В большинстве случаев скорость функционирования метаболических циклов определяется их начальными реакциями. В ЦТК важнейшая регуляторная реакция – образование цитрата из оксалоацетата и ацетил-СоА, катализируемая цитратсинтазой. Эта реакция ускоряется при повышении концентрации оксалоацетата – субстрата реакции – и тормозится продуктом реакции – цитратом. Когда отношение NADH/NАD+ снижается, скорость окисления малата в оксалоацетат возрастает. Повышение концентрации оксалоацетата повышает цитратсинтазную реакцию. Скорость реакции снижается при повышении концентрации АТP, сукцинил-СоА (сукцинил-СоА понижает сродство цитратсинтазы к ацетил-СоА) и длинноцепочечных жирных кислот (служат предшественниками ацетил-СоА). Однако точный механизм влияния этих метаболитов на цитратсинтазу недостаточно ясен (рис. 19.1).
Рис. 19.1. Регуляция общего пути катаболизма: 1 – 4 – основные этапы
На первом этапе пируватдегидрогеназный комплекс активируется пируватом, NAD+, СоА; ингибируется NADH и ацетил-СоА; на втором этапе цитратсинтазная реакция ускоряется при повышении концентрации оксалоацетата и замедляется при повышении концентрации цитрата, NADH, АТP и сукцинил-СоА; на третьем этапе изоцитратдегидрогеназа аллостерически активируется АDP, ионами кальция, ингибируется NADH; на четвёртом этапе a- кетоглутаратдегидрогеназный комплекс ингибируется NADH, АTP и сукцинил-СоА, активируется ионами кальция.
Изоцитратдегидрогеназа – олигомерный фермент, состоящий из 8 субъединиц. Присоединение изоцитрата к первой субъединице вызывает кооперативное изменение конформации других, увеличивая скорость присоединения субстрата. Фермент аллостерически активируется АDP и Са2+, которые присоединяются к нему в разных аллостерических центрах. В присутствии АDP конформация всех субъединиц меняется таким образом, что связывание изоцитрата происходит значительно быстрее. Таким образом, при концентрации изоцитрата, которая существует в митохондриальном матриксе, небольшие изменения концентрации АDP могут вызвать значительное изменение скорости реакции. Увеличение активности изоцитратдегидрогеназы снижает концентрацию цитрата, что в свою очередь уменьшает ингибирование цитратсинтазы продуктом реакции. При повышении концентрации NADH активность фермента снижается.
a- Кетоглутаратдегидрогеназный комплекс, имеющий сходное строение с пируватдегидрогеназным, в отличие от последнего не имеет в своём составе регуляторных субъединиц. Главный механизм регуляции a-кетоглутаратдегидрогеназного комплекса – ингибирование реакции NADH и сукцинил-СоА. a- Кетоглутаратдегидрогеназный комплекс, как и изоцитратдегидрогеназа, активируется Са2+, а при повышении концентрации АТР скорости обеих реакций снижаются.
Таким образом, в цикле лимонной кислоты регулируются, по меньшей мере, три стадии, и только в своих деталях эта регуляция у разных типов клеток несколько различается. Кроме описанных механизмов в регуляции цитратного цикла существует множество дополнительных механизмов, обеспечивающих необходимый уровень метаболитов и их участие в других метаболических путях.
Скорость гликолиза в нормальных условиях согласована со скоростью функционирования цикла лимонной кислоты: в клетке до пирувата расщепляется ровно столько глюкозы, сколько необходимо для того, чтобы обеспечить цикл лимонной кислоты «топливом», т. е. ацетильными группами ацетил-СоА. Ни пируват, ни лактат, ни ацетил-СоА обычно не накапливаются в аэробных клетках в больших количествах; их концентрации поддерживаются на некоем постоянном уровне, соответствующем динамическому равновесию. Согласованность между скоростью гликолиза и скоростью функционирования цикла лимонной кислоты объясняется не только тем, что первый процесс ингибируется высокими концентрациями АТP и NADH, т. е. компонентами, общими для гликолитической и дыхательной стадий окисления глюкозы; определенную роль в этой согласованности играет также и концентрация цитрата. Продукт первой стадии цикла лимонной кислоты – цитрат – является аллостерическим ингибитором фосфофруктокиназы, катализирующей в процессе гликолиза реакцию фосфорилирования фруктозо-6-фосфата.
