Биологическое окисление

малата в ок-салоацетат, реакция идет с участием НАД+:

L-малат + НАД+  0ксалоацетат + НАДН2

Хотя равновесие этой реакции сильно сдвинуто в направлении малата, реально она протекает в направлении оксалоацетата, поскольку он вместе с НАДН постоянно потребляется в других реакциях.

Ферменты цикла лимонной кислоты, за исключением альфакетог-лутарат- и сукцинатдегидрогеназы, обнаруживаются и вне митохондрий. Од-нако некоторые из этих ферментов (например, малатдегидрогеназа) отлича-ются от соответствующих митохондриальных ферментов.

Энергетика цикла лимонной кислоты.

В результате окисления, катализируемого дегидрогеназами ЦТК, на каждую катаболизируемую за период одного цикла молекулу ацетил-СоА образуются три молекулы НАДН и одна молекула ФАДН2. Эти восстановительные эк-виваленты передаются в дыхательную цепь, локализованную в митохондри-альной мембране. При прохождении по цепи восстановительные эквива-ленты НАДН генерируют три высокоэнергетические фосфатные связи посредством образования АТФ из АДФ в процессе окислительного фосфори-лирования. За счет ФАДН2 генерируется только две высокоэнергетические фосфатные связи, поскольку ФАДН2 переносит восстановительные эквива-ленты на кофермент Q и, следовательно, в обход первого участка цепи окислительного фосфорилирования в дыхательной цепи. Еще один высоко-энергетический фосфат генерируется на одном из участков цикла лимонной кислоты, то есть на субстратном уровне, при превращении сукцинил-СоА в сукцинат. Таким образом, за период каждого цикла образуется 12 новых высокоэнергетических фосфатных связей.

Регуляция цикла лимонной кислоты.

Основные процессы, которые поставляют и запасают энергию в клетках, могут быть в общей форме изображены следующим образом:

глюкоза пируват  ацетил-СоА жирные кислоты

AДФ

АТФ

С02

Регуляция этой системы inter alia должна гарантировать постоянное по-ступление АТФ соразмерно с существующими в данный момент энергетиче-скими потребностями, обеспечивать превращение избытка углеводов в жир-ные кислоты через пируват и ацетил-СоА и наряду с этим контролировать экономное расходование жирных кислот через ацетил-СоА как ключевой продукт для входа в цикл лимонной кислоты.

Цикл лимонной кислоты поставляет электроны в электронпереносящую систему, в которой поток электронов сопряжен с синтезом АТФ и в меньшей степени снабжает восстановительными эквивалентами системы биосинтеза промежуточных продуктов. В принципе цикл не может протекать быстрее, чем это позволяет использование образуемой АТФ. Если бы весь AДФ клет-ки превратился в АТФ , не могло бы быть никакого дальнейшего потока электронов от НАДH, который накапливается, к 02. Ввиду отсутствия НAД+, необходимого участника процессов дегидрирования цикла, последний пере-стал бы функционировать. Существуют более тонкие регуляторные приспо-собления, которые модулируют действие ферментов в самом цикле лимон-ной кислоты.

Сукцинатдегидрогеназа находится во внутренней митохондриальной мембране. Все остальные ферменты растворены в матриксе, заполняющем внутреннее пространство митохондрии. Измерения относительных количеств этих ферментов и концентраций их субстратов в митохондриях указывают, что каждая реакция протекает с одинаковой скоростью. Как только пируват (или другой потенциальный источник ацетил-СоА) поступает внутрь матрик-са митохондрии, весь цикл протекает внутри этого отсека.

В некоторых участках стимуляция или ингибирование определяется от-носительными концентрациями НAДH/НAД, ATФ/AДФ или АМФ, ацетил-СоА/СоА или сукцинил-СоА/СоА. Когда эти отношения высоки, клетка дос-таточно обеспечена энергией и поток через цикл замедлен; когда же они низ-ки, клетка испытывает потребность в энергии, и поток через цикл ускоряется.

Как необратимая реакция, соединяющая метаболизм углеводов с циклом лимонной кислоты, пируватдегидрогеназная реакция должна хорошо кон-тролироваться. Это достигается двумя способами. Во-первых, фермент, ко-торый активируется несколькими интермедиаторами гликолиза, конку-рентно ингибируется своими собственными продуктами - НAДH и ацетил-СоА. При прочих равных условиях увеличение соотношения НAДH/НAД+ от 1 до 3 вызывает 90%-е снижение скорости реакции, а увеличение отношения ацетил-СоА/СоА приводит к количественно подобному эффекту. Эффект проявляется мгновенно. Медленнее возникают, но дольше действуют эффек-ты другого регуляторного устройства. С сердцевиной каждой молекулы ди-гидролипоилтрансацетилазы связано около пяти молекул киназы пируватде-гидрогеназы, которая за счет АТФ катализирует фосфорилирование сери-нового остатка в -цепи пируватдегидрогеназного компонента. Будучи фосфорилирован, фермент не способен декарбоксилировать пируват.

Когда происходит окисление жирных кислот, пируватдегидрогеназа за-метно ингибируется. По-видимому, это явление объясняется сопутст-вующими процессу окисления высокими концентрациями АТФ, ацетил-СоА и НAДH. Большинство тканей содержат избыток пируватдегидрогеназы, так что после приема корма в печени, а также в мышце и в жировой ткани у животных в состоянии покоя лишь 40, 15 и 10% пируватдегидрогеназы со-ответственно находится в активной, нефосфорилированной форме. Ко-гда возрастает потребность в АТФ, концентрации НAД+, СоА и AДФ возрас-тают за счет использования НAДH, ацетил-СоА и АТФ, а киназа инактивиру-ется. Однако фосфатаза продолжает функционировать вновь активируя де-гидрогеназу. Повышение Са2+ может активировать митохондриальную фос-фатазу.

Синтез цитрата - стадия, лимитирующая скорость цикла лимонной ки-слоты. Регуляция этой стадии совершается благодаря небольшому, но доста-точно значимому ингибированию цитрат-синтетазы посредством НAДH и сукцинил-СоА. Основное же влияние на скорость синтеза цитрата оказывает поступление субстрата.

Активность изоцитратдегидрогеназы регулируется в зависимости от концентраций Mg2+, изоцитрата, НAД+, НAДH и АМФ. Кроме субстратсвя-зывающих центров для НAД+, изоцитрата и Mg2+ фермент имеет еще и поло-жительные, и отрицательные эффекторные участки. Изоцитрат - положи-тельный эффектор; его связывание кооперативно, т. е. связывание на каком-либо одном участке облегчает связывание на других. Оба участка связывания для АМР стимулируют активность фермента.

Таким образом, ферментная активность определяется отношениями НAД+/НAДH и АМФ/АТФ.

АМФ - положительный эффектор комплекса -кетоглутаратде-гидрогеназы, который в этом отношении напоминает изоцитратдегидрогена-зу. В области физиологических концентраций и сукцинил-СоА, и НAДH об-ладают ингибирующим действием, причем концентрация сукцинил-СоА, по-видимому, главный фактор, управляющий скоростью процесса. Сукци-натдегидрогеназа напоминает изоцитратдегидрогеназу в том отношении, что субстрат (сукцинат) выполняет функцию положительного аллостериче-ского эффектора. Оксалоацетат - мощный ингибитор, однако неясно, дейст-вует ли этот контроль в нормальных условиях.[5,2000]

В цикле лимонной кислоты выполняют специфические функции четыре водорастворимых витамина группы В. Рибофлавин входит в состав ФАД, который является кофактором альфакетоглутаратдегидрогеназного комплек-са и сукцинатдегидрогеназы. Ниацин входит в состав НАД, который является коферментом трех дегидрогеназ цикла: изоцитратдегидрогеназы, альфаке-тоглуторатдегидрогеназы и малатдегидрогеназы. Тиамин (витамин В1) входит в состав тиаминдифосфата, который является коферментом альфаке-тоглутаратдегидрогеназы. Пантотеновая кислота входит в состав кофермен-та А, который является кофактором, связывающим активные ацильные ос-татки.

Макроэргические соединения и макроэргические связи.

В клетках, освобождающаяся в результате катаболических процессов распада питательных веществ, свободная энергия может быть использована для осуществления многих химических реакций, протекающих с затратой энергии. Запасание энергии происходит в виде богатых энергией химических связей особого класса соединений, большинство из которых являются ангид-ридами фосфорной кислоты (нуклеозидтрифосфаты).

Существуют высокоэнергетические и низкоэнергетические фосфаты. Условной границей для этих двух групп соединений является величина сво-бодной энергии гидролиза фосфатной связи. Следовательно, высоко-энергетические фосфаты имеют богатую энергией высокоэргическую (мак-роэргическую) связь.

Энергию связи определяют как разницу свободных энергий соединений, содержащего эту связь, и соединений, получающихся после ее разрыва. Мак-роэргическими (богатыми энергией) принято считать те связи, при гидролизе которых изменения свободной энергии системы составляют более 21 кДж/моль.

Центральную роль в энергообмене клеток всех типов осуществляет система адениновых нуклеотидов, которая включает в себя АТФ, АДФ и АМФ, а также неорганический фосфат и ионы магния. АТФ является термодинами-чески неустойчивой молекулой и гидролизуется с образованием АДФ и АМФ. Именно эта неустойчивость позволяет АТФ выполнять функцию пе-реносчика химической энергии, необходимой для удовлетворения боль-шей части энергетических потребностей клеток. К соединениям, обладаю-щим богатой энергией связью, помимо АТФ, относится также УТФ, ЦТФ, ГТФ, ТТФ, креатинфосфат, пирофосфат, некоторые тиоэфиры (например, ацетил-КоА), фосфоенолпируват, 1,3-бифосфоглицерат и ряд других соеди-нений.

При гидролизе АТФ в стандартных условиях изменение свободной энергии составляет -30,4 кДж/моль.