Активаторы: адф,

Изоцитрат, Са⁺⁺

Ингибитор: надн

α-Оксоглутарат

Сукцинат (α-Кетоглутарат)

Активаторы: АМФ, АДФ, Са⁺⁺

Ингибиторы: Сукцинил-КоА,

Атф, надн

Сукцинил-

СоА

Рис.8 Схема регуляции общего пути катаболизма. Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса (1) и цикла трикарбоновах кислот (2, 3 и 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

1. Первая цитратсинтазная реакция образования цитрата из оксалоацетата и ацетил-КоА – важнейшая регуляторная реакция всего цикла (2 на рис. 8). 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 цитратсинтатазы. 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. 8). 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. α-Оксоглутарат дегидрогеназный комплекс (4 на рис.8) катализирующий преобразование α-оксоглутарата (α-кетоглутарата) в сукцинил-КоА, структурно подобен и гомологичен пируват-дегидрогеназному комплексу, но в отличие от ПДК, не имеет регуляторных белков в своем составе. α-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 α-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 α-оксоглутарат дегидрогеназного комплекса является сукцинил-КоА.

Анаболические функции цикла лимонной кислоты

Другая роль цикла трикарбоновых кислот состоит в том, что он поставляет промежуточные продукты для процессов биосинтеза (рис.9).

ПИРУВАТ АЦЕТИЛ-СоА

Г ЛЮКОЗА

А МИНО- ОКСАЛО- ЦИТРАТ

К ИСЛОТЫ АЦЕТАТ

Аспартат

А спарагин

П ОРФИРИНЫ СУКЦИНИЛ- α-ОКСО-

СоА ГЛУТОРАТ АМИНО-

КИСЛОТЫ

ГЕМ Глутамат

Глутамин Аргинин Пролин

Рис.9 Промежуточные продукты цикла трикарбоновых кислот начинают новые биосинтетические пути, ведущие к аминокислотам и гему.

Из α-оксоглутарата (α-кетоглутарата) синтезируется 5-ти углеродная аминокислота глутамат, а затем из глутамата синтезируются глутамин, аргинин и пролин.

Из оксалоацетата (в нем 4 углеродных атома) синтезируется аспартат. Затем из аспартата синтезируется аспарагин.

Из сукцинил-КоА синтезируются порфирины и гем. Первая реакция синтеза порфирина – реакция конденсации сукцинил-КоА и аминокислоты глицина. В этой реакции конденсации, сопряженной с декарбоксилированием, образуется важный промежуточный продукт синтеза гема - δ-аминолевуленовая кислота.

Из оксалоацетата синтезируется глюкоза (процесс глюконеогенеза). Этот путь активируется при недостаточности глюкозы в клетке (2 на рис.9).

Амфиболические функции цикла трикарбоновых кислот

Цикл трикарбоновых кислот занимает центральное место в клеточном метаболизме. Этот циклический путь выполняет как катаболическую, так и анаболическую функцию, т.е. является амфиболическим. Цикл трикарбоновых кислот процесс с выраженной катаболической функцией. Двууглеродные фрагменты, которые вносит молекула ацетил-КоА, подвергаются в нем полному окислению до СО₂. Вместе с тем, промежуточные продукты цикла трикарбоновых кислот начинают новые биосинтетические пути. Из промежуточных продуктов ЦТК синтезируются некоторые заменимые аминокислоты, порфирины и гем, а также глюкоза.

Реакции, пополняющие цитратный цикл (анаплеротические реакции)

Анаплероз – процесс восполнения, пополнения резерва. К снижению концентрации промежуточных продуктов цикла трикарбоновых кислот приводят анаболические (биосинтетические процессы). Они быстро истощают пул промежуточных продуктов цикла. Поэтому их запас постоянно пополняется за счет молекул из других источников. При деградации большинства аминокислот образуются пируват или промежуточные продукты цикла. Эти ферментативные процессы называют анаплеротическими реакциями. Особенно важной анаплеротической реакцией в организме человека является превращение пирувата в оксалоацетат (1 на рис. 9 и рис. 10). Эта реакция поддерживает необходимую высокую концентрацию оксалоацетата в митохондриях и обеспечивает субстратом первую цитратсинтетазную реакцию цикла. Нарушение образования оксалоацетата (при голодании, диабете) ведет к взаимной конденсации молекул ацетил-КоА друг с другом и вызывает образование кетоновых тел, главным образом – ацетоацетата (СН₃-СО-СН₂-СООН).

СОО^-

СОО^- СО₂ АТФ АДФ Pi │

│ С═О

С═О │

│ ПИРУВАТ- СН₂

СН₃ КАРБОКСИЛАЗА │

(БИОТИН) СОО^-

ПИРУВАТ ОКСАЛОАЦЕТАТ

Рис. 10 Реакция карбоксилирования пирувата с участием биотина происходит в три этапа:

1. фосфорилирование биотина по активному атому азота (источником фосфатной группы является АТФ );

2. замещение фосфатной группы на карбоксильную;

3. перенос карбоксильной группы на пируват.

У здоровых людей эта АТФ-зависимая реакция позволяет включать в глюконеогенез лактат и аминокислоты, распадающиеся до пирувата. В отличие от пирувата ацетил-КоА не является анаплеротическим метаболитом, поскольку полностью окисляется до СО₂.

Связь между общим путем катаболизма и цепью переноса электронов и протонов.

Общий путь катаболизма, включающий пируватдегидрогеназный комплекс (ПДК) и цикл трикарбоновых кислот (ЦТК), локализованные в митохондриальном матриксе, с одной стороны, и цепь переноса электронов локализованная во внутренней митохондриальной мембране, с другой, функционально связаны между собой через общие молекулы НАД⁺ и НАДН.

При увеличении расхода энергии в клетке уменьшается концентрация молекул АТФ и увеличивается АДФ. При этом увеличивается количество электронов поступающих в цепь переноса электронов от молекул НАДН, поэтому их доля снижается, но увеличивается количество молекул НАД⁺. Эти изменения активируют

ПДК и ЦТК. В цикле активируются изоцитрат-дегидрогеназная реакция и функционирование α-оксоглутарат дегидрогеназного комплекса, которые чувствительны к концентрации АДФ (3 и 4 на рис. 8).

Напротив, снижение энергопотребления в клетках влечет за собой увеличение концентраций АТФ и НАДН. При этом активность ПДК и ЦТК снижается. Снижение активности общего пути катаболизма вызвано тем, что для всех регуляторных этапов (1-4 на рис. 8) увеличение концентраций АТФ и/или НАДН ингибирует ферментативные реакции.