Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК), также известный как цикл Кребса или цикл лимонной кислоты, является центральным метаболическим путем аэробного окисления углеводов, жиров и белков. Он обеспечивает клетку энергией в форме АТФ, а также промежуточными продуктами для синтеза аминокислот, нуклеотидов и липидов. Процесс протекает в матриксе митохондрий у эукариот и в цитоплазме у прокариот.
1. Конденсация ацетил-КоА с оксалоацетатом Ацетил-КоА (2 углерода) соединяется с оксалоацетатом (4 углерода) под действием цитратсинтазы, образуя цитрат (6 углеродов). Этот этап является нереверсивным и регулируемым, определяющим скорость всего цикла.
2. Изомеризация цитрата в изоцитрат Цитрат изомеризуется в изоцитрат с помощью аконитазы, через промежуточный продукт цис-аконитат. Это перестройка молекулы, подготавливающая её к дальнейшему окислению.
3. Декарбоксилирование и окисление изоцитрата Изоцитрат подвергается окислению с образованием α-кетоглутарата (5 углеродов) и выделением CO₂. Реакция катализируется изоцитратдегидрогеназой и сопровождается восстановлением NAD⁺ в NADH + H⁺. Этот этап является регулируемым и энергетически выгодным.
4. Декарбоксилирование α-кетоглутарата α-Кетоглутарат окисляется до сукцинил-КоА (4 углерода) с помощью α-кетоглутаратдегидрогеназного комплекса, сопровождаясь образованием NADH и выделением CO₂. Это ключевая стадия в обеспечении углеродного скелета для дальнейших реакций.
5. Субстратное фосфорилирование Сукцинил-КоА превращается в сукцинат с синтезом GTP (или ATP) через фермент сукцинил-КоА синтетазу. Эта реакция является примером субстратного фосфорилирования и важна для непосредственного пополнения энергетического баланса клетки.
6. Окисление сукцината до фумарата Сукцинат окисляется до фумарата при участии сукцинатдегидрогеназы, с восстановлением FAD до FADH₂. Это единственная реакция цикла, где образуется FADH₂ вместо NADH, что важно для транспорта электронов в дыхательной цепи.
7. Гидратация фумарата в малат Фумарат гидратируется до малата с участием фумаразы, добавление воды позволяет подготовить молекулу к окончательному окислению.
8. Окисление малата до оксалоацетата Малат окисляется до оксалоацетата при участии малатдегидрогеназы, с образованием NADH. Этот этап завершает цикл, позволяя ацетил-КоА вновь вступить в реакцию конденсации.
За один оборот цикла трикарбоновых кислот из одного ацетил-КоА образуется:
Эти восстановленные коферменты затем направляются в дыхательную цепь для окислительного фосфорилирования, что обеспечивает синтез значительного количества АТФ.
Регуляция ЦТК осуществляется на ключевых контрольных точках:
Эта система обеспечивает координацию скорости цикла с энергетическими потребностями клетки.
Цикл трикарбоновых кислот выполняет несколько ключевых функций:
ЦТК является центральным узлом метаболизма, объединяя пути углеводов, жиров и белков, обеспечивая клетку энергией и биосинтетическими прекурсорами.