چرخه کربس چیست؟ – مراحل انجام آن چگونه است؟

یکی از مراحل تخریب قندها چرخه کربس است که در طی آن، انرژی از پیروات حاصل از گلیکولیز، تولید می شود. در این فرآیند، استیل کوآنزیم A که از ترکیب کوآنزیم A با استیل حاصل از اکسیداسیون پیروات ها حاصل می شود، به عنوان ماده اصلی مورد نیاز این چرخه می باشد. انجام این چرخه در ماتریکس میتوکندری می باشد. برخی از کتاب های علوم پایه به توضیح این چرخه پرداخته است. این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک به توضیح چرخه کربس و مراحل انجام آن پرداخته است.

چرخه کربس چیست؟

چرخه ای که متشکل از مراحلی است که طی آن ها یک مولکول ATP یا GTP  و مولکولهای دچار کاهش شده NADH و FADH_{۲ و} دو مولکول CO_۲ به دست می آید، به نام چرخه کربس می باشد. به این چرخه، چرخه اسید سیتریک نیز گفته می شود. در این چرخه که در ماتریکس میتوکندری انجام می شود، با تبدیل پیروات به استیل کوآنزیم A و ورود آن به چرخه، انرژی به کمک آنزیم های مختلفی که محلول در ماتریکس میتوکندری می باشند، حاصل می شود. آنزیم سوکسینات دهیدروژناز یک آنزیم استثنا در این مورد است که به جای ماتریکس، در غشای داخلی میتوکندری می باشد.

در این چرخه، محصول انتهایی به عنوان ماده ای است که در ابتدای چرخه، مورد استفاده قرار می گیرد و این نشان دهنده بسته بودن حلقه ی چرخه کربس می باشد. این چرخه به عنوان یک چرخه هوازی، متشکل از واکنش های دهیدروژناز، هیدراتاسیون، ردوکس و دکربوکسیلاسیون است. در این چرخه ATP هایی که به طور مستقیم تولید می شوند کم بوده و مصرف اکسیژن نیز به شکل مستقیم نخواهد بود. چرخه کربس یا چرخه تری کربوکسیلیک اسید، برای تولید انرژی به وسیله جانداران هوازی انجام می شود. ترکیبات تولید شده در این چرخه، همچنین به عنوان پیش سازهایی برای تولید اسیدهای آمینه مورد استفاده قرار می گیرند.

مراحل چرخه کربس

مرحله اول :

در این مرحله مولکول شش کربنی سیترات، از به هم متصل شدن دو گروه کربن از استیلی که از استیل کوآنزیم A به دست آمده با اگزالواستات چهار کربنی به دست می آید. کوآنزیم A جدا شده نیز با اتصال به سولفوهیدریل، از چرخه خارج شده و به استیل دیگری متصل می شود. در این مرحله تولید انرژی به میزان زیاد بوده و کنترل میزان انجام واکنش را بر عهده دارد. طوری که اگر انرژی (ATP) زیادی تولید شود، انجام واکنش کم شده و اگر میزان انرژی کم باشد، انجام واکنش افزایش می یابد.

مرحله دوم :

این مرحله تولید ایزومر ایزوسیترات، از سیترات می باشد که با از دست دادن یک مولکول آب از آن و به دست آوردن مولکول آب دیگر در قسمت دیگر ساختار آن، انجام می شود.

مرحله سوم :

در این مرحله مولکول پنج کربنه آلفا- کتوگلوتارات از اکسیداسیون ایزوسیترات به دست می آید. یک مولکول دی اکسید کربن و دو الکترون که موجب کاهش NAD⁺ به NADH می شود نیز تولید می شود. افزایش میزان ADP و کاهش میزان ATP و NADH موجب افزایش انجام این مرحله می شود.

مرحله چهارم :

در مرحله چهارم گروه سوکسینیل تولید شده و با اتصال به کوآنزیم A به سوکسینیل کوآنزیم A تبدیل می شود. دو مرحله سوم و چهارم که در آن ها اولاّ الکترون ها آزاد شده و موجب کاهش NAD⁺ می شوند و ثانیاّ دی اکسید کربن از گروه های کربوکسیل آزاد شده تشکیل می شوند، جزء مراحل اکسیداسیون و دکربوکسیلاسیون در چرخه کربس می باشند.

مرحله پنجم :

این مرحله با تشکیل یک پیوند پرانرژی که از جایگزین شدن گروه کوآنزیم A با گروه فسفات است، انجام می شود. برای این که مولکول های ATP یا GTP تشکیل شود، فسفوریلاسیون که تبدیل سوکسینیل به سوکسینات است، انجام می شود و این انرژی را استفاده می کند. با توجه به نوع بافت حیوانی که این مرحله در آن انجام می شود، دو ایزوآنزیم فعال هستند. یکی از این آنزیم ها در بافت های نیازمند به ATP، مانند عضله قلب و ماهیچه های اسکلتی، باعث تولید ATP می شود. آنزیم دیگر در بافت هایی مانند کبد باعث تولید GTP می شود که انرژی برابر با ATP دارد و در سنتز پروتئین ها کاربرد دارند.

مرحله ششم :

در این مرحله از چرخه کربس، فومارات از سوکسینات طی دهیدراتاسیون، تولید و FAD با گرفتن دو اتم هیدروژن به FADH_۲ تبدیل می شود. چون الکترون های این مرحله برای این کاهش، دارای انرژی مناسبی هستند. آنزیم این مرحل در غشای داخلی میتوکندری می باشد.

مرحله هفتم :

در مرحله هفتم از چرخه کربس، مالات از فومارات با اضافه شدن آب، تشکیل می شود.

مرحله هشتم :

مالات در این مرحله اکسیده و اگزالواستات احیا می شود و یک مولکول NADH تولید می شود.

نکته :

از انواع آنزیم هایی که که در این چرخه فعالیت می کنند می توان به پیروات دهیدروژناز، دی هیدرولیپوییل ترانس استیلاز، دی هیدرو لیپوپیل دهیدروژناز، اکونیتاز، ایزوسیترات دهیدروژناز و … را نام برد.

مواد حاصل از چرخه کربس

چهار اتم کربن از شش اتم کربنی که در ساختار گلوکز وجود دارد از دو گروه استیل، وارد چرخه کربس می شود. وقتی یک مولکول پیروات اکسیده شده و به استیل کوآنزیم A تبدیل می شود، در چرخه کربس می تواند یک مولکول ATP یا GTP، دو مولکول دی اکسید کربن، سه مولکول NADH و یک مولکول FADH_۲ (کوآنزیم های احیا شده) تولید می کند. این چرخه در هر دو مسیر کاتابولیکی و آنابولیکی عمل کرده و بسیاری از ترکیبات واسطه آن، برای ساخت اسیدهای آمینه غیرضروری استفاده می شود.

تبدیل پیروات به استیل کوآنزیم A برای ورود به چرخه کربس

پیروات حاصل از گلیکولیز با ایجاد تغییراتی در آن، برای ورود به چرخه کربس به استیل کوآنزیم A تبدیل می شود. برای این تغییر سه مرحله انجام می شود. در مرحله اول با جداشدن یک گروه کربوکسیل به شکل دی اکسید کربن از پیروات، محصول باقیمانده، هیدروکسی اتیل دو کربنی متصل به آنزیم پیروات دهیدروژناز می باشد. در تنفس سلولی، دی اکسید کربنی که از این مرحله تولید می شود، اولین کربن از شش کربن گلوکز می باشد. چون در هر گلیکولیز دو مولکول پیروات آزاد می شود پس در مرحله اول تجزیه پیروات، دو اتم کربن از مولکول گلوکز به صورت دی اکسید کربن حذف خواهد شد.

در مرحله دوم از اکسید شدن گروه هیدروکسی اتیل، استیل تشکیل می شود. در این واکنش اکسیداسیون، الکترون هایی که آزاد شدند، NAD⁺ را به NADH کاهش می دهد. در مرحله نهایی است که با متصل شدن گروه استیل به کوآنزیم A، استیل کوآنزیم A تشکیل می شود که با ایجاد تغییرات وارد چرخه کربس می شود.

تأمین مواد مورد نیاز برای چرخه کربس توسط بدن

گوارش غذا و تجزیه کربوهیدرات ها، چربی ها و پروتئین ها توسط بدن انسان، می تواند انرژی و سوختی که برای انجام چرخه اسید سیتریک لازم است را تأمین کند. از پروتئین ها، اسیدهای آمینه برای تشکیل استیل کوآنزیم A و از شکستن کربوهیدرات ها، گلوکزی که می تواند در فرآیند گلیکولیز شرکت کند، ایجاد می شود. از چربی ها هر دوی این مواد، یعنی گلوکز و استیل کوآنزیم A تشکیل می شود.

خلاصه و نتیجه گیری

چرخه کربس با تشکیل اگزالواستات چهار کربنی شروع و تشکیل دوباره آن در مرحله آخر انجام می شود. این چرخه دارای واکنش های اکسیداسیون و احیا، دکربوکسیلاسیون و دهیدراتاسیون می باشد که مولکول های ATP، NADH (سه مولکول) و FADH_۲ (یک مولکول) تولید شده برای تولید انرژی در تنفس سلولی به کار گرفته می شود. الکترون های تولید شده از اکسیداسیون پیروات ها برای کاهش NAD⁺ و آن ها نیز برای تولید ATP کاربرد دارد. در تجزیه پیروات آزاد شدن هر مولکول دی اکسید کربن به معنای از دست دادن یک اتم کربن از آن می باشد. با متصل شدن کوآنزیم A و استیل، ترکیب مورد نیاز برای چرخه اسید سیتریک یعنی استیل کوآنزیم A تشکیل می شود.

این چرخه در واقع استاتی که از مصرف چربی ها، پروتئین ها و کربوهیدرات های مصرف شده توسط موجودات هوازی استفاده می شود را اکسیده کرده و دی اکسید کربن تولید کرده و انرژی تولید می کند.

چرخه کربس هوازی است یا بی هوازی

چرخه کربس یک فرآیند هوازی است، به این معنی که برای کار کردن به اکسیژن نیاز دارد. بنابراین، همراه با فرآیند فسفوریلاسیون اکسیداتیو، چرخه کربس بلافاصله با مخلوط کردن کربن و اکسیژن در مسیر تنفس شروع به کار می کند. ابتدا دو کربن وارد چرخه می‌شوند و دو کربن اکسید شده و از چرخه حذف می‌شوند.

ما می‌توانیم این مرحله اول را تکمیل اکسیداسیون قند گلوکز در نظر بگیریم، و اگر قندها را بشماریم، شش مورد وارد مسیر تنفسی در گلیکولیز شدند و در مجموع شش مورد باید خارج شوند. اینها واقعاً همان شش کربن نیستند. اما به تقویت تبدیل گلوکز به دی اکسید کربن از طریق مسیر کمک می کند.

یکی از کربن های موجود در مولکول سه کربنه با یک مولکول اکسیژن پیوند می زند و از سلول به صورت CO2 خارج می شود. این امر ما را با یک مولکول دو کربنه به نام استیل کوآنزیم A یا استیل coA می‌ رساند. واکنش‌های شیمیایی بیشتر، مولکول‌ها را به گونه‌ ای سازمان ‌دهی مجدد می‌ کنند که کربن‌ها را اکسید می‌ کند تا NADH و FADH دیگری به دست آید.

پس از تکمیل مسیر تنفس، چرخه کربس تحت یک فرآیند اکسیداسیون دوم قرار می گیرد که بسیار شبیه به یک دوربرگردان ترافیکی است. این چیزی است که آن را به یک چرخه تبدیل می کند. استیل coA وارد چرخه می شود و با اگزالواستات ترکیب می شود و سیترات سنتاز را تشکیل می دهد – از این رو “چرخه کربس” نامیده می شود.

این اسید سیتریک در طی چندین مرحله اکسید می‌شود و کربن‌ها را در اطراف اطراف می‌ریزد تا زمانی که اسید اگزالواستیک توسط اکسیداسیون مالات بازسازی شود. همانطور که کربن ها اسید سیتریک را از بین می برند، به مولکول های دی اکسید کربن تبدیل می شوند و از سلول خارج می شوند و در نهایت توسط شما بازدم می شوند.