11.3. Цикл трикарбоновых кислот

Цикл трикарбоновых кислот, или цикл Кребса, — это заверша­ющий этап распада энергетических материалов в клетке. При этом активированная уксусная кислота (ацетил-SKoA) — промежуточ­ный метаболит углеводов, белков и липидов — окисляется до ко­нечных продуктов — диоксида углерода, воды и энергии. Реакции цикла трикарбоновых кислот происходят во внутренних отсеках митохондрий.

Митохондрии обычно имеют форму цилиндра с закругленны­ми концами, длиной 1...4 мкм и шириной 0,3...0,7 мкм (рис. 11.2). Число митохондрий в разных клетках различно, например в клет­ках печени их может быть до 2000.

Система ферментов тканевого окисления (дыхания) располо­жена на внутренней мембране, где происходит окисление СН₃— СО~КоА до конечных продуктов — С0₂, Н₂0, с выделением энер­гии. В цикле трикарбоновых кислот происходит дегидрирование ди- и трикарбоновых кислот, тканевое дыхание и окислительное фосфорилирование, в этих реакциях участвуют ферменты дыха­тельной цепи и окислительного фосфорилирования.

Реакции цикла трикарбоновых кислот происходят в несколько этапов.

1. Лимонная кислота образуется с участием щавелево-уксусной кислоты и ацетил-SKoA под действием цитратсинтетазы; при этом высвобождается HS-KoA.

Фермент аконитаза осуществляет отнятие молекулы воды от лимонной кислоты, присоединение молекулы воды к цис-акони­товой кислоте и изомерное превращение цитрата в изоцитрат.

3. Окисление оксигруппы изолимонной кислоты с образовани­ем щавелево-янтарной кислоты происходит под действием фер­мента изоцитратдегидрогеназы. В последующем с участием этого же фермента происходит декарбоксилирование щавелево-янтарной кислоты с образованием а-кетоглутаровой кислоты:

При отщеплении двух атомов водорода от изолимонной кисло­ты происходит восстановление НАД в НАДН₂ (или в НАДФН₂), который при окислении в дыхательной цепи обеспечивает синтез трех молекул АТФ.

4. а-Кетоглутаровая кислота под влиянием фермента а-кето- глутаратдегидрогеназы декарбоксилируется, в результате образу­ется активированная янтарная кислота — сукцинил-КоА, содер­жащая макроэргическую связь:

При этом НАД восстанавливается в НАДН₂, который в дыха­тельной цепи обеспечивает синтез трех молекул АТФ.

Расщепление тиоэфирной связи сукцинил-КоА сопряжено с фосфорилированием гуанозиндифосфата (ГДФ):

Образовавшийся при этом ГТФ вступает в реакцию перефосфорилирования с АДФ по следующей схеме:

5. Янтарная кислота под воздействием фермента сукцинатдегидрогеназы окисляется до фумаровой кислоты. Коферментом при этом служит ФАД:

ФАД • Н₂ окисляется в дыхательной цепи митохондрий и обес­печивает синтез двух молекул АТФ.

6. Фумаровая кислота под воздействием фермента фумаратгидратазы превращается в яблочную кислоту:

7. Яблочная кислота дегидрируется иод действием фермента малатдегидрогеназы, в результате образуется щавелево-уксусная кислота (ЩУК) и происходит восстановление НАД в НАДН₂, пос­ледний в дыхательной цепи окисляется и обеспечивает образова­ние трех молекул АТФ:

С момента образования щавелево-уксусной кислоты цикл три- карбоновых кислот замыкается и может повторяться в том же по­рядке: при наличии в системе ацетил-КоА ЩУК снова включается в цикл трикарбоновых кислот.

Суммарная реакция окисления ацетил-КоА в цикле трикарбо­новых кислот выглядит следующим образом:

Таким образом, в одном цикле трикарбоновых кислот до ко­нечных продуктов — СО, и Н₂0 — окисляется одна молекула ак­тивированной уксусной кислоты (ацетил-КоА), а энергия, высво­божденная при этом, аккумулируется в 12 молекулах АТФ.

Суммарное выражение цикла трикарбоновых кислот представ­лено на рисунке 11.3.

Окисление одной молекулы глюкозы до конечных продуктов — СО2 и Н2О — обеспечивает синтез 38 молекул АТФ:

Из них 24 молекулы АТФ синтезируются в цикле трикарбоно­вых кислот, 6 — при декарбоксилировании пировиноградной кислоты в ацетил-КоА, 2 — при анаэробном гликолизе, 6 — при окис­лении НАДН₂, образующегося при субстратном окислении фосфоглицеринового альдегида в цитозоле.