Основы биохимии Том 2 - А. Ленинджер 1985

Биоэнергетика и метаболизм
Цикл лимонной кислоты
Промежуточные продукты никла лимонной кислоты используются также и в других метаболических реакциях, а убыль их постоянно восполняется

Цикл лимонной кислоты - это один из амфиболических путей (разд. 13.7). Он используется не только для окислительного катаболизма, т.е. для расщепления углеводов, жирных кислот и аминокислот, но может служить также первой стадией многих биосинтетических путей, для которых он является источником предшественников. Под воздействием ряда важных вспомогательных ферментов некоторые промежуточные продукты цикла лимонной кислоты, главным образом а-кетоглутарат, сукцинат и оксалоацетат, могут удаляться из цикла и использоваться в качестве предшественников аминокислот (гл. 22). Скорость функционирования цикла лимонной кислоты при этом, казалось бы, должна снижаться, поскольку такой отток промежуточных продуктов из цикла должен понижать их концентрацию в клетке. В действительности же этого не происходит, так как убыль промежуточных продуктов цикла восполняется благодаря действию другого набора ферментов. При нормальных условиях реакции, отвлекающие промежуточные продукты из цикла, и реакции, восполняющие их убыль, находятся в состоянии динамического равновесия, так что концентрация этих продуктов в митохондриях остается более или менее постоянной.

Специальные ферментативные реакции, обеспечивающие пополнение пула промежуточных продуктов цикла лимонной кислоты, носят название анаплеротических («пополняющих») реакций. Наиболее важная реакция такого рода в животных тканях - это ферментативное карбоксилирование пирувата за счет СО₂ с образованием оксалоацетата (рис. 16-16); катализирует эту обратимую реакцию фермент пируваткарбоксилаза

Если для цикла лимонной кислоты не хватает оксалоацетата или какого-нибудь другого промежуточного продукта цикла, то карбоксилирование пирувата стимулируется и запас оксалоацетата растет. Для ферментативного присоединения карбоксильной группы к молекуле пирувата требуется энергия. Источником ее служит сопряженное с данной реакцией расщепление АТР до ADP и фосфата. Поскольку суммарная реакция сопровождается лишь незначительным изменением стандартной свободной энергии, мы можем заключить, что свободная энергия, необходимая для присоединения карбоксильной группы к пирувату, примерно равна свободной энергии, выделяющейся при гидролизе АТР.

Рис. 16-16. Пируваткарбоксилазная реакция и ее стимуляция положительным модулятором ацетнл-СоА. Включившаяся СО₂ показана на красном фоне.

Пируваткарбоксилаза - очень сложный фермент. Его молекулярная масса равна приблизительно 650000. Молекула фермента содержит четыре простетические группы. Каждая из них состоит из одной молекулы витамина биотина (разд. 10.9), ковалентно связанного (пептидной связью) с ε-аминогруппой особого остатка лизина, находящегося в активном центре (рис. 16-17). Свободная СО₂, предшественник новой карбоксильной группы оксалоацетата, сначала активируется путем присоединения к одному из атомов азота в молекуле биотина. Эта активация, связанная с расходованием АТР, составляет первую стадию реакции, катализируемой пируваткарбоксилазой (Е означает здесь фермент):

На второй стадии, протекающей также в активном центре фермента, новая карбоксильная группа, ковалентно связанная с простетической группой фермента, переносится на пируват с образованием оксалоацетата (рис. 16-16):

Рис. 16-17. Простетическая группа пируваткарбоксилазы. Карбоксильная группа биотина образует пептидную связь с Е-аминогруппой остатка лизина, входящего в состав активного центра фермента. СО₂ активируется, образуя N-карбокеипроизводное биотинильной простетической группы. Затем эта карбоксильная группа непосредственный донор СО₂ для пирувата переносится на пируват.

Пируваткарбоксилаза принадлежит к регуляторным ферментам. В отсутствие ацетил-СоА. который служит для нее положительным модулятором, скорость катализируемой ею прямой реакции, приводящей к образованию оксалоацетата, очень невелика (рис. 16-16). Избыток же ацетил-СоА, поставляющего «топливо» для цикла лимонной кислоты, стимулирует пируваткарбоксилазную реакцию; в результате этого образуется больше оксалоацетата и цикл использует больше ацетил-СоА в цитрат-синтазной реакции.

Пируваткарбоксилазная реакция — главная анаплеротическая реакция в печени и почках. В миокарде и в мышцах протекают другие анаплеротические реакции. Одна из таких реакций катализируется фосфоенолпируваткарбоксикиназой (гл. 20)

В этой реакции происходит расщепление фосфоенолпирувата - сверхвысокоэнергетического фосфорилированного соединения, образующегося в процессе гликолиза. Высвобождаемая энергия используется для карбоксилирования с образованием оксалоацетата. а ее остаток запасается в форме GTP.