Химизм ЦТК

Реакции цикла трикарбоновых кислот осуществляются у эукариот в митохондриях — там же, где функционируют системы, поставляющие «топливо» для ЦТК: b-окисление жирных кислот, окислительное декарбоксилирование пирувата. Считается, что ферменты, принимающие участие в ЦТК, сгруппированы в особый каталитический комплекс, расположенный между внутренними мембранами митохондрий. Структура комплекса такова, что промежуточные продукты цикла последовательно переходят от одного фермента к другому, не высвобождаясь в матрикс. В этом случае скорость процесса значительно увеличивается.

Все реакции ЦТК можно условно разделить на 4 стадии: 1) акцептирование ацетил-СоА и образование изоцитрата; 2) окислительное декарбоксилирование изоцитрата; 3) окислительное декарбоксилирование a-кетоглутарата; 4) регенерация акцептора ацетил-СоА.

Акцептором ацетил-СоА является оксалоацетат (щавелевоуксусная кислота, ЩУК). Это четырехуглеродное соединение конденсируется с двухуглеродным компонентом ацетил-СоА при участии фермента цитратсинтетазы. Данная реакция альдольной конденсации протекает ступенчато, с образованием промежуточного продукта — цитрил-СоА, гидролиз которого сдвигает направление реакции в сторону образования цитрата (рис. 11.2).

Чтобы могло осуществиться окислительное декарбоксилирование шестиуглеродного соединения, цитрат (лимонная кислота) должен изомеризоваться в изоцитрат. Этот процесс катализируется аконитазой и представляет собой реакцию дегидратации с последующей гидратацией.

Окислительное декарбоксилирование изоцитрата катализируется изоцитратдегидрогеназой, которая использует NAD в качестве кофермента. Изоцитрат окисляется в b-кетокислоту, оксалосукцинат, который быстро теряет карбоксил, будучи связанным с ферментом, и превращается в a-кетоглутарат (рис. 11.3).

На третьей стадии (рис. 11.4) a-кетоглутарат также подвергается окислительному декарбоксилированию. Эту реакцию катализирует организованный ансамбль ферментов — a-кетоглутарат-дегидрогеназный комплекс. Состав ансамбля сходен с комплексом, катализирующим окислительное декарбоксилирование пирувата, и оба процесса имеют множество общих деталей. Продуктом реакции является четырехуглеродное активированное соединение —сукцинил-СоА. Макроэргическая связь сукцинильного тиоэфира расщепляется с участием сукцинаттиокиназы, и это сопряжено с фосфорилированием GDP (у млекопитающих) или АТР (у бактерий, высших растений)

Образование высокоэнергетической связи GTP или АТР при гидролизе сукцинил-СоА является единственным случаем субстратного фосфорилирования, который имеет место в ЦТК.

Образовавшийся на предыдущей стадии сукцинат (янтарная кислота) в ходе нескольких реакций (окисление, гидратация, окисление) превращается в оксалоацеат (рис. 11.5). Данная последовательность превращений представляет собой процесс b-окисления, который уже был рассмотрен по отношению к жирным кислотам в главе 9. Реакции последней стадии ЦТК представляют собой регенерирование оксалоацетата. Окисление сукцината катализирует сукцинатдегидрогеназа. Этот фермент непосредственно связан с цепью переноса электронов, и в отличие от других ферментов ЦТК является интегральным белком внутренней мембраны митохондрий.

Продукт окисления сукцината — фумарат — гидратируется фумаразой. Происходит стереоспецифическое присоединение водорода и гидроксила с образованием L-малата (яблочной кислоты). Наконец, L-малат окисляется в оксалоацетат малатдегидрогеназой.

Полностью циклическая система реакций ЦТК представлена на рис. 11.6. Многие промежуточные вещества ЦТК служат предшественниками в биосинтетических реакциях. Например, оксалоацетат и a-кетоглутарат используются в биосинтезе аминокислот. Оксалоацетат включается в процесс глюконеогенеза (образование глюкозы из неугл-

водных субстратов). Большинство углеродных атомов в порфиринах ведут свое происхождение от сукцинил-СоА. Однако потребление промежуточных продуктов ЦТК для целей биосинтеза обязательно должно сопровождаться их восполнением, в противном случае цикл прервется. В норме между реакциями, за счет которых определенные промежуточные продукты удаляются из цикла и, наоборот, поступают в цикл, существует состояние динамического равновесия.

Восполняющие запас промежуточных продуктов ЦТК реакции носят название анаплеротических. Одной из основных анаплеротических реакций клеток млекопитающих является карбоксилирование пирувата с образованием оксалоацетата. Катализирует это превращение аллостерический фермент — пируваткарбоксилаза. Его активатором служит субстрат ЦТК —ацетил-СоА. В условиях накопления ацетил-СоА стимулируется активное карбоксилирование пирувата и увеличивается количество оксалоацетата, который служит непосредственным акцептором ацетил-СоА.

В клетках бактерий и растений восполнение оксалоацетата осуществляет другой фермент — фосфоенолпируват-карбоксилаза.