13.19. Открытие цикла Кребсом

«Меня часто спрашивали, как возникло и развивалось исследование цикла трикарбоновых кислот. Была ли эта концепция результатом внезапного вдохновения и предвидения?» «Ничего подобного, - отвечает Ганс Кребс (Hans Krebs), Это был очень медленный эволюционный процесс, развивавшийся в течение пяти лет начиная с 1932 г. (когда я включился в эту работу)...» Кребс вначале изучал скорость окисления различных соединений, используя срезы почек и печени. Он выбирал вещества, представлявшие собою возможные промежуточные продукты при окислении пищевых веществ. Кребс предполагал, что такие вещества будут быстро окисляться, а следовательно, их легко будет идентифицировать. Были получены важные данные: цитрат, сукцинат, фумарат и ацетат очень быстро окислялись в различных тканях.

Существенный вклад в изучение этой проблемы внес Альберт Сент-Дьёрдьи (Albert Szent-Gyorgyi) в 1935 г. Он исследовал окисление различных веществ, используя суспензии измельченной грудной мышцы голубя. Эта очень активная летательная мышца обладает исключительно высокой скоростью окислительных процессов, что ускоряло ход эксперимента. Сент-Дьёрдьи обнаружил, что добавление некоторых -дикарбоновых кислот повышало потребление в гораздо большей степени, чем это требовалось для их прямого окисления. Иными словами, они каталитически (а не стехиометрически) увеличивали потребление Такая каталитическая стимуляция дыхания наблюдалась в присутствии сукцината, фумарата и малата.

Следующим шагом вперед явилась расшифровка биологического пути окисления цитрата Карлом Мартиусом и Францем Кноопом (Carl Martius, Franz Knoop) в 1937 г. Они показали, что цитрат изомеризуется в изоцитрат через цис-аконитат и что изоцитрат подвергается окислительному

декарбоксилированию в -оксоглутарат. Возможность окисления -оксоглутарата в сукцинат тогда уже была известна, и, таким образом, это открытие позволило установить путь от цитрата до сукцината. Оно подоспело в нужный момент, так как теперь Кребс смог объяснить свое недавнее наблюдение, что цитрат каталитически усиливает дыхание измельченной грудной мышцы голубя.

Дополнительная важная информация была получена в результате использования малоната, специфического ингибитора сукцинат-дегидрогеназы. Малонат является конкурентным ингибитором этого фермента, поскольку он структурно очень близок сукцинагу. К этому времени было известно, что малонат служит дыхательным ядом. Кребс пришел к выводу, что сукцинат-дегидрогеназа может, таким образом, играть ключевую роль в дыхании. В пользу этого предположения говорил тот факт, что при добавлении цитрата к мышце, отравленной малонатом, в ней накапливается сукцинат. Более того, накопление сукцината в такой мышце происходило также при добавлении фумарата. Первый из этих экспериментов указывает на физиологическую значимость пути от цитрата до сукцината. Второй эксперимент раскрывает существование пути от фумарата до сукцината, отличающегося от реакции, катализируемой сукцинат-дегидрогеназой.

Кребс установил далее, что цитрат быстро образуется в мышечной суспензии при добавлении оксалоацетата, Открытие синтеза цитрата из оксалоацетата позволило Кребсу построить полную схему процесса. Постулированный им цикл трикарбоновых кислот сразу создал ясную картину окисления углеводов. В этой картине нашли свое точное место многие экспериментальные факты - такие, например, как каталитическое усиление дыхания сукцинатом и другими промежуточными подуктами. Примечательно, что цикл трикарбоновых кислот - не единственный и не первый метаболический цикл, раскрытый Кребсом. Шестью годами ранее он показал, что мочевина превращается по циклическому метаболическому пути, названному орнитиновым циклом Таким образом, концепция циклического метаболического пути уже была полностью осознана Кребсом, когда он анализировал данные и определял ход экспериментов, которые привели к предложенному им циклу трикарбоновых кислот.

Заключение

Цикл трикарбоновых кислот представляет собою конечный общий путь для окисления топливных молекул. Он служит также источником строительных блоков для процессов биосинтеза. Большинство топливных молекул вступают в цикл в виде ацетил-СоА. Окислительное декарбоксилирование пирувата, приводящее к образованию ацетил-СоА, является связующим звеном между гликолизом и циклом трикарбоновых кислот. Эта реакция и все реакции цикла протекают в митохондриях в отличие от гликолиза, который происходит в цитозоле. Цикл начинается с конденсации оксалоацетата с образованием цитрата который изомеризуется в изоцитрат Окислительное декарбоксилирование изоцитрата дает -оксоглутарат Вторая молекула выделяется в следующей реакции, в которой -оксоглутарат подвергается окислительному декарбоксилированию в сукцинил-СоА (С4). Тиоэфирная связь сукцинил-СоА в присутствии расщепляется с образованием сукцината и одновременным генерированием высокоэнергетической фосфатной связи в форме GTP или АТР. Сукцинат окисляется в фумарат который затем гидрати-руется в малат Наконец, малат окисляется, приводя к регенерированию оксалоацетата Таким образом, два атома углерода поступают в цикл в виде ацетил-СоА и два атома углерода покидают цикл в виде при последовательных реакциях декарбоксилирования, катализируемых

изоцитрат-дегидрогеназой и -оксоглутарат—дегидрогеназой. В четырех окислительно-восстановительных реакциях цикла три пары электронов переносятся на NAD + и одна пара - на FAD. Эти восстановленные переносчики электронов окисляются затем в цепи переноса электронов, что сопровождается генерированием одиннадцати молекул АТР. Кроме того, одна высокоэнергетическая фосфатная связь образуется непосредственно в цикле трикарбоновых кислот. Следовательно, на каждый двухуглеродный фрагмент, который полностью окисляется до происходит генерирование двенадцати высокоэнергетических фосфатных связей.

Цикл трикарбоновых кислот функционирует только в аэробных условиях, поскольку для него необходимо поступление NAD + и FAD. Эти переносчики электронов регенерируют при переносе электронов NADH и на по электрон-транспортной цепи, сопровождающемся одновременным образованием АТР. Следовательно, скорость цикла трикарбоновых кислот зависит от потребности в АТР. Важное значение в этом отношении имеет также регуляция трех ферментов цикла. Высокий энергетический заряд понижает активность цитрат-синтазы, изоцитрат-дегидрогеназы и -оксоглутарат—дегидрогеназы. Еще один важный регуляторный пункт - необратимое образование ацетил-СоА из пирувата. Активность пируват-дегидрогеназного комплекса контролируется путем 1) ингибирования продуктами реакции, 2) регуляции нуклеотидами по принципу обратной связи и 3) ковалентной модификации. Эти механизмы дополняют друг друга в снижении скорости образования ацетил-СоА при высоком энергетическом заряде клетки.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)