Лимоннокислый цикл. Биологическое значение цикла. Связь с процессом окислительного фосфорилирования

Лимоннокислый цикл Кребса, цикл трикарбоновых кислот (ЦТК)

Цикл лимонной кислоты локализован в матриксе митохондрий. Это циклический процесс из восьми последовательных реакций, в результате которых происходит декарбоксилирование и дегидрирование ацетил-КоА (универсального клеточного топлива).

Схема лимоннокислого цикла Кребса

Ферменты:

1. цитратсинтаза;

2. аконитаза;

3. изоцитратдегидрогеназа;

4. α-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс;

5. сукцинил-КоА синтетаза;

6. сукцинатдегидрогеназа;

7. фумаратгидратаза;

8. малатдегидрогеназа.

Цикл начинается с конденсации ацетил-КоА с 4-углеродной кетокислотой — щавелевоуксусной (ЩУК). В результате образуется трикарбоновая кислота, цитрат. Изомеризация цитрата ведет к образованию изоцитрата. В ходе последовательных реакций изоцитрат декарбоксилируется и одновременно дегидрируется (фермент изоцитратДГ). Образовавшийся α-кетоглутарат также декарбоксилируется и дегидрируется. Образовавшийся макроэргический сукцинил-КоА служит источником энергии для синтеза АТФ (субстратное фосфорилирование в цикле Кребса). В результате еще двух дегидрирований (ферменты сукцинатДГ и малатДГ) ЩУК регенерирует и запускает новый оборот цикла Кребса.

Таким образом, наряду с конечным продуктом обмена — СО2 в четырех дегидрогеназных реакциях трижды восстанавливается НАД+ (изоцитратДГ, α-кетоглутаратДГ, малатДГ) и один раз восстанавливается ФАД (сукцинатДГ). Чтобы цикл мог функционировать, необходимо окислить эти коферменты, т. е. передать атомы водорода в дыхательную цепь, где происходит их окисление кислородом до воды.

Функции ЦТК:

• Интегративная: связующее звено между реакциями катаболизма и анаболизма.

• Катаболическая – конечный путь распада топливных молекул. В ЦТК окисляется любое вещество, если оно может превратиться в его субстрат.

• Анаболическая.

• Энергетическая. В ЦТК происходит реакция субстрантого фосфорилирования (синтез ГТФ). Энергентический перерасчет в организме идет на АТФ.

• Водороддонорная. Образующиеся 3 НАДН и ФАДН2, которые пойдут в дыхательную цепь и дадут 9 АТФ, за счет окислительного фосфорилирования.

Регуляция ЦТК

Главный регулятор – энергетический статус клетки, который характеризуется отношением [АТФ] / [АДФ + Фн] и [ НАДН⋅Н+] / [НАД+].

3 ключевых фермента:

1. Цитратсинтаза:

   • ингибиторы – АТФ, жирные кислоты, цитрат;

   • активаторы – ЩУК.

2. ИДГДК (изоцитратДГ):

   • ингибиторы – АТФ, НАДН⋅Н+;

   • активаторы – АДФ, НАД+.

3. α-кетоглутаратДГ.

Энергетический выход цикла Кребса

В ЦТК происходят 4 реакции дегидрирования, причем 3 ДГ являются НАД-зависимыми и одна — ФАД-зависимой. За счет окисления водорода 3-х молекул НАДН⋅Н+ в дыхательной цепи синтезируется 7,5 моль АТФ, окисление водорода 1 моль ФАДН2 ведет к синтезу 1,5 моль АТФ. Помимо этого, в ЦТК имеет место одна реакция субстратного фосфорилирования. Таким образом, энергетический выход окисления ацетил-КоА в цикле Кребса равен 10 моль АТФ (7,5 + 1,5 + 1). Этой цифрой мы будем пользоваться в дальнейших расчетах.