3. Цикл лимонної кислоти 3.1. Біологічні функції та реакції циклу
Цикл лимонної кислоти (ЦЛК, цикл трикарбонових кис-лот – ЦТК, цитратний цикл, цикл Кребса) – це загальний кінцевий шлях катаболізму головних паливних молекул (вуглеводів, ліпідів, білків).
Усі назви процесу, які були наведені, мають своє пояснення. ЦЛК, або цитратний цикл, – у першій реакції цього процесу утворюється лимонна кислота (цитрат). ЦТК – трикар-бонові кислоти є проміжними продуктами цього процесу (цитрат, аконітат, ізоцитрат).
Цей циклічний процес був відкритий та вивчений німецьким біохіміком Хансом Адольфом Кребсом. За відкриття (1937 р.) цього важливого для всіх організмів процесу Х.Кребс у 1952 році отримав Нобелівську премію в галузі фізіології та медицини.
ЦЛК – це циклічний процес, 8 реакцій якого локалізовані у мітохондріях еукаріот. Практично всі ферменти знаходяться в матриксі мітохондрій у вільному стані, лише один зв’язаний з внутрішньою мембраною, тобто вбудований у біліпідний шар – це сукцинатдегідрогеназа. У прокаріот реакції ЦЛК відбува-ються у цитозолі.
Біологічна роль процесу
Цикл Кребса є основою метаболізму, тому що виконує функції, життєво необхідні для організму. На важливість цього процесу вказує той факт, що не існує спадкових захворювань, причиною яких є дефіцит ферментів ЦЛК. Будь-які проблеми в роботі цього циклу не сумісні з життям.
Цикл виконує такі функції:
інтегративну – ЦЛК поєднує шляхи метаболічних перетворень ліпідів, вуглеводів, білків: вказані паливні молекули можуть розщеплюватися до інтермедіатів циклу і синтезуватися з них;
енергетичну – в ЦЛК є одна реакція субстратного фосфорилювання, в якій утворюється 1 молекула ГТФ; потім ГТФ бере участь в утворенні 1 молекули АТФ (тобто енерге-тичний баланс самого циклу, без подальших перетворень відновних еквівалентів, становить 1 АТФ);
воденьгенеруючу – цикл є головним генератором Н+ для роботи дихального ланцюга, тому що в ЦЛК відбувається відновлення НАД+ до НАДН.Н+ та ФАД до ФАДН2; далі НАДН.Н+ та ФАДН2 окиснюються в дихальному ланцюзі, робо-та якого приводить до синтезу АТФ (тому сумарний енергетич-ний баланс одного циклу більше ніж 1 АТФ і становить 12 мо-лекул АТФ – розрахунок буде наведений нижче);
амфіболічну – інтермедіати цього катаболічного процесу можуть бути використані для синтезу інших сполук. Виведення проміжних метаболітів з циклу повинно бути пов’язане з високою катаболічною активністю ЦЛК для продукції АТФ. Приклади використання проміжних метаболітів ЦЛК для синтезу інших сполук:
Під час виведення інтермедіатів ЦЛК для синтетичних процесів їх концентрація не повинна суттєво знижуватися, тому що це може нашкодити процесу генерації енергії. Тому в клітині існують «запобіжні клапани», які допомагають підтримувати концентрацію проміжних метаболітів циклу на необхідному рівні – це анаплеротичні реакції.
До таких реакцій належить:
піруваткарбоксилазна реакція, яка каталізує утворення оксалоацетату з пірувату (одна з основних анаплеротичних реакцій);
аспартат-амінотрансферазна реакція, яка каталізує утворення оксалоацетату з аспартату;
глутаматдегідрогеназна реакція, яка каталізує утворення ?-кетоглутарату з глутамату;
утворення сукциніл-КоА з пропіоніл-КоА, який, у свою чергу, утворюється при катаболізмі амінокислот з розгалуженим ланцюгом (Вал, Іле) та жирних кислот з непарним числом атомів вуглецю (один з основних анаплеротичних процесів);
утворення фумарату при катаболізмі ароматичних амінокислот (Фен, Тир);
?-амінобутиратний шунт – процес, який відбувається в мозку і пов'язаний з утворенням ГАМК (гамма-аміномасляної кислоти) – важливого нейромедіатора гальмування, та її катаболізмом до сукциніл-КоА:
10% глюкози мозку використовується для функціонування цього процесу, тобто він є вкрай важливим для нормальної роботи мозку.
Таким чином, на рівні циклу Кребса відбувається ефективна координація катаболічних та анаболічних процесів, що можливо завдяки існуванню численних високоточних регуляторних механізмів.
На рис. 5 наведена схема реакцій циклу Кребса. Процес складається з 8 реакцій. Друга реакція відбувається у дві стадії через утворення цис-аконітату, дві стадії каталізує один фермент.
Ферменти ЦЛК (нумерація відповідно до номерів реакцій на рис. 5):
Цитратсинтаза.
Аконітаза (аконітатгідратаза).
Ізоцитратдегідрогеназа.
?-Кетоглутататдегідрогеназний комплекс.
Сукцинаттіокіназа.
Сукцинатдегідрогеназа.
Фумараза.
Малатдегідрогеназа.
Четвертий фермент циклу – це мультиферментний комплекс, який містить три ферменти (кожний з яких складається приблизно з 60 субодиниць) та чотири вітаміни. Ферменти комплексу:
Е1 - ?-кетоглутататдегідрогеназа,
Е2 - дигідроліпоїлсукцинілтрансфераза,
ЕЗ – дигідроліпоїлдегідрогеназа.
Рисунок 5 - Схема циклу лимонної кислоти
Хімічні формули інтермедіатів ЦЛК наведені в табл. 1.
Таблиця 1 - Хімічні формули проміжних метаболітів циклу Кребса.
№
Назва сполуки
Хімічна формула
1
Оксалоацетат (щавлевооцтова кислота)
2
Цитрат (лимонна кислота)
3
Цис-аконітат (цис-аконітова кислота)
4
Ізоцитрат (ізолимонна кислота)
5
?-Кетоглутатат (?-кетоглутарова кислота)
6
Сукциніл-КоА
7
Сукцинат(бурштинова кислота)
8
Фумарат (фумарола кислота)
9
Малат (яблучна кислота)
Реакція, яку каталізує сукцинаттіокіназа (сукциніл-КоА синтеза), є єдиною реакцією циклу, що супроводжується генерацією високоенергетичного фосфатного зв’язку на субстратному рівні (реакція субстратного фосфорилювання). З субстратів ГДФ та Фн відбувається утворення ГТФ, який під дією фосфокінази вступає в реакцію з АДФ з утворенням АТФ: