دورة كربس: خطواتها، منتجاتها، وتكاملها مع المسارات الأيضية الأخرى

دورة كربس

تعد دورة كربس (بالإنجليزية: Krebs Cycle) حجر الأساس في دورة التنفس الهوائي الخلوي. يلعب هذا المسار الأيضي دورًا محوريًا في استخلاص الطاقة من العناصر الغذائية من خلال التكسير التأكسدي للأحماض الدهنية والكربوهيدرات والأحماض الأمينية.

يطلق على دورة كربس أيضًا دورة حمض الستريك (بالإنجليزية: Citric acid cycle) أو دورة حمض ثلاثي الكربوكسيل (بالإنجليزية: Tricarboxylic acid or TCA)، وتقوم هذه الدورة أو حلقة كربس من خلال سلسلة من التفاعلات الإنزيمية بتحويل الأسيتيل مرافق الإنزيم أ (بالإنجليزية: Acetyl-CoA) وهو مستقلب رئيسي مشتق من مصادر الطاقة المختلفة مثل الجلوكوز والأحماض الأمينية إلى جزيئات غنية بالطاقة مثل ثنائي نيوكليوتيد الفلافين والأدينين (FADH2) وثنائي نوكليوتيد الأدنين وأميد النيكوتين (NADH) بينما تقوم في نفس الوقت بتوليد الإنزيمات المساعدة الأساسية [2].

نظرة عامة على التنفس الخلوي

قبل الغوص في دورة كريبس لا بد من تذكر العملية الأساسية التي تعد دورة كربس جزء منها وقلبها وهي عملية التنفس الخلوي. يعرف التنفس الخلوي بأنه العملية الأساسية التي تقوم من خلالها الخلايا باستخلاص الطاقة من العناصر الغذائية وتحويلها إلى شكل آخر أكثر قابلية للاستخدام وهو أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) [3]، حيث تلعب هذه السلسلة المعقدة من التفاعلات الكيميائية الحيوية دورًا محوريًا في تلبية احتياجات الخلايا حقيقة النواة من الطاقة التي تستخدمها في الوظائف الحيوية المختلفة.

يمكن تقسيم عملية التنفس الخلوي اللاهوائية إلى ثلاث مراحل رئيسية وهي، مرحلة تحلل السكر، ودورة كربس، وسلسلة نقل الإلكترون، حيث يؤدي تحلل السكر الذي يحدث في سيتوبلازم الخلية إلى تحلل الجلوكوز إلى البيروفات، ثم تقوم دورة كربس التي تحدث في الميتوكندريا باستقلاب الأسيتيل كو أ من البيروفات لتوليد إنزيمات مساعدة مخفضة مثل (FADH2) و (NADH) [5].

تعمل الإنزيمات المساعدة كمستودعات أو حاملات للإلكترونات عالية الطاقة، وتلعب دورًا في المرحلة النهائية من سلسلة نقل الإلكترون، ويطلق عليها إنزيمات مساعدة مخفضة بسبب قدرتها على التبرع بإلكترونات للعديد من التفاعلات الكيميائية مما يخفض من طاقتها [3].

التنفس الخلوي ضروري لتوليد الأدينوسين ثلاثي الفوسفات الذي يعد عملة الطاقة الأساسية للخلية، مما يعني أن التنسيق المعقد لهذه المسارات الأيضية يوفر إمدادًا ثابتًا من أدينوسين ثلاثي الفوسفات لتلبية احتياجات الطاقة للأنشطة الخلوية [4].

موقع حدوث دورة كربس وتنظيمها الهيكلي

تحدث دورة كربس في موقع استراتيجي في الميتوكوندريا التي تعد مصدر الطاقة للخلايا حقيقية النواة، حيث توفر هذه العضية من مكونات الخلية بيئة معزولة تعزز الأداء الفعال لدورة كربس، مما يسمح بحدوث تفاعلات إنزيمية متحكم فيها ومنسقة [1].

من الناحية الهيكلية فإن دورة كربس هي تسلسل ديناميكي من التفاعلات الإنزيمية التي تشكل دورة أو حلقة مغلقة، حيث تتضمن هذه الدورة على ثماني خطوات متميزة تتوسط كل منها إنزيمات محددة وتدور حول محور مركزي من المواد الوسيطة، حيث تخضع هذه المواد الوسيطة لتحولات متتابعة تؤدي إلى توليد مركبات غنية بالطاقة، وتجدد جزيء بداية الدورة، والأوكسالوسيتات [3].

يعكس التنظيم الهيكلي لدورة كربس كفائتها في استخلاص الطاقة من مصادر الكربون المختلفة بما في ذلك الكربوهيدرات، والأحماض الدهنية والأحماض الأمينية، بالإضافة إلى ما سبق فإن الطبيعة الدورية لدورة كربس تضمن إنتاج الطاقة المستمر وتجديد الجزئيات الوسيطة.

خطوات دورة كربس

تتألف دورة كربس من ثماني خطوات تحول بشكل معقد جزيئات الاستيل كو أ إلى مركبات غنية بالطاقة، وتطلق ثاني اكسيد الكربون، وتنتج إنزيمات مساعدة مخفضة، وتشمل هذه الخطوات على ما يلي:

تخليق السيترات

تبدأ دورة كربس بخطوة حاسمة لا يمكن عكسها وهي تخليق السيترات، حيث تعمل هذه الخطة كنقطة دخول رئيسية للأسيتيل كو أ إلى دورة كربس بمساعدة الأوكسالوسيتات [4].

كما ذكرنا سابقًا فإن الأسيتيل كو أ هو جزيء متعدد الاستخدامات يشتق من مصادر الطاقة المختلفة مثل الجلوكوز، ويعمل كمساهم رئيسي في الكربون في دورة كربس، أما الأوكسالوستات فهو مركب رباعي الكربون ويعد المنصة الأولية لإطلاق دورة كربس [1].

تبدأ الدورة بتكثيف الأسيتيل كو أ والأوكسالوسيتات باستخدام إنزيم تنظيمي هو سيترات سينثاز (بالإنجليزية:Citrate synthase)، مما يؤدي إلى تكوين السيترات وهي مركب سداسي الكربون والوسيط الأول لدورة كربس [4].

خطوة تصنيع السيترات لا رجعة فيها، وتعد هذه الطبيعة الملتزمة بالدورة بمجرد البدء بالغة الأهمية للحفاظ على التكرار الدوري لدورة كربس، حيث يتم تنظيمها بدقة بناءً على توفر الركائز أو المواد الأولية وهي الأسيتيل كو أ والأوكسالوسيتات، مما يضمن استمرار الدورة بكفاءة كاستجابة لمتطلبات الطاقة الخلوية.

تصبح السيترات الناتجة عن هذه الخطوة جزيء متعدد الاستخدامات يؤثر في المسارات الأيضية المختلفة، حيث يعمل كمادة وسيطة مثبطة للفوسفوفركتوكيناز 1 في تحلل السكر، ومادة وسيطة منشطة لأسيتيل كو أ كربوكسيليز عند تخليق الأحماض الدهنية، وهذا يسلط الضوء على ترابط العمليات الأيضية داخل الخلية [4].

يمكن تلخيص تخليق السيترات أي أول خطوة في دورة كربس بالمعادلة التالية:

أسيتيل كو أ + أوكسالوسيتات + سيترات سينثاز = سيترات

مصاوغة السيترات

مصاوغة السيترات (بالإنجليزية: Citrate isomerization) أو الأيزوميرية هي الخطوة الثانية في دورة كربس، وهي عملية إنزيمية تخضع خلالها السيترات للتحول إلى أيزوسيترات، ويتم إطلاق هذه العملية من خلال إنزيم الأكونيتاز، وتعد الركيزة الأساسية للتفاعلات المؤكسدة اللاحقة [4].

يقوم إنزيم الأكونيتاز وهو إنزيم تنظيمي رئيسي بتنظيم عملية المصاوغة من خلال إعادة ترتيب الذرات داخل جزيء السيترات القادم من الخطوة الأولى من دورة كربس، وعلى وجه التحديد يقوم الأكونيتاز بتحفيز هجرة مجموعة الهيدروكسيل مما يؤدي إلى تحويل السيترات إلى أيزوسيترات، حيث يخلق هذا التحول بيئة كيميائية مواتية لاستخراج الطاقة بكفاءة من المركبات الغنية بالكربون [4].

يخضع نشاط إنزيم الأكونيتاز للتنظيم حيث تعمل جزيئات مثل الأدينوسين ثنائي الفوسفات (ADP) وأيونات الكالسيوم على تنشيطه بينما يعمل الأدينوسين ثلاثي الفوسفات و NADH على تثبيط نشاطه، ويعرف هذا النوع من التحكم بالتحكم التفارغي الذي يضبط عملية المصاوغة بدقة وفقًا لحالة الطاقة والاحتياجات الأيضية للخلية [1].

يمكن تلخيص مصاوغة السيترات في المعادلة التالية:

سيترات + إنزيم الأكونيتاز = أيزوسيترات

نزع الكربوكسيل التأكسدي للإيزوسيترات

للمضي قدمًا في دورة كربس تتضمن الخطوة الثالثة على نزع الكروبوكسيل التأكسدي للإيزوسيترات (بالإنجليزية: Oxidative decarboxylation of isocitrate)، ويتم تحفيز هذا التفاعل من خلال الإنزيم النازع لهيدروجين الإيزوسيترات (بالإنجليزية: Isocitrate dehydrogenase) لتسهيل استخلاص الطاقة من الوسائط الغنية بالكربون [4].

تنطوي هذه الخطوة على عمل مزدوج وهي الأكسدة ونزع الكربوكسيل، حيث يخضع الإيزوسيترات المكون من ستة ذرات من الكربون لتعديلات مؤكسدة تؤدي إلى إزالة مجموعة الكربوكسيل، الذي بدوره يقود إلى إطلاق ثاني أكسيد الكربون [2].

بالتزامن مع نزع الكربوكسيل يعزز الإنزيم النازع لهيدروجين الإيزوسيترات نقل إلكترون NAD مما يؤدي إلى تكوين NADH الذي يمثل حاملًا مهمًا للإلكترونات عالية الطاقة التي ستساهم في المراحل اللاحقة من إنتاج أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) [2].

من المنتجات المهمة لهذه الخطوة هو الألفا كيتوجلوتارات (بالإنجليزية: α-ketoglutarate) المكون من 5 ذرات كربون والذي يعد الجزء المحوري للخطوة التالية في دورة كربس لإنتاج إجمالي الطاقة للدورة [4].

يتعرض أيضًا الإنزيم النازع لهيدروجين الإيزوسيترات للتحكم التفارغي، ويدل إطلاق ثاني أكسيد الكربون على إزالة الكربون من دورة كربس في هذه المرحلة، مما يجعل هذا التفاعل أساسي لاستمرار الدورة.

يمكن تلخيص نزع الكربوكسيل التأكسدي للإيزوسيترات في المعادلة التالية:

أيزوسيترات + الإنزيم النازع لهيدروجين الإيزوسيترات + NAD = NADH + ثاني أكسيد الكربون + ألفا كيتوجلوتارات

نزع الكربوكسيل التأكسدي لألفا كيتوجلوتارات

تتضمن الخطوة الرابعة من دورة كربس على نزع الكربوكسيل التأكسدي لألفا كيتوجلوتارات (بالإنجليزية: Oxidative Decarboxylation of α-Ketoglutarate) ويتم تنظيم هذه العملية بواسطة الإنزيم النازع لهيدروجين ألفا كيتوجلوتارات (بالإنجليزية: Alpha-ketoglutarate dehydrogenase) ليتم تحويل ألفا كيتوجلوتارات إلى السكسينيل مرافق الإنزيم أ (بالإنجليزية: Succinyl CoA)، مما يؤدي في نفس الوقت إلى توليد NADH وإطلاق ثاني أكسيد الكربون لإنتاج مركبات غنية بالطاقة [4].

يتميز تكوين السكسينيل كو أ بإنشاء رابطة ثيوإستر غنية بالطاقة تعمل كخزانات للطاقة الكامنة التي سيتم استخدامها في الخطوات التالية من دورة كربس [3].

يمكن تلخيص هذه الخطوة من دورة كربس من خلال المعادلة التالية:

ألفا كيتوجلوتارات + المركب النازع لهيدروجين الألفا كيتوجلوتارات = السكسينيل مرافق الإنزيم أ + NADH + ثاني أكسيد الكربون

انقسام السكسينيل مرافق الإنزيم أ

تتضمن الخطوة الخامسة من دورة كربس على انقسام السكسينيل مرافق الإنزيم أ (بالإنجليزية:Succinyl Coenzyme A cleavage) بواسطة إنزيم سكسينات الثيوكيناز (بالإنجليزية: Succinate Thiokinase) لتزويد الدورة بمنتجات حيوية لإنتاج الطاقة [4].

إحدى السمات المميزة لهذه الخطوة هي الفسفرة على مستوى المادة الوسيطة، وهي آلية يتم من خلالها تحويل روابط الفوسفات عالية الطاقة مباشرة إلى أدينوسين ثنائي الفوسفات (ADP) الذي يولد أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP)، حيث يحول إنزيم سكسينات الثيوكيناز مجموعة الفوسفوريل في السكسينيل كو أ إلى الغوانوسين ثنائي فوسفات (GDP) ليكون الغوانوسين ثلاثي الفوسفات (GTP) [3].

تكمن الأهمية في التحويل إلى GTP في هذه المرحلة إلى أنه يمكن لل GTP التبرع بسهولة بمجموعات الفوسفات الخاصة به إلى ال ADP مما يؤدي إلى توليد ATP.

يؤدي انقسام السكسينيل كو أ إلى تحرير السكسينات، وهي أحماض ثنائية الكربوكسيل ورباعية الكربون، ومن الجدير بالذكر أن السكسينات خالية من روابط الثيوإستر عالية الطاقة، وفي الخطوات التالية تخضع السكسينات لمزيد من التحولات تؤي في النهاية إلى تجديد الأوكسالوسيتات المهمة لتجديد دورة كربس [3].

يمكن تلخيص خطوة انقسام السكسينيل كو أ من خلال المعادلة التالية:

السكسينيل مرافق الإنزيم أ + إنزيم سكسينات الثيوكيناز = السكسينات + GTP في الخلايا الحيوانية أو ATP في الخلايا النباتية.

أكسدة السكسينات

في المرحلة السادسة من دورة كربس تتم أكسدة السكسينات (بالإنجليزية: Oxidation of Succinate)، وهي عملية تتم بواسطة الإنزيم نازع هيدروجين السكسينات (بالإنجليزية: Succinate dehydrogenase) لإنتاج الفورمارات، وترتبط هذه الخطوة بلسلسلة نقل الإلكترون بشكل معقد مما يجسد الطبيعة المتكاملة للتنفس الخلوي [4].

يرتبط إنزيم نازع هيدروجين السكسينات بغشاء الميتوكندريا الداخلي، مما يجعله الإنزيم الوحيد الذي يعد جزءًا من دورة كربس وسلسلة نقل الإلكترون، ويؤكد ارتباطه بالغشاء الداخلي للميتوكندريا على الطبيعة المزدوجة لهذا الإنزيم [1].

أثناء عملية الأكسدة تتبرع السكسينات بالإلكترونات لإنزيم نازع هيدروجين السكسينات مما يؤدي توليد إلى ثنائي نيوكليوتيد الفلافين والأدينين (FADH2) الذي يحمل إلكترونات ذات طاقة مرتفعة يتم نقلها إلى سلسلة نقل الإلكترون [1].

يساهم FADH2 أيضًا في تخليق الـ ATP، فعندما يقوم FADH2 بالتبرع إلى سلسلة نقل الإلكترون يتم تسخير الطاقة المنطلقة لضخ البروتونات عبر غشاء الميتوكوندريا الذي بدوره يعمل على تغذية إنتاج الـ ATP أثناء الفسفرة التأكسدية [3].

يمكن تلخيص أكسدة السكسينات في المعادلة التالية:

السكسينات + الإنزيم نازع هيدروجين السكسينات + FAD = فورمارات + FADH2

مواه الفورمارات

تتضمن الخطوة السابعة في دورة كربس على تمويه الفورمارات (بالإنجليزية: fumarate hydration) وهي عملية يمكن عكسها تحدث بواسطة إنزيم الفومراز (بالإنجليزية: Fumarase enzyme)، وتعد هذه الخطوة حاسمة لأنها ترتبط بمسارات أيضية أخرى [4].

يحفز إنزيم الفومراز إضافة الماء إلى الفورمارات مما يؤدي إلى تكوين المالات، ويمكن عكس التفاعل وتحويل المالات مرة أخرى إلى فورمارات في ظل ظروف خلوية معينة، كما أن مواه الفورمارات ينشىء رابطًا كيميائيًا حيويًا مع دورة اليوريا [3].

بالنسبة للمالات الناتج من هذه الخطوة فيصبح بمثابة مقدمة لتجديد الأوكسالوسيتات لبدء دورة كربس جديدة، لذا يعد تمويه الفومارات جزء لا يتجزأ من عملية التعويض حيث يتم تجديد المواد الوسيطة للحفاظ على تكرار دورة كربس [3].

يمكن تلخيص مواه الفورمارات بالمعادلة التالية:

الفورمارات + إنزيم الفومراز + H2O = مالات

أكسدة المالات

أكسدة المالات (بالإنجليزية: Malate oxidation) هي الخطوة الاخيرة في دورة كربس ويتم تحفيزها بواسطة إنزيم نازع هيدروجين المالات (بالإنجليزية: Malate dehydrogenase) من خلال إزالة الإلكترونات من الممالات، مما يؤدي إلى تحويلها إلى أوكسالوسيتات، كما تنتج هذه المرحلة NADH الذي يتم استخدامه في سلسلة نقل الإلكترون [4] أثناء التنفس الخلوي لتوليد ATP.

إلى جانب دور أكسدة المالات في دورة كربس، فإنها تعد مقدمة لعمليات خلوية مختلفة، ويمكن تلخيص أكسدة المالات في المعادلة التالية:

المالات + إنزيم نازع هيدروجين المالات + NAD = أوكسالوسيتات + NADH

منتجات دورة كربس

تشمل المنتجات الكلية لدورة كربس واحدة على ما يلي [2] [3]:

• جزيء واحد غوانوسين ثلاثي الفوسفات GTP.

• ثلاث جزيئات NADH.

• جزيء واحد FADH2.

• جزيئين من ثاني أكسيد الكربون.

عدد جزيئات أدينوسين ثلاثي الفوسفات المنتجة خلال دورة كربس

هناك اعتقاد خاطئ بأن دورة كربس تنتج أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) بشكل مباشر، ولكن في الواقع دورة كربس تنتج NADH و FADH2 الحاملة لطاقة عالية والتي تقوم بالتبرع لسلسلة نقل الإلكترون بالإلكترونات لإنتاج الـ ATP من خلال الفسفرة التأكسدية [3].

لا يمكن معرفة عدد جزيئات ATP التي يتم إنتاجها نتيجة لدورة كربس بشكل دقيق لأنها لا تنتج ATP بشكل مباشر، ولكن تقديرًا يمكن أن ينتج جزيء NADH ما يقارب 2.5 إلى 3 جزيئات ATP، أما جزيء FADH2 يمكن أن ينتج حوالي 1.5 إلى 2 جزيء ATP من خلال سلسلة نقل الإلكترون [3]، لذلك يمكن القول أن ناتج ATP من NADH و FADH2 في كل دورة كربس يمكن أن يتراوح بين 10 - 12 جزيء ATP .

يختلف أيضًا عدد ATP الناتج عن دورة كربس وفقًا للمادة التي يتم تحطيمها، فعلى سبيل المثال يمكن أن ينتج جزيء واحد من الجلوكوز 16 جزيء ATP، أما الأحماض الأمينية والأحماض الدهنية فتختلف أعداد جزيئات ال ATP التي تنتجها وفقًا لنوع الحمض المدخل والظروف الأيضية للخلية، ومع ذلك بشكل عام تنتج الأحماض الدهنية ATP أكثر من الجلوكوز، في حين أن إنتاج ATP من الأحماض الأمينية يختلف باختلاف المصير الأيضي للحمض الأميني.

ترابط دورة كربس مع المسارات الأيضية

بعيدًا عن إنتاج الطاقة ترتبط دورة كربس ارتباطًا وثيقًا مع المسارات الأيضية المختلفة مما يضمن الاستخدام الفعال للعناصر الغذائية والحفاظ على التوازن الأيضي، ومن هذه المسارات ما يلي [1] [3]:

• تحلل الجلوكوز: يرتبط تحلل الجلوكوز إلى بيروفات ارتباط وثيق بدورة كريبس، حيث يعمل البيروفات المتولد من تحلل الجلوكوز كمقدمة للأسيتيل كو أ وهو الجزيء الأول الذي يدخل الدورة.

• تخليق الجلوكوز: يشترك تخليق الجلوكوز من سلائف غير كربوهيدراتية في العديد من الجزيئات الوسيطة مع دورة كريبس، على سبيل المثال يمكن تحويل الأوكسالوسيتات إلى فوسفونول بيروفات، وهو مادة سليفة للجلوكوز.

• مسار فوسفات البنتوز: يولد مسار فوسفات البنتوز فوسفات ثنائي نيوكليوتيد الأدنين وأميد النيكوتين (NADPH) وريبوز 5-الفوسفات الضروري لتخليق النيوكليوتيدات والحفاظ على توازن الأكسدة، ويمكن أن تكون الجزيئات الوسيطة في دورة كربس مثل السترات والألفاكيتوجلوتارات بمثابة سلائف لتخليق الريبوز 5-الفوسفات.

المراجع

[1] Alabduladhem TO, Bordoni B. Physiology, Krebs Cycle. [Updated 2022 Nov 23]. In: StatPearls [Internet]. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing; 2024 Jan-. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK556032/

[2] Arnold, P. K., & Finley, L. W. S. (2023). Regulation and function of the mammalian tricarboxylic acid cycle. The Journal of biological chemistry, 299(2), 102838. https://doi.org/10.1016/j.jbc.2022.102838

[3] Haddad A, Mohiuddin SS. Biochemistry, Citric Acid Cycle. [Updated 2023 May 1]. In: StatPearls [Internet]. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing; 2024 Jan-. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK541072/

[4] Krebs H. A. (1940). The citric acid cycle: A reply to the criticisms of F. L. Breusch and of J. Thomas. The Biochemical journal, 34(3), 460–463. https://doi.org/10.1042/bj0340460

[5] Roosterman, D., & Cottrell, G. S. (2021). Rethinking the Citric Acid Cycle: Connecting Pyruvate Carboxylase and Citrate Synthase to the Flow of Energy and Material. International journal of molecular sciences, 22(2), 604. https://doi.org/10.3390/ijms22020604