Citrāta sintāze: Krebsa cikla pirmais ferments

Citrāta sintāze strādā mitohondriju matriksā, tas ir, telpā, ko ieskauj mitohondrija iekšējā membrāna. Tur atrodas arī pārējie citronskābes cikla fermenti, taukskābju beta oksidācijas fermenti un piruvāta dehidrogenāzes komplekss, tāpēc substrāti nav jāpārvieto tālu.

Pats gēns tomēr atrodas šūnas kodolā. Ferments tiek sintezēts citoplazmas ribosomās kā priekštecis ar īpašu mitohondriālo signālsekvenci, ko pēc ievadīšanas matriksā nogriež. Tas ir tipisks piemērs tam, ka mitohondrija savu darbu nespēj veikt bez kodola atbalsta, un tāpēc mitohondriju slimības var mantot gan pa mātes līniju, gan pēc parastajiem kodola gēnu likumiem.

Ferments darbojas kā divu vienādu apakšvienību veidots dimērs, un katrai apakšvienībai ir liela un maza domēna. Katalīze notiek stingri noteiktā secībā, un tieši šī secība pasargā šūnu no enerģijas izšķērdēšanas.

Ja acetilkoenzīms A varētu piesaistīties tukšam aktīvajam centram, ūdens molekula varētu to vienkārši sašķelt, un šūna zaudētu vērtīgu enerģiju bez jebkāda ieguvuma. Sakārtotā piesaistes secība un aktīvā centra aizvēršanās to novērš.

1. Aktīvajam centram vispirms piesaistās oksālacetāts
2. Ferments maina formu, liels domēns pagriežas pret mazo un aktīvais centrs aizveras
3. Tikai tagad var piesaistīties acetilkoenzīms A
4. Notiek Klaizena kondensācija, veidojot starpproduktu citrilkoenzīmu A
5. Tioestera saite tiek hidrolizēta, atbrīvojot enerģiju, kas virza reakciju uz priekšu
6. Citrāts un brīvais koenzīms A atstāj fermentu, kas atgriežas atvērtā stāvoklī

Vielmaiņas ceļā par regulācijas punktiem parasti kļūst tie soļi, kas ir neatgriezeniski. Citrāta sintāzes reakcija ir tieši tāda: tioestera saites hidrolīze atbrīvo tik daudz enerģijas, ka atpakaļgaita fizioloģiskos apstākļos praktiski nenotiek.

Zīdītāju šūnās šo fermentu regulē galvenokārt substrātu pieejamība. Oksālacetāta koncentrācija matriksā ir ļoti zema, tāpēc jebkas, kas to samazina vai palielina, uzreiz maina cikla ātrumu. Piemēram, ilgstošā badošanās laikā oksālacetāts tiek aizvadīts glikoneoģenēzei, cikls palēninās, un aknās uzkrājas ketonvielas. Papildus fermentu bremzē arī paša citrāta, NADH un ATP uzkrāšanās, kas signalizē, ka enerģijas pietiek.

Ja enerģijas šūnā ir pārpilnībā, citrāts neaiziet tālāk pa ciklu, bet tiek izvadīts no mitohondrija ar īpašu pārnesēju. Citoplazmā to sašķeļ ATP citrāta liāze, un iegūtais acetilkoenzīms A kļūst par izejmateriālu taukskābju un holesterīna sintēzei.

Vienlaikus citoplazmas citrāts darbojas kā signāls. Tas kavē fosfofruktokināzi, palēninot glikolīzi, un aktivē acetilkoenzīma A karboksilāzi, paātrinot taukskābju veidošanos. Tādējādi citrāta sintāzes produkts ir arī informācijas nesējs starp diviem šūnas nodalījumiem un starp enerģijas degšanu un enerģijas uzkrāšanu.

• Enerģijas ražošana: citrāts turpina ceļu pa Krebsa ciklu
• Enerģijas uzkrāšana: citrāts iziet citoplazmā un kļūst par taukskābju izejvielu
• Regulācija: citrāts bremzē glikolīzi un stimulē taukskābju sintēzi
• Epiģenētika: no citrāta iegūtais acetilkoenzīms A nodrošina histonu acetilēšanu
• Kauls: citrāts ir arī kaula minerālvielas sastāvdaļa

Citrāta sintāzes darba slodze audos ir ļoti nevienmērīga. Sirds muskulī, lēnajās skeleta muskuļu šķiedrās, nierēs un aknās mitohondriju ir daudz, un attiecīgi liela ir arī fermenta kopējā aktivitāte. Ātrajās, galvenokārt glikolītiskajās muskuļu šķiedrās tās ir ievērojami mazāk, un tieši tāpēc tās ātri nogurst.

Slodzes laikā cikla ātrums var pieaugt daudzkārt bez jebkādām izmaiņām fermenta molekulu skaitā. To nodrošina kalcijs, kas muskuļa saraušanās laikā ieplūst arī mitohondrijā un aktivē vairākus cikla fermentus, kā arī strauji pieaugošais ADP daudzums, kas noņem produktu uzkrāšanās bremzi. Fermenta molekulu skaits mainās tikai ilgtermiņā, nedēļu laikā, kad treniņa signāli ierosina jaunu mitohondriju veidošanos.

Pretējā virzienā darbojas ilgstoša gulēšana gultā vai ekstremitātes imobilizācija. Mitohondriju skaits muskulī samazinās jau dažu nedēļu laikā, kritums ir izmērāms arī pēc citrāta sintāzes aktivitātes, un tieši tas daļēji izskaidro noguruma sajūtu pēc ilgstošas slimošanas. Atjaunošanās prasa ilgāku laiku nekā zaudēšana.

• Liela aktivitāte: sirds muskulis, lēnās muskuļu šķiedras, nieres, aknas
• Maza aktivitāte: ātrās glikolītiskās muskuļu šķiedras
• Īstermiņa regulācija: kalcijs un ADP, bez izmaiņām fermenta daudzumā
• Ilgtermiņa regulācija: jaunu mitohondriju veidošanās treniņa ietekmē
• Samazināšanās: ilgstoša nekustība, imobilizācija, smaga slimība

Citrāta sintāzes aktivitāti mēra spektrofotometriski, izmantojot reakcijā atbrīvoto koenzīmu A. Tā brīvā tiola grupa reaģē ar īpašu reaģentu, veidojot dzeltenu savienojumu, kura koncentrācijas pieaugumu ierīce fiksē laikā.

Šo mērījumu izmanto divos ļoti atšķirīgos kontekstos. Sporta un darbaspēju fizioloģijā to lieto kā mitohondriju daudzuma rādītāju muskulī: izturības treniņš palielina mitohondriju skaitu, un līdz ar to pieaug arī citrāta sintāzes aktivitāte biopsijas paraugā. Klīniskajā diagnostikā to lieto kā atskaites lielumu: elpošanas ķēdes kompleksu aktivitāti nereti izsaka attiecībā pret citrāta sintāzes aktivitāti, lai atšķirtu patiesu fermenta defektu no situācijas, kur mitohondriju vienkārši ir mazāk.

Citrāta sintāzes iedzimti defekti ir ārkārtīgi reti, un tieši tas ir pamācoši: ferments ir tik būtisks, ka pilnīga tā zaudēšana nav savienojama ar dzīvību. Daudz biežāk ar šo fermentu saskaras nevis kā ar slimības cēloni, bet kā ar mērinstrumentu citu mitohondriju slimību izmeklēšanā.

Mitohondriju slimību plašā grupa ietver iedzimtas elpošanas ķēdes kompleksu nepietiekamības, mitohondriju DNS delēcijas un mutācijas. To izpausmes ir raibas: muskuļu vājums un slodzes nepanesība, laktāta uzkrāšanās, krampji, kurlums, cukura diabēts, redzes nerva bojājums. Ar šādiem pacientiem strādā medicīnas ģenētiķis, neirologs un bērnu vielmaiņas slimību speciālists, bet paraugus analizē specializēta bioķīmijas laboratorija.

Ja cilvēkam ir neizskaidrojams muskuļu vājums, slodzes nepanesība ar muskuļu sāpēm, atkārtota tumša urīna izdalīšanās pēc fiziskas slodzes vai bērnam aizkavēta attīstība ar krampjiem, tas ir iemesls vērsties pie ārsta, nevis meklēt skaidrojumu pašam.

Nosaukumu dēļ visbiežāk sajauc trīs lietas. Citrāta sintāze veido citrātu mitohondrijā. ATP citrāta liāze citrātu, gluži pretēji, sašķeļ citoplazmā. Bet citrāta pārnesējs jeb tricarboksilātu transportieris ir nevis ferments, bet iekšējās membrānas olbaltumviela, kas citrātu pārvieto.

Otrs pārpratums ir jaukt citronskābes ciklu ar glikolīzi. Glikolīze notiek citoplazmā, nesatur citrātu un var darboties arī bez skābekļa. Citronskābes cikls notiek mitohondriju matriksā un praktiski apstājas, ja elpošanas ķēde nedarbojas, jo tad nav kur atdot iegūtos elektronus.

Trešais pārpratums ir domāt, ka Krebsa cikls ir tikai enerģijas ražotājs. Tas ir arī izejvielu avots: no tā starpproduktiem veidojas aminoskābes, hems un glikoze, tāpēc cikls nemitīgi zaudē un atjauno savus sastāvdaļas.

Krebsa cikls parasti tiek zīmēts kā noslēgts riņķis, kurā molekulas nepārtraukti riņķo. Patiesībā tas drīzāk ir satiksmes mezgls ar daudzām iebrauktuvēm un izbrauktuvēm. Citrāta sintāze ir viena no galvenajām iebrauktuvēm, un tās darbs ir atkarīgs no tā, vai cita reakcija laikus atjauno oksālacetātu. Tāpēc anaplerotiskās reakcijas, it īpaši piruvāta karboksilāze, kas veido oksālacetātu tieši no piruvāta, ir tikpat svarīgas cikla darbībai kā pats cikls.

Vēl viena novērojama sakarība ir tā, ka izturības treniņš nemaina fermenta molekulas īpašības, bet palielina to skaitu, veidojot vairāk mitohondriju. Ķermenis šeit nerisina problēmu ar labāku darbarīku, bet ar lielāku darbarīku skaitu, un tā ir plaši izplatīta pielāgošanās stratēģija cilvēka fizioloģijā.