Цикл трикарбоновых кислот

Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК, цикл Кребса, цикл лимонной кислоты) является наиболее важным поставщиком в дыхательную цепь восстановленных форм коферментов и простетических групп, образующихся при утилизации ацетил-КоА (1), кетокислот, продуктов окисления моносахаридов, высших жирных кислот (ВЖК) и аминокислот (см. рис. 28).

Все ферменты процесса локализованы в матриксе митохондрий, за исключением сукцинатдегидрогеназы (6*, рис.28). Скорость течения ЦТК зависит в первую очередь, от скорости образования в матриксе митохондрий ацетил-КоА (рис.28, (1)), поступления его предшественников (пиру­вата, ВЖК) и ряда других факторов, которые необходимо рассмотреть применительно к каждой из восьми реакций цикла Кребса:

1) Конденсация ацетил-КоА (1) с оксалоацетатом (щавелевоуксусной кислотой (ЩУК), 2) осуществляет фермент цитратсинтаза (1*). Активность цитратсинтазы ингибируется накоплением в матриксе АТФ, НАДН, сукцинил-КоА и ацилов ВЖК;

2) Изомеризация цитрата (3) в изоцитрат (5) осуществляет фермент аконитаза (Fe²⁺-содержащий белок, 2*) в два этапа:

1 этап - дегидратация цитрата с образованием цис-аконитовой кислоты (4);

2 этап – гидратация цис-аконитовой кислоты по двойной связи с образованием изоцитрата (5).

Фермент ингибируется производными мышьяковой кислоты.

Рис 28. Цикл Кребса. В схеме процесса все ферменты помечены цифрой со звездочкой, метаболиты помечены цифрой в круглых скобках (см. названия по тексту).

3) При действии НАД⁺- зависимой изоцитратдегидрогеназы (3*) происходит окисли­тельное декарбоксилирование изоцитрата (5) с образованием продуктов:
ά-кетоглутарата (7), СО₂ и НАДН (донор электронов в дыхательную цепь). Реакция протекает в два этапа: 1) дегидрирование с образованием щавелево-янтарной кислоты (6); 2) декарбоксилирование данного вещества до ά-кетоглутаровой кислоты. Изоцитрат­дегидрогеназа лимитирует скорость всего цикла Кребса. Фермент активируется АДФ, ионами Mg²⁺ и Mn²⁺; ингибируется накоплением в матриксе АТФ, НАДН;

4) Окислительное декарбоксилирование ά-кетоглутарата осуществляет ά-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс (4*). Это полиферментная система по составу (три фермента) и витаминной обеспеченности: витамины В₁ (кофермент ТДФ), В₂ (простетическая группа ФАД), В₅ (кофермент КоАSH), В₃ (кофермент НАД⁺), амид липоевой кислоты). В результате работы комплекса образуется СО₂, сукцинил-КоА (макроэргическое вещество, 8); НАДН (донор электронов в дыхательную цепь);

5) Сукцинил-КоА-тиокиназа (синтаза, 5*), используя энергию разрыва макроэргической связи в сукцинил-КоА, фосфорилирует ГДФ с образованием ГТФ, при этом параллельно происходит образование янтарной кислоты (по аниону - сукцинат, 9). Данная реакция носит название субстратного фосфорилирования. Образованный ГТФ может далее при действии нуклеозиддифосфаткиназы превращаться в АТФ по уравнению:

ГТФ + АДФ → АТФ + ГДФ

Mg²⁺

6) Сукцинатдегидрогеназа (единственный фермент ЦТК, локализованный на внутренней мембране митохондрий, 6*), благодаря простетической группе ФАД окисляет янтарную кислоту (9) до транс-фумаровой кислоты (10). Сукцинатдегидрогеназа во внутренней мембране митохондрий образует комплекс с железосеросодержащими белками, который носит название комплекса II дыхательной цепи. Малоновая кислота является конкурентным ингибитором фермента;

7) Фермент фумараза (7*) гидратирует по двойной связи только транс-форму фумаровой кислоты с образованием L-яблочной кислоты (по аниону- L-малат, 11). Реакция обратима, фумараза стереоспецифична только к L-малату.

8) На последней стадии цикла НАД⁺– зависимая малатдегидрогеназа (8*) катали­зирует окисление L-малата в щавелевоуксусную кислоту (ЩУК) с образо­ванием НАДН (донор электронов в дыхательную цепь). Реакция обратима, однако быстрое использование ЩУК в цитратсинтазной реакции сдвигает равновесие вправо.

Таким образом, за восемь реакций цикла Кребса, через образование трех трикарбоновых кислот (лимонной, цис-аконитовой, изолимонной), в ходе четырех дегидрогеназных реакций, две из которых сопровождались декарбоксилированием (3*, 4*), происходит образование 2 молей СО₂, 3 НАДН, 1 ФАДН₂ и 1 ГТФ равноценного 1 АТФ. Данные вещества называют конечными продуктами цикла Кребса в расчете на один цикл. ЩУК постоянно регенерирует и вновь включается в цитратсинтазную реакцию, поэтому данное вещество конечным продуктом цикла можно не называть.

Основными регуляторными реакциями ЦТК являются цитратсинтазная и изоцитратдегидрогеназная. В регуляции ЦТК имеет место принцип обратной метаболической связи. Интенсивность окисления в нём субстратов увеличивается в условиях повышения концентрации АДФ и НАД⁺. В условиях увеличения концентрации АТФ и НАДН скорость окисления субстратов в цикле Кребса снижается. Подобная регуляция позволяет адекватно менять интенсивность функционирования ЦТК в условиях, требующих срочного изменения уровня энергообеспечения клетки.

Интенсивность течения ЦТК можно определять по значению дыхательного контроля, который выражается отношением концентраций [АТФ]/[АДФ]. При значениях [АТФ]/[АДФ]<1 увеличивается скорость включения в дыхательную цепь восстановленных форм коферментов НАДН, при этом скорость ЦТК увеличивается.

Цикл Кребса является амфиболическим процессом, так как, хотя это и катаболический процесс, некоторые его метаболиты могут быть использованы клеткой в синтетических целях. Сукцинил-КоА используется клеткой в качестве исходного субстрата для первой реакции синтеза гема. Оксалоацетат и его предшественники по циклу могут быть использованы в синтезе глюкозы (процесс глюконеогенеза). Кетокислоты – оксалоацетат и альфа-кетоглутарат, благодаря реакциям трансаминирования, могут быть использованы для образования заменимых аминокислот: аспарагиновой, глутаминовой кислот соответственно.