چرخه اسید سیتریک (کربس): راهنمای جامع تولید انرژی در سلول

چرخه اسید سیتریک، که با نام‌های چرخه کربس یا چرخه تری‌کربوکسیلیک اسید (TCA) هم شناخته می‌شود، یک فرآیند حیاتی در سلول‌ها است که نقش کلیدی در تولید انرژی دارد. این چرخه، مولکول‌های غذایی را به انرژی، آب و دی‌اکسید کربن تجزیه می‌کند و مواد اولیه مهمی برای سنتز سایر مولکول‌های زیستی فراهم می‌آورد.

این چرخه که در ماتریکس میتوکندری سلول‌های یوکاریوتی (مانند سلول‌های گیاهی و جانوری) اتفاق می‌افتد، بخشی از فرآیند تنفس سلولی است. باکتری‌ها نیز چرخه اسید سیتریک را انجام می‌دهند، اما به دلیل نداشتن میتوکندری، این واکنش‌ها در سیتوپلاسم آن‌ها رخ می‌دهد. در باکتری‌ها، غشای پلاسمایی سلول برای ایجاد گرادیان پروتون مورد نیاز برای تولید ATP به کار می‌رود.

سر هانس آدولف کربس، بیوشیمیست بریتانیایی، کاشف این چرخه است. او در سال 1937 مراحل این چرخه را شرح داد. به همین دلیل، این چرخه اغلب به نام چرخه کربس نامیده می‌شود. نام‌های دیگر آن، چرخه اسید سیتریک و چرخه تری‌کربوکسیلیک اسید هستند، زیرا مولکول اسید سیتریک در این چرخه مصرف و بازسازی می‌شود.

خلاصه‌ای از عملکرد چرخه اسید سیتریک:

• تجزیه مواد غذایی به انرژی، آب و دی‌اکسید کربن.
• تولید ATP (آدنوزین تری‌فسفات)، مولکول حامل انرژی اصلی در سلول.
• ترکیب متابولیسم مواد غذایی (کربوهیدرات‌ها، چربی‌ها و پروتئین‌ها).
• تولید مولکول‌های مهمی مانند NADH و FADH2 که در سایر فرآیندهای متابولیکی نقش دارند.
• نقش حیاتی در تنفس سلولی و تولید انرژی در بدن.

چرخه اسید سیتریک، کارآمدترین مسیر تولید انرژی در سلول‌ها است و ممکن است قدمت آن به قبل از پیدایش حیات بازگردد. این چرخه با تولید انرژی و مواد اولیه، نقش کلیدی در حفظ حیات سلول‌ها و موجودات زنده ایفا می‌کند.

نگاهی دقیق‌تر به چرخه اسید سیتریک

چرخه اسید سیتریک، که با نام‌های دیگری مانند چرخه کربس یا چرخه تری‌کربوکسیلیک اسید (TCA) نیز شناخته می‌شود، مجموعه‌ای از واکنش‌های شیمیایی است که در سلول رخ داده و مولکول‌های غذایی را به دی‌اکسید کربن، آب و انرژی تجزیه می‌کند. در گیاهان و جانوران (یوکاریوت‌ها)، این واکنش‌ها در ماتریکس میتوکندری به عنوان بخشی از تنفس سلولی انجام می‌شوند. بسیاری از باکتری‌ها نیز چرخه اسید سیتریک را انجام می‌دهند، اما از آنجایی که میتوکندری ندارند، این واکنش‌ها در سیتوپلاسم سلول‌های باکتریایی رخ می‌دهند. در باکتری‌ها (پروکاریوت‌ها)، غشای پلاسمایی سلول برای ایجاد گرادیان پروتون و تولید ATP مورد استفاده قرار می‌گیرد.

سر هانس آدولف کربس، زیست‌شیمی‌دان بریتانیایی، کاشف این چرخه است. او در سال 1937 مراحل این چرخه را تشریح کرد. به همین دلیل، این چرخه اغلب با نام چرخه کربس شناخته می‌شود. نام دیگر آن، چرخه اسید سیتریک است، زیرا مولکول اسید سیتریک در این چرخه مصرف و سپس بازسازی می‌شود. نام دیگر اسید سیتریک، تری‌کربوکسیلیک اسید است، بنابراین این مجموعه از واکنش‌ها گاهی اوقات چرخه تری‌کربوکسیلیک اسید یا چرخه TCA نیز نامیده می‌شود.

واکنش شیمیایی کلی چرخه اسید سیتریک

واکنش کلی که در چرخه اسید سیتریک رخ می‌دهد به صورت زیر است:

استیل کوآ + 3 NAD+ + Q + GDP + Pi + 2 H2O → کوآ-SH + 3 NADH + 3 H+ + QH2 + GTP + 2 CO2

در این واکنش:

• Q: یوبیکینون است.
• Pi: فسفات معدنی است.

مراحل چرخه اسید سیتریک

برای ورود مواد غذایی به چرخه اسید سیتریک، ابتدا باید به گروه‌های استیل (CH3CO) تجزیه شوند. در ابتدای این چرخه، یک گروه استیل با یک مولکول چهار کربنی به نام اگزالواستات ترکیب شده و یک ترکیب شش کربنی به نام اسید سیتریک را ایجاد می‌کند. در طول چرخه، مولکول اسید سیتریک تغییر شکل داده و دو اتم کربن آن حذف می‌شوند. در این فرآیند، دی‌اکسید کربن و 4 الکترون آزاد می‌شوند. در پایان چرخه، یک مولکول اگزالواستات باقی می‌ماند که می‌تواند با یک گروه استیل دیگر ترکیب شده و چرخه را دوباره آغاز کند.

پیش‌ماده → محصول (آنزیم)

اگزالواستات + استیل کوآ + H2O → سیترات + کوآ-SH (سیترات سنتتاز)

سیترات → سیس-آکونیتات + H2O (آکونیتاز)

سیس-آکونیتات + H2O → ایزوسیترات (آکونیتاز)

ایزوسیترات + NAD+ → اگزالوسوکسینات + NADH + H+ (ایزوسیترات دهیدروژناز)

اگزالوسوکسینات → آلفا-کتوگلوتارات + CO2 (ایزوسیترات دهیدروژناز)

آلفا-کتوگلوتارات + NAD+ + کوآ-SH → سوکسینیل-کوآ + NADH + H+ + CO2 (آلفا-کتوگلوتارات دهیدروژناز)

سوکسینیل-کوآ + GDP + Pi → سوکسینات + کوآ-SH + GTP (سوکسینیل-کوآ سنتتاز)

سوکسینات + یوبیکینون (Q) → فومارات + یوبیکینول (QH2) (سوکسینات دهیدروژناز)

فومارات + H2O → ال-مالات (فوماراز)

ال-مالات + NAD+ → اگزالواستات + NADH + H+ (مالات دهیدروژناز)

نقش‌های کلیدی چرخه کربس

چرخه کربس مجموعه‌ای از واکنش‌های کلیدی در تنفس سلولی هوازی است. برخی از نقش‌های مهم این چرخه عبارتند از:

1. تامین انرژی شیمیایی: این چرخه برای استخراج انرژی شیمیایی از پروتئین‌ها، چربی‌ها و کربوهیدرات‌ها استفاده می‌شود. ATP، مولکول حامل انرژی تولید شده در این فرآیند است. حاصل خالص ATP در هر چرخه 2 مولکول ATP است (در مقایسه با 2 ATP در گلیکولیز، 28 ATP در فسفریلاسیون اکسیداتیو و 2 ATP در تخمیر). به عبارت دیگر، چرخه کربس متابولیسم چربی، پروتئین و کربوهیدرات را به هم متصل می‌کند.
2. سنتز پیش‌سازهای آمینو اسید: این چرخه می‌تواند برای سنتز پیش‌سازهای مورد نیاز برای ساخت آمینو اسیدها مورد استفاده قرار گیرد.
3. تولید NADH: واکنش‌های این چرخه مولکول NADH را تولید می‌کنند که یک عامل کاهنده بوده و در طیف وسیعی از واکنش‌های بیوشیمیایی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
4. کاهش FADH2: چرخه اسید سیتریک، فلاوین آدنین دی‌نوکلئوتید (FADH) را کاهش می‌دهد که منبع دیگری از انرژی است.

خاستگاه چرخه کربس

چرخه اسید سیتریک یا چرخه کربس تنها مجموعه‌ی واکنش‌های شیمیایی نیست که سلول‌ها می‌توانند برای آزادسازی انرژی شیمیایی از آن استفاده کنند، اما کارآمدترین آن‌ها است. این احتمال وجود دارد که منشاء این چرخه غیرزیستی باشد و به قبل از پیدایش حیات برگردد. همچنین این امکان وجود دارد که این چرخه بیش از یک بار تکامل یافته باشد. بخشی از این چرخه از واکنش‌هایی که در باکتری‌های بی‌هوازی رخ می‌دهند، نشات گرفته است.