И.П. Ермаков - Физиология растений (1134204), страница 55
Текст из файла (страница 55)
Наличие этого фермента в митохондриях делает возможным получать пируват из малага и тем самым обходить последнюю реакцию гликолиза (рис. 4.5). Действительно„образованный в гликолизе ФЕП является субстратом сразу двух реакций. При участии пируваткиназы он превращается в пируват (1), а при участии ФЕП-карбоксилазы — в оксалоацетат (2).
Последний легко восстанавливается до малага (3). Поступив в митохондрии, малат либо сразу включается в ЦТК, либо окисляется малик-знзимом до пирувата (5). На самом деле не совсем понятно, насколько этот альтернативный способ образования пиру- вата из малата используется (и иро в нормальной физиологической ситуации. Сообщалось, что згот путь активируется у некоторых растений при фосфорном голодании. Возможно, он включается при регуляторном подавлении активности пируваткиназы (см. подразд.
4.! .7). Тем не менее дублирование реакций, связанных с синтезом пирувата, отражает пластичность растительного метаболизма и, безусловно, расширяет их адаптивные возможности. Так, трансгенные растения табака (Ачсой(сзла гаЬаситп), лишенные пируваткиназы, выживали и поддерживали нормальный метаболизм за счет этого обходного пути.
4ЛЛ. РАСПАД ГЛЮКОЗЫ РЕГУЛИРУЕТСЯ КЛЮЧЕВЫМИ МЕТАБОЛИТАМИ И ПОДЧИНЕН КОМПЛЕКСНОЙ СИСТЕМЕ КОНТРОЛЯ В гликолизе и ЦТК действуют несколько ключевых реакций, благодаря которым весь процесс окисления глюкозы от начала до конца является контролируемылз. Наиболее важная точка контроля — реакции гликолиза, связанные с превращением фруктозо-6-фосфата во фруктозо-!,б-бисфосфат и обратно. Все ферменты, участвующие в прямой и обратной реакциях, подвержены аллосгерической регуляции (рис.
4.6). В клетках животных АТФ-зависимая фосфофруктокиназа активируется АДФ и подавляется АТФ, тогда как в клетках растений этот фермент активируется ионом фосфата„а ингибируется ФЕП. Обратная реакция, катализируемая фосфатазой, в обоих случаях активируется АТФ и цитратом и подавляется АДФ. Такая система регуляции означает, что накопление в клетке нереализованного АТФ и фосфоенолпирувата на фоне низкого уровня АДФ и Ф„приведет к подавлению активности фосфофруктокиназы и активации фосфатазы, т.е. к торможению скорости распада глюкозы.
222 ФФв ФФК Рис. 4.6. Регуляция гликолиза у растений на уровне реакции фосфорилирования фрук- тозо-б-фосфата: Фр-б-Ф вЂ” фруктово-6-фосфат; Фр-1,6-Ф вЂ” фруктозо-!,б-бисфосфат; Фр-2,6-Ф вЂ” фруктозо- 2,6-бисфосфат; АТФ-ФФК вЂ” АТФ-зависимая фосфофруктокиназа; ФФ„-ФФК вЂ” пирофосфатзависимая фосфофруктокиназа; фосфатаза — фруктозо-1„6-бисфосфатаза; 2 — активирование; 1 — ингибирование В регуляцию этих реакций включен еще один фактор — фруктозо-2,6-бисфосфат, регуляторная молекула у всех эукариот. Фруктозо-2,6-бисфосфат действует как активатор прямой и ингибитор обратной реакции, т.е. стимулирует гликолиз и подавляет глюконеогенез.
У животных фруктозо-2,6-бисфосфат активирует АТФ-зависимую фосфофруктокиназу и подавляет активность фосфатазы. У растений в отличие от животных фруктозо-2,6-бисфосфат не действует на АТФ-зависимый фермент, но четко активирует ФФв-зависимую фосфофруктокиназу и ингибирует фосфатазу. Пластидная изоформа АТФ-зависимой фосфофруктокиназы, как и цитозольная, активируется фосфатом и подавляется ФЕП, а также АТФ. О способах регуляции пластидной фосфатазы известно мачо. Фруктозо-2,6-бисфосфат образуется и деградирует при участии двух ферментов: фруктозо-6-фосфат 2-киназы и фруктозо-2,6-бисфосфатазы: 2-киааза АТФ АДФ ФРу -6-еже — — — ФРу -з,б-е е ф Ф„нзо 2-фасфа гас за Активность 2-киназы активируется ионом фосфата и фрукчозо-6-фосфатом и ингнбируется трехуглеродным продуктом гликолиза — ФГА и ФГК.
Таким образом, синтез самой регуляторной молекулы сложным образом зависит от соотношения Сб/С3-сахаров в растительной клетке. На это соотношение будуг влиять интенсивность синтеза сахарозы и транспорт в хлоропласт Фв в обмен на триозофосфат (см. гл. 3). Второй регуляторный фермент гликолиза, пируваткиназа, аллостерически ин' гибируется метаболитами ЦТК, цитратом и малатом н активируется АДФ и Ф„. Следующая точка контроля на пути окисления глюкозы — ПДК, на примере которого можно видеть, как иногда сложно регулируется активность клю- 223 чевых ферментов. Одним из способов «быстрого реагирования» в клетке является изменение активности ферментов за счет их обратимого фосфорилирования — дефосфорилирования при участии специальных прогаеинкиназ и дзасбзатаз.
Именно такому способу регуляции подвержен и ПДК: АТФ-зависимое фосфорилирование комплекса по остатку серина подавляет его активность, а при отщеплении фосфатной группы активность восстанавливается (рис. 4.7). Состояние комплекса зависит от активности киназы, которая в свою очередь подвержена аллостерической регуляции. Киназа активируется АТФ и ионом аммония и ингибируется субстратом комплекса — пируватом. Регуляторные свойства фосфатазы остаются пока неясными. Кроме того, ПДК ингибируется по типу обратной связи НАДН и ацетил-СоА. Регуляторные ферменты ЦТК вЂ” цитратсинтаза и НАД-зависимая изоцитратдегидрогеназа.
Активность цитратсинтазы аллостерически подавляется АТФ и НАДН. Изоцитратдегидрогеназа активируется АДФ и цитратом и ингибируется АТФ и НАДН. Кроме того, работа дегидрогеназ цикла зависит от соотношения НАД'/НАДН в матриксе. Следовательно, ключевую роль в управлении ЦТК играет соотношение НАДН/НАД' и АТФ/АДФ в матриксе митохондрий. При высоком содержании АТФ и НАДН работа цикла будет тормозиться. Итак, на всем пути окисления глюкозы действуют ферменты, активность которых сложным образом зависит от многих факторов. В то же время в системе регуляции прослеживается общий принцип: ключевые реакции регулируются «снизу вверх», т.е.
метаболитами, которые образуются в последующих реакциях, и прежде всего на заключительной стадии, когда в процессе окислитель- ного фосфорилирования синтезируется основная масса АТФ из АДФ и Фгг Во всех случаях ключевые ферменты реагируют либо на абсолютное содержание, либо на соотношение АДФ, АТФ и Фл. Такая система регуляции очень логична и направлена на поддержание в клетке режима экономии, при котором ско- Пн Р Рувят ПДК неактивный 1 Ф АТФ мн,' Рис. 4.7. Регуляция пнруватдегнарогеназного комплекса за счет обратимого фосфорн- лирования/лефосфорилнровання. Кннвзв каталнзнруст АТФ-зввнснмое фосфорнлнрованне одного нз белков комплекса, пер«воля его в неактивное состояние.
Кннвзв активируется АТФ н нонамн аммонал, ннгнбнруется пируветом. Дефосфорнлнроввнне при участии фосфатвзы воссглнавчнвает активность комплекса. Кроме того, активность ПДК подавляется продуктами реакннн — НАДН н анетнл-СоА; 3, — ннгнбиро- ваннс; е' — вктнвнровенне 224 рость распада глюкозы соответствовала бы потребностям клетки в АТФ и других продуктах дыхания.
Цри высоком уровне АДФ и Фн, который отражает быстрый расход в клетке синтезируемой АТФ, ключевые реакции гликолиза и ЦТК активируются, а при накоплении АТФ тормозятся. Благодаря такой системе регуляции скорость окисления глюкозы и дыхания в целом координируется в соответствии с энергетическим статусом клетки. 4.1.8. ОБМЕН МЕТАБОЛИТАМИ ЦТК МЕЖДУ МИТОХОНДРИЯМИ И ЦИТОЗОПЕМ Цикл трикарбоновых кислот — это не только необходимый этап энергообмена, но и источник соединений, необходимых для многих биосинтезов, протекающих в цитозоле и других компартментах.
Благодаря интенсивному обмену с аитозолем в митохондриях пересекается обмен трех групп важнейших соединений — углеводов, белков и липидов (рис. 4.8). Например, ацетил-СоА— исходное соединение для синтеза жирных кислот и полиизопреноидных соединений, необходимых при биосинтезе липидов, каротиноидов, растительных гормонов. Важнейшей функцией цикла является экспорт так называемых соединения Аспартат ~ ~Оксал а-Кетоглутврат ь. Глугамат |! Другие аминокислоты |! Сукпинил-СоА Другие аигп ~окислоты |! Рис. 4.8.
Цикл трикарбоновых кислот как центр метаболизма Интермедиаты Цтк активно использухпся как исходные субстраты при образовании аминокислот, лнпндов и во многих других биосинтезах. Предлагаемая схема не является полной, она лишь демонстрирует активный отпгк метаболнтов с основного пути дыхании 225 $ Фимолпях раснаяа Гаго коза Гликолиз Х аа Цитохро мы Фитохромы Хлорофиллы Лн инды | Жирные кислоты Изопреноилные Синтез амяпокаслст ххсроплаетах «-Кетоглумрет~ Махатз" + НАДФН и-к ло легат М ет ~ недн~ Рис.
4.9. Обмен метаболитами мслгду матриксом и цитозолем. Внутренняя мембрана митохондрий содержит белки-переносчики. Пируаат и оксатоацетат поступают в митохондрии в обмен на ион ОН или фосфат и мстаболизируют в ЦТК с образованием цитрата. Вынос цитрата или а-кетоглугарата в цитозоль в обмен на малат обеспечивает углеродными скелетами синтез аминокислот в пластидах, в том числе в хлоропластах. В цитозоле нитрат мозкет превращаться в о-кетоглутарат при участии цитозольной НАДФ-зависимой изоцитратдегидрогеназы. Маваг/оксалоацетат шаттл обеспечивает обмен НАДН мелду матриксам и цитозолем.
Шаттл работает благодаря переносчику (известному как ОАА-транспортер), который осуществляет обменный транспорт через мембрану малага и оксалоацстата в ту и другую сторону. Вюхным транспортером является АТФ/АДФ-транслокагор и переносчик фосфета (см. подразд, 4Д. Н ) 226 «углеродных скелетов» в виде кетокислот, необходимых для синтеза аминокислот в реакциях переаминирования. Интеграция митохондрий в общий метаболизм возможна благодаря интенсивному обмену метаболитами между матриксом и цитозолем.
Наружная мембрана благодаря наличию пор не препятствует такому обмену. Транспорт соединений через внутреннюю мембрану осуществляется с помощью интегрированных в нее белков-транспортеров. Транспортеры переносят кето- и аминокислоты, адениннуклеотиды, НАД', коэнзим А и многие другие соединения (см. также подразд. 4.2.11). Так, во внутренней мембране есть целое семейство похожих по своей структуре белков, которые осуществляют транспорт анионов ди- и трикарбоновых кислот, участвующих в ЦТК (рис. 4.9). Особенно интенсивно из митохондрий идет вынос гг-кетоглутарата, который необходим для ассимиляции аммония и синтеза аминокислот в хлоропластах. В мембране обнаружены два обменных переносчика, которые выносят в цитозоль а-кето- глутарат и/или цитрат в обмен на малат. В цитозсле цитрат превращается в изоцитрат (при участии аконитазы), а затем окисляется с образованием а-кетоглутарата в реакции, катализируемой НАДФ'-зависимой изоцитратдегидрогеиазой.
В обмен на а-кетоглутарат или цитрат в митохондрии поступает малат, тем самым возмещая углеродные потери ЦТК. Между митохондриями и цитозолем возможен также обмен восстановительными эквивалентами. Образующийся в ЦТК НАДН не только окисляется в дыхательной цепи, но и выносится в цитозоль, где используется как восстаиовитель в разных реакциях, например при восстановлении нитрата (см. гл. 6).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
