چرخه اسید سیتریک (چرخه کربس)

به طور کلی چرخه اسید سیتریک یا چرخه کربس، در مرکز متابولسیم سلولی قرار دارد و نقش مهمی را در تولید انرژی و بیوسنتز ایفا می کند. این چرخه قندشکنی در گلیکولیز را به اتمام رسانده و سوخت لازم برای تولید ATP (آدنوزین تری فسفات) را تامین می کند.  این چرخه یک هسته مرکزی در واکنش های بیوسنتزی است و واسطه هایی را فراهم می کند که برای ساخت اسیدهای آمینه و سایر مولکول ها کاربرد دارد. آنزیم های این چرخه در تمام سلول هایی که از اکسیژن استفاده می کنند و حتی در برخی سلول های دیگر یافت می شوند.

چرخه کربس دارای هشت واکنش است که در این مراحل از یک مولکول کوچک به نام اگزالواستات به عنوان کاتالیزور استفاده می شود. شروع این چرخه با افزودن گروه استیل به اگزالواستات است و پس از هشت مرحله، گروه استیل به طور کامل از هم جدا می شود و مولکول اگزالواستات را برای یک دور دیگر بازیابی می کند.

چرخه اسید سیتریک چیست؟

چرخه اسید سیتریک، چرخه کربس یا چرخه تری کربوکسیلیک اسید انرژی شیمیایی برای تنفس سلولی را فراهم می کند. این چرخه محرک اصلی برای تنفس سلولی به حساب می آید و منبع اصلی انرژی برای سلول ها و تنفس هوازی است. این چرخه مراحل متنوعی دارد که در ادامه آن را بررسی می کنیم.

در این چرخه اکسیژن مصرف و آب و کربن دی اکسید تولید می شود و انرژی مورد نیاز سلول ها ساخته می شود. ترکیبات بسیاری از جمله ویتامین ها در این چرخه نقش موثری دارند. به طور کلی یک مسیر بسته ی حلقه ای است که مراحل آن در سیتوپلاسم انجام می شود. در آخرین بخش این چرخه، مولکول مصرفی در مرحله اول اصلاح می شود.

مراحل چرخه اسید سیتریک:

استیل CoA یک ورودی کربن به چرخه کربس است که می تواند از گلوکز یا اسیدهای چرب مشتق شود. اما بخش قابل توجهی از استیل CoA ،از گلوکز یا به طور دقیق تر از پیروات می آید. کمپلکس پیروات دهیدروژناز PDC تبدیل آنزیمی پیروات به استیل CoA را آسان تر می کند. این مجموعه دارای سه زیر واحد پروتئینی است که در مجموع به پنج کوفاکتور نیاز دارند. به طور کلی کمپلکس پیروات دهیدروژناز یک تنظیم کننده ضروری متابولیسم گلوکز است.

PDC پس از آنکه استیل CoA را سنتز کرد وارد فرایند متابولیکی به نام چرخه اسید سیتریک می شود. چرخه کربس هشت مرحله دارد که هفت مرحله آن در ماتریکس میتوکندری است و یک مرحله با غشای داخلی میتوکندری در ارتباط است. این چرخه باعث اکسیداتیو نهایی گروه های استیل و در نتیجه آزاد شدن دو مولکول کربن دی اکسید به صورت گاز می شود.این چرخه، الکترون هایی را فراهم می کند که فرایند فسفوریلاسیون اکسیداتیو منبع اصلی ATP و انرژی را تامین می کند. گروه استیل شکسته می شود، الکترون ها در NADH ذخیره می شوند و به کمپلکس تحویل داده می شوند. به طور کلی چرخه کربس دارای هشت مرحله است که در ادامه آنها را بررسی می کنیم.

مرحله اول:

چرخه با آنزیم سیترات سنتاز شروع می شود. اولین مرحله از چرخه اسید سیتریک، سنتز سیترات از واکنش تراکمی استیل COA و اگزالواستات است. این واکنش برگشت ناپذیر است؛ در نتیجه شدیدا به تشکیل سیترات کمک می کند. در این مرحله ایزومر سیترات ساخته می شود. دکربوکسیلاسیون اکسیداتیو ایزوسیترات، اولین مرحله از این چرخه است که COA کاهش یافته را تولید می کند. در این مرحله یک کربن دی اکسید آزاد می شود و ماهیت واکنش آن را بازگشت ناپذیر می کند.

در واقع در این مرحله، استیل CoA با یک مولکول پذیرنده ی چهار کربنی با نام اگزالواستات ترکیب و مولکول شش کربنی سیترات را می سازد. این مرحله، یک مرحله ی تراکمی و برگشت ناپذیر است و انرژی زیادی را می سازد.

مرحله دوم:

سیترات تولیدی در مرحله اول، خیلی پایدار است؛ به همین دلیل مرحله دوم یک اتم اکسیژن را حرکت می دهد تا یک مولکول ایزوسیترات واکنش پذیر تر را ایجاد کند. سیترات تولیدی به ایزومر خود یعنی ایزوسیترات تبدیل می شود. در اینجا یک فرایند دو مرحله ای داریم که در ابتدا شامل حذف و سپس افزودن یک مولکول آب است. به همین دلیل این چرخه گاهی به جای هشت مرحله، 9 مرحله ای توصیف می شود.

در این مرحله سیترات یک مولکول آب را از دست می دهد و توسط آلکان واسطه، آب به آن اضافه می شود. ایزومر سیترات تولیدی در این مرحله را ایزوسیترات می نامند.

مرحله ی سوم:

در اینجا ایزومر سیترات یا همان ایزوسیترات اکسید شده و یک مولکول کربن دی اکسید را آزاد می کند. در این مرحله آنزیم کاتالیز کننده در تنظیم سرعت چرخه مهم است. اکسیداسیون ایزوسیترات در اینجا اتفاق می افتد و محصولات آن یک مولکول پنج کربنه آلفا گلوتارات، یک کربن دی اکسید و دو عدد الکترون است.

در واقع در اینجا، ایزوسیترات با مواد واسطه به آلفا کتوگلوتارات تبدیل می شود.

مرحله چهارم:

این مرحله مشابه مرحله سوم است.

مرحله پنجم:

در اینجا گروه فسفات جایگزین کوآنزیم A می شود و به صورت مستقیم ATP را می سازد.

مرحله ششم:

دهیدراتاسیون سوکسینات به فومارات تبدیل می شود. در مرحله ششم یک کمپلکس پروتئینی انجام می شود که در غشای میتوکندری متصل است.

بر طبق وظیفه، این چرخه خود را مستقیما به زنجیر انتقال الکترون مرتبط می کند. 

مرحله هفتم:

در مرحله هفتم، آب به مولکول  فومارات چهار کربنه اضافه می شود و مولکول چهار کربنه ی دیگر را پوشش می دهد که آن را مالات می نامند.

هیدراتاسیون فومارات :

کاتالیزور هیدراتاسیون فومارات به مالات، فوماراز است و این واکنش، واکنشی برگشت پذیر است. واسطه های مورد استفاده در چرخه اسید سیتریک می توانند چرخه سایر ترکیبات را ترک کنند. برای مثال سیترات می تواند به سنتز اسیدهای چرب منحرف شود. همچنین واسطه می توانند در چرخه قرار گیرند تا اطمینان حاصل شود چرخه ادامه دارد. برای مثال در سرتاسر بدن، پیروات می تواند از طریق پیروات کربوکسیلاز وارد چرخه شود.

مرحله هشتم:

اکسیداسیون مالات و احیای اگزالواستات در اینجا اتفاق می افتد. سپس با احیای مجدد اگزالواستات، الکترون ها به NADH منتقل می شوند. دو اتم کربن در اگزالواستات اصلی، قسمت هایی هستند که کربن دی اکسید آزاد می شود و سپس در پایان چرخه، اتم های استات اصلی به اطراف می چرخند تا اگزالواسات مجدد ایجاد شود.

چرخه کربس دقیقا در کجا انجام می شود؟

این چرخه به طور دقیق در میتوکندری ماتریکس اتفاق می افتد و میتوکندری پیروات داخل آب و کربن دی اکسید را پوشش می دهد. ماتریکس میتوکندری یک محلول متراکم در تاج های میتوکندری است.

هدف اصلی چرخه کربس:

هدف اصلی این چرخه تشکیل کربن دی اکسید و آب مورد استفاده برای تامین انرژی از طریق انتقال زنجیرهای الکترونی است. به طور کلی هدف آن تولید انرژی و ساخت سلول ها است. همچنین می توان هدف آن را کمک به سلول ها، برای پوشش گلوکز برای تامین انرژی و توسعه ی آندوزین تری فسفات (ATP) دانست.

جمع بندی:

اولین بخش از چرخه اسید سیتریک، کاتابولیسم غذاها شامل کربوهیدارت ها، چربی ها و پروتئین ها است. این چرخه را چرخه اسید سیتریک می نامند؛ زیرا استیل CoA در دومین بخش از کاتابولیسم غذاها با 4 اتم کربن اگزالواستات واکنش می دهد و 6 کربن سیترات را در اولین واکنش می سازد. سیترات اکسیدی در هشت مرحله از واکنش دو کربن دی اکسید تولید می کند. این چرخه را چرخه تری کربوکسیلیک اسید نیز می نامند؛ زیرا سیترات دارای 3 گروه کربوکسیلات است.

نام دیگر برای این چرخه، چرخه کربس است که به افتخار هانس کربس که این چرخه را کشف کرد، نامگذاری شده است. به طور کلی واکنش اکسیداسیون چرخه اسید سیتریک انرژی را تولید می کند. این چرخه به عنوان مرکز میتوکندری برای مراحل نهایی کاتابولیسم اکسیداتیو اسکلت کربن برای کربوهیدرات ها، آمینو اسید ها و اسید های چرب عمل می کند.