6.7.2. Цикл трикарбоновых кислот
Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса, цитратный цикл) открыт английским биохимиком Хансом Кребсом, получившим за это выдающееся достижение в 1953 г. Нобелевскую премию.
Цикл Кребса - путь окисления молекул ацетил-KoA, в которые превращается в процессе катаболизма большая часть углеводов, жирных кислот и аминокислот.
Цикл трикарбоновых кислот протекает в матриксе митохондрий. Его стадии:
1. Реакция конденсации ацетил-KoA с оксалоацетатом при участии цитрат-синтазы с образованием лимонной кислоты:
2. Реакция дегидратации лимонной кислоты с образованием цис-аконитовой кислоты, которая присоединяет молекулу воды и переходит в изолимонную кислоту (изоцитрат). Процесс катализирует аконитат-гидратаза:
3. Реакция дегидрирования и декарбоксилирования изолимонной кислоты в присутствии НАД-зависимой изоцитратдегидрогеназы. Это лимитирующая стадия цикла Кребса, в результате которой образуется -кетоглутарат. НАД-зависимая изоцитратдегидрогеназа активируется АДФ и ионами Mg2+; АТФ и НАДН являются ингибиторами.
4. Окислительное декарбоксилирование -кетоглутаровой кислоты с образованием макроэргического соединения сукцинил-KoA при участии -кетоглутаратдегидрогеназного комплекса, включающего пять коферментов: тиаминпирофосфат, липоевую кислоту, кофермент А, ФАД и НАД+:
5. Сукцинил-KoA при участии ГДФ и неорганического фосфата превращается в сукцинат (янтарная кислота). Одновременно образуется ГТФ за счет макроэргической тиоэфирной связи сукцинил-KoA. Реакцию катализирует сукцинил-KoA-синтетаза. Ингибиторами являются НАДН, АТФ и сукцинил-КоА.
ГТФ + АДФ АТФ + ГДФ.
6. Реакция дегидрирования сукцината с образованием фумаровой кислоты при участии сукцинатдегидрогеназы, коферментом которой является ФАД. Сукцинатдегидрогеназа связана с внутренней мембраной митохондрий:
7. Реакция гидратации фумаровой кислоты в яблочную (L-малат) при участии фумаразы:
8. Под влиянием митохондриальной НАД-зависимой малатдегидрогеназы L-малат окисляется в оксалоацетат и, тем самым, цикл Кребса замыкается:
В цикле Кребса образуется:
3 молекулы НАДН (реакции 3 - изоцитратдегидрогеназная, 4 – α-кетоглутаратдегидрогеназная, 8 - малатдегидрогеназная) следовательно, в цепи передачи электронов синтезируется 3х3 = 9 молекул АТФ;
1 молекула ФАДН2 (реакция 6 - сукцинатдегидрогеназная), которая дает 2 молекулы АТФ в дыхательной цепи;
1 молекула ГТФ из сукцинил-КоА (реакция 5), а из нее 1АТФ.
ИТОГО: 9АТФ + 2АТФ + 1АТФ = 12АТФ.
Суммарно в общем пути катаболизма образуется:
3АТФ (окислительное декарбоксилирование ПВК) + 12АТФ (цикл Кребса) = = 15АТФ.
Цикл Кребса регулируется по механизму «отрицательной обратной связи» с участием аллостерических ферментов.
НАДН ингибируют НАД-зависимые дегидрогеназы цикла. При уменьшении расхода АТФ активность дыхательной цепи снижается (дыхательный контроль), концентрация НАДН в клетке повышается, и ингибирование реакций 3, 4 и 8 снижает активность цикла Кребса в целом.
Анаболические функции цикла Кребса
Цикл Кребса выполняет не только катаболическую функцию. Метаболиты цикла Кребса участвуют в различных анаболических процессах. Цитрат используется в синтезе жирных кислот, α-кетоглутарат и оксалоацетат – в синтезе аминокислот, малат – субстрат глюконеогенеза, сукцинил-КоА участвует в синтезе гема.
Реакции, пополняющие метаболиты цикла Кребса, называются анаплеротическими. Наиболее важной из них является карбоксилирование пирувата с образованием оксалоацетата. К анаплеротическим реакциям относятся также образование α-кетоглутарата и оксалоацетата в реакциях трансаминирования аминокислот, α–кетоглутарата в глутаматдегидрогеназной реакции.