วัฏจักรกรดซิตริก (วัฏจักรเครบส์)

วัฏจักรกรดซิตริก หรือที่เรียกว่าวัฏจักรเครบส์ หรือวัฏจักรกรดไตรคาร์บอกซิลิก เป็นศูนย์กลางการเผาผลาญแบบใช้ออกซิเจนในไมโทคอนเดรีย โดยรับกลุ่มอะเซทิลสองคาร์บอนของอะเซทิล-โคเอ (acetyl-CoA) ออกซิไดซ์ให้เป็นคาร์บอนไดออกไซด์อย่างสมบูรณ์ และในการดำเนินการดังกล่าว จะลดโคเอนไซม์ NAD+ และ FAD ซึ่งส่งอิเล็กตรอนเข้าสู่สายใยการหายใจ

Definition

วัฏจักรกรดซิตริกเป็นวิถีเมแทบอลิซึมแบบวัฏจักรแปดปฏิกิริยาในไมโทคอนเดรีย ซึ่งกลุ่มอะเซทิลของอะเซทิล-โคเอจะถูกควบแน่นกับออกซาโลอะซีเตตและถูกออกซิไดซ์เป็น CO2 สองโมเลกุล โดยสร้างออกซาโลอะซีเตตขึ้นใหม่พร้อมกับผลิตโคเอนไซม์ที่ถูกรีดิวซ์ (NADH และ FADH2) และฟอสเฟตพลังงานสูงหนึ่งโมเลกุลต่อรอบ

Scope

เนื้อหานี้ครอบคลุมลำดับวัฏจักรแปดขั้นตอนตั้งแต่การสังเคราะห์ซิเตรตไปจนถึงการสร้างออกซาโลอะซีเตตขึ้นใหม่ ผลิตภัณฑ์ของวัฏจักร (โคเอนไซม์ที่ถูกรีดิวซ์, GTP/ATP และ CO2) บทบาทคู่ของวัฏจักรทั้งในการผลิตพลังงานและการสังเคราะห์ทางชีวภาพ และการควบคุมวัฏจักร เนื้อหานี้ถือว่าวัฏจักรเป็นหัวข้อการเผาผลาญในชีวเคมี ไม่ใช่แนวทางทางคลินิก

Core questions

• กลุ่มอะเซทิลของอะเซทิล-โคเอถูกออกซิไดซ์เป็นคาร์บอนไดออกไซด์ได้อย่างไร?
• ผลิตภัณฑ์ที่ให้พลังงานจากการหมุนหนึ่งรอบของวัฏจักรคืออะไร?
• วัฏจักรเชื่อมโยงกับสายใยขนส่งอิเล็กตรอนได้อย่างไร?
• วัฏจักรมีบทบาททั้งในกระบวนการสลายและกระบวนการสร้างได้อย่างไร?

Key concepts

• อะเซทิล-โคเอเป็นโมเลกุลเริ่มต้น
• การควบแน่นกับออกซาโลอะซีเตตเพื่อสร้างซิเตรต
• สองขั้นตอนของการดีคาร์บอกซิเลชันที่ปล่อย CO2
• การผลิต NADH, FADH2 และ GTP/ATP ต่อรอบ
• การสร้างออกซาโลอะซีเตตขึ้นใหม่ (ลักษณะเป็นวัฏจักร)
• หน้าที่แบบแอมฟิโบลิกในการสลายและสังเคราะห์ทางชีวภาพ
• ปฏิกิริยาอะนาเพลโรติกที่เติมเต็มสารตัวกลาง

Mechanisms

แต่ละรอบเริ่มต้นเมื่อกลุ่มอะเซทิลสองคาร์บอนของอะเซทิล-โคเอควบแน่นกับออกซาโลอะซีเตตสี่คาร์บอนเพื่อสร้างซิเตรต จากนั้นชุดของปฏิกิริยาไอโซเมอไรเซชัน ออกซิเดชัน และดีคาร์บอกซิเลชันจะปล่อย CO2 สองโมเลกุล ลด NAD+ สามโมเลกุลเป็น NADH และ FAD หนึ่งโมเลกุลเป็น FADH2 และผลิต GTP หรือ ATP หนึ่งโมเลกุลโดยการเติมหมู่ฟอสเฟตระดับซับสเตรต พร้อมทั้งสร้างออกซาโลอะซีเตตขึ้นใหม่เพื่อให้วัฏจักรดำเนินต่อไป โคเอนไซม์ที่ถูกรีดิวซ์จะนำอิเล็กตรอนไปยังสายใยขนส่งอิเล็กตรอน ซึ่งเป็นที่ที่ ATP ส่วนใหญ่ถูกสร้างขึ้นในที่สุด นอกเหนือจากการออกซิเดชันแล้ว สารตัวกลางหลายชนิดในวัฏจักรยังถูกนำไปใช้ในการสังเคราะห์ทางชีวภาพ ปฏิกิริยาอะนาเพลโรติก (anaplerotic reactions) จะเติมเต็มสารตัวกลางเหล่านี้เพื่อให้วัฏจักรดำเนินต่อไป ทำให้วัฏจักรมีลักษณะเป็นแอมฟิโบลิก (amphibolic)

Clinical relevance

เนื่องจากวัฏจักรนี้เป็นจุดเชื่อมต่อของการเผาผลาญคาร์โบไฮเดรต ไขมัน และกรดอะมิโน ความผิดปกติของเอนไซม์ในวัฏจักรหรือการขาดแคลนสารตัวกลางอาจส่งผลกระทบต่อการเผาผลาญในวงกว้าง และการกลายพันธุ์ในเอนไซม์บางชนิดของวัฏจักรมีความเกี่ยวข้องกับโรค เนื้อหานี้อธิบายชีวเคมีและไม่ได้เป็นพื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการรักษาเฉพาะบุคคล

History

ฮันส์ เครบส์ (Hans Krebs) ได้สร้างวัฏจักรนี้ขึ้นในปี 1937 โดยอาศัยการสังเกตการณ์ก่อนหน้านี้เกี่ยวกับการออกซิเดชันของกรดอินทรีย์ในเนื้อเยื่อ และงานของอัลเบิร์ต เซนต์-จอร์จี (Albert Szent-Györgyi) เกี่ยวกับตัวเร่งปฏิกิริยาการหายใจ โดยแสดงให้เห็นว่าการออกซิเดชันของหน่วยอะเซทิลดำเนินไปผ่านลำดับการสร้างกรดไตรคาร์บอกซิลิกและกรดไดคาร์บอกซิลิกขึ้นใหม่ การค้นพบโคเอนไซม์เอ (coenzyme A) โดยฟริตซ์ ลิปมันน์ (Fritz Lipmann) ในภายหลังได้ชี้แจงว่ากลุ่มอะเซทิลเข้าสู่วัฏจักรได้อย่างไร และวิถีนี้ได้กลายเป็นรากฐานสำคัญของชีวเคมีเมแทบอลิซึม

Key figures

• Hans Krebs
• Albert Szent-Györgyi
• Fritz Lipmann

Seminal works

• krebs-1937

Frequently asked questions

ทำไมวัฏจักรกรดซิตริกจึงถูกเรียกว่าวัฏจักร?

เนื่องจากปฏิกิริยาสุดท้ายของวัฏจักรจะสร้างออกซาโลอะซีเตต ซึ่งเป็นโมเลกุลที่เริ่มต้นลำดับปฏิกิริยาขึ้นใหม่ วิถีนี้จะกลับสู่จุดเริ่มต้นในแต่ละรอบ ดังนั้นสารตัวกลางจำนวนน้อยจึงสามารถประมวลผลกลุ่มอะเซทิลได้หลายกลุ่ม

วัฏจักรกรดซิตริกสร้าง ATP ส่วนใหญ่ของเซลล์โดยตรงหรือไม่?

ไม่ แต่ละรอบสร้าง GTP หรือ ATP เพียงหนึ่งโมเลกุลโดยตรง การมีส่วนร่วมด้านพลังงานหลักของวัฏจักรคือโคเอนไซม์ที่ถูกรีดิวซ์ NADH และ FADH2 ซึ่งขับเคลื่อนการผลิต ATP ส่วนใหญ่ที่สายใยขนส่งอิเล็กตรอน