Биохимия и молекулярная биология - Белясова Н.А. 2002

Метаболизм. Процессы, приводящие к запасанию энергии
Цикл трикарбоновых кислот
Химизм ЦТК

Реакции цикла трикарбоновых кислот осуществляются у эукариот в мито­хондриях — там же, где функционируют системы, поставляющие «топливо» для ЦТК: ß-окисление жирных кислот, окислительное декарбоксилирование пирувата. Считается, что ферменты, принимающие участие в ЦТК, сгруппи­рованы в особый каталитический комплекс, расположенный между внутрен­ними мембранами митохондрий. Структура комплекса такова, что промежу­точные продукты цикла последовательно переходят от одного фермента к другому, не высвобождаясь в матрикс. В этом случае скорость процесса зна­чительно увеличивается.

Все реакции ЦТК можно условно разделить на 4 стадии: 1) акцептирова­ние ацетил-СоА и образование изоцитрата; 2) окислительное декарбоксили­рование изоцитрата; 3) окислительное декарбоксилирование a-кетоглутарата; 4) регенерация акцептора ацетил-СоА.

Акцептором ацетил-СоА является оксалоацетат (щавелевоуксусная кисло­та, ЩУК). Это четырехуглеродное соединение конденсируется с двухуглерод­ным компонентом ацетил-СоА при участии фермента цитратсинтетазы. Дан­ная реакция альдольной конденсации протекает ступенчато, с образованием промежуточного продукта — цитрил-СоА, гидролиз которого сдвигает на­правление реакции в сторону образования цитрата (рис. 11.2).

Чтобы могло осуществиться окислительное декарбоксилирование шести­углеродного соединения, цитрат (лимонная кислота) должен изомеризоваться в изоцитрат. Этот процесс катализируется аконитазой и представляет собой реакцию дегидратации с последующей гидратацией.

Окислительное декарбоксилирование изоцитрата катализируется изоцит­ратдегидрогеназой, которая использует NAD в качестве кофермента. Изоцит­рат окисляется в ß -кетокислоту, оксалосукцинат, который быстро теряет кар­боксил, будучи связанным с ферментом, и превращается в a-кетоглутарат (рис. 11.3).

На третьей стадии (рис. 11.4) a-кетоглутарат также подвергается окисли­тельному декарбоксилированию. Эту реакцию катализирует организованный ансамбль ферментов — a-кетоглутарат-дегидрогеназный комплекс. Состав ансамбля сходен с комплексом, катализирующим окислительное декарбоксилирование пирувата, и оба процесса имеют множество общих деталей. Про­дуктом реакции является четырехуглеродное активированное соединение — сукцинил-СоА. Макроэргическая сукцинильного тиоэфира расщепляется с участием сукцинаттиокиназы, и это сопряжено с фосфорилированием GDP (у млекопитающих) или АТР (у бактерий, высших растений). Образование высокоэнергетической связи GTP или АТР при гидролизе сукцинил-СоА является единственным случаем суб­стратного фосфорилирования, который имеет место в ЦТК.

Рис. 11.2. Первая стадия ЦТК: образование изоцитрата связь

Образовавшийся на предыдущей стадии сукцинат (янтарная кислота) в ходе нескольких реакций (окисление, гидратация, окисление) превращается в оксалоацеат (рис. 11.5). Данная последовательность превращений представ­ляет собой процесс ß-окисления, который уже был рассмотрен по отношению к жирным кислотам в главе 9. Реакции последней стадии ЦТК представляют собой регенерирование оксалоацетата. Окисление сукцината катализирует сукцинатдегидрогеназа. Этот фермент непосредственно связан с цепью пере­носа электронов, и в отличие от других ферментов ЦТК является интеграль­ным белком внутренней мембраны митохондрий.

Продукт окисления сукцината — фумарат — гидратируется фумаразой. Происходит стереоспецифическое присоединение водорода и гидроксила с образованием L-малата (яблочной кислоты). Наконец, L-малат окисляется в оксалоацетат малатдегидрогеназой.

Полностью циклическая система реакций ЦТК представлена на рис. 11.6. Многие промежуточные вещества ЦТК служат предшественниками в биосин­тетических реакциях. Например, оксалоацетат и a-кетоглутарат используются в биосинтезе аминокислот. Оксалоацетат включается в процесс глюконеогенеза (образование глюкозы из неуглеводных субстратов). Большинство углеродных атомов в порфиринах ведут свое происхождение от сукцинил-СоА. Однако потребление промежуточных продуктов ЦТК для целей биосинтеза обязательно должно сопровождаться их восполнением, в противном случае цикл прервется. В норме между реакция­ми, за счет которых определенные промежуточные продукты удаляются из цикла и, наоборот, поступают в цикл, существует состояние динамического равновесия.

Рис. 11.4. Третья стадия ЦТК: окислительное декарбоксилирование a- кетоглутарата

Рис. 11.5. Заключительная стадия ЦТК: регенерирование оксалоацетата

Рис. 11.6. Цикл трикарбоновых кислот. Пунктирными линиями обо­значены превращения глиоксилатного цикла

Восполняющие запас промежуточных продуктов ЦТК реакции носят на­звание анаплеротических. Одной из основных анаплеротических реакций клеток млекопитающих является карбоксилирование пирувата с образовани­ем оксалоацетата. Катализирует это превращение аллостерический фер­мент — пируваткарбоксилаза. Его активатором служит субстрат ЦТК — ацетил-СоА. В условиях накопления ацетил-СоА стимулируется активное карбоксилирование пирувата и увеличивается количество оксалоацетата, ко­торый служит непосредственным акцептором ацетил-СоА.

В клетках бактерий и растений восполнение оксалоацетата осуществляет другой фермент — фосфоенолпируват-карбоксилаза.