Регуляция цикла трикарбоновых кислот

Раздел 2. Тема 8. Цикл лимонной кислоты.

Общая характеристика цикла как главного амфиболичекого компонента обмена веществ.

Вторым этапом общего пути катаболизма является цикл трикарбоновых кислот (ЦТК, Цикл Кребса, Цикл лимонной кислоты). Этот цикл был открыт в 1937 г. Г. Кребсом и Джонсоном. А в 1948 г. Кеннеди и Ленинджер доказали, что ферменты ЦТК локализованы в матриксе митохондрий.

Цикл лимонной кислоты - это один из амфиболических путей (энергия не образуется и не тратится): он используется не только для окислительного катаболизма, т. е. расщепления углеводов, жирных кислот и аминокислот, но может служить также первой стадией многих биосинтетических путей, для которых он является источником молекул-предшественников (см. рисунок). Такие реакции, в которых метаболиты ЦТК служат субстратами в биосинтезе других соединений, называют катаплеротическими. Эти реакции не только образуют важные для клетки продукты, но и помогают избежать чрезмерного накопления метаболитов ЦТК в митохондриях.

Основная метаболическая роль ЦТК:

1) серия окислительно-восстановительных реакций, в результате которых ацетильная группа ацетил–СоА (в ней 2 атома углерода) окисляется до двух молекул СО₂;

2) четырехкратное дегидрирование, ведущее к образованию 3 молекул НАДН+Н⁺ и 1 молекулы ФАДН₂, доставляющих затем атомы водорода в ЦПЭ (цепь переноса электронов, встроенную во внутреннюю мембрану митохондрий, если кто забыл);

3) интегративная функция - цикл является связующим звеном между реакциями анаболизма и катаболизма (то есть реакциями синтеза и распада веществ).

Кроме того, в ходе ЦТК синтезируется одна молекула ГТФ, которая равнозначна АТФ, а также сукцинил-СоА, участвующий в синтезе гема.

О важной роли цикла Кребса свидетельствует тот факт, что у человека почти неизвестны (или их вообще нет) генетически обусловленные изменения ферментов, катализирующих реакции данного цикла. Вероятно, наличие таких нарушений несовместимо с нормальным развитием.

Реакции цикла Кребса

Все ферменты цикла Кребса локализованы в митохондриях.

1. Цикл лимонной кислоты начинается с взаимодействия ацетил-СоА со оксалоацетатом (ОА или щавелевоуксной кислотой - ЩУК) с образованием цитрил-СоА, гидролиз которого приводит к образованию цитрата (лимонной кислоты). Энергия разрыва тиоэфирной связи идет на образование С-С- связи. Данный процесс катализирует цитратсинтетаза.

2. Под действием фермента цис-аконитазы происходит дегидратация и гидратация лимонной кислоты с образованием изоцитрата (изолимонной кислоты).

3. Изолимонная кислота под действием фермента изоцитратдегидрогеназы дегидрируется с образованием восстановленного NADН+Н⁺ и декарбоксилируется с образованием альфа-кетоглутаровой килоты.

4. Альфа-кетоглутаровая кислота является субстратом для альфакетоглутаратдегидрогеназной мультиферментой системы, которая работает по принципу пируватдегидрогеназной. Продуктом служит сукцинил-СоА.

5. В составе сукцинил-СоА имеется одна макроэргическая связь, гидролиз которой приводит к образованию ГТФ. Фермент катализирующий этот процесс - сукцинаттиокиназа.

6. Сукцинат (янтарная кислота) под действием фермента сукцинатдегидрогеназы дегидрируется с образованием фумарата (фумаровой кислоты).

7. Фумаровая кислота с отщеплением воды под действием фумаразы образует малат (яблочную кислоту).

8. Малат под действием фермента малатдегидрогеназы переходит в оксалоацетат (щавелевоуксусную кислоту) и цикл возобновляется.

Регуляция цикла трикарбоновых кислот

Все реакции ЦТК протекают согласованно в одном направлении. Основное значение для регуляции ЦТК имеет синтез и распад АТФ.

Кроме того, важным регулятором ЦТК является доступность оксалоацетата. Наличие оксалоацетата вовлекает в ЦТК ацетил-СоА и запускает процесс. Обычно в клетке имеется баланс между образованием ацетил-СоА (из глюкозы, жирных кислот или аминокислот) и количеством оксалоацетата. Источником оксалоацетата является глюкоза (синтез из пирувата в анаплеротической реакции), поступление из фруктовых кислот самого цикла (яблочной, лимонной), образование из аспарагиновой кислоты в результате трансаминирования.

Примером существенной роли оксалоацетата служит активация синтеза кетоновых тел и кетоацидоз плазмы крови при недостаточном количестве оксалоацетата в печени. Такое состояние наблюдается при инсулинзависимом сахарном диабете, при голодании, алкогольном отравлении или длительной физической нагрузке.

 

Фермент	Активатор	Ингибитор
Цитратсинтаза	АМФ, АДФ, ЩУК, ацетил-СоА	АТФ, цитрат, НАДН+Н+, сукцинил-СоА,
Изоцитратдегидрогеназа	АМФ, АДФ, Са2+, у растений - цитрат	АТФ, НАДН+Н+, Мn2+
α-кетоглутаратдегидрогеназа	цАМФ, Са2+	Сукцинил-СоА, НАДН+Н+, АТФ
Сукцинатдегидрогеназа	АМФ, АДФ	ЩУК

Входная реакция в цикл - взаимодействие ацетил-СоА с окалоацетатом - важная регуляторная реакция. Ее скорость находится в тесной связи с количеством АТФ (уровень АТФ, в свою очередь, определяется количеством и скоростью окисления НАДН+Н⁺). Так, при увеличении количества АТФ в клетке происходит уменьшение сродства цитратсинтазы к ацетил-СоА, поэтому скорость синтеза цитарата снижается. Подобным образом уменьшает сродство цитратсинтазы к ацетил-СоА избыток сукцинил-СоА.

В зависимости от соотношения изменяется скорость ЦТК: при увеличении соотношения НАДН+Н⁺/НАД, АТФ/АДФ, Ацетил-СоА/HS-CoA, Сукцинил-СоА/HS-CoA скорость ЦТК замедляется.

Цикл Кребса активируется под влиянием катехоламинов, глюкагона и йодтиронинов.