3.1. Цикл кребса

Ацетил-КоА, образовавшийся в реакции, катализируемой пируватдегидрогеназным комплексом, далее вступает в цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот), где оба атома углерода ацетильного ос­татка окисляются до 2 молекул СО₂. Атомы водорода, освобождающиеся в окислительно-восстановительных реакциях цикла, поставляются в дыхательную цепь при участии НАД⁺- и ФАД-зависимых дегидрогеназ.

В первой реакции цикла, катализируемой цитратсинтазой, атом углерода метильной группы ацетил-КоА связывается с карбонильной группой оксалоацетата (рис.1). Вторая реакция представляет обратимое превращение цитрата в изоцитрат. В третьей реакции цикла, катализируемой НАД-зависимой изоцитратдегидрогеназой, происходит окислительное декарбоксилирование изоцитрата.

Эта самая медленная реакция цикла, ее продуктом является α-кетоглутарат. В четвертой реакции происходит окислительное декарбоксилирование α-кетоглутарата, катализируемое α-кетоглутаратдегидрогеназным комплексом, который по своему строению и функциям сходен с пируватдегидрогеназным комплексом. Этот комплекс также состоит из 3 ферментов и 5 коферментов, среди которых тиаминпирофосфат, НSКоА, ФАД, НАД и липоевая кислота. Продуктами реакции являются сукцинил-КоА, СО₂ и НАДН. В пятой реакции происходит субстратное фосфорилирование – это синтез ГТФ (или АТФ) из ГДФ (или АДФ) и неорганического фосфата за счет энергии, освобождающейся при разрыве макроэргической связи в субстрате. В этой реакции происходит разрыв макроэргической связи в сукцинил-КоА, освобождающаяся при этом энергия используется для фосфорилирования ГДФ до ГТФ. Энергия ГТФ в большей степени используется в биосинтезе белка, поэтому большая часть ГТФ вступает в реакцию с АДФ, в результате чего образуется универсальный макроэрг –АТФ:

ГТФ + АДФ  ГДФ + АТФ

Рис.1. Цикл Кребса

В шестой реакции происходит окисление сукцината до фумарата при участии ФАД-зависимой дегидрогеназы. В седьмой реакции, катализируемой фумаразой, происходит образование малата. В последней реакции цикла происходит дегидрирование малата НАД⁺-зависимой малатдегидроге­назой в результате чего происходит регенерация оксалоацетата. Таким образом, за один оборот цикла Кребса сгорает одна молекула ацетил-КоА, оба углеродных атома которого превращаются в углекислый газ; а освободившиеся в окислительных реакциях 8 атомов водорода восстанавливают 4 кофермента (3 НАД⁺ и 1 ФАД). Атомы водорода с восстановленных коферментов поступают в дыхательную цепь, где транспортируются до кислорода, что приводит образованию воды. В итоге конечными продуктами полного окисления ацетил-КоА являются СО₂ и вода.

Регуляция цикла Кребса: регуляторными ферментами цикла являются цитратсинтаза, изоцит­ратдегидрогеназа (самый медленный фермент), α-кетоглутаратдегидрогеназа. Аллостерически цикл ингибируют АТФ, НАДН и ацил-КоА, активируют АДФ и НАД⁺. Скорость цикла увеличивается под действием гормонов: катехоламинов и глюкагона (в печени). Поддерживает активность цикла Кребса инсулин.

Роль цикла Кребса. Катаболически-энергетическая функция цикла состоит в том, что здесь происходит катаболизм углеродных скелетов метаболитов всех видов обмена; кроме того, здесь происходит дегидрирование субстратов и поставка водородов свосстановленных кофермен­тов в дыхательную цепь. Энергетическая функция цикла состоит в том, что в нем происходит об­разование 1 АТФ путем субстратного фосфорилирования.

Цикл Кребса – один из амфиболических путей метаболизма, то есть он выполняет не только катаболические, но и анаболические функции – ряд промежуточных продуктов используется в ка­честве субстратов для биосинтезов. Так, α-кетоглутарат и оксалоацетат используются для синтеза заменимых аминокислот, сукцинил-КоА – для биосинтеза порфиринов (гем). Кроме того, метаболиты цикла могут использоваться для синтеза глюкозы, жирных кислот, холестерина. Анаболиче­ские функции цикла Кребса наиболее характерны для клеток печени. Убыль метаболитов, исполь­зованных для анаболических целей, восполняется с помощью анаплеротических (пополняющих) реакций, главной из которых является реакция карбоксилирования пирувата, катализируемая пи­руваткарбоксилазой в присутствии биотина:

Пируват + СО₂ + АТФ + Н₂О  Оксалоацетат +АДФ +Н₃РО₄

Цикл Кребса выполняет также и регуляторную функцию, так как его метаболиты выступают в роли регуляторов обменных процессов. Так, НАДН является ингибитором окислительного катабо­лизма, цитрат активирует синтез жирных кислот и ингибирует гликолиз, ацетил-КоА является обязательным активатором глюконеогенеза и ингибитором пируватдегидрогеназного комплекса.