Как уже отмечалось, для бесперебойной работы ЦТК на каждую молекулу вступившего в него ацетил-КоА необходимо регенерировать (на 8-й стадии) молекулу ЩУК: она принимает очередную ацетильную группу и тем самым дает начало новому обороту цикла. Однако полнота такой регенерации в реальности невозможна. Ибо часть метаболитов цикла клетке приходится использовать для иных целей, - вне ЦТК. Например, 0,03-0,04% сукцинил-КоА, образующегося на 4-й стадии, расходуется для биосинтеза гема (см. рис. 5-18) и тем самым «отчуждается» от регенерации ЩУК. Есть и другие пути «утечки» отдельных метаболитов цикла. И хотя они тоже очень невелики, должны существовать способы восполнения этих потерь (во избежание постепенного исчерпания ЩУК). Такие реакции существуют. Их называют анатеротыческими («восполняющими»). Одна из них протекает в митохондриях, другая - в цитоплазме.
Рис. 5-27. Строение биотина (А) и его карбоксилированной формы (Б).
Митохондриальная выработка ЩУК типична для клеток печени и почек. Ее реализует пируваткарбоксилаза. Каждая субъединица этого гомотетрамера содержит прочно связанный Мп2+, а также биотин (рис. 5-27, А), ковалентно соединенный (пептидной связью) с определенным лизильным радикалом апофер- мента. Именно биотин (прежнее название - витамин Н) входит в состав каталитического центра ряда ферментов, обеспечивающих внедрение СОг в органические молекулы или перенос карбоксильной группы с одного вещества на другое.
Рис. 5-28. Схема пируеаткарбоксилазной реакции (жирным шрифтом выделены атомы СОО, происходящие из угольной кислоты)
Пируваткарбоксилазная реакция начинается с превращения биотина (в составе фермента) в его карбоксилированную форму (рис. 5-27, Б). Процесс включения С02 в простетическую группу происходит за счет использования молекулы угольной кислоты. Он требует затраты энергии, а потому протекает сопряженно с реакцией расщепления АТФ до АДФ и Фн (рис. 5-28, I). При этом углерод возникшей карбоксильной группы присоединяется к азоту биотина макроэргической связью (отмеченной еще на рис. 5-27, Б). Поэтому не нуждается в дополнительной энергии вторая стадия ферментативного процесса, - передача группы -СООН на пнруват, превращающая его в ЩУК (рис. 5-28, II).
Обычная активность пируваткарбоксилазы очень невелика. Однако, накопление ацетил- КоА сильно повышает ее. Биологический смысл этого алпостерического эффекта очевиден. Утилизация избыточного ацетил-КоА требует ускорения реакций ЦТК, а для этого необходимо повышенное количество ЩУК. Прирост ацетил-КоА в митохондриях, активируя пируваткарбоксилазу, содействует переводу части ПВК в щавелевоуксусную кислоту, с участием которой быстро ликвидируется избыточность ацетил-КоА. А это, в свою очередь, ведет и к прекращению активации пируваткарбоксилазы, т.е., к падению наработки ЩУК. В результате интенсивность ЦТК постепенно снижается, возвращаясь к исходному («базальному») уровню. Этот механизм автономной саморегуляции постоянно поддерживает требуемую концентрацию ЩУК, эффективно обеспечивая контролируемое восполнение убыли («утечки») любого из промежуточных метаболитов ЦТК.
Рис. 5-29. Карбоксилирование фосфоенолпируеата (ФЕП) под действием фосфоенолпируеат-карбоксикиназы
Цитоплазматический путь регенерации ЩУК доминирует в мышечной ткани (включая миокард). При этом используется не пируват, а предшествующий ему метаболит - фосфоенолпируват (ФЕП), образующийся в цитоплазме при распаде углеводов (как это показано на рис. 6-25, IX). Обычная его судьба — превращение в пируват, который с участием специального трансмембранного переносчика (пируват-транслокозы) поступает в митохондрии, где и превращается в ацетил-КоА (см. рис. 5-15). Однако часть ФЕП может подвергаться в цитоплазме карбоксилированию. Эту обратимую реакцию превращения ФЕП в ЩУК (рис. 5-29) катализирует фосфоенолпируват-карб- оксшиназа.
Рис. 5-30. Восполнение митохондриального фонда ЩУК за счет цитоплазматического (цифрой 1 обозначен трансмембранный переносчик дикарбоновых кислот).
Образуемые в цитоплазме молекулы ЩУК сами по себе не в состоянии проникать в митохондрии, - из-за отсутствия соответствующей транслоказы. Однако под действием цитоплазматического изофермента малатдегидрогеназы они легко превращаются в малат. Эта обратимая реакция идентична 8-й стадии ЦТК (см. рис. 5-23) и использует имеющийся в цитоплазме НАД-#2- Появляющиеся молекулы яблочной кислоты без затруднений попадают в матрикс митохондрий с участием дикарбокси- лат-транслоказы, которая специализирована на трансмембранном переносе ионов дикарбо- новых кислот, - таких как малат и сукцииат. После этого малатдегидрогеназа (но уже митохондриальная) может обратно превращать малат в ЩУК и НАД-#2 (рис. 5-30).
Таким образом, источником компенсации убыли ЩУК в митохондриях могут стать те молекулы этого метаболита, которые образуются в цитоплазме, но проникают в матрикс в форме малата.
К середине XX в. был сформулирован тезис: «Жиры сгорают в пламени углеводов». Он отражал наблюдения о нарушениях обмена веществ при резком преобладании жиров в питании и о благоприятном эффекте увеличения доли продуктов, богатых углеводами. С развитием науки стали понятными молекулярные основы негативных последствий однобокости пищевого рациона. Теперь известно, что фонд ЩУК необходимо пополнять и что в мышцах это требует использования предшественника пирувата - ФЕП. Он образуется при распаде глюкозы - практически единственного источника этого метаболита. Схема на рис. 5-26 показывает, что жирные кислоты превращаются в молекулы ацетил-КоА без промежуточного образования пирувата (и ФЕП). Поэтому преимущественно жировое питание чревато недостаточным восполнением ЩУК и, следовательно. ограничением возможностей ЦТК. А без него невозможно полноценное расщепление жиров (т.е.. происходящего из них аце- тил-КоА), - с вытекаюшнми из этого неблагоприятными последствиями. Нечто подобное наступает и при алкоголизме, когда спирт становится чуть ли не главным энергетическим ресурсом: этанол превращается в уксусный альдегид и далее в ацетил-КоА, а потому не может быть источником восполнения убыли ЩУК. Это вносит свой вклад в развивающуюся патологию, хотя и отнюдь не исчерпывает вредных последствий злоупотребления алкоголем.
