Биоэнергетика цикла трикарбоновых кислот
Величины изменений ΔG0’отдельных реакций цикла представлены в табл:
Таблица № 2: Свободная энергия ΔG0' реакций цикла трикарбоновых кислот.
Суммарное изменение ΔG0при окислении ацетил-СоА составляет -62,2 кДж на 1 моль, т.е. цикл трикарбоновых кислот термодинамически выгоден. Реакции 2 и 8 должны были бы препятствовать осуществлению остальных реакций. Однако реакция 2 сопряжена с реакциями 3,4,5, имеющими отрицательное значение ΔG0', а реакция 8 — с реакцией 1, имеющей ΔG0'= -38,1 кДж*моль-1, что и предопределяет ход цикла трикарбоновых кислот в целом.
Регуляция превращения пирувата в ацетил-СоА и цикла трикарбоновых кислот
Поскольку цикл трикарбоновых кислот занимает центральное положение в обмене веществ и энергии, его регуляция играет "топлива", т.е. ацетил-СоА, предшественниками которого являются пируват и жирные кислоты. Важную роль в регуляции поставки аце-тил-СоА играет ковалентная модификация пируватдегидрогеназного комплекса. В качестве вспомогательных ферментов в регуляции пируватдегидрогеназного комплекса служат киназа пируватдегидрогеназы и фосфатаза фосфопируватдегидрогеназы.
Киназа пируватдегидрогеназы при достаточно высокой концентрации АТР в клетке катализирует реакцию фосфорилирования серинового остатка в активном центре пируватдегидрогеназы, что приводит к образованию неактивной формы фермента — фосфопируватдегидрогеназы.
Активация неактивной пируватдегидрогеназы осуществляется при снижении уровня АТР в клетке, что происходит в результате отщепления фосфатной группы от серинового остатка под действием фосфатазы фосфопируватдегидрогеназы. Важно отметить, что активаторами фосфатазы фосфопируватдегидрогеназы являются ионы Са2+, концентрация которых увеличивается при дефиците АТР. Кроме того, роль аллостерических ингибиторов пируватдегидрогеназного комплекса играют NADH и ацетил-СоА. Вполне логично можно было бы считать, что и "входная" реакция в цикл — конденсация ацетил-СоА с оксало-ацетатом — важная регуляторная реакция цикла. Действительно, ее скорость находится в тесной взаимосвязи с наличием в матриксе митохондрий АТР, который является специфическим ингибитором цитратсинтазы в ряде типов клеток.
Установлено, что АТР повышает константу Км для ацетил-СоА; иными словами, с увеличением содержания АТР в реакционной системе снижается насыщение фермента ацетил-СоА и в результате уменьшается скорость синтеза цитрата. Уровень АТР в клетке определяется скоростью окисления NADH в цепи переноса электронов, которая, в свою очередь, зависит от концентрации ADP и Рi. Если в процессе катаболизма образуется больше АТР, чем это необходимо для энергетических потребностей клетки, концентрация ADP падает до низкого уровня, выключая, таким образом, процесс синтеза АТР.
Важную роль в регуляции активности цитратсинтазы играет также концентрация второго субстрата — оксалоацетата, концентрация которого в митохондриях очень низка и зависит от условий метаболизма. Существенное влияние на цитратсинтазу оказывает также концентрация сукцинил-СоА, ингибирующего ферментативную активность за счет снижения сродства к ацетил-СоА. Ингибирующий эффект на фермент могут оказывать также жирные кислоты, являющиеся предшественником ацетил-СоА. Кроме того, роль ингибиторов цитратсинтазы у некоторых организмов могут играть NADH и цитрат.
Второй регуляторной реакцией является окисление изоцитрата, катализируемое NAD-специфичной изоцитратдегидрогеназой. Действие фермента в клетках животных, некоторых микроорганизмов стимулируется ADP или AMP, которые повышают его сродство к субстрату. В растениях роль положительного модулятора изоцитратдегидрогеназной активности играет цитрат. В клетках различных типов NADH и NADPH ингибируют фермент путем конкуренции с NAD+.
Третьей регуляторной реакцией цикла является окислительное декарбоксилирование 2-оксоглутарата, катализируемое 2-оксоглута-ратдегидрогеназным комплексом; ингибиторами этого комплекса являются сукцинил-СоА и NADH Еще одним способом регуляции цикла трикарбоновых кислот, связанным с фосфорилированием адениловой системы, является реакция субстратного фосфорилирования, требующая GDP. В этом случае определяющую роль играет соотношение GTP/GDP.
В заключение можно сказать, что когда величины отношений NADH/NAD+, ATP/ADP, ацетил-СоА/СоА, сукцинил-СоА/СоА высоки, клетка в достаточной мере обеспечена энергией, и поток превращаемых соединений в цикле замедлен. Если эти соотношения низки, клетка испытывает потребность в энергии, и этот поток веществ через цикл ускоряется. Короче говоря, поступление двухуглеродных фрагментов в цикл трикарбоновых кислот и скорость цикла снижаются при высоком уровне энергии в клетке; эти процессы усиливаются при интенсивном расходе энергии.