Цикл лимонной кислоты (кребса)

Цикл лимонной кислоты, или цикл Кребса, — метаболический процесс, представляющий собой цикл реакций, протекающих в матрице митохондрий, в ходе которых осуществляется окисление ацетильных групп (рис. 13.1). При окислении ацетильных групп

Рис. 13.1. Цикл Кребса.

образуются ионы водорода, в последующих метаболических стадиях взаимодействующие с выделением свободной энергии, необходимой для функционирования тканей.

Продукт гликолиза — пируват вступает в реакции цикла Кребса, предварительно превращаясь в ацетил-СоА (ацетилкоэнзим А). В цитратном цикле синтезируется не АТР, как в большинстве таких реакций, а гуанозинтриофосфат (GTP), который легко превращается в АТР под действием фермента — нуклеозиддифосфаткиназы (на рис. 13.1 не показано).

РОЛЬ АЦЕТИЛ-СоА. ВТОРИЧНЫЕ ПУТИ КАТАБОЛИЗМА ГЛЮКОЗЫ

Суммарную реакцию превращения пирувата в ацетил-СоА можно записать следующим образом:

Реакция катализируется пируватдегидрогеназой и поэтому называется пируватдегидрогеназной. Эта реакция необратима (ДG° = = - 33,5 кДж/моль). Отсюда следует, что в организме жирные кислоты не могут непосредственно превращаться в глюкозу.

Ацетильные группы находятся в составе ацетил-СоА, который является тиоэфиром уксусной кислоты и кофермента А. В состав СоА входит также пептид и витамин А.

Цикл лимонной кислоты является основным путем в процессах глюконеогенеза. Эта система реакций начинается с присоединения ацетильного остатка ацетилкофермента, А к оксалоацетату (соли щавелевоуксусной или кетоянтарной кислоты) с образованием соли трикарбоновой лимонной кислоты — цитрата.

Далее цитрат претерпевает ряд последовательных превращений, сопровождающихся двумя актами декарбоксилирования, т. е. выделения С0₂, и приводящих в конечном итоге к регенерации оксалоацетата. Цикл лимонной кислоты, или цикл трикарбоновых кислот, осуществляется через следующие стадии.

1. Взаимодействие ацетилкофермента А с оксалоацетатом катализируется ферментом цитрат-синтазой и заключается в присоединении атома углерода метальной группы ацетильного остатка к карбонильному углероду оксалоацетата при одновременном гидролизе тиоэфирной связи:

2. Изомеризация цитрата в изоцитрат катализируется ферментом аконитазой. Реакция проходит через промежуточное образование аконитата путем дегидратации цитрата и последующей гидратации аконитата с превращением его в изоцитрат:

3. Окисление гидроксигруппы изоцитрата до карбонильной группы при участии NAD⁺. Реакция сопровождается элиминацией карбоксильной группы в p-положении к образовавшейся кетогруппе. Катализатором служит изоцитратдегидрогеназа:

4. Окислительное декарбоксилирование а-кетоглутарата катализируется ферментом а-кетоглутарат дегидрогеназой, входящей в состав а-кетоглутарат дегидрогеназного комплекса. Реакция приводит к образованию сукцинилкофермента А и выделению второй молекулы СОг:

5. Фосфорилирование GDP, сопряженное с гидролизом макроэргической тиоэфирной связи в сукцинилкоферменте А, катализируется ферментом сукцинат-СоА лигазой (образующей GDP). Реакция приводит к высвобождению сукцината:

6. Превращение сукцината в фумарат. Реакция катализируется ферментом сукцинат дегидрогеназой, входящей в состав комплекса кофермента Q, который является подвижным акцептором электронов:

7. Гидратация двойной связи фумарата с образованием малата (соли яблочной кислоты). Катализируется фумарат-гидратазой (фумаразой):

8. Окисление гидроксигруппы Manama до кетогруппы. Реакция приводит к регенерации оксаюацетата, катализируется ферментом малатдегидрогеназой (цикл замыкается):

Суммарное стехиометрическое уравнение цикла Кребса можно записать в виде.

Цикл лимонной кислоты является общим конечным путем окисления углеводов, липидов и белков, так как в ходе метаболизма глюкоза, жирные кислоты и аминокислоты превращаются в ацетил-СоА. Через промежуточные соединения рассматриваемого цикла синтезируется 12 фосфатных связей.

Цикл лимонной кислоты — это механизм накопления большей части свободной энергии в результате окисления углеводов, липидов и белков.

У аэробных организмов ацетил-СоА является важным узловым звеном в процессах окисления основных биоорганических веществ (белков, углеводов и липидов), так как процессы их катаболизма сводятся к образованию ацетил-СоА, который в свою очередь «запускает» главный катаболический путь — цикл лимонной кислоты.

Ацетил-СоА вступает в цикл вместе с лимонной кислотой и окисляется до оксалоацетата, поставляя восстановленные эквиваленты {2Н⁺} (NADH, FADH2). Последующее их окисление в дыхательной цепи происходит в условиях сопряжения с фосфорилированием ADP. За один оборот цикла образуется 11 молекул АТР путем окислительного фосфорилирования и одной GTP на субстратном уровне при превращении сукцинил-СоА в сукцинат. Одна фосфатная связь генерируется на стадии катализирования сукцинилкиназой.

С учетом АТР, образующихся в цепи переноса электронов при окислении NADH и CoQH₂, сгорание ацетильного остатка в цикле карбоновых кислот приводит к образованию 12 макроэргических пирофосфатных связей (12 биоэнергетических эквивалентов).

Главная задача цикла — бесперебойное обеспечение «топливом» процесса генерации энергии в митохондриях.