วงจรเครบส์ - ระยะหลักและความสำคัญต่อระบบทางชีววิทยา วงจรเครบส์ วงจรเครบส์เป็นขั้นตอนสำคัญในการหายใจของเซลล์ที่ใช้ออกซิเจนทั้งหมด ซึ่งเป็นจุดตัดของเส้นทางการเผาผลาญต่างๆ ในร่างกาย วงจร Krebs ก่อให้เกิด

ในช่วงทศวรรษที่ 30 ของศตวรรษที่ 20 นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน Hans Krebs ร่วมกับนักเรียนของเขาได้ศึกษาการไหลเวียนของยูเรีย ในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 2 เครบส์ย้ายไปอังกฤษซึ่งเขาได้ข้อสรุปว่ากรดบางชนิดกระตุ้นกระบวนการต่างๆ ในร่างกายของเรา สำหรับการค้นพบครั้งนี้เขาได้รับรางวัลโนเบล

ดังที่คุณทราบ ศักยภาพด้านพลังงานของร่างกายขึ้นอยู่กับกลูโคสที่มีอยู่ในเลือดของเรา นอกจากนี้เซลล์ของร่างกายมนุษย์ยังมีไมโตคอนเดรียซึ่งช่วยในการแปรรูปกลูโคสเพื่อแปลงเป็นพลังงาน หลังจากการเปลี่ยนแปลงบางอย่าง กลูโคสจะถูกแปลงเป็นสารที่เรียกว่าอะดีโนซีน ไตรฟอสเฟต (ATP) ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานหลักสำหรับเซลล์ โครงสร้างของมันสามารถรวมเข้ากับโปรตีนได้ และสารประกอบนี้จะให้พลังงานแก่ระบบอวัยวะทั้งหมดของมนุษย์ กลูโคสไม่สามารถกลายเป็น ATP ได้โดยตรง ดังนั้นจึงมีการใช้กลไกที่ซับซ้อนเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ตามที่ต้องการ นี่คือวัฏจักรเครบส์

พูดง่ายๆ ก็คือ วัฏจักรเครบส์เป็นลูกโซ่ของปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นในทุกเซลล์ในร่างกายของเรา ซึ่งเรียกว่าวัฏจักรเพราะมันดำเนินต่อไปอย่างต่อเนื่อง ผลลัพธ์สุดท้ายของวงจรปฏิกิริยานี้คือการผลิตอะดีโนซีน ไตรฟอสเฟต ซึ่งเป็นสารที่แสดงถึงพื้นฐานพลังงานในการทำงานของร่างกาย วัฏจักรนี้เรียกอีกอย่างว่าการหายใจระดับเซลล์ เนื่องจากขั้นตอนส่วนใหญ่เกิดขึ้นพร้อมกับการมีส่วนร่วมของออกซิเจน นอกจากนี้หน้าที่ที่สำคัญที่สุดของวงจร Krebs นั้นมีความโดดเด่นนั่นคือพลาสติก (การก่อสร้าง) เนื่องจากในระหว่างวงจรองค์ประกอบที่สำคัญต่อชีวิตจะถูกสร้างขึ้น: คาร์โบไฮเดรต, กรดอะมิโน ฯลฯ

เพื่อดำเนินการทั้งหมดที่กล่าวมาข้างต้น จำเป็นต้องมีองค์ประกอบมากกว่าร้อยรายการ รวมถึงวิตามินด้วย หากไม่มีหรือขาดไปอย่างน้อยหนึ่งรายการ วงจรจะไม่มีประสิทธิภาพเพียงพอ ซึ่งจะนำไปสู่ความผิดปกติของระบบเผาผลาญทั่วร่างกายมนุษย์

ระยะของวงจรเครบส์

1. ขั้นตอนแรกคือการแยกโมเลกุลกลูโคสออกเป็นสองโมเลกุลของกรดไพรูวิก กรดไพรูวิคทำหน้าที่เผาผลาญที่สำคัญ การทำงานของตับขึ้นอยู่กับการกระทำของมันโดยตรง ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าสารประกอบนี้พบได้ในผลไม้บางชนิด ผลเบอร์รี่และแม้แต่น้ำผึ้ง มันถูกนำมาใช้อย่างประสบความสำเร็จในด้านความงามเพื่อต่อสู้กับเซลล์เยื่อบุผิวที่ตายแล้ว (gommage) นอกจากนี้จากปฏิกิริยาทำให้เกิดแลคเตต (กรดแลกติก) ซึ่งพบได้ในกล้ามเนื้อโครงร่าง เลือด (แม่นยำยิ่งขึ้นในเซลล์เม็ดเลือดแดง) และสมองของมนุษย์ องค์ประกอบสำคัญในการทำงานของหัวใจและระบบประสาท ปฏิกิริยาดีคาร์บอกซิเลชันเกิดขึ้นนั่นคือความแตกแยกของกลุ่มคาร์บอกซิล (กรด) ของกรดอะมิโนในระหว่างที่เกิดโคเอ็นไซม์ A - มันทำหน้าที่ขนส่งคาร์บอนในกระบวนการเผาผลาญต่างๆ เมื่อรวมกับโมเลกุลของออกซาโลอะซิเตต (กรดออกซาลิก) จะได้ซิเตรตซึ่งปรากฏในการแลกเปลี่ยนบัฟเฟอร์นั่นคือ "ตัวมันเอง" มีสารที่มีประโยชน์ในร่างกายของเราและช่วยให้ดูดซึมได้ ในขั้นตอนนี้ โคเอ็นไซม์ A จะถูกปล่อยออกมาจนหมด แถมเราได้โมเลกุลของน้ำด้วย ปฏิกิริยานี้ไม่สามารถย้อนกลับได้
2. ขั้นตอนที่สองมีลักษณะพิเศษคือการดีไฮโดรจีเนชัน (การแตกแยกของโมเลกุลน้ำ) จากซิเตรต ทำให้เราได้ซิส-อะโคนิเตต (กรดอะโคนิติก) ซึ่งช่วยในการสร้างไอโซซิเตรต โดยความเข้มข้นของสารนี้ คุณสามารถกำหนดคุณภาพของผลไม้หรือน้ำผลไม้ได้
3. ขั้นตอนที่สาม ในที่นี้หมู่คาร์บอกซิลจะถูกแยกออกจากกรดไอโซตริก ทำให้เกิดกรดคีโตกลูตาริก Alpha-ketoglutarate มีส่วนเกี่ยวข้องในการปรับปรุงการดูดซึมกรดอะมิโนจากอาหารที่เข้ามา ปรับปรุงการเผาผลาญ และป้องกันความเครียด NADH ก็ถูกสร้างขึ้นเช่นกัน - สารที่จำเป็นสำหรับการทำงานปกติของกระบวนการออกซิเดชั่นและเมแทบอลิซึมในเซลล์
4. ในขั้นต่อไป เมื่อกลุ่มคาร์บอกซิลถูกแยกออก จะเกิดซัคซินิล-โคเอ ซึ่งเป็นองค์ประกอบสำคัญในการสร้างสารอะนาโบลิก (โปรตีน ฯลฯ) กระบวนการไฮโดรไลซิสเกิดขึ้น (รวมกับโมเลกุลของน้ำ) และพลังงาน ATP จะถูกปล่อยออกมา
5. ในระยะต่อมา วงจรจะเริ่มปิด กล่าวคือ ซัคซิเนตจะสูญเสียโมเลกุลของน้ำอีกครั้ง ซึ่งเปลี่ยนเป็นฟูมาเรต (สารที่ส่งเสริมการถ่ายโอนไฮโดรเจนไปเป็นโคเอ็นไซม์) น้ำรวมตัวกับฟูมาเรตเพื่อสร้างมาเลต (กรดมาลิก) ซึ่งจะเกิดปฏิกิริยาออกซิไดซ์ ทำให้เกิดลักษณะออกซาโลอะซิเตตอีกครั้ง ในทางกลับกัน Oxaloacetate จะทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในกระบวนการข้างต้น ความเข้มข้นในไมโตคอนเดรียของเซลล์คงที่ แต่ค่อนข้างต่ำ

ดังนั้นเราจึงสามารถเน้นการทำงานที่สำคัญที่สุดของวงจรนี้:

• พลังงาน;
• อะนาโบลิก (การสังเคราะห์สารอินทรีย์ - กรดอะมิโน, โปรตีนไขมัน ฯลฯ );
• catabolic: การเปลี่ยนแปลงของสารบางชนิดให้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา - องค์ประกอบที่มีส่วนช่วยในการผลิตพลังงาน
• การขนส่ง โดยส่วนใหญ่ขนส่งไฮโดรเจนที่เกี่ยวข้องกับการหายใจของเซลล์

กระบวนการหมักแบบไม่ใช้ออกซิเจนทำหน้าที่เป็นแหล่งพลังงานหลักสำหรับสิ่งมีชีวิตทุกชนิดในช่วงเวลาที่ไม่มีออกซิเจนในชั้นบรรยากาศของโลก การปรากฏตัวของมันเปิดโอกาสใหม่ในการได้รับพลังงานโดยพื้นฐาน ออกซิเจนเป็นตัวออกซิไดซ์ที่ดี และการออกซิเดชันของสารอินทรีย์จะปล่อยพลังงานออกมามากกว่าในระหว่างการหมักหลายสิบเท่า ดังนั้นในระหว่างปฏิกิริยาออกซิเดชันของกลูโคส C 6 H 12 O 6 + 6O 2 → 6H 2 O + 6CO 2, 686 กิโลแคลอรีต่อพลังงานโมลจะถูกปล่อยออกมาในขณะที่ในระหว่างปฏิกิริยาการหมักแลคติกเพียง 47 กิโลแคลอรีต่อโมล

โดยธรรมชาติแล้ว เซลล์ต่างๆ เริ่มใช้ประโยชน์จากโอกาสใหม่ๆ การสังเคราะห์ ATP ภายใต้สภาวะแบบแอโรบิกนั้นมีประสิทธิภาพมากกว่าการสังเคราะห์แบบไม่ใช้ออกซิเจนมาก: หากการใช้กลูโคส 1 โมเลกุลในกระบวนการหมักทำให้เกิดโมเลกุล ATP 2 โมเลกุลจากนั้นในระหว่างออกซิเดชั่นฟอสโฟรีเลชั่น - ประมาณ 30 (ตามข้อมูลเก่า - 38) เราจะพูดถึงความสมดุลของพลังงานในบทที่ 12 เพิ่มเติม

สารอินทรีย์หลายชนิดผ่านการเปลี่ยนแปลงออกซิเดชั่น - สารตัวกลางของการเผาผลาญกรดอะมิโน, น้ำตาล, กรดไขมัน ฯลฯ มันจะไม่มีเหตุผลที่จะสร้างเส้นทางการเผาผลาญของตัวเองสำหรับพวกมันแต่ละตัว จะสะดวกกว่ามากในการออกซิไดซ์สารเหล่านี้ทั้งหมดก่อนด้วยสารออกซิไดซ์แบบรวมตัวเดียวจากนั้นจึงออกซิไดซ์ในรูปแบบที่ลดลงของ "สารออกซิไดซ์สากล" ด้วยออกซิเจน เซลล์ใช้นิโคตินาไมด์อะดีนีนไดนิวคลีโอไทด์ NAD เนื่องจากสารรีดอกซ์สากลเป็นตัวกลาง เราได้พูดถึงสารประกอบนี้ไปแล้วในบทที่ 10 ตามที่กล่าวไว้ในบทที่ 10 สารนี้สามารถมีอยู่ได้สองรูปแบบ: NAD ออกซิไดซ์ + และ NAD ∙H ที่ลดลง ในการแปลงรูปแบบแรกเป็นรูปแบบที่สอง จำเป็นต้องมีการจ่ายอิเล็กตรอนสองตัวและไอออน H + หนึ่งตัว

ระบบ มีบทบาทเป็นกระสวยรีดอกซ์โดยถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากสารอินทรีย์ต่าง ๆ ไปยังออกซิเจน: ในระยะแรก NAD + จะดึงอิเล็กตรอนออกจากสารอินทรีย์ออกไปในที่สุดจะออกซิไดซ์พวกมันเป็น CO 2 และ H 2 O (แน่นอนไม่ใช่ในขั้นตอนเดียว แต่ผ่านสารประกอบกลางจำนวนมาก) ในระยะที่สอง ออกซิเจนจะออกซิไดซ์ NAD∙H ที่เกิดขึ้นในระหว่างระยะแรก และคืนกลับสู่สถานะออกซิไดซ์

ดังนั้นในรูปแบบทั่วไปที่สุดชุดของปฏิกิริยาการสลายตัวของสารต่าง ๆ ภายใต้สภาวะแอโรบิก (นั่นคือเมื่อมีออกซิเจน) สามารถแสดงได้ดังนี้:

1)	สารประกอบอินทรีย์+
2)

ปฏิกิริยาระยะแรกเกิดขึ้นในไซโตพลาสซึมหรือในไมโตคอนเดรีย ในขณะที่ปฏิกิริยาระยะที่สองเกิดขึ้นเฉพาะในไมโตคอนเดรีย ในบทนี้เราจะพิจารณาเฉพาะปฏิกิริยาของกลุ่มแรกเท่านั้น และจะศึกษาปฏิกิริยาของกลุ่มที่สองในบทที่ 12

เซลล์นี้มีโคเอ็นไซม์อีกตัวหนึ่งคือ FAD (ฟลาวินอะดีนีนไดนิวคลีโอไทด์) ซึ่งทำหน้าที่เป็นกระสวยรีดอกซ์ด้วย แต่ใช้ในปฏิกิริยาน้อยกว่า NAD สังเคราะห์จากวิตามินบี 2 - ไรโบฟลาวิน

ลองดูวิถีทางเมแทบอลิซึมที่เฉพาะเจาะจง - การเปลี่ยนแปลงออกซิเดชันของกลูโคสและกรดไขมัน แอโรบิกไกลโคไลซิสเริ่มต้นด้วยปฏิกิริยาเดียวกันกับไกลโคไลซิสแบบไม่ใช้ออกซิเจนที่เราได้พูดคุยไปแล้ว (ดูบทที่ 10) อย่างไรก็ตาม ขั้นตอนสุดท้ายของกระบวนการจะดำเนินการแตกต่างออกไป เมื่อดำเนินการไกลโคไลซิสแบบไม่ใช้ออกซิเจน เซลล์ประสบปัญหา: จะใส่ NAD∙H ที่ลดลงได้ที่ไหนในระหว่างปฏิกิริยาดีไฮโดรจีเนสของกลีเซอรอลดีไฮด์-3-ฟอสเฟต หากไม่ถูกออกซิไดซ์กลับไปที่ NAD + กระบวนการจะหยุดอย่างรวดเร็วดังนั้นในไกลโคไลซิสแบบไม่ใช้ออกซิเจนปฏิกิริยาสุดท้าย - แลคเตตดีไฮโดรจีเนส - ทำหน้าที่อย่างแม่นยำเพื่อคืนโคเอ็นไซม์นี้กลับสู่รูปแบบดั้งเดิม ภายใต้สภาวะแอโรบิกจะไม่มีปัญหาดังกล่าว ในทางตรงกันข้าม ในกระบวนการเมแทบอลิซึมของออกซิเจน NAD∙H ทำหน้าที่เป็นแหล่งพลังงานอันมีค่า โดยระบบขนส่งพิเศษจะส่งพลังงานจากไซโตโซลไปยังไมโตคอนเดรีย ซึ่งเป็นที่ที่มันถูกออกซิไดซ์ และ ATP ถูกสังเคราะห์โดยใช้พลังงานนี้

เมื่อไกลโคไลซิสเกิดขึ้นภายใต้สภาวะแอโรบิก กรดไพรูวิกจะไม่ลดลง แต่จะถูกขนส่งเข้าสู่ไมโตคอนเดรียและออกซิไดซ์ ขั้นแรกมันจะกลายเป็นกรดอะซิติกตกค้าง อะเซทิล ซึ่งติดอยู่กับโควาเลนต์กับโคเอ็นไซม์พิเศษ - ที่เรียกว่าโคเอ็นไซม์เอ

ปฏิกิริยาที่ไม่สามารถย้อนกลับได้นี้ดำเนินการโดยเอนไซม์ไพรูเวตดีไฮโดรจีเนสของไมโตคอนเดรียซึ่งจะออกซิไดซ์กรดไพรูวิกเป็นอะซิติลโคเอ็นไซม์ A และปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ เอนไซม์นี้มีโคเอ็นไซม์หลายชนิดที่จำเป็นสำหรับการทำงาน: ไทอามีนไพโรฟอสเฟต (เกิดจากวิตามินบี 1 - ไทอามีน), กรดไลโปอิก (บางครั้งใช้เป็นอาหารเสริมเพื่อสุขภาพ) และ FAD (เราได้เขียนเกี่ยวกับเรื่องนี้แล้วข้างต้น) เป็นโปรตีนที่ซับซ้อนมาก ประกอบด้วยหน่วยย่อยจำนวนมาก โดยมีน้ำหนักโมเลกุลหลายล้านดาลตัน

โคเอนไซม์เอซึ่งมีสารตกค้างอะซิติลติดอยู่นั้นถูกสังเคราะห์จากกรดแพนโทเทนิกซึ่งเป็นวิตามิน (วิตามินบี 5) เช่นกัน Acetyl Coenzyme A เป็น Macroerg ซึ่งอุดมไปด้วยพลังงานพอๆ กับ ATP (ดูบทที่ 9)

Pyruvate dehydrogenase มีบทบาทสำคัญในการควบคุมการสลายกลูโคสแบบแอโรบิก เอนไซม์นี้ถูกยับยั้งโดย NAD∙H และ acetyl-CoA ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายของเอนไซม์นี้ ตามหลักการตอบรับเชิงลบ การควบคุมดำเนินการโดยใช้กลไกที่ซับซ้อน รวมถึงการดัดแปลงโปรตีนนี้ทั้งแบบอัลโลสเตอรีและโควาเลนต์ เอนไซม์นี้ยังถูกยับยั้งโดยกรดไขมันอีกด้วย กรดไขมันเป็นแหล่งพลังงานแคลอรี่ที่มากกว่าและยิ่งไปกว่านั้นพวกมันมีคุณค่าน้อยกว่าสำหรับการดำเนินการกระบวนการสังเคราะห์ในเซลล์ดังนั้นเมื่อมีทั้งกลูโคส (หลังจากนั้นไพรูเวตก็ถูกสร้างขึ้นจากมัน) และกรดไขมัน แนะนำให้ออกซิไดซ์กรดไขมันก่อน

จากนั้นอะซิติลโคเอ็นไซม์ A จะถูกออกซิไดซ์เป็น CO 2 และ H 2 O ในกระบวนการที่เรียกว่าวงจรเครบส์ (ตามชื่อ G. Krebs ซึ่งอธิบายครั้งแรกในปี 1937)

บทบาทหลักของวงจรเครบส์ในการเผาผลาญพลังงานของเซลล์คือการผลิตโคเอ็นไซม์ NAD·H และ FAD·H 2 ที่ลดลง ซึ่งจากนั้นจะถูกออกซิไดซ์ด้วยออกซิเจนเพื่อสังเคราะห์ ATP จาก ADP และฟอสเฟต (เราจะดูกระบวนการนี้ใน บทที่ 12) การฟื้นฟูโคเอ็นไซม์ทำได้โดยการออกซิเดชันที่สมบูรณ์ของกรดอะซิติกที่ตกค้างเป็น CO 2 และ H 2 O

วัฏจักรเริ่มต้นด้วยการถ่ายโอนกรดอะซิติกที่ตกค้างจากอะซิติล-CoA ไปยังกรดออกซาโลอะซิติก (ในสภาพแวดล้อมที่เป็นกลาง นี่คือไอออนออกซาโลอะซิเตต) ส่งผลให้เกิดกรดซิตริก (หรือที่แม่นยำยิ่งขึ้นคือซิเตรตไอออน) และโคเอ็นไซม์ A ปล่อยแล้ว. ปฏิกิริยานี้ถูกเร่งโดยเอนไซม์ซิเตรตซินเทสและไม่สามารถย้อนกลับได้

กรดอินทรีย์ที่เข้าร่วมในขั้นตอนนี้มีกลุ่มคาร์บอกซิลสามกลุ่ม บางครั้งวงจรทั้งหมดเรียกว่า "วงจรกรดไตรคาร์บอกซิลิก" แต่ชื่อนี้น่าเสียดาย - ในระยะต่อไปกลุ่มคาร์บอกซิลหนึ่งกลุ่มจะสูญหายไป ดังนั้นวงจรนี้จึงมักเรียกว่า "วงจรกรดไตรคาร์บอกซิลิกและไดคาร์บอกซิลิก"

ในทั้งสองกรณี จะมีการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ สารออกซิไดซ์ NAD + จะลดลงเหลือ NAD·H และกรดที่ตกค้างจะถูกเติมลงในโคเอ็นไซม์ A ในระหว่างการทำปฏิกิริยา มีเพียงกรดไพรูวิกเท่านั้นที่ให้คาร์บอนตกค้าง (อะซิติล-CoA) แต่กรด α-ketoglutaric ให้สารตกค้างสี่คาร์บอน - succinyl-coenzyme A ปฏิกิริยา α-ketoglutarate dehydrogenase นั้นไม่สามารถย้อนกลับได้เช่นเดียวกับปฏิกิริยา pyruvate dehydrogenase และเอนไซม์ที่เร่งปฏิกิริยานั้นมีโคเอนไซม์ชนิดเดียวกัน

ผลคูณของปฏิกิริยา ซัคซินิล-โคเอ็นไซม์เอ นั้นอุดมไปด้วยพลังงานพอๆ กับอะซิติล-โคเอ็นไซม์ เอ การกระจายพลังงานนี้เป็นความร้อนคงเป็นเรื่องโง่ และเซลล์จะไม่ยอมให้มีของเสียดังกล่าว ซัคซินิล-CoA ไม่เพียงแต่ถูกไฮโดรไลซ์เป็นกรดซัคซินิก (หรือที่แม่นยำกว่านั้นคือซัคซิเนตไอออน) และโคเอ็นไซม์ A ในระหว่างปฏิกิริยานี้ GTP จะถูกสังเคราะห์จาก GDP และฟอสเฟต และ GTP ก็มีปฏิกิริยาทางมหภาคพอๆ กับ ATP

กรดซัคซินิกจะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันเพิ่มเติม อย่างไรก็ตามสารออกซิไดซ์ไม่ใช่ NAD + ที่คุ้นเคย แต่เป็นโคเอ็นไซม์อีกตัวหนึ่ง - FAD ธรรมชาติไม่ได้ใช้โคเอ็นไซม์นี้เพื่อวางยาพิษต่อชีวิตของนักเรียนและเด็กนักเรียนที่กำลังศึกษาวงจรเครบส์ ความจริงก็คือในกรดซัคซินิกกลุ่มเฉื่อยมาก – CH 2 – CH 2 – อยู่ภายใต้การเกิดออกซิเดชัน จำหลักสูตรเคมีอินทรีย์ - โดยทั่วไปแล้วอัลเคนจะมีปฏิกิริยาน้อยกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับแอลกอฮอล์และอัลดีไฮด์ การออกซิไดซ์พวกมันทำได้ยากกว่ามาก ที่นี่เช่นกัน เซลล์ถูกบังคับให้ใช้ฟลาวินออกซิไดเซอร์ที่แรงกว่านิโคตินาไมด์ตามปกติ กรดซัคซินิกจะถูกแปลงเป็นกรดฟูมาริก ปฏิกิริยาจะถูกเร่งโดยเอนไซม์ซัคซิเนตดีไฮโดรจีเนส

ปฏิกิริยาสุดท้ายของวัฏจักรคือการออกซิเดชันของกรดมาลิกต่อกรดออกซาโลอะซิติก สารออกซิไดซ์คือ NAD + ที่รู้จักกันดี ปฏิกิริยาถูกเร่งโดยเอนไซม์มาเลตดีไฮโดรจีเนส

จากนั้น NAD∙H และ FAD∙H 2 ที่ได้จะถูกออกซิไดซ์ในไมโตคอนเดรีย เพื่อให้พลังงานสำหรับการสังเคราะห์ ATP วัฏจักรเครบส์ยังผลิต GTP 1 โมเลกุล ซึ่งเป็นสารประกอบที่อุดมด้วยพลังงานซึ่งสามารถถ่ายโอนสารตกค้างฟอสเฟตไปยัง ADP และสร้าง ATP ได้ โมเลกุลของกรดออกซาโลอะซิติกออกจากวงจรโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงใด ๆ - มันทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับการเกิดออกซิเดชันของอะซิติลโคเอนไซม์เอและตัวมันเองจะกลับสู่สถานะดั้งเดิมเมื่อสิ้นสุดการปฏิวัติแต่ละครั้งของวงจร เอนไซม์เครบส์วัฏจักรอยู่ในเมทริกซ์ไมโตคอนเดรีย (ยกเว้นซัคซิเนตดีไฮโดรจีเนสซึ่งอยู่ที่เยื่อหุ้มไมโตคอนเดรียชั้นใน)

ในวงจรเครบส์ เอนไซม์หลายชนิดจะถูกควบคุมในคราวเดียว ไอโซซิเตรต ดีไฮโดรจีเนสถูกยับยั้งโดย NAD∙H ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์สุดท้ายของวงจร และกระตุ้นโดย ADP ซึ่งเป็นสารที่เกิดขึ้นระหว่างการใช้พลังงาน การย้อนกลับได้ของปฏิกิริยามาเลตดีไฮโดรจีเนสยังมีบทบาทสำคัญในการควบคุมวงจรอีกด้วย ที่ความเข้มข้นของ NAD∙H สูง ปฏิกิริยานี้จะเกิดขึ้นจากขวาไปซ้าย ไปสู่การก่อตัวของมาเลต เป็นผลให้ความเข้มข้นของออกซาโลอะซิเตตลดลงและอัตราของปฏิกิริยาซิเตรตซินเทสลดลง มาลาเตที่เกิดขึ้นสามารถนำไปใช้ในกระบวนการเผาผลาญอื่นๆ ได้ ซิเตรตซินเทสยังถูกยับยั้งโดยเอทีพีด้วย กิจกรรมของ α-ketoglutarate dehydrogenase ก็ได้รับการควบคุมเช่นกัน

วัฏจักรเครบส์เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงออกซิเดชั่นไม่เพียงแต่กลูโคสเท่านั้น แต่ยังรวมถึงกรดไขมันและกรดอะมิโนด้วย หลังจากทะลุผ่านเยื่อหุ้มชั้นนอกแล้ว กรดไขมันจะถูกกระตุ้นในไซโตพลาสซึมเป็นครั้งแรกโดยการเติมโคเอ็นไซม์ A ซึ่งใช้พันธะพลังงานสูงของ ATP สองพันธะ:

R–COOH + HS–KoA + ATP = R–CO–S–KoA + AMP + P–P

ไพโรฟอสเฟตจะถูกสลายทันทีโดยเอนไซม์ไพโรฟอสฟาเตส โดยเปลี่ยนสมดุลของปฏิกิริยาไปทางขวา

จากนั้น Acyl-coenzyme A จะถูกถ่ายโอนไปยังไมโตคอนเดรีย

ในออร์แกเนลล์เหล่านี้ ระบบเอนไซม์ของกรดไขมันที่เรียกว่า β-ออกซิเดชันทำงาน กระบวนการออกซิเดชันβเกิดขึ้นเป็นระยะ ในแต่ละขั้นตอน ชิ้นส่วนคาร์บอนสองตัวในรูปของอะซิติล-โคเอ็นไซม์ A จะถูกแยกออกจากกรดไขมัน และ NAD + จะลดลงเป็น NAD∙H และ FAD เป็น FAD∙H 2

ในระหว่างปฏิกิริยาแรก กลุ่ม –CH 2 -CH 2 – ที่อยู่ใกล้กับอะตอมคาร์บอนคาร์บอนิลจะถูกออกซิไดซ์ เช่นเดียวกับการออกซิเดชันของซัคซิเนตในวงจรเครบส์ FAD ทำหน้าที่เป็นตัวออกซิไดซ์ จากนั้น (ปฏิกิริยาที่สอง) พันธะคู่ของสารประกอบที่ไม่อิ่มตัวที่เกิดขึ้นนั้นจะถูกไฮเดรต ในขณะที่อะตอมของคาร์บอนตัวที่สามกลายเป็นไฮดรอกซิเลต - กรดβ-ไฮดรอกซีเกิดขึ้นและยึดติดกับโคเอ็นไซม์ A ในระหว่างปฏิกิริยาที่สาม กลุ่มแอลกอฮอล์นี้จะถูกออกซิไดซ์เป็นคีโต กลุ่มโดยใช้ NAD + เป็นตัวออกซิไดซ์ ในที่สุด โคเอ็นไซม์ A อีกโมเลกุลหนึ่งจะทำปฏิกิริยากับ β-ketoacyl-coenzyme A ที่เกิดขึ้น ผลที่ได้คือ acetyl-coenzyme A ถูกแยกออก และ acyl-CoA จะถูกทำให้สั้นลงด้วยอะตอมของคาร์บอน 2 อะตอม ตอนนี้กระบวนการแบบวนรอบจะดำเนินการในรอบที่สอง กรดไขมันที่ตกค้างจะถูกทำให้สั้นลงด้วยอะเซทิล-โคเออีกชนิด และต่อไปเรื่อยๆ จนกว่ากรดไขมันจะถูกทำลายจนหมด จากปฏิกิริยาออกซิเดชันทั้งสี่ปฏิกิริยามีเพียงปฏิกิริยาแรกเท่านั้นที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ส่วนที่เหลือสามารถย้อนกลับได้การผ่านจากซ้ายไปขวานั้นมั่นใจได้โดยการปลดปล่อยผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายอย่างต่อเนื่อง

β-ออกซิเดชันทั้งหมดของ palmitoyl-coenzyme A ดำเนินการตามสมการ:

จากนั้น Acetyl-CoA จะเข้าสู่วงจร Krebs NAD∙H และ FAD∙H 2 ถูกออกซิไดซ์ในไมโตคอนเดรีย โดยให้พลังงานสำหรับการสังเคราะห์ ATP

แคแทบอลิซึมของกรดอะมิโนยังเกิดขึ้นผ่านวงจรเครบส์ กรดอะมิโนต่างๆ จะเข้าสู่วงจรผ่านวิถีทางเมแทบอลิซึมที่แตกต่างกัน การพิจารณาของกรดอะมิโนเหล่านี้ซับซ้อนเกินไปสำหรับหลักสูตรนี้

วงจร Krebs ถูกใช้โดยเซลล์ไม่เพียงแต่สำหรับความต้องการพลังงานเท่านั้น แต่ยังสำหรับการสังเคราะห์สารจำนวนหนึ่งที่เซลล์ต้องการอีกด้วย มันเป็นวิถีทางเมแทบอลิซึมส่วนกลางในกระบวนการแคแทบอลิซึมและอะนาโบลิกของเซลล์

ในตอนแรก Hans Krebs เสนอแนะในทางทฤษฎีว่าการเปลี่ยนแปลงของกรดได- และกรดไตรคาร์บอกซิลิกเกิดขึ้นเป็นวัฏจักร จากนั้นจึงทำการทดลองหลายชุด โดยเขาแสดงให้เห็นการเปลี่ยนแปลงของกรดเหล่านี้และความสามารถในการกระตุ้นไกลโคไลซิสแบบแอโรบิก อย่างไรก็ตาม หลักฐานที่แน่ชัดสำหรับการเกิดขึ้นของวิถีทางเมแทบอลิซึมในลักษณะนี้และไม่ได้รับจากการทดลองการติดฉลากไอโซโทป

ลองนึกภาพว่าในสารตัวกลางบางตัวของวงจร Krebs คุณแทนที่ไอโซโทปธรรมชาติธรรมดาด้วยสารกัมมันตภาพรังสี ตอนนี้สารนี้ดูเหมือนว่าจะมีฉลากกัมมันตภาพรังสีและทำให้สามารถติดตามชะตากรรมต่อไปได้ สารประกอบที่มีป้ายกำกับดังกล่าวสามารถเติมลงในสารสกัดเซลล์ได้ และหลังจากนั้นไม่นานก็ดูว่าจะกลายเป็นอะไร ในการทำเช่นนี้ คุณสามารถแยกโมเลกุลขนาดเล็กออกจากโมเลกุลขนาดใหญ่ (เช่น โดยการตกตะกอนของโมเลกุลหลัง) และแยกส่วนผสมออกโดยใช้วิธีโครมาโตกราฟี (ดูบทที่ 8) สิ่งที่เหลืออยู่คือการพิจารณาว่าสารใดมีกัมมันตภาพรังสี ตัวอย่างเช่น หากคุณเพิ่มกรดซิตริกที่มีป้ายกำกับกัมมันตภาพรังสีลงในสารสกัด ในไม่ช้าก็จะพบฉลากในกรดซิส-อะโคนิติกและกรดไอโซซิตริก และหลังจากนั้นไม่นานก็จะพบในกรดα-คีโตกลูตาริก หากคุณเพิ่มกรด α-คีโตกลูตาริกที่มีป้ายกำกับ อันดับแรกฉลากจะเข้าไปในซัคซินิล-โคเอ็นไซม์ A และกรดซัคซินิก จากนั้นจึงเข้าไปในกรดฟูมาริก ดังนั้น โดยการเติมสารที่มีฉลากกัมมันตภาพรังสีต่างๆ และการกำหนดตำแหน่งของฉลากกัมมันตภาพรังสี จึงเป็นไปได้ที่จะระบุลำดับของปฏิกิริยาที่ขั้นตอนใดๆ ของวิถีทางเมแทบอลิซึม

กัมมันตภาพรังสีสามารถกำหนดได้หลายวิธี วิธีที่ง่ายที่สุดคือการเปิดเผยอิมัลชันภาพถ่าย เนื่องจาก A. Becquerel ค้นพบกัมมันตภาพรังสีเองอย่างแม่นยำด้วยความสามารถของรังสีกัมมันตภาพรังสีในการส่องสว่างแผ่นภาพถ่าย ตัวอย่างเช่น หากเราแยกส่วนผสมของสารโดยใช้โครมาโทกราฟีแบบชั้นบาง และรู้ว่าจุดของสารนั้นอยู่ที่ใด เราก็สามารถติดแผ่นถ่ายภาพเข้ากับโครมาโตกราฟีของเราได้ จากนั้นบริเวณแผ่นภาพที่สัมผัสกับจุดที่มีกัมมันตภาพรังสีจะสว่างขึ้น สิ่งที่เหลืออยู่คือการดูจุดที่สารอิมัลชันการถ่ายภาพสว่างขึ้นและเราสามารถพูดได้ทันทีว่าเป็นสารเหล่านี้ที่ฉลากกัมมันตภาพรังสีส่งผ่านเข้าไป

วิธีการนี้เรียกว่า การบันทึกภาพอัตโนมัติ - ด้วยความช่วยเหลือนี้ คุณสามารถศึกษาไม่เพียงแต่โมเลกุลขนาดเล็กเท่านั้น แต่ยังรวมถึงโมเลกุลขนาดใหญ่ด้วย - ตัวอย่างเช่น โดยการเพิ่มยูริดีนที่มีสารกัมมันตภาพรังสีลงในเซลล์ที่มีชีวิต ดังที่เราได้กล่าวไปแล้วในบทที่ 7 นิวคลีโอไทด์ของยูริดีนเป็นส่วนหนึ่งของ RNA ดังนั้นโมเลกุลขนาดใหญ่นี้จะมีการติดฉลากกัมมันตภาพรังสีในไม่ช้า ขณะนี้สามารถติดตามตำแหน่งและการขนส่งของ RNA ในเซลล์ได้แล้ว ในการทำเช่นนี้ คุณจะต้องแก้ไขเซลล์เพื่อให้โมเลกุลขนาดใหญ่ตกตะกอนและไม่ลอยออกไปในระหว่างขั้นตอนต่อไป เติมอิมัลชันการถ่ายภาพลงในเซลล์ จากนั้นมองเข้าไปในกล้องจุลทรรศน์ซึ่งมีบริเวณที่มีแสงสว่างปรากฏอยู่ครู่หนึ่ง

การถ่ายภาพอัตโนมัติช่วยให้สามารถสังเกตชะตากรรมของโมเลกุลในเซลล์ได้โดยตรง อย่างไรก็ตามวิธีนี้ก็มีข้อเสียเช่นกัน - มันให้เฉพาะคุณสมบัติเชิงคุณภาพของการมีฉลากกัมมันตภาพรังสีและไม่อนุญาตให้วัดในเชิงปริมาณ สำหรับการวัดเชิงปริมาณที่แม่นยำ จะมีการใช้วิธีการอื่น อนุภาคβที่ปล่อยออกมาจากไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีทำให้เกิดการเรืองแสงของสารพิเศษ - ตัวเรืองแสงวาบ ความเข้มของแสงนี้สามารถวัดได้อย่างแม่นยำโดยใช้อุปกรณ์พิเศษ - ตัวนับการเรืองแสงวาบ การวัดการเรืองแสงอย่างแม่นยำทำให้เราสามารถกำหนดปริมาณไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีได้อย่างแม่นยำ อย่างไรก็ตาม การใช้เครื่องนับการเรืองแสงวาบสามารถวัดปริมาณไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีทั้งหมดในตัวอย่างเท่านั้น ถ้าเราเทสารละลายเรืองแสงวาบลงในสารแขวนลอยของเซลล์ เราจะสามารถระบุปริมาณทั้งหมดของสารประกอบกัมมันตภาพรังสี แต่ไม่ใช่การกระจายตัวของสารประกอบดังกล่าวระหว่างออร์แกเนลล์ ในการทำเช่นนี้ เราจะต้องแยกออร์แกเนลของเซลล์แต่ละเซลล์และวัดกัมมันตภาพรังสีในพวกมัน

โดยปกติในการศึกษาทางชีวเคมีจะใช้ไอโซโทปต่อไปนี้: ทริเทียม 3H, คาร์บอน 14C, ฟอสฟอรัส 32P และซัลเฟอร์ 35S

ภายใต้สภาวะไร้ออกซิเจน กรดไพรูวิก (ไพรูเวต) จะผ่านการเปลี่ยนแปลงเพิ่มเติมในระหว่างการหมักแอลกอฮอล์ แลกติก และประเภทอื่นๆ ในขณะที่ NADH ใช้เพื่อคืนสภาพผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายของการหมัก และเกิดใหม่เป็นรูปแบบออกซิไดซ์ สถานการณ์หลังสนับสนุนกระบวนการไกลโคไลซิสซึ่งต้องการ NAD + ออกซิไดซ์ เมื่อมีออกซิเจนเพียงพอ ไพรูเวตจะถูกออกซิไดซ์อย่างสมบูรณ์เป็น C0 2 และ H 2 0 ในวงจรการหายใจที่เรียกว่า วงจรเครบส์หรือ วงจรของกรดไดและไตรคาร์บอกซิลิกทุกส่วนของกระบวนการนี้มีการแปลเป็นภาษาท้องถิ่นในเมทริกซ์หรือในเยื่อหุ้มชั้นในของไมโตคอนเดรีย

ลำดับต่อมา ปฏิกิริยาในวัฏจักรเครบส์การมีส่วนร่วมของกรดอินทรีย์ในการหายใจดึงดูดความสนใจของนักวิจัยมาเป็นเวลานาน ย้อนกลับไปในปี 1910 นักเคมีชาวสวีเดน T. Thunberg แสดงให้เห็นว่าเนื้อเยื่อของสัตว์มีเอนไซม์ที่สามารถกำจัดไฮโดรเจนออกจากกรดอินทรีย์บางชนิด (ซัคซินิก มาลิก ซิตริก) ในปี 1935 A. Szent-Gyorgyi ในฮังการีพบว่าการเติมกรดซัคซินิก ฟูมาริก มาลิก หรือออกซาโลอะซิติกในปริมาณเล็กน้อยลงในเนื้อเยื่อของกล้ามเนื้อพื้นจะกระตุ้นการดูดซึมออกซิเจนของเนื้อเยื่ออย่างรวดเร็ว

เมื่อคำนึงถึงข้อมูลของ Thunberg และ Szent-Gyorgyi และจากการทดลองของเขาเองที่ศึกษาการเปลี่ยนแปลงของกรดอินทรีย์ต่างๆ และผลกระทบต่อการหายใจของกล้ามเนื้อบินของนกพิราบ นักชีวเคมีชาวอังกฤษ G. A. Krebs ในปี 1937 ได้เสนอแผนภาพของ ลำดับการออกซิเดชันของกรดไดและไตรคาร์บอกซิลิกเป็น CO 2 "วงจรกรดซิตริก"ใช่แล้ว เรื่องของการกำจัดไฮโดรเจน วงจรนี้ตั้งชื่อตามเขา

ในวัฏจักรโดยตรง ไพรูเวตเองจะถูกออกซิไดซ์ และอนุพันธ์ของมันคืออะซิติล-โคเอ ดังนั้นขั้นตอนแรกในความแตกแยกออกซิเดชันของ PVK คือการก่อตัวของอะซิติลที่ใช้งานอยู่ในระหว่างการออกซิเดชั่นดีคาร์บอกซิเลชัน ดีคาร์บอกซิเลชันแบบออกซิเดชันของไพรูเวตดำเนินการโดยการมีส่วนร่วมของไพรูเวตดีไฮโดรจีเนสมัลติเอนไซม์คอมเพล็กซ์ ประกอบด้วยเอนไซม์ 3 ​​ตัวและโคเอ็นไซม์ 5 ตัว โคเอ็นไซม์คือไทอามีนไพโรฟอสเฟต (TPP) ซึ่งเป็นอนุพันธ์ฟอสโฟรีเลชั่นของวิตามินบี, กรดไลโปอิก, โคเอ็นไซม์ A, FAD และ NAD + ไพรูเวตทำปฏิกิริยากับ TPP (ดีคาร์บอกซิเลส) ในระหว่างนั้น CO 2 จะถูกแยกออกและเกิดอนุพันธ์ไฮดรอกซีเอทิลของ TPP (รูปที่ 4.2) หลังทำปฏิกิริยากับกรดไลโปอิกในรูปแบบออกซิไดซ์ พันธะไดซัลไฟด์ของกรดไลโปอิกถูกทำลายและเกิดปฏิกิริยารีดอกซ์: หมู่ไฮดรอกซีเอทิลที่ยึดติดกับอะตอมซัลเฟอร์หนึ่งอะตอมจะถูกออกซิไดซ์เป็นอะเซทิล (ซึ่งจะสร้างพันธะไทโอเอสเตอร์พลังงานสูง) และอะตอมซัลเฟอร์อีกอะตอมของกรดไลโปอิกจะลดลง กรดอะซิติลไลโปอิกที่เกิดขึ้นจะทำปฏิกิริยากับโคเอ็นไซม์ A, อะซิติล-โคเอ และกรดไลโปอิกในรูปแบบลดลง จากนั้นไฮโดรเจนของกรดไลโปอิกจะถูกถ่ายโอนไปยัง FAD จากนั้นจึงไปยัง NAD+ อันเป็นผลมาจากการเกิดออกซิเดชันดีคาร์บอกซิเลชันของไพรูเวต จึงเกิดอะซิติล-โคเอ, CO 2 และ NADH

ออกซิเดชันเพิ่มเติมของ acetyl-CoA เกิดขึ้นในกระบวนการแบบวนรอบ วัฏจักรเครบส์เริ่มต้นด้วยปฏิกิริยาระหว่างอะซิติล-โคเอกับกรดออกซาโลอะซิติกในรูปแบบอีนอล ในปฏิกิริยานี้กรดซิตริกจะเกิดขึ้นภายใต้การกระทำของเอนไซม์ซิเตรตสังเคราะห์ ขั้นตอนต่อไปในวงจรเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาสองอย่างและถูกเร่งโดยเอนไซม์อะโคนิเทสหรืออะโคนิเตตไฮดราเตส ในปฏิกิริยาแรกอันเป็นผลมาจากการขาดน้ำของกรดซิตริก ซิส-โคไนต์ ในปฏิกิริยาที่สอง อะโคนิเตตจะถูกทำให้ชุ่มชื้นและสังเคราะห์กรดไอโซซิตริก กรดไอโซตริกภายใต้การกระทำของไอโซซิเตรตดีไฮโดรจีเนสที่ขึ้นกับ NAD หรือ NADP จะถูกออกซิไดซ์เป็นสารประกอบที่ไม่เสถียร - กรดออกซาโลซุกซินิก ซึ่งถูกดีคาร์บอกซีเลตทันทีจนเกิดกรดเอ-คีโตกลูตาริก (กรดเอ-ออกโซกลูตาริก)

α-Ketoglutarate เช่นเดียวกับไพรูเวต ผ่านการออกซิเดชันดีคาร์บอกซิเลชัน สารเชิงซ้อนของเอนไซม์ a-ketoglutarate dehydrogenase คล้ายคลึงกับสารเชิงซ้อน pyruvate dehydrogenase ที่กล่าวถึงข้างต้น ในระหว่างปฏิกิริยาออกซิเดชั่นดีคาร์บอกซิเลชันของ α-ketoglutarate CO2 จะถูกปล่อยออกมา และ NADH และ succinyl-CoA จะเกิดขึ้น

เช่นเดียวกับ acetyl-CoA succinyl-CoA เป็นไทโอเอสเตอร์ที่ให้พลังงานสูง อย่างไรก็ตาม หากในกรณีของ acetyl-CoA พลังงานของพันธะไทโอเอสเตอร์ถูกใช้ไปกับการสังเคราะห์กรดซิตริก พลังงานของ succinyl-CoA ก็สามารถเปลี่ยนเป็นรูปแบบพันธะฟอสเฟตของ ATP ได้ ด้วยการมีส่วนร่วมของ succinyl-CoA synthetase กรดซัคซินิก (succinate) ATP จะเกิดขึ้นจาก succinyl-CoA, ADP และ H 3 P0 4 และโมเลกุล CoA จะถูกสร้างขึ้นใหม่ ATP เกิดขึ้นจากผลของฟอสโฟรีเลชั่นของสารตั้งต้น

ในขั้นต่อไป กรดซัคซินิกจะถูกออกซิไดซ์เป็นกรดฟูมาริก ปฏิกิริยานี้จะถูกเร่งโดยซัคซิเนต ดีไฮโดรจีเนส ซึ่งมีโคเอ็นไซม์คือ FAD กรด Fumaric ภายใต้การกระทำของ fumarase หรือ fumarate hydratase โดยเติม H 2 0 จะถูกเปลี่ยนเป็นกรดมาลิก (malate) และสุดท้าย ในขั้นตอนสุดท้ายของวงจร กรดมาลิกจะถูกออกซิไดซ์เป็นกรดออกซาโลอะซิติกโดยมาเลต ดีไฮโดรจีเนสที่ขึ้นกับ NAD PIKE ซึ่งเปลี่ยนรูปเป็นรูปแบบอีนอลได้เองตามธรรมชาติ ทำปฏิกิริยากับโมเลกุลอีกโมเลกุลของ acetyl-CoA และวงจรจะเกิดขึ้นซ้ำอีกครั้ง

ควรสังเกตว่าปฏิกิริยาส่วนใหญ่ของวัฏจักรสามารถย้อนกลับได้ แต่วงจรโดยรวมนั้นไม่สามารถย้อนกลับได้ในทางปฏิบัติ เหตุผลก็คือ มีปฏิกิริยาออกเซอร์โกนิกสูงสองปฏิกิริยาในวัฏจักร - ซิเตรตซินเทสและซัคซินิลโคเอซินเทเทส

ในระหว่างการปฏิวัติรอบหนึ่งของวัฏจักร ระหว่างการออกซิเดชันของไพรูเวต โมเลกุล CO2 สามโมเลกุลจะถูกปล่อยออกมา รวมโมเลกุล H2O สามโมเลกุลเข้าด้วยกัน และอะตอมไฮโดรเจนห้าคู่จะถูกกำจัดออกไป บทบาทของ H 2 O ในวงจร Krebs ยืนยันความถูกต้องของสมการของ Palladin ซึ่งตั้งสมมติฐานว่าการหายใจเกิดขึ้นพร้อมกับการมีส่วนร่วมของ H 2 O ซึ่งออกซิเจนจะรวมอยู่ในสารตั้งต้นที่ถูกออกซิไดซ์และไฮโดรเจนจะถูกถ่ายโอนไปยังออกซิเจนด้วยความช่วยเหลือ ของ “เม็ดสีทางเดินหายใจ” (ตามแนวคิดสมัยใหม่ - โคเอ็นไซม์ดีไฮโดรจีเนส) .

มีข้อสังเกตข้างต้นว่าวัฏจักรเครบส์ถูกค้นพบในวัตถุจากสัตว์ การมีอยู่ของมันในพืชได้รับการพิสูจน์ครั้งแรกโดยนักวิจัยชาวอังกฤษ A. Chibnall (1939) เนื้อเยื่อพืชประกอบด้วยกรดทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับวงจร มีการค้นพบเอนไซม์ทั้งหมดที่กระตุ้นการเปลี่ยนแปลงของกรดเหล่านี้ มีการแสดงให้เห็นว่า malonate ซึ่งเป็นสารยับยั้งของ suncinate dehydrogenase ยับยั้งการเกิดออกซิเดชันของไพรูเวต และลดการดูดซึมของ 02 ในกระบวนการหายใจในพืชได้อย่างรวดเร็ว เอนไซม์รอบ Krebs ส่วนใหญ่

มีการแปลในไมโตคอนเดรียเมทริกซ์ อะโคนิเทสและซัคซิเนตดีไฮโดรจีเนสอยู่ในเยื่อหุ้มชั้นในของไมโตคอนเดรีย

พลังงานที่ส่งออกจากวัฏจักรเครบส์ ซึ่งเกี่ยวข้องกับเมแทบอลิซึมของไนโตรเจนวงจรเครบส์. มีบทบาทสำคัญในการเผาผลาญของร่างกายพืช มันทำหน้าที่เป็นขั้นตอนสุดท้ายในการออกซิเดชั่นไม่เพียงแต่คาร์โบไฮเดรตเท่านั้น แต่ยังรวมถึงโปรตีน ไขมัน และสารประกอบอื่นๆ ด้วย ในระหว่างปฏิกิริยาของวัฏจักร ปริมาณพลังงานหลักที่มีอยู่ในสารตั้งต้นที่ถูกออกซิไดซ์จะถูกปล่อยออกมา และพลังงานส่วนใหญ่จะไม่สูญหายไปให้กับร่างกาย แต่จะถูกนำไปใช้ในระหว่างการก่อตัวของพันธะฟอสเฟตปลายพลังงานสูงของ ATP

พลังงานที่ส่งออกจากวัฏจักรเครบส์เป็นเท่าใด ในระหว่างการเกิดออกซิเดชันของไพรูเวต จะเกิดดีไฮโดรจีเนชัน 5 ครั้ง ส่งผลให้เกิด 3NADH, NADPH (ในกรณีของไอโซซิเตรต ดีไฮโดรจีเนส) และ FADH 2 ออกซิเดชันของโมเลกุล NADH (NADPH) แต่ละโมเลกุลโดยการมีส่วนร่วมของส่วนประกอบของห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนของไมโตคอนเดรียทำให้เกิดโมเลกุล ATP 3 โมเลกุลและการเกิดออกซิเดชันของ FADH 2 - 2 ATP ดังนั้นเมื่อไพรูเวตออกซิเดชั่นโดยสมบูรณ์จะเกิดโมเลกุล ATP 14 โมเลกุล นอกจากนี้ยังสังเคราะห์เอทีพี 1 โมเลกุล ในวงจร Krebs ระหว่างฟอสโฟรีเลชั่นของสารตั้งต้น ดังนั้นการออกซิเดชันของโมเลกุลไพรูเวตหนึ่งโมเลกุลสามารถผลิตโมเลกุล ATP ได้ 15 โมเลกุล และเนื่องจากในกระบวนการไกลโคไลซิส โมเลกุลไพรูเวต 2 โมเลกุลเกิดขึ้นจากโมเลกุลกลูโคส ปฏิกิริยาออกซิเดชันของพวกมันจะทำให้เกิดโมเลกุล ATP 30 โมเลกุล

ดังนั้นในระหว่างการออกซิเดชันของกลูโคสระหว่างการหายใจระหว่างการทำงานของไกลโคไลซิสและวงจร Krebs จะเกิดโมเลกุล ATP ทั้งหมด 38 โมเลกุล (8 ATP เกี่ยวข้องกับไกลโคไลซิส) ถ้าเราสมมุติว่าพลังงานของพันธะเอสเทอร์และฟอสเฟตตัวที่สามของ ATP คือ 41.87 kJ/mol (10 kcal/mol) ดังนั้นพลังงานที่ส่งออกจากวิถีไกลโคไลติกของการหายใจแบบใช้ออกซิเจนจะเท่ากับ 1,591 kJ/mol (380 kcal/mol)

ระเบียบของวงจรเครบส์การใช้ acetyl-CoA ที่เกิดจากไพรูเวตเพิ่มเติมจะขึ้นอยู่กับสถานะพลังงานของเซลล์ เมื่อความต้องการพลังงานของเซลล์ต่ำ การควบคุมการหายใจจะยับยั้งการทำงานของห่วงโซ่การหายใจ และผลที่ตามมาคือปฏิกิริยาของวงจร TCA และการก่อตัวของตัวกลางของวงจร รวมถึงออกซาโลอะซิเตต ซึ่งเกี่ยวข้องกับอะซิติล-โคเอในวงจรเครบส์ ส่งผลให้มีการใช้อะเซทิลโคเอมากขึ้นในกระบวนการสังเคราะห์ซึ่งใช้พลังงานเช่นกัน

คุณลักษณะของการควบคุมวัฏจักร TCA คือการพึ่งพาดีไฮโดรจีเนสทั้งสี่ของวัฏจักร (ไอโซซิเตรตดีไฮโดรจีเนส, α-คีโตกลูตาเรตดีไฮโดรจีเนส, ซัคซิเนตดีไฮโดรจีเนส, มาเลตดีไฮโดรจีเนส) ในอัตราส่วน / กิจกรรมของซิเตรตซินเทสถูกยับยั้งโดย ATP ที่มีความเข้มข้นสูงและผลิตภัณฑ์ซิเตรตของตัวเอง ไอโซซิเตรตดีไฮโดรจีเนสถูกยับยั้งโดย NADH และกระตุ้นโดยซิเตรต α-Keto-glutarate dehydrogenase ถูกยับยั้งโดยผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยา, succinyl-CoA และกระตุ้นโดยอะดีนิเลต ออกซิเดชันของซัคซิเนตโดยซัคซิเนตดีไฮโดรจีเนสถูกยับยั้งโดยออกซาโลอะซิเตตและเร่งโดย ATP, ADP และลดยูบิควิโนน (QH 2) ในที่สุด มาเลต ดีไฮโดรจีเนสจะถูกยับยั้งโดยออกซาโลอะซิเตต และในวัตถุจำนวนหนึ่ง ด้วยระดับ ATP ที่สูง อย่างไรก็ตาม ขอบเขตที่ขนาดของประจุพลังงานหรือระดับของอะดีนีนนิวคลีโอไทด์ มีส่วนร่วมในการควบคุมกิจกรรมของวงจรเครบส์ในพืชยังไม่เป็นที่เข้าใจอย่างสมบูรณ์

ทางเลือกอื่นของการขนส่งอิเล็กตรอนในไมโตคอนเดรียของพืชอาจมีบทบาทในการกำกับดูแลเช่นกัน ภายใต้สภาวะที่มีปริมาณ ATP สูง เมื่อกิจกรรมของห่วงโซ่การหายใจหลักลดลง การเกิดออกซิเดชันของสารตั้งต้นผ่านออกซิเดสทางเลือก (โดยไม่มีการสร้าง ATP) จะดำเนินต่อไป ซึ่งรักษาอัตราส่วน NADH/NAD + ต่ำ และลดระดับ ATP ทั้งหมดนี้ทำให้วงจร Krebs ทำงานได้

วงจรกรดไตรคาร์บอกซิลิก (KREBS CYCLE)

วัฏจักรของกรดไตรคาร์บอกซิลิก ถูกค้นพบครั้งแรกโดยนักชีวเคมีชาวอังกฤษ G. Krebsเขาเป็นคนแรกที่ยืนยันถึงความสำคัญของวัฏจักรนี้สำหรับการเผาไหม้ไพรูเวตโดยสมบูรณ์ซึ่งแหล่งที่มาหลักคือการเปลี่ยนแปลงไกลโคไลติก คาร์โบไฮเดรต- ต่อมาพบว่ามีวัฏจักรของกรดไตรคาร์บอกซิลิก กรดเป็นศูนย์กลางที่เส้นทางการเผาผลาญเกือบทั้งหมดมาบรรจบกัน ดังนั้น, วงจรเครบส์– เส้นทางสุดท้ายทั่วไป ออกซิเดชัน อะเซทิลกลุ่ม (ในรูปของอะซิติล-โคเอ) ที่ถูกแปลงไปในระหว่างกระบวนการ แคแทบอลิซึมอินทรีย์มากที่สุด โมเลกุลโดยรับบทเป็น “เซลลูล่าร์” เชื้อเพลิง»: คาร์โบไฮเดรต, กรดไขมันและ กรดอะมิโน.

เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาออกซิเดชั่น ดีคาร์บอกซิเลชันไพรูเวตเข้า ไมโตคอนเดรีย acetyl-CoA เข้าไป วงจรเครบส์- วงจรนี้เกิดขึ้นในเมทริกซ์ ไมโตคอนเดรียและประกอบด้วยแปด ปฏิกิริยาต่อเนื่อง(รูปที่ 10.9) วัฏจักรเริ่มต้นด้วยการเติม acetyl-CoA ลงใน oxaloacetate และการเกิดฟอง กรดซิตริก (ซิเตรต- แล้ว กรดซิตริก(สารประกอบหกคาร์บอน) โดยอนุกรม การดีไฮโดรจีเนชัน(เอาไป ไฮโดรเจน) และสอง ดีคาร์บอกซิเลชัน(กำจัด CO 2) สูญเสียคาร์บอน 2 ตัว อะตอมและอีกครั้งใน วงจรเครบส์กลายเป็นออกซาโลอะซิเตต (สารประกอบสี่คาร์บอน) เช่น อันเป็นผลมาจากการปฏิวัติรอบที่หนึ่งอย่างเต็มรูปแบบ โมเลกุล acetyl-CoA เผาไหม้เป็น CO 2 และ H 2 O และ โมเลกุล oxaloacetate ถูกสร้างขึ้นใหม่ มาดูทั้งแปดกันดีกว่า ปฏิกิริยาต่อเนื่อง(ขั้นตอน) วงจรเครบส์.

ข้าว. 10.9.วัฏจักรของกรดไตรคาร์บอกซิลิก (วงจรเครบส์).

อันดับแรก ปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยา เอนไซม์ cit-rat synthase ในขณะที่ อะเซทิลกลุ่ม acetyl-CoA จะควบแน่นกับ oxaloacetate ส่งผลให้เกิดการก่อตัว กรดซิตริก:

เห็นได้ชัดว่าในเรื่องนี้ ปฏิกิริยาเนื่องจากเป็นผลิตภัณฑ์ขั้นกลางจึงเกิดขึ้นที่เกี่ยวข้อง เอนไซม์ citril-CoA จากนั้นส่วนหลังจะเกิดไฮโดรไลซ์อย่างเป็นธรรมชาติและไม่สามารถย้อนกลับได้ ซิเตรตและ HS-CoA

เป็นผลให้ครั้งที่สอง ปฏิกิริยาเกิดขึ้น กรดซิตริกผ่านการคายน้ำจนเกิดเป็นซิส-อะโคนิติก กรดซึ่งโดยการเพิ่ม โมเลกุล น้ำไปที่ กรดไอโซซิตริก(ไอโซซิเตรต). กระตุ้นการพลิกกลับเหล่านี้ ปฏิกิริยาไฮเดรชั่น-คายน้ำ เอนไซม์อะโคนิเตตไฮดราเตส (aconitase) ส่งผลให้มีการเคลื่อนที่ร่วมกันของ H และ OH ใน โมเลกุล ซิเตรต:

ที่สาม ปฏิกิริยาเห็นได้ชัดว่าจำกัดความเร็ว วงจรเครบส์. กรดไอโซซิตริกดีไฮโดรจีเนเต็ดเมื่อมีไอโซซิเตรตดีไฮโดรจีเนสที่ขึ้นกับ NAD

ระหว่างไอโซซิเตรตดีไฮโดรจีเนส ปฏิกิริยา กรดไอโซซิตริกดีคาร์บอกซิเลตไปพร้อมๆ กัน ไอโซซิเตรต ดีไฮโดรจีเนสที่ขึ้นกับ NAD คืออัลโลสเตอริก เอนไซม์ซึ่งเป็นเรื่องเฉพาะเจาะจง ตัวกระตุ้นจำเป็น ADF- นอกจาก, เอนไซม์เพื่อแสดงของคุณ กิจกรรมความต้องการ ไอออนมก. 2+ หรือ Mn 2+

ในช่วงที่สี่ ปฏิกิริยา decarboxylation ออกซิเดชันของα-ketoglutaric เกิดขึ้น กรดด้วยการก่อตัวของสารประกอบที่ให้พลังงานสูง succinyl-CoA กลไกนี้ ปฏิกิริยาคล้ายกับสิ่งนั้น ปฏิกิริยาออกซิเดชัน ดีคาร์บอกซิเลชันไพรูเวตถึงอะซีติล-CoA ซึ่งเป็นคอมเพล็กซ์α-ketoglutarate dehydrogenase มีลักษณะคล้ายกับคอมเพล็กซ์ไพรูเวตดีไฮโดรจีเนสในโครงสร้าง ทั้งในกรณีหนึ่งและอีกกรณีหนึ่ง ปฏิกิริยา 5 มีส่วนร่วม โคเอ็นไซม์: TPP, เอไมด์ กรดไลโปอิก, HS-KoA, FAD และ NAD+

ประการที่ห้า ปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยา เอนไซม์ซัคซินิล-โคเอ-ซินเททาซอย ในระหว่างนี้ ปฏิกิริยา succinyl-CoA โดยมีส่วนร่วมของ GTP และ อนินทรีย์ฟอสเฟตกลายเป็น กรดซัคซินิก (ประจบประแจง- ในเวลาเดียวกัน การก่อตัวของพันธะฟอสเฟตพลังงานสูงของ GTP เกิดขึ้นเนื่องจากพันธะไทโอเอสเตอร์พลังงานสูงของ succinyl-CoA:

เป็นผลให้เกิดครั้งที่หก ปฏิกิริยา ประจบประแจงดีไฮโดรจีเนตเข้าไป กรดฟูมาริก. ออกซิเดชัน ประจบประแจงเร่งปฏิกิริยา ซัคซิเนตดีไฮโดรจีเนส, วี โมเลกุลซึ่งด้วย โปรตีนผูกพันอย่างแน่นหนา (โควาเลนต์) โคเอ็นไซม์แฟชั่น. ในทางกลับกัน ซัคซิเนตดีไฮโดรจีเนสเชื่อมต่ออย่างแน่นหนากับไมโตคอนเดรียชั้นใน เมมเบรน:

ที่เจ็ด ปฏิกิริยาดำเนินการภายใต้อิทธิพล เอนไซม์ฟูมาเรต ไฮดราเทส ( ฟูมาเรส- ผลที่ได้ กรดฟูมาริกทำให้ชุ่มชื้นด้วยผลิตภัณฑ์ ปฏิกิริยาเป็น กรดมาลิก(มาลาเต). ควรสังเกตว่า fumarate hydratase มี ความจำเพาะของสเตอริโอ(ดูบทที่ 4) – ระหว่าง ปฏิกิริยาแอล-มาลิคเกิดขึ้น กรด:

ในที่สุดในช่วงที่แปด ปฏิกิริยา วงจรกรดไตรคาร์บอกซิลิกภายใต้อิทธิพลของไมโตคอนเดรียที่ขึ้นกับ NAD มาเลตดีไฮโดรจีเนสกำลังเกิดขึ้น ออกซิเดชันแอล-มาเลตถึงออกซาโลอะซีเตต:

ดังที่เห็นได้ในระหว่างการปฏิวัติรอบหนึ่งของวัฏจักรที่ประกอบด้วยเอนไซม์แปดตัว ปฏิกิริยา, สมบูรณ์ ออกซิเดชัน(“การเผาไหม้”) อย่างใดอย่างหนึ่ง โมเลกุลอะเซทิล-โคเอ สำหรับการดำเนินการต่อเนื่องของวงจร จำเป็นต้องมีการจ่าย acetyl-CoA ให้กับระบบอย่างต่อเนื่อง และ โคเอ็นไซม์(NAD + และ FAD) ซึ่งผ่านเข้าสู่สถานะรีดิวซ์แล้วจะต้องถูกออกซิไดซ์ครั้งแล้วครั้งเล่า นี้ ออกซิเดชันดำเนินการในระบบขนส่ง อิเล็กตรอนวี ห่วงโซ่การหายใจ(วี ห่วงโซ่การหายใจ เอนไซม์) เป็นภาษาท้องถิ่นใน เมมเบรน ไมโตคอนเดรีย- FADH 2 ที่ได้จะเชื่อมโยงกับ SDH อย่างแน่นหนา จึงส่งสัญญาณได้ อะตอม ไฮโดรเจนผ่านทาง KoQ ปล่อยออกมาเป็นผล ออกซิเดชันพลังงานอะซิติล-โคเอส่วนใหญ่กระจุกตัวอยู่ในพันธะฟอสเฟตพลังงานสูง เอทีพี- จาก 4 ไอน้ำ อะตอม ไฮโดรเจน 3 คู่รักโอน NADH ไปยังระบบขนส่ง อิเล็กตรอน- ในเวลาเดียวกันทีละคน คู่ในระบบชีวภาพ ออกซิเดชัน 3 ถูกสร้างขึ้น โมเลกุล เอทีพี(อยู่ในกระบวนการคอนจูเกต ) และรวมเป็น 9 โมเลกุล เอทีพี(ดูบทที่ 9) หนึ่ง คู่ อะตอมจาก succinate dehydrogenase-FADH 2 เข้าสู่ระบบการขนส่ง อิเล็กตรอนผ่าน KoQ ส่งผลให้มีเพียง 2 เท่านั้น โมเลกุล เอทีพี- ในระหว่าง วงจรเครบส์มีอันหนึ่งถูกสังเคราะห์ด้วย โมเลกุล GTP (พื้นผิว ฟอสโฟรีเลชั่น) ซึ่งเทียบเท่ากับหนึ่ง โมเลกุล เอทีพี- แล้วเมื่อไหร่ ออกซิเดชันหนึ่ง โมเลกุลอะเซทิล-โคเอ ใน วงจรเครบส์และระบบ ออกซิเดชันฟอสโฟรีเลชั่นอาจจะฟอร์ม 12 โมเลกุล เอทีพี.

หากเราคำนวณผลกระทบด้านพลังงานทั้งหมดของความแตกแยกไกลโคไลติก กลูโคสและต่อมา ออกซิเดชันสองรูปแบบ โมเลกุลไพรูเวตเป็น CO 2 และ H 2 O จากนั้นจะมีขนาดใหญ่กว่ามาก

ดังที่กล่าวมาประการหนึ่ง โมเลกุลนาดห์ (3 โมเลกุล เอทีพี) เกิดขึ้นระหว่างออกซิเดชั่น ดีคาร์บอกซิเลชันไพรูเวตเป็นอะเซทิล-โคเอ เมื่อคนหนึ่งแยกทางกัน โมเลกุล กลูโคส 2 ถูกสร้างขึ้น โมเลกุลไพรูเวต และเมื่อไร ออกซิเดชันมีมากถึง 2 อัน โมเลกุล acetyl-CoA และ 2 รอบต่อมา วงจรกรดไตรคาร์บอกซิลิกสังเคราะห์ 30 โมเลกุล เอทีพี(เพราะฉะนั้น, ออกซิเดชัน โมเลกุลไพรูเวตถึง CO 2 และ H 2 O ให้ 15 โมเลกุล เอทีพี- ในปริมาณนี้คุณต้องเพิ่ม 2 โมเลกุล เอทีพีเกิดขึ้นระหว่างแอโรบิก ไกลโคไลซิสและ 6 โมเลกุล เอทีพีสังเคราะห์ขึ้นเนื่องจาก ออกซิเดชัน 2 โมเลกุล extramitochondrial NADH ซึ่งเกิดขึ้นในระหว่าง ออกซิเดชัน 2 โมเลกุลกลีเซอรัลดีไฮด์-3-ฟอสเฟตในดีไฮโดรจีเนส ปฏิกิริยา ไกลโคไลซิส- ดังนั้นเมื่อแยกออกเป็น ผ้าหนึ่ง โมเลกุล กลูโคสตามสมการ C 6 H 12 O 6 + 6O 2 -> 6CO 2 + 6H 2 O, 38 ถูกสังเคราะห์ขึ้น โมเลกุล เอทีพี- ไม่ต้องสงสัยเลยว่าการแตกแยกโดยสมบูรณ์อย่างกระฉับกระเฉง กลูโคสเป็นกระบวนการที่มีประสิทธิภาพมากกว่าแบบไม่ใช้ออกซิเจน ไกลโคไลซิส.

ควรสังเกตว่าผลลัพธ์ของ glyceraldehyde-3-ฟอสเฟต 2 โมเลกุล NADH ในเวลาต่อมา ออกซิเดชันอาจไม่ให้ 6 โมเลกุล เอทีพีแต่เพียงเท่านั้น 4. ความจริงก็คือพวกเขาเอง โมเลกุล NADH นอกไมโตคอนเดรียไม่สามารถทะลุผ่านได้ เมมเบรนข้างใน ไมโตคอนเดรีย- อย่างไรก็ตามสิ่งที่พวกเขาให้ อิเล็กตรอนสามารถรวมไว้ในสายโซ่ไมโตคอนเดรียของชีววิทยาได้ ออกซิเดชันโดยใช้กลไกกระสวยกลีเซอรอลฟอสเฟตที่เรียกว่า (รูปที่ 10.10) ไซโตพลาสซึม NADH ทำปฏิกิริยากับไซโตพลาสซึมได-ไฮดรอกซีอะซิโตนฟอสเฟตเป็นครั้งแรกเพื่อสร้างกลีเซอรอล-3-ฟอสเฟต ปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยา

ข้าว. 10.10.กลไกกระสวยกลีเซอรอลฟอสเฟต คำอธิบายในข้อความ

ถูกควบคุมโดยไซโตพลาสซึมกลีเซอรอล-3-ฟอสเฟตดีไฮโดรจีเนสที่ขึ้นกับ NAD:

ไดไฮดรอกซีอะซีโตน ฟอสเฟต + NADH + H +<=>กลีเซอรอล 3-ฟอสเฟต + NAD + .

กลีเซอรอล-3-ฟอสเฟตที่เกิดขึ้นจะแทรกซึมเข้าไปในไมโตคอนเดรียได้อย่างง่ายดาย เมมเบรน- ข้างใน ไมโตคอนเดรียอีกอัน (ไมโตคอนเดรีย) กลีเซอรอล-3-ฟอสเฟตดีไฮโดรจีเนส (ฟลาวิน เอนไซม์) ออกซิไดซ์กลีเซอรอล-3-ฟอสเฟตอีกครั้งเป็นไดไฮดรอกซีอะซีโตนฟอสเฟต:

กลีเซอรอล-3-ฟอสเฟต + FAD<=>ไดไฮดรอกซีอะซีโตน ฟอสเฟต + FADN 2

ตกแต่งใหม่ ฟลาโวโปรตีน(เอนไซม์-FADN 2) เปิดตัวที่ระดับ KoQ ที่ได้รับจากมัน อิเล็กตรอนเข้าสู่ห่วงโซ่ชีวภาพ ออกซิเดชันและเกี่ยวข้องกับมัน ออกซิเดชันฟอสโฟรีเลชั่นและไดไฮดรอกซีอะซีโตน ฟอสเฟต ออกมา ไมโตคอนเดรียวี ไซโตพลาสซึมและสามารถโต้ตอบกับไซโตพลาสซึม NADH + H + ได้อีกครั้ง ดังนั้น, คู่ อิเล็กตรอน(จากหนึ่ง โมเลกุลไซโตพลาสซึม NADH + H +) นำเข้าสู่ ห่วงโซ่การหายใจโดยใช้กลไกกระสวยกลีเซอรอลฟอสเฟตไม่ให้ 3 แต่เป็น 2 เอทีพี.

ข้าว. 10.11.ระบบกระสวย Malate-aspartate สำหรับการถ่ายโอนการรีดิวซ์ที่เทียบเท่าจาก cytosolic NADH ไปยังเมทริกซ์ไมโตคอนเดรีย คำอธิบายในข้อความ

ต่อจากนั้นก็แสดงให้เห็นว่าด้วยความช่วยเหลือของกลไกกระสวยนี้เฉพาะในกล้ามเนื้อโครงร่างและสมองเท่านั้นที่การถ่ายโอนสิ่งที่เทียบเท่าที่ลดลงจาก cytosolic NADH + H + ไปยัง ไมโตคอนเดรีย.

ใน เซลล์ ตับไตและหัวใจ ระบบกระสวยมาลาเต-แอส-พาร์เทตที่ซับซ้อนมากขึ้นทำงานได้ การทำงานของกลไกการรับส่งดังกล่าวเกิดขึ้นได้เนื่องจากการมีอยู่ มาเลตดีไฮโดรจีเนสและอะมิโนทรานสเฟอเรสแบบแยกส่วนทั้งในไซโตโซลและใน ไมโตคอนเดรีย.

เป็นที่ยอมรับว่าการเทียบเท่าที่ลดลงจาก cytosolic NADH + H + เป็นครั้งแรกด้วยการมีส่วนร่วมของ เอนไซม์ มาเลตดีไฮโดรจีเนส(รูปที่ 10.11) จะถูกถ่ายโอนไปยังไซโตซิลิกออกซาโลอะซิเตต เป็นผลให้เกิดมาลาเตขึ้นซึ่งด้วยความช่วยเหลือของระบบการขนส่ง กรดไดคาร์บอกซิลิก, ทะลุผ่านเข้าไปด้านใน เมมเบรน ไมโตคอนเดรียเข้าไปในเมทริกซ์ ที่นี่มาลาเตถูกออกซิไดซ์เป็นออกซาโลอะซิเตต และเมทริกซ์ NAD + จะลดลงเหลือ NADH + H + ซึ่งขณะนี้สามารถถ่ายโอนได้ อิเล็กตรอนวี ห่วงโซ่การหายใจ เอนไซม์แปลเป็นภาษาท้องถิ่นด้านใน เมมเบรน ไมโตคอนเดรีย- ในทางกลับกัน oxaloacetate ที่เกิดขึ้นจะมีกลูตาเมตและ เอนไซม์ ASAT เข้าสู่ ปฏิกิริยา การปนเปื้อน- แอสพาร์เทตและα-คีโตกลูตาเรตที่เกิดขึ้นด้วยความช่วยเหลือของระบบขนส่งพิเศษสามารถผ่านได้ เมมเบรน ไมโตคอนเดรีย.

การขนส่งในไซโตโซลจะสร้างออกซาโลอะซิเตตขึ้นใหม่ซึ่งจะกระตุ้นให้เกิดวัฏจักรถัดไป โดยทั่วไป กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการย้อนกลับได้ง่าย ปฏิกิริยาเกิดขึ้นได้โดยไม่ต้องใช้พลังงาน “แรงผลักดัน” ของมันคงที่ การกู้คืน NAD + ในไซโตโซลโดยกลีเซอราลดีไฮด์-3-ฟอสเฟต เกิดขึ้นระหว่าง แคแทบอลิซึม กลูโคส.

ดังนั้นหากกลไกมาเลท - แอสพาเทตทำงานได้แสดงว่าเป็นผลจากความสมบูรณ์ ออกซิเดชันหนึ่ง โมเลกุล กลูโคสอาจจะไม่ใช่ 36 แต่เป็น 38 โมเลกุล เอทีพี(ตารางที่ 10.1)

ในตาราง ให้ 10.1 ปฏิกิริยาซึ่งเกิดพันธะฟอสเฟตพลังงานสูงในระหว่างนั้น แคแทบอลิซึม กลูโคสบ่งบอกถึงประสิทธิภาพของกระบวนการภายใต้สภาวะแอโรบิกและแอนแอโรบิก

กระทรวงศึกษาธิการแห่งสหพันธรัฐรัสเซีย

มหาวิทยาลัยเทคนิคแห่งรัฐ Samara

ภาควิชาเคมีอินทรีย์

บทคัดย่อในหัวข้อ:

“วงจรกรดไตรคาร์บอกซิลิก (KREBS CYCLE)”

กรอกโดยนักเรียน: III – NTF – 11

Eroshkina N.V.

ฉันตรวจสอบแล้ว

วัฏจักรกรดไตรคาร์บอกซิลิกเรียกอีกอย่างว่าวัฏจักรเครบส์ เนื่องจากวัฏจักรดังกล่าวเกิดขึ้นโดยฮันส์ เครบส์ในปี พ.ศ. 2480
ด้วยเหตุนี้ 16 ปีต่อมาเขาจึงได้รับรางวัลโนเบลสาขาสรีรวิทยาหรือการแพทย์ ซึ่งหมายความว่าการค้นพบนี้ค่อนข้างสำคัญ วัฏจักรนี้หมายถึงอะไร และเหตุใดจึงสำคัญมาก

ไม่ว่าใครจะพูดอะไร คุณยังคงต้องเริ่มต้นให้ไกล หากคุณตัดสินใจอ่านบทความนี้ อย่างน้อยคุณก็รู้โดยตรงว่าแหล่งพลังงานหลักสำหรับเซลล์คือกลูโคส มันมีอยู่ในเลือดอย่างต่อเนื่องโดยมีความเข้มข้นเกือบคงที่ - ด้วยเหตุนี้จึงมีกลไกพิเศษที่เก็บหรือปล่อยกลูโคส

ภายในแต่ละเซลล์จะมีไมโตคอนเดรีย - ออร์แกเนลล์แต่ละเซลล์ ("อวัยวะ" ของเซลล์) ที่ทำหน้าที่ประมวลผลกลูโคสเพื่อผลิตแหล่งพลังงานภายในเซลล์ - ATP ATP (กรดอะดีโนซีน ไตรฟอสฟอริก) มีประโยชน์หลากหลายและสะดวกมากในการใช้เป็นแหล่งพลังงาน โดยจะรวมเข้ากับโปรตีนโดยตรง เพื่อให้พลังงานแก่พวกมัน ตัวอย่างที่ง่ายที่สุดคือโปรตีนไมโอซิน ซึ่งทำให้กล้ามเนื้อหดตัวได้

กลูโคสไม่สามารถแปลงเป็น ATP ได้แม้ว่าจะมีพลังงานจำนวนมากก็ตาม จะดึงพลังงานนี้ออกมาและนำไปในทิศทางที่ถูกต้องได้อย่างไรโดยไม่ต้องหันไปพึ่งวิธีป่าเถื่อน (ตามมาตรฐานมือถือ) เช่น การเผาไหม้? คุณจำเป็นต้องใช้วิธีแก้ปัญหาชั่วคราว เนื่องจากเอนไซม์ (ตัวเร่งปฏิกิริยาโปรตีน) ช่วยให้ปฏิกิริยาบางอย่างดำเนินไปเร็วขึ้นและมีประสิทธิภาพมากขึ้น

ขั้นตอนแรกคือการแปลงโมเลกุลกลูโคสให้เป็นโมเลกุลสองโมเลกุลของไพรูเวต (กรดไพรูวิก) หรือแลคเตต (กรดแลคติค) ในกรณีนี้พลังงานส่วนเล็กๆ (ประมาณ 5%) ที่เก็บไว้ในโมเลกุลกลูโคสจะถูกปล่อยออกมา แลคเตตผลิตโดยการเกิดออกซิเดชันแบบไม่ใช้ออกซิเจน - นั่นคือในกรณีที่ไม่มีออกซิเจน นอกจากนี้ยังมีวิธีแปลงกลูโคสภายใต้สภาวะไร้ออกซิเจนให้เป็นเอธานอลและคาร์บอนไดออกไซด์สองโมเลกุล สิ่งนี้เรียกว่าการหมัก และเราจะไม่พิจารณาวิธีนี้


...เช่นเดียวกับที่เราจะไม่พิจารณารายละเอียดเกี่ยวกับกลไกของไกลโคไลซิส นั่นก็คือ การสลายกลูโคสให้เป็นไพรูเวต เพราะตามคำพูดของ Leinger "การเปลี่ยนกลูโคสไปเป็นไพรูเวตนั้นถูกเร่งด้วยเอนไซม์ 10 ตัวที่ออกฤทธิ์ตามลำดับ" ผู้ที่สนใจสามารถเปิดหนังสือเรียนเกี่ยวกับชีวเคมีและทำความคุ้นเคยกับรายละเอียดทุกขั้นตอนของกระบวนการ - มีการศึกษาเป็นอย่างดี

ดูเหมือนว่าเส้นทางจากไพรูเวตไปจนถึงคาร์บอนไดออกไซด์น่าจะค่อนข้างง่าย แต่ปรากฎว่ามันเกิดขึ้นผ่านกระบวนการเก้าขั้นตอนที่เรียกว่าวงจรกรดไตรคาร์บอกซิลิก ความขัดแย้งที่ชัดเจนกับหลักการของเศรษฐกิจ (ง่ายกว่านี้ไม่ได้หรือ) ส่วนหนึ่งอธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าวัฏจักรเชื่อมโยงเส้นทางเมแทบอลิซึมหลายอย่าง: สารที่เกิดขึ้นในวัฏจักรนั้นเป็นสารตั้งต้นของโมเลกุลอื่น ๆ ที่ไม่เกี่ยวข้องกับการหายใจอีกต่อไป (สำหรับ เช่น กรดอะมิโน) และสารประกอบอื่นๆ ที่จะกำจัดทิ้งในที่สุดจะเข้าสู่วงจรและจะถูก "เผา" เพื่อเป็นพลังงานหรือรีไซเคิลเป็นสารประกอบที่ขาดแคลน

ขั้นตอนแรกซึ่งแต่เดิมถือว่าเกี่ยวข้องกับวัฏจักรเครบส์ คือการนำไพรูเวตออกซิเดชันดีคาร์บอกซิเลชันไปเป็นอะซิติลเรซิดิว (Acetyl-CoA) CoA ถ้าใครไม่รู้จักคือโคเอ็นไซม์ A ซึ่งมีกลุ่มไทออลซึ่งสามารถถ่ายโอนสารตกค้างของอะซิติลได้


การสลายไขมันยังนำไปสู่อะซิติลซึ่งเข้าสู่วงจรเครบส์ด้วย (พวกมันถูกสังเคราะห์ในลักษณะเดียวกัน - จาก Acetyl-CoA ซึ่งอธิบายความจริงที่ว่าไขมันมักจะมีเพียงกรดที่มีอะตอมของคาร์บอนเป็นจำนวนคู่เท่านั้น)

Acetyl-CoA ควบแน่นกับโมเลกุล oxaloacetate เพื่อผลิตซิเตรต สิ่งนี้จะปล่อยโคเอ็นไซม์ A และโมเลกุลของน้ำออกมา ขั้นตอนนี้ไม่สามารถย้อนกลับได้

ซิเตรตจะถูกดีไฮโดรจีเนชันเป็นซิส-อะโคนิเตต ซึ่งเป็นกรดไตรคาร์บอกซิลิกตัวที่สองในวงจร

Cis-aconitate ยึดโมเลกุลของน้ำกลับกลายเป็นกรดไอโซตริก ขั้นตอนนี้และขั้นตอนก่อนหน้าสามารถย้อนกลับได้ (เอนไซม์กระตุ้นปฏิกิริยาทั้งไปข้างหน้าและย้อนกลับ - คุณรู้ใช่ไหม?)

กรดไอโซตริกจะถูกดีคาร์บอกซิเลต (ไม่สามารถย้อนกลับได้) และออกซิไดซ์ไปพร้อมๆ กัน โดยให้กรดคีโตกลูตาริก ในขณะเดียวกัน NAD+ เมื่อได้รับการกู้คืนก็จะกลายเป็น NADH

ขั้นต่อไปคือดีคาร์บอกซิเลชันแบบออกซิเดชัน แต่ในกรณีนี้ มันไม่ได้ก่อตัวเป็นซัคซิเนต แต่เป็นซัคซินิล-โคเอ ซึ่งจะถูกไฮโดรไลซ์ในขั้นตอนต่อไป โดยจะนำพลังงานที่ปล่อยออกมาไปสู่การสังเคราะห์เอทีพี

ในกรณีนี้ จะมีการสร้างโมเลกุล NADH ขึ้นมาอีกโมเลกุลหนึ่งและโมเลกุล FADH2 (โคเอ็นไซม์ที่แตกต่างจาก NAD ซึ่งสามารถออกซิไดซ์และรีดิวซ์ได้ โดยกักเก็บและปล่อยพลังงาน)

ปรากฎว่า oxaloacetate ทำงานเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา - ไม่สะสมและไม่ถูกบริโภคในกระบวนการ นี่เป็นเรื่องจริง - ความเข้มข้นของออกซาโลอะซิเตตในไมโตคอนเดรียยังคงค่อนข้างต่ำ จะหลีกเลี่ยงการสะสมของผลิตภัณฑ์อื่นๆ ได้อย่างไร จะประสานวงจรทั้ง 8 ขั้นตอนได้อย่างไร?

สำหรับสิ่งนี้ปรากฏว่ามีกลไกพิเศษ - การตอบรับเชิงลบประเภทหนึ่ง ทันทีที่ความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์เพิ่มขึ้นเหนือปกติ มันจะขัดขวางการทำงานของเอนไซม์ที่รับผิดชอบในการสังเคราะห์ และสำหรับปฏิกิริยาที่ผันกลับได้นั้นง่ายกว่า: เมื่อความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์เกิน ปฏิกิริยาจะเริ่มไปในทิศทางตรงกันข้าม

และความคิดเห็นเล็กๆ น้อยๆ อีกสองสามข้อ