Трикарбоновых кислот цикл (цикл Кребса), циклическая последовательность ферментативных реакций (схема 1; названия неионизированных форм кислот см. в ст. Обмен веществ), в которых осуществляются превращения ди- и трикарбоновых кислот, образующихся как промежут. продукты в организме животных, в растениях и микробах.
Схема 1. Цикл трикарбоновых кислот.
Одновременно трикарбоновых кислот цикл - метаболии, путь окисления до СО2 и Н2О аминокислот, жирных кислот и углеводов. которые вступают в этот цикл на разл. его стадиях (схема 2). Кроме того, образующиеся ди- и трикарбоновые кислоты могут быть исходными субстратами в биосинтезе мн. соед. (схема 3). Так, оксалоацетат - субстрат в глюконеогепезе; сукцинил-КоА - промежуточный продукт в синтезе порфиринов, ацетил-КоА-в синтезе жирных кислот, стероидов, ацетилхолина. Образующийся в цикле СО2 используется в реакциях карбоксилирования в синтезе жирных кислот, орнитиновом цикле и др. Участие Трикарбоновых кислот цикл в биосинтезе и катаболизме мн. веществ обусловливает его важное место в обмене веществ.
Трикарбоновых кислот цикл широко распространен у всех аэробных организмов, у эукариот (все организмы, за исключением бактерий и синезеленых водорослей) он осуществляется в митохондриях.
Суммарная реакция трикарбоновых кислот цикла у животных имеет вид:
НАДН и НАД, ФАДН и ФАД-соответственно восстановленные и окисленные формы кофермента никотинамидадениндинуклеотида (см. Ниацин) и кофермента флавинадениндинуклеотида (см. Рибофлавин); ГДФ и ГТФ-соотв. гуанозинди- и гуанозинтрифосфат, Ф-неорг. фосфат, KoASH-кофермент А.
НАДН и ФАДН, образующиеся в цикле, окисляются в цепи переноса электронов (см. Дыхание. Окислительное фосфорилирование) с образованием АТФ, который играет важную роль в энергетич. обмене.
В реакции 1 цикла, катализируемой цитрат - оксалоацетатлиазой, CH3C(O)SKoA стереоспецифично конденсируется с карбонильной группой оксалоацетата с образованием цитрата и свободного KoASH. Реакция сопровождается значительным изменением свободной энергии (DG0 — 32,24 кДж/моль) и является практически необратимой. Активность митохондриального фермента у дрожжей ингибируется АТФ.
Реакция 2 цикла, катализируемая аконитатгидратазой, изомеризация цитрата в изоцитрат путем последовательной дегидратации - регидратации через промежут. образование цис-аконитата. Реакция обратима, равновесие сдвинуто в сторону синтеза цитрата, однако в условиях непрерывного функционирования цикла конечным продуктом реакции является изоцитрат.
В реакции 3, катализируемой НАД- или НАДФ-зависимой изоцитратдегидрогеназой, происходит дегидрирование изо-цитрата при атоме С-2 с одновременным декарбоксилированием и образованием 2-оксоглутарата и СО2. Бактерии содержат НАДФ-зависимую изоцитратдегидрогеназу, активность которой регулируется хим. модификацией - фосфорилированием (инактивация) и дефосфорилированием (активация) при участии бифункционального фермента изоцитратдегидрогеназа-киназа (фосфатаза), играющего существ. роль в переключении обмена с Трикарбоновых кислот цикл на анаплеротич. ("возмещающий" образование промежут. продуктов Трикарбоновых кислот цикл) глиоксилатный цикл. Эукариоты содержат обе формы изоцитратдегидрогеназы. Активность НАДФ-зависимого фермента, локализованного в митохондриальном матриксе и цитозоле, контролируется продуктами реакции. Активность НАД-зависимой изоцитратдегидрогеназы, локализованной исключительно в митохондриальном матриксе, активируется у грибов аденозинмонофосфатом (АМФ) и цитратом, у животных - аденозиндифосфатом (АДФ), цитратом и ионами Са2+.
Реакция 4 катализируется мультиферментным 2-оксоглутаратдегидрогеназным комплексом, состоящим из трех осн. ферментов: 2-оксоглутаратдегидрогеназы, дигидролипоилсукцинилтрансферазы и дигидролипоилдегидрогеназы.
Схема 2. Цикл трикарбоновых кислот и катаболич. реакции. Двойными стрелками отмечены многостадийные реакции; семиальдегиды кислот ω-оксокислоты.
Схема 3. Биосинтетические и др. реакции, сопутствующие циклу трикарбоновых кислот; аминокислот., отмеченные звездочкой, в организме высших животных не синтезируются.
Сукцинил-КоА в реакции 5, катализируемой сукцинил-КоА-синтетазой, подвергается распаду, в результате которого энергия тиоэфирной связи сукцинил-КоА запасается в виде синтезированного нуклеозидтрифосфата (у бактерий, грибов, растений-АТФ, у животных - ГТФ).
В реакции 6, катализируемой сукцинатдегидрогеназой, происходит превращение сукцината в фумарат. Фермент входит в состав более сложного сукцинатдегидрогеназного комплекса (комплекса II) дыхат. цепи, поставляя восстановит. эквиваленты, образующиеся в реакции, в дыхат. цепь.
Фумаратгидратаза, катализирующая реакцию 7, осуществляет гидратирование фумарата с образованием L-малата. Активность фермента ингибируется АТФ.
Последняя реакция цикла, 8, катализируется L-малатдегидрогеназой; L-малат при этом превращается в оксалоацетат, который может взаимодействовать с новой молекулой ацетил-КоА. Реакция обратима, равновесие сдвинуто в сторону образования L-малата (DG0 +29,73 кДж/моль), но в условиях функционирования цикла конечным продуктом реакции является оксалоацетат.
Предполагают, что катализируемые индивидуальными ферментами реакции осуществляются благодаря действию надмолекулярного «сверхкомплекса», т. наз. метаболона. Преимущества такой организации ферментов очевидны - при этом не происходит диффузии кофакторов и субстратов, что способствует более эффективной работе цикла.
Наличие в трикарбоновых кислот цикле 4 восстановительных реакций (3, 4, 6 и 8), в результате которых на 1 молекулу CH3C(O)SKoA синтезируются 3 молекулы НАДН и 1 молекула ФАДН, определяет необходимые условия для его функционирования. Непрерывная работа цикла требует реокисления НАДН и ФАДН, которое в аэробных условиях, как правило, осуществляется через совокупность переносчиков электронов, составляющих дыхательную цепь, и сопровождается запасанием значительного количества энергии. У животных это 11 молекул АТФ на 1 молекулу окисленного ацетил-КоА. У грибов, растений и особенно бактерий число молекул АТФ, образующихся при окислении НАДН и ФАДН, м.б. меньше вследствие разветвления дыхательной цепи.
В анаэробных условиях вместо трикарбоновых кислот цикла функционируют его окислительная ветвь до 2-оксоглутарата (реакции 1 : 2 : 3) и восстановительная - от оксалоацетата до сукцината (реакции 8 : 7 : 6). При этом не происходит запасания большого количества энергии и функция цикла целиком определяется доставкой веществ для синтеза клеточного материала.
При переходе организма от покоя к активному состоянию возникает потребность в ускоренной мобилизации энергии (обменных процессов). У животных это достигается, в частности, шунтированием наиболее медленных реакций Трикарбоновых кислот цикл (реакции 1-3) и преимуществ. окислением сукцината. При этом исходный субстрат укороченного трикарбоновых кислот цикла (2-оксоглутарат) образуется в результате быстрой реакции переаминирования:
Глутамат + Оксалоацетат 2-Оксоглутарат + Аспартат
Связь трикарбоновых кислот цикла с глиоксилатным циклом осуществляется благодаря синтезу в последнем сукцината, который в Трикарбоновых кислот цикл окисляется до оксалоацетата и служит, т. обр., поставщиком молекул с 4 атомами С в оба цикла на начальных стадиях их функционирования. Благодаря этому возможно функционирование этих циклов, когда в организме избыток соединений с 2 атомами С, например при выращивании бактерий на средах с СН3СООН и С2Н5ОН, а также при прорастании семян масличных растений, во время которого усиленно образуется ацетил-КоА.
Др. модификация Трикарбоновых кислот цикл (т. наз. 4-аминобутиратный шунт) - превращение 2-оксоглутарата в сукцинат, через глутаминовую кислоту, 4-аминобутират и янтарный семиальдегид (3-формилпропионовая кислота). Эта модификация имеет большое значение для ткани мозга, в которой около 10% глюкозы распадается по этому пути.
Тесное сопряжение реакций трикарбоновых кислот цикла с дыхательной цепью, особенно в митохондриях животных, а также особенности регуляции активности индивидуальных ферментов цикла (для большинства из них АТФ является ингибитором) предопределяют снижение активности цикла в условиях генерирования высокого фосфорильного потенциала (отношения АТФ/АДФ) в клетке, и наоборот - активацию цикла при пониженном фосфорильном потенциале. У большинства растений, бактерий и мн. видов грибов тесное сопряжение цикла с дыхательной цепью преодолевается развитием альтернативных несопряженных путей окисления, позволяющих поддерживать дыхательная активность и активность трикарбоновых кислот цикла на высоком уровне даже в условиях высокого фосфорильного потенциала. Трикарбоновых кислот цикл открыт в 1937 X. Кребсом и У. Джонсоном.
2-Оксоглутарат + Аспартат