კრებსის ციკლი

ლიმონმჟავა ციკლი უჯრედული მეტაბოლიზმის ერთ–ერთი საშუალებაა და მასში მიმდინარეობს ნახშირწყლების, ცხიმოვანი მჟავებისა და ამინომჟავების უმრავლესობის საბოლოო პროდუქტამდე (CO2 და H2O) დაჟანგვა და სხვა მეტაბოლური პროცესების სუბსტრატების სინთეზიც. კრებსის ლიმონმჟავას ციკლის სუბსტრატია აცეტილ–CoA, რომელიც კატაბოლიზმის შუალედური პროდუქტია. კატაბოლიზმის საბოლოო ეტაპზე ზემოხსენებული ნაერთების ჩასართავად აუცილებელია მათი ნახშირბადოვანი ჩონჩხის გარდაქმნა ორ ნახშირბადიან ნაერთად – აცეტილ–CoA (ე.წ გააქტივებული ძმარმჟავა). აცეტილ–CoA–ს დახმარებით მიმდინარეობს ლიმონმჟავა ციკლში ძირითადი საწვავი ნაერთების ჩართვა. მისი ძირითადი წყაროა პირუვატი, რომელიც გლიკოლიზის პროდუქტია. თუმცა იგი ასევე წარმოიქმნება ცხიმოვანი მჟავებისა და ზოგიერთი ამინომჟავის კატაბოლიზმის რეაქციებშიც. ერთი ციკლის დატრიალების შედეგად წარმოიქმნება 2 მოლეკულა CO2, H2O და 12 მოლეკულა ATP. 12 მოლეკულა ATP–დან 11 სინთეზირდება ჟანგვითი ფოსფორილირებით, 1 მოლეკულა კი სუბსტრატული ფოსფორილირებით.


გლუკოზის მოლეკულა 6 ნახშიბარდის ატომისგან შედგება, გლიკოლიზის შედეგად ის იყოფა და ვიღებთ პირუვატის 2 მოლეკულას, თითოეული მოლეკულა 3 ნახშირბადს შეიცავს. გლიკოლიზი როგორც წესი უჟანგბადოდ მიმდინარეობს. თუმცა მნიშვნელობა არ აქვს გლიკოლიზი ანაერობული იქნება თუ აერობული, რადგან პირუვატი მაინც წარმოიქმნება, მაგრამ შემდეგ სტადიაზე გარდაქმნა დამოკიდებულია ჟანგბადიან და უჟანგბადო არეზე. ჟანგბადიან გარემოში პირუვატი განიცდის ჟანგვით დეკარბოქსილირებას და აცეტილ-CoA წარმოიქმნება, უჟანგბადო გარემოში კი პირუვატი ლაქტატად გარდაიქმნება, მაგრამ ვინაიდან ეს რეაქცია შექცევადია, შესაძლებელია დაგროვებული ლაქტატის პირუვატად გარდაქმნა. აცეტილ–CoA სხვადასხვა გზებით წარმოიქმნება – ჟანგვითი დეკარბოქსილირება ანუ ნახშირწყლების მეტაბოლიზმი; თავისუფალი ცხიმოვანი მჟავების ბეტა–დაჟანგვა, რომლებიც წარმოიქმნება ტრიაცილგლიცეროლების ლიპოლიზის შედეგად; ზოგიერთი ამინომჟავის ნახშირბადოვანი ჩონჩხის კატაბოლიზმი (ცილების და ამინომჟავების მეტაბოლიზმი) და კეტოსხეულების გარდაქმნა.

პირუვატები კრებსის ციკლისათვის მოსამზადებლად ჟანგვას განიცდის, რომლის შედეგადაც პირუვატიდან ერთ–ერთი ნახშირბადი ჩამოშორდება და გვრჩება 2–ნახშირბადიანი ნაერთი - აცეტილ–CoA (კოენზიმ A). ამასთან ერთად ზოგიერთი NAD^+ აღდგება NADH-მდე. პირუვატის ჟანგვითი დეკარბოქსილირება მიტოქონდრიის მატრიქსში ხორციელდება. მიტოქონდრიას ორმაგი მემბრანა აქვს. პირველი – გარეთა, შემომსაზღვრელი მემბრანაა, მეორე კი უჯრედშიგნით ხვეულებს ანუ კრისტებს ქმნის. სივრცეს ამ კრისტებს შორის მატრიქსი ეწოდება. პირუვატის მატრიქსში გადატანასთან ერთად H^+ იონიც გადაიტანება, სპეციალური ცილოვანი ბუნების გადამტანების მეშვეობით. პირუვატის აცეტილ–CoA–ად გარდაქმნის რეაქციის შედეგად გამოიყოფა CO2. ეს პროცესი სამი ფერმენტისა და 5 კოფერმენტის დახმარებით მიმდინარეობს, რომელთა გაერთიანებასაც პირუვატდეჰიდროგენაზულ კომპლექსს უწოდებენ. ეს ფერმენტებია – პირუვატდეკარბოქსილაზა, მისი კოფერმენტია თიამინდიფოსფატი, დიჰიდროლიპოილტრანსაცეტილაზა და დიჰიდროლიპოილდეჰიდროგენაზა, კოფერმენტით FAD^+. კოფერმენტებია – ლიპოის მჟავა, თიამინდიფოსფატი, FAD^+, NAD^+ და CoA-SH.

ლიმონმჟავას ციკლის დროს აცეტილ CoA–ს აცეტილის ჯგუფის ნახშირბადი იჟანგება CO2-მდე. ჟანგვა–აღდგენის შედეგად გამოთავისუფლებული წყალბადის ატომები მიეწოდება სუნთქვის ჯაჭვს NAD– და FAD-დამოკიდებული დეჰიდროგენაზებით, რის შედეგადაც ხდება წყლის სინთეზი და ADP–ის ჟანგვითი ფოსფორილირება.
ლიმონმჟავა ციკლში მონაწილეობს 4 დეჰიდროგენაზა, რომელთა მოქმედებით ხდება 4 წყვილი წყალბადის ჩამოცილება. აქიდან სამი ხმარდება NAD^+ -ის აღდგენას, ხოლო ერთი FAD^+ -ის. 4 წყვილი ელექტრონი, რომელიც წარმოიქმნება პროტონის (H^+) კოფერმენტებთან მიერთებით, გადაეცემა ელექტრონების გადატანის ჯაჭვს. რისი საშუალებითაც ელექტრონები ჟანგბადის მოლეკულაზე გადადის და წყლამდე აღდგება.
შემდეგ ეტაპზე, მიტოქონდრიის შიდა მემბრანაში მიმდინარეობს კრებსის ციკლი.


კრებსის ციკლის პირველ ეტაპს ციტრატსინთაზური ეტაპი ეწოდება, რადგან ეს რეაქცია ფერმენტ ციტრატსინთაზას საშუალებით კატალიზდება, რომელიც მოთავსებულია მიტოქონდრიულ მატრიქსში (საერთოდ კრებსის ციკლში ყველაფერი ფერმენტებით კატალიზდება). მონაწილე სუბსტრატებია აცეტილ–CoA და ოქსალოაცეტატი.
აცეტილ–CoA უერთდება ოქსალოაცეტატს – 4 ნახშირბადიან მოლეკულას, და ლოგიკურია 6 ნახშირბადიან მოლეკულას ვიღებთ, ციტრატს იგივე ლიმონმჟავას, ვინაიდან გვქონდა 2 ნახშირბადიანი და 4 ნახშირბადიანი. შუალედური ნაერთის სახით წარმოიქმნება ციტროლ–CoA (C-CoA), რომელიც რეაქციის დროს ფერმენტის კატალიზურ ცენტრთან რჩება დაკავშირებული. წყლის მოლეკულის მიერთების შემდეგ კი ჰიდროლიზდება და წარმოიქმნება ციტრატი (ლიმონმჟავას ანიონი), ამასთან გამოიყოფა A-კოენზიმი (CoA, CoASH, ან HSCoA).


მეორე ეტაპზე, ციტრატი ფერმენტ აკონიტაზას მეშვეობით გარდაიქმნება იზოციტრატად. ეს პროცესი მიმდინარეობს შუალედური ნაერთის წარმოქმნით. თავდაპირველად ფერმენტ აკონიტაზას მეშვეობით ციტრატს ჩამოსცილდება წყლის მოლეკულა და გვრჩება ცის–აკონიტატი. რის შემდეგაც ისევ ფერმენტ აკონიტაზას მოქმედებით წყალს იკავშირებს და წარმოიქმნება იზოციტრატი (ლიმონმჟავას იზომერული ფორმა). ასევე სარეაქციო არეში აუცილებელია რკინის იონის არსებობა.


მესამე ეტაპზე, იზოციტრატის ჟანგვითი დეკარბოქსილირება მიმდინარეობს, ფერმენტ იზოციტრატდეჰიდროგენაზას საშუალებით. ფერმენტ იზოციტრატდეჰიდროგენაზას ორი ფორმა აქვს, ერთის კოფაქტორია NAD^+, ხოლო მეორესი NADP^+. პირველი მდებარეობს მხოლოდ მიტოქონდრიებში, მეორე კი ციტოპლაზმაშიც.
წამოიქმნება აღდგენილი NAD – NADH, რომელიც პროტონსა და ელექტრონს სუნთქვის ჯაჭვში გადასცემს, სადაც ჟანგვითი ფოსფორილირების შედეგად წარმოიქმნება 3 მოლეკულა ATP და შედეგად მივიღებთ ოქსალოსუქცინატს. ფერმენტ იზოციტრატდეჰიდროგენაზას ზემოქმედებით ის განიცდის დეკარბოქსილირებას ანუ ჩამოშორდება კარბოქსილის ჯგუფი და რეაქციით წარმოიქმნება α–კეტოგლუტარატი,
ასევე გამოიყოფა CO2.


ციკლის მომდევნო, მეოთხე საფეხურზე  α–კეტოგლუტარატი ჟანგვით დეკარბოქსილირებას განიცდის, α–კეტოგლუტარატდეჰიდროგენაზული  კომპლექსით  და გამოიყოფა CO2. რეაქციის პროდუქტია CoA–თი გააქტივებული სუქცინატი - სუქცინილ–CoA და წარმოიქმნება 3 მოლეკულა ATP. ამრიგად, გვაქვს 2 მოლეკულა CO2 და 6 მოლეკულა ATP.

მეხუთე ეტაპზე, მოქმედებს ფერმენტი სუქცინილ–CoA სინთეთაზა, რომლის მეშვეობთაც სუქცინილ-CoA გარდაიქმნება სუქცინატად. ამ რეაქციის შედეგად, სუქცინილ–CoA–ს მაკროერგული ბმის ჰიდროლიზით გამოიყოფა ენერგია, რაც ხმარდება სარეაქციო არეში მყოფი GDP–ის ფოსფორილირებას და წარმოიქმნება GTP. ამ რეაქციით GTP–ის ბოლო P, გადაიტანება ADP-ზე და რეაქციის შედეგად მიღება ერთი მოლეკულა ATP.
ამრიგად, უკვე გვაქვს 7 მოლეკულა ATP და სუქცინატი.

მეექვსე საფხურზე, სუქცინატი წყალბადის 2 ატომს სუქცინატდეჰიდროგენაზას დახმარებით კარგავს, რომლის პროსთეტული ჯგუფია დაჟანგული FAD^+. რეაქციის მსვლელობისას FAD^+ სუქცინატს ართმევს წყალბადის ორ ატომს და აღდგება FADH2-მდე. აღდგენილი FADH2 კი პროტონებსა და ელეტრონებს სუნთქვის ჯაჭვში უბიქინონს (CoQ) გადასცემს და სინთეზირდება 2 მოლეკულა ATP ანუ უკვე გვაქვს 9 მოლეკულა ATP,
სუქცინატი კი გარდაიქმნება ფუმარატად.


მეშვიდე ეტაპზე, ფუმარატი ფუმარატჰიდრატაზით ჰიდრირებს, ანუ მიირთებს წყალს, რის შედეგადაც მიიღება მალატი (ვაშლმჟავას ანიონი).

საბოლოო მერვე სტადიაზე კი დეჰიდროგენაზული რეაქცია მიმდინარეობს, ფერმენტ მალატდეჰიდროგენაზას მეშვეობით, რომლის მოქმედებითაც ის კარგავს წყალბადის ორ ატომს, რომლის აქცეპტორია დაჟანგული NAD+, მალატდეჰიდროგენაზას კოფაქტორი. აღდგენილი NADH პროტონებსა და ელექტრონებს სუნთქვის ჯაჭვში გადასცემს, რის შედეგადაც წარმოიქმნება 3 მოლეკულა ATP, მალატისგან კი ისევ ოქსალოაცეტატს ვიღებთ. საბოლოოდ ვიღებთ 12 მოლეკულა ATP–ს.