Анаболические функции цикла лимонной кислоты

Другая роль цикла трикарбоновых кислот состоит в том, что он поставляет про­межуточные продукты для процессов биосинтеза (рис. 10).

Из а-оксоглутарата (а-кетоглутарата) синтезируется 5-ти углеродная аминокисло­та глутамат, а затем из глутамата синтезируются глутамин, аргинин и пролин. Из оксалоацетата (в нем 4 углеродных атома) синтезируется аспартат. Затем из аспартата синтезируется аспарагин.

Из сукцинил-КоА синтезируются порфирины и гем. Первая реакция синтеза пор-фирина - реакция конденсации сукцинил-КоА и аминокислоты глицина. В этой реакции конденсации, сопряженной с декарбоксилированием, образуется важный промежуточный продукт синтеза гема - 8-аминолевуленовая кислота.

Из оксалоацетата синтезируется глюкоза (процесс глюконеогенеза). Этот путь ак­тивируется при недостаточности глюкозы в клетке (2 на рис. 10).

Амфиболические функции цикла трикарбоновых кислот

Цикл трикарбоновых кислот занимает центральное место в клеточном метаболиз­ме. Этот циклический путь выполняет как катаболическую, так и анаболическую функцию, т.е. является амфиболическим. Цикл трикарбоновых кислот процесс с выраженной катаболической функцией. Двууглеродные фрагменты, которые вно­сит молекула ацетил-КоА, подвергаются в нем полному окислению до СО₂. Вме­сте с тем, промежуточные продукты цикла трикарбоновых кислот начинают но­вые биосинтетические пути. Из промежуточных продуктов ЦТК синтезируются некоторые заменимые аминокислоты, порфирины и гем, а также глюкоза.

Реакции, пополняющие нитратный цикл (анаплеротические реакции)

Анаплероз - процесс восполнения, пополнения резерва. К снижению концентра­ции промежуточных продуктов цикла трикарбоновых кислот приводят анаболи­ческие (биосинтетические процессы). Они быстро истощают пул промежуточных продуктов цикла. Поэтому их запас постоянно пополняется за счет молекул из других источников. При деградации большинства аминокислот образуются пиру-ват или промежуточные продукты цикла. Эти ферментативные процессы называ­ют анаплеротическими реакциями. Особенно важной анаплеротической реакцией в организме человека является превращение пирувата в оксалоацетат (1 на рис. 10 и рис. 11). Эта реакция поддерживает необходимую высокую концентрацию окса­лоацетата в митохондриях и обеспечивает субстратом первую цитратсинтазную реакцию цикла. Нарушение образования оксалоацетата (при голодании, диабете) ведет к взаимной конденсации молекул ацетил-КоА друг с другом и вызывает об­разование кетоновых тел, главным образом - ацетоацетата (СН₃-СО-СН₂-СООН).

У здоровых людей эта АТФ-зависимая реакция позволяет включать в глюконео-генез лактат и аминокислоты, распадающиеся до пирувата. В отличие от пирувата ацетил-КоА не является анаплеротическим метаболитом, поскольку полностью окисляется до СОг-

Связь между общим путем катаболизма и цепью переноса электронов и про­тонов.

Общий путь катаболизма, включающий пируватдегидрогеназный комплекс (ПДК) и цикл трикарбоновых кислот (ЦТК), локализованные в митохондриальном мат-риксе, с одной стороны, и цепь переноса электронов локализованная во внутрен­ней митохондриальной мембране, с другой, функционально связаны между собой через общие молекулы НАД* и НАДН.

При увеличении расхода энергии в клетке уменьшается концентрация молекул АТФ и увеличивается АДФ. При этом увеличивается количество электронов по­ступающих в цепь переноса электронов от молекул НАДН, поэтому их доля сни­жается, но увеличивается количество молекул НАД⁺. Эти изменения активируют ПДК и ЦТК. В цикле активируются изоцитрат-дегидрогеназная реакция и функ­ционирование а-оксоглутарат дегидрогеназного комплекса, которые чувствитель­ны к концентрации АДФ (3 и 4 на рис. 9).

Напротив, снижение энергопотребления в клетках влечет за собой увеличение концентраций АТФ и НАДН. При этом активность ПДК и ЦТК снижается. Сни­жение активности общего пути катаболизма вызвано тем, что для всех регулятор-ных этапов (1-4 на рис. 9) увеличение концентраций АТФ и/или НАДН ингибиру-ет ферментативные реакции.

***

Энергетический обмен Эндергонические и экзергонические реакции в живой клетке

Биоэнергетика — раздел биохимии, который изучает биохимические механизмы, приводящие к генерации различных форм биологической энергии. Каждое орга­ническое соединение обладает определённым запасом внутренней энергии (Е). Часть этой внутренней энергии молекулы может быть использована для соверше­ния полезной работы. Эту энергию называют свободной энергией (G) молекулы. Она представляет собой энергию валентных электронов, участвующих в образо­вании химических связей. Источники энергии для организма - это химические ре­акции, в которых молекулы, содержащие атомы углерода в восстановленном со­стоянии, подвергаются окислению. При этом специальные дыхательные перенос­чики (молекулы НАД¹" и ФАД) присоединяют протоны и электроны (восстанавли­ваются) и в таком виде транспортируют атомы водорода к дыхательной цепи. Эндергонические реакции - это химические реакции, требующие притока энергии для их осуществления. В этих реакциях изменение свободной энергии AG поло­жительная величина.

Экзергонические реакции - это реакции, в которых энергия выделяется, т.е. они идут с выделением энергии. В таких реакциях изменение свободной энергии AG-отрицательная величина.

Внутриклеточные химические реакции могут быть представлены в виде:

1. катаболических (экзергонических) реакций;

2. анаболических (эндергонических) реакций.

Пример сопряжённых реакций:

Реакция фосфорилирования глюкозы свободным фосфатом с образованием глю-

козо-6-фосфата является эндергонической:

Самопроизвольно такая реакция осуществиться не может. Её течение требует притока энергии. Для течения этой реакции в сторону образования глюкозо-6-фосфат необходимо её сопряжение с другой реакцией, в которой энергия выделя­ется. Причем выделение энергии заведомо больше, чем требуется для фосфорили­рования глюкозы. Такой реакцией является реакция гидролиза АТФ.

При сопряжении процессов (1) и (2) в реакции, катализируемой гексокиназой, фосфорилирование глюкозы легко протекает в физиологических условиях; равно­весие реакции сильно сдвинуто вправо и она практически необратима:

В живых системах в отношении направления химических реакций и биологиче­ских процессов действует принцип: эндергонические реакции текут за счет энер­гии освобождающейся в экзергонических реакциях.

Анаболические (биосинтетические) процессы, требующие притока энергии, текут за счет энергии катаболических процессов (процессов распада молекул).