиэтильной группы от E1 • тиамин-пирофосфата. В результате тиаминпирофосфат так и остаётся связанным с гидроксиэтильной группой, и скорость декарбоксилирования пирувата снижается.

б. NAD+ и Кофермент А оказывают обратный эффект — активируют мультиферментный комплекс.

2.Ковалентная модификация E1 (фосфорилирование/дефосфорилирование):

а. У эукариот продукты окислительного декарбоксилирования пи-

рувата — NADH и ацетил-КоА — активируют киназу пируватде-

гидрогеназы1. Киназа фосфорилирует пируватдегидрогеназный комплекс по остаткам серина и выключает его. Биохимический смысл такой регуляции заключается в том, что при достаточном количестве энергии в клетке нет необходимости окислять пируват до ацетил-КоА и направлять его в ЦТК.

б. Молекулы пирувата и АДФ оказывают прямо противоположный эффект на киназу пируватдегидрогеназы, ингибируя её. Ионы

Ca2+ не только ингибируют киназу, но и активируют фосфатазу пируватдегидрогеназы, которая дефосфорилирует пируватдегидрогеназный комплекс и включает его. Такой же эффект оказы-

вает инсулин: он активирует фосфатазу пируватдегидроге-

назы. Таким образом, инсулин и кальций ускоряют процесс окисления пирувата до ацетил-КоА, а значит, и весь процесс накопления энергии в виде АТФ.

БРегуляция ЦТК

Врегуляции ЦТК участвуют 3 ключевых фермента: цитратсинтаза, изоцит-

ратдегидрогеназа и α-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс. Эти ферменты исполь-

зуют три простых механизма регуляции:

1.Регуляция с помощью количества субстрата (его доступности).

2.Ингибирование метаболитами цикла по механизму отрицательной обратной связи.

Регуляция с помощью количества субстрата

Самыми главными регуляторами ЦТК являются его субстраты — ацетил-КоА и оксалоацетат — и его продукт — NADH. Ацетил-КоА и оксалоацетат находятся в митохондриях в тех концентрациях, которые не насыщают цитратсинтазу. Поэтому скорость работы этого фермента повышается, когда возрастает и концентрация его субстратов.

1Обычно киназа пируватдегидрогеназы связана с пируватдегидрогеназным комплексом (входит в состав мультиферментной частицы).

Проиллюстрируем на примере. Концентрация оксалоацетата уравновешена с концентрацией малата и зависит от соотношения [NADH] / [NAD+] (последняя реакция ЦТК). Запишем константу равновесия для этой реакции:

При интенсивной работе мышц и дыхательной системы концентрация NADH снижается. При снижении NADH равновесие последней реакции сдвигается в сторону образования оксалоацетата (по принципу Ле Шателье). Повышение концентрации оксалоацетата стимулирует цитратсинтазную реакцию и повышает скорость образования цитрата из оксалоацетата и ацетил-КоА.

Ингибирование метаболитами цикла

Цитратсинтаза ингибируется целым рядом соединений: цитрат (продукт реакции), NADH, АТФ, сукцинил-КоА (конкурирует с ацетил-КоА за активный центр), ацетил-КоА (сигнал о достаточном количестве энергии в клетке).

Изоцитратдегидрогеназа активируется ионами Ca2+ и молекулами АДФ (сигнал о снижении доступной энергии в клекте), ингибируется молекулами NADH и АТФ.

α-Кетоглутаратдегидрогеназный комплекс активируется ионами Ca2+ и мо-

лекулами АМФ и АДФ (это говорит об увеличении потребности клетки в энергии АТФ), ингибируется сукцинил-КоА и NADH (см. Рис. 22).

Основным ингибитором всех трёх ферментов ЦТК является восстановленный NADH. Его избыток в митохондриях сигнализирует о достаточном количестве энергии (и молекул АТФ).