Регуляция цикла ТСА и гликолиза адениновыми нуклеотидами

Краткое содержание

Гликолиз и цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) представляют собой разные процессы, которые не обязательно связаны последовательно. Поэтому неудивительно, что их способы регуляции не идентичны и на самом деле предполагают гораздо более сложную регуляцию, чем упомянуто в вопросе. Использование АМФ, а не АДФ, в качестве сенсора дефицита энергии зависит от действия аденилаткиназы, которое может различаться в цитоплазме и митохондриях.

Взаимосвязь между гликолизом и циклом ТСА

Очевидное в вопросе ожидание того, что гликолиз и цикл ТСА должны контролироваться совершенно одинаково, предполагает, что либо эти два процесса неразрывно связаны, либо, по крайней мере, функционирование цикла ТСА зависит от функционирования гликолиза. Это не так, хотя студент может простить это неправильное впечатление тем (возможно, неизбежным) способом последовательного изложения тем в учебниках по биохимии.

Основная функция гликолиза заключается в получении АТФ непосредственно из АДФ. Конечный продукт этого пути, пируват, при некоторых обстоятельствах превращается в ацетил-КоА для цикла трикарбоновых кислот, а образующийся НАДН используется для образования АТФ посредством цепи переноса электронов (и т. д.) и окислительного фосфорилирования. Однако у пирувата есть множество других возможных судеб в зависимости от типа организма или — в высших организмах — от ткани и их общих метаболических потребностей. Например, при анаэробном метаболизме, в том числе при тренировке мышечной ткани, упомянутой на плакате, пируват может снижаться за счет реакций, которые восстанавливают НАД ^{+ .}из НАДН, например превращение в лактат. Он может служить предшественником аминокислот, аланина, валина и лейцина. Он также может быть преобразован в реакции, катализируемой пировиноградной карбоксилазой, в оксалоацетат, ключевой промежуточный продукт, который позволяет ацетил-КоА входить в цикл трикарбоновых кислот. Важность прямого синтеза оксалоацетата таким образом заключается в том, что он позволяет продолжить цикл, когда промежуточные продукты используются для синтетических целей (обсуждается ниже), при которых оксалоацетат истощается.

Что касается цикла трикарбоновых кислот , существуют источники ацетил-КоА, отличные от пирувата, образующегося в результате гликолиза, и он выполняет функции, отличные от выработки энергии. Ацетил-КоА может образовываться при распаде жирных кислот и некоторых аминокислот. В многоклеточных организмах пируват также может образовываться из лактата, поступающего из крови, хотя в клетках печени он, вероятно, используется для глюконеогенеза. А некоторые бактерии — уксуснокислые бактерии, такие как Acetobacter — могут утилизировать этанол, полученный в результате ферментации в цикле ТСА. В дополнение к его функции по выработке энергии некоторые из его промежуточных соединений (α-кетоглутарат, сукцинил-КоА и оксалоацетат) являются предшественниками путей биосинтеза., а производство цитрата из ацетил-КоА является средством переноса последнего из митохондрий, где он снова превращается в ацетил-КоА ферментом расщепления цитрата (АТФ-цитрат-лиазой).

Поэтому неудивительно, что будут существовать различия в регуляции гликолиза и цикла трикарбоновых кислот, и действительно, что будут различия между разными организмами — то, что обычно не упоминается в элементарных текстах.

Регуляция гликолиза

Основной функцией гликолиза является прямое образование АТФ («на уровне субстрата»), а поток глюкозы через него контролируется регуляторными эффектами как АТФ (–ve), так и AMP (+ve) на фосфофруктокиназу, что было установлен и рационализирован Д. Е. Аткинсоном (Biochemistry 1968, 7, 11, 4030-4034) в терминах реакции на общий энергетический заряд системы.

Это происходит из-за способности аденилаткиназы повторно превращать АДФ в АТФ:

               2ADP → ATP + AMP

[из Atkinson and Walton (1967) J. Biol. хим. 242 3239–3241]

Можно видеть, что AMP является гораздо лучшим индикатором низкого энергетического заряда, чем ADP, в обстоятельствах, представленных на графике выше.

Цитрат также является отрицательным эффектором фермента, обеспечивая координацию между гликолизом и циклом ТСА. (Гормональная регуляция через фосфорилирование белков происходит в тканях высших эукариот.)

Регуляция превращения пирувата в ацетил-КоА

Чтобы войти в цикл ТСА, пируват должен быть преобразован в ацетил-КоА комплексом пируватдегидрогеназы. Регуляция этого фермента определяет степень, в которой это происходит, и, следовательно, степень, в которой пируват метаболизируется другими процессами. Отрицательными регуляторами здесь являются высокие концентрации продуктов реакции, ацетил-КоА и НАДН, хотя у высших эукариот важное значение имеет гормонально индуцированное фосфорилирование белков.

Регуляция цикла ТСА

Затем первый регуляторный фермент цикла ТСА, изоцитратдегидрогеназа, реагирует на концентрацию ключевых молекул, участвующих в окислительном фосфорилировании: он стимулируется АДФ и ⁺ и ингибируется АТФ и НАДН. Стоит задуматься о последствиях торможения. Если происходит накопление цитрата, это может иметь обратную связь и ингибировать фосфофруктокиназу в гликолизе. Однако цитрат может перемещаться в цитоплазму эукариот и превращаться в ацетил-КоА (для синтеза жирных кислот) с помощью фермента расщепления цитрата, который стимулируется АТФ и ингибируется АДФ.

Более поздним регуляторным этапом является α-кетоглутаратдегидрогеназа, которая ингибируется АТФ, НАДН и ее продуктом, сукцинил-КоА. Ингибирование этого фермента приводит к накоплению α-кетоглутарата, который является предшественником нескольких аминокислот.

Наличие нескольких регулирующих стадий в окислении пирувата и цикле трикарбоновых кислот позволяет использовать цикл как для производства энергии, так и в качестве источника синтетических прекурсоров. Следовательно, должно быть очевидно, почему его контроль в некоторых отношениях похож на контроль гликолиза, но обнаруживает ключевые отличия.

[Берг и др. Биохимия 5-е изд., рис. 17.18]

Но почему АМФ не является регуляторной молекулой в цикле ТСА?

Гликолиз и цикл ТСА не должны идти в ногу, хотя, когда они оба реагируют на потребность в АТФ, их ключевые ферменты регулируются адениновыми нуклеотидами среди других молекул. Первоначальный вопрос (или его модификация) остается, почему АМФ является положительным эффектором фосфофруктокиназы, а не изоцитратдегидрогеназы, которая реагирует на АДФ. Интересно, что в разделе Berg et al. При обсуждении концепции энергетического заряда без дальнейших пояснений добавляется довольно хромой комментарий о том, что отношение АТФ/АДФ также может действовать как показатель энергетического статуса.

Я не знаю наверняка , но подозреваю, что условия, при которых справедливо уравнение Аткинсона для энергетического заряда, не выполняются в митохондриях. Это подтверждается Sobol et al. (1978) Eur J. Biochem. 87 377–390которые обнаружили, что концентрации АМФ в митохондриях печени крысы намного ниже, чем можно было бы ожидать от уравновешивания с АТФ и АДФ посредством аденилаткиназной реакции. Они предположили, что за это может быть ответственна дополнительная реакция AMP с GTP в митохондриях, а также процитировали сообщения об отсутствии аденилаткиназы в матриксе митохондрий печени крысы. По крайней мере, в печени крыс это могло бы объяснить, что AMP не может быть полезной регуляторной молекулой, тогда как соотношение АТФ/АДФ указывает на потребность в окислительном фосфорилировании.