Цикл Кребса¶

Цикл Кребса — это центральный метаболический путь аэробного дыхания, представляющий собой последовательность ферментативных реакций, в ходе которых ацетил-кофермент А (ацетил-КоА) окисляется до углекислого газа с образованием восстановленных коферментов (НАДН и ФАДН₂) и одной молекулы ГТФ (или АТФ). Цикл также известен как цикл лимонной кислоты или цикл трикарбоновых кислот (ЦТК). Он локализован в матриксе митохондрий у эукариот и в цитоплазме у прокариот и является ключевым этапом, связывающим катаболизм углеводов, жиров и белков с конечной стадией окисления — электронтранспортной цепью.

¶История открытия

Цикл был открыт немецко-британским биохимиком Хансом Адольфом Кребсом в 1937 году, за что в 1953 году он был удостоен Нобелевской премии по физиологии или медицине (совместно с Фрицем Липманом). Кребс установил, что лимонная кислота образуется в результате конденсации ацетил-КоА с щавелевоуксусной кислотой, а затем последовательно превращается через ряд промежуточных соединений, регенерируя исходный субстрат. Ранее отдельные реакции цикла были описаны Альбертом Сент-Дьёрдьи, который изучал окисление янтарной и фумаровой кислот в мышечной ткани.

¶Основные этапы цикла

Цикл состоит из восьми ферментативных реакций, которые можно разделить на три ключевые фазы: вступление (образование цитрата), окислительное декарбоксилирование (потеря двух атомов углерода в виде СО₂) и регенерация оксалоацетата.

¶1. Образование цитрата

Ацетил-КоА (двухуглеродный фрагмент) конденсируется с оксалоацетатом (четырёхуглеродное соединение) под действием цитратсинтазы, образуя шестиуглеродный цитрат и высвобождая кофермент А.

¶2. Изомеризация цитрата

Цитрат изомеризуется в изоцитрат через промежуточное образование цис-аконитата. Реакцию катализирует аконитаза, которая также участвует в стереоспецифическом переносе гидроксильной группы.

¶3. Первое окислительное декарбоксилирование

Изоцитратдегидрогеназа окисляет изоцитрат до α-кетоглутарата, восстанавливая НАД⁺ до НАДН и выделяя первую молекулу СО₂.

¶4. Второе окислительное декарбоксилирование

α-Кетоглутаратдегидрогеназный комплекс (аналог пируватдегидрогеназы) превращает α-кетоглутарат в сукцинил-КоА, выделяя вторую молекулу СО₂ и восстанавливая НАД⁺.

¶5. Субстратное фосфорилирование

Сукцинил-КоА-синтетаза (сукцинил-КоА-лигаза) отщепляет кофермент А от сукцинил-КоА, образуя сукцинат. Высвобождаемая энергия запасается в виде ГТФ (у животных) или АТФ (у растений и бактерий).

¶6. Окисление сукцината

Сукцинатдегидрогеназа (комплекс II электронтранспортной цепи) окисляет сукцинат до фумарата, восстанавливая ФАД⁺ до ФАДН₂. Этот фермент прочно связан с внутренней мембраной митохондрий.

¶7. Гидратация фумарата

Фумараза (фумаратгидратаза) присоединяет молекулу воды к фумарату, образуя малат.

¶8. Регенерация оксалоацетата

Малатдегидрогеназа окисляет малат до оксалоацетата, восстанавливая НАД⁺ до НАДН. Оксалоацетат вновь готов к конденсации со следующей молекулой ацетил-КоА.

¶Энергетический баланс

За один оборот цикла из одной молекулы ацетил-КоА образуется:

• 3 молекулы НАДН;
• 1 молекула ФАДН₂;
• 1 молекула ГТФ (эквивалентна АТФ);
• 2 молекулы СО₂.

При переносе электронов от НАДН и ФАДН₂ в дыхательную цепь синтезируется примерно 10–12 молекул АТФ (в зависимости от эффективности окислительного фосфорилирования). Таким образом, полное окисление одной молекулы ацетил-КоА в цикле Кребса и последующем дыхании даёт около 10–12 АТФ, что составляет значительную часть энергетического выхода полного окисления глюкозы (30–32 АТФ).

¶Регуляция

Цикл Кребса регулируется по принципу обратной связи и зависит от энергетического статуса клетки. Ключевые ферменты — цитратсинтаза, изоцитратдегидрогеназа и α-кетоглутаратдегидрогеназа — ингибируются избытком АТФ и НАДН, а активируются высокими концентрациями АДФ, АМФ и Ca²⁺. Скорость цикла также лимитируется доступностью субстратов: при недостатке оксалоацетата (например, при голодании или дефиците биотина) цикл замедляется.

¶Биосинтетическая роль

Цикл Кребса является не только энергетическим, но и амфиболическим путём, то есть участвует как в катаболизме, так и в анаболизме. Промежуточные метаболиты цикла служат предшественниками для синтеза многих соединений:

• α-кетоглутарат — для синтеза глутамата и других аминокислот;
• оксалоацетат — для глюконеогенеза и синтеза аспартата;
• сукцинил-КоА — для синтеза гема (порфиринов);
• цитрат — для синтеза жирных кислот и холестерина (через перенос в цитозоль).

Для восполнения промежуточных продуктов, уходящих на биосинтез, существуют анаплеротические реакции, главной из которых является карбоксилирование пирувата до оксалоацетата (катализируется пируваткарбоксилазой).

¶Клиническое значение

Нарушения в работе цикла Кребса приводят к тяжёлым метаболическим заболеваниям. Дефицит ферментов цикла (например, фумаразы или сукцинатдегидрогеназы) вызывает наследственные энцефалопатии, миопатии и способствует развитию опухолей. Мутации в генах сукцинатдегидрогеназы и фумаразы ассоциированы с наследственными формами рака (феохромоцитома, лейомиома, почечно-клеточный рак). Некоторые токсины (например, фторацетат) блокируют цикл, ингибируя аконитазу, что приводит к накоплению цитрата и остановке энергопродукции.

¶Источники

• Нельсон Д., Кокс М. «Основы биохимии Ленинджера», том 2.
• Северин Е. С. «Биологическая химия».
• Krebs H. A., Johnson W. A. «The role of citric acid in intermediate metabolism in animal tissues» (1937).
• Berg J. M., Tymoczko J. L., Stryer L. «Biochemistry».