Цикл три карбонових кислот :схема функціонування, ферментативні реакції, біохімічне значення, регуляція

Цикл трикарбонових кислот (цикл лимонної кислоти, цикл Кребса)- циклічна послідовність ферментативних реакцій, у результаті яких ацетил-КоА (CH3-CO~S-KoA) — продукт катаболізму основних видів метаболічного палива (вуглеводів, жирів, амінокислот), окислюється до двоокису вуглецю з утворенням атомів водню, які використовуються для відновлення первинних акцепторів дихального ланцюга мітохондрій — нікотинамідних або флавінових коферментів.

Загальна характеристика циклу трикарбонових кислот

Цикл трикарбонових кислот (ЦТК) — це загальний кінцевий ш лях окислювального катаболізму клітини в аеробних умовах. Реакції і ферменти ЦТК локалізовані в матриксі та внутрішній мембрані мітохондрій. Вони функціонально та біохімічно спряжені з мітохондріальними електронотранспортними ланцюгами, що використовують для відновлення атомів кисню відновлювальні еквіваленти від НАДН (НАДН + Н⁺) та ФАДН₂ або ФМНН₂ і утворюють АТФ у ході окисного фосфорилювання.

Схема функціонування ЦТК

Цикл трикарбонових кислот починається з взаємодії (конденсації) двовуглецевої молекули ацетил-КоА (C2) з чотиривуглецевою (С4) щавлевооцтовою кислотою (оксалоацетатом), що призводить до утворення шестивуглецевої (С6) молекули лимонної кислоти (цитрату). В результаті подальшого багатоступеневого перетворення три- та дикарбонових кислот (інтермедіатів ЦТК) відбувається регенерація оксалоацетату (С4) та виділяються дві молекули двоокису вуглецю (С2).

Таким чином, коензим А відщеплюється від ацетил-КоА («активної форми оцтової кислоти») вже в першій реакції ЦТК; у ході функціонування подальших реакцій циклу відбувається відщеплення від цитрату (альтернативна назва ЦТК — цитратний цикл) двох молекул двоокису вуглецю та чотирьох пар атомів водню (4 х 2Н), що дозволяє подати таке сумарне рівняння ЦТК:

ФЕРМЕНТАТИВНІ РЕАКЦІЇ ЦИКЛУ ТРИКАРБОНОВИХ КИСЛОТ

1. Утворення лимонної кислоти (цитрату) за рахунок конденсації ацетил-КоА з щавлевооцтовою кислотою (оксалоацетатом):


Реакція каталізується ферментом цитратсинтазою. Вона є регуляторним ферментом, активність якого гальмується АТФ, НАДН, сукциніл-КоА та довголанцюговими ацил-КоА.
2. Перетворення (ізомеризація) цитрату на ізоцитрат. Реакція каталізується ферментом аконітазою і складається з двох етапів:

2.1. Дегідратація лимонної кислоти з утворенням цис-аконітової кислоти (цис-аконітату):

2.2. Приєднання до цис-аконітату молекули води. При приєднанні до подвійного зв’язку в складі цис-аконітату Н+ та ОН- у транс-положенні результатом реакції є утворення ізолимонної кислоти (ізоцитрату):

3. Дегідрування та декарбоксилювання ізоцитрату. Реакція каталізується НАД- залежною ізоцитратдегідрогеназою і призводить до утворення α-кетоглутарової кислоти (α-кетоглутарату).
Ізоцитратдегідрогеназа є регуляторним ферментом, позитивний модулятор якого — АДФ, негативний — НАДН.

Фермент має дві молекулярні форми — мономерну (молекулярна маса ізоцитратдегідрогенази з мітохондрій серця дорівнює 330 кД) та димерну. В присутності позитивного модулятора АДФ мономери агрегують між собою з утворенням димеру. Негативний модулятор НАДН протидіє індукованій АДФ агрегації мономерних форм ферменту. Обидві молекулярні форми ізоцитратдегідрогенази мають каталітичні властивості, але за умов низької концентрації АДФ димер значно більш активний.

4. Окислення α-кетоглутарату до сукцинату. Цей процес відбувається у дві стадії:
4.1. Окислювальне декарбоксилювання α-кетоглутарату з утворенням сукциніл-КоА — стадія, що каталізується мультиензимним а-кетоглутарат- дегідрогеназним комплексом. Кінцевий продукт — високоенергетичний тіоефір сукциніл-КоА, в макроергічному зв’язку якого акумульовано хімічну енергію окислювально-відновлювальною реакцією, що мала місце:


НАДН, що утворився в цій реакції, окислюється в дихальному ланцюзі мітохондрій із генерацією 3 молекул АТФ.

За механізмом реакції цей процес нагадує окислювальне декарбоксилювання пірувату до ацетил-КоА; як і піруватдегідрогеназний, α-кетоглутаратдегідрогеназний комплекс має у своєму складі коферменти тіаміндифосфат (ТДФ), ліпоєву кислоту (ЛК), КоА, НАД⁺ та ФАД. Молекулярна маса цього комплексу з клітин E.Coli дорівнює 2,1-106.

4.2. Деацилювання сукциніл-КоА (перетворення на янтарну кислоту (сукцинат).
Реакція каталізується ферментом сукцинілтіокіназою. У результаті розщеплюється макроергічний зв’язок у молекулі сукциніл-КоА, та за рахунок цієї енергії утворюється нова макроергічна сполука нуклеозидтрифосфат ГТФ:

Потім ГТФ передає свою кінцеву фосфатну групу на АДФ у нуклеозидфосфокіназній реакції з утворенням АТФ

5. Окислення янтарної кислоти до фумарової кислоти (фумарату).

Реакція каталізується ФАД-залежним ферментом сукцинатдегідрогеназою

Окислення відновленого коферменту (ФАДН2) за допомогою коензиму Q дихального ланцюга мітохондрій призводить до синтезу за рахунок окисного фосфорилювання 2 молекул АТФ.

6. Перетворення фумарової кислоти на яблучну кислоту (малат) внаслідок приєднання до фумарату молекули води.

Реакція каталізується ферментом фумаратгідратазою (фумаразою):


7. Окислення малату до оксалоацетату (щавлевооцтової кислоти).

Реакція каталізується НАД-залежним ферментом — малатдегідрогеназою мітохондрій:


Окислення НАДН, що утворився, в дихальному ланцюзі мітохондрій призводить до генерації 3 молекул АТФ.

Малатдегідрогеназна реакція завершує цикл трикарбонових кислот. Оксалоацетат, який є продуктом даної реакції, здатний до взаємодії з новими молекулами ацетил-КоА.
Загальну метаболічну карту циклу трикарбонових кислот подано на рис.

Біохічічні функції циклу Кребса. Цикл Кребса виконує в організмі людини такі найважливіші біохімічні функції:

а) інтегративну - цикл Кребса є своєрідним метаболічним «колектором», який об'єднує шляхи розпаду вуглеводів, ліпідів і білків (рис.1.2);
б) амфіболічну - цикл Кребса виконує подвійну функцію: катаболічну, оскільки у ньому проходить розпад ацетил-КоА, і анаболічну, оскільки субстрати циклу Кребса використовуються для синтезу інших речовин. Так, оксалоацетат йде на синтез аспарагінової кислоти і глюкози, 2-оксоглутарат -- глутамінової кислоти, сукцинат - гему;

в) енергетичну - в ході реакцій циклу Кребса утворюється одна молекула ГТФ на рівні субстрату (сукциніл-КоА- синтетазна реакція);
г) водневодонорна — цикл Кребса є основним генератором гідрогену для дихального ланцюга мітохондрій. У циклі Кребса утворюється 4 пари атомів гідрогену, три із яких з’єднані з НАД+ і одна з ФАД.

Реакції циклу трикарбонових кислот регулюються на рівні:
1) цитратсинтази (ацетил-Ко А та оксалоацетат є активаторами ферменту);
2) ізоцитратдегідрогенази (АДФ, АМФ — алостеричні активатори ферменту, АТФ, НАДН — інгібітори);
3) 2-оксоглутаратдегідрогеназного комплексу (АТФ, ГТФ, НАДН, сукциніл-КоА - алостеричні інгібітори, іони Са2+ - активатори ферментативного комплексу).

Енергетичний баланс циклу трикарбонових кислот
Біохімічний підсумок циклу трикарбонових кислот полягає в утворенні двох молекул СО2 (в ізоцитратдегідрогеназній та α-кетоглутаратдегідрогеназній реакціях) та чотирьох пар атомів водню, три з яких акцептуються НАД+ та одна — ФАД. Відновлені коферменти окислюються в дихальному ланцюзі мітохондрій, утворюючи за рахунок окисного фосфорилювання по 3 молекули АТФ на кожну молекулу НАДН і по 2 молекули АТФ на кожну молекулу ФАДН2. Крім того, одна молекула АТФ утворюється в субстратному фосфорилюванні при перетворенні сукциніл-КоА в сукцинат.

Сумарний баланс молекул АТФ, що утворюються при функціонуванні цитратного циклу.

Таким чином, при повному окисленні однієї молекули ацетил-КоА до СО2 та Н2О в циклі трикарбонових кислот генерується 12 молекул АТФ.