Цикл лимонной кислоты
Цикл лимонной кислоты (цитратный цикл, цикл Кребса, цикл трикарбоновых кислот, ЦТК) - заключительный этап катаболизма. Это совокупность 8 последовательных реакций, в ходе которых происходят распад ацетил-КоА на 2 молекулы СО2 и образование доноров водорода для ЦПЭ NADН и FADН2.
1. Образование цитрата
В 1 реакции под действием цитратсинтазы происходят конденсация ацетильного остатка ацетил-КоА с оксалоацетатом и образование лимонной кислоты (цитрата).
2. Превращение цитрата в изоцитрат
Далее цитрат в две стадии (дегидратация и последующая гидратация по двойной стадии) превращается в изоцитрат. Промежуточным продуктом является цис-аконитовая кислота, и поэтому фермент, катализирующий обе стадии, получил название аконитазы.
3. Окислительное декарбоксилирование изоцитрата
В 3-й реакции по действием NAD+-зависимой изоцитратдегидрогеназы происходят окисление и декарбоксилирование изоцитрата с образованием α-кетоглутарата. Это самая медленная реакция цитратного цикла. В реакции образуются NADH и СО2.
4. Окислительное декарбоксилирование α-кетоглутарата
В этой реакции α-кетоглутарат подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием еще одной молекулы СО2 и NADH. Это превращение катализируют ферменты α-кетоглутаратдегидрогеназного комплекса, который по структуре и функциям сходен с пируватдегидрогеназным комплексом (ПДК). Подобно ПДК, он состоит из 3 ферментов: α-кетоглутаратдекарбоксилазы, дигидролипоилтранссукцинилазы и дигидролипоилдегидрогеназы. Кроме того, в этот ферментный комплекс входят 5 коферментов: тиаминдифосфат, кофермент А, липоевая кислота, NAD+ и FAD.
Продуктами реакции являются NADH, СО2 и сукцинил-КоА, имеющий макроэргическую связь. На этой стадии завершается распад ацетил-КоА на 2 молекулы СО2.
Остальные реакции необходимы для регенерации оксалоацетата.
5. Превращение сукцинил-КоА в сукцинат
Сукцинил-КоА - высокоэнергетическое соединение, превращается в сукцинат (янтарную кислоту) под действием сукцинаттиокиназы. Энергия разрыва макроэргической связи сукцинил-КоА используется для образования ГТФ из ГДФ и неорганического фосфата путем субстратного фосфорилирования. Энергия и фосфатный остаток ГТФ могут использоваться для фосфорилирования АДФ и получения АТФ под действием нуклеозиддифосфаткиназы.
6. Дегидрирование сукцината
Далее сукцинат превращается в фумарат под действием сукцинатдегидрогеназы. Этот фермент является флавопротеином внутренней мембраны митохондрий, его кофермент FAD прочно связан с активным центром фермента. В реакции образуется FADH2, который передает протоны и электроны в ЦПЭ на убихинон.
7. Образование малата из фумарата
Образование малата (яблочной кислоты) происходит при участии фермента фумаратгидратазы (фумаразы) с участием молекулы Н2О.
8. Дегидрирование малата
В заключительной стадии цитратного цикла малат дегидрируется с образованием оксалоацетата. Реакцию катализирует NAD-зависимая малатдегидрогеназа, содержащаяся в матриксе митохондрий. Цикл замыкается и образуется еще одна молекула NADН.
Энергетическая функция общего пути катаболизма (ОПК)
Конечными продуктами общего пути катаболизма являются СО2, NADН и FADH2. В клетках ОПК является основным поставщиком первичных доноров водорода в ЦПЭ и включает 4 NAD+-зависимые и 1 FAD-зависимую реакции дегидрирования. В этих 5 реакциях, сопряженных с окислительным фосфорилированием АДФ, образуется 14 молекул АТФ (в пересчете на 1 молекулу пирувата). Еще 1 молекулу АТФ поставляет реакция субстратного фосфорилирования АДФ в ходе образования сукцината. Общий выход АТФ составляет 15 молекул АТФ. Распад ацетил-КоА в ЦТК сопровождается синтезом 12 молекул АТФ.
Образованием оксалоацетата завершается один оборот цитратного цикла. В одном обороте цикла лимонной кислоты в 2 реакциях декарбоксилирования происходит образование 2 молекул СО2. В 4 реакциях цитратного цикла происходит дегидрирование с образованием восстановленных коферментов: 3 молекул NADH+H+ и 1 молекулы FADH2. На один оборот цикла затрачивается 2 молекулы воды: одна - на стадии образования цитрата, вторая - на стадии гидратации фумарата.
Восстановленные коферменты (3 молекулы NADH и 1 молекула FADH2), образованные в цикле лимонной кислоты, отдают электроны в ЦПЭ на кислород - конечный акцептор электронов. Восстановленный кислород взаимодействует с протонами с образованием воды.
На каждую молекулу NADH при образовании молекулы воды в процессе тканевого дыхания синтезируются 3 молекулы АТФ, а на каждую молекулу FADH2 - 2 молекулы АТФ.
Таким образом, каждый оборот цикла лимонной кислоты сопровождается синтезом 11 молекул АТФ путём окислительного фосфорилирования. Одна молекула АТФ образуется путём субстратного фосфорилирования. В итоге на каждый ацетильный остаток, включённый в цитратный цикл, образуется 12 молекул АТФ.