Цикл Кребса - механизм, иеющий двоякое значение

Цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислит) можно рассматривать как выработанный клеткой механизм, имеющий двоякое назначение. Основная функция его заключается в том, что это совершенный клеточный "котел", в котором осуществляется полное окисление вовлекаемого в него органического субстрата и отщепление водорода. Другая функция цикла - снабжение клетки рядом предшественников для биосинтетических процессов. Обычно ЦТК является дальнейшей "надстройкой" над анаэробными энергетическими механизмами клетки. Исходным субстратом ЦТК служит ацетил-КоA ("активированная уксусная кислота"), образующийся у аэробов из пирувата в реакции, осуществляемой пируватдегидрогеназным комплексом:

СН3-СО-СООН + КоA-SH + НАД+ переходит в

СН3-СО~S-КоA + НАД*Н2 + СО2

Собственно ЦТК ( рис. 92 ) начинается с конденсации ацетил-КоA с молекулой щавелевоуксусной кислоты , катализируемой цитратсинтазой. Продуктами реакции являются лимонная кислота и свободный кофермент A . Лимонная кислота с помощью фермента аконитазы последовательно превращается в цис-аконитовую и изолимонную кислоты . Последняя превращается в альфа-кетоглутаровую кислоту в реакции, катализируемой изоцитратдегидрогеназой. На первом этапе реакции имеет место дегидрирование изолимонной кислоты, в результате которого образуется щавелевоянтарная кислота и НАД*Н2 . На втором этапе щавелевоянтарная кислота, все еще, вероятно, связанная с ферментом, подвергается декарбоксилированию. Продукты реакции - альфа-кетоглутаровая кислота, освобождающаяся от фермента, и СО2.

альфа-Кетоглутаровая кислота подвергается далее окислительному декарбоксилированию, катализируемому альфа-кетоглутаратдегидрогеназным комплексом, в результате чего образуется сукцинил-КоA . Эта реакция - единственная необратимая реакция из десяти составляющих ЦТК. Один из продуктов реакции - сукцинил-КоA - представляет собой соединение, содержащее высокоэнергетическую тиоэфирную связь.

Следующий этап - образование янтарной кислоты из сукцинил-КоA, катализируемое сукцинилтиокиназой, в результате которого энергия, освобождающаяся при разрыве тиоэфирной связи, запасается в фосфатной связи ГТФ . ГТФ затем отдает свою фосфатную группу молекуле АДФ , что приводит к образованию АТФ . Следовательно, на данном этапе ЦТК имеет место субстратное фосфорилирование .

Янтарная кислота окисляется в фумаровую с помощью фермента сукцинатдегидрогеназы. Далее фумаровая кислота гидратируется под действием фумаразы, в результате чего возникает яблочная кислота , которая подвергается дегидрированию, приводящему к образованию ЩУК . Реакция катализируется НАД-зависимой малатдегидрогеназой. Этой реакцией завершается ЦТК, так как вновь регенерируется молекула-акцептор (ЩУК), запускающая следующий оборот цикла. Однако поскольку из цикла происходит постоянный отток для биосинтезов промежуточных метаболитов, приводящий к понижению уровня ЩУК, возникает необходимость в ее дополнительном синтезе. Это обеспечивается как в реакциях карбоксилирования пирувата или фосфоенолпирувата ( табл. 24 ), так и с помощью последовательности из двух реакций, получивших название глиоксилатного шунта ( рис. 92 ). В первой из них изолимонная кислота под действием изоцитратлиазы расщепляется на янтарную и глиоксиловую кислоты . Во второй реакции, катализируемой малатсинтетазой, глиоксиловая кислота конденсируется с ацетил-КоA с образованием яблочной кислоты, превращающейся далее в ЩУК. В результате двух новых реакций происходит синтез С4-кислоты из двух С2- остатков. Глиоксилатный шунт не работает при выращивании на субстратах, катаболизирование которых приводит к образованию пировиноградной кислоты . Он включается при выращивании организмов на С2- соединениях.

Энергетическим "топливом", перерабатываемым в ЦТК, служат не только углеводы, но и жирные кислоты (после предварительной деградации до ацетил-КоA), а также многие аминокислоты (после удаления аминогруппы в реакциях дезаминирования или переаминирования). В результате одного оборота цикла происходят 2 декарбоксилирования , 4 дегидрирования и 1 фосфорилирование . Итогом 2 декарбоксилирований является выведение из цикла 2 атомов углерода (2 молекулы СО2), т.е. ровно столько, сколько его поступило в виде ацетильной группы. В результате 4 дегидрирований образуются 3 молекулы НАД*Н2 и 1 молекула ФАД*Н2 . Как можно видеть, в процессе описанных выше превращений весь водород оказывается на определенных переносчиках и задача теперь - передать его через другие переносчики на молекулярный кислород.

Как представлено это у эубактерий? С определенными последовательностями ферментативных реакций, аналогичных тем, которые имеют место в ЦТК, мы встречаемся у эубактерий, находящихся на разных этапах эволюционного развития. Некоторые реакции цикла функционируют в анаэробных условиях у бактерий, получающих энергию в процессах брожения .

У пропионовых бактерий в последовательность реакций брожения, ведущих к синтезу пропионовой кислоты , "вмонтированые" реакции от янтарной кислоты до ЩУК , аналогичные таковым ЦТК, но идущие в противоположном направлении и связанные на двух этапах с восстановлением субстратов реакций ( рис. 54 ). В пропионовокислом брожении эти реакции функционируют для акцептирования водорода, являясь одним из вариантов решения донор-акцепторной проблемы в анаэробных условиях.

У других эубактерий мы встречаемся с более полно сформированной последовательностью реакций, аналогичных ЦТК, но еще не замкнутых в полный цикл. Наиболее часто отсутствует ферментативный этап превращения альфа-кетоглутаровой кислоты в янтарную, в результате чего ЦТК представляется как бы "разорванным" ( рис. 85 ). "Разорванный" ЦТК обнаружен у бактерий, осуществляющих бескислородный фотосинтез , цианобактерий , хемоавтотрофов и у некоторых хемогетеротрофов . Вероятно, в таком виде ЦТК не может функционировать в системе энергодающих механизмов клетки. В этом случае его основная функция - биосинтетическая. Тот факт, что "разорванный" ЦТК встречается у различных далеко отстоящих друг от друга физиологических групп эубактерий, указывает на сложные пути эволюции данного механизма. Этот вопрос требует своего объяснения.

Ссылки:

Все ссылки