Биохимия и молекулярная биология - Белясова Н.А. 2002
Метаболизм. Процессы, приводящие к запасанию энергии
Цикл трикарбоновых кислот
Другие пути окисления одно- и двухуглеродных субстратов
Цикл трикарбоновых кислот осуществляется в клетках бактерий, грибов, простейших, растений, животных и является одним из самых важных циклов аэробных организмов. Однако у некоторых бактерий и растений существуют другие пути окисления одно- и двухуглеродных молекул. Как правило, использование альтернативных путей бывает вызвано тем, что в качестве единственного источника углерода и энергии используется какой-либо неуглеводный субстрат. В таком случае клетки вынуждены искать возможность такого способа окисления субстрата, который приводит к образованию промежуточных продуктов, способных превращаться в необходимые клетке метаболиты.
Примером подобной ситуации может служить функционирование глиоксилатного цикла в клетках семян высших растений. Когда основным запасным веществом семян служат триацилглицериды, остатки жирных кислот которых превращаются при окислении в ацетил-СоА, клетки используют глиоксилатный цикл (рис. 11.6, 11.7). Особенность этого цикла состоит в том, что изоцитрат не декарбоксилируется, как в ЦТК, а расщепляется под действием изоцитрат-лиазы на сукцинат (возвращается на этап ß-окисления) и глиоксилат (рис. 11.6).
Глиоксилат затем конденсируется с еще одной молекулой ацетил-СоА (фермент малат-синтетаза) и превращается в L-малат. Это четырехуглеродное соединение может окисляться в оксалоацетат либо декарбоксилироваться с образованием пирувата. И оксалоацетат, и пируват могут использоваться клеткой в качестве предшественников биосинтеза многих нужных клетке веществ, в том числе глюкозы (рис. 11.7).
Этот процесс используют и бактерии, например E. coli, Pseudomonas, а также некоторые простейшие в случаях, когда единственным источником углерода служит ацетат. У бактерий ЦТК и глиоксилатный цикл пространственно на разделены, а у эукариот часть ферментов, необходимых для глиоксилатного пути, находится в особых органеллах — глиоксисомах. Глиоксисомы по структуре напоминают пероксисомы. Поскольку глиоксилатный путь можно рассматривать как анаплеротические реакции (восполняют количество сукцината, малата, оксалоацетата), то его часто считают частью ЦТК (рис. 11.6).
Рис. 11.7. Реакции глиоксилатного цикла
Некоторые бактерии существуют в условиях, когда единственным источником углерода являются такие двухуглеродные соединения, как гликолат, глицин, оксалат. Все эти вещества могут превращаться в глиоксилат (рис. 11.8), который, в свою очередь, окисляется до СО2 и Н2О в цикле дикарбоновых кислот. В этом цикле акцептором глиоксилата служит ацетил-СоА, который регенерируется в системе реакций. Каждый оборот цикла сопровождается образованием двух молекул углекислоты и высвобождением двух пар электронов, которые в составе двух молекул NADH поступают в дыхательную цепь.
Рис. 11.8. Окисление двухуглеродных субстратов
Клетки многих микроорганизмов, а также некоторых растений и животных способны окислять и другие необычные субстраты, в том числе одноуглеродные (например, формиат), извлекая при этом энергию. В каждом случае реализуется оригинальный метаболический путь, позволяющий использовать отщепленные от субстрата электроны в дыхательной цепи для синтеза АТР.