Цикл трикарбонових кислот (цикл кребса)

Цикл трикарбоновнх кислот є одним з найголовніших шляхів жислення залишків оцтової кислоти до кінцевих продуктів. Він властивий всім тканинам організмів людини і вищих тварин, а також деяким аеробним мікроорганізмам. Цей цикл є заключною стадією окислювального катаболізму не лише вуглеводів, а й інших класів органічних сполук.

138

У вивчення хімізму окремих реакцій циклу Кребса значний внесок зробили такі вчені, як В. П. Скулачов, С Є. Северин, X. Кребс, А. Сент-Дьордьї, А. Ленінджер, Ф. Л'іпмаи та інші.

Окислення ацетил-КоА в циклі Кребса до кінцевих продуктів відбувається в кілька стадій:

На першій стадії циклу трикарбонових кислот відбувається так звана цитратсинтетазна реакція (утворення лимонної кислоти) внаслідок взаємодії ацетил-КоА з щавлевооцтовою кислотою. Реакція проходиіь у кілька стадій і каталізується одним ферментом — цитрат-

439

синтетазою. Залежно від стадії, яку каталізує фермент, він виконує роль енолази, синтетази або гідролази.

Спочатку протікає реакція енолізації щавлевооцтової кислотні

Далі енольна форма щавлевооцтової кислоти взаємодіє з ацетил-КоА, внаслідок чого утворюється цитрил-КоА, що гідролізується з утворенням лимонної кислоти:

Далі лимонна кислота за участю ферменту аконітатгідратази перетворюється на ізолимонну кислоту:

СООН СООН СООН

^{1 {} X

СгІ2 СгІ2 СН₂

НО-С-СООН —__-» С-СООН ^ г* СН-СООН

-н,о ,

сн₂—соон сн—соон но-сн—соон

Лимонна кислота цис-Аконітова Ізолимонна кислота

кислота _

Остання під впливом ферменту ізоцитратдегідрогенази окислюється і перетворюється на щавлевоянтарну кислоту. За цих умов атоми вод-

440

+н,о. ^

ню приймає НАДФ+:

Щавлевоянтарна кислота при каталітичній дії специфічної декарбоксилази декарбоксилюеться з утворенням а-кетоглутарової кислоти:

—і

а-Кетоглутарова кислота декарбоксилюеться повторно. Реакція відбувається подібно до декарбоксилювання піровиноградної кислоти за участю кофермептів НАД+, ліпоєвої кислоти, КоА і ТПФ. Продуктом реакції є сукциніл-КоА:

Далі сукциніл-КоА перетворюється на янтарну кислоту. Енергія, акумульована в карбоніл-тіоефірному зв'язку, переходить у макроер-гічний зв'язок ГТФ:

ГТФ за участю ферменту ГТФ-аденілаткінази передає макроергіч-ний зв'язок із залишком фосфорної кислоти на АДФ. При цьому утворюється АТФ:

ГТФ + АДФ -*- ГДФ + АТФ.

15 5-287 441

Під впливом ферменту сукцинатдегідрогенази, коферментом якої є ФАД, янтарна кислота окислюється до фумарової кислоти:

Під час гідратації за участю ферменту фумаратгідратази фумарова кислота перетворюється на яблучну кислоту:

Завершується цикл Кребса окисленням яблучної кислоти під впливом ферменту малатдегідрогенази, що містить кофермент НАД+. Продуктом реакції є щавлевооцтова кислота, тобто той субстрат, з якого розпочинався трикарбоновий цикл:

Щавлевооцтова кислота, що утворилась, переходить в енольну форму, вступає в реакцію а новою молекулою ацетил-КоА і далі повторюється весь цикл перетворень.

Так, відносно невелика кількість щавлевооитової кислоти, вступаючи кілька разів у реакцію конденсації з ацетил-КоА, забезпечує окислення значної кількості оцтової кислоти, яка утворюється в процесі обміну не тільки вуглеводів, а й ліпідів і білків. Внаслідок усіх перетворень циклу Кребса оцтова кислота у вигляді ацетил-КоА розкладається на С0₂ і Н₂0:

Енергія, що вивільнюється під час окислення оцтової кислоти, акумулюється в макроергічних зв'язках АТФ.

Як видно з рівнянь реакцій, у циклі Кребса утворюється чотири молекули відновлених форм коферментів: одна молекула НАДФ • Н + + Н+, дві молекули НАД • Н -+- Н+ і одна молекула ФАД • Н₂. При цьому доведено, що під час окислення однієї молекули НАД X X Н -f- H+ або НАДФ • Н 4- Н⁺ шляхом відщеплення атома водню в ланцюгу дихальних ферментів синтезується три молекули АТФ. Вна-

442

слідок окислення ФАД • Н.> утворюється дві молекули АТФ. Отже, всього під час окислення відновлених форм коферментів утворюється З • З ■+■ 2 = II молекул АТФ. Крім того, одна молекула АТФ утворюється на рівні субстрату під час перетворення сукциніл-КоА в янтарну кислоту. Отже, в процесі перетворення однієї молекули аце-тил-КоА в циклі трикарбонових кислот синтезується 11 + І = 12 молекул АТФ. Разом з тим три молекули АТФ синтезуються внаслідок окислення однієї молекули НАД • Н — Н , яка утворюється в процесі перетворення піровиноградної кисло:и до анетил-КоА. Всього в процесі перетворення однієї молекули піровиноградної кислоти до ацетил-КоА і останнього до С0₂ і Н.,0 синтезується 12 -f- 3 *= — 15 молекул АТФ. Оскільки з однієї молекули глюкози утворюється дві молекули піровиноградної кислоти, то всього утворюється 15 • 2 *= = ЗО молекул АТФ. Крім того, 6 молекул АТФ утворюється внаслідок окислення двох молекул НАД • Н -|- Н+, які вивільнюються під час гліколітичної оксиредукції, і дві молекули синтезується в процесі гліколізу. Тому загальний енергетичний ефект аеробного розкладання отнієї молекули глюкози до кінцевих продуктів—С0₂ і Н₂0 — становить ЗО + 6 -Ь 2 — 38 молекул АТФ. Оскільки в одній молекулі АТФ зосереджено 42 кДж енергії, то всього під час аеробного перетворення однієї молекули глюкози акумулюється 1596 кДж енергії. Перетворення однієї молекули глюкози за анаеробних умов, як зазначалось раніше, дає лише дві молекули АТФ, тобто в макроер-гічних зв'язках її акумульовано 2-42—84 кДж енергії.

Отже, основним джерелом енергії для організму є аеробне окислення органічних сполук.