วัฏจักรของกรดไตรคาร์บอกซิลิก

วัฏจักรของกรดไตรคาร์บอกซิลิก (วงจรเครบส์, วงจรซิเตรต) - ส่วนกลางของเส้นทางทั่วไปของแคแทบอลิซึมซึ่งเป็นกระบวนการแอโรบิกทางชีวเคมีแบบวงกลมในระหว่างที่การเปลี่ยนสารประกอบคาร์บอนสองและสามกลายเป็นผลิตภัณฑ์ระดับกลางในสิ่งมีชีวิตในระหว่างการสลายคาร์โบไฮเดรตไขมันและโปรตีนเกิดขึ้นเป็น CO 2 ในกรณีนี้ ไฮโดรเจนที่ปล่อยออกมาจะถูกส่งไปยังห่วงโซ่การหายใจของเนื้อเยื่อ ซึ่งจะถูกออกซิไดซ์ต่อไปเป็นน้ำ โดยมีส่วนร่วมโดยตรงในการสังเคราะห์แหล่งพลังงานสากล - ATP

วงจรเครบส์เป็นขั้นตอนสำคัญในการหายใจของเซลล์ทุกเซลล์ที่ใช้ออกซิเจน ซึ่งเป็นจุดตัดของเส้นทางการเผาผลาญต่างๆ ในร่างกาย นอกเหนือจากบทบาทด้านพลังงานที่สำคัญแล้ว วัฏจักรยังมีหน้าที่ของพลาสติกที่สำคัญ กล่าวคือ เป็นแหล่งสำคัญของโมเลกุลของสารตั้งต้น ซึ่งในระหว่างการเปลี่ยนแปลงทางชีวเคมีอื่นๆ สารประกอบที่สำคัญต่อชีวิตของเซลล์จะถูกสังเคราะห์ขึ้น เช่น กรดอะมิโน คาร์โบไฮเดรต กรดไขมัน ฯลฯ

ฟังก์ชั่น

1. ฟังก์ชั่นเชิงบูรณาการ- วงจรคือความเชื่อมโยงระหว่างปฏิกิริยาแอแนบอลิซึมและแคแทบอลิซึม
2. ฟังก์ชันแคโทบอลิก- การเปลี่ยนสภาพของสารต่างๆ ให้เป็นสารตั้งต้นของวัฏจักร:
   • กรดไขมัน, ไพรูเวต, ลิว, เพ็ญ - Acetyl-CoA.
   • Arg, Gis, Glu - α-ketoglutarate
   • เครื่องเป่าผม, สนามยิงปืน - ฟูมาเรต
3. ฟังก์ชั่นอะนาโบลิก- การใช้วัฏจักรซับสเตรตสำหรับการสังเคราะห์สารอินทรีย์:
   • Oxalacetate - กลูโคส, Asp, Asn
   • Succinyl-CoA - การสังเคราะห์ฮีม
   • CO 2 - ปฏิกิริยาคาร์บอกซิเลชัน
4. ฟังก์ชั่นผู้บริจาคไฮโดรเจน- วงจรเครบส์ส่งโปรตอนไปยังห่วงโซ่การหายใจของไมโตคอนเดรียในรูปของ NADH.H + สามตัว และ FADH 2 หนึ่งตัว
5. ฟังก์ชั่นพลังงาน- 3 NADH.H + ให้ ATP 7.5 โมล, 1 FADH 2 ให้ ATP 1.5 โมลบนห่วงโซ่ทางเดินหายใจ นอกจากนี้ ในวงจรนั้น 1 GTP ถูกสังเคราะห์โดยสารตั้งต้นฟอสโฟรีเลชั่น จากนั้น ATP จะถูกสังเคราะห์จากมันโดยทรานส์ฟอสโฟรีเลชั่น: GTP + ADP = ATP + GDP

กฎช่วยในการจำ

เพื่อให้ง่ายต่อการจดจำกรดที่เกี่ยวข้องกับวงจรเครบส์ มีกฎช่วยในการจำ:

สับปะรดทั้งลูกและซูเฟล่หนึ่งชิ้นคืออาหารกลางวันของฉันจริงๆ ในวันนี้ซึ่งสอดคล้องกับซีรีส์ - ซิเตรต, (ซิส-)อะโคนิเตต, ไอโซซิเตรต, (อัลฟา-)คีโตกลูตาเรต, ซัคซินิล-CoA, ซัคซิเนต, ฟูมาเรต, มาเลท, ออกซาโลอะซิเตต

นอกจากนี้ยังมีบทกวีช่วยจำดังต่อไปนี้ (ผู้แต่งเป็นผู้ช่วยภาควิชาชีวเคมีของ KSMU E. V. Parshkova):

ชุคใช่อะเซทิล มะนาวฉัน แต่นาร์ ถูกต้องกับ และต่อต้านฉันกลัวว่าพระองค์ทรงอยู่เหนือเขา ไอโซลิมอนแต่ อัลฟ่า-คีโตกลูตาร์มา. ซักซินิลเซี่ย โคเอ็นไซม์โอ้, อำพันเคยเป็น ฟูมาร์โอโว, ยาโบลชเอกเก็บไว้หน้าหนาวหันกลับ หอกโอ้อีกครั้ง

(กรดออกซาโลอะซิติก, กรดซิตริก, กรดซิส-อะโคนิติก, กรดไอโซตริก, กรด α-คีโตกลูตาริก, ซัคซินิล-CoA, กรดซัคซินิก, กรดฟูมาริก, กรดมาลิก, กรดออกซาโลอะซิติก)

บทกวีอีกเวอร์ชั่นหนึ่ง

PIKE กินอะซิเตต กลายเป็นซิเตรตผ่านซิส-อะโคนิเตต มันจะเป็นไอโซซิเตรตไฮโดรเจนที่สูญเสีย NAD มันจะสูญเสีย CO 2 ด้วยเหตุนี้ จึงเป็นเรื่องที่น่ายินดีอย่างยิ่งที่จะเกิดออกซิเดชันของอัลฟา-คีโตกลูตาเรต - NAD ขโมยไฮโดรเจน TDP, โคเอ็นไซม์ A รับ CO 2 และพลังงานแทบจะไม่ปรากฏในซัคซินิลทันทีที่ GTP เกิดและยังคงซบเซาอยู่ตอนนี้เขาถึง FAD - เขาต้องการดื่มน้ำไฮโดรเจนฟูมาเรต และมันก็กลายเป็นมาเลทที่นี่ NAD กลายเป็นมาเลเต ได้รับไฮโดรเจน PIKE ปรากฏตัวอีกครั้งและซ่อน Watch อย่างเงียบ ๆ เพื่อหาอะซิเตต ..

หมายเหตุ

ลิงค์

• วัฏจักรของกรดไตรคาร์บอกซิลิก

วงจรกรดไตรคาร์บอกซิลิก

วงจรกรดไตรคาร์บอกซิลิก - วงจรกรดซิตริกหรือวงจรเครบส์เป็นวิถีทางที่แสดงอย่างกว้างขวางในสิ่งมีชีวิตของสัตว์ พืช และจุลินทรีย์สำหรับการเปลี่ยนแปลงออกซิเดชันของกรดไดและไตรคาร์บอกซิลิกที่เกิดขึ้นเป็นผลิตภัณฑ์ขั้นกลางในระหว่างการสลายและการสังเคราะห์โปรตีน ไขมัน และ คาร์โบไฮเดรต ค้นพบโดย H. Krebs และ W. Johnson (1937) วัฏจักรนี้เป็นพื้นฐานของเมแทบอลิซึมและทำหน้าที่สำคัญสองประการ - ให้พลังงานแก่ร่างกายและบูรณาการกระแสเมแทบอลิซึมหลักทั้งหมด ทั้งแบบแคทาบอลิซึม (การย่อยสลายทางชีวภาพ) และอะนาโบลิก (การสังเคราะห์ทางชีวภาพ)

วงจร Krebs ประกอบด้วย 8 ขั้นตอน (ผลิตภัณฑ์ระดับกลางจะถูกเน้นเป็นสองขั้นตอนในแผนภาพ) ในระหว่างนี้สิ่งต่อไปนี้จะเกิดขึ้น:

1) ออกซิเดชันโดยสมบูรณ์ของสารตกค้างอะซิติลกับโมเลกุล CO2 สองโมเลกุล

2) โมเลกุลของนิโคตินาไมด์อะดีนีนไดนิวคลีโอไทด์รีดิวซ์ (NADH) สามโมเลกุลและฟลาวินอะดีนีนไดนิวคลีโอไทด์รีดิวซ์หนึ่งโมเลกุล (FADH2) เกิดขึ้นซึ่งเป็นแหล่งพลังงานหลักที่ผลิตในวงจรและ

3) หนึ่งโมเลกุลของกัวโนซีนไตรฟอสเฟต (GTP) เกิดขึ้นอันเป็นผลมาจากสิ่งที่เรียกว่าออกซิเดชันของสารตั้งต้น

โดยทั่วไปเส้นทางนี้ใช้พลังงานได้ดี (DG0" = –14.8 kcal.)

วัฏจักร Krebs ซึ่งแปลเป็นภาษาท้องถิ่นในไมโตคอนเดรีย เริ่มต้นด้วยกรดซิตริก (ซิเตรต) และสิ้นสุดด้วยการก่อตัวของกรดออกซาโลอะซิติก (oxaloacetate - OA) ซับสเตรตของวัฏจักรประกอบด้วยกรดไตรคาร์บอกซิลิก - ซิตริก, ซิส-อะโคนิติก, ไอโซซิตริก, ออกซาโลซุซิเนต (ออกซาโลซุกซิเนต) และกรดไดคาร์บอกซิลิก - 2-คีโตกลูตาริก (KG), ซัคซินิก, ฟูมาริก, มาลิก (มาเลต) และออกซาโลอะซิติก สารตั้งต้นของวัฏจักรเครบส์ยังรวมถึงกรดอะซิติกซึ่งอยู่ในรูปแบบออกฤทธิ์ (เช่น ในรูปของอะซิติลโคเอ็นไซม์ A, acetyl-SCoA) มีส่วนร่วมในการควบแน่นด้วยกรดออกซาโลอะซิติก ซึ่งนำไปสู่การก่อตัวของกรดซิตริก เป็นสารตกค้างอะซิติลที่รวมอยู่ในโครงสร้างของกรดซิตริกที่ถูกออกซิไดซ์ อะตอมของคาร์บอนถูกออกซิไดซ์เป็น CO2 อะตอมไฮโดรเจนได้รับการยอมรับบางส่วนโดยโคเอ็นไซม์ของดีไฮโดรจีเนสและบางส่วนผ่านเข้าไปในสารละลายนั่นคือเข้าสู่สิ่งแวดล้อมในรูปแบบโปรตอน

กรดไพรูวิก (ไพรูเวต) ซึ่งก่อตัวขึ้นระหว่างไกลโคไลซิสและครอบครองหนึ่งในศูนย์กลางในเส้นทางเมแทบอลิซึมที่ตัดกัน มักถูกระบุว่าเป็นสารประกอบเริ่มต้นสำหรับการก่อตัวของอะซิติล-โคเอ ภายใต้อิทธิพลของเอนไซม์ที่มีโครงสร้างที่ซับซ้อน - ไพรูเวตดีไฮโดรจีเนส (CP1.2.4.1 - PDHase) ไพรูเวตจะถูกออกซิไดซ์เพื่อสร้างคาร์บอนไดออกไซด์ (ดีคาร์บอกซิเลชันครั้งแรก), อะซิติล-โคเอ และลดลงโดย NAD (ดูแผนภาพ) อย่างไรก็ตาม การเกิดออกซิเดชันของไพรูเวตยังห่างไกลจากวิธีเดียวที่จะสร้างอะซิติล-โคเอ ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ที่เป็นลักษณะเฉพาะของการเกิดออกซิเดชันของกรดไขมัน (เอนไซม์ไทโอเลสหรือซินเทเตสของกรดไขมัน) และปฏิกิริยาอื่น ๆ ของการสลายตัวของคาร์โบไฮเดรตและกรดอะมิโน เอนไซม์ทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาของวัฏจักรเครบส์จะถูกแปลเป็นภาษาท้องถิ่นในไมโตคอนเดรีย ซึ่งส่วนใหญ่ละลายได้ และซัคซิเนต ดีไฮโดรจีเนส (KF1.3.99.1) มีความเกี่ยวข้องอย่างแน่นหนากับโครงสร้างของเมมเบรน

การก่อตัวของกรดซิตริกด้วยการสังเคราะห์ซึ่งวัฏจักรเริ่มต้นอย่างเหมาะสมด้วยความช่วยเหลือของซิเตรตซินเทส (EC4.1.3.7 - เอนไซม์ควบแน่นในแผนภาพ) เป็นปฏิกิริยาเอนเดอร์โกนิก (ด้วยการดูดซับพลังงาน) และการใช้งาน เป็นไปได้เนื่องจากการใช้พันธะที่อุดมไปด้วยพลังงานของอะซิติลเรซิดิวกับ KoA [CH3CO~SKoA] นี่คือขั้นตอนหลักของการควบคุมวงจรทั้งหมด ตามด้วยการทำไอโซเมอไรเซชันของกรดซิตริกให้เป็นกรดไอโซตริกผ่านขั้นตอนกลางของการก่อตัวของกรดซิส-อะโคนิติก (เอนไซม์อะโคนิเทส KF4.2.1.3 มีความจำเพาะทางสเตอริโอสัมบูรณ์ - ความไวต่อตำแหน่งของไฮโดรเจน) ผลิตภัณฑ์ของการเปลี่ยนแปลงเพิ่มเติมของกรดไอโซซิตริกภายใต้อิทธิพลของดีไฮโดรจีเนสที่สอดคล้องกัน (ไอโซซิเตรตดีไฮโดรจีเนส KF1.1.1.41) เห็นได้ชัดว่าเป็นกรดออกซาโลซุกซินิก ซึ่งดีคาร์บอกซิเลชัน (โมเลกุล CO2 ที่สอง) นำไปสู่ ​​CG ขั้นตอนนี้ได้รับการควบคุมอย่างเข้มงวดเช่นกัน ในลักษณะหลายประการ (น้ำหนักโมเลกุลสูง โครงสร้างหลายองค์ประกอบที่ซับซ้อน ปฏิกิริยาแบบขั้นตอน โคเอ็นไซม์เดียวกันบางส่วน ฯลฯ) KH ดีไฮโดรจีเนส (EC1.2.4.2) มีลักษณะคล้ายกับ PDHase ผลิตภัณฑ์ที่ทำปฏิกิริยา ได้แก่ CO2 (ดีคาร์บอกซิเลชันที่สาม), H+ และซัคซินิล-CoA ในขั้นตอนนี้ ซัคซินิล-CoA synthetase หรือที่เรียกว่า ซัคซิเนต ไทโอไคเนส (EC6.2.1.4) จะถูกกระตุ้น โดยกระตุ้นปฏิกิริยาที่ผันกลับได้ของการก่อตัวของซัคซิเนตอิสระ: Succinyl-CoA + Pneorg + GDP = Succinate + KoA + GTP ในระหว่างปฏิกิริยานี้เรียกว่าฟอสโฟรีเลชั่นของสารตั้งต้นเกิดขึ้นเช่น การก่อตัวของกัวโนซีน ไตรฟอสเฟต (GTP) ที่อุดมไปด้วยพลังงาน โดยเสียค่าใช้จ่ายของ กัวโนซีน ไดฟอสเฟต (GDP) และแร่ฟอสเฟต (Pneorg) โดยใช้พลังงานของ succinyl-CoA หลังจากการก่อตัวของซัคซิเนต ซัคซิเนตดีไฮโดรจีเนส (KF1.3.99.1) ซึ่งเป็นฟลาโวโปรตีนก็ออกฤทธิ์ ซึ่งนำไปสู่กรดฟูมาริก FAD เชื่อมโยงกับส่วนโปรตีนของเอนไซม์ และเป็นไรโบฟลาวิน (วิตามินบี 2) ในรูปแบบที่ออกฤทธิ์ทางเมตาบอลิซึม เอนไซม์นี้ยังมีลักษณะเฉพาะด้วยความจำเพาะแบบสเตอริโอสัมบูรณ์ในการกำจัดไฮโดรเจน Fumarase (EC4.2.1.2) รับประกันความสมดุลระหว่างกรดฟูมาริกและกรดมาลิก (รวมถึงสเตอริโอจำเพาะด้วย) และกรดมาลิกดีไฮโดรจีเนส (malate dehydrogenase EC1.1.1.37 ซึ่งต้องใช้โคเอ็นไซม์ NAD + ก็เป็นสเตอริโอจำเพาะเช่นกัน) นำไปสู่ความสมบูรณ์ ของวัฏจักรเครบส์ ซึ่งก็คือ การเกิดกรดออกซาโลอะซิติก หลังจากนั้น ปฏิกิริยาการควบแน่นของกรดออกซาโลอะซิติกกับอะซิติล-โคเอจะเกิดขึ้นซ้ำ ทำให้เกิดกรดซิตริก และวงจรจะดำเนินต่อไป

Succinate dehydrogenase เป็นส่วนหนึ่งของ succinate dehydrogenase complex (complex II) ที่ซับซ้อนมากขึ้นของห่วงโซ่ระบบทางเดินหายใจ โดยให้สารรีดิวซ์เทียบเท่า (NAD-H2) ที่เกิดขึ้นระหว่างปฏิกิริยากับห่วงโซ่ระบบทางเดินหายใจ

เมื่อใช้ตัวอย่างของ PDHase คุณสามารถทำความคุ้นเคยกับหลักการของการควบคุมน้ำตกของกิจกรรมการเผาผลาญเนื่องจากฟอสโฟรีเลชั่น - ดีฟอสโฟรีเลชั่นของเอนไซม์ที่เกี่ยวข้องโดยไคเนสพิเศษและฟอสฟาเตส PDHase ทั้งสองเชื่อมต่อกับ PDGase

วงจรกรดไตรคาร์บอกซิลิก

สันนิษฐานว่าการเร่งปฏิกิริยาของปฏิกิริยาเอนไซม์แต่ละตัวนั้นดำเนินการโดยเป็นส่วนหนึ่งของ "ซูเปอร์คอมเพล็กซ์" เหนือโมเลกุลหรือที่เรียกว่า "เมตาโบลอน" ข้อดีของการจัดเรียงเอนไซม์ดังกล่าวคือไม่มีการแพร่กระจายของโคแฟกเตอร์ (โคเอ็นไซม์และไอออนของโลหะ) และซับสเตรต และสิ่งนี้มีส่วนทำให้การทำงานของวงจรมีประสิทธิภาพมากขึ้น

ประสิทธิภาพการใช้พลังงานของกระบวนการที่พิจารณานั้นต่ำ อย่างไรก็ตาม NADH 3 โมลและ FADH2 1 โมลเกิดขึ้นระหว่างการออกซิเดชันของไพรูเวต และปฏิกิริยาที่ตามมาของวงจรเครบส์เป็นผลิตภัณฑ์สำคัญของการเปลี่ยนแปลงออกซิเดชั่น ออกซิเดชันเพิ่มเติมนั้นดำเนินการโดยเอนไซม์ของลูกโซ่ทางเดินหายใจในไมโตคอนเดรียและสัมพันธ์กับฟอสโฟรีเลชั่นเช่น การก่อตัวของ ATP เนื่องจากเอสเทอริฟิเคชัน (การก่อตัวของออร์กาโนฟอสฟอรัสเอสเทอร์) ของแร่ฟอสเฟต Glycolysis การกระทำของเอนไซม์ของ PDHase และวงจร Krebs - รวม 19 ปฏิกิริยา - กำหนดการเกิดออกซิเดชันที่สมบูรณ์ของกลูโคสหนึ่งโมเลกุลถึง 6 โมเลกุลของ CO2 ด้วยการก่อตัวของ ATP 38 โมเลกุล - "สกุลเงินพลังงาน" ของเซลล์นี้ กระบวนการออกซิเดชั่นของ NADH และ FADH2 โดยเอนไซม์ของลูกโซ่ทางเดินหายใจนั้นมีประสิทธิภาพมากเกิดขึ้นโดยใช้ออกซิเจนในบรรยากาศทำให้เกิดการก่อตัวของน้ำและทำหน้าที่เป็นแหล่งพลังงานหลักของเซลล์ (มากกว่า 90%) อย่างไรก็ตาม เอนไซม์ของวัฏจักรเครบส์ไม่เกี่ยวข้องกับการนำไปใช้โดยตรง เซลล์ของมนุษย์แต่ละเซลล์มีไมโตคอนเดรีย 100 ถึง 1,000 ตัวซึ่งให้พลังงานที่สำคัญ

พื้นฐานของการบูรณาการฟังก์ชันของวงจร Krebs ในเมแทบอลิซึมคือในที่สุดคาร์โบไฮเดรต ไขมัน และกรดอะมิโนจากโปรตีนจะถูกแปลงเป็นตัวกลาง (ตัวกลาง) ของวงจรนี้หรือสังเคราะห์จากพวกมันในที่สุด การกำจัดตัวกลางออกจากวงจรระหว่างแอแนบอลิซึมจะต้องรวมกับความต่อเนื่องของกิจกรรม catabolic ของวงจรเพื่อสร้าง ATP คงที่ซึ่งจำเป็นสำหรับการสังเคราะห์ทางชีวภาพ ดังนั้นลูปจะต้องทำหน้าที่สองอย่างพร้อมกัน ในเวลาเดียวกัน ความเข้มข้นของสารตัวกลาง (โดยเฉพาะ OA) อาจลดลง ซึ่งอาจส่งผลให้การผลิตพลังงานลดลงอย่างเป็นอันตราย เพื่อป้องกันสิ่งนี้ จึงมีการใช้ "วาล์วนิรภัย" ที่เรียกว่าปฏิกิริยาอะแนเพลอโรติก (จากภาษากรีก "เพื่อเติม") ปฏิกิริยาที่สำคัญที่สุดคือการสังเคราะห์ OA จากไพรูเวต ซึ่งดำเนินการโดยไพรูเวตคาร์บอกซิเลส (EC6.4.1.1) ซึ่งแปลเป็นภาษาท้องถิ่นในไมโตคอนเดรียด้วย เป็นผลให้มีการสะสม OA จำนวนมากซึ่งช่วยให้มั่นใจในการสังเคราะห์ซิเตรตและตัวกลางอื่น ๆ ซึ่งช่วยให้วงจร Krebs ทำงานได้ตามปกติและในเวลาเดียวกันก็ช่วยให้แน่ใจว่ามีการกำจัดตัวกลางเข้าไปในไซโตพลาสซึมเพื่อการสังเคราะห์ทางชีวภาพในภายหลัง ดังนั้นในระดับของวงจร Krebs การบูรณาการอย่างมีประสิทธิภาพของกระบวนการแอแนบอลิซึมและแคแทบอลิซึมเกิดขึ้นภายใต้อิทธิพลของกลไกการควบคุมจำนวนมากและละเอียดอ่อนรวมถึงกลไกของฮอร์โมน

ภายใต้สภาวะไร้ออกซิเจน แทนที่จะเป็นวัฏจักรเครบส์ กิ่งออกซิเดชันของมันทำหน้าที่เป็น KG (ปฏิกิริยา 1, 2, 3) และกิ่งก้านรีดิวตี้ของมันทำหน้าที่จาก OA ไปเป็นซัคซิเนต (ปฏิกิริยา 8®7®6) ในกรณีนี้ พลังงานจะไม่ถูกกักเก็บไว้มากนัก และวงจรจะจ่ายเฉพาะตัวกลางสำหรับการสังเคราะห์เซลล์เท่านั้น

เมื่อร่างกายเปลี่ยนจากการพักผ่อนไปสู่กิจกรรม ความต้องการจะเกิดขึ้นในการระดมพลังงานและกระบวนการเผาผลาญ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสิ่งนี้สามารถทำได้ในสัตว์โดยการแบ่งปฏิกิริยาที่ช้าที่สุด (1–3) และออกซิเดชันที่เด่นชัดของซัคซิเนต ในกรณีนี้ KG ซึ่งเป็นสารตั้งต้นเริ่มต้นของวงจร Krebs ที่สั้นลง ถูกสร้างขึ้นในปฏิกิริยาการปนเปื้อนอย่างรวดเร็ว (การถ่ายโอนกลุ่มเอมีน)

กลูตาเมต + OA = CG + แอสพาเทต

การปรับเปลี่ยนวงจรเครบส์อีกประการหนึ่ง (ที่เรียกว่า 4-อะมิโนบิวทีเรตสับเปลี่ยน) คือการแปลง KG ให้เป็นซัคซิเนตผ่านกลูตาเมต 4-อะมิโนบิวทีเรต และซัคซินิกเซมิอัลดีไฮด์ (กรด 3-ฟอร์มิลโพรพิโอนิก) การปรับเปลี่ยนนี้มีความสำคัญในเนื้อเยื่อสมอง โดยที่กลูโคสประมาณ 10% จะถูกสลายไปตามเส้นทางนี้

การมีเพศสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดของวงจร Krebs กับลูกโซ่ทางเดินหายใจ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในไมโตคอนเดรียของสัตว์ รวมถึงการยับยั้งเอนไซม์ส่วนใหญ่ของวงจรภายใต้อิทธิพลของ ATP จะกำหนดการลดลงของกิจกรรมของวงจรที่มีศักยภาพฟอสโฟรีลสูงของ เซลล์เช่น ที่อัตราส่วนความเข้มข้น ATP/ADP สูง ในพืช แบคทีเรีย และเชื้อราส่วนใหญ่ การมีเพศสัมพันธ์ที่แน่นแฟ้นจะถูกเอาชนะโดยการพัฒนาวิถีออกซิเดชันทางเลือกที่ไม่ควบคู่ ซึ่งช่วยให้สามารถรักษาการหายใจและการทำงานของวงจรไปพร้อมๆ กันในระดับสูงแม้จะมีศักยภาพของฟอสโฟรีลสูงก็ตาม

อิกอร์ ราปาโนวิช

วงจรกรดไตรคาร์บอกซิลิก

ก่อนหน้า

← 1 2 3 ถัดไป

วรรณกรรม

Strayer L. ชีวเคมี ต่อ. จากอังกฤษ เอ็ม. มีร์ 2528

Bohinski R. มุมมองสมัยใหม่ทางชีวเคมี แปลจากภาษาอังกฤษ, M., Mir, 1987

คนอร์ ดี.จี., ไมซินา เอส.ดี. เคมีชีวภาพ ม., มัธยมปลาย, 2546

โคลมาน เจ., เรม เค.-จี. ชีวเคมีเชิงภาพ ม. มีร์ 2004

ทุกคนรู้ดีว่าสำหรับการทำงานปกติร่างกายจำเป็นต้องได้รับสารอาหารจำนวนหนึ่งซึ่งจำเป็นต่อการเผาผลาญที่ดีต่อสุขภาพอย่างสม่ำเสมอและด้วยเหตุนี้ความสมดุลของกระบวนการผลิตพลังงานและค่าใช้จ่าย กระบวนการผลิตพลังงานดังที่ทราบกันดีว่าเกิดขึ้นในไมโตคอนเดรียซึ่งด้วยคุณสมบัตินี้จึงเรียกว่าศูนย์กลางพลังงานของเซลล์ และลำดับของปฏิกิริยาเคมีที่ให้พลังงานแก่การทำงานของทุกเซลล์ในร่างกายเรียกว่า วงจรเครบส์

วงจร Krebs - ปาฏิหาริย์ที่เกิดขึ้นในไมโตคอนเดรีย

พลังงานที่ได้รับจากวัฏจักรเครบส์ (เช่น วัฏจักร TCA - วัฏจักรกรดไตรคาร์บอกซิลิก) จะไปตามความต้องการของเซลล์แต่ละเซลล์ ซึ่งจะกลายเป็นเนื้อเยื่อต่างๆ และอวัยวะและระบบต่างๆ ในร่างกายของเราตามลำดับ เนื่องจากร่างกายไม่สามารถดำรงอยู่ได้หากไม่มีพลังงาน ไมโตคอนเดรียจึงทำงานอย่างต่อเนื่องเพื่อจัดหาพลังงานให้กับเซลล์ที่ต้องการอย่างต่อเนื่อง

อะดีโนซีนไตรฟอสเฟต (ATP) - สารประกอบนี้เป็นแหล่งพลังงานสากลที่จำเป็นสำหรับกระบวนการทางชีวเคมีทั้งหมดในร่างกายของเรา

วัฏจักร TCA เป็นวิถีทางเมแทบอลิซึมส่วนกลาง ซึ่งเป็นผลมาจากการออกซิเดชันของสารเมตาบอไลต์เสร็จสมบูรณ์:

• กรดไขมัน;
• กรดอะมิโน;
• โมโนแซ็กคาไรด์

ในระหว่างการสลายแบบแอโรบิก ชีวโมเลกุลเหล่านี้จะแตกตัวเป็นโมเลกุลขนาดเล็กที่ใช้ในการผลิตพลังงานหรือสังเคราะห์โมเลกุลใหม่

วัฏจักรของกรดไตรคาร์บอกซิลิกประกอบด้วย 8 ระยะ ได้แก่ ปฏิกิริยา:

1. การก่อตัวของกรดซิตริก:

2. การก่อตัวของกรดไอโซตริก:

3. ดีไฮโดรจีเนชันและดีคาร์บอกซิเลชันโดยตรงของกรดไอโซตริก

4. ดีคาร์บอกซิเลชันแบบออกซิเดชันของกรดα-ketoglutaric

5. ฟอสโฟรีเลชั่นของสารตั้งต้น

6. การดีไฮโดรจีเนชันของกรดซัคซินิกด้วยซัคซิเนตดีไฮโดรจีเนส

7. การสร้างกรดมาลิกโดยเอนไซม์ฟูมาเรส

8. การก่อตัวของออกซาลาซิเตต

ดังนั้นหลังจากปฏิกิริยาที่ประกอบเป็นวัฏจักรเครบส์เสร็จสิ้นแล้ว:

• acetyl-CoA หนึ่งโมเลกุล (เกิดขึ้นจากการสลายกลูโคส) ถูกออกซิไดซ์เป็นคาร์บอนไดออกไซด์สองโมเลกุล
• โมเลกุล NAD สามโมเลกุลถูกรีดิวซ์เป็น NADH
• หนึ่งโมเลกุล FAD ลดลงเหลือ FADN 2;
• GTP หนึ่งโมเลกุล (เทียบเท่ากับ ATP) เกิดขึ้น

โมเลกุล NADH และ FADH 2 ทำหน้าที่เป็นพาหะของอิเล็กตรอนและใช้เพื่อสร้าง ATP ในขั้นตอนต่อไปของการเผาผลาญกลูโคส - ออกซิเดชั่นฟอสโฟรีเลชั่น

หน้าที่ของวงจรเครบส์:

• catabolic (ออกซิเดชันของอะซิติลที่ตกค้างของโมเลกุลเชื้อเพลิงไปสู่ผลิตภัณฑ์เมตาบอลิซึมขั้นสุดท้าย);
• อะนาโบลิก (สารตั้งต้นของวงจร Krebs - พื้นฐานสำหรับการสังเคราะห์โมเลกุลรวมถึงกรดอะมิโนและกลูโคส)
• บูรณาการ (TCC คือการเชื่อมโยงระหว่างปฏิกิริยาอะนาโบลิกและปฏิกิริยาแคทาบอลิซึม);
• ผู้บริจาคไฮโดรเจน (จัดหา 3 NADH.H + และ 1 FADH 2 ไปยังห่วงโซ่ทางเดินหายใจของไมโตคอนเดรีย)
• พลังงาน.

การขาดองค์ประกอบที่จำเป็นสำหรับการทำงานปกติของวงจร Krebs อาจนำไปสู่ปัญหาร้ายแรงในร่างกายที่เกี่ยวข้องกับการขาดพลังงาน

ด้วยความยืดหยุ่นในการเผาผลาญ ร่างกายจึงสามารถใช้ไม่เพียงแต่กลูโคสเป็นแหล่งพลังงานเท่านั้น แต่ยังรวมถึงไขมันด้วย ซึ่งการสลายนี้ยังสร้างโมเลกุลที่ก่อตัวเป็นกรดไพรูวิก (เกี่ยวข้องกับวงจรเครบส์) ดังนั้นวงจร TCA ที่ไหลอย่างเหมาะสมจึงให้พลังงานและส่วนประกอบสำหรับการก่อตัวของโมเลกุลใหม่

วงจรกรดไตรคาร์บอกซิลิก (KREBS CYCLE)

ไกลโคไลซิสจะแปลงกลูโคสให้เป็นไพรูเวตและสร้างโมเลกุล ATP ขึ้นมา 2 โมเลกุลจากโมเลกุลกลูโคส 1 โมเลกุล ซึ่งเป็นเพียงส่วนเล็กๆ ของพลังงานศักย์ของโมเลกุลนั้น

ภายใต้สภาวะแอโรบิก ไพรูเวตจะถูกแปลงจากไกลโคไลซิสเป็นอะซิติล-โคเอ และออกซิไดซ์เป็นคาร์บอนไดออกไซด์ในวงจรกรดไตรคาร์บอกซิลิก (วงจรกรดซิตริก) ในกรณีนี้ อิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาในปฏิกิริยาของวัฏจักรนี้จะผ่าน NADH และ FADH 2 ถึง 0 2 ซึ่งเป็นตัวรับสุดท้าย การขนส่งอิเล็กตรอนเกี่ยวข้องกับการสร้างการไล่ระดับโปรตอนในเยื่อหุ้มไมโตคอนเดรีย ซึ่งเป็นพลังงานที่ใช้สำหรับการสังเคราะห์ ATP อันเป็นผลมาจากออกซิเดชั่นฟอสโฟรีเลชั่น ลองพิจารณาปฏิกิริยาเหล่านี้

ภายใต้สภาวะแอโรบิก กรดไพรูวิก (ระยะที่ 1) จะผ่านปฏิกิริยาออกซิเดชันดีคาร์บอกซิเลชัน ซึ่งมีประสิทธิภาพมากกว่าการเปลี่ยนรูปเป็นกรดแลคติค โดยมีการก่อตัวของอะซิติล-CoA (ระยะที่ 2) ซึ่งสามารถออกซิไดซ์เป็นผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายของการสลายกลูโคส - CO 2 และ H 2 0 (ระยะที่ 3) G. Krebs (1900-1981) นักชีวเคมีชาวเยอรมัน ได้ศึกษาการเกิดออกซิเดชันของกรดอินทรีย์แต่ละชนิด แล้วรวมปฏิกิริยาของพวกมันเข้าด้วยกันเป็นวัฏจักรเดียว ดังนั้นวัฏจักรของกรดไตรคาร์บอกซิลิกจึงมักถูกเรียกว่าวัฏจักรเครบส์เพื่อเป็นเกียรติแก่เขา

ออกซิเดชันของกรดไพรูวิคต่ออะซิติลโคเอเกิดขึ้นในไมโตคอนเดรียโดยมีส่วนร่วมของเอนไซม์สามชนิด (ไพรูเวทดีไฮโดรจีเนส, ไลโปเอไมด์ดีไฮโดรจีเนส, ไลโปอิลอะซิติลทรานสเฟอเรส) และโคเอ็นไซม์ห้าชนิด (NAD, FAD, ไทอามีนไพโรฟอสเฟต, กรดไลโปอิกเอไมด์, โคเอ็นไซม์ A) โคเอ็นไซม์ทั้งสี่นี้มีวิตามินบี (B x, B 2, B 3, B 5) ซึ่งบ่งชี้ถึงความจำเป็นของวิตามินเหล่านี้สำหรับการเกิดออกซิเดชันตามปกติของคาร์โบไฮเดรต ภายใต้อิทธิพลของระบบเอนไซม์ที่ซับซ้อนนี้ ไพรูเวตจะถูกแปลงเป็นปฏิกิริยาออกซิเดชั่นดีคาร์บอกซิเลชันให้กลายเป็นกรดอะซิติก - อะซิติลโคเอ็นไซม์ A:

ภายใต้สภาวะทางสรีรวิทยา ไพรูเวตดีไฮโดรจีเนสเป็นเอนไซม์ที่ไม่สามารถย้อนกลับได้โดยเฉพาะ ซึ่งอธิบายถึงความเป็นไปไม่ได้ที่จะเปลี่ยนกรดไขมันให้เป็นคาร์โบไฮเดรต

การมีพันธะพลังงานสูงในโมเลกุลอะซิติล-CoA บ่งชี้ถึงปฏิกิริยาสูงของสารประกอบนี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง acetyl-CoA สามารถออกฤทธิ์ในไมโตคอนเดรียเพื่อสร้างพลังงาน ในตับ acetyl-CoA ส่วนเกินจะถูกใช้สำหรับการสังเคราะห์คีโตนบอดี ในไซโตโซลจะมีส่วนร่วมในการสังเคราะห์โมเลกุลที่ซับซ้อน เช่น สเตียรอยด์และกรดไขมัน

Acetyl-CoA ที่ได้จากปฏิกิริยาออกซิเดชั่นดีคาร์บอกซิเลชันของกรดไพรูวิกจะเข้าสู่วงจรกรดไตรคาร์บอกซิลิก (วงจรเครบส์) วัฏจักรเครบส์ ซึ่งเป็นวิถีทางแคแทบอลิซึมขั้นสุดท้ายสำหรับการเกิดออกซิเดชันของคาร์โบไฮเดรต ไขมัน และกรดอะมิโน โดยพื้นฐานแล้วคือ "หม้อต้มเมตาบอลิซึม" ปฏิกิริยาของวงจรเครบส์ซึ่งเกิดขึ้นเฉพาะในไมโตคอนเดรีย เรียกอีกอย่างว่าวงจรกรดซิตริกหรือวงจรกรดไตรคาร์บอกซิลิก (วงจร TCA)

หน้าที่ที่สำคัญที่สุดประการหนึ่งของวัฏจักรกรดไตรคาร์บอกซิลิกคือการสร้างโคเอ็นไซม์รีดิวซ์ (3 โมเลกุลของ NADH + H + และ 1 โมเลกุลของ FADH 2) ตามด้วยการถ่ายโอนอะตอมไฮโดรเจนหรืออิเล็กตรอนของพวกมันไปยังตัวรับสุดท้าย - ออกซิเจนโมเลกุล การขนส่งนี้มาพร้อมกับพลังงานอิสระที่ลดลงอย่างมากซึ่งส่วนหนึ่งใช้ในกระบวนการออกซิเดชั่นฟอสโฟรีเลชั่นเพื่อจัดเก็บในรูปของ ATP เป็นที่ชัดเจนว่าวัฏจักรของกรดไตรคาร์บอกซิลิกนั้นเป็นแบบแอโรบิกและขึ้นอยู่กับออกซิเจน

1. ปฏิกิริยาเริ่มต้นของวัฏจักรกรดไตรคาร์บอกซิลิกคือการควบแน่นของอะซิติล-โคเอและกรดออกซาโลอะซิติก โดยการมีส่วนร่วมของเอนไซม์ซิเตรตซิเตรตของไมโตคอนเดรียเมทริกซ์เพื่อสร้างกรดซิตริก

2. ภายใต้อิทธิพลของเอนไซม์อะโคนิเทสซึ่งกระตุ้นการกำจัดโมเลกุลของน้ำออกจากซิเตรตส่วนหลังจะเปลี่ยน

ไปจนถึงกรดซิส-อะโคนิติก น้ำรวมกับกรดซิส-อะโคนิติก กลายเป็นกรดไอโซตริก

3. จากนั้นเอนไซม์ไอโซซิเตรต ดีไฮโดรจีเนสจะกระตุ้นปฏิกิริยาดีไฮโดรจีเนสแรกของวงจรกรดซิตริก เมื่อกรดไอโซซิตริกถูกแปลงโดยออกซิเดชันดีคาร์บอกซิเลชันเป็นกรด α-คีโตกลูตาริก:

ในปฏิกิริยานี้ โมเลกุลแรกของ CO 2 และโมเลกุลแรกของวงจร NADH 4- H + จะเกิดขึ้น

4. การแปลงเพิ่มเติมของกรด α-ketoglutaric ไปเป็น succinyl-CoA จะถูกเร่งปฏิกิริยาโดย multienzyme complex ของ α-ketoglutaric dehydrogenase ปฏิกิริยานี้คล้ายคลึงทางเคมีกับปฏิกิริยาไพรูเวตดีไฮโดรจีเนส มันเกี่ยวข้องกับกรดไลโปอิก, ไทอามีนไพโรฟอสเฟต, HS-KoA, NAD +, FAD

จากปฏิกิริยานี้ โมเลกุล NADH + H + และ CO 2 จึงเกิดขึ้นอีกครั้ง

5. โมเลกุลซัคซินิล-CoA มีพันธะพลังงานสูง ซึ่งพลังงานของพันธะนั้นจะถูกเก็บไว้ในปฏิกิริยาถัดไปในรูปของ GTP ภายใต้อิทธิพลของเอนไซม์ succinyl-CoA synthetase succinyl-CoA จะถูกแปลงเป็นกรดซัคซินิกอิสระ โปรดทราบว่ากรดซัคซินิกสามารถหาได้จากเมทิลมาโลนิล-โคเอโดยการออกซิเดชันของกรดไขมันที่มีอะตอมของคาร์บอนเป็นจำนวนคี่

ปฏิกิริยานี้เป็นตัวอย่างของสารตั้งต้นฟอสโฟรีเลชั่นเนื่องจากโมเลกุล GTP พลังงานสูงในกรณีนี้เกิดขึ้นโดยไม่ต้องมีส่วนร่วมของห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนและออกซิเจน

6. กรดซัคซินิกถูกออกซิไดซ์เป็นกรดฟูมาริกในปฏิกิริยาซัคซิเนตดีไฮโดรจีเนส Succinate dehydrogenase ซึ่งเป็นเอนไซม์ที่มีธาตุเหล็กและกำมะถันโดยทั่วไปซึ่งมีโคเอ็นไซม์คือ FAD ซัคซิเนต ดีไฮโดรจีเนสเป็นเอนไซม์เพียงชนิดเดียวที่ยึดอยู่กับเยื่อหุ้มไมโตคอนเดรียชั้นใน ในขณะที่เอนไซม์วัฏจักรอื่นๆ ทั้งหมดจะอยู่ในเมทริกซ์ไมโตคอนเดรีย

7. ตามด้วยการให้ความชุ่มชื้นของกรดฟูมาริกเป็นกรดมาลิกภายใต้อิทธิพลของเอนไซม์ฟูมาเรสในปฏิกิริยาแบบผันกลับได้ภายใต้สภาวะทางสรีรวิทยา:

8. ปฏิกิริยาสุดท้ายของวัฏจักรกรดไตรคาร์บอกซิลิกคือปฏิกิริยามาเลตดีไฮโดรจีเนสโดยการมีส่วนร่วมของเอนไซม์ที่ใช้งานอยู่ไมโตคอนเดรีย NAD~-ขึ้นอยู่กับมาเลตดีไฮโดรจีเนสซึ่งโมเลกุลที่สามของ NADH + H + ที่ลดลงเกิดขึ้น:

การก่อตัวของกรดออกซาโลอะซิติก (ออกซาโลอะซิเตต) จะทำให้วัฏจักรกรดไตรคาร์บอกซิลิกครบหนึ่งรอบ กรดออกซาอะซิติกสามารถใช้ในการออกซิเดชันของโมเลกุลที่สองของอะซิติล-โคเอ และวัฏจักรของปฏิกิริยานี้สามารถทำซ้ำได้หลายครั้ง ซึ่งนำไปสู่การผลิตกรดออกซาโลอะซิติกอย่างต่อเนื่อง

ดังนั้นการออกซิเดชันของหนึ่งโมเลกุลของ acetyl-CoA ในวงจร TCA ในฐานะสารตั้งต้นของวงจรทำให้เกิดการผลิต GTP หนึ่งโมเลกุล NADP + H + หนึ่งโมเลกุลและหนึ่งโมเลกุลของ FADH 2 ออกซิเดชันของสารรีดิวซ์เหล่านี้ในสายโซ่ออกซิเดชันทางชีวภาพ

lenition นำไปสู่การสังเคราะห์เอทีพี 12 โมเลกุล การคำนวณนี้ชัดเจนจากหัวข้อ "ออกซิเดชันทางชีวภาพ": การรวม NAD + โมเลกุลหนึ่งโมเลกุลในระบบขนส่งอิเล็กตรอนจะมาพร้อมกับการก่อตัวของโมเลกุล ATP 3 ตัวในท้ายที่สุดการรวมโมเลกุล FADH 2 ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการก่อตัวของโมเลกุล ATP 2 ตัว และหนึ่งโมเลกุล GTP เทียบเท่ากับ 1 โมเลกุล ATP

โปรดทราบว่าอะตอมของคาร์บอน 2 อะตอมของ adetyl-CoA จะเข้าสู่วัฏจักรกรดไตรคาร์บอกซิลิก และอะตอมของคาร์บอน 2 อะตอมจะออกจากวัฏจักรเป็น CO 2 ในปฏิกิริยาดีคาร์บอกซิเลชันที่เร่งปฏิกิริยาโดยไอโซซิเตรต ดีไฮโดรจีเนสและอัลฟา-คีโตกลูตาเรต ดีไฮโดรจีเนส

ด้วยการเกิดออกซิเดชันที่สมบูรณ์ของโมเลกุลกลูโคสภายใต้สภาวะแอโรบิกถึง C0 2 และ H 2 0 การก่อตัวของพลังงานในรูปของ ATP คือ:

• ATP 4 โมเลกุลระหว่างการแปลงโมเลกุลกลูโคสเป็น 2 โมเลกุลของกรดไพรูวิก (ไกลโคไลซิส)
• 6 โมเลกุล ATP เกิดขึ้นในปฏิกิริยา 3-phosphoglyceraldehyde dehydrogenase (glycolysis);
• 30 โมเลกุล ATP เกิดขึ้นในระหว่างการออกซิเดชันของกรดไพรูวิกสองโมเลกุลในปฏิกิริยาไพรูเวตดีไฮโดรจีเนสและในการเปลี่ยนแปลงต่อมาของโมเลกุลอะซิติล-CoA สองโมเลกุลเป็น CO 2 และ H 2 0 ในวัฏจักรกรดไตรคาร์บอกซิลิก ดังนั้นพลังงานทั้งหมดที่ส่งออกจากการเกิดออกซิเดชันโดยสมบูรณ์ของโมเลกุลกลูโคสจึงสามารถเป็น 40 ATP โมเลกุล อย่างไรก็ตามควรคำนึงถึงว่าในระหว่างการออกซิเดชั่นของกลูโคสโมเลกุล ATP สองตัวจะถูกใช้ในขั้นตอนของการแปลงกลูโคสเป็นกลูโคส -6-ฟอสเฟตและในขั้นตอนของการแปลงฟรุกโตส-6-ฟอสเฟตเป็นฟรุกโตส-1,6- ไดฟอสเฟต ดังนั้นพลังงาน "สุทธิ" ที่ได้จากการออกซิเดชันของโมเลกุลกลูโคสคือ 38 ATP โมเลกุล

คุณสามารถเปรียบเทียบพลังของไกลโคไลซิสแบบไม่ใช้ออกซิเจนและการเร่งปฏิกิริยาแบบแอโรบิกของกลูโคสได้ จากพลังงาน 688 กิโลแคลอรีที่มีอยู่ในทฤษฎีในกลูโคส 1 กรัม (180 กรัม) โมเลกุล 1 กรัม 20 กิโลแคลอรีอยู่ในโมเลกุล ATP สองโมเลกุลที่เกิดขึ้นในปฏิกิริยาของไกลโคไลซิสแบบไม่ใช้ออกซิเจน และ 628 กิโลแคลอรีในทางทฤษฎียังคงอยู่ในรูปของกรดแลคติค

ภายใต้สภาวะแอโรบิกจาก 688 กิโลแคลอรีของโมเลกุลกรัมของกลูโคสใน 38 ATP โมเลกุลจะได้ 380 กิโลแคลอรี ดังนั้นประสิทธิภาพของการใช้กลูโคสภายใต้สภาวะแอโรบิกจึงสูงกว่าไกลโคไลซิสแบบไม่ใช้ออกซิเจนประมาณ 19 เท่า

ควรสังเกตว่าปฏิกิริยาออกซิเดชันทั้งหมด (ออกซิเดชันของไตรโรสฟอสเฟต, กรดไพรูวิค, ปฏิกิริยาออกซิเดชั่นสี่ประการของวงจรกรดไตรคาร์บอกซิลิก) แข่งขันกันในการสังเคราะห์ ATP จาก ADP และฟอสฟอรัส (ผลของปาสเตอร์) ซึ่งหมายความว่าโมเลกุลผลลัพธ์ NADH + H + ในปฏิกิริยาออกซิเดชันมีตัวเลือกระหว่างปฏิกิริยาของระบบทางเดินหายใจ การถ่ายโอนไฮโดรเจนไปเป็นออกซิเจน และเอนไซม์ LDH ถ่ายโอนไฮโดรเจนไปเป็นกรดไพรูวิก

ในระยะแรกของวงจรกรดไตรคาร์บอกซิลิก กรดของกรดสามารถออกจากวงจรเพื่อมีส่วนร่วมในการสังเคราะห์สารประกอบของเซลล์อื่นๆ โดยไม่รบกวนการทำงานของวงจรเอง ปัจจัยต่างๆ ที่เกี่ยวข้องในการควบคุมกิจกรรมของวงจรกรดไตรคาร์บอกซิลิก ในหมู่พวกเขา การจัดหาโมเลกุล acetyl-CoA เป็นหลัก กิจกรรมของไพรูเวตดีไฮโดรจีเนสคอมเพล็กซ์ กิจกรรมของส่วนประกอบของห่วงโซ่ระบบทางเดินหายใจ และออกซิเดชันฟอสโฟรีเลชันที่เกี่ยวข้อง รวมถึงระดับของกรดออกซาโลอะซิติก ควรกล่าวถึง

โมเลกุลออกซิเจนไม่ได้เกี่ยวข้องโดยตรงกับวัฏจักรของกรดไตรคาร์บอกซิลิก แต่ปฏิกิริยาของมันจะเกิดขึ้นภายใต้สภาวะแอโรบิกเท่านั้น เนื่องจาก NAD ~ และ FAD สามารถสร้างขึ้นใหม่ในไมโตคอนเดรียโดยการถ่ายโอนอิเล็กตรอนไปยังออกซิเจนโมเลกุลเท่านั้น ควรเน้นย้ำว่าไกลโคไลซิสซึ่งตรงกันข้ามกับวัฏจักรของกรดไตรคาร์บอกซิลิกก็เป็นไปได้เช่นกันภายใต้สภาวะไร้ออกซิเจน เนื่องจาก NAD~ ถูกสร้างขึ้นใหม่ในระหว่างการเปลี่ยนกรดไพรูวิกไปเป็นกรดแลกติก

นอกจากการก่อตัวของ ATP แล้ว วัฏจักรของกรดไตรคาร์บอกซิลิกยังมีความหมายที่สำคัญอีกประการหนึ่ง: วัฏจักรนี้ให้โครงสร้างตัวกลางสำหรับการสังเคราะห์ทางชีวภาพต่างๆ ของร่างกาย ตัวอย่างเช่น อะตอมของพอร์ไฟรินส่วนใหญ่มาจากซัคซินิล-โคเอ กรดอะมิโนหลายชนิดเป็นอนุพันธ์ของกรดอัลฟ่า-คีโตกลูตาริกและออกซาโลอะซิติก และกรดฟูมาริกเกิดขึ้นในกระบวนการสังเคราะห์ยูเรีย สิ่งนี้แสดงให้เห็นถึงความสมบูรณ์ของวงจรกรดไตรคาร์บอกซิลิกในการเผาผลาญคาร์โบไฮเดรต ไขมัน และโปรตีน

เมื่อแสดงปฏิกิริยาไกลโคไลซิส ความสามารถของเซลล์ส่วนใหญ่ในการสร้างพลังงานจะอยู่ที่ไมโตคอนเดรีย จำนวนไมโตคอนเดรียในเนื้อเยื่อต่างๆ สัมพันธ์กับการทำงานทางสรีรวิทยาของเนื้อเยื่อ และสะท้อนถึงความสามารถในการมีส่วนร่วมในสภาวะแอโรบิก ตัวอย่างเช่น เซลล์เม็ดเลือดแดงไม่มีไมโตคอนเดรีย ดังนั้นจึงไม่มีความสามารถในการสร้างพลังงานโดยใช้ออกซิเจนเป็นตัวรับอิเล็กตรอนตัวสุดท้าย อย่างไรก็ตาม ในการทำงานของกล้ามเนื้อหัวใจภายใต้สภาวะแอโรบิก ปริมาตรครึ่งหนึ่งของไซโตพลาสซึมของเซลล์จะแสดงโดยไมโตคอนเดรีย ตับยังขึ้นอยู่กับสภาวะแอโรบิกสำหรับการทำงานต่างๆ และเซลล์ตับของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมมีไมโตคอนเดรียมากถึง 2,000 ไมโตคอนเดรียต่อเซลล์

ไมโตคอนเดรียประกอบด้วยเยื่อหุ้มสองอัน - ด้านนอกและด้านใน เยื่อหุ้มชั้นนอกนั้นเรียบง่ายกว่า ประกอบด้วยไขมัน 50% และโปรตีน 50% และมีหน้าที่ค่อนข้างน้อย เมมเบรนชั้นในมีโครงสร้างและการใช้งานที่ซับซ้อนมากขึ้น ประมาณ 80% ของปริมาตรคือโปรตีน ประกอบด้วยเอนไซม์ส่วนใหญ่ที่เกี่ยวข้องกับการขนส่งอิเล็กตรอนและออกซิเดชั่นฟอสโฟรีเลชั่น ตัวกลางการเผาผลาญ และนิวคลีโอไทด์ของอะดีนีนระหว่างไซโตโซลและเมทริกซ์ไมโตคอนเดรีย

นิวคลีโอไทด์ต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยารีดอกซ์ เช่น NAD +, NADH, NADP +, FAD และ FADH 2 จะไม่ทะลุผ่านเยื่อหุ้มไมโตคอนเดรียชั้นใน Acetyl-CoA ไม่สามารถเคลื่อนที่จากช่องไมโตคอนเดรียไปยังไซโตโซลได้ ซึ่งจำเป็นสำหรับการสังเคราะห์กรดไขมันหรือสเตอรอล ดังนั้น intramitochondrial acetyl-CoA จะถูกแปลงเป็นปฏิกิริยาซิเตรตซินเทสของวงจรกรดไตรคาร์บอกซิลิกและเข้าสู่ไซโตโซลในรูปแบบนี้

วัฏจักร TCA เป็นขั้นตอนสุดท้ายของแคแทบอลิซึมของคาร์โบไฮเดรต ลิพิด และโปรตีน โดยในระหว่างนั้นอะเซทิลสองคาร์บอนจะสลายตัวเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ 2 โมเลกุล

1. ปฏิกิริยาเริ่มต้นคือการควบแน่นของอะซิติลและโมเลกุลออกซาโลอะซิเตตเพื่อสร้างกรดซิตริก (ซิเตรต)

เอนไซม์: ซิเตรตสังเคราะห์อัตราการเกิดปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับปริมาณของออกซาโลอะซิเตต ซึ่งเป็นทั้งสารตั้งต้นและตัวกระตุ้นอัลโลสเตอริกสำหรับซิเตรตซินเทส

2. การแปลงกรดซิตริกเป็นกรดไอโซซิตริก (ซิเตรตเป็นไอโซซิเตรต) ปฏิกิริยาเกิดขึ้นในสองขั้นตอนด้วยการก่อตัวของผลิตภัณฑ์ระดับกลางคือกรด cis-aconitic

เอนไซม์: อะโคนิเทสภายใต้สภาวะของเซลล์ ความสมดุลในระบบของปฏิกิริยาทั้งสองนี้จะเลื่อนไปทางการก่อตัวของไอโซซิเตรต เนื่องจากการสูญเสียอย่างต่อเนื่องในปฏิกิริยาที่ตามมา

3. ออกซิเดชัน (ดีไฮโดรจีเนชัน) ของกรดไอโซซิตริก (ไอโซซิเตรต) นี่เป็นปฏิกิริยาดีไฮโดรจีเนชันครั้งแรกในวงจร TCA และทำหน้าที่เป็นแหล่งพลังงานที่มีศักยภาพ ในระหว่างปฏิกิริยานี้ โมเลกุลแรกของคาร์บอนไดออกไซด์จะถูกกำจัดออกไป

เอนไซม์ : ไอโซซิเตรตดีไฮโดรจีเนส. มี NAD+ เป็นโคเอ็นไซม์ นี่คือเอนไซม์ควบคุมหลักของวัฏจักรซึ่งมีเอฟเฟกต์: แอคติเวเตอร์ - NAD +, ตัวยับยั้ง - NADH

เนื่องจากผลิตภัณฑ์ขั้นกลางเริ่มต้นของกระบวนการภายใต้การศึกษาคือกรดไตรคาร์บอกซิลิกจึงเรียกว่าวัฏจักรของกรดไตรคาร์บอกซิลิกและตามนักวิจัย - วงจรเครบส์

4. ดีคาร์บอกซิเลชันแบบออกซิเดชันของกรดเอ-คีโตกลูตาริก นี่เป็นปฏิกิริยาดีไฮโดรจีเนชันครั้งที่สองในวงจร TCA และปฏิกิริยาที่สองที่มาพร้อมกับการก่อตัวของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย - CO 2 ความสมดุลในปฏิกิริยานี้เลื่อนไปทางขวาจนถือได้ว่าไม่สามารถกลับคืนสภาพทางสรีรวิทยาได้

เอนไซม์:มัลติเอนไซม์คอมเพล็กซ์ เอ- คีโตกลูตาเรตดีไฮโดรจีเนส. คอมเพล็กซ์ประกอบด้วย 3 เอนไซม์:

1. เอ-คีโตกลูตาเรต ดีคาร์บอกซิเลส

2. ทรานอะไซเลส

3. ไดไฮโดรลิโพอิล ดีไฮโดรจีเนส

คอมเพล็กซ์ประกอบด้วยโคเอนไซม์ 5 ชนิด: TDP, กรดไลโปอิก, NS-CoA, FAD, NAD +

5. ปฏิกิริยาของฟอสโฟรีเลชั่นของสารตั้งต้น III

ปฏิกิริยานี้เกี่ยวข้องกับการก่อตัวของ ATP

เอนไซม์: succinate ไทโอไคเนส

ฟอสโฟรีเลชั่นของสารตั้งต้นนี่เป็นวิธีการสังเคราะห์ ATP หรือ GTP โดยใช้พลังงานของโมเลกุลพลังงานสูง บทบาททางชีววิทยาของกระบวนการนี้คือการผลิต ATP อย่างรวดเร็วในเซลล์โดยไม่ต้องใช้ออกซิเจน

6. ออกซิเดชันของกรดซัคซินิก (succinate) ปฏิกิริยาดีไฮโดรจีเนชันครั้งที่ 3

เอนไซม์:ซัคซิเนตดีไฮโดรจีเนสมี FAD เป็นโคเอ็นไซม์ นี่เป็นเอนไซม์วงจร TCA เดียวที่ไม่ได้อยู่ในส่วนที่ละลายน้ำได้ของเมทริกซ์ แต่เกี่ยวข้องกับเยื่อหุ้มไมโตคอนเดรียชั้นใน กรดมาโลนิกซึ่งเป็นอะนาลอกเชิงโครงสร้างของกรดซัคซินิกสามารถใช้เป็นตัวยับยั้งการแข่งขันของเอนไซม์นี้ได้

7. การก่อตัวของกรดมาลิก (มาเลต)

เอนไซม์: ฟูมาเรสเอนไซม์นี้มีความจำเพาะทางสเตอริโอเคมีและสามารถเติมน้ำที่พันธะคู่เฉพาะในโครงสร้างทรานส์เท่านั้น

8. ออกซิเดชันของกรดมาลิก (มาเลต) – ปฏิกิริยาดีไฮโดรจีเนชันครั้งที่ 4

เอนไซม์: มาเลตดีไฮโดรจีเนสมี NAD+ เป็นโคเอ็นไซม์

ออกซาโลอะซิเตตที่เกิดขึ้นระหว่างปฏิกิริยายังเป็นสารตั้งต้นเริ่มต้น ซึ่งทำให้กระบวนการเป็นวงจร

บทบาททางชีวภาพของวัฏจักรเครบส์ :

วัฏจักร TCA เป็นวิถีทางเมแทบอลิซึมส่วนกลางที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงของชีวโมเลกุลประเภทอื่นๆ ทั้งหมด ทำหน้าที่หลักสองอย่าง

1. ฟังก์ชันพลังงาน วัฏจักร TCA เป็นผู้จัดหาไฮโดรเจนหลักในองค์ประกอบของ NADH และ FADH 2 ไปยังระบบทางเดินหายใจ ต่อจากนั้น e ที่มีอยู่ในไฮโดรเจนเหล่านี้จะถูกถ่ายโอนโดยการมีส่วนร่วมของเอนไซม์ของห่วงโซ่ทางเดินหายใจไปยังออกซิเจนด้วยการก่อตัวของผลิตภัณฑ์ออกซิเดชันสุดท้าย - น้ำและพลังงานที่ปล่อยออกมาในกรณีนี้จะถูกนำมาใช้สำหรับการสังเคราะห์ ATP วงจร TCA เป็นกระบวนการแอโรบิกที่ต้องให้ออกซิเจนมีส่วนร่วมอย่างต่อเนื่อง ในกรณีที่ไม่มีออกซิเจน การสะสมของ NADH และ FADH รูปแบบลดลงจะเกิดขึ้น และเป็นผลให้เกิดการยับยั้งปฏิกิริยาดีไฮโดรจิเนชันของวัฏจักร TCA

นอกจากนี้ในระหว่างปฏิกิริยาวัฏจักร TCA GTP 1 โมลจะเกิดขึ้นในปฏิกิริยาฟอสโฟรีเลชั่นของสารตั้งต้น

2. ฟังก์ชันแอมฟิโบลิก

ภายใต้ ฟังก์ชันสะเทินน้ำสะเทินบกของวัฏจักรเครบส์เข้าใจการใช้ตัวกลาง (ผลิตภัณฑ์ตัวกลาง) ของวงจรในการสังเคราะห์โมเลกุลอื่น ๆ ตัวอย่างเช่น ซัคซินิล-โคเอเป็นสารประกอบเริ่มต้นในการสังเคราะห์ฮีม a-ketoglutarate - กรดอะมิโน (กลูตาเมต, กลูตามีน, โพรลีน, ฮิสทิดีน)

การใช้ผลิตภัณฑ์ระดับกลางของวงจร Krebs สำหรับกระบวนการสังเคราะห์ทำให้ระดับของ oxaloacetate ในไมโตคอนเดรียลดลงการยับยั้งวงจรและการหยุดชะงักของการเผาผลาญพลังงาน เพื่อป้องกันไม่ให้สิ่งนี้เกิดขึ้น มีปฏิกิริยาในไมโตคอนเดรียที่เติมเต็มสระออกซาโลอะซิเตต

ปฏิกิริยาที่เติมเต็มอุปทานของ oxaloacetate ในไมโตคอนเดรียเรียกว่า ภาวะไร้สมรรถภาพ

1. คาร์บอกซิเลชันของไพรูเวต:

เอนไซม์:ไพรูเวตคาร์บอกซิเลส

2. การปนเปื้อนของกรดแอสปาร์ติก:

แอสพาเทต + a-KG ออกซาโลอะซีเตต + กลูตาเมต

เอนไซม์: แอสพาเทตอะมิโนทรานสเฟอเรส

ระเบียบของวงจรเครบส์

การควบคุมดำเนินการผ่านสองกลไก:

1. ฟอสโฟรีเลชั่น-ดีฟอสโฟรีเลชั่น ที่ ATP ในระดับสูงในไมโตคอนเดรียฟอสโฟรีเลชั่นของเอนไซม์ตัวที่ 1 จะเกิดขึ้น - ซิเตรตสังเคราะห์และอัตราการเกิดปฏิกิริยาของวัฏจักรเครปเซียลดลง เมื่อ ATP ลดลงและการสะสม ADP เอนไซม์จะถูกดีฟอสโฟรีเลชั่นและกิจกรรมของมันเพิ่มขึ้น

2. การควบคุมอัลโลสเตอริก กลไกนี้ใช้เพื่อควบคุมเอนไซม์สองตัว

ซิเตรตสังเคราะห์กระตุ้นโดยออกซาโลอะซิเตต

ไอโซซิเตรตดีไฮโดรจีเนส(เอนไซม์ควบคุมหลัก) ถูกกระตุ้นโดย NAD + และถูกยับยั้งโดย NADH 2

เอ-คีโตกลูตาเรต ดีไฮโดรจีเนสถูกยับยั้งโดยผลิตภัณฑ์ที่ทำปฏิกิริยา - succinyl-CoA