Регуляция цикла лимонной кислоты.

Основные процессы, которые поставляют и запасают энергию в клетках, могут быть в общей форме изображены следующим образом:

глюкоза пируват ® ацетил-СоА жирные кислоты

AДФ

АТФ

С02

Регуляция этой системы inter alia должна гарантировать постоянное поступление АТФ соразмерно с существующими в данный момент энергетическими потребностями, обеспечивать превращение избытка углеводов в жирные кислоты через пируват и ацетил-СоА и наряду с этим контролировать экономное расходование жирных кислот через ацетил-СоА как ключевой продукт для входа в цикл лимонной кислоты.

Цикл лимонной кислоты поставляет электроны в электронпереносящую систему, в которой поток электронов сопряжен с синтезом АТФ и в меньшей степени снабжает восстановительными эквивалентами системы биосинтеза промежуточных продуктов. В принципе цикл не может протекать быстрее, чем это позволяет использование образуемой АТФ. Если бы весь AДФ клетки превратился в АТФ , не могло бы быть никакого дальнейшего потока электронов от НАДH, который накапливается, к 02. Ввиду отсутствия НAД+, необходимого участника процессов дегидрирования цикла, последний перестал бы функционировать. Существуют более тонкие регуляторные приспособления, которые модулируют действие ферментов в самом цикле лимонной кислоты.

Сукцинатдегидрогеназа находится во внутренней митохондриальной мембране. Все остальные ферменты растворены в матриксе, заполняющем внутреннее пространство митохондрии. Измерения относительных количеств этих ферментов и концентраций их субстратов в митохондриях указывают, что каждая реакция протекает с одинаковой скоростью. Как только пируват (или другой потенциальный источник ацетил-СоА) поступает внутрь матрикса митохондрии, весь цикл протекает внутри этого отсека.

В некоторых участках стимуляция или ингибирование определяется относительными концентрациями НAДH/НAД, ATФ/AДФ или АМФ, ацетил-СоА/СоА или сукцинил-СоА/СоА. Когда эти отношения высоки, клетка достаточно обеспечена энергией и поток через цикл замедлен; когда же они низки, клетка испытывает потребность в энергии, и поток через цикл ускоряется.

Как необратимая реакция, соединяющая метаболизм углеводов с циклом лимонной кислоты, пируватдегидрогеназная реакция должна хорошо контролироваться. Это достигается двумя способами. Во-первых, фермент, который активируется несколькими интермедиаторами гликолиза, конкурентно ингибируется своими собственными продуктами - НAДH и ацетил-СоА. При прочих равных условиях увеличение соотношения НAДH/НAД+ от 1 до 3 вызывает 90%-е снижение скорости реакции, а увеличение отношения ацетил-СоА/СоА приводит к количественно подобному эффекту. Эффект проявляется мгновенно. Медленнее возникают, но дольше действуют эффекты другого регуляторного устройства. С сердцевиной каждой молекулы дигидролипоилтрансацетилазы связано около пяти молекул киназы пируватдегидрогеназы, которая за счет АТФ катализирует фосфорилирование серинового остатка в a-цепи пируватдегидрогеназного компонента. Будучи фосфорилирован, фермент не способен декарбоксилировать пируват.

Когда происходит окисление жирных кислот, пируватдегидрогеназа заметно ингибируется. По-видимому, это явление объясняется сопутствующими процессу окисления высокими концентрациями АТФ, ацетил-СоА и НAДH. Большинство тканей содержат избыток пируватдегидрогеназы, так что после приема корма в печени, а также в мышце и в жировой ткани у животных в состоянии покоя лишь 40, 15 и 10% пируватдегидрогеназы соответственно находится в активной, нефосфорилированной форме. Когда возрастает потребность в АТФ, концентрации НAД+, СоА и AДФ возрастают за счет использования НAДH, ацетил-СоА и АТФ, а киназа инактивируется. Однако фосфатаза продолжает функционировать вновь активируя дегидрогеназу. Повышение Са2+ может активировать митохондриальную фосфатазу.

Синтез цитрата - стадия, лимитирующая скорость цикла лимонной кислоты. Регуляция этой стадии совершается благодаря небольшому, но достаточно значимому ингибированию цитрат-синтетазы посредством НAДH и сукцинил-СоА. Основное же влияние на скорость синтеза цитрата оказывает поступление субстрата.

Активность изоцитратдегидрогеназы регулируется в зависимости от концентраций Mg2+, изоцитрата, НAД+, НAДH и АМФ. Кроме субстратсвязывающих центров для НAД+, изоцитрата и Mg2+ фермент имеет еще и положительные, и отрицательные эффекторные участки. Изоцитрат - положительный эффектор; его связывание кооперативно, т. е. связывание на каком-либо одном участке облегчает связывание на других. Оба участка связывания для АМР стимулируют активность фермента.

Таким образом, ферментная активность определяется отношениями НAД+/НAДH и АМФ/АТФ.

АМФ - положительный эффектор комплекса a-кетоглутаратде-гидрогеназы, который в этом отношении напоминает изоцитратдегидрогеназу. В области физиологических концентраций и сукцинил-СоА, и НAДH обладают ингибирующим действием, причем концентрация сукцинил-СоА, по-видимому, главный фактор, управляющий скоростью процесса. Сукцинатдегидрогеназа напоминает изоцитратдегидрогеназу в том отношении, что субстрат (сукцинат) выполняет функцию положительного аллостерического эффектора. Оксалоацетат - мощный ингибитор, однако неясно, действует ли этот контроль в нормальных условиях.[5,2000]

В цикле лимонной кислоты выполняют специфические функции четыре водорастворимых витамина группы В. Рибофлавин входит в состав ФАД, который является кофактором альфакетоглутаратдегидрогеназного комплекса и сукцинатдегидрогеназы. Ниацин входит в состав НАД, который является коферментом трех дегидрогеназ цикла: изоцитратдегидрогеназы, альфакетоглуторатдегидрогеназы и малатдегидрогеназы. Тиамин (витамин В1) входит в состав тиаминдифосфата, который является коферментом альфакетоглутаратдегидрогеназы. Пантотеновая кислота входит в состав кофермента А, который является кофактором, связывающим активные ацильные остатки.

Макроэргические соединения и макроэргические связи.

В клетках, освобождающаяся в результате катаболических процессов распада питательных веществ, свободная энергия может быть использована для осуществления многих химических реакций, протекающих с затратой энергии. Запасание энергии происходит в виде богатых энергией химических связей особого класса соединений, большинство из которых являются ангидридами фосфорной кислоты (нуклеозидтрифосфаты).

Существуют высокоэнергетические и низкоэнергетические фосфаты. Условной границей для этих двух групп соединений является величина свободной энергии гидролиза фосфатной связи. Следовательно, высокоэнергетические фосфаты имеют богатую энергией высокоэргическую (макроэргическую) связь.

Энергию связи определяют как разницу свободных энергий соединений, содержащего эту связь, и соединений, получающихся после ее разрыва. Макроэргическими (богатыми энергией) принято считать те связи, при гидролизе которых изменения свободной энергии системы составляют более 21 кДж/моль.

Центральную роль в энергообмене клеток всех типов осуществляет система адениновых нуклеотидов, которая включает в себя АТФ, АДФ и АМФ, а также неорганический фосфат и ионы магния. АТФ является термодинамически неустойчивой молекулой и гидролизуется с образованием АДФ и АМФ. Именно эта неустойчивость позволяет АТФ выполнять функцию переносчика химической энергии, необходимой для удовлетворения большей части энергетических потребностей клеток. К соединениям, обладающим богатой энергией связью, помимо АТФ, относится также УТФ, ЦТФ, ГТФ, ТТФ, креатинфосфат, пирофосфат, некоторые тиоэфиры (например, ацетил-КоА), фосфоенолпируват, 1,3-бифосфоглицерат и ряд других соединений.