چرخه اسید سیتریک (چرخه کربس)

چرخه اسید سیتریک، که چرخه کربس یا چرخه اسید تری‌کربوکسیلیک نیز نامیده می‌شود، مرکز اصلی میتوکندریایی متابولیسم اکسیداتیو است. این چرخه گروه استیل دو کربنه استیل-کوآ را می‌پذیرد، آن را به طور کامل به دی‌اکسید کربن اکسید می‌کند و در این فرآیند کوآنزیم‌های NAD+ و FAD را که الکترون‌ها را به زنجیره تنفسی می‌رسانند، احیا می‌کند.

Definition

چرخه اسید سیتریک یک مسیر میتوکندریایی چرخه‌ای و شامل هشت واکنش است که در آن گروه استیل استیل-کوآ با اگزالواستات متراکم شده و به دو مولکول CO2 اکسید می‌شود، در حالی که اگزالواستات را بازسازی می‌کند و در هر دور کوآنزیم‌های احیا شده (NADH و FADH2) و یک فسفات پرانرژی تولید می‌کند.

Scope

این مدخل توالی چرخه‌ای هشت مرحله‌ای از سنتز سیترات تا بازسازی اگزالواستات، محصولات آن (کوآنزیم‌های احیا شده، GTP/ATP و CO2)، نقش دوگانه آن در تولید انرژی و بیوسنتز، و تنظیم آن را پوشش می‌دهد. این چرخه را به عنوان یک موضوع متابولیک در بیوشیمی بررسی می‌کند، نه به عنوان راهنمایی بالینی.

Core questions

• گروه استیل استیل-کوآ چگونه به دی‌اکسید کربن اکسید می‌شود؟
• محصولات تولیدکننده انرژی یک دور چرخه کدامند؟
• چرخه چگونه به زنجیره انتقال الکترون متصل می‌شود؟
• چرخه چگونه هم نقش کاتابولیک و هم نقش بیوسنتزی را ایفا می‌کند؟

Key concepts

• استیل-کوآ به عنوان مولکول ورودی
• تراکم با اگزالواستات برای تشکیل سیترات
• دو مرحله دکربوکسیلاسیون آزادکننده CO2
• تولید NADH، FADH2 و GTP/ATP در هر دور
• بازسازی اگزالواستات (ماهیت چرخه‌ای)
• عملکرد آمفی‌بولیک در کاتابولیسم و بیوسنتز
• واکنش‌های آناپلروتیک برای پر کردن واسطه‌ها

Mechanisms

هر دور با تراکم گروه استیل دو کربنه استیل-کوآ با اگزالواستات چهار کربنه برای تشکیل سیترات آغاز می‌شود. سپس یک سری واکنش‌های ایزومریزاسیون، اکسیداسیون و دکربوکسیلاسیون دو مولکول CO2 را آزاد می‌کند، سه NAD+ را به NADH و یک FAD را به FADH2 احیا می‌کند و یک مولکول GTP یا ATP را از طریق فسفوریلاسیون در سطح سوبسترا تولید می‌کند، در حالی که اگزالواستات را بازسازی می‌کند تا چرخه بتواند ادامه یابد. کوآنزیم‌های احیا شده الکترون‌های خود را به زنجیره انتقال الکترون منتقل می‌کنند، جایی که بیشتر ATP در نهایت ساخته می‌شود. علاوه بر اکسیداسیون، چندین واسطه چرخه برای بیوسنتز برداشت می‌شوند؛ واکنش‌های آناپلروتیک این واسطه‌ها را دوباره پر می‌کنند تا چرخه به چرخش خود ادامه دهد و به آن یک ویژگی آمفی‌بولیک می‌بخشد.

Clinical relevance

از آنجا که این چرخه در چهارراه متابولیسم کربوهیدرات، چربی و اسید آمینه قرار دارد، اختلالات در آنزیم‌های آن یا در تأمین واسطه‌های آن می‌تواند پیامدهای متابولیکی گسترده‌ای داشته باشد و جهش در برخی آنزیم‌های چرخه با بیماری مرتبط است. این مدخل بیوشیمی را توضیح می‌دهد و مبنایی برای تشخیص یا درمان فردی نیست.

History

هانس کربس، با تکیه بر مشاهدات قبلی در مورد اکسیداسیون اسیدهای آلی در بافت و کار آلبرت سنت-گیورگی در مورد کاتالیزورهای تنفسی، مسیر چرخه‌ای را در سال ۱۹۳۷ فرموله کرد و نشان داد که اکسیداسیون واحدهای استیل از طریق یک توالی خودبازسازی‌شونده از اسیدهای تری‌کربوکسیلیک و دی‌کربوکسیلیک پیش می‌رود. کشف کوآنزیم A توسط فریتز لیپمن بعداً چگونگی ورود گروه‌های استیل به چرخه را روشن کرد و این مسیر به سنگ بنای بیوشیمی متابولیک تبدیل شد.

Key figures

• Hans Krebs
• Albert Szent-Györgyi
• Fritz Lipmann

Seminal works

• krebs-1937

Frequently asked questions

چرا چرخه اسید سیتریک را چرخه می‌نامند؟

زیرا واکنش نهایی آن اگزالواستات را بازسازی می‌کند، مولکولی که توالی را آغاز می‌کند؛ مسیر در هر دور به نقطه شروع خود بازمی‌گردد، بنابراین یک مجموعه کوچک از واسطه‌ها می‌تواند گروه‌های استیل زیادی را پردازش کند.

آیا چرخه اسید سیتریک مستقیماً بیشتر ATP سلول را تولید می‌کند؟

خیر. هر دور تنها یک مولکول GTP یا ATP را مستقیماً تولید می‌کند؛ سهم اصلی انرژی‌زای چرخه، کوآنزیم‌های احیا شده NADH و FADH2 هستند که بخش عمده تولید ATP را در زنجیره انتقال الکترون هدایت می‌کنند.