Обмен метаболитами ЦТК между митохондриями и цитозолем

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 цитозолем в митохондриях пересекается обмен трех групп важнейших соеди­нений — углеводов, белков и липидов (рис. 4.8).

Рис. 4.8. Цикл трикарбоновых кислот как центр метаболизма.

Интермедиаты ЦТК активно используются как исходные субстраты при образовании аминокис­лот, липидов и во многих других биосинтезах. Предлагаемая схема не является полной, она лишь демонстрирует активный отток метаболитов с основного пути дыхания

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 «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 α -кетоглутарата, который необходим для ассимиляции аммония и синтеза аминокислот в хлоропластах. В мембране обнаружены два обменных переносчика, которые выносят в цитозоль α -кетоглутарат и/или цитрат в обмен на малат. В цитозоле цитрат превращается в изоцитрат (при участии аконитазы), а затем окисляется с образованием α -кетоглутарата в реакции, катализируемой НАДФ⁺-зависимой изоцитратдегидроге-назой. 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 восста­новитель в разных реакциях, например при восстановлении нитрата (см. гл. 6). И, наоборот, в ряде случаев НАДН из цитозоля может доставляться в матрикс. В то же время белок-переносчик для НАДН неизвестен. Обмен НАДН между матриксом и цитозолем осуществляется с помощью так называемых «челноч­ных систем», или «шаттлов». Наиболее важная из них — малат/оксалоацетат-шаттл (рис. 4.9), оперирующий при участии

НАД-зависимой малатдегидрогеназы, изоформы которой есть и в матриксе, и в цитозоле. В митохондриях, где содержание НАДН высокое, оксалоацетат за счет НАДН восстанавливается до малата. В мембране присутствует белок-переносчик, обменивающий малат на оксалоацетат. Оказавшись в цитозоле, малат может быть вновь окислен в обрат­ной реакции с образованием НАДН. Этот простой челнок в принципе может работать в двух направлениях в зависимости от соотношения НАДН/НАД⁺ по обе стороны митохондриальной мембраны. В то же время есть данные, что in vivo он работает в основном «на экспорт»: около 25 —50 % НАДН, образован­ного в матриксе, окисляется в цитозоле благодаря малат/оксалоацетат-шаттлу. Цикл трикарбоновых кислот не только поставляет метаболиты, необходи­мые для синтеза белков и липидов, но также включен в деградацию этих со­единений. Хотя растения «дышат» в основном углеводами, в некоторых случаях дыхание поддерживают белки или жиры. Например, при развитии пророст­ков образованные при распаде запасных белков аминокислоты через реакции переаминирования превращаются в кетокислоты — интермедиаты ЦТК и вклю­чаются в цикл. Использование жиров при прорастании семян масличных рас­тений представляет собой особый случай, связанный с функционированием глиоксилатного цикла.

Рис. 4.9. Обмен метаболитами между матриксом и цитозолем.

Внутренняя мембрана митохондрий содержит белки-переносчики. Пируват и оксалоацетат по­ступают в митохондрии в обмен на ион ОН или фосфат и метаболизируют в ЦТК с образова­нием цитрата. Вынос цитрата или α -кетоглутарата в цитозоль в обмен на малат обеспечивает углеродными скелетами синтез аминокислот в пластидах, в том числе в хлоропластах. В цитозоле цитрат может превращаться в α -кетоглутарат при участии цитозольной НАДФ-зависимой изо-цитратдегидрогеназы. Малат/оксалоацетат шаттл обеспечивает обмен НАДН между матриксом и цитозолем. Шаттл работает благодаря переносчику (известному как ОАА-транспортер), который осуществляет обменный транспорт через мембрану малата и оксалоацетата в ту и другую сторону. Важным транспортером является АТФ/АДФ-транслокатор и переносчик фосфата (см. подразд. 4.2.11)