1-я реакция – образование лимонной кислоты. Образование цитрата происходит путем конденсации ацетильного остатка ацетил-КоА с оксалацетатом (ОА) при помощи фермента цитратсинтазы (с участием воды):
Данная реакция практически необратима, поскольку при этом распадается богатая энергией тиоэфирная связь ацетил~S-КоА.
2-я реакция – образование изолимонной кислоты. Эта реакция катализируется железосодержащим (Fe – негеминовое) ферментом – аконитазой. Реакция протекает через стадию образования цис -аконитовой кислоты (лимонная кислота подвергается дегидратации с образованием цис -аконитовой кислоты, которая, присоединяя молекулу воды, превращается в изолимонную).
3-я реакция – дегидрирование и прямое декарбоксилирование изолимонной кислоты. Реакция катализируется НАД+–зависимым ферментом изоцитратдегидрогеназой. Фермент нуждается в присутствии ионов марганца (или магния). Являясь по своей природе аллостерическим белком, изоцитратдегидрогеназа нуждается в специфическом активаторе – АДФ.
4-я реакция – окислительное декарбоксилирование α-кетоглутаровой кислоты. Процесс катализируется α-кетоглутаратдегидрогеназой – ферментным комплексом, по структуре и механизму действия похожим на пируватдегидрогеназный комплекс. В его состав входят те же коферменты: ТПФ, ЛК и ФАД – собственные коферменты комплекса; КоА-SH и НАД+ – внешние коферменты.
5-я реакция – субстратное фосфорилирование. Суть реакции заключается в переносе богатой энергией связи сукцинил-КоА (макроэргическое соединение) на ГДФ с участием фосфорной кислоты – при этом образуется ГТФ, молекула которого вступает в реакцию перефосфорилирования с АДФ – образуется АТФ.
6-я реакция – дегидрирование янтарной кислоты сукцинатдегидрогеназой. Фермент осуществляет прямой перенос водорода с субстрата (сукцината) на убихинон внутренней мембраны митохондрий. Сукцинатдегидрогеназа - II комплекс дыхательной цепи митохондрий. Коферментом в этой реакции является ФАД.
7-я реакция – образование яблочной кислоты ферментом фумаразой. Фумараза (фумаратгидратаза) гидратирует фумаровую кислоту – при этом образуется яблочная кислота, причем ее L -форма, так как фермент обладает стереоспецифичностью.
8-я реакция – образование оксалацетата. Реакция катализируется малатдегидрогеназой, коферментом которой служит НАД+. Образовавшийся под действием фермента оксалацетат вновь включается в цикл Кребса и весь циклический процесс повторяется.
Последние три реакции обратимы, но поскольку НАДН?Н+ захватывается дыхательной цепью, равновесие реакции сдвигается вправо, т.е. в сторону образования оксалацетата. Как видно, за один оборот цикла происходит полное окисление, “сгорание”, молекулы ацетил-КоА. В ходе цикла образуются восстановленные формы никотинамидных и флавиновых коферментов, которые окисляются в дыхательной цепи митохондрий. Таким образом, цикл Кребса находится в тесной взаимосвязи с процессом клеточного дыхания.
Функции цикла трикарбоновых кислот многообразны:
· Интегративная – цикл Кребса является центральным метаболическим путем, объединяющим процессы распада и синтеза важнейших компонентов клетки.
· Анаболическая – субстраты цикла используются для синтеза многих других соединений: оксалацетат используется для синтеза глюкозы (глюконеогенез) и синтеза аспарагиновой кислоты, ацетил-КоА – для синтеза гема, α-кетоглутарат – для синтеза глютаминовой кислоты, ацетил-КоА – для синтеза жирных кислот, холестерола, стероидных гормонов, ацетоновых тел и др.
· Катаболическая – в этом цикле завершают свой путь продукты распада глюкозы, жирных кислот, кетогенных аминокислот – все они превращаются в ацетил-КоА; глутаминовая кислота – в α-кетоглутаровую; аспарагиновая – в оксалоацетат и пр.
· Собственно энергетическая – одна из реакций цикла (распад сукцинил-КоА) является реакцией субстратного фосфорилирования. В ходе этой реакции образуется одна молекула ГТФ (реакция перефосфорилирования приводит к образованию АТФ).
· Водороддонорная – при участии трех НАД+-зависимых дегидрогеназ (дегидрогеназ изоцитрата, α-кетоглутарата и малата) и ФАД-зависимой сукцинатдегидрогеназы образуются 3 НАДН?Н+ и 1 ФАДН2. Эти восстановленные коферменты являются донорами водорода для дыхательной цепи митохондрий, энергия переноса водородов используется для синтеза АТФ.
· Анаплеротическая – восполняющая. Значительные количества субстратов цикла Кребса используются для синтеза разных соединений и покидают цикл. Одной из реакций, восполняющих эти потери, является реакция, катализируемая пируваткарбоксилазой.