چرخه کربس (چرخه اسید سیتریک) چیست؟

چرخه کربس (Krebs Cycle) یا چرخه اسید سیتریک (Citric Acid Cycle) مجموعه‌ای از واکنش‌ها است که در آن دو مولکول دی اکسید کربن، یک مولکول GTP/ATP و فرم‌های کاهش یافته از مولکول‌های NADH و FADH تولید می‌شوند.

قندها در داخل بدن طی واکنشهایی به انرژی و مواد دیگر تبدیل می‌شوند. چرخه کربس یکی از مراحل تخریب قندها است که طی آن پیرووات حاصل از گلیکولیزبه انرژی تبدیل می‌شود. پیرووات طی یک سری واکنشهای منظم اکسید شده به استیل تبدیل می‌شود. استیل حاصل با کوآنزیم A ترکیب شده استیل کوآنزیم A را می‌سازد که در ماتریکس میتوکندری به ترکیبات ساده‌تر مبدل می‌گردد.

کربس در سال ۱۹۱۰ مشخص کرد که مکانیسم تبدیل پیرووات به ترکیبات ساده‌تر طی یک سری واکنشهای چرخه‌ای صورت می‌گیرد این چرخه به نام چرخه کربس معروف است. کربس این چرخه را چرخه تری‌کربوکسیلیک اسید (TCA) نامید.

چرخه کربس چیست؟

مانند تبدیل پیروات به استیل کوآنزیم A، چرخه اسید سیتریک نیز در ماتریکس میتوکندری انجام می‌شود. تقریبا تمام آنزیم‌های چرخه اسید سیتریک محلول در ماتریکس هستند، در این میان فقط آنزیم سوکسینات دهیدروژناز به عنوان یک استثنا است که درون غشای داخلی میتوکندری قرار دارد.

چرخه کربس، به عنوان یک مسیر هوازی شناخته می‌شود زیرا دو مولکول تولید شده در این چرخه NADH و FADH2 باید الکترون‌های خود را به مسیر بعدی در این سیستم انتقال دهند که همین امر نیازمند استفاده از اکسیژن است.

اگر این انتقال صورت نگیرد، مراحل اکسیداسیون از چرخه اسید سیتریک نیز اتفاق نمی‌افتد. به این نکته نیز باید توجه کرد که واکنش‌های این چرخه تعداد بسیار کمی ‌ATP به صورت مستقیم تولید می‌کنند و همچنین اکسیژن را به صورت مستقیم مصرف نمی‌کنند.

مراحل چرخه کربس

در طی چرخه کربس چهار مرحله اکسایش انجام می‌گیرد که منجر به خروج دو مولکول CO2 از باقیمانده پیکر قند ، یعنی استیل کوآنزیم A و آزاد شدن مثبت اتم هیدروژن و بالاخره تشکیل مجدد اسید اگزالواستیک می‌گردد و این چرخه هشت مرحله دارد که عبارتند از:

مرحله اول

واکنشی است که بوسیله آنزیم سیترات سنتتاز کاتالیز می‌شود. در این مرحله ، استیل کوآنزیم A با اگزالواستات که ترکیبی چهار کربنی است ترکیب می‌شود و تشکیل سیترات با شش اتم کربن می‌دهد.

مرحله دوم

سیترات حاصل تحت اثر آنزیم آکونیتاز به ایزوسیترات تبدیل می‌شود. برای ایجاد فرآورده واکنش باید از یک واکنش واسطه بگذرد بدین معنی که ابتدا سیترات با از دست دادن یک مولکول آب به سیس آکونیتات تبدیل می‌شود و پس این ترکیب با پذیرش یک مولکول آب ، ایزوسیترات می‌سازد.

مرحله سوم

ایزوسیترات حاصل تحت اثر آنزیم ایزوسیترات دهیدروژناز ، دو هیدروژن متصل به C-5 را از دست می‌دهد و به شکل کتو درمی‌آید. همچنین گروه کربوکسیل (C-3) را نیز به صورت CO2 آزاد ساخته و آلفاکتوگلوتارات تولید می‌کند. این واکنش در واقع نخستین واکنش از چرخه است که طی آن CO2 ساخته می‌شود.

مرحله چهارم

کمپلکس آنزیمی آلفاکتوگلوتارات دهیدروژناز ، یک مولکول CO2 از آلفاکتوگلوتارات برمی‌دارد و با اتصال کوآنزیم A به آن سوکسینیل کوآنزیم A می سازد. در این واکنش ، NAD به عنوان کوآنزیم شرکت می‌کند. این مرحله دومین مرحله از ساخته شدن CO2 طی چرخه کربس است.

مرحله پنجم

مرحله بعد تبدیل سوکسینیل کوآنزیم A به سوکسینات است که بوسیله آنزیم سوکسینیل کوآنزیم A سنتتاز کاتالیز می‌شود. اهمیت این واکنش در ایجاد ترکیب پر انرژی در شکل GTP است. پیوند تیواستر موجود در سوکسینیل کوآنزیم A بر اثر آبکافت با آزادسازی کوآنزیم A مقداری انرژی آزاد می‌کند که برای سنتز GTP مورد استفاده قرار می‌گیرد. GTP سریعا فسفات خود را به ADP می‌دهد و ATP می‌سازد.

مرحله ششم

در مرحله بعد سوکسینات حاصل تحت تاثیر کوآنزیم FAD دو پروتون از دست می‌دهد و به فومارات تبدیل می‌شود. آنزیم سوکسینات دهیدروژناز واکنش را کاتالیز می‌کند.

مرحله هفتم

با اضافه شدن مولکول آب به محل پیوند دو گانه که بوسیله آنزیم فوماراز کاتالیز می‌شود L- مالات ایجاد می‌گردد.

مرحله هشتم

در مرحله آخر آنزیم حالات دهیدروژناز دو هیدروژن از حالات برمی‌دارد و آن را به اگزالواستات تبدیل می‌کند و بدین سان چرخه TCA کامل می‌گردد.

از هر بار انجام چرخه کربس محصولات زیر تولید می‌شوند:

یک مولکول گوانوزین تری فسفات GTP
۳ مولکول NADH
۱ مولکول FADH2
۲ مولکول دی اکسید کربن
باز تولید اگزالواستات

تجزیه پیروات

پس از گلیکولیز، محصول آن یعنی پیروات برای ورود به چرخه اسید سیتریک به استیل CoA تبدیل می‌شود. در واقع برای اینکه پیروات بتواند وارد مسیرهای واکنشی بعدی شود، باید چندین تغییر را متحمل شود تا به استیل کوآنزیم A (استیل CoA) تبدیل شود. استیل CoA مولکولی است که اغلب به اگزالواستات تبدیل می‌شود که وارد چرخه اسید سیتریک می‌شود.

نکات کلیدی چرخه اسید سیتریک

مولکول چهار کربنی اگزالواستات چرخه اسید سیتریک را شروع می‌کند، پس از هشت مرحله از چرخه، در مرحله آخر دوباره تولید و بازسازی می‌شود.
هشت مرحله از چرخه اسید سیتریک مجموعه‌ای از واکنش‌های ردوکس یا اکسیداسیون و احیا، دهیدراتاسیون، هیدراتاسیون و دکربوکسیلاسیون است.
در هر دور از چرخه یک GTP یا ATP و همچنین سه مولکول NADH و یک مولکول FADH2 تشکیل می‌شود که در مراحل بعدی تنفس سلولی برای تولید ATP برای سلول استفاده می‌شود.
در تبدیل پیروات به استیل CoA، هر مولکول پیروات با آزاد کردن دی اکسید کربن یک اتم کربن را از دست می‌دهد.
در طی تجزیه پیروات، الکترون‌ها برای تولید NADH به +NAD منتقل می‌شوند که از آن توسط سلول برای تولید ATP استفاده می‌شود.
در مرحله آخر تجزیه پیروات، یک گروه استیل به کوآنزیم A برای تولید استیل کوآنزیم A منتقل می‌شود.
چرخه کربس مجموعه‌ای از واکنش‌های شیمیایی است که توسط تمام ارگانیسم‌های هوازی مورد استفاده قرار می‌گیرد تا از طریق اکسیداسیون استات حاصل از کربوهیدرات‌ها، چربی‌ها و پروتئین‌ها به دی اکسید کربن، انرژی تولید کند.

از لحاظ تئوری مسیرهای جایگزین مختلفی برای چرخه کربس وجود دارند، اما به نظر می‌رسد چرخه کربس از همه آن‌ها کارآمدتر است.
چرخه اسید سیتریک، استات (به صورت استیل CoA) و آب را مصرف می‌کند و باعث احیا +NAD به NADH و تولید دی اکسید کربن می‌شود.

اصطلاحات اساسی چرخه اسید سیتریک

چرخه اسید سیتریک

یک سری از واکنش‌های شیمیایی که توسط تمام ارگانیسم‌های هوازی برای تولید انرژی از طریق اکسیداسیون استات حاصل از کربوهیدرات‌ها، چربی‌ها و پروتئین‌ها به دی اکسید کربن استفاده می‌شوند.

میتوکندری

در زیست شناسی سلولی، میتوکندری یک اندامک محصور در غشا است که غالباً به عنوان «نیروگاه‌های سلولی» توصیف می‌شوند، زیرا اغلب در این اندامک‌ها ATP تولید می‌شود.

استیل کوآنزیم A

مولکولی که اتم‌های کربن را از گلیکولیز (به شکل پیروات) به چرخه اسید سیتریک منتقل می‌کند تا برای تولید انرژی اکسید شود، استیل کوآنزیم آ نام دارد. استیل کوآنزیم A یا استیل-CoA یک مولکول مهم در متابولیسم است که در بسیاری از واکنش‌های بیوشیمیایی مورد استفاده قرار می‌گیرد. عملکرد اصلی آن انتقال اتم‌های کربن در گروه استیل به چرخه اسید سیتریک (چرخه کربس) است.

گلیکولیز

فرایندی است که طی آن قند ساده گلوکز برای تولید اسید پیرویک و ATP به عنوان منبع انرژی به صورت سلولی مورد تجزیه قرار می‌گیرد.

نیکوتین آمید آدنین دی‌نوکلئوتید یا NADH

این مولکول یک حامل انرژی است که الکترون‌های پر انرژی را به زنجیره انتقال الکترون منتقل می‌کند. زنجیره انتقال الکترون جایی است که ۲ تا ۳ مولکول پر انرژی ATP در آن تولید می‌شود. زمانی که این حامل الکترونی، الکترون‌های پرانرژی را حمل نمی‌کند به این معنی است که این مولکول اکسید شده و الکترون‌های خود را از دست داده است و به شکل مولکولی با بار مثبت به نام +NAD در می‌آید.

فلاوین آدنین دی نوکلئوتید یا FADH2

این مولکول یکی دیگر از حامل‌های انرژی است که الکترون‌هایی با انرژی بالا را به زنجیره انتقال الکترون ارسال می‌کند. ورود هر مولکول FADH2 در انتهای زنجیره انتقال الکترون موجب تولید یک تا دو مولکول ATP می‌شود. مانند NADH، زمانی که مولکول فلاوین آدنین دی نوکلئوتید اکسید شود و الکترون‌های خود را از دست بدهد به شکل FAD در می‌آید.