Цикл трикарбоновых кислот

(лимонно-кислый цикл или цикл Кребса)

В аэробных условиях образовавшийся ацетил-СоА вступает в цикл Кребса. В цикле Кребса после реакций отнятия и присоединения воды, декарбоксилирования и дегидрирования ацетильный остаток, поступивший в цикл в виде ацетил-СоА, полностью расщепляется. Суммарная реакция записывается в следующем виде:

СН₃СО ~ S-СоА + 3Н₂О + АДФ + Н₃РО₄ →

НS-СоА + 2СО₂ + 4[Н₂] + АТФ

Цикл Кребса проходит одинаково у животных и растений. Это является еще одним доказательством единства происхождения. Цикл происходит в строме митохондрий. Рассмотрим его подробней:

Первая реакция цикла – перенос ацетильного остатка от ацетил-СоА на щавелево-уксусную кислоту (ЩУК) с образованием лимонной кислоты (цитрат) (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Цикл ди- и трикарбоновых кислот (цикл Кребса)

В ходе реакции, катализируемой цитратсинтазой, растрачивается макроэргическая связь ацетил-СоА, т. е. та энергия, какая была запасена в процессе окисления пирувата перед началом цикла. Это значит, как и гликолиз, цикл Кребса начинается не с запасания энергии в клетке, а с расходования.

Подчеркнем, что цепь преобразований, образующих этот цикл и направленных, в конечном счете, на разрушение углеродного состава ряда кислот, начинается с их увеличения: двухуглеродный фрагмент (уксусная кислота) присоединяется к четырехугольному фрагменту ЩУК с образованием шестиуглеродной трикарбоновой кислоты цитрата, которая может запасаться в клетках в больших количествах.

Таким образом, цикл Кребса – процесс каталитический и начинается не с катаболизма (разрушения), а с синтеза цитрата. Цитратсинтетаза, катализирующая эту реакцию, относится к регуляторным ферментам: она ингибируется НАДН и АТФ. НАДН – конечный продукт, в форме которого запасается энергия, освобождаемая в процессе дыхания. Чем активней цитратсинтетаза, тем быстрей пойдут и другие реакции цикла, быстрей пойдет дегидрирование веществ с образованием НАДН. Однако увеличение количества последнего вызывает ингибирование фермента, и цикл затормозится. Это пример реакции по принципу обратной связи.

Следующая серия реакций – преобразование цитрата в активную изолимонную кислоту (изоцитрат). Она протекает при участии воды и по сути сводится до внутримолекулярного преобразования лимонной кислоты. Промежуточным продуктом этого преобразования является цис-аконитовая кислота:

Катализируются обе реакции аконитазой. Затем изоцитрат дегидрируется с участием изоцитратдегидрогеназы, коферментом которой является НАД⁺. В результате окисления образуется щавелево-янтарная кислота (оксалосукцинат).

Последняя кислота декарбоксилируется. Отсоединяющийся СО₂ принадлежит ацетильному остатку, вступившему в цикл в виде ацетил-СоА. В результате декарбоксилирования образуется очень активная α-кетоглутаровая кислота (кетоглутарат).

α-Кетоглутарат, в свою очередь, подвергается тем же изменением, которые происходят перед началом цикла с пируватом: одновременное окисление и декарбоксилирование.

В реакции принимает участие α-кетоглутарат дегидрогеназный комплекс:

α-кетоглутарат + НАД⁺ + СоА–SН →

сукцинил-S-СоА + СО₂ + НАДН + Н⁺ →

сукцинил–S–СОА + АДФ + Н₃РО₄ →

янтарная кислота + АТФ + СоА–SН

Освободившийся СО₂ является другой частицей, которая отщепляется от ацетильного остатка. Образовавшийся в результате этих сложных преобразованием янтарная кислота (сукцинат) вновь дегидрируется, и образуется фумаровая кислота (фумарат). Реакция происходит с помощью сукцинатдегидрогеназы. Фумарат после присоединения молекулы воды легко преобразуется в яблочную кислоту (малат). В реакции принимает участие фумаратгидротаза.

Яблочная кислота, окисляясь, преобразуется в ЩУК при участии НАД⁺ – специфической малатдегидрогеназы.

Напомним, что ЩУК конечный продукт цикла Кребса – образуется и при фотосинтезе С₄-растений (цикл Хетча – Слека) при карбоксилировании ФЕП на свету, и в темноте у растений типа САМ.

Таким образом, цикл Кребса заканчивается и может начинаться сначала. Одно условие – подача новых молекул ацетил-СоА.

Главное значение цикл Кребса состоит в запасании энергии, которая освобождается в результате разрушения пирувата, в макроэргических связях АТФ. Поставляя в клетку АТФ, цикл Кребса может являться регулятором других процессов, идущих с затратой энергии, таких как транспорт воды и солей, синтез и транспорт органических веществ. Чем быстрей проходит преобразование веществ в цикле, тем больше может синтезироваться АТФ, тем быстрей пойдут указанные процессы.

Промежуточные вещества, образуемые в цикле, могут использоваться на синтез белков, жиров, углеводов. Например, ацетил-СоА – необходимый продукт для синтеза жирных кислот, кетоглутарат может в результате восстановительного аминирования преобразовываться в глутаминовую, а фумарат или ЩУК – в аспарагиновую кислоты.

Суммарный результат цикла Кребса сводится, таким образом, к тому, что каждая ацетильная группа (двухуглеродный фрагмент), которая образуется из пирувата (трехуглеродный фрагмент) расщепляется до СО₂. Во время этого процесса восстанавливается НАД⁺, ФАД⁺ и синтезируется АТФ.

В регуляции цикла ди- и трикарбоновых кислот важное значение имеет соотношение между НАДН и НАД⁺, а также концентрация АТФ. Высокое содержание АТФ и НАДН угнетает активность таких ферментов цикла Кребса, как пируватдегидрогеназа, цитратсинтетаза, изоцитратдегидрогеназа, малатдегидрогеназа. Повышение концентрации оксалоацетата угнетает ферменты, активность которых связана с его синтезом, – сукцинатдегидрогеназы и малатдегидрогеназы. Окисление 2-оксиглутаровой кислоты ускоряется аденилатами, а сукцината – АТФ, АДФ и убихиноном. В цикле Кребса имеется и ряд других пунктов регулирования.

Глиоксилатный путь

При прорастании богатых жиром семян ход цикла Кребса немного изменяется. Это разновидность цикла Кребса, в которой участвует глиоксиловая кислота, получила название глиоксилатного цикла (рис.3.3).

Рис. 3.3. Глиоксилатный цикл

Первые этапы преобразований до образования изоцитрата (изолимонной кислоты) идут подобно циклу Кребса. Затем ход реакций изменяется. Изоцитрат при участии изоцитратлиазы расщепляется на янтарную и глиоксиловую кислоты:

Сукцинат (янтарная к-та) выходит из цикла, а глиоксилат связывается с ацетил-СоА и образуется малат. Реакция катализируется малатсинтазой. Малат окисляется до ЩУК и цикл заканчивается. Кроме двух ферментов – изоцитратазы (изоцитратлиазы) и малатсинтазы, все остальные такие же, что и в цикле Кребса. При окислении малата восстанавливается молекула НАД⁺. Источником ацетил-СоА для этого цикла служат жирные кислоты, образующиеся при разрушении жиров. Суммарное уравнение цикла можно записать в виде:

2СН₃СО-S-СоА + 2Н₂О + НАД⁺ →

2НS-СоА + СООН-СН₂-СН₂-СООН + НАДН + Н⁺

Глиоксилатный цикл происходит в специальных органеллах – глиоксисомах.

Какое значение имеет этот цикл? Восстановленный НАДН может окисляться с образованием трех молекул АТФ. Сукцинат (янтарная кислота) выходит из глиоксисомы и поступает в митохондрию, где включается в цикл Кребса. Тут он преобразуется в ЩУК, затем в пируват, фосфоенолпируват и дальше в сахар.

Таким образом, с помощью глиоксилатного цикла жиры могут преобразовываться в углеводы. Это очень важно особенно при прорастании семян, так как сахара могут транспортироваться из одной части растения в другую, а жиры лишены такой возможности. Глиоксилат может служить материалом для синтеза порфиринов, а это значит и хлорофилла.