Цитрат-малатный челнок

Цитрат -малатный челнок представляет собой серию химических реакций , обычно называемых биохимическим циклом или системой, которая транспортирует ацетил-КоА в митохондриальном матриксе через внутреннюю и внешнюю митохондриальные мембраны для синтеза жирных кислот . ^[1] Митохондрии заключены в двойную мембрану. Поскольку внутренняя митохондриальная мембрана непроницаема для ацетил-КоА, челночная система необходима для синтеза жирных кислот в цитозоле . ^[2] Она играет важную роль в образовании липидов в печени (печеночный липогенез ). ^[3]

Название цитратно-малатного челнока происходит от двух промежуточных продуктов — короткоживущих химических веществ, которые образуются на этапе реакции и полностью расходуются на следующем — цитрата и малата , которые переносят молекулу ацетил-КоА через двойную мембрану митохондрий.

Цитрат-малатный челнок присутствует у людей и других высших эукариотических организмов и тесно связан с циклом Кребса . Система отвечает за транспортировку малата в митохондриальный матрикс, чтобы служить промежуточным продуктом в цикле Кребса, и транспортировку цитрата в цитозоль для секреции в Aspergillus niger ^[4] , грибке, используемом в коммерческом производстве лимонной кислоты.

Всем клеткам нужна энергия для выживания. Митохондрия — это двухмембранная структура в клетке тела, которая генерирует и транспортирует основные продукты метаболизма. Три слоя этой структуры — это внешняя мембрана, межмембранное пространство и внутренняя мембрана. ^[2] Пространство внутри митохондрии называется митохондриальным матриксом, а область снаружи — цитозолем. Внешняя мембрана позволяет проходить большинству малых молекул. Напротив, внутренняя мембрана транспортирует только определенные молекулы, которая непроницаема для многих веществ. ^[2] Поэтому для транспортировки молекул через внутреннюю мембрану требуется челнок. Он действует как насос, перемещающий вещества из внутренней мембраны наружу. ^[5]

На поверхности клеток находится множество белков. Некоторые белки участвуют в распознавании, прикреплении или транспортировке. Система цитрат-малатного челнока состоит из цитратного челнока и малатного челнока, которые являются белками-переносчиками. Белки-переносчики присутствуют на поверхности клеток. Они транспортируют различные молекулы через митохондрии. В этой системе транспортируемыми веществами являются малат и цитрат.

Исходным материалом является ацетил-КоА. Это молекула, которая участвует в синтезе АТФ , метаболизме белков и метаболизме липидов. ^[6] Поскольку внутренняя мембрана непроницаема для этой молекулы, ацетил-КоА необходимо преобразовать в другие продукты для эффективного транспорта. ^[7] Это также первый шаг реакции.

Процесс происходит в двух клеточных местах: цитозоле и матрице митохондрий. Цикл формируется системой, гарантируя, что преобразование между ацетиленом, оксалоацетатом, цитратом и малатом может продолжаться без необходимости добавления чужеродных молекул.

Он включает шесть основных шагов: ^{[1] [8]}

Ацетильная группа ацетил-КоА соединяется с оксалоацетатом, образуя цитрат, высвобождая коферментную группу ( КоА ) в митохондриальном матриксе. ^[1]

1. Цитрат связывается с переносчиками цитрата.
2. Челнок доставляет цитрат из внутренней мембраны в межмембранное пространство .
3. Происходит чистое перемещение цитрата из межмембранного пространства в цитозоль через наружную мембрану в соответствии с градиентом концентрации .

1. Используя АТФ в качестве энергии, цитрат расщепляется на ацетильную группу и оксалоацетат.
2. Ацетильная группа присоединяется к коферменту в цитозоле, образуя ацетил-КоА.

Оксалоацетат восстанавливается под действием НАДН до малата в цитозоле, высвобождая свободные электроны.

Малат транспортируется малатным челноком, перемещаясь из цитозоля в матрикс.

Малат снова окисляется NAD ⁺ (окислитель) до оксалоацетата, высвобождая NADH. Можно добиться пополнения оксалоацетата. Оксалоацетат может реагировать с ацетил-КоА на первом этапе, завершая цикл.

Цитрат-малатный челнок позволяет клетке производить жирную кислоту с избытком ацетил-КоА для хранения. Принцип аналогичен принципу действия инсулина, который превращает избыток глюкозы в организме в гликоген для хранения в клетках печени и скелетных мышцах, так что при недостатке поступления энергии организм все равно может обеспечить себя глюкозой, расщепляя гликоген. Цитрат-малатный челнок обеспечивает более компактное хранение химической энергии в организме в форме жирной кислоты путем транспортировки ацетил-КоА в цитозоль для синтеза жирных кислот и холестерина. Затем полученные липиды можно хранить, чтобы использовать их в будущем.

Ацетил-КоА образуется в митохондриальной матрице из двух источников: декарбоксилирование пирувата в гликолизе и расщепление жирных кислот через β-окисление , которые оба являются важными путями производства энергии у людей. Декарбоксилирование пирувата является этапом, который связывает гликолиз и цикл Кребса и регулируется комплексом пируватдегидрогеназы , когда уровень глюкозы в крови высок. ^[9] В противном случае происходит β-окисление жирных кислот, и ацетил-КоА требуется для генерации АТФ через цикл Кребса. ^[10] У субъекта с дефектным цитрат-малатным челноком ацетил-КоА в митохондриях не может выйти в цитозоль. Таким образом, синтез жирных кислот затруднен, и организм не сможет хранить избыточную энергию так же эффективно, как нормальный субъект.

Кроме того, неправильное функционирование цитрат-малатного челнока может привести к нарушению цикла Кребса.

Цикл Кребса, также известный как цикл TCA или цикл лимонной кислоты, представляет собой биохимический путь, который способствует расщеплению глюкозы в клетке. Как цитрат, так и малат, участвующие в цитратно-малатном челноке, являются необходимыми промежуточными продуктами цикла Кребса. ^[9] Обычно оксалоацетат в цикле Кребса образуется в результате карбоксилирования пирувата в митохондрии; однако малат, образующийся в цитозоле, также может проникать в митохондрию через транспортный белок, расположенный во внутренней митохондриальной мембране, чтобы напрямую присоединиться к циклу Кребса. ^[4]

Митохондриальные транспортные белки кодируются геном SLC25 у людей и облегчают транспортировку различных метаболитов, ^{[11] [12]} включая цитрат и малат, в цикле Кребса. Эти транспортные белки контролируют поток метаболитов во внутреннюю митохондриальную мембрану и из нее, которая непроницаема для большинства молекул. Они связывают углеводный метаболизм цикла Кребса с синтезом жирных кислот в липогенезе, катализируя транспортировку ацетил-КоА из митохондриального матрикса в цитозоль, что осуществляется в форме экспорта цитрата из митохондрий в цитозоль. Цитозольный цитрат, то есть цитрат в цитозоле, является ключевым субстратом для генерации энергии. Он высвобождает ацетил-КоА и обеспечивает НАДФН для синтеза жирных кислот, а в последующих путях генерирует НАД ⁺ для гликолиза. Цитрат также активирует ацетил-КоА-карбоксилазу, фермент, который необходим в пути синтеза жирных кислот. ^[11]

Цитрат-малатный челнок может частично или полностью заменить функцию цикла Кребса в метаболизме раковых клеток. ^[13]

Недавнее исследование ^[13] предположило, что цитрат-малатный челнок может способствовать поддержанию раковых клеток через метаболический путь β-окисления-цитрат-малатного челнока . В нормальных клетках β-окисление производит ацетил-КоА, который входит в цикл Кребса для производства АТФ, и β-окисление не может продолжаться, если цикл Кребса нарушен и ацетил-КоА накапливается. Однако раковые клетки могут осуществлять непрерывное β-окисление, соединяя его с цитрат-малатным челноком. Новый метаболический путь состоит из митохондриальных транспортных белков и нескольких ферментов, включая АТФ-цитратлиазу (ACLY) и малатдегидрогеназы 1 и 2 (MDH1 и MDH2). Предложенный метаболический путь может объяснить эффект Варбурга — то, что раковые клетки производят энергию через субоптимальный путь — и гипоксию при раке.

Энергетическая эффективность этого пути в 3,76 раза ниже, чем у обычного пути β-окисления цикла Кребса, производя только 26 моль вместо 98 моль АТФ из 1 моль пальмитата. ^[13]

До сих пор неясно, существует ли этот путь в раковых клетках. Факторы, препятствующие возникновению этого пути, включают липотоксичность пальмитата и стеарата .

Печень содержит метаболически активные ткани, поскольку она отвечает за детоксикацию, белковый и углеводный обмен веществ. ^[14] Поэтому ей требуется много энергии для функционирования, и она содержит большое количество митохондрий. Любые аномалии в митохондриях могут повлиять на метаболизм печени. Если печень не работает должным образом, она может производить избыточные метаболиты, что приводит к накоплению; напротив, она также может не производить определенные химические вещества. В результате дисбаланс метаболитов может привести к развитию рака печени, т. е. гепатоканцерогенезу. ^[15]

Рост и развитие нормальных клеток следуют циклу контролируемым и упорядоченным образом. Когда они повреждены, они умирают через процесс, называемый апоптозом . Однако апоптоз нарушается в раковых клетках, позволяя им делиться и расти бесконтрольно, потенциально вторгаясь в другие ткани или органы. Они не будут подвергаться нормальному процессу смерти клеток тела. ^[16]

Гепатоцеллюлярная карцинома (ГЦК) является распространенным типом рака печени, на долю которого приходится более 80% случаев. ^[17] Это смертельный рак из-за замечательной переносимости лекарств, потенциала распространения и высокой вероятности рецидива. Ученые провели множество видов исследований для выявления факторов риска прогрессирования ГЦК.

Метаболическое расстройство является одной из причин рака печени. ^[15] Митохондрии отвечают за окисление с использованием NAD ⁺ , который вырабатывается на этапе 4 цитрат-малатной челночной системы. У пациентов с высоким ожирением или резистентностью к инсулину (диабетом) в организме содержится большое количество жирных кислот, ^[15] челночная система может не вырабатывать достаточно NAD ⁺ для эффективного метаболизма жира. У них также наблюдается низкий уровень NAD ⁺ . Таким образом, у пациентов с ожирением или диабетом более вероятно развитие рака печени. ^[18]

Более того, может возникнуть перегрузка митохондрий. В печени увеличивается уровень активных форм кислорода. ^[15] Эти виды очень реактивны и атакуют клетки печени. Они могут повредить нити ДНК. Клетки с поврежденной ДНК могут делиться ненормально. Они могут перерасти в раковые клетки, что приведет к ГЦК.

Другим фактором риска являются мутации и сверхэкспрессия цитрат-малатного челнока. ^[17] Высокочастотный мутировавший ген в широком спектре видов рака, онкоген Ras , имеет значительно тесную связь с ГЦК. ^{[17] [19]} Многие пациенты с ГЦК являются носителями этого гена. У них также наблюдается аномальный цитрат-малатный челнок. Исследования Даляньского медицинского университета ^[17] показывают, что у пациентов с ГЦК наблюдается заметное повышение уровней цитрата и малата, что предполагает возможность более высокой активности цитрат-малатного челнока. Этот механизм эффективен при низкой активности цикла трикарбоновых кислот. Челнок также помогает выработке жирной кислоты и молочной кислоты.

В клетках рака печени цикл TCA блокируется, что приводит к накоплению избыточного пирувата. Это сигнал защитного механизма организма. Обычно раковые клетки погибают при высоком уровне пирувата. Однако сверхэкспрессированный цитрат-малатный челнок может удалить избыточный пируват. В этой ситуации естественная гибель клеток опухоли печени не произойдет. Раковые клетки могут продолжать расти.

Кроме того, высокая активность челнока связана с увеличением образования жирных кислот. Это также фактор риска ГЦК. ^[17]

Митохондриальные заболевания обычно вызываются мутацией в митохондриальной ДНК. Эти гены регулируют синтез различных белков, включая белки-носители и некоторые ферменты.

Репликация митохондриальной ДНК следует за бинарным делением . В этом процессе 1 набор генов разделится на 2 набора. ^{[20] [21]} Митохондриальный ген детей наследуется только от их матери. ^[20] Если в митохондриальной ДНК матери есть какие-либо генетические дефекты или мутации , они будут унаследованы детьми. Если эти изменения в генах могут вызывать митохондриальные заболевания, дети имеют 100% вероятность приобретения этих заболеваний. ^[22]

Для малат-оксалоацетатного шаттла задействованы 4 основных гена. Это PMDH1, MDH, PMDH2, mMDH1. ^[8] PMDH-1 и PMDH-2 кодируют два разных фермента, которые обеспечивают NAD ⁺ для окисления малата. ^{[23] [24]} Кроме того, MDH и mMDH1 кодируют фермент, который напрямую окисляет малат. ^{[25] [26]}

SLC25 — это ген, который необходим для синтеза широкого спектра митохондриальных транспортеров, таких как цитратный челнок. ^[27] Мутации в этом гене могут привести к дисфункции митохондрий. Это приводит к значительному снижению выработки энергии клетками нашего тела, вызывая серьезные метаболические заболевания . ^{[22] [28]} Он может вызывать серьезные симптомы в органах или тканях, которые имеют высокую потребность в энергии. К таким органам относятся печень, мозг, сердце, почки. ^[29] Для их функционирования требуется обильное количество функциональных митохондрий. Митохондриальные нарушения, вызванные дефектной или сниженной экспрессией гена SLC25, могут вызывать такие заболевания, как дефицит CAC, синдром HHH , дефицит AGC2 (CTLN2/NICCD), adPEO , врожденная микроцефалия амишей , ранняя эпилептическая энцефалопатия , дефицит AAC1, дефицит PiC (изоформа A), дефицит AGC1, нейропатия с некрозом полосатого тела и врожденная сидеробластная анемия . ^[28]

Кроме того, ген SLC25 имеет решающее значение для выживания организмов из-за его высокой частоты в геномике различных организмов. Это указывает на то, что этот ген благоприятен для выживания вида в ответ на особенности окружающей среды, поэтому он сохраняется и передается из поколения в поколение. ^[30] Другими словами, ген положительно отобран для эволюции . ^[31] Ген SLC25 обнаружен не только у людей, но и у других животных или даже микроорганизмов, таких как бактерии и вирусы. ^[28] Это показывает, что этот ген сохраняется среди различных видов. Это может служить доказательством значимости и важности гена для выживания организмов.