Цитратный цикл: реакции

В цитратном цикле (цикл лимонной кислоты; метаболический процесс, протекающий в матриксе митохондрий) ацетильные остатки (CH₃CO—) окисляются до диоксида углерода (CO₂). Полученные при этом восстановительные эквиваленты переносятся на НАД⁺ или убихинон и включаются в дыхательную цепь (см. с. 142). Центральная роль цитратного цикла в метаболизме клетки рассматривается на с. 140.

А. Цитратный цикл

Большая часть потребляемого в цитратном цикле ацетил-КоА получает ацетильные остатки, образовавшиеся в результате β-окисления жирных кислот (см. с. 166) и окислительного декарбоксилирования пирувата, катализируемого пируватдегидрогеназой (см. с. 136). Оба процесса протекают в матриксе митохондрий.

Окисление ацетильных остатков включает ряд промежуточных стадий, образующих цикл: сначала ацетильная группа в реакции, катализируемой цитрат-синтазой [1], конденсируется с молекулой оксалоацетата с образованием цитрата (цикл получил свое название по продукту этой реакции). На следующей стадии [2] цитрат изомеризуется в изоцитрат с переносом гидроксильной группы внутри молекулы. При этом промежуточный продукт реакции, ненасыщенный аконитат, остается во время реакции связанным с ферментом (на схеме не показано). Поэтому фермент, катализирующий реакцию, называют аконитат-гидратазой [2] («аконитазой»).

Свойства аконитат-гидратазы обеспечивают абсолютную стереоспецифичность изомеризации. В то время как цитрат не обладает хиральностью, изоцитрат содержит два асимметрических центра и может существовать в четырех изомерных формах. Однако в цитратном цикле образуется только один из стерео изомеров, (2R,3S)-изоцитрат (см. с. 16).

На следующей стадии изоцитратдегидрогеназа (3) окисляет гидроксигруппу изоцитрата в оксогруппу с одновременным отщеплением одной из карбоксильных групп в виде CO₂ и образованием 2-оксоглутарата. Последующее образование сукцинил-КоА [4], включающее реакции окисления и декарбоксилирования, катализируется мультиферментным комплексом, 2-оксоглутаратдегидрогеназой (дегидрогеназы кетокислот рассмотрены на предыдущей странице). Расщепление тиолсложноэфирной связи сукцинил-КоА с образованием сукцината и кофермента А, катализируемое сукцинат-КоА-лигазой («тиокиназой» (5)], — высокоэкзоэргическая реакция, энергия которой используется для синтеза фосфоангидридной связи («субстратного фосфорилирования», см. с. 126). В цитратном цикле синтезируется не АТФ, как в большинстве таких реакций, а гуанозинтрифосфат [ГТФ (GTP)], который легко превращается в АТФ нуклеозиддифосфаткиназой (на схеме не показано).

В приведенных реакциях ацетильный остаток полностью окисляется до CO₂. Однако одновременно молекула переносчика оксалоацетата восстанавливается в сукцинат. В трех последующих реакциях цикла сукцинат снова превращается в оксалоацетат. Вначале сукцинатдегидрогеназа [6] окисляет сукцинат в фумарат. В отличие от других ферментов цикла сукцинатдегидрогеназа является интегральным белком внутренней митохондриальной мембраны. Поэтому ее относят также к комплексу II дыхательной цепи. Сукцинатдегидрогеназа содержит ФАД (FAD) в качестве простетической группы, однако фактическим акцептором электронов является убихинон. Затем к двойной связи фумарата с помощью фумарат-гидратазы («фумаразы», [7]) присоединяется вода и образуется хиральный (2S)-малат. На последней стадии цикла малат окисляется малатдегидрогеназой (8) в оксалоацетат с образованием НАДН + Н⁺. Эта реакция замыкает цитратный цикл.

Общий баланс цитратного цикла состоит в том, что из одного ацетильного остатка образуются 2 CO₂, 3 НАДН + Н⁺ и одна молекула восстановленного убихинона (QH₂). При этом за счет восстановленных форм коферментов путем окислительного фосфорилирования в клетке синтезируются 9, а с учетом трансформации одной молекулы ГТФ — 10 молекул АТФ (см. с. 148).

Метаболизм. Энергетика