Цитратний цикл - цикл лимонної кислоти - цикл трикарбонових кислот (ЦТК) і нарешті цикл Кребса * різні позначення одного і того ж процесу. Цей процес, образно кажучи, та головна вісь навколо якої крутиться метаболізм багатьох існуючих клітин. Значення цього циклу, спочатку постулированного для пояснення повного згоряння пірувату (і, таким чином, вуглеводів), а також дво- і трьох вуглецевих кінцевих продуктів окислення жирних кислот, вийшло далі за рамки цих та їм подібних чисто катаболічних функцій, пов'язаних з виробленням енергії. Цикл Кребса є «фокусом», в якому сходяться всі метаболічні шляхи. Тому його реакції і субстрати грають вирішальну роль в біосинтезі (анаболізмі) безлічі важливих дзвінків: амінокислот, пуринів, піримідинів, вуглеводів, жирних кислот з довгим ланцюгом, порфіринів і ін.
Коротка історія питання.
Дослідження по окисленню ряду органічних сполук, в тому числі деяких моно-, ді-і трикарбонових кислот, препаратами з тканин тварин були розпочаті в 20-х роках минулого століття вченими Тунберг, а також Бателлі і Штерн. Ці вчені виявили, що з багатьох випробуваних субстратів лише сукцинат, фумарат, малат і цитрат окислялись препаратами з м'язи жаби зі швидкістю, досить великий для з'єднань, що претендують на роль проміжних продуктів окислення жирів і вуглеводів. У 1936 р Марціус і Кноп висловили припущення, що цитрат перетворюється в сукцинат зазначеним нижче шляхом:
Цитрат → ізоцитрат → Оксалосукцінат → # 945; -Кетоглутарат → Сукцинат.
У наступному році Кребс на основі встановленого ним факту освіти лимонної кислоти (в грудному м'язі голуба) з пірувату і оксалоацетата прийшов до висновку, що якщо згадані реакції зобразити у вигляді циклу, то можна пояснити повне окислення піровиноградної кислоти до трьох молекул СО2:
Піруват + оксалоацетата → Цитрат → цис -Аконітат → ізоцитрат →
# 945; -Кетоглутарат → Сукцинат → Фумарат → Малат → оксалоацетата.
* Ганс Кребс - видатний англійський біохімік, який народився в Німеччині, - отримав в 1953 р
Нобелівську премію з фізіології і медицині за роботу по проміжному метаболізму.
Нижче перераховані спостереження, переконливо свідчать про те, що ця послідовність реакцій (разом з усіма її модифікаціями, які ми обговоримо нижче) дійсно є головний шлях розпаду піровиноградної і оцтової кислот (втягуються в цикл у вигляді ацетил-КоА) в тканинах всіх тварин, починаючи з людини і закінчуючи вищими рослинами і багатьма мікроорганізмами.
1. Було показано, що передбачувані проміжні продукти циклу дійсно присутні в більшості досліджених тканин. Крім того, швидкості окислення цих сполук виявилися досить високими, тобто цілком відповідними швидкостям перетворень учасників циклу.
2. Додавання будь-якої з ді-і трикарбонових кислот сильно збільшує інтенсивність ендогенного дихання. При цьому поглинання кисню у багато разів перевищує кількість, якої було б для окислення самого доданого з'єднання. Саме цей останній факт найбільш переконливо показує на циклічну природу процесу окислення, бо якщо додані субстрати діють каталітично, а не стехіометрично, то вони повинні (хоча б частково) регенеруватися в ході реакції.
3. Малонова кислота в малих концентраціях є високоспецифічний інгібітором реакції перетворення янтарної кислоти в фумаровую. Введення малоновой кислоти в «дихаючу» дихальну систему призводить до накопичення бурштинової кислоти.
4. Розподіл З 14 в різних проміжних продуктах, що виникають при окисленні таких типових субстратів, як глюкоза або жирна кислота, повністю узгоджується з даною схемою.
5. Було показано, що в клітинах тварин і рослин все реакції циклу протікають в одній і тій же клітинної органелле - мітохондрії. Більш того, ферменти, що каталізують окремі реакції циклу, присутні в мітохондріях різних клітин одного організму і різних організмів в приблизно в одному і тому ж співвідношенні.
Реакції цитратного циклу
1. Спочатку ацетільная група в реакції, що каталізується цитрат-синтази. конденсується з молекулою оксалоацетата з утворенням цитрату (цикл отримав свою назву по продукту цієї реакції).
2. На наступній стадії цитрат изомеризуется в ізоцітратс перенесенням гідроксильної групи всередині молекули.
При цьому проміжний продукт реакції, ненасичений аконітат, залишається під час реакції пов'язаним з ферментом (на схемі не показано). Тому фермент, що каталізує реакцію. називають аконітатгідратазой ( «аконітаза»).
Властивості аконітаза забезпечують абсолютну стереоспеціфічность ізомеризації. У той час як цитрат не володіє хиральностью, ізоцитрат містить два асиметричних центру і може існувати в чотирьох ізомерних формах. Однак в цитратному циклі утворюється тільки один з стереоізомерів, (2R, 3S) -ізоцітрат.
3. На наступній стадії ізоцитратдегідрогеназа окисляє гідроксигрупу ізоцитрату в оксогрупу з одночасним відщепленням карбоксильної групи в # 946; -положенні у вигляді СО2 й утворенням 2-оксоглутарат.
4. Подальшу освіту сукцинил-КоА, що включає реакції окислення і декарбоксилювання, подібно ПДГ-реакції, розглянутої раніше, і також каталізується Мультиферментний ОДГ-комплексом (2 оксоглутаратдегідрогеназа).
5. Розщеплення тіолсложноефірной зв'язку в сукцинил-КоА з утворенням сукцинату і коферменту А, що каталізує сукцинат-КоА-лігази (тіокіназой), високоекзоергіческая реакція, енергія якої використовується для синтезу фосфоангідрідной зв'язку ( «субстратного фосфорилювання»).
Однак, в цитратному циклі синтезується АТФ, як в більшості реакцій субстратного фосфорилювання, а гуанозинтрифосфат (ГТФ), який однак легко перетворюється в АТФ при каталізі нуклеозіддіфосфаткіназой.
У наведених 5 реакціях ацетильную залишок повністю окислюється до СО2. при цьому вихідний оксалоацетат відновлюється в сукцинат. У трьох наступних реакціях циклу сукцинат знову перетворюється в оксалоацетат.
6. Спочатку сукцинат окислюється в фумарат під дією сукцинатдегідрогенази .На відміну від інших ферментів циклу сукцинатдегідрогеназа є інтегральним білком внутрішньої мітохондріальної мембрани. Сукцинатдегідрогеназа містить ФАД як простетичної групи, однак фактичним акцептором електронів є убіхінон (докладніше цю реакцію розглянемо на наступній лекції).
7. Потім до подвійного зв'язку фумарата за допомогою фумаратгідратази (фумарази ») приєднується вода і утворюється хіральний (2S) -малат.
8. І нарешті на останній стадііцікла малат окислюється НАД + під дією малатдегідрогенази в оксалоацетат з утворенням НАДН + Н +. Ця реакція замикає цитратний цикл.
Загальний балансцітратного циклу полягає вте, що з одного ацетильную залишку утворюються 2СО2. ЗНАДН + 3Н +. одна молекула убіхінола (QН2) і одна молекула ГТФ.