3.11. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)

 

В аэробных условиях пировиноградная кислота декарбоксилируется, т. е. от нее отщепляется молекула СО₂ и остается двухуглеродная ацетильная группа. Окисленная форма кофермента NAD⁺ принимает один атом водорода от пировиноградной кислоты и один атом водорода от кофермента А (СоА). В результате происходит конденсация двухуглеродного остатка, образовавшегося из пировиноградной кислоты, с коферментом А с образованием ацетил–кофермента А (ацетил–СоА) (рис. 3–43).

 

Рис. 3.43. Образование ацетил–СоА из пировиноградной кислоты

 

Кофермент действует как переносчик ацетильной группы, передавая ее щавелевоуксусной кислоте в следующей реакции, в ходе которой СоА высвобождается из комплекса. Таким образом, СоА не расходуется, а все время переносит ацетильные группы от пировиноградной кислоты на щавелевоуксусную.

Все реакции гликолитического пути вплоть до образования пировиноградной кислоты протекают в цитозоле. За образованием ацетил–СоА и СО₂ из пировиноградной кислоты и СоА следуют восемь основных реакций цикла трикарбоновых кислот (ЦТК) (рис. 3–44), в результате которых каждая ацетильная группа расщепляется до СО₂ и Н₂О с образованием еще двух молекул СО₂ и двух молекул Н₂О.

 

Рис. 3.44. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса). С каждым оборотом в цикл поступает одна ацетильная группа (в реакции 2). Эта группа остается интактной в течение одного оборота цикла. За то же время от молекулы лимонной кислоты отщепляется эквивалентное количество атомов углерода, кислорода и водорода в виде СО₂, а также в виде Н⁺ и е¯, которые вовлекаются в цепь переноса электронов.

 

 

 

Все эти реакции протекают в матриксе митохондрий, содержащем соответствующие ферменты. Суммарная реакция расщепления пировиноградной кислоты выглядит так:

 

		O
		
2CH3		C		COOH	+	5O2		6CO2	+	4H2O

 

 

Цикл трикарбоновых кислот известен также под названием цикл Кребса в честь Ханса Кребса, который в начале 1940–х гг. установил основные этапы данной последовательности реакций и ее циклический характер. Сначала двухуглеродная ацетильная группа из ацетил–СоА конденсируется с четырехуглеродной щавелевоуксусной кислотой с образованием шестиуглеродной лимонной кислоты (реакция 2, рис. 3–44). В реакциях 5 и 6 от изолимонной кислоты отщепляются последовательно две карбоксильные группы, из которых образуются соответственно вторая и третья молекулы СО₂. Кроме того, в тех же реакциях отщепляются четыре атома водорода, которые переносятся на NAD⁺ с образованием двух молекул NADH. Реакция 7 протекает на поверхности внутренней митохондриальной мембраны, с которой связаны молекулы сукцинатдегидрогеназы. Этот фермент при участии кофермента FAD отщепляет два атома водорода от янтарной кислоты с образованием фумаровой кислоты. Еще одно окисление происходит на этапе 9; здесь яблочная кислота превращается вщавелевоуксусную кислоту с одновременным переносом двух атомов водорода на NAD ⁺ . Затем новая ацетильная группа конденсируется с щавелевоуксусной кислотой с образованием новой молекулы лимонной кислоты, и, таким образом, цикл повторяется.

С каждым новым оборотом ЦТК от молекул отщепляются два атома углерода и четыре атома кислорода в виде двух молекул СО₂ (рис. 3–45), а также восемь атомов водорода, всякий раз по два. Эти атомы водорода (поскольку кроме протона они содержат еще и электрон) окисляются молекулярным кислородом до Н₂О при участии NAD ⁺ , FAD и соответствующего цитохрома дыхательной цепи. СО₂ высвобождается из митохондрии, а затем и из клетки просто путем диффузии и в конце концов выводится из организма в виде газа через систему кровообращения и органы дыхания.

 

Рис. 3.45. Образование СО₂, NADH, FADH₂, и GTP в цикле трикарбоновых кислот. Цифры в кружочках отвечают соответствующим реакциям на рис. 3.44. (Vander et al., 1975.)