Trikarbon kislotalar sikli (qisq. TKS, Krebs sikli, sitrat sikli, limon kislotasi sikli) — umumiy katabolizm yo‘lining markaziy qismi, siklik biokimyoviy jarayon bo‘lib, unda atsetil^[ingl.] qoldiqlari (СН₃СО-) oksidlanadi va karbonat angidrid (CO₂) hosil bo‘ladi. Bunda siklning har bir aylanishida 2 ta molekula CO₂, 3 NADH, 1 FADH₂ va 1 ta GTF (yoki ATF). Elektronlar, NADH va FADH₂ tarkibida joylashgan holda, keyinchalik nafas olish zanjiriga uzatiladi; bu yerda oksidlovchi fosforlanish jarayonida ATF hosil bo‘ladi.

Trikarbon kislotalar sikli — barcha hujayralar nafas olishining muhim bosqichi, ular kisloroddan foydalanadi. U, shuningdek, ko‘plab metabolik yo‘llarning organizmdagi kesishish nuqtasi va glikoliz bilan elektron tashish zanjiri orasidagi oraliq bosqichdir. Muhim energetik vazifasidan tashqari, sikl katta plastik vazifani ham bajaradi. Ya’ni u boshqa biokimyoviy o‘zgarishlar jarayonida tirik hujayra faoliyati uchun muhim bo‘lgan aminokislotalar, uglevodlar, yog‘ kislotalari va boshqa birikmalar sintezlanadigan dastlabki molekulalarning muhim manbaidir.

Tirik hujayralarda limon kislotasining aylanish siklini (ya’ni trikarbon kislotalar siklini) nemis biokimyogari Hans Krebs kashf etgan va o‘rgangan. Ushbu ishi uchun u (F. Lipman bilan birga) Nobel mukofotiga sazovor bo‘lgan (1953-yil).

Eukariotlarda Krebs siklining barcha reaksiyalari mitoxondriyalar ichida, aksariyat bakteriyalarda esa sikl reaksiyalari sitozolda.

Trikarbon kislotalar siklining boshida atsetil-koferment A (atsetil-KoA) o‘z atsetil guruhini to‘rt uglerodli birikma — oksaloatsetatga (oksalosirka kislotasiga) beradi, natijada olti uglerodli sitrat (limon kislotasi) hosil bo‘ladi. Atsetil-KoA glyukoza, aminokislotalar va yog‘ kislotalari kabi birikmalarning oksidlanish mahsulotidir. Keyin sitrat izomerlanib izositratga (izolimon kislotasiga) aylanadi. U keyinchalik degidrogenlanadi va dekarboksillanadi, natijada besh uglerodli kislota — α-ketoglutarat hosil bo‘ladi. α-ketoglutarat yana dekarboksillanib, to‘rt uglerodli suksinatga (qahrabo kislotasiga) aylanadi. So‘ng suksinat uch bosqichda fermentativ ravishda to‘rt uglerodli oksaloatsetatga aylanadi. U yangi atsetil-KoA molekulasi bilan reaksiyaga kirishishga tayyor bo‘ladi. Siklning har bir aylanishida bitta atsetil guruhi (ya’ni ikkita atom uglerod) atsetil-KoA ko‘rinishida siklga kiradi va ikkita uglerod atomi ikki molekula CO₂ ko‘rinishida undan chiqadi. Sitrat hosil qilishga bir molekula oksaloatsetat sarflanib, keyin uning bir molekulasi qayta tiklanadi. Oksaloatsetat sikldan chiqmaydi; nazariy jihatdan uning bitta molekulasi cheksiz miqdordagi atsetil guruhlarini bog‘lay oladi. Aslida hujayralarda oksaloatsetat konsentratsiyasi juda past bo‘ladi. Siklning sakkiz bosqichidan to‘rttasi oksidlanish jarayonlari bo‘lib, ularda ajralgan energiya samarali tarzda qaytarilgan kofermentlar NADH va FADH₂.

Trikarbon kislotalar sikli energetik metabolizmda markaziy o‘rin egallasa-da, uning vazifasi faqat energiya olish va saqlash bilan cheklanmaydi. Siklning to‘rt va besh uglerodli oraliq birikmalari ko‘plab moddalar sintezi uchun dastlabki modda vazifasini bajaradi. Sikldan chiqqan oraliq birikmalar o‘rnini to‘ldirish uchun hujayrada maxsus anaplerotik reaksiyalar^[ingl.].

Yuqorida aytilganidek, trikarbon kislotalar siklining barcha reaksiyalari mitoxondriyalarda kechadi. Nafas olish zanjiri ham mitoxondriyaning ichki membranasida joylashgan. Aksariyat bakteriyalarda trikarbon kislotalar sikli fermentlari sitozolda joylashgan, plazmatik membrana esa mitoxondriya ichki membranasiga o‘xshash vazifalarni bajaradi.

Trikarbon kislotalar sikli quyida batafsil ko‘rib chiqiladigan 8 ta asosiy bosqichdan iborat.

1-bosqich: sitrat ionining hosil bo‘lishi

Siklning birinchi reaksiyasida qaytmas kondensatsiya natijasida atsetil-KoA bilan oksaloatsetat birikib, sitrat, hosil qiladi. Bu reaksiyani aynan sitratsintaza fermenti katalizlaydi (umumiy sxemadagi 1-reaksiya):

Bu reaksiyada atsetil-KoAning atsetil guruhi tarkibidagi metil guruhi oksaloatsetatning karbonil guruhiga (ikkinchi uglerod atomi — C2 ga) birikadi. Oksaloatsetat ishtirokidagi reaksiya davomida fermentning faol markazida oraliq birikma — sitroil-KoA hosil bo‘ladi. U tezda gidrolizga uchrab, erkin KoA va sitratga parchalanadi, ular esa fermentning faol markazidan chiqib ketadi. Ushbu yuqori energiyali tioefir oraliq birikmasining gidrolizi reaksiyani juda ekzergonik qiladi. Sitratsintaza reaksiyasida standart erkin energiyaning katta manfiy o‘zgarishi siklning borishini ta’minlash uchun zarur, chunki yuqorida aytilganidek, odatda hujayrada oksaloatsetat miqdori juda kam bo‘ladi. Bu reaksiyada ajralgan KoA keyinchalik oksidlovchi dekarboksillanishga uchraydigan navbatdagi piruvat molekulasi reaksiyasida piruvatdegidrogenaza kompleksi yordamida ham ishtirok etadi..

Sitratsintaza

Sitratsintazaning ochiq shakli

Sitratsintazaning yopiq shakli

Sitratsintaza kristall holatga keltirilib, uning rentgen-strukturaviy tahliliuning substrat va ingibitorlar ishtirokida ham, ular bo‘lmaganda ham o‘tkazilgan. Ushbu gomodimer fermentning har bir subbirligi ikki domenli bitta polipeptiddan iborat. Uning ikki domenidan biri yirik va qattiq, ikkinchisi kichikroq va moslashuvchan; faol markaz shu domenlar orasida joylashadi. Sitratsintazaga birinchi bo‘lib bog‘lanadigan substrat — oksaloatsetat — moslashuvchan domenda sezilarli konformatsion o‘zgarishlarni keltirib chiqarib, ikkinchi substrat — atsetil-KoA molekulasi uchun bog‘lanish joyini hosil qiladi (o‘ng tomonga qarang). Fermentning faol markazida sitroil-KoA hosil bo‘lgach, tioefir gidrolizlanib, KoA ajralishi bilan bog‘liq ikkinchi konformatsion o‘zgarish sodir bo‘ladi. Avval substrat, keyin esa oraliq mahsulot bog‘lanishi natijasida yuzaga keladigan bu o‘zgarishlar atsetil-KoAdagi tioefir bog‘ining muddatidan oldin, samarasiz uzilishiga to‘sqinlik qiladi. Sitratsintazaning kinetik tadqiqotlari yuqorida bayon qilingan ikki substratli mexanizmni tasdiqlaydi. Yuqoridagi sitratsintaza reaksiyasi aldol kondensatsiyasi hisoblanadi (ayrim mualliflar uni Klayzen kondensatsiyasi deb ham qaraydilar). Quyida sitratsintaza reaksiyasining mexanizmi keltirilgan:

1. Atsetil-KoAdagi tioefir bog‘i vodorod atomlarini metil guruhida. Aspartat aspartat qoldig‘i sitratsintaza faol markazida metil guruhidan protonni ajratib, oraliq enol birikmasini hosil qiladi. Bu birikma vodorod bog‘i va/yoki protonlanish^[ingl.] orqali fermentning faol markazidagi gistidin His²⁷⁴ qoldig‘i yordamida barqarorlashadi.
2. Oraliq enol birikmasi oksaloatsetatning karbonil uglerod atomiga hujum qiladi; bunda His²⁷⁴ bilan vodorod bog‘i saqlanadi. Oksaloatsetatga hujum chog‘ida boshqa gistidin qoldig‘i — His³²⁰ — o‘z protonini oksaloatsetatga berib, kislota vazifasini bajaradi. Kondensatsiya natijasida oraliq sitroil-KoA.
3. birikmasi hosil bo‘ladi. Sitroil-KoAdagi tioefir bog‘i gidrolizlanib, KoA ajraladi va sitrat hosil bo‘ladi.

2-bosqich: sis-akonitat orqali izositrat hosil bo‘lishi

Ferment akonitaza (aniqrog‘i, akonitatgidrataza) sitratning izositratga qaytar izomerlanishini oraliq birikma — trikarbon kislota sis-akonitat hosil bo‘lishi orqali katalizlaydi. Odatda bu birikma faol markazdan chiqmaydi. Akonitaza suvni faol markaziga bog‘langan qo‘sh bog‘ bo‘ylab sis-akonitatga ikki xil usulda qo‘shadi: birinchisida sitrat, ikkinchisida esa izositrat hosil bo‘ladi (umumiy sxemadagi 2- va 3-reaksiyalar):

Garchi muvozanatdagi aralashmada pH 7,4 va harorat 25 °C bo‘lganda izositrat 10 % dan kam bo‘lsa-da, hujayrada reaksiya o‘ng tomonga siljiydi, chunki izositrat siklning keyingi bosqichida tez sarflanadi va uning konsentratsiyasi kamayadi. Akonitaza temir-oltingugurt klasterini saqlaydi. U substratni faol markazga bog‘lashda ham, gidratlash yoki degidratlashni katalizlashda ham ishtirok etadi. Yetarli miqdorda temir bo‘lmagan hujayralarda akonitaza temir-oltingugurt klasterini yo‘qotib, temir metabolizmini^[ingl.]* boshqaruvchi vazifaga ega bo‘ladi (batafsil qarang: IRE (biologiya)). Demak, akonitaza ikki xil vazifani bajaradigan ko‘plab fermentlardan biridir.

Quyida akonitazaning temir-oltingugurt klasteri izositratni qanday bog‘lashi va uni sis-akonitatga aylantirishini ko‘rsatadigan sxema berilgan:

3-bosqich: izositratning α-ketoglutaratgacha oksidlanishi

Keyingi bosqichda izositratdegidrogenaza^[ingl.] fermenti izositratning oksidlovchi dekarboksillanishini^[ingl.] katalizlaydi va α-ketoglutarat (oksoglutarat) hosil bo‘ladi. Fermentning faol markazidagi Mn²⁺ (yoki Mg²⁺) ioni oraliq birikma — oksalosuksinatning^[ingl.] karbonil guruhi bilan ta’sirlashadi. Bu birikma tez hosil bo‘ladi, ammo dekarboksillanib α-ketoglutaratga aylanmaguncha faol markazdan chiqmaydi.

Quyida ushbu o‘zgarishlar batafsil ko‘rsatilgan (umumiy sxemadagi 4- va 5-reaksiyalar):

1. Izositratdan vodorod NAD⁺ yoki NADF⁺ga uzatilganda izositrat oksidlanadi; qaysi biri qatnashishi izositratdegidrogenazaning izofermentiga bog‘liq (izofermentlar haqida quyida). Oksidlanish natijasida oksalosuksinat hosil bo‘ladi.
2. Oksalosuksinatning dekarboksillanishi Mn²⁺ (yoki Mg²⁺) ionining elektron zichligini o‘ziga tortishi bilan osonlashadi. Natijada oraliq enol birikmasi hosil bo‘ladi.
3. Enol birikmasi qayta tuzilib, α-ketoglutaratga aylanadi.

Hujayralarda izositratdegidrogenazaning ikki xil shakli (izofermenti) aniqlangan. Ulardan birining faoliyati uchun NAD⁺, ikkinchisi uchun esa NADF⁺ talab qilinadi (ikkinchisining faolligi uchun Mn²⁺ emas, Mg²⁺ ioni kerak). Qolgan jihatlarda ular katalizlaydigan reaksiyalar bir xil. Eukariotlarda NADga bog‘liq izoferment mitoxondriya matriksida joylashib, trikarbon kislotalar siklida qatnashadi. Mitoxondriya matriksi va sitozolda uchraydigan NADFga bog‘liq izofermentning asosiy vazifasi, ehtimol, NADFH hosil qilishdir; u qaytaruvchi anabolik jarayonlar uchun zarur.

4-bosqich: α-ketoglutaratning suksinil-KoAgacha oksidlanishi

Trikarbon kislotalar siklining navbatdagi bosqichida ham oksidlovchi dekarboksillanish yuz beradi: α-ketoglutarat suksinil-KoA va CO₂ga aylanadi. Reaksiyani α-ketoglutaratdegidrogenaza kompleksi^[ingl.] katalizlaydi; bunda NAD⁺ elektronlar akseptori, KoA esa suksinil guruhini tashuvchi vazifasini bajaradi. α-ketoglutaratning oksidlanish energiyasi suksinil-KoAda tioefir bog‘i hosil bo‘lishida saqlanadi (umumiy sxemadagi 6-reaksiya):

Bu reaksiya piruvatning piruvatdegidrogenaza yordamida oksidlovchi dekarboksillanishiga deyarli aynan o‘xshaydi. α-ketoglutaratdegidrogenaza kompleksi tuzilishi va faoliyati jihatidan piruvatdegidrogenaza kompleksiga (PDK) juda yaqin. U 3 ta gomolog fermentni o‘z ichiga oladi. Ular PDKdagi E₁, E₂ va E₃ fermentlariga mos keladi; kompleksning kofaktorlari ham tiaminpirofosfat, lipoat, FAD, NAD va koferment A hisoblanadi. Shubhasiz, ikkala kompleksning umumiy evolyutsion ajdodi bo‘lgan. Ikkala kompleksdagi E₁ fermentlar tuzilish jihatidan o‘xshash bo‘lsa-da, ularning aminokislota ketma-ketliklari farq qiladi va ular turli substratlarga xos: PDK kompleksidagi E₁ piruvatni, α-ketoglutaratdegidrogenaza kompleksidagi E₁ esa α-ketoglutaratni bog‘laydi. Ikkala kompleksning E₂ fermentlari ham juda o‘xshash bo‘lib, ularning ikkalasi ham kovalent tarzda lipoat bilan bog‘lanadi. Ikkala kompleksdagi E₃ subbirliklari bir xil.

5-bosqich: suksinil-KoAning suksinatga aylanishi

Suksinil-KoA ham atsetil-KoA kabi gidrolizning standart erkin energiyasi katta manfiy bo‘lgan tioefir bog‘ini saqlaydi (ΔG′^о ≈ −36 kJ/mol). Trikarbon kislotalar siklining keyingi bosqichida tioefir bog‘i uzilganda ajraladigan energiya fosfoangidrid bog‘ini^[ingl.] GTF yoki ATFda hosil qilishga sarflanadi. Bunda suksinil-KoA suksinatga aylanadi (umumiy sxemadagi 6-reaksiya):

Ushbu qaytar reaksiyani aynan suksinil-KoA-sintetaza^[ingl.] (suksiniltiokinaza) katalizlaydi. Fermentning ikkala nomi ham bu reaksiyada nukleozidtrifosfat ishtirok etishini ko‘rsatadi.

Energiya to‘planadigan bu reaksiyaning oraliq bosqichlarida ferment molekulasining o‘zi faol markazidagi gistidin qoldig‘i bo‘yicha fosforlanadi. Ko‘chish potensiali yuqori bo‘lgan bu fosforil guruhi ADF yoki GDFga uzatilib, tegishlicha ATF yoki GTF hosil qiladi. Hayvonlar hujayrasida suksinil-KoA-sintetazaning ikkita izofermenti mavjud: biri ADFga, boshqasi esa GDFga xos. Suksinil-KoA-sintetaza ikki subbirlikdan iborat: α-subbirlik (M_r = 32 000) tarkibida fosforlanadigan gistidin qoldig‘i (His²⁴⁶) va KoAning bog‘lanish joyi mavjud, β-subbirlik (M_r = 42 000) esa ADF yoki GDFning o‘ziga xos bog‘lanishini ta’minlaydi. Faol markaz subbirliklar orasida joylashgan. Suksinil-KoA-sintetazaning kristall tuzilishida ikkita «kuch spirali» (ingl. power helices) bor, har bir subbirlikda bittadan; spirallar shunday yo‘nalganki, ularning elektr dipol momentlari qisman musbat zaryadlarni manfiy zaryadlangan gistidinfosfat (P—His) tomon yo‘naltiradi, bu fermentning oraliq fosforlangan shaklini barqarorlashtiradi. Quyida suksinil-KoA-sintetaza katalizlaydigan reaksiya sxemasi ko‘rsatilgan:

α-ketoglutaratning oksidlovchi dekarboksillanishida saqlangan energiya hisobiga ATF (yoki GTF) hosil bo‘lishi substrat darajasidagi fosforlanish reaksiyasidir. Xuddi shu tarzda glikolizda ATF sintezini glitseraldegid-3-fosfatdegidrogenaza^[ingl.] va piruvatkinaza katalizlaydi. Suksinil-KoA-sintetaza sintezlagan GTF o‘zining oxirgi fosforil guruhini ADFga berib, ATF hosil qilishi mumkin. Bu qaytar reaksiyani nukleoziddifosfatkinaza^{[ingl.] katalizlaydi}:

GTF + ADF → GDF + ATF, ΔG′^о = 0 kJ/mol.

Shunday qilib, suksinil-KoA-sintetazaning har qanday izofermenti faoliyatining yakuniy natijasi energiyaning ATF shaklida saqlanishidir. Gibbs energiyasi nukleoziddifosfatkinaza reaksiyasida o‘zgarmaydi, shu bois ATF va GTF energetik jihatdan teng qiymatli.

6-bosqich: suksinatning fumaratgacha oksidlanishi

Suksinil-KoAdan hosil bo‘lgan suksinat fumaratga flavoprotein — suksinatdegidrogenaza ta’sirida oksidlanadi (umumiy sxemadagi 8-reaksiya):

Eukariotlarda suksinatdegidrogenaza mitoxondriyaning ichki membranasi bilan mustahkam bog‘langan, bakteriyalarda esa plazmatik membranada joylashgan. Ferment 3 xil temir-oltingugurt klasteri va unga kovalent bog‘langan bitta FAD molekulasini saqlaydi. FAD fermentning prostetik guruhi hisoblanadi. Suksinatdan ajralgan elektronlar FAD va temir-oltingugurt klasterlari orqali o‘tib, keyin elektron tashuvchilar yordamida mitoxondriyaning ichki membranasida (bakteriyalarda plazmatik membranada) joylashgan nafas olish elektron tashish zanjiriga yetkaziladi. Bunda FAD FADH₂gacha qaytariladi, ammo keyingi elektron akseptori ubixinondir. Elektronlarning suksinatdan ushbu tashuvchilar orqali oxirgi akseptor — kislorodga o‘tishi ATF sintezi bilan bog‘langan: bir juft elektron hisobiga 1,5 ta ATF molekulasi hosil bo‘ladi. Malonat odatda hujayralarda bo‘lmaydi. U suksinatdegidrogenazaning kuchli raqobatli ingibitori bo‘lib, mitoxondriyalarga qo‘shilganda trikarbon kislotalar sikli faoliyatini to‘xtatadi.

7-bosqich: fumaratning malatgacha gidratlanishi

Fumaratning qaytar gidratlanib, L-malat hosil qilishi fumaraza^[ingl.] (aniqrog‘i, fumaratgidrataza) fermenti tomonidan katalizlanadi. Reaksiyaning o‘tish mahsuloti karbaniondir (umumiy sxemadagi 9-reaksiya):

Quyida fumaraza reaksiyasi mexanizmi batafsil ko‘rsatilgan:

Fumaraza stereospetsifik^[ingl.] fermentdir: u fumaratdagi qo‘sh bog‘ni gidratlaydi (trans-izomer), ammo maleat (sis-izomer fumarat)dagi qo‘sh bog‘ gidratlanishini katalizlamaydi. Fumaraza teskari reaksiyada ham stereospetsifiklikni namoyon qiladi: D-malat uning substrati bo‘la olmaydi.

8-bosqich: malatning oksaloatsetatgacha oksidlanishi

Trikarbon kislotalar siklining oxirgi reaksiyasida NADga bog‘liq L-malatdegidrogenaza fermenti L-malatning oksaloatsetatgacha oksidlanishini katalizlaydi (umumiy sxemadagi 10-reaksiya):

standart termodinamik sharoitlarda bu reaksiyaning muvozanati kuchli ravishda chapga siljigan. Biroq tirik hujayrada oksaloatsetat doimo yuqori darajada ekzergonik sitratsintaza reaksiyasiga (1-bosqich) kirishadi. Shu tariqa hujayrada oksaloatsetatning juda past konsentratsiyasi (< 10⁻⁶ M) saqlanadi va bu malatdegidrogenaza reaksiyasi muvozanatini o‘ngga siljitadi.

Yuqorida trikarbon kislotalar siklining bitta aylanishini tashkil qiluvchi reaksiyalar ko‘rib chiqildi. Ikki uglerodli atsetil guruhi oksaloatsetat bilan birikib siklga kiradi. Ikkita uglerod atomi esa ikki molekula CO₂ shaklida sikldan chiqadi. Ular izositrat va α-ketoglutaratning oksidlanishida hosil bo‘ladi. Bu oksidlanish reaksiyalarida ajralgan energiya uch molekula qaytarilgan NADH va bir molekula FADH₂ shaklida, shuningdek, bir molekula ATF yoki GTF ko‘rinishida saqlanadi. Sikl oxirida oksaloatsetat molekulasi qayta tiklanadi. Shu bilan birga, ikki molekula CO₂ shaklida sikldan chiqadigan ikki uglerod atomi shu aylanishda atsetil guruhi sifatida kirgan ikki uglerod atomidan farq qiladi. Atsetil guruhi olib kirgan uglerod atomlari CO₂ ko‘rinishida faqat siklning keyingi aylanishlarida chiqishi mumkin.

Trikarbon kislotalar siklining har bir aylanishida bevosita bir molekula ATF hosil bo‘lsa-da (suksinil-KoA suksinatga aylanganda), to‘rtta oksidlanish reaksiyasi nafas olish zanjirini NADH va FADH₂ orqali ko‘plab elektronlar bilan ta’minlaydi. Bu esa oksidlovchi fosforlanishda katta miqdorda ATF hosil bo‘lishiga yordam beradi.

Glikolizda bitta glyukoza molekulasidan ikkita piruvat molekulasi, 2 ATF va 2 NADH hosil bo‘ladi. Oksidlovchi fosforlanishda NADHdan O₂ga ikki elektron o‘tishi 2,5 ATF, FADH₂dan O₂ga ikki elektron o‘tishi esa 1,5 ATF hosil bo‘lishini ta’minlaydi. Ikkala piruvat molekulasi piruvatdegidrogenaza kompleksi va trikarbon kislotalar sikli orqali 6 CO₂gacha oksidlanib, elektronlar oksidlovchi fosforlanishda O₂ga uzatilganda, jami har bir glyukoza molekulasidan 32 ta ATF molekulasi hosil bo‘ladi:

32 ta ATF molekulasi 32 × 30,5 kJ/mol = 976 kJ/mol energiyaga teng bo‘lib, glyukozaning to‘liq oksidlanishidagi nazariy eng yuqori qiymatning 34 % ini tashkil etadi. Bu nazariy eng yuqori qiymat 2840 kJ/molga teng. Hisob-kitoblar erkin energiya o‘zgarishining standart qiymatlari asosida bajarilgan. Biroq hujayraning ATF tarkibidagi erkin energiyaga bo‘lgan haqiqiy ehtiyoji hisobga olinsa, oksidlanish jarayonining samaradorligi nazariy maksimumning 65 % iga yaqinlashadi.

Metabolik yo‘l fermentlarining faolligi allosterik effektorlar va kovalent modifikatsiyalar bilan boshqarilishi mumkin. Bu hujayrada oraliq va yakuniy mahsulotlar konsentratsiyasini barqaror saqlab, ularning ortiqcha hosil bo‘lishining oldini oladi. Uglerod atomlarining piruvatdan trikarbon kislotalar sikliga o‘tishi ikki darajada nozik boshqariladi: piruvatning sikl uchun boshlang‘ich birikma — atsetil-KoAga aylanishi (piruvatdegidrogenaza reaksiyasi) va faol atsetatning siklga kirishi (sitratsintaza reaksiyasi). Atsetil-KoA faqat piruvatdegidrogenaza kompleksi (PDH) orqali emas, balki yog‘ kislotalari (β-oksidlanish) va ayrim aminokislotalar oksidlanishida ham hosil bo‘ladi. Shuning uchun piruvat oksidlanishi va trikarbon kislotalar siklini boshqarishda bu yo‘llarni nazorat qilish ham muhim. Bundan tashqari, sikl izositratdegidrogenaza va α-ketoglutaratdegidrogenaza reaksiyalarida ham boshqariladi. Quyida siklning bevosita boshqarilishi yoritiladi; piruvatning oksidlovchi dekarboksillanishi boshqarilishi haqida «Piruvatning oksidlovchi dekarboksillanishi» maqolasiga qarang.

Demak, metabolitlarning trikarbon kislotalar sikliga kelishi qat’iy boshqariladi. Ularning kelishini uch omil belgilaydi: substratning mavjudligi, to‘planayotgan mahsulotlarning tormozlovchi ta’siri va siklning dastlabki bosqichlarini katalizlaydigan fermentlarning teskari aloqa turi bo‘yicha allosterik tormozlanishi.

Siklning uchta ekzergonik bosqichi — sitratsintaza, izositratdegidrogenaza va α-ketoglutaratdegidrogenaza katalizlaydigan bosqichlar — ayrim sharoitlarda tezlikni cheklovchi^[ingl.] bosqichga aylanishi mumkin. Sitratsintaza substratlari (atsetil-KoA va oksaloatsetat)ning mavjudligi hujayra holatiga bog‘liq holda o‘zgaradi va ba’zan sitrat hosil bo‘lish tezligini cheklaydi. NADH — izositrat va α-ketoglutarat oksidlanishining mahsuloti — ayrim sharoitlarda to‘planadi. [NADH]/[NAD⁺] nisbati yuqori bo‘lganda ikkala degidrogenaza reaksiyasi kuchli tormozlanadi. Xuddi shuningdek, hujayrada malatdegidrogenaza reaksiyasi qat’iy muvozanatda bo‘ladi (ya’ni substrat bilan cheklanadi), [NADH]/[NAD⁺] nisbati yuqori va oksaloatsetat miqdori kam bo‘lganda siklning birinchi bosqichi sekinlashadi. Mahsulotlarning to‘planishi siklning tezlikni cheklovchi uchala bosqichini susaytiradi: suksinil-KoA α-ketoglutaratdegidrogenaza (shuningdek, sitratsintaza)ni, sitrat sitratsintazani, yakuniy mahsulot ATF esa sitratsintaza va izositratdegidrogenazani tormozlaydi. ADF sitratsintazaning allosterik faollashtiruvchisi sifatida ATFning unga tormozlovchi ta’sirini kamaytiradi. Mushak to‘qimasida umurtqalilarning qisqarish signali bo‘lib xizmat qiladigan va ATFga talab oshishi bilan birga kuzatiladigan Ca²⁺ ionlari izositratdegidrogenaza va α-ketoglutaratdegidrogenazani hamda piruvatdegidrogenaza kompleksini (PDH) faollashtiradi. Shunday qilib, sikldagi substratlar va oraliq birikmalar konsentratsiyasi uglerod oqimini boshqarib, hosil bo‘ladigan ATF va NADH miqdorini maqbul darajada saqlaydi.

Odatda glikoliz va trikarbon kislotalar siklining tezligi o‘zaro chambarchas bog‘langan: glyukozaning faqat siklni yetarli «yoqilg‘i» — atsetil-KoAning atsetil guruhlari bilan ta’minlaydigan qismigina piruvatga aylanadi. Piruvat, laktat va atsetil-KoA konsentratsiyalari odatda barqaror saqlanadi. Glikoliz tezligi trikarbon kislotalar sikli tezligi bilan nafaqat ATF va NADHning yuqori darajasi glikolizni tormozlashi orqali bog‘langan (bu holat glyukozaning oksidlanishidagi glikoliz hamda nafas olish bosqichiga xos), balki sitrat konsentratsiyasi orqali ham bog‘langan. Trikarbon kislotalar siklining birinchi mahsuloti sitrat fosfofruktokinaza-1 — glikolitik fermentning muhim allosterik ingibitoridir.

Oddiy ikki uglerodli atsetil guruhini CO₂gacha oksidlashning sakkiz bosqichli siklik jarayoni ortiqcha murakkab va biologik eng yuqori tejamkorlik tamoyiliga ziddek ko‘rinishi mumkin. Ammo trikarbon kislotalar siklining vazifasi atsetat ionini (demak, uning hosil bo‘lishiga olib keladigan uglevodlar, yog‘ kislotalari va ayrim aminokislotalarni) oksidlash bilangina cheklanmaydi. Ushbu yo‘l oraliq birikmalar metabolizmining markazidir. Ko‘plab katabolik jarayonlarning to‘rt va besh uglerodli yakuniy mahsulotlari siklga oraliq bosqichlarda kiradi. Masalan, oksaloatsetat va α-ketoglutarat oqsillar parchalanganda hosil bo‘ladigan asparagin va glutamin kislotalarining katabolizm mahsulotlaridir. Ko‘plab oraliq birikmalar turli metabolik jarayonlarda qatnashadi va ko‘pgina anabolik jarayonlar uchun dastlabki modda vazifasini bajaradi. Shunday qilib, trikarbon kislotalar sikli amfibolik yo‘l bo‘lib, katabolik va anabolik jarayonlarni bog‘laydi.

Anaplerotik yo‘llar

Sikldan chiqib, turli moddalar sintezida ishlatilgan trikarbon kislotalar siklining oraliq birikmalari maxsus anaplerotik reaksiyalar^[ingl.] yordamida to‘ldiriladi. Normal sharoitlarda oraliq birikmalarni boshqa metabolik yo‘llarga olib chiqadigan reaksiyalar va ularning o‘rnini to‘ldiradigan reaksiyalar dinamik muvozanatda bo‘ladi. Shu tufayli trikarbon kislotalar sikli oraliq birikmalarining konsentratsiyasi barqaror saqlanadi.

Quyidagi jadvalda eng muhim anaplerotik reaksiyalar keltirilgan:

Reaksiya	Ferment	To‘qima/organizm
piruvat + HCO3− + ATF ⇌ oksaloatsetat + ADF + Fn	piruvatkarboksilaza[ingl.]	jigar, buyraklar
fosfoenolpiruvat + CO2 + GDF ⇌ oksaloatsetat + GTF	fosfoenolpiruvatkarboksikinaza	yurak, skelet mushaklari
fosfoenolpiruvat + HCO3− ⇌ oksaloatsetat + Fn	fosfoenolpiruvatkarboksilaza	yuksak o‘simliklar, achitqilar, bakteriyalar
piruvat + HCO3− + NAD(F)H ⇌ malat + NAD(F)+	malik ferment	eukariotlar va bakteriyalarda keng tarqalgan

Sutemizuvchilar jigari va buyragida eng muhim anaplerotik reaksiya piruvatning qaytar karboksillanib oksaloatsetat hosil qilishi bo‘lib, uni piruvatkarboksilaza fermenti katalizlaydi. Sitrat siklida oksaloatsetat yoki boshqa oraliq birikmalar kamayganda piruvat karboksillanib, qo‘shimcha oksaloatsetat hosil qiladi. Piruvatga fermentativ ravishda karboksil guruhini qo‘shish energiya talab qiladi va bu energiya ATFdan olinadi: piruvatga karboksil guruhini biriktirish uchun zarur bo‘lgan erkin energiya deyarli ATFdan olinadigan erkin energiyaga teng. Piruvatkarboksilaza boshqaruvchi ferment bo‘lib, musbat allosterik modulyator — atsetil-KoA bo‘lmaganda faolsizlanadi. Aksincha, trikarbon kislotalar siklining «yoqilg‘isi» bo‘lgan atsetil-KoA ortiqcha miqdorda mavjud bo‘lsa, u piruvatkarboksilaza reaksiyasini rag‘batlantirib, oksaloatsetat hosil bo‘lishini kuchaytiradi. Bu esa ko‘proq atsetil-KoAni siklga jalb etish imkonini beradi. Piruvatkarboksilaza reaksiyasi uchun vitamin biotin zarur bo‘lib, u CO₂ni tashuvchi prostetik guruh vazifasini bajaradi. Biotin odam ovqatida bo‘lishi kerak; u ko‘pgina mahsulotlarda uchraydi va ichak bakteriyalari tomonidan sintezlanadi.

Yuqoridagi jadvalda sanalgan boshqa anaplerotik reaksiyalar ham trikarbon kislotalar sikli uchun yetarli miqdorda oraliq birikmalarni saqlash maqsadida boshqariladi. Masalan, fosfoenolpiruvatkarboksilaza glikolizning oraliq birikmasi — fruktoza-1,6-bisfosfat ta’sirida faollashadi. Bu modda pirouzum kislotasi ortiqcha bo‘lganda to‘planadi.

O‘simliklar va bakteriyalarda glioksilat sikli orqali atsetil-KoA suksinatga aylanishi mumkin. Demak, bu organizmlar neytral yog‘larni anaplerotik tarzda parchalay oladi (glioksilat sikli haqida quyida batafsil).

Boshqa anaplerotik yo‘llar ham mavjud. Gistidin, prolin, arginin, glutamin va glutamat aminokislotalari α-ketoglutaratga aylanib, uning miqdorini to‘ldirishi mumkin; izoleysin, valin, metionin va triptofan — suksinil-KoAga; aspartat, fenilalanin va tirozin — fumaratga; aspartat va asparagin — oksaloatsetatga aylanishi mumkin. Alanin, serin, treonin, sistein va glitsin aminokislotalari sikl uchun zarur bo‘lgan piruvatga aylanishi mumkin.

Yuqorida ta’kidlanganidek, ayrim anaerob organizmlarda trikarbon kislotalar sikli to‘liq bo‘lmaydi. Ularda sikl energiya olish emas, balki biosintez uchun dastlabki moddalarni hosil qilishga xizmat qiladi. Bunday organizmlar α-ketoglutarat olish uchun siklning dastlabki uch reaksiyasidan foydalanadi, biroq α-ketoglutaratdegidrogenaza bo‘lmagani sababli siklning barcha o‘zgarishlarini amalga oshira olmaydi. Ularda oksaloatsetatning suksinil-KoAga ketma-ket aylanishini katalizlaydigan 4 ta ferment mavjud. Shu bois malat, fumarat, suksinat va suksinil-KoAni oksaloatsetatdan siklning «odatdagi» oksidlovchi reaksiyalariga teskari yo‘nalishda hosil qilishlari mumkin. Bu yo‘l bijg‘ish jarayoni bo‘lib, unda izositrat oksidlanganda hosil bo‘lgan NADH oksaloatsetatni suksinatgacha qaytarish orqali NAD⁺ga aylantiriladi.

o‘simliklarda, ayrim umurtqasizlarda va ayrim mikroorganizmlarda (masalan, achitqi zamburug‘lari va Escherichia coli) atsetil-KoA glioksilat sikli davomida suksinatga aylanadi. Bu sikl trikarbon kislotalar sikli bilan chambarchas bog‘liq. Glioksilat siklining umumiy tenglamasi quyidagicha:

2 atsetil-KoA + NAD⁺ + 2H₂O → suksinat + 2KoA + NADH + H⁺

Hosil bo‘ladigan suksinat keyinchalik biosintetik jarayonlarda ishtirok etadi. O‘simliklarda glioksilat sikli maxsus organoidlarda — glioksisomalarda.

Ayrim bakteriyalar teskari trikarbon kislotalar siklini amalga oshira oladi. Bu jarayonda trikarbon kislotalar sikli reaksiyalari teskari yo‘nalishda kechadi. Oddiy siklda uglerod atomlari atsetil-KoA ko‘rinishida kirib, keyin CO₂gacha oksidlanadi; teskari siklda esa, aksincha, atsetil-KoA ajraladi. Jarayon elektron donorlarini talab qiladi, bakteriyalar buning uchun vodorod, sulfidlar yoki tiosulfatlardan foydalanadi. Teskari siklning oddiy sikldagi tegishli fermentlaridan farq qiladigan fermentlari ATF-sitratliaza^[ingl.], 2-oksoglutarat:ferredoksinoksidoreduktaza, piruvatsintaza^[ingl.] hisoblanadi. Teskari trikarbon kislotalar sikli fotosintezga muqobil bo‘lgan uglevodlar hosil qilish yo‘li sanaladi.

Trikarbon kislotalar sikli atsetil guruhlarini oksidlashning umumiy yo‘li bo‘lib, tirik organizmlarning deyarli barcha metabolik yo‘llari oxir-oqibat unga tutashadi. U atsetatni eng qisqa yo‘l bilan CO₂ gacha oksidlamaydi. Ammo tabiiy tanlanish davomida aynan shu yo‘l eng katta ustunliklarga ega bo‘lib chiqqan. Dastlabki anaeroblar trikarbon kislotalar siklining ayrim reaksiyalaridan chiziqli biosintetik jarayonlarda foydalangan bo‘lishi mumkin. Haqiqatan, ayrim hozirgi anaerob mikroorganizmlar to‘liq bo‘lmagan sikldan energiya emas, balki biosintez uchun dastlabki moddalar olishda foydalanadi (batafsil Modifikatsiyalar bo‘limiga qarang). Sianobakteriyalarning O₂ ni suvdan ajratishi bilan Yer atmosferasi aeroblashib bordi va tabiiy tanlanish jarayonida organizmlarda anaerob bijg‘ishdan ancha samarali bo‘lgan aerob metabolizm rivojlangan.

Trikarbon kislotalar sikli kabi metabolik yo‘llarning boshqarilish mexanizmlari buzilsa, jiddiy kasalliklar rivojlanishi mumkin. Sikl fermentlari doimiy faol genlar orqali kodlanadi. Ushbu genlarning funksional nusxalari bo‘lmasligi siklning to‘qimalarga xos xususiyatlari bilan bog‘liq bo‘lishi mumkin. Odamlarda mutatsiyalar — sikl fermentlari genlariga ta’sir qiluvchi o‘zgarishlar — juda kam uchraydi, biroq yuz bersa, og‘ir oqibatlarga olib keladi.

Fumaraza genidagi nuqsonlar silliq mushak o‘smalari (leyomiomalar) va buyrak o‘smalariga sabab bo‘ladi; suksinatdegidrogenaza genidagi mutatsiyalar esa saratonni buyrak usti bezida (feoxromotsitoma) shaklida keltirib chiqaradi. Hujayra kulturalarida bunday mutatsiyalar fumaratning (fumaraza mutatsiyasida) va kamroq darajada suksinatning (suksinatdegidrogenaza mutatsiyasida) to‘planishiga olib keladi. Bu to‘planish transkripsiya omilini HIF-1α faollashtiradi. Ushbu omil gipoksiya ta’sirida induksiyalanadi. Saraton rivojlanishi soxta gipoksiya holatining oqibati bo‘lishi mumkin. Bunday mutatsiyali hujayralarda genlar ekspressiyasi ortadi; odatda bu genlar HIF-1α tomonidan boshqariladi. Fumaraza va suksinatdegidrogenaza genlari mutatsiyalarining bunday oqibatlari ularni o‘sma supressorlari qatoriga kiritish imkonini beradi.

Fumaraza nuqsonlari bilan nerv tizimi faoliyatidagi buzilishlar o‘rtasida bog‘liqlik aniqlangan.

α-ketoglutaratdegidrogenaza faolligini o‘zgartiruvchi mutatsiyalar siydikda aminokislotalar parchalanish mahsulotlari to‘planishiga sabab bo‘ladi va natijada siydikdan zarang siropining hidi keladi. Bu kasallik leysinoz (ingl. Maple syrup urine disease).

Trikarbon kislotalar siklining bir qancha birikmalari va reaksiyalarini 1930-yilda Albert Sent-Dyordi kashf etgan; jumladan, u siklning muhim tarkibiy qismi bo‘lgan fumarat rolini aniqlagan. Kashfiyotlari uchun Sent-Dyordi 1937-yilda fiziologiya yoki tibbiyot bo‘yicha Nobel mukofotiga sazovor bo‘lgan. Reaksiyalar va ularda hosil bo‘ladigan birikmalarning to‘liq ketma-ketligini 1937-yilda Hans Adolf Krebs aniqlagan. Buning uchun 1953-yilda u F. Lipman bilan birga Nobel mukofotini olgan (siklning bir nomi uning sharafiga qo‘yilgan). 1948-yilda E. Kennedi va Albert Leninger eukariotlarda siklning barcha reaksiyalari mitoxondriyalarda kechishini aniqlagan.

Taxminan 60 yil oldin uglerodning og‘ir izotopi ¹³C va radioaktiv izotoplar ¹¹C hamda ¹⁴C foydalanish uchun mavjud bo‘lgach, ular trikarbon kislotalar siklida uglerod atomlarining yo‘lini kuzatishda qo‘llanildi. Tajribalardan biri kutilmagan natija berdi. Gidroksil guruhi bo‘yicha nishonlangan atsetat nishonlanmagan oksaloatsetat bilan biriktirilib, nishonlangan sitrat hosil qilindi. Sitrat simmetrik molekula bo‘lgani uchun u α-ketoglutaratga aylanganda uglerodning turli atomlari bo‘yicha nishonlangan molekulalar paydo bo‘lishi taxmin qilingan. Ammo hujayralardan α-ketoglutarat molekulalarining faqat bir «turi» ajratib olingan. Tadqiqotchilar sitrat yoki boshqa simmetrik molekulalar atsetatdan α-ketoglutaratgacha bo‘lgan yo‘lda oraliq birikma bo‘la olmaydi, degan xulosaga kelishgan. Ular atsetat va oksaloatsetat kondensatsiyasida nosimmetrik trikarbon kislota, masalan, sis-akonitat yoki izositrat hosil bo‘ladi deb taxmin qilishgan. 1948-yilda Aleksandr Ogston sitratning proxiralligini (molekulada xiral markaz bo‘lmagan holda assimetrik reaksiyalarga moyilligini) aniqladi. Shu tariqa tajriba natijalarini tushuntirib, siklning dastlabki bosqichida aynan sitrat hosil bo‘lishini tasdiqladi.

Krebs siklida qatnashadigan kislotalarni osonroq eslab qolish uchun quyidagi mnemonik ibora:

«Sokin Sayyoh Ilmli Akasiga Sifatli Somsa, Fanta, Manti Oldi». Bu quyidagi ketma-ketlikka mos keladi: sitrat, sis-akonitat, izositrat, alfa-ketoglutarat, suksinil-KoA, suksinat, fumarat, malat, oksaloatsetat.

Quyidagi mnemonik she’r ham mavjud (uning muallifi biokimyo kafedrasi assistenti KDMU E. V. Parshkova):

Cho‘rtanga atsetilni limon tutdi,

Ammo narsissakonitdan qo‘rqdi,

U esa uning ustidan izolimoncha

alfa-ketoglutarib kuldi.

Suksinilga aylandi koferment bilan,

Qahraboday fumarga aylandi,

Olmani qish uchun asradi,

Yana cho‘rtan bo‘lib qaytdi.

(oksalosirka kislotasi, limon kislotasi, sis-akonit kislotasi, izolimon kislotasi, α-ketoglutar kislotasi, suksinil-KoA, qahrabo kislotasi, fumar kislotasi, olma kislotasi, oksalosirka kislotasi).

She’rning boshqa varianti:

Cho‘rtan atsetatni yedi,

natijada sitrat hosil bo‘ldi,

dastlab sis-akonitat orqali

u izositrat bo‘ladi.

Vodorodlarini NADga beradi,

so‘ng CO₂

ni yo‘qotadi va bundan juda quvonadi,

hosil bo‘ladi alfa-ketoglutarat.

Yana oksidlanish boshlanadi, :

NAD vodorodni olib ketadi.

B1 va lipoat

koferment A bilan shoshadi,

CO_2,

ni ajratib olib,

suksinilda energiya paydo bo‘lgach,

darhol GTF hosil bo‘ladi,

suksinat qoladi.

U FADga yetib keladi,

FADga vodorodlar kerak.

Vodorodlarni yo‘qotib,

u fumaratga aylanadi.

Fumarat suvni yutadi,

va malatga aylanadi.

So‘ng NAD malatga keladi,

vodorodlarni qabul qiladi.

Cho‘rtan yana paydo bo‘ladi,

va sekingina yashirinadi,

atsetatni poylash uchun…

• Devid E. Metsler. Biokimyo: tirik hujayralarning kimyoviy reaksiyalari. — 2-nashr. — Academic Press, 2003. — J. 2. — 1973 bet. — ISBN 978-0-1249-2541-0.
• Devid L. Nelson, Maykl M. Koks. Leninger Biokimyo asoslari. — Beshinchi nashr. — Nyu-York: W. H. Freeman and Company, 2008. — 1158 bet. — ISBN 978-0-7167-7108-1.
• Kempbell N. A., Ris J. B., Erri L. A. va boshq. Biologiya. 9-nashr. — Benjamin Cummings, 2011. — 1263 bet. — ISBN 978-0-321-55823-7.
• Kolman Ya., Ryom K.-G. Ko‘rgazmali biokimyo. — 4-nashr. — M.: BINOM. Bilimlar laboratoriyasi, 2012. — 469 bet. — ISBN 978-5-9963-0620-6.
• Mashqlar va masalalar bilan biologik kimyo / S. E. Severin tahriri ostida. — M.: GEOTAR-Media nashriyot guruhi, 2011. — 624 bet.
• Netrusov A. I., Kotova I. B. Mikrobiologiya. — 4-nashr, qayta ishlangan va to‘ldirilgan. — M.: «Akademiya» nashriyot markazi, 2012. — 384 bet. — ISBN 978-5-7695-7979-0.

• Trikarbon kislotalar sikli (ingl.)
• Krebs sikli (videoma’ruza)