ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ ЦИКЛ

ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ ЦИКЛ (син.: цикл Кребса, цикл лимонной кислоты, цитратный цикл) — важнейший метаболический цикл у аэробных организмов (животных, растений и микроорганизмов); представляет собой последовательность реакций окислительного превращения дикарбоновых и трикарбоновых кислот, обеспечивающих полное окисление продуктов метаболизма белков, жиров и углеводов до диоксида углерода CO2 и воды. В обмене веществ и энергии (см.) Т. к. ц. занимает центральное место, т. к. его первичный субстрат— активированная уксусная к-та, или активный ацетильный остаток — ацетил-КоА (см. Коферменты),— является одним из наиболее важных общих промежуточных продуктов, образующихся в ходе обмена всех пищевых веществ — белков, липидов и углеводов (см. Азотистый обмен, Жировой обмен, Углеводный обмен). Сущность Т. к. ц. состоит в окислительном разложении ацетильного остатка до CO2 и воды, в результате чего освобождается энергия, к-рая запасается в виде АТФ (см. Аденозинфосфорные кислоты). У человека и высших животных ок. 2/3 всей энергии, получаемой из питательных веществ, освобождается в Т. к. ц. (см. Биоэнергетика). Кроме образования энергии, Т. к. ц. обеспечивает образование CO2, необходимого для реакций карбоксилирования (см.), напр, при синтезе жирных кислот (см.), пуриновых оснований (см.), пиримидиновых оснований (см.), глюконеогенезе (см. Глюкоза) и др.

Представления о Т. к. ц. формировались постепенно. Уже к 1920 г. благодаря исследованиям Тунберга (Т. Thunberg) было известно, что многие органические к-ты окисляются в организме с большой скоростью. В 1935 г. А. Сент-Дъёрдьи установил, что нек-рые ди- и три-карбоновые к-ты, о к-рых теперь известно, что они входят в Т. к. д., ускоряют окисление глюкозы и других веществ в тканях. Г. Кребс и его сотр. тщательно исследовали аспекты окисления пирувата (см. Пировиноградная кислота) в измельченной мышце голубя. Они, в частности, показали, что анион лимонной к-ты цитрат каталитически ускоряет этот процесс. Обобщив свои и литературные данные, Г. Кребс и Джонсон (W. A. Johnson) в 1937 г. сформулировали представление о циклической природе процесса и назвали его «циклом лимонной кислоты». В 1940 г. Г. Кребс предложил схему Т. к. ц., позже практически не менявшуюся. В 1953 г. Кребс за свое открытие был удостоен Нобелевской премии.

Рис. Схема цикла трикарбоновых кислот и его метаболические связи в организме (ГТФ — гуанозинтрифосфат, ГДФ — гуанозиндифосфат, Фнеорг. — фосфат неорганический )
Рис. Схема цикла трикарбоновых кислот и его метаболические связи в организме (ГТФ — гуанозинтрифосфат, ГДФ — гуанозиндифосфат, Фнеорг. — фосфат неорганический )

Т. к. ц. состоит из 8 последовательных реакций, в к-рых участвуют ди- и трикарбоновые к-ты (рис.). Необходимо отметить, что органические к-ты в тканях находятся в диссоциированном состоянии (см. Диссоциация в химии), поэтому для их обозначения чаще используют названия их анионов, напр, цитрат (см. Лимонная кислота), оксалоацетат (см. Щавелево-уксусная кислота), сукцинат (см. Янтарная кислота), альфа-кетоглутарат (см. Кетоглутаровая кислота), фумарат (см. Фумаровая кислота), малат (см. Яблочная кислота) и др.

Первая реакция Т. к. ц.— это конденсация ацетил-КоА с исходным веществом цикла — щавелевоуксусной к-той (оксалоацетатом):

Первая реакция Цикла трикарбоновых кислот

В результате образуются шестиуглеродная лимонная к-та (цитрат), давшая название всему циклу, и свободный восстановленный КоA (HS-КоА). Реакцию катализирует фермент цитрат-синтаза (КФ 4.1.3.7). Промежуточным соединением этого процесса является, по-видимому, связанный с ферментом цитрил-КоА, к-рый самопроизвольно гидролизуется. Образование цитрата относится к эндергоническим реакциям (см.) и реализуется благодаря наличию богатой энергией макроэргической связи (~ — макроэргическая связь) между ацетильным остатком и КоА в молекуле ацетил-КоА

ацетил-КоА

Субстрат окисления в Т. к. ц.— активный ацетильный остаток ацетил-КоА — образуется в организме разными путями: из липидов при бета-окисленпи жирных кислот (см.), из углеводов при окислительном декарбоксилировании пирувата, из белков при катаболизме многих аминокислот. Одни из аминокислот (лизин, фенилаланин, тирозин, лейцин и изолейцин) способны превращаться прямо в ацетил-КоА, другие (аланин, цистеин, серин и глицин) предварительно образуют пируват.

Нарушение нормального течения Т. к. ц. влечет за собой серьезные расстройства метаболизма. Чаще всего это связано с недостатком первого промежуточного продукта цикла — оксалоацетата. В этом случае в печени накапливаются ацетильные группы, к-рые неспособны окисляться и начинают усиленно превращаться в кетоновые тела (см.). Их избыточное образование ведет к развитию патол. состояний, напр, метаболического ацидоза (см.). Кетоз, обычно сопутствующий дисбалансу между окислением жиров (см.) и катаболизмом углеводов (см.), возникает во всех случаях относительной нехватки оксалоацетата по сравнению с КоА, когда ацетил-КоА не может полностью вступить в реакцию конденсации с оксалоацетатом (т. е. в первую реакцию Т. к. ц.). Недостаток оксалоацетата может развиться в условиях, когда в печени метаболизируется большое количество этилового спирта, а также при голодании (см.) и при сахарном диабете (см. Диабет сахарный).

Вторая реакция Т. к. ц.— обратимое превращение лимонной к-ты в изолимонную. Оно протекает через стадию образования цис-аконитовой к-ты и катализируется ферментом аконитат-гидратазой (аконитазой; КФ 4.2.1.3). В ходе реакции лимонная к-та теряет молекулу воды и превращается в ненасыщенную цис-аконитовую к-ту, к-рая присоединяет воду, но уже иным путем, и образует изолимонную к-ту:

Вторая реакция Цикла трикарбоновых кислот

Равновесие этой обратимой реакции в физиол. условиях сильно сдвинуто влево. На долю лимонной к-ты приходится 90%, а на долю изолимонной — лишь 6%. Течение процесса в нужном направлении обеспечивается постоянным уходом изолимонной к-ты из круга реакции в результате последующих превращений.

Третья реакция Т. к. ц.— окисление и одновременное декарбоксилирование (см.) изолимонной к-ты, в результате чего образуется альфа-кетоглутаровая к-та:

Третья реакция Цикла трикарбоновых кислот

Значение этой реакции, катализируемой изоцитратдегидрогеназой, очень велико, т. к. она, по-видимому, лимитирует скорость всего цикла трикарбоновых кислот.

В тканях животных обнаружены две различные изоцитратдегидрогеназы. Основную роль в Т. к. ц. играет НАД-за-висимый аллостерический фермент (КФ 1.1.1.41): он локализован только в митохондриях, имеет мол. вес (массу) 330 000, состоит из 8 субъединиц и для проявления активности нуждается в двухвалентных катионах Mn2+ или Mg2+. Активаторами этого фермента являются АДФ и цитрат, ингибитором — НАД-Н. Обнаруженная в митохондриях и цитозоле НАДФ-зависимая изоцитратдсгидрогеназа (КФ 1.1.1.42) участвует в Т. к. ц. в незначительной степени. В качестве промежуточного продукта в катализируемой этим ферментом реакции образуется щавелево-янтарная к-та.

Изоцитратдегидрогеназная реакция является первым в Т. к. д. окислительно-восстановительным процессом. При этом отщепляемые от субстрата два атома водорода при помощи различных переносчиков, в данном случае — НАД (см. Никотинамидадениндинуклеотид), вовлекаются в дыхательную цепь (см. Окисление биологическое) и, окисляясь кислородом воздуха, превращаются в молекулу воды.

Четвертая реакция Т. к. ц.— окислительное декарбоксилирование альфа-кетоглутаровой к-ты с образованием сукцинил-КоА:

Четвертая реакция Цикла трикарбоновых кислот

Процесс этот сложен. Он катализируется мультиферментным комплексом, включающим три ферментных белка, и протекает в несколько стадий. На первой стадии действует альфа-кетоглутаратдегидрогеназа (оксоглутаратдегидрогеназа; КФ 1.2.4.2). В качестве кофермента здесь используется тиаминпирофосфат — ТПФ (см. Тиамин). α-Кетоглутарат декарбоксилируется, а активированный четырехуглеродный остаток присоединяется к ТПФ:

α-Кетоглутарат декарбоксилируется, а активированный четырехуглеродный остаток присоединяется к ТПФ

где E1 — альфа-кетоглутаратдегидрогеназа.

Далее под влиянием транссукцинилазы, использующей в качестве кофермента амид липоевой кислоты (см.), происходит окисление четырехуглеродного остатка до сукцинила и перенос его на липоевую к-ту с одновременным ее восстановлением:

происходит окисление четырехуглеродного остатка до сукцинила и перенос его на липоевую кислоту с одновременным ее восстановлением

где Л — липоевая к-та, Е2 — транссукцинилаза. На третьей стадии четвертой реакции Т. к. ц. под действием той же транссукцинилазы сукцинильный остаток переносится на КоА с образованием сукцинил-КоА, к-рый подвергается дальнейшим превращениям в Т. к. ц.:

сукцинильный остаток переносится на КоА с образованием сукцинил-КоА

Затем восстановленная форма амида липоевой к-ты окисляется под действием флавинового фермента — липоамид-дегидрогеназы (липоилдегидрогеназы; КФ 1.6.4.3). Весь процесс протекает аналогично окислительному декарбоксилированию пировиноградной кислоты (см.), к-рый приводит к образованию субстрата Т. к. ц.— ацетил-КоА. Необходимо подчеркнуть, что конечный продукт реакции, катализируемой транссукцинилазой,— сукцинил-КоА является мощным ингибитором всей реакции.

Пятая реакция Т. к. ц. - превращение сукцинил-КоА в янтарную к-ту, катализируемое сукцинил-КоА-синтетазой (КФ 6.2.1.4). Реакция интересна тем, что сопряжённо с ней совершается так наз. фосфорилирование (см.) на уровне субстрата, в ходе к-рого из ГДФ (гуанозиндифосфата) и ФНеорг. (неорганического фосфата) синтезируется ГТФ (гуанозинтрифосфат), причем богатая энергией связь сукцинил-КоА трансформируется в макроэргическую фосфатную связь ГТФ:

Пятая реакция Цикла трикарбоновых кислот

Эта реакция, в свою очередь, протекает в три последовательные стадии, в к-рых участвует один и тот же ферментный белок (Е):

Е + сукцинил-КоА + Фнеорг. = Е-сукцинил~Ф + КоА

Е-сукцинил~Ф = Е ~ Ф + сукцинат

Е~Ф + ГДФ = Е + ГТФ.

Образовавшийся ГТФ при участии митохондриальной нуклеозид-дифосфат-киназы (КФ 2.7.4.6) может легко вступить в реакцию перефосфорилирования с АДФ, в результате чего образуется АТФ:

ГТФ + АДФ = ГДФ + АТФ,

Шестая реакция Т. к. ц.— окисление янтарной к-ты до фумаровой под действием сукцинатдегидрогеназы (см.). Акцептором водорода в этой реакции является ФАД — простетическая группа фермента:

Шестая реакция Цикла трикарбоновых кислот

Продукт реакции благодаря наличию двойной связи теоретически может существовать в виде цис- и транс-изомеров. Фумаровая к-та представляет собой транс-изомер. Цис-изомер — малеиновая к-та — в этих условиях не образуется.

Седьмая реакция Т. к. ц.— гидратация фумаровой к-ты — катализируется фумарат-гидратазой (фумаразой; КФ 4.2.1.2), обладающей практически абсолютной стереоспецифичностью. Это выражается в том, что ионы Н+ и ОН- воды присоединяются к фумарату по транс- типу и что в качестве продукта реакции образуется только L-яблочная кислота:

Седьмая реакция Цикла трикарбоновых кислот

Восьмая реакция, завершающая Т. к. ц., состоит в регенерации исходного вещества цикла — щавелево-уксусной к-ты (оксалоацетата) в результате окисления яблочной к-ты под действием малатдегидрогеназы (см.), акцептором водорода в этой реакции служит НАД:

Восьмая реакция Цикла трикарбоновых кислот

Т. о. цикл замкнулся. Образовавшаяся щавелево-уксусная к-та (оксалоацетат) вступает в реакцию конденсации с новой молекулой ацетил-КоА, и начинается следующий виток цикла.

Итак, за один оборот Т. к. ц. происходит полное окисление одного ацетильного остатка, соединенного с КоА, в результате чего прежде всего освобождается энергия. В Т. к. ц. входят 4 реакции дегидрогенирования (реакции 3, 4, 6 и 8 цикла). В трех из них акцептором водорода служит НАД, в дыхательной цепи при этом образуется по 3 молекулы АТФ (см. Окисление биологическое), т. е. всего 9 молекул АТФ. В одной реакции (шестой), когда акцептором водорода является ФАД, образуется 2 молекулы АТФ. И, наконец, в пятой реакции в результате субстратного фосфорилирования образуется 1 молекула ГТФ, что эквивалентно 1 молекуле АТФ. Итого, за один оборот Т. к. ц. накапливается энергия, аккумулированная в 12 молекулах АТФ. Т.о. энергетическая ценность Т. к. ц. очень велика. Но не только этим определяется его значение. Нек-рые аминокислоты могут служить источником промежуточных продуктов Т. к. ц., напр., из аспарагиновой к-ты образуется щавелево-уксусная к-та, а из глутаминовой к-ты, пролина, гистидина и аргинина — альфа-кетоглутаровая к-та. На рисунке представлена связь Т. к. ц. с обменом важнейших веществ.

Т. к. ц. связан не только с катаболизмом, но и с анаболическими процессами. Образующийся в ходе Т. к. ц. диоксид углерода CO2 частично используется для реакций карбоксилирования (см.). Промежуточные продукты цикла трикарбоновых кислот могут удаляться из цикла и также участвовать в синтезе различных соединений. Оксалоацетат служит предшественником углеводов в процессе глюконеогенеза, превращаясь в фосфоенолпируват под действием фосфоенолпируват-карбоксикиназы (КФ 4.1.1.32). В результате трансаминирования (см.) оксалоацетат превращается в аспартат — предшественник пиримидиновых нуклеотидов, нек-рых аминокислот и мочевины (через аргинин). альфа-Кетоглутарат при трансаминировании превращается в глутамат — предшественник пуриновых нуклеотидов, гамма-аминомасляной кислоты (см.) — ГАМК — и других аминокислот. Сукцинил-КоА, конденсируясь с глицином (см.), участвует в синтезе порфиринов (см.). Первичный субстрат Т. к. ц.— ацетил-КоА — используется в синтезе жирных к-т, стероидов (см.), а также в реакциях ацетилирования, напр, при синтезе ацетилхолина (см.).

Таким образом, Т. к. ц. является одной из важнейших «узловых станций» обмена веществ и энергии, на к-рой пересекаются пути превращения различных соединений, что обеспечивает единство и неразрывную связь обмена веществ в организме. Отмечены нек-рые особенности протекания Т. к. ц. в разных тканях. В сердечной мышце практически весь ацетил-КоА окисляется в ходе Т. к. ц., а в печени и жировой ткани значительная часть ацетил-КоА расходуется на биосинтез жирных к-т и стероидов.

В ткани мозга существенную метаболическую роль играет гамма-аминобутиратный путь. При этом альфа-кетоглутарат в результате прямого аминирования или трансаминирования превращается в L-глутамат, из к-рого в результате декарбоксилирования при участии глутаматдекарбоксилазы (КФ 4.1.1.15) образуется ГАМК. Глутамат и ГАМК выполняют в мозге специфические функции нейромедиаторов.

Т. к. ц., по-видимому, отсутствует в зрелых эритроцитах, хотя нек-рые его ферменты в них обнаружены. Особое значение в клетках, в к-рых происходит синтез гемоглобина (см.), имеет специфический побочный путь Т. к. ц., так наз. сукцинат-глициновый цикл (цикл Шемина). Этот путь начинается с реакции конденсации сукцинил-КоА с глицином, в результате к-рой образуется δ-аминолевулиновая к-та. Из нее после дезаминирования получается альфа-кетоглутаровый полуальдегид, а затем альфа-кетоглутарат, превращающийся в сукцинил-КоА. За один оборот этого цикла происходит окисление до CO2 и аммиака одной молекулы глицина. Промежуточный продукт этого цикла — δ-аминолевулиновая к-та — является важнейшим биосинтетическим предшественником порфиринов.

Т. к. ц. занимает центральное положение в системе основных процессов, поставляющих и запасающих энергию в клетках, поэтому регуляция этого цикла играет кардинальную роль в приспособлении организма к изменению условий окружающей среды. Регуляторные механизмы поддерживают определенное соотношение между активностью Т. к. ц. и других метаболических путей (глюконеогенеза, уреогенеза и т. д.), контролируют и осуществляют постоянное поступление АТФ в зависимости от существующих в данный момент энергетических потребностей, обеспечивают превращение избытка углеводов в жирные к-ты, контролируют экономное расходование жирных к-т и ограничивают использование пиру-вата в случае дефицита углеводов. Скорость Т. к. ц. чутко реагирует на метаболические потребности ткани и на природу субстратов, доставляемых к органу. Для функционирования Т. к. ц. необходимо поступление внутрь матрикса митохондрий (см.) пирувата или другого потенциального источника ацетил-КоА. Через внутреннюю мембрану митохондрий может проходить лишь небольшое количество субстратов в соответствии с механизмом пассивного переноса (см. Мембраны биологические). Большинство субстратов транспортируется на специальном ацилпереносящем белке путем так наз. активного транспорта. Ацилпереносящие белки во внутренней митохондриальной мембране эффективно регулируют концентрации субстратов Т. к. ц. в матриксе митохондрий. Скорость поступления ацетильных групп и наличие оксалоацетата являются одними из главных факторов, определяющих общую скорость Т. к. ц.

Интенсивность окислительных стадий Т. к. ц. в значительной степени определяется скоростью реокисления НАД-Н. В нек-рых случаях она лимитируется скоростью поступления O2, однако у аэробных организмов она обычно определяется концентрацией АДФ и (или) ФНеорг. необходимых для превращения АДФ в АТФ при окислительном фосфо-рилировании. При избытке АТФ интенсивность фосфорилирования снижается за счет уменьшения концентрации АДФ. Это ведет к недостатку окисленных НАД и ФАД, что, в свою очередь, угнетает активность дегидрогеназ (см.). Другим способом регуляции Т.к. ц., связанным с фосфорилированием адениловой системы, является влияние на стадию фосфорилирования Т. к. ц., требующую ГДФ. В этом случае определяющую роль играет величина соотношения ГТФ/ГДФ. Когда величины отношений НАД • Н/НАД+, АТФ/АДФ, АТФ/АМФ, ацетил-КоА/КоА, сукцинил-КоА/КоА высоки, клетка достаточно обеспечена энергией, и поток превращаемых соединений через Т. к. ц. замедлен; если эти соотношения низки, клетка испытывает потребность в энергии, и поток через Т. к. ц. ускоряется. По-видимому, соотношение количеств свободных митохондриальных НАД-Н и НАД+ является важнейшим регуляторным фактором, определяющим поток веществ через Т. к. ц. НАД-зависимые дегидрогеназы обладают разной чувствительностью к этому фактору. Особенно важно изменение активности изоцитратдегидрогеназы — одного из ключевых ферментов Т. к. ц. Скорость Т. к. ц. регулируется также дополнительными ферментами (пируватдегидрогеназой, пируваткарбоксилазой, глутаматдегидрогеназой, карбамоилфосфатсинтетазой и др.), влияющими на образование нек-рых промежуточных продуктов Т. к. ц. Особую роль играет регуляция комплекса окислительного декарбоксилирования пирувата — необратимой реакции, поставляющей субстрат Т. к. ц.— ацетил-КоА. Эта реакция активируется промежуточными продуктами гликолиза (см.) и очень быстро ингибируется собственными продуктами — НАД-Н и ацетил-КоА. Существует также другой, более медленный, но длительно действующий механизм модуляции активности пируватдегидрогеназы (КФ 1.2.4.1) путем фосфорилирования — дефосфорилирования компонентов мультиферментного пируват-дегидрогеназного комплекса. Фосфорилирование остатка серина (см.) альфа-цепи пируватдегидрогеназного компонента, катализируемое АТФ-зависимой киназой (см. Киназы), вызывает инактивацию этого комплекса, к-рый реактивируется специфической фосфатазой. При накоплении АТФ активность пируватдегидрогеназы снижается за счет ее фосфорилирования, а при снижении концентрации АТФ инактивируется АТФ-зависимая киназа, а фосфатаза продолжает функционировать, активируя пируватдегидрогеназу.

Активность многих ферментов Т. к. ц. зависит от концентрации ионов Са2+. Эти ионы влияют на взаимопревращения активной (дефосфорилированной) и неактивной (фосфорилированной) форм пируватдегидрогеназы, активируют НАД-зависимую изоцитратдегидрогеназу, а также альфа-кетоглутаратдегидрогеназу. Предполагают, что содержание ионов Ca2+ всегда находится в пределах насыщающих концентраций для пзоцитратдегидрогеназы и альфа-кетоглутаратдегидрогеназы и что связывание ионов Са2+ ведет к снижению ингибирующего эффекта высоких величин отношений НАД-Н/НАД+ и АТФ/АДФ. Ионы Са2+ влияют также на активность ферментов, косвенно связанных с Т. к. ц., они, напр., угнетают активность пируваткарбоксилазы (КФ 6.4.1.1) и карбамоилфосфатсинтетазы (КФ 6.3.5.5).


Библиогр.: Гулый М. Ф. Основные метаболические циклы, Киев, 1968; Мак-Мюррей У. Обмен веществ у человека, пер. с англ., М., 1980; M е ц л e р Д. Биохимия, пер. с англ., т. 2, с. 423, М., 1980; Уайт А. и д р. Основы биохимии, пер. с англ., т. 1 — 3, М., 1981; Halestrap А. P., Scott R. D. a* Thomas А. P. Mitochondrial pyruvate transport and its hormonal regulation, Int. J. Biochem., v. 11, p. 97, 198U; Krebs H. A. a. Jo h n s o n W. A. The role of citric acid in intermediate metabolism in animal tissues, Enzymologia, v. 4, p. 148, 1937; La None K. F. a. Schoolwerth A. C. Metabolite transport in mitochondria, Ann. Rev. Biochem., v. 48, p. 871, 1979; Williamson J. R. Mitochondrial function in the heart, Ann. Rev. Physiol., v. 41, p. 485, 1979; Williamson J. R. a. Cooper R. H. Regulation of the citric acid cycle in mammalian systems, FEBS Letters, v. 117, Suppi., p. K73, 1980.



Источник: Большая Медицинская Энциклопедия (БМЭ), под редакцией Петровского Б.В., 3-е издание