Đối với con người chúng ta nói riêng và sinh vật nói chung thì chu trình Krebs gắn liền với sự sống. Chúng có vai trò đặc biệt quan trọng trong quá trình sinh trưởng và phát triển của sinh vật. Sir Hans Adolf Krebs, một nhà hóa sinh người Anh, có công trong việc khám phá chu kỳ. Ngài Krebs đã phác thảo các bước của chu trình vào năm 1937. Vì lý do này, nó có thể được gọi là chu trình Krebs.
Những khái niệm cơ bản trong chu trình Kreps
- Chu trình acid citric: Một loạt các phản ứng hóa học được sử dụng bởi tất cả các sinh vật hiếu khí để tạo ra năng lượng thông qua quá trình oxy hóa acetate có nguồn gốc từ carbohydrate, chất béo và protein thành carbon dioxide.
- Chu trình Krebs: Một loạt các phản ứng enzyme xảy ra trong tất cả các sinh vật hiếu khí. Nó liên quan đến quá trình chuyển hóa oxy hóa của các đơn vị acetyl và đóng vai trò là nguồn năng lượng chính của tế bào.
- Ty thể: Trong sinh học tế bào, một ty thể (hoặc nhiều ty thể) là một cơ quan bao bọc màng, thường được mô tả là các “nhà máy năng lượng tế bào” vì chúng tạo ra hầu hết ATP
- Glycolysis: Sự chuyển hóa glucose đường đơn giản để tạo ra acid pyruvic và ATP như một nguồn năng lượng.
Tóm lượt khái quát chu trình Krebs
- Phân tử 4 carbon oxaloacetate, bắt đầu chu trình được tái tạo sau tám bước của chu trình acid citric.
- Tám bước của chu trình acid citric là một loạt các phản ứng oxi hóa khử, khử nước, hydrat hóa và khử carboxyl.
- Mỗi lượt của chu trình tạo thành một GTP hoặc ATP cũng như ba phân tử NADH và một phân tử FADH2, sẽ được sử dụng trong các bước tiếp theo của quá trình hô hấp tế bào để tạo ATP cho tế bào.
Chu trình acid citric (chu trình Krebs)
Giống như việc chuyển đổi pyruvate thành acetyl CoA, chu trình acid citric diễn ra trong chất nền của ty thể. Hầu như tất cả các enzyme của chu trình acid citric đều hòa tan, ngoại trừ duy nhất enzyme succinate dehydrogenase, không hòa tan mà chỉ đi qua màng trong của ty thể.
Không giống như glycolysis, chu trình acid citric là một vòng khép kín: phần cuối của con đường tái tạo hợp chất được sử dụng trong bước đầu tiên. Tám bước của chu trình là một loạt các phản ứng oxi hóa khử, khử nước, hydrat hóa và khử carboxyl tạo ra hai phân tử carbon dioxide, một GTP / ATP và sản phẩm các dạng NADH và FADH2.
Đây được coi là một con đường hiếu khí vì NADH và FADH2 được tạo ra phải chuyển các electron của chúng sang con đường tiếp theo trong hệ thống, sẽ sử dụng oxy. Nếu việc chuyển đồng tiền năng lượng này không xảy ra, các bước oxy hóa của chu trình acid citric cũng không xảy ra. Lưu ý rằng chu trình acid citric tạo ra rất ít ATP trực tiếp và không tiêu thụ oxy trực tiếp.
Trong chu trình acid citric, nhóm acetyl từ acetyl CoA được gắn vào một phân tử oxaloacetate bốn carbon để tạo thành một phân tử citrate 6 carbon. Thông qua một loạt các bước, citrate bị oxy hóa, giải phóng hai phân tử carbon dioxide cho mỗi nhóm acetyl được đưa vào chu trình.
Trong quá trình này, 3 phân tử NAD+ bị khử thành NADH, một phân tử FAD bị khử thành FADH2 và 1 ATP/GTP (tùy thuộc vào loại tế bào) được tạo ra (bằng cách phosphoryl hóa ở mức cơ chất). Bởi vì sản phẩm cuối cùng của chu trình acid citric cũng là chất phản ứng đầu tiên, nên chu trình chạy liên tục với sự có mặt của các chất phản ứng đủ.
Các bước trong chu trình Krebs
Bước 1: Bước đầu tiên là bước ngưng tụ, kết hợp nhóm acetyl 2 carbon (từ acetyl CoA) với phân tử oxaloacetate 4 carbon để tạo thành 1 phân tử citrate 6 carbon. CoA liên kết với một nhóm sulfhydryl (-SH) và khuếch tán đi để cuối cùng kết hợp với một nhóm acetyl khác. Bước này là không thể đảo ngược bởi vì nó rất cao. Tốc độ của phản ứng này được kiểm soát bởi phản hồi tiêu cực và lượng ATP có sẵn. Nếu nồng độ ATP tăng, tốc độ của phản ứng này giảm. Nếu ATP thiếu, tỷ lệ tăng.
Bước 2: Citrate mất một phân tử nước và thu được một phân tử khác khi citrate được chuyển thành đồng phân của nó, isocitrate.
Bước 3 và 4: Ở bước ba, isocitrate bị oxy hóa, tạo ra 1 phân tử 5 carbon, α-ketoglutarate, cùng với một phân tử CO2 và 2 electron, làm giảm NAD + thành NADH. Bước này cũng được quy định bởi phản hồi tiêu cực từ ATP và NADH và bởi tác động tích cực của ADP.
Bước ba và bốn là cả hai quá trình oxy hóa và khử carboxyl, giải phóng các electron làm giảm NAD+ thành NADH và giải phóng các nhóm carboxyl tạo thành phân tử CO2.α-Ketoglutarate là sản phẩm của bước ba và nhóm succinyl là sản phẩm của bước bốn. CoA liên kết nhóm succinyl để tạo thành succinyl CoA. Enzym xúc tác bước bốn được điều hòa bởi sự ức chế phản hồi của ATP, succinyl CoA và NADH.
Bước 5: Một nhóm phosphat được thay thế cho coenzyme A và liên kết năng lượng cao được hình thành. Năng lượng này được sử dụng trong quá trình phosphoryl hóa mức cơ chất (trong quá trình chuyển đổi nhóm succinyl thành succatine) để tạo thành guanine triphosphate (GTP) hoặc ATP. Có hai dạng enzyme, được gọi là isoenzyme, cho bước này, tùy thuộc vào loại mô động vật mà chúng được tìm thấy.
Một dạng được tìm thấy trong các mô sử dụng một lượng lớn ATP, chẳng hạn như tim và cơ xương. Hình thức này tạo ra ATP.
Dạng thứ hai của enzyme được tìm thấy trong các mô có số lượng lớn quá trình đồng hóa, chẳng hạn như gan. Hình thức này tạo ra GTP. GTP tương đương với ATP; tuy nhiên, việc sử dụng nó bị hạn chế hơn. Đặc biệt, tổng hợp protein chủ yếu sử dụng GTP.
Bước 6: Bước sáu là một quá trình khử nước chuyển đổi succate thành fumarate. Hai nguyên tử hydro được chuyển sang FAD, tạo ra FADH 2. Năng lượng chứa trong các electron của các nguyên tử này không đủ để giảm NAD+ nhưng đủ để giảm FAD. Không giống như NADH, chất mang này vẫn gắn với enzyme và chuyển các electron sang chuỗi vận chuyển điện tử trực tiếp. Quá trình này được thực hiện bằng cách nội địa hóa enzyme xúc tác bước này bên trong màng trong của ty thể.
Bước 7: Nước được thêm vào fumarate trong bước bảy, và malate được sản xuất. Bước cuối cùng trong chu trình acid citric tái tạo oxaloacetate bằng cách oxy hóa malate. Một phân tử khác của NADH được sản xuất.
Sản phẩm của chu trình Krebs
Hai nguyên tử carbon đi vào chu trình acid citric từ mỗi nhóm acetyl, đại diện cho bốn trong số sáu nguyên tử carbon của một phân tử glucose. Hai phân tử carbon dioxide được giải phóng trên mỗi lượt của chu kỳ. Tuy nhiên, những thứ này không nhất thiết chứa các nguyên tử carbon được thêm vào gần đây nhất.
Hai nguyên tử carbon acetyl cuối cùng sẽ được giải phóng vào các lượt sau của chu kỳ; do đó, tất cả sáu nguyên tử carbon từ phân tử glucose ban đầu cuối cùng được kết hợp thành carbon dioxide.
Mỗi lượt của chu trình tạo thành ba phân tử NADH và một FADH 2 phân tử. Các chất mang này sẽ kết nối với phần hô hấp hiếu khí cuối cùng để tạo ra các phân tử ATP. Một GTP hoặc ATP cũng được thực hiện trong mỗi chu kỳ.
Một số hợp chất trung gian trong chu trình acid citric có thể được sử dụng trong việc tổng hợp các acid amin không thiết yếu; do đó, chu kỳ là lưỡng cư (cả dị hóa và đồng hóa).
Sự phân hủy của Pyruvate
Sau khi glycolysis, pyruvate được chuyển thành acetyl CoA để đi vào chu trình acid citric.
- Trong quá trình chuyển đổi pyruvate thành acetyl CoA, mỗi phân tử pyruvate sẽ mất một nguyên tử carbon khi giải phóng carbon dioxide.
- Trong quá trình phân hủy pyruvate, các electron được chuyển sang NAD+ để tạo ra NADH, sẽ được sử dụng bởi tế bào để tạo ATP.
- Trong bước cuối cùng của sự phân hủy pyruvate, một nhóm acetyl được chuyển đến Coenzyme A để tạo ra acetyl CoA.
Để pyruvate, sản phẩm của glycolysis, đi vào con đường tiếp theo, nó phải trải qua một số thay đổi để trở thành acetyl Coenzyme A (acetyl CoA). Acetyl CoA là một phân tử được chuyển đổi thành oxaloacetate, đi vào chu trình acid citric (chu trình Krebs). Việc chuyển đổi pyruvate thành acetyl CoA là một quá trình gồm ba bước.
Bước 1: Một nhóm carboxyl được loại bỏ khỏi pyruvate, giải phóng một phân tử carbon dioxide vào môi trường xung quanh. (Lưu ý: carbon dioxide là một carbon gắn với hai nguyên tử oxy và là một trong những sản phẩm cuối cùng của quá trình hô hấp tế bào). Kết quả của bước này là nhóm hydroxyethyl hai carbon liên kết với enzyme pyruvate dehydrogenase; carbon dioxide bị mất là chất đầu tiên trong số sáu nguyên tử carbon từ phân tử glucose ban đầu được loại bỏ.
Bước này tiến hành hai lần cho mỗi phân tử glucose được chuyển hóa (hãy nhớ: có hai phân tử pyruvate được sản xuất ở cuối glycolysis); do đó, hai trong số sáu nguyên tử carbon sẽ bị loại bỏ ở cuối cả hai bước này.
Bước 2: Nhóm hydroxyethyl bị oxy hóa thành nhóm acetyl và các electron được chọn bởi NAD+, tạo thành NADH (dạng khử của NAD+). Các electron năng lượng cao từ NADH sẽ được sử dụng sau đó bởi tế bào để tạo ATP cho năng lượng.
Bước 3: Nhóm acetyl gắn enzyme được chuyển sang CoA, tạo ra một phân tử acetyl CoA. Phân tử acetyl CoA này sau đó được chuyển đổi thêm để được sử dụng trong con đường chuyển hóa tiếp theo, chu trình acid citric.
Acetyl CoA và chu trình acid citric
Chu trình acid citric là một thành phần chính của con đường trao đổi chất mà tất cả các sinh vật hiếu khí tạo ra năng lượng.
- Chu trình Krebs là một chuỗi các phản ứng hóa học được sử dụng bởi tất cả các sinh vật hiếu khí để tạo ra năng lượng thông qua quá trình oxy hóa acetate có nguồn gốc từ carbohydrate, chất béo và protein.
- Về mặt lý thuyết có một số lựa chọn thay thế cho chu trình TCA, nhưng chu trình TCA dường như là hiệu quả nhất.
- Chu trình acid citric tiêu thụ acetate (dưới dạng acetyl-CoA) và nước, làm giảm NAD+ thành NADH và tạo ra carbon dioxide.
Chu trình acid citric, được thể hiện trong các trường hợp được gọi là chu trình acid tricarboxylic (chu trình TCA) hoặc chu trình Krebs là một loạt các phản ứng hóa học được sử dụng bởi tất cả các sinh vật hiếu khí để tạo ra năng lượng thông qua quá trình oxy hóa acetate có nguồn gốc từ carbohydrate, chất béo, và protein protein thành carbon dioxide.
Chu trình cung cấp tiền chất bao gồm một số acid amin nhất định cũng như chất khử NADH được sử dụng trong nhiều phản ứng sinh hóa. Đóng vài trò quan trọng đối với nhiều con đường sinh hóa cho thấy rằng nó là một trong những thành phần sớm nhất được chuyển hóa của tế bào; nó có thể có nguồn gốc abiogenogen.
