т 320±12 228±9 Аконитаза** 46,013,1 —

Изоцитрат 27,313,5 24,013,0 НАД- изоцитратдегидрогеназа 28,312,2 5,610,4

НАДФ-изоцитратдегидрогеназа 19,611,5 32,012,4

а -Кетоглутарат 125±10 114±9 а -Кетоглугаратдегидрогенеза 58,913,7 64,514,9

Сукцинат 791±26 804±24 Сукцинатдегидрогеназа 106,0115,7 145,2120,1

Фумарат — — Фумараза — —

Малат 356121 420128 НАД-малатдегидрогеназа 407,0135,5 385,0140,2

Содержание ацетил-КоА в мозге приведено по данным C.Reynolds, G.Blass, 1975, а по данным Gumaa, Мс Lean, Grcenbaum, 1971, — в печени

Активность аконитазы — по данным A.G.Patel, 1974

содержание основных компонентов ЦТК в головном мозге печени крыс. Видно, что к наиболее медленным этапам, которые могут лимитировать скорость потока субстратов через цикл в мозге, как и в других тканях, относятся реакции синтеза и окисления цитрата.

5.5.2. Цитратсинтазная реакция и регуляция ее скорости в мозге

Скорость необратимой в физиологических условиях реакции биосинтеза лимонной кислоты находится под контролем нескольких одновременно действующих факторов. В опытах с очищенными ферментативными препаратами найдено, что АТФ является отрицательным аллостерическим модулятором цитратсин-тазы (цитрат-оксалоацетат-лиаза, ацетилирующая КоА, 4.1.3.7). Эффект нуклеотида обусловлен повышением константы Михаэлиса фермента для ацетил-КоА.

Субстраты реакции — ацетил-КоА и оксалоацетат также участвуют в регуляции активности цитратсинтазы. На основании сопоставления значений констант Михаэлиса, установленных в опытах на очищенных препаратах ферментов и реально существующих в тканях животных концентраций этих метаболитов, Кребс пришел к выводу, что in vivo основным из этих двух регуляторных факторов является концентрация щавелевоуксусной кислоты.

¦ Таким образом, in vivo скорость цитратсинтазной реакции контролируется главным образом двумя факторами: концентрацией отрицательного аллостерического фактора фермента — АТФ (точнее, его долей в общем пуле адениновых нуклеоти-дов внутри митохондрий) и концентрацией щавелевоуксусной кислоты.

Цитратсинтазная реакция является не только важнейшим этапом ЦТК, но и компонентом системы образования ацетилхолина в холинергических нейронах. Вместе с ПДГ и цитратлиазой она обеспечивает поставку ацетил-КоА для биосинтеза нейротранс-миттера. О большом значении этой функции цитратсинтазы в мозге говорят наблюдения о том, что даже незначительные изменения активности фермента, еще не вызывающие сдвигов в энергетическом обмене, приводят к существенным нарушениям в синтезе ацетилхолина и блокируют холинергическую передачу.

173

5.5.3. Изоцитратдегидрогеназные реакции и их регуляция в мозге

Основным путем метаболизма лимонной кислоты является окисление ее в изоцитратдегидрогеназных реакциях после превращения ее под действием аконитазы в изолимонную кислоту. Активность'аконитазы [(цитрат (изоцитрат)-гидролаза, 4.2,1.3)] значительно превышает активность как цитратсинтазы, так и изоцитратдегидрогеназ и не лимитирует скорость взаимопревращения трикарбоновых кислот. В головном мозге взрослых животных до 98% цитрата подвергается дальнейшему окислению и лишь около 2% расщепляется в цитратлиазной реакции до ацетил-КоА и шавелевоуксусной кислоты. В других тканях (печень, жировая ткань) доля лимонной кислоты, подвергающаяся расшеплению цитратлиазой, может быть в несколько раз выше.

Окисление изолимонной кислоты осуществляется двумя типами изоцитратдегидрогеназ (И ЦП Г):

1. НАД-зависимым ферментом (Ц-изоцитрат: НАД-оксидо-редуктаза, 1.1.1.41), который катализирует необратимую реакцию, протекающую исключительно в митохондриях;

2. НАДФ-специфичным ферментом (Ц-изоцитрат: НАДФ-оксидоредуктаза, 1.1.1.42), катализирующим обратимую реакцию как в митохондриях, так и в цитоплазме .

Роль НАД- и НАДФ-зависимых изоцитратдегидрогеназ в окислении изолимонной кислоты далеко не одинаково. В головном мозге основная часть (до 65-70%) субстрата окисляется по НАД-зависимому пути, поставляющему НАДН непосредственно в дыхательную цепь митохондрий и таким образом тесно связанному с поддержанием энергетического баланса клеток. Напротив, в печени, сердце и других тканях с помощью НАД-зависимой ИЦДГ окисляется менее 10% изоцитрата, а основная масса субстрата используется в НАДФ-ИЦЦГ реакциях, особенно интенсивно протекающих в цитоплазме, где образующийся НАДФН может быть использован для разнообразных восстановительных биосинтезов.

Интересно, что явное преобладание НАД-зависимого пути окисления изолимонной кислоты в митохондриях характерно лишь для мозга взрослых животных. В то же время у растущих животных в период интенсивного липогенеза, связанного с процессами миелинизации, значительная часть изоцитрата окисляется в НАДФ-ИЦДГ-реакции (рис, 5.1) и может служить источником НАДФН для биосинтеза специфических липидов мозга.

174

UI./мг белка

I_i_I_l_i___

0 10 20 30 40 Взрослые Возраст, дни

Рис.5 А. Возрастные изменения активности НАД- и НАДФ-зависимых изоцитратдееидроееназ в митохондриях головного мозга крыс (по Н.Д.Ещенко и др., 1976) по оси ординат — активность ферментов, U.E./мг белка; по оси абсцисс — возраст животных, дни; 1 — НАД-изоцитратдегид-рогеназа; 2 — НАДФ-изоцитратдегидрогеназа

Регуляция скорости окисления изолимонной кислоты осуществляется главным образом за счет изменения активности НАД-специфичной дегидрогеназы.

В отличие от НАДФ-ИЦЦГ НАД-зависимый фермент относится к числу регулируемых; положительным аллостерическим фактором служит АДФ, а АТФ, напротив, ингибирует фермент. Эффект АДФ обусловлен конформационными изменениями фермента, в результате чего возрастает в 3-10 раз его сродство к субстрату. Одновременно происходит сдвиг оптимума рН в щелочную сторону, т.е. эффектор стабилизирует НАД-ИЦДГ, обеспечивая высокую каталитическую активность в достаточно широком диапазоне рН. Установлено также, что АДФ вызывает агрегацию молекул фермента с образованием надмолекулярных форм.

Необходимо подчеркнуть, что эффективность адениннукле-отидного контроля активности НАД-ИЦДГ определяется не столько абсолютными концентрациями АТФ, АДФ и АМФ,

175

сколько соотношением высоко- и низкоэнергетических компонентов адениннуклеотидной системы. В значительной степени эффективность адениннуклеотидного контроля НАД-ИЦДГ-реакции зависит от интрамитохондриальной концентрации ионов Са2+, которые изменяют Км фермента для изоцитрата. Установлено, что низкие концентрации Са2+ [(1-30)1(Г~6М] повышают сродство фермента к изоцитрату, в то время как высокие — ингибируют НАД-ИЦДГ. Недавно высказано предположение о возможном участии кальмодулина в регуляции НАД-ИЦДГ ионами Са2+.

Сопоставив механизмы регуляции НАД-ИЦДГ и цитратсинтазы, можно сделать вывод о существовании специфической для мозговой ткани совместной, сопряженной регуляции скорости этих двух лимитирующих этапов ЦТК. Действительно, активность обоих ферментов согласованно и однонаправ-ленно меняется при изменении соотношения между компонентами адениннуклеотидной системы. Уменьшение доли АТФ в общем пуле адениновых нуклеотидов и возрастание относительного содержания АДФ и АМФ вызывает повышение активностей обоих ферментов. Кроме того, ускорение образования лимонной кислоты в цитратсинтазной реакции и сопровождающее его накопление изоцитрата в силу тысячекратных различий в значениях Км для изоцитрата двух типов ИЦДГ, также способствует увеличению активности именно НАД-ИЦДГ. На долю последней приходится окисление основной массы субстрата в митохондриях головного мозга.

Такая сопряженная регуляция начальных, лимитирующих этапов ЦТК и тесная зависимость их скорости от соотношения основных компонентов адениннуклеотидной системы обусловливает существование в головном мозге более жесткой корреляции между интенсивностью энергетического обмена и скоростью ЦТК. Эта характерная особенность позволяет рассматривать цитратсинтазу и НАД-изоцитратдегидрогеназу в митохондриях мозга как единый функциональный комплекс, подобно тому как по предложению У.Лоури и соавторов объединены в аналогичный функциональный комплекс два важнейших фермента, определяющие скорость гликолиза в головном мозге, — гексокиназа и фосфофруктокиназа.

5.5.4. Этапы окисления дикарбоновых кислот

Важной для метаболизма нервной ткани стадией ЦТК является центральный участок цикла — реакции биосинтеза и окис-

176

ления а-кетоглутаровой кислоты. Это объясняется уже упоминавшимся значением а-кетоглутарата как субстрата, тесно связанного с аминокислотами глутаминовой группы.

Реакцию окислительного декарбоксилирования а-кетоглутарата с образованием сукцинил-КоА катализирует а-кетоглута-ратдегидрогеназа (2-оксоглутарат: липоат-оксидоредуктаза аце-тилирующая акцептор, 1.2.4.2), относящаяся к числу наиболее сложно организованных мультиэнзимных комплексов. По своей структуре, механизму функционирования >и контроля над активностью этот комплекс во многом сходен с рассмотренным пируватдегидрогеназным комплексом. Регуляция его активности также осуществляется за счет циклов фосфорилирования (образования неактивной формы фермента) и дефосфорилиро-вания (приводящего к активации энзима). Одним из наиболее важных факторов регуляции активности фермента в нервной ткани служит отношение АТФ/АДФ. На препаратах из ряда других тканей установлено, что на активность кетоглутаратдегид-рогеназы могут также оказывать влияние изменения отношения сукцинил-КоА/КоА, НАД+/НАДН и изменения концентрации ацил-КоА из длинноцепочечных жирных кислот. Эффект метаболитов дополняется действием ионов Са2+, которые снижают Км для а-кетоглутарата и ослабляют ингибирующее действие НАДН.

В последние годы в литературе появился ряд публикаций, в которых центральный участок ЦТК рассматривается как важный этап для поддержания суммарной концентрации метаболитов цикла на стационарном уровне. Эта функция обеспечивается одновременным участием а-кетоглутарата как.в ЦТК, так и в глутаматдегидрогеназной и трансаминазной реакциях. Транспорт а-кетоглутарата из митохондриального в ц