 |
Компартментализация у эукариот
|
|
|
|
В отличие от прокариот, у которых биосинтез белка происходит непосредственно во время транскрипции соответствующих мРНК, для эукариот характерна строгая компартментализация всех процессов, происходящих во время биосинтеза белка, в том числе и компартментализация трансляции.
Трансляция мРНК секреторных и мембранных белков (обычно они составляют 3—15 % от всех синтезируемых клеткой белков) происходит на рибосомах, связанных с гранулярной эндоплазматической сеткой. По классическим представлениям, ещё 35—45 % рибосом связаны с цитоскелетом, а оставшиеся 20—40 % рибосом находятся в несвязанном состоянии в цитозоле. Однако высказываются предположения, что свободные рибосомы являются артефактом, и в клетке они связаны с так называемой микротрабекулярной решеткой, образованной особым типом филаментов. Впрочем, по другим данным, само существование микротрабекулярной решетки ставится под сомнение, так что вопрос о существовании активных несвязанных рибосом остаётся открытым.
В настоящее время высказывается гипотеза, что трансляция у эукариот происходит не во всей цитоплазме клетки, а в отдельных областях цитоплазмы, условно называемых «трансляционными компартментами». Предположительно, в состав трансляционного компартмента входят следующие структуры:
- рибосомы с присоединенными к ней белковыми факторами, матричной и транспортными РНК;
- так называемые кодосомы — сложные белковые комплексы, в которые входят 7-9 аминоацил-тРНК синтетаз, пирофосфатаза, циклические нуклеотиды, ионы магния и липиды;
- eEF1H — тяжёлая (англ. heavy), или полная, форма фактора элонгации 1. Он содержит 4 фактора элонгации (eEF1A, eEF1Bα, eEF1Bβ, eEF1Bγ).
Компартментализация трансляции обеспечивает высокую скорость биосинтеза белка и широкие возможности регуляции этого процесса.
|
|
|
Цикл Кребса
Ци́кл трикарбо́новых кисло́т (цикл Кре́бса, цитра́тный цикл, цикл лимо́нной кислоты́) — центральная часть общего пути катаболизма, циклический биохимический процесс, в ходе которого ацетильные остатки (СН3СО–) окисляются до диоксида углерода (CO2). При этом за один цикл образуется 2 молекулы CO2, 3 NADH, 1 FADH2 и 1 ГТФ (или АТФ). Электроны, находящиеся на NADH и FADH2, в дальнейшем переносятся на дыхательную цепь, где в ходе реакций окислительного фосфорилирования образуется АТФ.
Цикл трикарбоновых кислот — это ключевой этап дыхания всех клеток, использующих кислород, центр пересечения множества метаболических путей в организме, промежуточный этап между гликолизом и электронтранспортной цепью. Кроме значительной энергетической роли циклу отводится также и существенная пластическая функция, то есть это важный источник молекул-предшественников, из которых в ходе других биохимических превращений синтезируются такие важные для жизнедеятельности клетки соединения, как аминокислоты, углеводы, жирные кислоты и др.
Цикл превращения лимонной кислоты в живых клетках (т. е. цикл трикарбоновых кислот) был открыт и изучен немецким биохимиком Хансом Кребсом, за эту работу он (совместно с Ф. Липманом) был удостоен Нобелевской премии (1953 год).
У эукариот все реакции цикла Кребса протекают внутри митохондрий, а у большинства бактерий реакции цикла протекают в цитозоле.
Общий обзор
В начале цикла трикарбоновых кислот ацетил-кофермент А (ацетил-СоА) отдаёт свою ацетильную группу четырёхуглеродному соединению — оксалоацетату (щавелевоуксусной кислоте), при этом образуется шестиуглеродный цитрат (лимонная кислота). Ацетил-СоА является продуктом окисления таких соединений, как глюкоза, аминокислоты и жирные кислоты. Цитрат затем изомеризуется в изоцитрат (изолимонную кислоту), который далее дегидрируется и декарбоксилируется до пятиуглеродной кислоты — α-кетоглутарата. α-Кетоглутарат вновь декарбоксилируется, превращаясь в четырёхуглеродный сукцинат (янтарная кислота). Сукцинат затем в три этапа ферментативно превращается в четырёхуглеродный оксалоацетат, который готов прореагировать с новой молекулой ацетил-СоА. В каждый оборот цикла одна ацетильная группа (т. е. два атома углерода) приходит в цикл в виде ацетил-СоА, и два же атома углерода покидают цикл в виде двух молекул CO2; одна молекула оксалоацетата используется для образования цитрата, и одна же впоследствии регенерируется. Оксалоацетат не покидает цикл, и одна молекула оксалоацетата теоретически может связывать неограниченное количество ацетильных групп и, на самом деле, оксалоацетат присутствует в клетках в очень низких концентрациях. Четыре из восьми стадий цикла представляют собой окислительные процессы, выделяющаяся при этих процессах энергия окисления эффективно запасается в виде восстановленных коферментов NADH и FADH2.
|
|
|
Хотя цикл трикарбоновых кислот занимает центральное место в энергетическом метаболизме, его роль не сводится к получению и запасанию энергии. Четырёх- и пятиуглеродные промежуточные соединения цикла служат предшественниками для синтеза многих соединений. Для восполнения этих промежуточных соединений, покинувших цикл, в клетке существуют специальные анаплеротические реакции 
.
Как упоминалось выше, все реакции цикла трикарбоновых кислот происходят в митохондриях, и в митохондриях же располагается дыхательная цепь (на внутренней мембране). У большей части бактерий ферменты цикла трикарбоновых кислот находятся в цитозоле, а плазматическая мембрана выполняет функции, аналогичные функциям внутренней мембраны митохондрий.
Механизм
Цикл трикарбоновых кислот включает 8 основных стадий, которые подробно рассматриваются ниже.
Стадия 1: образование цитрат-иона
Первой реакцией цикла является необратимая конденсация ацетил-СоА с оксалоацетатом с образованием цитрата, катализируемая ферментом цитратсинтазой (реакция 1 на общей схеме):
|
|
|
В этой реакции метильная группа в составе ацетильной группы ацетил-СоА присоединяется к карбонильной группе (второму атому углерода, C2-атом) оксалоацетата. В ходе этой реакции в активном центре фермента образуется промежуточное соединение — цитроил-СоА. Оно быстро подвергается гидролизу и расщепляется на свободный СоА и цитрат, которые удаляются из активного центра фермента. Гидролиз этого высокоэнергетичного тиоэфирного промежуточного соединения делает эту реакцию весьма экзергонической[en]. Большое отрицательное изменение стандартной свободной энергии цитратсинтазной реакции необходимо для управления циклом, поскольку, как отмечалось ранее, в норме концентрация оксалоацетата в клетке очень мала. СоА, высвобождаемый при этой реакции, далее участвует в окислительном декарбоксилировании следующей молекулы пирувата при помощи пируватдегидрогеназного комплекса.
Цитратсинтаза
Открытая форма цитратсинтазы
Закрытая форма цитратсинтазы
Цитратсинтаза была закристаллизована, и был проведён её рентгеноструктурный анализ в присутствии и отсутствии её субстрата и ингибиторов. Каждая субъединица этого гомодимерного фермента представляет собой единый полипептид с двумя доменами, один из которых — крупный и жёсткий, а другой — менее крупный и более пластичный; между этими доменами располагается активный центр фермента. Оксалоацетат — первый из субстратов, связывающихся с цитратсинтазой, — индуцирует значительные конформационные изменения в пластичном домене, создавая сайт связывания для молекулы второго субстрата — ацетил-СоА (см. справа). Когда в активном центре фермента образуется цитроил-СоА, в ферменте происходит второе конформационное изменение, обусловленное гидролизом тиоэфира с высвобождением СоА. Эти изменения конформации, вызванные сначала связыванием с субстратом, потом — промежуточным продуктом, препятствуют преждевременному и непродуктивному разрыву тиоэфирной связи в ацетил-СоА. Кинетические исследования цитратсинтазы подтверждают описанный выше двусубстратный механизм её работы. Вышеописанная цитратсинтазная реакция представляет собой альдольную конденсацию (впрочем, некоторые авторы рассматривают её как конденсацию Клайзена). Ниже представлен механизм цитратсинтазной реакции:
|
|
|
1. Тиоэфирная связь в ацетил-СоА активирует атомы водорода в метильной группе. Остаток аспартата в активном центре цитратсинтазы отщепляет протон от метильной группы, образуя промежуточное енольное соединение. Это соединение стабилизируется водородной связью и/или протонированием остатком гистидина His274 в активном центре фермента.
2. Промежуточное енольное соединение атакует карбонильный атом углерода оксалоацетата, при этом водородная связь с His274 сохраняется. В роли кислоты при атаке оксалоацетата выступает другой остаток гистидина, His320, отдающий оксалоацетату свой протон. В результате конденсации образуется промежуточное соединение цитроил-СоА.
3. Тиоэфирная связь в цитроил-СоА гидролизуется с высвобождением СоА и образованием цитрата.
Стадия 2: образование изоцитрата через цис -аконитат
Фермент аконитаза (точнее, аконитатгидратаза) катализирует обратимую изомеризацию цитрата в изоцитрат через образование промежуточного соединения — трикарбоновой кислоты цис-аконитата, которая при этом в норме не покидает активный центр. Аконитаза присоединяет воду по двойной связи связанного с её активным центром цис -аконитата двумя разными способами: в результате одного из них образуется цитрат, в результате другого — изоцитрат (реакции 2 и 3 на общей схеме):
Хотя в равновесной смеси при pH 7,4 и температуре 25 °С содержится менее 10 % изоцитрата, в клетке реакция смещена вправо, поскольку изоцитрат быстро вовлекается в следующую стадию цикла, и его концентрация уменьшается. Аконитаза содержит железосерный кластер, который служит как для связывания субстрата в активном центре, так и для каталитической гидратации или дегидратации. В клетках, не содержащих достаточного количества железа, аконитаза утрачивает свой железосерный кластер и приобретает регуляторную роль в метаболизме железа (подробнее см. IRE (биология)). Таким образом, аконитаза является одним из многих ферментов, имеющих две различные функции.
Ниже представлена схема, иллюстрирующая, как железосерный кластер аконитазы связывает изоцитрат и преобразует его в цис -аконитат:
Стадия 3: окисление изоцитрата до α-кетоглутарата
В следующей стадии фермент изоцитратдегидрогеназа катализирует окислительное декарбоксилирование изоцитрата с образованием α-кетоглутарата (оксоглутарата). Ион Mn2+ (или Mg2+) в активном центре фермента взаимодействует с карбонильной группой промежуточного соединения оксалосукцината, который образуется быстро, однако не покидает активного центра до тех пор, пока не декарбоксилируется и не превратится в α-кетоглутарат.
|
|
|
Ниже подробно рассмотрены эти превращения (реакции 4 и 5 на общей схеме):
1. Изоцитрат окисляется при переносе водорода от изоцитрата на NAD+ или NADP+, в зависимости от изозима изоцитратдегидрогеназы (об изозимах см. ниже). В результате оксиления образуется оксалосукцинат.
2. Декарбоксилирование оксалосукцината облегчается оттягиванием электронной плотности ионом Mn2+ (или Mg2+). В результате образуется промежуточное енольное соединение.
3. Енольное соединение перестраивается, превращаясь в α-кетоглутарат.
В клетках обнаружены две различных формы (изозима) изоцитратдегидрогеназы. Для функционирования одной из них нужен NAD+, для другой — NADP+ (причём для активности последней нужен ион Mg2+, а не Mn2+). Осуществляемые ими реакции в остальном идентичны. У эукариот NAD-зависимый изозим локализован в митохондриальном матриксе и участвует в цикле трикарбоновых кислот. Главной функцией NADP-зависимого изозима, встречающегося как в митохондриальном матриксе, так и в цитозоле, возможно, является образование NADPH, который необходим для восстановительных анаболических процессов.
Стадия 4: окисление α-кетоглутарата до сукцинил-СоА
В следующей стадии цикла трикарбоновых кислот также происходит окислительное декарбоксилирование, при котором α-кетоглутарат превращается в сукцинил-СоА и СО2 под действием α-кетоглутаратдегидрогеназного комплекса; в качестве акцептора электронов выступает NAD+, а СоА функционирует как переносчик сукцинильной группы. Энергия окисления α-кетоглутарата запасается при образовании тиоэфирной связи в сукцинил-СоА (реакция 6 на общей схеме):
Эта реакция практически идентична пируватдегидрогеназной реакции окислительного декарбоксилирования пирувата, а α-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс чрезвычайно близок к пируватдегидрогеназному комплексу (PDH) по структуре и функциям. Он включает 3 фермента, гомологичных ферментам E1, E2 и E3 PDH, и его кофакторами также являются тиаминпирофосфат (ТРР), липоат, FAD, NAD и кофермент А. Несомненно, оба комплекса имеют общего эволюционного предка. Хотя ферменты E1 обоих комплексов структурно схожи, их аминокислотные последовательности различатся и, конечно, они специфичны к разным субстратам: E1 комплекса PDH связывает пируват, а E1 α-кетоглутаратдегидрогеназного комплекса связывает α-кетоглутарат. Ферменты E2 обоих комплексов также очень похожи, и оба ковалентно связываются с липоатом. Субъединицы E3 обоих комплексов идентичны.
Стадия 5: превращение сукцинил-СоА в сукцинат
Сукцинил-СоА, как и ацетил-СоА, содержит тиоэфирную связь с большой отрицательной стандартной свободной энергией гидролиза (ΔG′о ≈ −36 кДж/моль). В следующей стадии цикла трикарбоновых кислот энергия, выделяемая при расщеплении тиоэфирной связи, используется на образование фосфоангидридной связи в GTP или ATP, при этом сукцинил-СоА превращается в сукцинат (реакция 6 на общей схеме):
Эта обратимая реакция катализируется ферментом сукцинил-СоА-синтазой (сукцинилтиокиназой); из обоих названий этого фермента следует, что в этой реакции участвует нуклеозидтрифосфат.
Эта энергозапасающая реакция включает промежуточные этапы, на которых молекула фермента сама становится фосфорилированной по остатку гистидина в активном центре. Эта фосфорильная группа, которая имеет высокий потенциал для переноса, переносится на АDP или GDP с образованием ATP или GTP соответственно. В клетках животных имеется два изозима сукцинил-СоА-синтетазы, один из которых специфичен к ADP, а другой — к GDP. Сукцинил-СоА-синтетаза состоит из двух субъединиц: α-субъединица (Mr = 32 000) содержит фосфорилируемый остаток гистидина (His246) и место связывания СоА, а β-субъединица (Mr = 42 000) обеспечивает специфичность связывания с ADP или GDP. Активный центр находится в промежутке между субъединицами. Кристаллическая структура сукцинил-СоА-синтетазы содержит две «силовые спирали» (англ. power helices), по одной в каждой субъединице, причём эти спирали ориентированы таким образом, что их электрические дипольные моменты смещают частично положительные заряды к отрицательно заряженному гистидинфосфату (P—His); благодаря этому стабилизируется промежуточная фосфорилированная форма фермента. Ниже представлена схема реакции, катализируемой сукцинил-СоА-синтетазой:
Вначале сукцинил-СоА фосфорилируется с высвобождением СоА, далее фосфатная группа переносится на остаток гистидина в активном центре сукцинил-СоА-синтетазы, а сукцинат высвобождается. После этого фосфорильная группа переносится на нуклеозиддифосфат (NDP, им могут быть ADP или GDP) с образованием нуклеозидтрифосфата (ATP или GTP).
Образование ATP (или GTP) за счёт энергии, запасённой при окислительном декарбоксилировании α-кетоглутарата, является реакцией субстратного фосфорилирования, как и синтез ATP при гликолизе, катализируемый глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназой и пируваткиназой. GTP, синтезированный сукцинил-СоА-синтетазой, может отдать свою терминальную фосфорильную группу ADP с образованием ATP в ходе обратимой реакции, катализируемой нуклеозиддифосфаткиназой:
GTP + ADP → GDP + ATP, ΔG′о = 0 кДж/моль.
Таким образом, конечным результатом активности любого изозима сукцинил-СоА-синтетазы является запасание энергии в виде ATP. Изменение энергии Гиббса в нуклеозидифосфаткиназной реакции равно нулю, и ATP и GTP энергетически эквивалентны друг другу.
Стадия 6: окисление сукцината до фумарата
Сукцинат, образовавшийся из сукцинил-СоА, окисляется в фумарат под действием флавопротеина сукцинатдегидрогеназы (реакция 8 на общей схеме):
Субъединицы сукцинатдегидрогеназы
У эукариот сукцинатдегидрогеназа прочно связана со внутренней митохондриальной мембраной, у бактерий она располагается на плазматической мембране. Этот фермент содержит 3 различных железосерных кластера и одну молекулу ковалентно связанного с ним FAD, являющегося простетической группой фермента. Электроны от сукцината проходят через FAD и железосерные кластеры, а далее они в составе переносчиков электронов попадают на дыхательную электронтранспортную цепь, расположенную на внутренней мембране митохондрий (плазматической мембране у бактерий). FAD при этом восстанавливается до FADH2, однако дальнейшим акцептором электронов является убихинон. Переход электронов от сукцината через эти переносчики на конечный акцептор электронов — кислород — сопряжён с синтезом ATP, причём на пару электронов образуется 1,5 молекулы ATP. Малонат, обычно отсутствующий в клетках, является сильным конкурентным ингибитором сукцинатдегидрогеназы, и добавление этого соединения в митохондрии блокирует активность цикла трикарбоновых кислот.
Стадия 7: гидратация фумарата до малата
Обратимая гидратация фумарата с образованием L-малата катализируется ферментом фумаразой (точнее, фумаратгидратазой). Переходным продуктом этой реакции является карбанион (реакция 9 на общей схеме):
Более детально механизм фумаразной реакции представлен ниже:
Фумараза является стереоспецифичным ферментом: она катализирует гидратацию двойной связи в фумарате (транс -изомер), но не в малеате (цис -изомер фумарата). Фумараза также проявляет стереоспецифичность и при осуществлении обратной реакции: D-малат не может служить субстратом для него.
Стадия 8: окисление малата до оксалоацетата
В последней реакции цикла трикарбоновых кислот NAD-зависимый фермент L-малатдегидрогеназа катализирует окисление L-малата до оксалоацетата (реакция 10 на общей схеме):
Активный центр малатдегидрогеназы со связанным малатом (выделен розовым)
В стандартных термодинамических условиях равновесие этой реакции сильно смещено влево, однако в живой клетке оксалоацетат постоянно вовлекается в высокоэкзергоническую цитратсинтазную реакцию (стадия 1). Так поддерживается крайне низкая концентрация оксалоацетата в клетке (< 10−6 М), благодаря чему равновесие малатдегидрогеназной реакции смещается вправо.
Особенности ферментов
Хотя ферменты цикла трикарбоновых кислот обычно описывают как растворимые компоненты митохондриального матрикса (кроме мембраносвязанной сукцинатдегидрогеназы), поступает всё больше доказательств того, что внутри митохондрий эти ферменты существуют в виде мультиферментных комплексов. Ферменты цикла были успешно выделены из экстрактов разрушенных клеток, однако при этом были разрушены мультибелковые комплексы, образованные за счёт нековалентных взаимодействий одного белка с другим, или со структурным компонентом клетки (мембраной, микротрубочкой, микрофиламентом). Однако при приготовлении клеточного экстракта содержимое клеток, в том числе и ферменты, разбавляется в 100 или 1000 раз.
Ряд доказательств говорит о том, что в клетках мультиферментные комплексы обеспечивают эффективный переход продуктов реакций одного фермента к следующему ферменту пути. Такие комплексы называются метаболонами. Несколько ферментов цикла трикарбоновых кислот были изолированы в составе супрамолекулярных комплексов или были обнаружены связанными со внутренней митохондриальной мембраной, или же для них была показана более низкая скорость диффузии, чем для отдельных белков в растворе. Это служит убедительным доказательством обмена субстратами между мультиферментными комплексами и в других метаболических путях, и многие ферменты, считающиеся «растворимыми», в действительности образуют высокоорганизованные комплексы, обменивающиеся промежуточными соединениями.
Энергетика
Выше были рассмотрены реакции, составляющие один оборот цикла трикарбоновых кислот. Двухуглеродная ацетильная группа входит в цикл, соединясь с оксалоацетатом. Два атома углерода покидают цикл в виде двух молекул СО2, образвавшихся при окислении изоцитрата и α-кетоглутарата. Энергия, выделившаяся при этих реакциях окисления, запасается в виде восстановленных трёх молекул NADH, одной молекулы FADH2 и одной молекулы ATP или GTP. В конце цикла молекула оксалоацетата регенерируется. Стоит отметить, что те два углеродных атома, которые покидают цикл в виде двух молекул СО2, отличны от тех двух углеродных атомов, которые поступили в цикл (на этом обороте) в виде ацетильной группы. Атомы углерода, которые принесены ацетильной группой, могут покидать цикл в виде СО2 только на последующих оборотах цикла[3].
Хотя в ходе цикла трикарбоновых кислот непосредственно образуется лишь одна молекула ATP на оборот (при превращении сукцинил-СоА в сукцинат), четыре окислительные реакции цикла обеспечивают дыхательную цепь значительным числом электронов, поставляемых NADH и FADH2, и тем самым обеспечивают образование значительного количества ATP в ходе окислительного фосфорилирования.
В ходе гликолиза из одной молекулы глюкозы образуется две молекулы пирувата, 2 ATP и 2 NADH. В ходе окислительного фосфорилирования переход двух электронов с NADH на O2 обеспечивает образование 2,5 ATP, а переход двух электронов с FADH2 на O2 даёт 1,5 ATP. Когда обе молекулы пирувата окисляются до 6 СО2 пируватдегидрогеназным комплексом и в ходе цикла трикарбоновых кислот, а электроны переносятся на O2 в ходе окислительного фосфорилирования, то суммарный выход ATP составляет 32 молекулы на молекулу глюкозы:
| Реакция | Выход ATP или восстановленных коферментов | Суммарный выход ATP |
| глюкоза → глюкозо-6-фосфат | −1 ATP | −1 |
| фруктозо-6-фосфат → фруктозо-1,6-бифосфат | −1 ATP | −1 |
| 2 глицеральдегид-3-фосфат → 2 1,3-бифосфоглицерат | 2 NADH | 3 или 5 |
| 2 1,3-бифосфоглицерат → 2 3-фосфоглицерат | 2 ATP | |
| 2 фосфоенолпируват → 2 пируват | 2 ATP | |
| 2 пируват → 2 ацетил-СоА | 2 NADH | |
| 2 изоцитрат → 2 α-кетоглутарат | 2 NADH | |
| 2 α-кетоглутарат → 2 сукцинил-СоА | 2 NADH | |
| 2 сукцинил-СоА → 2 сукцинат | 2 ATP (или 2 GTP) | |
| 2 сукцинат → 2 фумарат | 2 FADH2 | |
| 2 малат → 2 оксалоацетат | 2 NADH | |
| Итого: 30—32 |
32 молекулы ATP эквивалентны 32 × 30,5 кДж/моль = 976 кДж/моль, что составляет 34 % от теоретического максимума при полном окислении глюкозы — 2 840 кДж/моль. Эти вычисления произведены с учётом стандартных значений изменений свободной энергии, однако, если учитывать реальную нужду клетки в свободной энергии, заключённой в ATP, то эффективность процесса окисления приближается к 65 % от теоретического максимума.
Значение
Восьмишаговый циклический процесс окисления простой ацетильной двухуглеродной группы до СO2 может показаться излишне сложным и не отвечающим биологическому принципу максимальной экономии. Однако роль цикла трикарбоновых кислот не исчерпывается окислением ацетат-иона (а значит, и углеводов, жирных кислот и некоторых аминокислот, при окислении которых он образуется). Этот путь составляет сердцевину метаболизма промежуточных соединений. Четырёх- и пятиуглеродные конечные продукты многих катаболических процессов вступают в цикл на промежуточных этапах. Оксалоацетат и α-кетоглутарат, например, являются продуктами катаболизма аспарагиновой и глутаминовой кислот, которые образуются при расщеплении белков. В некоторых метаболических процессах задействованы многие промежуточные соединения цикла, они служат предшественниками во многих анаболических процессах. Таким образом, цикл трикарбоновых кислот является амфиболическим путём, он связывает катаболические и анаболические процессы.
Катаболические пути
Пируват является продуктом окисления углеводов. Далее пируват превращается в ацетил-СоА и вовлекается в цикл трикарбоновых кислот. Кроме того, ацетил-СоА является также продуктом окисления жирных кислот, так что цикл трикарбоновых кислот участвует и в катаболизме жиров. Стоит отметить, что пируват может вовлекаться в цикл трикарбоновых кислот и без превращения в ацетил-СоА, а преобразовавшись в малат под действием малат-фермента.
Анаболические пути
Из α-кетоглутарата, образующегося в цикле трикарбоновых кислот, синтезируются аминокислоты глутамин, глутамат, пролин и аргинин. Сукцинил-СоА выступает в качестве предшественника при синтезе порфиринов и гема. Цитрат участвует в синтезе жирных кислот и стеролов (из цитрата образуется ацетил-СоА, кроме того, он выступает в роли регулятора). Малат может транспортироваться из митохондрий в цитоплазму, где он обратимо превращается в оксалоацетат. Получившийся оксалоацетат может служить предшественником для синтеза аминокислот аспартата, аспарагина, метионина, треонина и изолейцина, а также пиримидинов. Он может также превратиться в фосфоенолпируват с затратой GTP, а фосфоенолпируват (ФЕП) может служить предшественником в биосинтезе фенилаланина, тирозина, триптофана, серина, глицина и цистеина. Пируват, получающийся из ФЕП в процессе гликолиза, может стать предшественником аланина, лейцина и валина, а также может участвовать в глюконеогенезе.
Анаплеротические пути
Промежуточные соединения цикла трикарбоновых кислот, покинувшие цикл и задействованные в синтезе различных соединений, замещаются за счёт специальных анаплеротических реакций. В нормальных условиях реакции, в ходе которых промежуточные соединения цикла вовлекаются в другие метаболические пути, и реакции, возмещающие их уход, находятся в динамическом равновесии, поэтому концентрация промежуточных соединений цикла трикарбоновых кислот поддерживается постоянной.
Ниже в таблице представлены важнейшие анаплеротические реакции:
| Реакция | Фермент | Ткань/организм |
| пируват + НСО3− + ATP ⇌ оксалоацетат + ADP + Pi | пируваткарбоксилаза | печень, почки |
| фосфоенолпируват + СО2 + GDP ⇌ оксалоацетат + GTP | фосфоенолпируваткарбоксикиназа | сердце, скелетные мышцы |
| фосфоенолпируват + НСО3− ⇌ оксалоацетат + Pi | фосфоенолпируваткарбоксилаза | высшие растения, дрожжи, бактерии |
| пируват + НСО3− + NAD(P)H ⇌ малат + NAD(P)+ | малат-фермент | широко распространена среди эукариот и бактерий |
В печени и почках млекопитающих наиболее важной анаплеротической реакцией является обратимое карбоксилирование пирувата с образованием оксалоацетата, катализируемое ферментом пируваткарбоксилазой. Когда в цитратном цикле уменьшается количество оксалоацетата или других промежуточных соединений, пируват карбоксилируется, образуя дополнительный оксалоацетат. Ферментативное добавление карбоксильной группы к пирувату требует энергии, которая берётся из ATP: свободная энергия, необходимая для присоединения карбоксильной группы к пирувату практически равна свободной энергии, которую можно получить из ATP. Пируваткарбоксилаза — регуляторный фермент, и она инактивируется в отсутствие ацетил-СоА — положительного аллостерического модулятора. Когда же ацетил-СоА — «топливо» для цикла трикарбоновых кислот — присутствует в избытке, он стимулирует пируваткарбоксилазную реакцию и тем самым способствует образованию оксалоацетата, что, в свою очередь, даёт возможность вовлекать в цикл трикарбоновых кислот больше ацетил-СоА. Для осуществления пируваткарбоксилазной реакции необходим витамин биотин, выступающий в качестве простетической группы фермента, переносящей СО2. Биотин должен присутствовать в рационе человека, он содержится во многих продуктах и синтезируется кишечными бактериями.
Другие анаплеротические реакции, указанные в таблице выше, также регулируются таким образом, чтобы обеспечивать концентрацию промежуточных соединений, достаточную для функционирования цикла трикарбоновых кислот. Например, фосфоенолпируваткарбоксилаза активируется фруктозо-1,6-бифосфатом — промежуточным соединением гликолиза, которое накапливается в условиях избытка пировиноградной кислоты.
У растений и бактерий в ходе глиоксилатного цикла ацетил-СоА может превращаться в сукцинат. Таким образом, эти организмы могут осуществлять анаплеротическую деградацию нейтральных жиров (подробнее о глиоксилатном цикле см. ниже).
Существуют и другие анаплеротические пути. Аминокислоты гистидин, пролин, аргинин, глутамин и глутамат могут превращаться в α-кетоглутарат и восстанавливать его концентрацию; изолейцин, валин, метионин, триптофан — в сукцинил-СоА, аспартат, фенилаланин и тирозин — в фумарат; аспартат и аспрагин — в оксалоацетат. Аминокислоты аланин, серин, треонин, цистеин и глицин могут преобразовываться в пируват, необходимый для протекания цикла трикарбоновых кислот.
Схема вхождения продуктов катаболизма протеиногенных аминокислот в цикл трикарбоновых кислот
|
|
|
