Амфиболическое значение цикла Кребса. Необходимость анаплеротических путей, пополняющих запас компонентов, участвующих в цикле

Цикл лимонной кислоты ‒ это один из амфиболических путей. Он используется не только для окислительного катаболизма, т. е. расщепления углеводов, жирных кислот и аминокислот, но может служить также первой стадией многих биосинтетических путей, для которых он является источником молекул-предшественников (рис. 19.2).

Рис. 19.2. Использование метаболитов ЦТК в синтезе различных соединений: 1 – 3 – синтез заменимых аминокислот; 4 – 6 синтез глюкозы; 7 – синтез жирных кислот; 8 – синтез гема

Под воздействием ряда важных вспомогательных ферментов некоторые промежуточные продукты цикла лимонной кислоты, главным образом -кетоглутарат, сукцинат и оксалоацетат, могут удаляться из цикла и использоваться в качестве молекул-предшественников аминокислот. 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, т. к. убыль промежуточных продуктов цикла восполняется благодаря действию другого набора ферментов (анаплеротические реакции), (см. рис. 19.2, 19.3; табл. 19.1).

Анаплеротические (пополняющие) реакции – специальные ферментативные реакции, обеспечивающие пополнение пула промежуточных продуктов цикла лимонной кислоты.

Рис. 19.3. Роль интермедиатов цикла лимонной кислоты в анаболизме

Таблица 19.1

Анаплеротические реакции

Реакция	Ткань/организм
Пируват + НСО3¯ + АТР → Оксалоацетат + АDР + Pi	Печень, почки
Фосфоенолпируват + СО2 + GDF → Оксалоацетат + GTР	Сердце, скелетная мусулатура
Фосфоенолпируват + НСО3¯ → Оксалоацетат + Рi	Высшие растения, дрожжи, бактерии
Пируват + НСО3¯ + NAD(P)H → Малат + NAD(P)^+	Широко распространена у эукариот и прокариот

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.

Зависимое от атp и биотина карбоксилирование пирувата: анаплеротический путь синтеза оксалоацетата

Наиболее важная анаплеротическая реакция в животных тканях – это ферментативное карбоксилирование пирувата за счет СО₂ с образованием оксалоацетата (рис. 19.4); катализирует эту обратимую реакцию фермент пuруваmкарбоксuлаза:

Рис. 19.4. Пируваткарбоксилазная реакция

На рис. 19.4. видно, что карбоксильная группа биотина образует пептидную связь с -аминогруппой остатка лизина, входящего в состав активного центра фермента. СО₂ активируется, образуя N-карбоксипроизводное биотинильной простетической группы. Затем эта карбоксильная группа ‒ непосредственный донорСО₂ для пирувата ‒ переносится на пируват.

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. Её источником служит сопряженное с данной реакцией расщепление АТP 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.

Пируваткарбоксилаза – очень сложный фермент. Его молекулярная масса равна приблизительно 650 кДа. Молекула фермента содержит четыре простетические группы. Каждая из них состоит из одной молекулы витамина бuоmuна, ковалентно связанного пептидной связью с -аминогруппой особого остатка лизина, находящегося в активном центре (рис. 19.4). Свободный СО₂, предшественник новой карбоксильной группы оксалоацетата, сначала активируется путём присоединения к одному из атомов азота в молекуле биотина. Эта активация, связанная с расходованием АТР, составляет первую стадию реакции, катализируемой пируваткарбоксилазой:

АТР + СО₂ + Е-биотин + Н₂О  ADP + P_i + Е-биотин-СОО¯ + 2Н⁺

На второй стадии, протекающей также в активном центре фермента, активированная карбоксильная группа, ковалентно связанная с простетической группой фермента, переносится на пируват с образованием оксалоацетата (рис. 19.4):

Е-биотин-СОО¯ + Пируват  Е-биотин + Оксалоацетат

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. 19.5). 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 цитратсинтазной 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.

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.