Цикл трикарбоновых кислот

Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса, цикл лимонной кислоты, ЦТК) — это центральный метаболический путь, протекающий в матриксе митохондрий у эукариот и в цитоплазме у прокариот, в ходе которого происходит полное окисление ацетильных остатков (в форме ацетил-кофермента А) до углекислого газа, а также образование восстановленных коферментов (НАДН и ФАДН₂) и небольшого количества гуанозинтрифосфата (ГТФ). Цикл является ключевым звеном клеточного дыхания, объединяющим катаболизм углеводов, жиров и аминокислот, и обеспечивает клетку энергией и предшественниками для биосинтетических процессов.

История открытия

Цикл трикарбоновых кислот был открыт и описан в 1937 году немецким биохимиком Хансом Адольфом Кребсом, работавшим в Великобритании. За это открытие он был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1953 году (совместно с Фрицем Липманом). Кребс экспериментально установил последовательность реакций, используя срезы мышц голубя и различные субстраты, и показал, что лимонная кислота является промежуточным продуктом окисления пирувата. Ранее, в 1935 году, венгерский биохимик Альберт Сент-Дьёрдьи обнаружил, что некоторые ди- и трикарбоновые кислоты (янтарная, фумаровая, яблочная) ускоряют тканевое дыхание, что заложило основу для открытия цикла. В 1940-х годах американский биохимик Фриц Липман идентифицировал ацетил-кофермент А как активированную форму уксусной кислоты, входящую в цикл, за что также получил Нобелевскую премию в 1953 году.

Локализация и биологическая роль

У эукариот все ферменты цикла трикарбоновых кислот, за исключением сукцинатдегидрогеназы, локализованы в матриксе митохондрий. Сукцинатдегидрогеназа является встроенным белком внутренней мембраны митохондрий и одновременно входит в состав дыхательной цепи (комплекс II). У прокариот реакции цикла протекают в цитоплазме.

ЦТК выполняет две основные функции:

1. Энергетическая — окисление ацетильных групп до CO₂ с генерацией восстановительных эквивалентов (НАДН и ФАДН₂), которые затем используются в дыхательной цепи митохондрий для синтеза АТФ в процессе окислительного фосфорилирования. Полное окисление одной молекулы ацетил-КоА в цикле Кребса и последующее окисление НАДН и ФАДН₂ в дыхательной цепи даёт около 10 молекул АТФ.
2. Анаболическая — промежуточные продукты цикла (α-кетоглутарат, оксалоацетат, сукцинил-КоА и другие) являются предшественниками для синтеза аминокислот, гема, нуклеотидов, жирных кислот и глюкозы (через глюконеогенез). ЦТК является амфиболическим путём, то есть участвует как в катаболизме, так и в анаболизме.

Реакции цикла

Цикл состоит из восьми последовательных ферментативных реакций, в ходе которых ацетильная группа (два углеродных атома) полностью окисляется до двух молекул углекислого газа, а оксалоацетат (четыре углеродных атома) регенерируется.

Схема реакций

1. Конденсация — ацетил-КоА (C₂) конденсируется с оксалоацетатом (C₄) с образованием цитрата (C₆). Реакция катализируется цитратсинтазой, необратима.
2. Изомеризация — цитрат изомеризуется в изоцитрат через промежуточное образование цис-аконитата. Фермент — аконитаза (аконитатгидратаза).
3. Первое окислительное декарбоксилирование — изоцитрат окисляется и декарбоксилируется с образованием α-кетоглутарата (C₅), выделяется CO₂ и восстанавливается НАД⁺ до НАДН. Фермент — изоцитратдегидрогеназа (НАД-зависимая у эукариот, НАДФ-зависимая у прокариот).
4. Второе окислительное декарбоксилирование — α-кетоглутарат окисляется и декарбоксилируется до сукцинил-КоА (C₄). Реакция катализируется α-кетоглутаратдегидрогеназным комплексом, аналогичным пируватдегидрогеназному комплексу, выделяется CO₂ и восстанавливается НАД⁺ до НАДН.
5. Субстратное фосфорилирование — сукцинил-КоА превращается в сукцинат (C₄) с одновременным синтезом ГТФ (или АТФ у некоторых прокариот). Реакция катализируется сукцинил-КоА-синтетазой, высвобождается кофермент А.
6. Окисление — сукцинат окисляется до фумарата (C₄) с восстановлением ФАД до ФАДН₂. Фермент — сукцинатдегидрогеназа, встроенная во внутреннюю мембрану митохондрий.
7. Гидратация — фумарат гидратируется до малата (C₄). Фермент — фумараза (фумаратгидратаза).
8. Регенерация оксалоацетата — малат окисляется до оксалоацетата (C₄) с восстановлением НАД⁺ до НАДН. Фермент — малатдегидрогеназа.

Суммарное уравнение цикла

Ацетил-КоА + 3 НАД⁺ + ФАД + ГДФ + Фн + 2 H₂O → 2 CO₂ + 3 НАДН + ФАДН₂ + ГТФ + 2 H⁺ + КоА

Регуляция

Цикл трикарбоновых кислот регулируется на нескольких ключевых этапах, главным образом через аллостерические механизмы и соотношение субстратов и продуктов.

Ключевые ферменты-регуляторы

• Цитратсинтаза — ингибируется АТФ, НАДН, ацетил-КоА (в высоких концентрациях) и цитратом; активируется АДФ.
• Изоцитратдегидрогеназа — ингибируется АТФ и НАДН; активируется АДФ и НАД⁺.
• α-Кетоглутаратдегидрогеназный комплекс — ингибируется АТФ, ГТФ, НАДН и сукцинил-КоА; активируется АДФ и НАД⁺.

Регуляция основана на энергетическом статусе клетки. При высоком уровне АТФ и НАДН (энергетическое насыщение) цикл замедляется, при низком — ускоряется. Также цикл регулируется доступностью ацетил-КоА и оксалоацетата.

Связь с другими метаболическими путями

ЦТК является центральным узлом метаболизма, соединяющим различные пути:

• Катаболизм углеводов — гликолиз даёт пируват, который превращается в ацетил-КоА пируватдегидрогеназным комплексом.
• β-Окисление жирных кислот — жирные кислоты расщепляются до ацетил-КоА, который поступает в ЦТК.
• Метаболизм аминокислот — аминокислоты дезаминируются и превращаются в промежуточные продукты цикла (например, глутамат → α-кетоглутарат, аспартат → оксалоацетат).
• Глюконеогенез — оксалоацетат и малат могут выводиться из цикла для синтеза глюкозы.
• Синтез гема — сукцинил-КоА используется для синтеза порфиринов.
• Цикл Глиоксилата — у растений и некоторых микроорганизмов существует обходной путь, позволяющий превращать жирные кислоты в углеводы, минуя декарбоксилирование ЦТК.

Клиническое значение

Нарушения в работе цикла трикарбоновых кислот могут приводить к серьёзным заболеваниям. Дефицит ферментов ЦТК часто связан с митохондриальными дисфункциями и проявляется в виде энцефалопатий, мышечной слабости, лактатацидоза и задержки развития. Например:

• Дефицит α-кетоглутаратдегидрогеназы — редкое аутосомно-рецессивное заболевание, характеризующееся накоплением α-кетоглутарата и лактата, неврологическими нарушениями.
• Дефицит фумаразы — приводит к фумаровой ацидурии, тяжёлой энцефалопатии, поликистозу почек.
• Дефицит сукцинатдегидрогеназы — может вызывать наследственные параганглиомы и феохромоцитому, а также митохондриальные энцефаломиопатии.
• Дефицит пируватдегидрогеназы — нарушает поступление ацетил-КоА в цикл, вызывает лактатацидоз и неврологические симптомы.

Некоторые токсины (например, фторацетат) ингибируют ферменты цикла, блокируя клеточное дыхание. Фторацетат превращается во фторцитрат, который ингибирует аконитазу, что приводит к накоплению цитрата и остановке цикла.

Интересные факты

• Цикл Кребса является одним из немногих метаболических путей, который был полностью открыт и описан одним учёным.
• В 1948 году американский биохимик Юджин Кеннеди и Альберт Ленинджер показали, что цикл локализован в митохондриях.
• У растений и бактерий существуют варианты цикла (например, глиоксилатный шунт), позволяющие использовать ацетат в качестве единственного источника углерода.
• Некоторые промежуточные продукты цикла (например, α-кетоглутарат) используются в качестве пищевых добавок и лекарственных средств для улучшения метаболизма.

Источники

• Nelson, D. L., Cox, M. M. (2017). Lehninger Principles of Biochemistry (7th ed.). W. H. Freeman.
• Berg, J. M., Tymoczko, J. L., Gatto, G. J., Stryer, L. (2015). Biochemistry (8th ed.). W. H. Freeman.
• Krebs, H. A., Johnson, W. A. (1937). «The role of citric acid in intermediate metabolism in animal tissues». Enzymologia, 4, 148–156.
• Voet, D., Voet, J. G. (2011). Biochemistry (4th ed.). John Wiley & Sons.
• Геннис, Р. (2005). Биохимия: учебник для вузов. М.: Мир.