Цикл трикарбоновых кислот

Цикл трикарбоновых кислот

Ци́кл трикарбо́новых кисло́т (цикл Кре́бса, цитра́тный цикл) — центральная часть общего пути катаболизма, циклический биохимический аэробный процесс, в ходе которого происходит превращение двух- и трёхуглеродных соединений, образующихся как промежуточные продукты в живых организмах при распаде углеводов, жиров и белков, до CO₂. При этом освобождённый водород направляется в цепь тканевого дыхания, где в дальнейшем окисляется до воды, принимая непосредственное участие в синтезе универсального источника энергии — АТФ.

Цикл Кребса — это ключевой этап дыхания всех клеток, использующих кислород, центр пересечения множества метаболических путей в организме. Кроме значительной энергетической роли циклу отводится также и существенная пластическая функция, то есть это важный источник молекул-предшественников, из которых в ходе других биохимических превращений синтезируются такие важные для жизнедеятельности клетки соединения как аминокислоты, углеводы, жирные кислоты и др.

Цикл превращения лимонной кислоты в живых клетках был открыт и изучен немецким биохимиком Хансом Кребсом, за эту работу он (совместно с Ф. Липманом) был удостоен Нобелевской премии (1953 год).

У эукариот все реакции цикла Кребса протекают внутри митохондрий, причём катализирующие их ферменты, кроме одного, находятся в свободном состоянии в митохондриальном матриксе, исключение составляет сукцинатдегидрогеназа, которая локализуется на внутренней митохондриальной мембране, встраиваясь в липидный бислой. У прокариот реакции цикла протекают в цитоплазме.

Стадии цикла Кребса

	Субстраты	Продукты	Фермент	Тип реакции	Комментарий
1	Оксалоацетат + Ацетил-CoA + H2O	Цитрат + CoA-SH	Цитратсинтаза	Альдольная конденсация	лимитирующая стадия, превращает C4 оксалоацетат в С6
2	Цитрат	цис-аконитат + H2O	аконитаза	Дегидратация	обратимая изомеризация
3	цис-аконитат + H2O	изоцитрат		гидратация
4	Изоцитрат + NAD+	Оксалосукцинат + NADH + H +	изоцитратдегидрогеназа декарбоксилирующая	Окисление	образуется NADH (эквивалент 2.5 ATP)
5	Оксалосукцинат	α-кетоглутарат + CO2		декарбоксилирование	необратимая стадия, образуется C5
6	α-кетоглутарат + NAD+ + CoA-SH	сукцинил-CoA + NADH + H+ + CO2	альфакетоглутаратдегидрогеназный комплекс (3 фермента)	Окислительное декарбоксилирование	образуется NADH (эквивалентно 2.5 АТФ), регенерация C4 цепи (освобождается CoA-SH)
7	сукцинил-CoA + GDP + Pi	сукцинат + CoA-SH + GTP	сукцинилкофермент А синтетаза	субстратное фосфорилирование	АДФ->ATP,[1] образуется 1 ATP (или 1 GTF)
8	сукцинат + убихинон (Q)	фумарат + убихинол (QH2)	сукцинатдегидрогеназа	Окисление	используется FAD как простетическая группа (FAD->FADH2 на первой стадии реакции) в ферменте,[2] образуется эквивалент 1.5 ATP
9	фумарат + H2O	L-малат	фумараза	H2O-присоединение (гидратация)
10	L-малат + NAD+	оксалоацетат + NADH + H+	малатдегидрогеназа	окисление	образуется NADH (эквивалентно 2.5 ATP)

Общее уравнение одного оборота цикла Кребса:

Ацетил-КоА → 2CO₂ + КоА + 8e⁻

Регуляция цикла

Цикл Кребса регулируется «по механизму отрицательной обратной связи», при наличии большого количества субстратов (ацетил-КоА, оксалоацетат), цикл активно работает, а при избытке продуктов реакции (NADH, ATP) тормозится. Регуляция осуществляется и при помощи гормонов, основным источником ацетил-КоА является глюкоза, поэтому гормоны, способствующие аэробному распаду глюкозы, способствуют работе цикла Кребса. Такими гормонами являются: инсулин и адреналин. Глюкагон стимулирует синтез глюкозы и ингибирует реакции цикла Кребса.

Как правило работа цикла Кребса не прерывается за счёт анаплеротических реакций, которые пополняют цикл субстратами: Пируват + СО₂ + АТФ = Оксалоацетат (субстрат Цикла Кребса) + АДФ + Фн.

Функции

1. Интегративная функция — цикл является связующим звеном между реакциями анаболизма и катаболизма.
2. Катаболическая функция  — превращение различных веществ в субстраты цикла:
   • Жирные кислоты, пируват,Лей,Фен — Ацетил-КоА.
   • Арг, Гис, Глу — α-кетоглутарат.
   • Фен, тир — фумарат.
3. Анаболическая функция  — использование субстратов цикла на синтез органических веществ:
   • Оксалацетат — глюкоза, Асп, Асн.
   • Сукцинил-КоА — синтез гема.
   • CО₂ — реакции карбоксилирования.
4. Водорододонорная функция  — цикл Кребса поставляет на дыхательную цепь митохондрий протоны в виде трех НАДН.Н⁺ и одного ФАДН₂.
5. Энергетическая функция  — 3 НАДН.Н⁺ дает 7.5 моль АТФ, 1 ФАДН₂ дает 1.5 моль АТФ на дыхательной цепи. Кроме того в цикле путем субстратного фосфорилирования синтезируется 1 ГТФ, а затем из него синтезируется АТФ посредствам трансфосфорилирования: ГТФ + АДФ = АТФ + ГДФ.

Мнемонические правила

Для более легкого запоминания кислот, участвующих в цикле Кребса, существует мнемоническое правило:

Целый Ананас И Кусочек Суфле Сегодня Фактически Мой Обед, что соответствует ряду — цитрат, (цис-)аконитат, изоцитрат, (альфа-)кетоглутарат, сукцинил-CoA, сукцинат, фумарат, малат, оксалоацетат.

Существует также следующее мнемоническое стихотворение (его автором является ассистент кафедры биохимии КГМУ Е. В. Паршкова^[3]):

Щуку ацетил лимонил,

Но нарцисса конь боялся,

Он над ним изолимонно

Альфа-кетоглутарался.

Сукцинился коэнзимом,

Янтарился фумарово,

Яблочек припас на зиму,

Обернулся щукой снова.

(щавелевоуксусная кислота, лимонная кислота, цис-аконитовая кислота, изолимонная кислота, α-кетоглутаровая кислота, сукцинил-KoA, янтарная кислота, фумаровая кислота, яблочная кислота, щавелевоуксусная кислота).

Другой вариант стихотворения

ЩУКа съела ацетат, получается цитрат

через цис-аконитат будет он изоцитрат

водороды отдав НАД, он теряет СО₂

этому безмерно рад альфа-кетоглутарат

окисление грядет — НАД похитил водород

ТДФ, коэнзимА забирают СО₂

а энергия едва в сукциниле появилась

сразу ГТФ родилась и остался сукцинат

вот добрался он до ФАДа — водороды тому надо

фумарат воды напился, и в малат он превратился

тут к малату НАД пришел, водороды приобрел

ЩУКа снова объявилась и тихонько затаилась

Караулить ацетат...

Примечания

1. ↑ Berg JM Biochemistry - 5th Edition. — WH Freeman and Company, 2002. — P. 476. — ISBN 0-7167-4684-0
2. ↑ Berg et al (2002), page 501
3. ↑ К. А. Ефетов, Е. В. Паршкова. Цикл Кребса и мнемоническое правило для запоминания последовательности его реакций (рус.) // Таврический медико-биологический вестник. — 2012. — Т. 15. — № 1 (57). — С. 338-340. — ISSN 2070-8092.

Ссылки

• Цикл трикарбоновых кислот  (англ.)