چرخه کربس چیست؟ – به زبان ساده

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.

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.

برخلاف گلیکولیز، چرخه اسید سیتریک از یک لوپ یا حلقه بسته تشکیل شده است، محصولی که در مرحله انتهایی چرخه تولید می‌شود، در مرحله اول چرخه مورد استفاده قرار می‌گیرد. هشت مرحله از چرخه کربس از مجموعه‌ای از واکنش‌های ردوکس، دهیدروژناز، هیدراتاسیون و دکربوکسیلاسیون تشکیل شده‌اند که دو مولکول دی اکسید کربن، یک مولکول GTP یا ATP و فرم کاهش یافته از مولکول‌های NADH و FADH₂ را تولید می‌کنند. 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 اسید سیتریک

مرحله اول: اولین مرحله از این چرخه، مرحله تراکمی است که در آن دو گروه کربن استیل (به دست آمده از استیل کوآنزیم A) با مولکول «اگزالواستات» (oxaloacetate) چهار کربنی ترکیب می‌شوند و مولکول شش کربنی «سیترات» را تشکیل می‌دهند. کوآنزیم A به گروه سولفوهیدریل متصل می‌شود و برای ترکیب با گروه دیگری از استیل از چرخه خارج می‌شود. این مرحله برگشت ناپذیر است زیرا مرحله‌ای است که به شدت انرژی تولید می‌کند.

فیلم آموزش بیوشیمی عمومی – جامع و به زبان ساده در فرادرس

کلیک کنید

نرخ انجام این واکنش به وسیله بازخورد منفی و میزان ATP در دسترس کنترل می‌شود. اگر میزان ATP افزایش یابد، میزان انجام این واکنش کاهش می‌یابد و چنانچه ذخایر مولکول ATP رو به کاهش باشد، میزان انجام این واکنش زیاد می‌شود.

مرحله دوم: در مرحله دوم سیترات تولید شده در مرحله قبل یک مولکول آب از دست می‌دهد و یک مولکول آب دیگر در بخش دیگر ساختار خود به دست می‌آورد که در این حالت به یک ایزومر از مولکول سیترات تبدیل می‌شود که به آن «ایزوسیترات» می‌گویند.

مرحله سوم و چهارم: در مرحله سوم، ایزوسیترات مورد اکسیداسیون قرار می‌گیرد و یک مولکول ۵ کربنی به نام «آلفا - کتوگلوتارات» به همراه یک مولکول دی اکسید کربن و دو الکترون ایجاد می‌شود. این دو الکترون موجب کاهش +NAD به NADH می‌شوند. این مرحله همچنین با بازخورد منفی از مولکول ATP و NADH تنظیم و با بازخورد مثبت از طرف مولکول ADP کنترل می‌شود. مراحل سوم و چهارم هر دو از جمله مراحل اکسیداسیون و دکربوکسیلاسیون چرخه کربس به شمار می‌آیند که در آن‌ها الکترون‌ها آزاد می‌شوند که خود موجب کاهش +NAD به NADH و آزاد کردن گروه‌های کربوکسیل به شکل مولکول‌های دی اکسید کربن می‌شوند. آلفا - کتوگلوتارات محصول مرحله سوم چرخه است و در مرحله چهارم یک گروه سوکسینیل تولید می‌شود. در واقع در مرحله چهارم، کوآنزیم A برای تشکیل سوکسینیل کوآنزیم A به گروه سوکسینیل متصل می‌شود. آنزیمی که مرحله چهارم را کاتالیز می‌کند با بازخورد مهاری ATP، سوکسینیل کوآنزیم A و NADH تنظیم می‌شود.

مرحله پنجم: در این مرحله یک گروه فسفات جایگزین کوآنزیم A شده و یک پیوند پرانرژی تشکیل می‌شود. این انرژی در فسفوریلاسیون (در حین تبدیل گروه سوکسینیل به سوکسینات) استفاده می‌شود تا یکی از مولکو‌ل‌های ATP یا GTP تشکیل شود. دو فرم از آنزیم که به آن‌ها ایزوآنزیم نیز می‌گویند برای این مرحله وجود دارند که بسته به نوع بافت حیوانی که در آن واکنش‌های این مرحله انجام می‌شود، این آنزیم متفاوت است. یک شکل از این آنزیم در بافت‌هایی وجود دارد که نیاز به مقادیر زیادی ATP دارند، این بافت‌ها شامل عضله قلب و ماهیچه‌های اسکلتی هستند. این فرم از آنزیم، ATP تولید می‌کند. فرم دوم آنزیم در بافت‌هایی یافت می‌شود که تعداد زیادی مسیر آنابولیک مانند کبد دارند. این فرم از آنزیم، GTP تولید می‌کند. GTP از نظر انرژی معادل ATP است. با این حال، استفاده از آن محدودتر است. به طور خاص، در سنتز پروتئین در درجه اول از GTP استفاده می‌شود.

مرحله ششم: در این مرحله فرآیند دهیدراتاسیون انجام می‌شود كه طی آن سوكسینات به فومارات تبدیل می‌شود. در مرحله ششم چرخه دو اتم هیدروژن به FAD منتقل می‌شوند و آن را به FADH₂ تبدیل می‌کند. انرژی موجود در الکترون‌های این اتم‌ها برای کاهش +NAD کافی نیست اما این انرژی برای کاهش FAD مناسب است. بر خلاف NADH، این حامل به آنزیم متصل است و الکترون‌ها را مستقیماً به زنجیره انتقال الکترون منتقل می‌کند. این فرآیند با توجه به محل قرارگیری آنزیمی‌ که این مرحله را در درون غشای داخلی میتوکندری انجام می‌دهد، امکان پذیر است.

مرحله هفتم: آب در مرحله هفتم به فومارات اضافه می‌شود و آن را تبدیل به مالات می‌کند.

• مرحله هشتم: آخرین مرحله در چرخه اسید سیتریک با اکسیداسیون مالات و احیای اگزالواستات انجام می‌شود. در این مرحله مولکول دیگری از NADH تولید می‌شود.

محصولات چرخه اسید سیتریک

دو اتم کربن از هر گروه استیل وارد چرخه اسید سیتریک می‌شود که نماینده چهار اتم از شش اتم کربن یک مولکول گلوکز هستند. دو مولکول دی اکسید کربن در هر دور از چرخه کربس آزاد می‌شوند. با این حال، این‌ها لزوماً حاوی جدیدترین اتم‌های کربنی نیستند که اخیراً اضافه شده‌اند. دو اتم کربن گروه‌های استیل سرانجام در دورهای بعدی چرخه آزاد می‌شوند. بنابراین، هر شش اتم کربن حاصل از مولکول اولیه گلوکز سرانجام در قالب دی اکسید کربن گنجانده می‌شوند. هر دور از چرخه کربس سه مولکول NADH و یک مولکول FADH₂ را تشکیل می‌دهد. این حامل‌ها با آخرین قسمت تنفس هوازی برای تولید مولکول‌های ATP متصل می‌شوند. یک GTP یا ATP نیز در هر چرخه ساخته می‌شود. چندین ترکیب از ترکیبات واسطه در چرخه اسید سیتریک می‌تواند در ترکیب اسید‌های آمینه غیرضروری مورد استفاده قرار گیرند. بنابراین، چرخه دو جهته کار می‌کند به این معنا که در هر دو مسیر کاتابولیکی و آنابولیکی عمل می‌کند.

لیست محصولات چرخه کربس

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. تبدیل پیروات به استیل CoA یک فرایند سه مرحله‌ای است که در ادامه به معرفی هر یک از آن‌ها می‌پردازیم:

مرحله 1: یک گروه کربوکسیل از پیروات خارج می‌شود و یک مولکول دی اکسید کربن را در محیط اطراف آزاد می‌کند. دی اکسید کربن از یک کربن تشکیل شده است که به دو اتم اکسیژن متصل می‌شود و یکی از محصولات اصلی تنفس سلولی است. نتیجه این مرحله یک گروه هیدروکسی اتیل دو کربنی است که به آنزیم پیروات دهیدروژناز متصل شده است. دی اکسید کربن از دست رفته اولین کربن از شش کربن موجود در مولکول اصلی گلوکز است که از آن مولکول خارج می‌شود. این مرحله دو بار برای هر مولکول گلوکز متابولیزه پیش می‌رود. به یاد داشته باشید، دو مولکول پیروات در انتهای گلیکولیز تولید می‌شوند. بنابراین، در پایان مرحله اول دو اتم کربن از شش کربن مولکول گلوکز حذف خواهد شد.

فیلم گلیکولیز چیست؟ + مراحل قندکافت در تجزیه گلوکز برای استخراج انرژی (آموزش رایگان) در فرادرس

کلیک کنید

مرحله 2: گروه هیدروکسی اتیل به یک گروه استیل اکسید می‌شود و الکترون‌های حاصل از این واکنش توسط +NAD جمع‌آوری شده و NADH تشکیل می‌شود (فرم کاهش یافته +NAD). الکترون‌های پر انرژی موجود در NADH بعدها توسط سلول برای تولید ATP به منظور ذخیره انرژی استفاده می‌شوند.

مرحله 3: گروه استیل متصل به آنزیم به کوآنزیم A منتقل می‌شود و مولکول استیل کوآنزیم A را تولید می‌کند. این مولکول استیل کوآنزیم A سپس متحمل تغییرات بیشتری می‌شود تا در مسیر بعدی متابولیسم، چرخه اسید سیتریک استفاده شود.

استیل کوآنزیم A و چرخه اسید سیتریک

چرخه اسید سیتریک یکی از بخش‌های کلیدی مسیر متابولیکی است که تمام ارگانیسم‌های هوازی برای تولید انرژی از آن استفاده می‌کنند. چرخه‌ای که در تصویر چرخه اسید سیتریک نشان داده شده است به عنوان چرخه تری کربوکسیلیک اسید (TCA cycle) یا چرخه کربس نیز شناخته می‌شود، در واقع از مجموعه‌ای از واکنش‌های شیمیایی تشکیل شده است که توسط تمام جانداران هوازی برای تولید انرژی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این انرژی در طول اکسیداسیون استات به دی اکسید کربن حاصل از کربوهیدرات، چربی و پروتئين‌ها ایجاد می‌شود. این چرخه محصولاتی تولید می‌کند که به عنوان پیش‌سازهایی برای تشکیل برخی از اسیدهای آمینه به کار می‌روند و همچنین عامل کاهنده NADH را تولید می‌کنند که در بسیاری از واکنش‌های بیوشیمیایی بدن مورد استفاده قرار می‌گیرد. اهمیت اصلی مولکول NADH یا نیکوتین آدنین دی نوکلئوتید در بسیاری از مسیر‌های بیوشیمیایی نشان می‌دهد که این مولکول یکی از اولین مؤلفه‌های تعیین شده متابولیسم سلولی بوده است و ممکن است منشا غیر بیولوژیکی داشته باشد.

نام این مسیر متابولیکی از اسید سیتریک، (نوعی اسید تری کربوکسیلیک) گرفته شده است که در ابتدا واکنش‌های چرخه کربس مصرف می‌شود و سپس با استفاده از واکنش‌های متوالی در انتهای چرخه بازسازی می‌شود.

این چرخه، استات (به صورت استیل CoA) و آب را مصرف می‌کند، باعث کاهش +NAD به NADH می‌شود و دی اکسید کربن تولید می‌کند. NADH حاصل از چرخه اسید سیتریک در مسیر فسفوریلاسیون اکسیداتیو تغذیه می‌شود. نتیجه خالص این دو مسیر نزدیک به هم، اکسیداسیون مواد مغذی برای تولید انرژی قابل استفاده در قالب ATP است.

اجزای چرخه کربس از باکتری‌های بی هوازی بدست آمده است و ممکن است خود چرخه کربس بیش از یک بار تکامل یافته باشد. از لحاظ تئوری جایگزین‌های مختلفی برای چرخه کربس وجود دارد، اما به نظر می‌رسد این چرخه بسیار کارآمد است. اگر چندین مسیر جایگزین به طور مستقل تکامل یافته باشند، در طول تکامل همه آن‌ها به سرعت با چرخه کربس همگرا شده‌اند.

چرخه اسید سیتریک یک جز اصلی مسیر متابولیکی است که توسط آن تمام موجودات هوازی انرژی تولید می‌کنند. از طریق کاتابولیسم قند‌ها، چربی‌ها و پروتئین‌ها، دو اتم کربن آلی مولکول استات به شکل استیل CoA تولید می‌شود. استیل کوآنزیم A به همراه دو مولکول آب (H₂O) توسط چرخه اسید سیتریک مصرف می‌شود و در طی این چرخه دو مولکول دی اکسید کربن (CO₂) و یک مولکول استیل کوآنزیم A تولید می‌شود.

علاوه بر این، یک دور کامل چرخه، سه مولکول نیکوتین آمید آدنین دی‌نوکلئوتید (+NAD) را به سه مولکول کاهش یافته +NAD یعنی NADH ، یک مولکول یوبی‌کینون (Q) به یک فرم کاهش یافته یوبی‌کینون (QH₂) و یک مولکول از گوانوزین دی فسفات و فسفات غیرآلی (Pi) را به یک مولکول گوانوزین تری فسفات (GTP) تبدیل می‌کند. NADH و QH₂ که توسط چرخه اسید سیتریک تولید می‌شوند، توسط مسیر فسفوریلاسیون اکسیداتیو برای تولید آنوزین تری فسفات غنی از انرژی (ATP) مورد استفاده قرار می‌گیرد.

یکی از منابع اصلی استیل کوآنزیم A قند‌هایی است که توسط گلیکولیز تجزیه می‌شود تا پیروات تولید کند که به نوبه خود توسط آنزیم پیروات دهیدروژناز تجزیه می‌شوند. مولکول استیل-CoA مطابق با طرح واکنش زیر تولید می‌شود:

CH₃C (= O) C (= O) O^-  + HSCoA + NAD+ → CH₃C (= O) SCoA + NADH + H⁺ + CO₂

در این واکنش ترکیب اول پیروات به همراه کوآنزیم A و +NAD موجب تشکیل استیل کوآنزیم A و NADH به همراه دی اکسید کربن می‌شود. محصول این واکنش، استیل CoA، نقطه شروع چرخه اسید سیتریک است.

سوخت چرخه اسید سیتریک

این نکته حائز اهمیت است که چه ترکیباتی در رژيم غذایی باید وجود داشته باشند که به عنوان سوخت برای چرخه اسید سیتریک مورد استفاده قرار بگیرند. بدن ما قادر به گوارش غذا و تجزیه ترکیبات پیچیده‌ای از کربوهیدرات‌ها، پروتئين‌ها و چربی‌ها است و از این ترکیبات برای انرژی مورد نیاز برای انجام چرخه کربس استفاده می‌شود.

فیلم آموزش زیست شناسی سلولی Cell Biology در فرادرس

کلیک کنید

کربوهیدرات‌ها می‌توانند به صورت گلوکز شکسته شوند. گلوکز مولکولی است که وارد فرایند گلیکولیز می‌شود. به همین ترتیب، پروتئین‌ها هم می‌توانند به بخش‌های سازنده اولیه خود برای تشکیل استیل کوآنزیم A تجزیه شوند و استیل کوآنزیم A مولکولی است که وارد چرخه اسید سیتریک می‌شود.

ترکیبات بسیاری از چربی‌ها نیز می‌توانند به استیل کوانزیم A یا گلوکز تبدیل شوند و به این صورت می‌توانند وارد چرخه کربس شوند. در حالت کلی تمام مواد غذایی که مصرف می‌کنیم می‌توانند در نهایت وارد چرخه کربس شوند.

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.

چرخه کربس: مجموعه‌ای از واکنش‌های آنزیمی‌که در تمام موجودات هوازی رخ می‌دهد. این چرخه متابولیسم اکسیداتیو واحد‌های استیل را شامل می‌شود و منبع اصلی انرژی سلولی است. نام دیگر چرخه اسید سیتریک، چرخه کربس است.

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.

آدنوزین تری فسفات یا ATP: نوع رایج انرژی در سلول ATP است. این مولکول یک شکل قابل استفاده انرژی برای سلول‌ها به شمار می‌آید.

گوانوزین تری فسفات یا GTP: مانند ATP این مولکول نیز یکی از شکل‌های ذخیره انرژی در سلول است که به راحتی قابل تبدیل به ATP است و می‌تواند توسط سلول‌ها مورد استفاده قرار گیرد.