چرخه اسید سیتریک (چرخه کربس) چیست؟

چرخه اسید سیتریک که با نام چرخه کربس (Krebs) یا تری کربوکسیلیک اسید (TCA) نیز شناخته می شود، دسته ای از واکنش های شیمیایی هستند که در درون سلول مولکول های غذایی را به کربن دی اکسید، آب و انرژی تبدیل می کنند. این فرآیند پیچیده که با نام تنفس سلولی شناخته می شود، انرژی حاصل از قند ها، چربی ها، کربوهبدرات ها و پروتئین ها را به آدنوزین تری فسفات (ATP) تبدیل می کند.

آدنوزین تری فسفات (ATP) مولکولی پر انرژی است که فرآیندهایی مانند انقباض عضلات و تکانه های عصبی را هدایت می کند. تنفس سلولی در هر دو نوع سلول یوکاریوتی و پروکاریوتی وجود دارد. در سلول های یوکاریوتی بیشتر واکنش ها در میتوکندری و در پروکاریوتی ها در سیتوپلاسم اتفاق می افتند. به طور کلی این چرخه به افتخار کاشف آن، هانس کربس، به چرخه کربس شهرت یافته است.

سه مرحله اصلی در تنفس سلولی وجود داردکه عبارتند از:

• گلیکولیز
• چرخه اسید سیتریک یا چرخه کربس
• انتقال الکترون/فسفریلاسیون اکسیداتیو

چرخه اسید سیتریک یا چرخه کربس در کدام موجودات (سلول ها) اتفاق می افتد؟

در گیاهان و حیوانات (یوکاریوت ها) این واکنش ها در ماتریکس (سیالی در درون میتوکندری) میتوکندری سلول ها به عنوان بخشی از تنفس سلولی اتفاق می افتند. علی رغم اینکه باکتری ها میتوکندری ندارند؛ اما بسیاری از آنها این چرخه را انجام می دهند، این چرخه در سیتوپلاسم سلول باکتری انجام می شود. این چرخه به نام معرفی کننده آن، سر هانس آدولف کربس چرخه کربس نیز نامیده می شود.

سیتریک اسید یکی از اسیدهایی است که علاوه بر کارکردهای متنوع در بدن انسان، در تولید محصولات مختلف از جمله محصولات غذایی، ترکیبات شیمیایی و غیره مورد استفاده قرار می گیرد.

واکنش شیمیایی چرخه اسید سیتریک یا چرخه کربس

واکنش کلی این چرخه به شکل زیر است:

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

در واکنش بالا Q به معنای کوآنزیم های Q و  Pi نشان دهنده فسفات های معدنی است.

مراحل چرخه کربس

برای ورود غذا به این چرخه باید به گروه های استیل (CH3CO) شکسته شود. در ابتدای چرخه یک گروه استیل با یک مولکول 4 کربنی به نام اگزالواتات واکنش می دهد و در نهایت اسید سیتریک (6 کربنی) تولید می شود. در طول چرخه مولکول این اسید بازآرایی می شود و دو اتم کربن خود را از دست می دهد که در پی آن کربن دی اکسید و 4 الکترون آزاد می شوند. پایان چرخه یک مولکول اگزالواستات باقی می میاند که می تواند با یک گروه استیل دیگر واکنش داده و چرخه را ادامه دهد.

واکنش هایی که در این چرخه به طور کامل اتفاق می افتند به صورت زیر هستند:

• Oxaloacetate + Acetyl CoA + H2O → Citrate + CoA-SH (citrate synthase)
• Citrate → cis-Aconitate + H2O (aconitase)
• cis-Aconitate + H2O → Isocitrate (aconitase)
• Isocitrate + NAD+ Oxalosuccinate + NADH + H + (isocitrate dehydrogenase)
• Oxalosuccinate α-Ketoglutarate + CO2 (isocitrate dehydrogenase)
• α-Ketoglutarate + NAD+ + CoA-SH → Succinyl-CoA + NADH + H+ + CO2 (α-ketoglutarate dehydrogenase)
• Succinyl-CoA + GDP + Pi → Succinate + CoA-SH + GTP (succinyl-CoA synthetase)
• Succinate + ubiquinone (Q) → Fumarate + ubiquinol (QH2) (succinate dehydrogenase)
• Fumarate + H2O → L-Malate (fumarase)
• L-Malate + NAD+ → Oxaloacetate + NADH + H+ (malate dehydrogenase)

کارکردهای چرخه کربس

چرخه کربس یا چرخه اسید سیتریک مجموعه ای از واکنش های مهم در تنفس سلول های هوازی است، برخی از کارکردهای این چرخه عبارتند از:

1. برای دستیابی به انرژی شیمیایی از پروتئین ها، چربی ها و کربوهیدرات ها استفاده می شود. انرژی مولکولی که تولید می شود را با معیار ATP مشخص می کنند. در هر چرخه اسید سیتریک 2 ATP تولید می شود، میزان این انرژی برای سایر فرآیندها عبارتند از:گلیکولیز= 2 ATP، فسفوریلاسیون اکسیداتیو= 28 ATP، تخمیر = 2 ATP
2. به عبارت دیگر این چرخه متابولیسم چربی، پروتئین و کربوهیدرات را به یکدیگر متصل می کند.
3. این چرخه می تواند برای سنتز پیش سازهای آمینو اسیدها مورد استفاده قرار گیرد.
4. در طی واکنش ها مولکول NADH تولید می شود که یک عامل کاهشی است و در بسیاری از واکنش های بیوشیمیایی کاربرد دارد.

از ملزومات انجام این دوره وجود اکسیژن است، با اینکه اکسیژن به صورت مستقیم مورد استفاده قرار نمی گیرد اما برای انجام حتما باید اکسیژن وجود داشته باشد.