- Відіграє важливу роль у процесах анаболізму (проміжні продукти ЦТК):
- а) із цитрату-» синтез жирних кислот;
- б) з а-кетоглутарату і ЩУК (щавлево-оцтова кислота) - синтез амінокислот;
- в) із ЩУК-» синтез вуглеводів;
- г) із сукциніл-КоА-» синтез гему гемоглобіну.
Автономна саморегуляція ЦТК. У ЦТК два ключові ферменти: цитратсинтаза (1-а реакція) та ізоцитратдегідрогеназа (3-я реакція).
Обидва ферменти аллостерично інгібуються надлишком АТФ та НАДФ2. Ізоцитратдегідрогеназу сильно активується аденозиндифосфатом (АДФ). Якщо АДФ немає, цей фермент неактивний. У разі енергетичного спокою концентрація АТФ збільшується, швидкість реакцій ЦТК мала-синтез АТФ зменшується.
Ізоцитратдегідрогеназа інгібується АТФ набагато сильніше, ніж цитратсинтаза, тому в умовах енергетичного спокою підвищується концентрація цитрату, і він виходить у цитоплазму за градієнтом концентрацій шляхом полегшеної дифузії. У цитоплазмі цитрат перетворюється на Ацетил-КоА, який бере участь у синтезі жирних кислот.
Човникові механізми перенесення водню. Нікотинамідні дегідрогенази знаходяться не тільки в матриксі мітохондрій, але і в цитоплазмі. Мітохондріальна мембрана непроникна для НАД, тому НАДН2, який утворюється в цитозолі, може передати свій водень у мітохондрію лише за допомогою спеціальних субстратних човникових механізмів. У мітондрію з цитозолю передається не сам НАДН2, а лише водень, відібраний від нього. Водень, що переноситься, включається в молекулу речовини-човника, здатного проникати через мітохондріальну мембрану. У мітохондрії речовина-човник віддає водень на мітохондріальний НАД або ФАД і повертається назад у цитозоль.
Два типи човникових механізмів:
- Малат-аспартатний (найбільш універсальний для клітин організму). З високою швидкістю працює у міокарді, нирковій тканині, печінці. У цій транспортній системі водень від цитоплазматичного НАД передається на мітохондріальний НАД, тому в мітохондріях утворюється 3 молекули АТФ і не відбувається втрати енергії при перенесенні водню. Для тканини печінки малат-аспартатна система особливо важлива, оскільки з мітохондрії виводиться Ацетил-КоА (у вигляді цитрату), а водень потрапляє в мітохондрію (у складі малату).
Таким чином, відбувається не тільки човниковий транспорт водню від цитоплазматичного НАД до мітохондріального, а й зворотний транспорт Ацетил-КоФ з мітохондій до цитоплазми у вигляді цитрату.У цитоплазмі Ацетил-КоА може бути використаний для синтезу жирних кислот; ЩУК може повернутися до цитоплазми та в інший спосіб, вступивши в реакцію трансамі- нування з глутаміновою кислотою;
- Гліцерофосфатний (зустрічається рідше).
Водень від цитоплазматичного НАД передається на мітохондріальний ФАД, і в мітохондріях утворюється 2 молекули АТФ замість 3 відбувається втрата енергії при переносі водню.
У клітині існує як човниковий транспорт водню від цитоплазматичного НАД до мітохондріальному. Відбувається зворотний транспорт Ацетил-КоА з мітохондрій у цитоплазму як цитрату. У цитоплазмі Ацетил-КоА можна використовувати для синтезу жирних кислот.
Таким чином, дихальний обмін одночасно становить провідну ланку потоку речовин, що поєднує метаболічні шляхи розщеплення та утворення вуглеводів, білків, жирів, нуклеїнових кислот (рис. 15).
Мал. 15 Взаємозв'язок внутрішньоклітинного обміну білків, жирів та вуглеводів через
ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВИХ КИСЛОТ (ЦИКЛ КРЕБСА)
Цикл трикарбонових кислот вперше було відкрито англійським біохіміком Г. Кребсом. Він першим постулював значення даного циклу для повного згоряння пірувату, головним джерелом якого є гліколітичне перетворення вуглеводів. Надалі було показано, що цикл трикарбонових кислот є тим центром, в якому сходяться практично всі метаболічні шляхи. Таким чином, цикл Кребса – загальний кінцевий шлях окислення ацетильних груп (у вигляді ацетил-КоА), на які перетворюється в процесі катаболізму більшість органічних молекул, що відіграють роль «клітинного палива»: вуглеводів, жирних кислот та амінокислот.
Ацетил-КоА, що утворився в результаті окисного декарбоксилювання пірувату в мітохондріях, вступає в цикл Кребса. Цей цикл відбувається в матриксі мітохондрій і складається з восьми послідовних реакцій (рис. 10.9). Починається цикл із приєднання ацетил-КоА до оксалоацетату та утворення лимонної кислоти (цитрату). Потім лимонна кислота (шестивуглецеве з'єднання) шляхом ряду дегідрувань (відібрання водню) і двох декарбоксилювання (відщеплення СО2) втрачає два вуглецевих атоми і знову в циклі Кребса перетворюється на оксалоацетат (чотиривуглецеве з'єднання), тобто. в результаті повного обороту циклу одна молекула ацетил-КоА згоряє до СО2 та Н2О молекула окса-лоацетату регенерується. Розглянемо усі вісім послідовних реакцій (етапів) циклу Кребса.
Перша реакція каталізується ферментом цит-рат-синтазою, при цьому ацетильна група ацетил-КоА конденсується з оксалоацетатом, внаслідок чого утворюється лимонна кислота:
Очевидно, у цій реакції як проміжний продукт утворюється пов'язаний з ферментом цитрил-КоА. Потім останній мимовільно та незворотно гідролізується з утворенням цитрату та HS-KoA.
В результаті другої реакції лимонна кислота, що утворилася, піддається дегідратуванню з утворенням цис-аконітової кислоти, яка, приєднуючи молекулу води, переходить в ізолімонну кислоту (ізоцитрат). Каталізує ці оборотні реакції гідратації-дегідратації фермент аконітатгідратаза (аконітаза). В результаті відбувається взаємопереміщення Н та ОН у молекулі цитрату:
Третя реакція, мабуть, лімітує швидкість циклу Кребса. Ізолімонна кислота дегідрується у присутності НАД-залежної ізо-цитратдегідрогенази.
В ході ізоцитратдегідрогеназної реакції ізолімонна кислота одночасно декарбоксилюється. НАД-залежна ізоцитратдегідрогеназа є алостеричним ферментом, якому як специфічний активатор необхідний АДФ. Крім того, фермент для прояву своєї активності потребує іонів Mg 2+ або Мn 2+ .
Під час четвертої реакції відбувається окисне декарбоксилювання α-кетоглутарової кислоти з утворенням високоенергетичної сполуки сукциніл-КоА. Механізм цієї реакції подібний до такої реакції окисного декарбоксилювання пірувату до ацетил-КоА, α-кетоглутаратдегідрогеназний комплекс нагадує за своєю структурою піруватдегідрогеназний комплекс. Як в одному, так і в іншому випадку в реакції беруть участь 5 коферментів: ТПФ, амід ліпоєвої кислоти, HS-KoA, ФАД та НАД+.
П'ята реакція каталізується ферментом сукциніл-КоА-синтета-зою. У ході цієї реакції сукциніл-КоА за участю ГТФ та неорганічного фосфату перетворюється на бурштинову кислоту (сукцинат). Одночасно відбувається утворення високоергічного фосфатного зв'язку ГТФ за рахунок високоергічного тіоефірного зв'язку сукциніл-КоА:
Внаслідок шостої реакції сукцинат дегідрується у фумарову кислоту. Окислення сукцинату каталізується сукцинатдегідрогеназою, у молекулі якої з білком міцно (ковалентно) пов'язаний кофермент ФАД. У свою чергу, сукцинатдегідрогеназа міцно пов'язана з внутрішньою мітохондріальною мембраною:
Сьома реакція здійснюється під впливом ферменту фума-ратгідратази (фумарази). Фумарова кислота, що утворилася при цьому, гідратується, продуктом реакції є яблучна кислота (малат). Слід зазначити, що фумаратгідратаза має стереоспецифічність (див.розділ 4) – у ході реакції утворюється L-яблучна кислота:
Нарешті, в ході восьмої реакції циклу трикарбонових кислот під впливом мітохондріальної НАД-залежної малатдегідрогенази відбувається окислення L-малату в оксалоацетат:
Як видно, за один оберт циклу, що складається з восьми ферментативних реакцій, відбувається повне окислення («згоряння») однієї молекули ацетил-КоА. Для безперервної роботи циклу необхідне постійне надходження до системи ацетил-КоА, а коферменти (НАД+ та ФАД), що перейшли у відновлений стан, повинні знову і знову окислюватися. Це окислення здійснюється в системі переносників електронів у дихальному ланцюгу (у ланцюгу дихальних ферментів), локалізованому в мембрані мітохондрій. ФАДН, що утворився2 міцно пов'язаний із СДГ, тому він передає атоми водню через KoQ. Ацетил-КоА, що звільняється в результаті окислення, енергія значною мірою зосереджується в макроергічних фосфатних зв'язках АТФ. З 4 пар атомів водню 3 пари переносять НАДН систему транспорту електронів; при цьому в розрахунку на кожну пару в системі біологічного окислення утворюється 3 молекули АТФ (у процесі сполученого окисного фосфорилювання), а всього, отже, 9 молекул АТФ (див. розділ 9). Одна пара атомів від сукцинатдегідрогенази-ФАДН2 потрапляє у систему транспорту електронів через KoQ, у результаті утворюється лише 2 молекули АТФ. У ході циклу Кребса синтезується також одна молекула ГТФ (субстратне фосфорилювання), що дорівнює одній молекулі АТФ. Отже, при окисленні однієї молекули ацетил-КоА у циклі Кребса та системі окисного фосфорилювання може утворитися 12 молекул АТФ.
Якщо підрахувати повний енергетичний ефект гліколітичного розщеплення глюкози та подальшого окислення двох утворених молекул пірувату до СО2 та Н2О, то він виявиться значно більшим.
Як зазначалося, одна молекула НАДН (3 молекули АТФ) утворюється при окисному декарбоксилюванні пірувату в ацетил-КоА. При розщепленні однієї молекули глюкози утворюється 2 молекули пірувату, а при окисненні їх до 2 молекул ацетил-КоА і наступних 2 обертів циклу трикарбонових кислот синтезується 30 молекул АТФ (отже, окиснення молекули пірувату до СО2 та Н2дає 15 молекул АТФ). До цієї кількості треба додати 2 молекули АТФ, що утворюються при аеробному гліколізі, і 6 молекул АТФ, що синтезуються за рахунок окислення 2 молекул позамітохондріального НАДН, які утворюються при окисленні 2 молекул гліцеральдегід-3-фосфату в дегідрогеназної реакції гліколізу. Отже, при розщепленні у тканинах однієї молекули глюкози за рівнянням С6Н12Про6 + 6О2 -> 6СО2 + 6Н2Про синтезується 38 молекул АТФ. Безперечно, що в енергетичному відношенні повне розщеплення глюкози є більш ефективним процесом, ніж анаеробний гліколіз.
Необхідно відзначити, що утворилися в процесі перетворення гліцеральдегід-3-фосфату 2 молекули НАДН надалі при окисленні можуть давати не 6 молекул АТФ, а тільки 4. Справа в тому, що самі молекули позамітохондріального НАДН не здатні проникати через мембрану всередину мітохондрій. Однак електрони, що віддаються ними, можуть включатися в мітохондріальний ланцюг біологічного окислення за допомогою так званого гліцеролфосфатного човникового механізму (рис. 10.10).Цитоплазматичний НАДН спочатку реагує з цитоплазматичним дігідроксіацетонфосфатом, утворюючи гліцерол-3-фосфат. Реакція каталізу-
Мал. 10.10. Гліцеролфосфатний човниковий механізм. Пояснення у тексті.
ється НАД-залежної цитоплазматичної гліцерол-3-фосфат-дегідрогеназою:
Дигідроксіацетонфосфат + НАДН + Н + Гліцерол-3-фосфат + НАД +.
Гліцерол-3-фосфат, що утворився, легко проникає через мітохонд-ріальну мембрану. Усередині мітохондрії інша (мітохондріальна) гліцерол-3-фосфат-дегідрогеназа (флавіновий фермент) знову окислює гліцерол-3-фосфат до діоксиацетонфосфату:
Гліцерол-3-фосфат + ФАД Діоксіацетонфосфат + ФАДН2.
Відновлений флавопротеїн (фермент-ФАДН)2) вводить на рівні KoQ придбані ним електрони в ланцюг біологічного окислення та пов'язаного з ним окисного фосфорилювання, а діоксиаце-тонфосфат виходить з мітохондрій у цитоплазму і може знову взаємодіяти з цитоплазматичним НАДН+Н+. Таким чином, пара електронів (з однієї молекули цитоплазматичного НАДН + Н + ), що вводиться в дихальний ланцюг за допомогою гліцеролфосфатного човникового механізму, дає не 3, а 2 АТФ.
Мал. 10.11. Малат-аспартатна човникова система для перенесення відновлювальних еквівалентів від цитозольного НАДН до мітохондріального матриксу. Пояснення у тексті.
Надалі було показано, що за допомогою даного човникового механізму лише в скелетних м'язах та мозку здійснюється перенесення відновлених еквівалентів від цитозольного НАДН+Н+ у мітохондрії.
У клітинах печінки, нирок та серця діє більш складна малат-аспартатна човникова система.Дія такого човникового механізму стає можливим завдяки присутності малатдегідрогенази та ас-партатамінотрансферази як у цитозолі, так і в мітохондріях.
Встановлено, що від цитозольного НАДН+Н+ відновлені еквіваленти спочатку за участю ферменту малатдегідрогенази (рис. 10.11) переносяться на цитозольний оксалоацетат. В результаті утворюється малат, який за допомогою системи, що транспортує дикарбонові кислоти, проходить через внутрішню мембрану мітохондрії матрикс. Тут малат окислюється в оксалоацетат, а матриксний НАД+ відновлюється в НАДН+Н+, який може тепер передавати свої електрони у ланцюг дихальних ферментів, локалізований на внутрішній мембрані мітохондрії. У свою чергу оксалоацетат, що утворився в присутності глутамату і ферменту АсАТ вступає в реакцію трансамінування. Аспарат і α-кетоглутарат, що утворюються, за допомогою спеціальних транспортних систем здатні проходити через мембрану мітохондрій.
Транспортування в цитозолі регенерує оксалоацетат, що викликає до дії наступний цикл. В цілому процес включає легкооборотні реакції, відбувається без споживання енергії, «рушійною силою» його є постійне відновлення НАД + у цитозолі гліцеральдегід-3-фосфатом, що утворюється при катаболізмі глюкози.
Отже, якщо функціонує малат-аспартатний механізм, то результаті повного окислення однієї молекули глюкози може утворитися не 36, а 38 молекул АТФ (табл. 10.1).
У табл. 10.1 наведено реакції, в яких відбувається утворення високоергічних фосфатних зв'язків у ході катаболізму глюкози, із зазначенням ефективності процесу в аеробних та анаеробних умовах.
