Реакции цикла трикарбоновых кислот

Цикл трикарбоновых кислот

В 1953 г. Кребсу была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине «за открытие цикла лимонной кислоты» (1937г.). В поздравительной речи было сказано: «Цикл Кребса объясняет два одновременно происходящих процесса: реакции распада, при которых высвобождается энергия, и синтетические процессы, при которых эта энергия расходуется». Ученый, завершая речь «экскурсом в общую биологию», проанализировал более широкое значение этих открытий: «Наличие одного и того же механизма образования энергии у всех живых существ позволяет сделать еще два вывода, – сказал он. – Во-первых, этот механизм возник на очень ранних этапах эволюции, и, во-вторых, жизнь в ее настоящем виде зародилась лишь однажды».

Образующийся в ПВК-дегидрогеназной реакции ацетил-SКоА далее вступает в цикл трикарбоновых кислот (ЦТК, цикл лимонной кислоты, цикл Кребса). Кроме пирувата, в цикл вовлекаются кетокислоты, поступающие из катаболизма аминокислотили каких-либо иных веществ.

Цикл протекает в матриксе митохондрий и представляет собой восемь последовательных реакций: связывание ацетила и оксалоацетата (щавелевоуксусной кислоты) с образованием лимонной кислоты, изомеризация лимонной кислоты и последующие реакции окисления с сопутствующим выделением СО₂. После восьми реакций цикла вновь образуется оксалоацета.

Основная роль ЦТК:

• генерации атомов водорода для работы дыхательной цепи, а именно трехмолекул НАДНи одноймолекулы ФАДН₂.

Кроме этого, в ЦТК образуется

• одна молекула АТФ,
• сукцинил-SКоА, участвующий в синтезе гема,
• кетокислоты, являющиеся аналогами аминокислот – α-кетоглутарат для глутаминовой кислоты, оксалоацетат для аспарагиновой.

Цикл лимонной кислоты — заключи­тельный этап катаболизма, локализованный в матриксе митохондрий. В нем 4-х углеродное соединение оксалоацетат конденсируется с 2-х углероднымацетиль­ным компонентом, которое вносит в процесс молекула ацетил-КоА, с образовани­ем 6-ти углеродной трикарбоновой кислоты - цитрата. Далее изомер цитрата под­вергается окислительному декарбоксилированию. Образующееся при этом 5-ти углеродное соединение а-оксоглутарат (а-кетоглутарат) при окислительном декарбоксилировании превращается в 4-х углеродное соединение сукцинат. Даль­нейшие превращения сукцината приводят к регенерированию 4-х углеродного оксалоацетата.

Поэтому одна молекула оксалоацетата может многократно использоваться для окис­ления ацетильных остатков.

2 атома углерода включаются в цикл в виде аце­тильного компонента и 2 атома углерода покидают цикл в виде 2 молекул СО₂.

Таким образом, двухуглеродный фрагмент молекулы ацетил-КоА подвергается полному окислению. Электроны, ранее принадлежащие молекуле ацетил~КоА, покидают цикл в связанной форме: в виде 3 молекул НАДН и

1 ФАДН₂. Затем они переносятся в процесс окислительного фосфорилирования, где энергия каждой пары электронов переносимых НАДН, преобразуется в энергию макроэргических связей до 3 молекул АТФ. А энергия пары электронов переносимых ФАДН₂, ведет к образованию до 2 молекул АТФ. Всего в процессе окисли­тельного фосфорилирования при окислении этих переносчиков электронов обра­зуется до 11 молекул АТФ.

1 макроэргическая связь генерируется в самом цикле в форме молекулы ГТФ или АТФ.

Итого, теоретически до 12 молекул АТФ может быть генеририровано при окислении 2-х углеродного фрагмента ацетил-КоА в цикле трикарбоновых кислот сопряженном с процессом окислительного фосфорилирования.

Реакции цикла трикарбоновых кислот

Реакция образования цитрата (лимонной кислоты): альдольная конденсация с последующим гидролизом, катализирует цитрат-синтаза. При расщеплении тиоэфирной связи освобождается коэнзим А, и вы­деляется значительная тепловая энергия. Равновесие в реакции сильно сдвинуто вправо.

Превращение цитрата в изоцитрат. Изомеризация цитрата осуществляется­
путем дегидратации с последующей гидратацией. В результате происходит

взаимоперемещение Н и ОН. Фермент назван аконитазой, поскольку промежуточное соединение цис-аконитат не покидает активный центр фермента.

Реакция окислительного декарбоксилирования изоцитрата катализируется изоцитрат-дегидрогеназой и ведет к образованию а-оксоглутарата (а-кетоглутарата). НАД⁺ в реакции играет роль второго субстрата, захватывая пару высокоэнергетичных электронов, и в форме НАДН вовлекает их в процесс окислительного фосфорилирования. Самая медленная реакция цикла. Аллостерически активиру­ется АДФ.

Реакция катализируется а-оксоглутарат дегидрогеназным комплексом (мультиферментный комплекс), который структурно и функционально сходен с пируват дегидрогеназным комплексом. Механизм этой реакции сходен с механизмом пре­вращения пирувата в ацетил-КоА. В состав комплекса также входят 5 коферментов: тиаминдифосфат (ТДФ), липоевая кислота, ФАД, НАД⁺ и КоА. а-Оксоглутарат дегидрогеназный комплекс отличается от пируват дегидрогеназного комплекса тем, что в нем отсутствует сложная система регуляции активно­сти. Равновесие реакции сильно сдвинуто вправо, в сторону образования сукцинил~КоА. Биохимическое значение реакции состоит в удалении карбоксильной группы (—СОО^-) поскольку атом углерода в ней почти полностью окислен, и из­влечь из неё электроны высокой энергии невозможно. Из неё можно извлечь всего 2е".