Цикл трикарбоновых кислот


Ци́кл трикарбо́новых кисло́т (сокр. ЦТК, цикл Кре́бса, цитра́тный цикл, цикл лимо́нной кислоты́[1][2]) — центральная часть общего пути катаболизма, циклический биохимический процесс, в ходе которого ацетильные[en] остатки (СН3СО-) окисляются до диоксида углерода (CO2). При этом за один цикл образуется 2 молекулы CO2, 3 НАДН, 1 ФАДH2 и 1 ГТФ (или АТФ)[3]. Электроны, находящиеся на НАДН и ФАДH2, в дальнейшем переносятся на дыхательную цепь[2], где в ходе реакций окислительного фосфорилирования образуется АТФ.

Цикл трикарбоновых кислот — это ключевой этап дыхания всех клеток, использующих кислород, центр пересечения множества метаболических путей в организме, промежуточный этап между гликолизом и электронтранспортной цепью. Кроме значительной энергетической роли циклу отводится также и существенная пластическая функция, то есть это важный источник молекул-предшественников, из которых в ходе других биохимических превращений синтезируются такие важные для жизнедеятельности клетки соединения, как аминокислоты, углеводы, жирные кислоты и др.[4]

Цикл превращения лимонной кислоты в живых клетках (то есть цикл трикарбоновых кислот) был открыт и изучен немецким биохимиком Хансом Кребсом, за эту работу он (совместно с Ф. Липманом) был удостоен Нобелевской премии (1953 год)[1].

У эукариот все реакции цикла Кребса протекают внутри митохондрий, а у большинства бактерий реакции цикла протекают в цитозоле[5].

В начале цикла трикарбоновых кислот ацетил-кофермент А (ацетил-КоА) отдаёт свою ацетильную группу четырёх углеродному соединению — оксалоацетату (щавелевоуксусной кислоте), при этом образуется шестиуглеродный цитрат (лимонная кислота). Ацетил-КоА является продуктом окисления таких соединений, как глюкоза, аминокислоты и жирные кислоты[6]. Цитрат затем изомеризуется в изоцитрат (изолимонную кислоту), который далее дегидрируется и декарбоксилируется до пятиуглеродной кислоты — α-кетоглутарата. α-Кетоглутарат вновь декарбоксилируется, превращаясь в четырёхуглеродный сукцинат (янтарная кислота). Сукцинат затем в три этапа ферментативно превращается в четырёхуглеродный оксалоацетат, который готов прореагировать с новой молекулой ацетил-КоА. В каждый оборот цикла одна ацетильная группа (то есть два атома углерода) приходит в цикл в виде ацетил-КоА, и два же атома углерода покидают цикл в виде двух молекул CO2; одна молекула оксалоацетата используется для образования цитрата, и одна же впоследствии регенерируется. Оксалоацетат не покидает цикл, и одна молекула оксалоацетата теоретически может связывать неограниченное количество ацетильных групп и, на самом деле, оксалоацетат присутствует в клетках в очень низких концентрациях. Четыре из восьми стадий цикла представляют собой окислительные процессы, выделяющаяся при этих процессах энергия окисления эффективно запасается в виде восстановленных коферментов НАДН и ФАДH2[5].


Цикл трикарбоновых кислот

Цитратсинтаза

Открытая форма цитратсинтазы
Закрытая форма цитратсинтазы
ГДФ-специфичная сукцинил-КоА-синтетаза в комплексе с ГТФ
Вначале сукцинил-КоА фосфорилируется с высвобождением КоА, далее фосфатная группа переносится на остаток гистидина в активном центре сукцинил-КоА-синтетазы, а сукцинат высвобождается. После этого фосфорильная группа переносится на нуклеозиддифосфат (НДФ, им могут быть АДФ или ГДФ) с образованием нуклеозидтрифосфата (ATФ или ГТФ)
Субъединицы сукцинатдегидрогеназы
Активный центр малатдегидрогеназы со связанным малатом (выделен розовым)
Схема вхождения продуктов катаболизма протеиногенных аминокислот в цикл трикарбоновых кислот
Обратный цикл трикарбоновых кислот. Прерывистой линией показаны реакции, катализируемые ферментами, отличными от ферментов прямого цикла
Ханс Адольф Кребс