Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК)

Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК), также известный как цикл Кребса или цикл лимонной кислоты, — это важнейший биохимический механизм, обеспечивающий энергетический и конструктивный метаболизм практически всех живых клеток. Он был открыт Хансом Кребсом и Уильямом Джонсоном в 1937 году.

У эукариот полный набор ферментов ЦТК обнаруживается главным образом в митохондриях, а у прокариот они локализованы на внутрицитоплазматических мембранах.

Роль в катаболизме (распаде веществ):

ЦТК является конечным путём, завершающим распад в клетках углеводов, жиров и белков. По своей сути это циклический процесс окисления активированной уксусной кислоты (ацетата) до углекислого газа. В ходе одного оборота цикла клетка получает:

• Энергию в форме ГТФ или АТФ (2 молекулы на 1 молекулу ацетата за счёт субстратного фосфорилирования).
• Восстановительные эквиваленты (НАДН и ФАДН₂). Последующая утилизация этих восстановителей в дыхательной цепи митохондрий обеспечивает основной синтез клеточного АТФ.

Роль в анаболизме (синтезе веществ):

Участие ЦТК в построении клеточных структур определяется тем, что промежуточные соединения цикла служат исходным материалом для синтеза аминокислот, порфиринов (например, гема) и других важных молекул.

Вариации цикла у разных организмов:

• Глиоксилатный цикл (шунт): Видоизменённая форма ЦТК, которая позволяет некоторым микроорганизмам и проросткам растений расти, используя в качестве единственного источника углерода и энергии простые субстраты, например, уксусную кислоту. Полный ЦТК, включая глиоксилатный шунт, обнаруживается только у аэробных микроорганизмов.
• У анаэробов: Строгие анаэробы не содержат ключевые ферменты — изоцитратлиазу и α-кетоглутаратдегидрогеназу. В результате у них отсутствует как глиоксилатный цикл, так и замкнутый, энергопродуцирующий ЦТК. Однако анаболические функции этого механизма у них сохраняются, так как оставшиеся реакции обеспечивают клетку необходимыми соединениями для биосинтеза.
• Обращённый ЦТК (цикл Арнона): У некоторых зелёных фототрофных и сульфатвосстанавливающих бактерий обнаружен обращённый (редуктивный) цикл трикарбоновых кислот. Он функционирует не для распада, а для ассимиляции углекислого газа, образуя в качестве первичных продуктов ацетат или оксалоацетат.

Современный контекст

Сегодня цикл Кребса рассматривается не как изолированный «круг», а как центральный метаболический узел (хаб), который интегрирует потоки углерода и энергии в клетке. Его промежуточные соединения активно пополняются и отводятся в другие метаболические пути (анаплероз и cataplerosis). Открыты новые регуляторные механизмы цикла, связанные с посттрансляционными модификациями ферментов и их локализацией в метаболонах — белковых комплексах, обеспечивающих эффективный перенос субстратов. Также пересмотрена его роль в некоторых типах раковых клеток, где наблюдается изменение активности ферментов ЦТК для поддержания быстрого роста.