Цикл трикарбоновых кислот

Цикл трикарбоновых кислот

Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК), или цикл Кребса, является центральным звеном катаболизма, объединяющим окисление углеводов, жиров и белков. Этот процесс обеспечивает клетку энергией, высвобождая её в виде АТФ, а также служит источником промежуточных метаболитов для биосинтетических путей. Цикл протекает в матриксе митохондрий и состоит из последовательности ферментативных реакций, ведущих к полному окислению ацетил-КоА до углекислого газа и воды.

Перед вхождением в цикл трикарбоновых кислот органические соединения подвергаются предварительному окислению с образованием ацетил-КоА — активной формы уксусной кислоты. Основным источником ацетил-КоА служит пируват, образующийся в ходе гликолиза. Под действием пируватдегидрогеназного комплекса пируват окисляется с образованием ацетил-КоА, CO₂ и восстановленного НАД·Н. Аналогичные процессы происходят при β-окислении жирных кислот и катаболизме аминокислот.

Основные стадии цикла

  1. Конденсация ацетил-КоА с оксалоацетатом Первая реакция катализируется ферментом цитратсинтазой. Ацетильная группа соединяется с четырёхуглеродным оксалоацетатом, образуя цитрат — шестиуглеродное соединение. Реакция является необратимой и определяет направление цикла.

  2. Изомеризация цитрата Под действием аконитазы происходит изомеризация цитрата в изоцитрат через промежуточное соединение — цис-аконитат. Эта стадия подготавливает молекулу к последующим реакциям окислительного декарбоксилирования.

  3. Окислительное декарбоксилирование изоцитрата Фермент изоцитратдегидрогеназа катализирует превращение изоцитрата в α-кетоглутарат, сопровождающееся выделением CO₂ и восстановлением НАД⁺ до НАД·Н. Это первая стадия, на которой происходит выделение углекислого газа и извлечение энергии.

  4. Второе окислительное декарбоксилирование α-Кетоглутаратдегидрогеназный комплекс, аналогичный пируватдегидрогеназе, превращает α-кетоглутарат в сукцинил-КоА. При этом образуется вторая молекула CO₂ и ещё одна молекула НАД·Н. Реакция необратима и энергетически выгодна.

  5. Субстратное фосфорилирование На стадии, катализируемой сукцинил-КоА-синтетазой, происходит образование сукцината и одновременный синтез ГТФ (в некоторых тканях — АТФ). Это единственный этап цикла, где энергия высвобождается в форме макроэргической связи непосредственно.

  6. Окисление сукцината Фермент сукцинатдегидрогеназа катализирует окисление сукцината до фумарата с участием ФАД, который восстанавливается до ФАД·Н₂. Этот фермент является частью дыхательной цепи и расположен во внутренней митохондриальной мембране.

  7. Гидратация фумарата Под действием фумаразы происходит присоединение молекулы воды к фумарату, в результате чего образуется малат. Реакция обратима и протекает без изменения степени окисления углеродных атомов.

  8. Окисление малата Последний этап осуществляется ферментом малатдегидрогеназой, превращающим малат в оксалоацетат. Образуется третья молекула НАД·Н. Полученный оксалоацетат вновь вступает в цикл, обеспечивая его замкнутость.

Энергетический баланс цикла

Каждый оборот цикла, сопровождающий окислением одной молекулы ацетил-КоА, приводит к образованию:

  • 3 молекул НАД·Н,
  • 1 молекулы ФАД·Н₂,
  • 1 молекулы ГТФ (или АТФ).

После окислительного фосфорилирования эти восстановленные коферменты обеспечивают синтез примерно 12 молекул АТФ. Таким образом, ЦТК является главным источником энергии в аэробном метаболизме.

Регуляция цикла

Цикл трикарбоновых кислот строго регулируется энергетическим состоянием клетки. Основные механизмы регуляции включают:

  • Активацию при высоком уровне субстратов (ацетил-КоА, АДФ, НАД⁺).
  • Ингибирование при накоплении продуктов (АТФ, НАД·Н, сукцинил-КоА).
  • Аллостерическую регуляцию ключевых ферментов — цитратсинтазы, изоцитратдегидрогеназы и α-кетоглутаратдегидрогеназы.

Контроль цикла обеспечивает баланс между скоростью окисления и потребностью в энергии.

Анаплеротические и катаплеротические реакции

Цикл Кребса выполняет не только энергетическую, но и метаболическую функцию. Его промежуточные соединения используются для синтеза аминокислот, глюкозы, порфиринов, жирных кислот. Чтобы поддерживать постоянный уровень метаболитов, существуют анаплеротические реакции, восполняющие компоненты цикла. Основная из них — карбоксилирование пирувата в оксалоацетат под действием пируваткарбоксилазы.

Обратный процесс — катаплеротические реакции — обеспечивает выведение промежуточных метаболитов для биосинтеза, что требует тонкой регуляции между катаболическими и анаболическими потоками.

Связь с другими метаболическими путями

Цикл трикарбоновых кислот тесно связан с гликолизом, β-окислением и аминокислотным обменом.

  • Продукты гликолиза (пируват) и β-окисления (ацетил-КоА) поступают в ЦТК.
  • Из него выходят метаболиты, используемые для глюконеогенеза и синтеза липидов.
  • Взаимосвязь с дыхательной цепью обеспечивает передачу восстановительных эквивалентов на кислород, замыкая аэробное окисление.

Такой метаболический узел делает цикл Кребса центральным элементом всей энергетической и пластической деятельности клетки.

Биохимическое значение

Цикл трикарбоновых кислот обеспечивает:

  • максимальное извлечение энергии из органических веществ;
  • снабжение клетки восстановительными эквивалентами для дыхательной цепи;
  • поддержание равновесия между катаболизмом и анаболизмом;
  • образование предшественников для синтеза аминокислот, нуклеотидов, липидов.

Его универсальность и циклическая организация делают ЦТК фундаментальным механизмом метаболической интеграции в живых системах.

Оглавление