4.3: دورة حمض الستريك والفسفرة التأكسدية

Last updated
Save as PDF

Page ID: 191711

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

دورة حمض الستريك

في الخلايا حقيقية النواة، يتم نقل جزيئات البيروفات المنتجة في نهاية تحلل السكر إلى الميتوكوندريا، وهي مواقع للتنفس الخلوي. إذا كان الأكسجين متاحًا، فسيمضي التنفس الهوائي إلى الأمام. في الميتوكوندريا، سيتم تحويل البيروفات إلى مجموعة أسيتيل ثنائية الكربون (عن طريق إزالة جزيء من ثاني أكسيد الكربون) سيتم التقاطها بواسطة مركب حامل يسمى الإنزيم المساعد A (CoA)، وهو مصنوع من فيتامين ب ₅. يسمى المركب الناتج أسيتيل CoA. (الشكل\(\PageIndex{1}\)). يمكن استخدام Acetyl CoA بعدة طرق من قبل الخلية، ولكن وظيفته الرئيسية هي توصيل مجموعة الأسيتيل المشتقة من البيروفات إلى المسار التالي في تقويض الجلوكوز.

يُظهر رسم بياني أن البيروفات يتحول إلى مجموعة أسيتيل ثنائية الكربون عن طريق إزالة جزيء واحد من ثاني أكسيد الكربون. يتم التقاط مجموعة الأسيتيل ثنائي الكربون بواسطة الإنزيم المساعد A لتصبح أسيتيل CoA. ثم يدخل الأسيتيل CoA دورة حمض الستريك. يتم إنتاج ثلاثة جزيئات NADH وواحدة من FADH2 وواحدة من ATP واثنين من جزيئات ثاني أكسيد الكربون خلال هذه الدورة. — **الشكل\(\PageIndex{1}\):** يتم تحويل البيروفات إلى Acetyl-Coa قبل دخول دورة حمض الستريك.

مثل تحويل البيروفات إلى أسيتيل CoA، تحدث دورة حمض الستريك في الخلايا حقيقية النواة في مصفوفة الميتوكوندريا. على عكس تحلل السكر، فإن دورة حمض الستريك عبارة عن حلقة مغلقة: الجزء الأخير من المسار يجدد المركب المستخدم في الخطوة الأولى. الخطوات الثماني للدورة هي سلسلة من التفاعلات الكيميائية التي تنتج جزيئين من ثاني أكسيد الكربون، وجزيء ATP واحد (أو ما يعادله)، وأشكال مخفضة (NADH و FADH ₂) من ^NAD+ و ^FAD+، وهي إنزيمات مساعدة مهمة في الخلية. يعتبر جزء من هذا مسارًا هوائيًا (يتطلب الأكسجين) لأن NADH و FADH ₂ المنتجين يجب أن ينقلوا إلكتروناتهم إلى المسار التالي في النظام، والذي سيستخدم الأكسجين. في حالة عدم وجود الأكسجين، لا يحدث هذا النقل.

تدخل ذرتان من الكربون في دورة حمض الستريك من كل مجموعة أسيتيل. يتم إطلاق جزيئين من ثاني أكسيد الكربون في كل دورة؛ ومع ذلك، لا تحتوي هذه الجزيئات على نفس ذرات الكربون التي تساهم بها مجموعة الأسيتيل في هذا المنعطف من المسار. سيتم إطلاق ذرتي الأسيتيل والكربون في نهاية المطاف في دورات لاحقة من الدورة؛ بهذه الطريقة، سيتم إطلاق جميع ذرات الكربون الست من جزيء الجلوكوز الأصلي في نهاية المطاف على شكل ثاني أكسيد الكربون. يستغرق الأمر دورتين من الدورة لمعالجة ما يعادل جزيء جلوكوز واحد. كل دورة من الدورة تشكل ثلاثة جزيئات NADH عالية الطاقة وجزيء FADH ₂ عالي الطاقة. سوف تتصل هذه الناقلات عالية الطاقة بالجزء الأخير من التنفس الهوائي لإنتاج جزيئات ATP. يتم أيضًا إجراء ATP واحد (أو ما يعادله) في كل دورة. يمكن استخدام العديد من المركبات الوسيطة في دورة حمض الستريك في تصنيع الأحماض الأمينية غير الأساسية؛ لذلك، تكون الدورة ابتنائية وتقويضية.

الفسفرة التأكسدية

لقد قرأت للتو عن مسارين في هدم الجلوكوز - تحلل السكر ودورة حمض الستريك - اللذان يولدان ATP. ومع ذلك، فإن معظم ATP المتولد أثناء الهدم الهوائي للجلوكوز لا يتولد مباشرة من هذه المسارات. بل إنها تنبع من عملية تبدأ بتمرير الإلكترونات عبر سلسلة من التفاعلات الكيميائية إلى مستقبل الإلكترون النهائي، الأكسجين. تحدث هذه التفاعلات في مجمعات بروتينية متخصصة تقع في الغشاء الداخلي للميتوكوندريا للكائنات حقيقية النواة وعلى الجزء الداخلي من غشاء الخلية للكائنات بدائية النواة. يتم حصاد طاقة الإلكترونات واستخدامها لتوليد تدرج كهروكيميائي عبر غشاء الميتوكوندريا الداخلي. يتم استخدام الطاقة الكامنة لهذا التدرج لتوليد ATP. وتسمى هذه العملية برمتها بالفسفرة التأكسدية.

سلسلة نقل الإلكترون (الشكل\(\PageIndex{2}\) أ) هي المكون الأخير للتنفس الهوائي وهي الجزء الوحيد من عملية التمثيل الغذائي الذي يستخدم الأكسجين الجوي. ينتشر الأكسجين باستمرار في النباتات لهذا الغرض. في الحيوانات، يدخل الأكسجين الجسم من خلال الجهاز التنفسي. نقل الإلكترون هو سلسلة من التفاعلات الكيميائية التي تشبه لواء الجرافة حيث يتم تمرير الإلكترونات بسرعة من مكون إلى آخر، إلى نقطة نهاية السلسلة حيث يكون الأكسجين هو متقبل الإلكترون النهائي ويتم إنتاج الماء. هناك أربعة مجمعات تتكون من البروتينات، المصنفة من الأول إلى الرابع في الشكل\(\PageIndex{2}\) ج، ويسمى تجميع هذه المجمعات الأربعة، جنبًا إلى جنب مع حاملات الإلكترون المتنقلة والملحقات المرتبطة بها، بسلسلة نقل الإلكترون. توجد سلسلة نقل الإلكترون في نسخ متعددة في غشاء الميتوكوندريا الداخلي لحقيقيات النوى وفي الغشاء البلازمي لبدائيات النواة. في كل عملية نقل للإلكترون عبر سلسلة نقل الإلكترون، يفقد الإلكترون الطاقة، ولكن مع بعض عمليات النقل، يتم تخزين الطاقة كطاقة محتملة باستخدامها لضخ أيونات الهيدروجين عبر غشاء الميتوكوندريا الداخلي إلى الفضاء بين الأغشية، مما يؤدي إلى حدوث تدرج كهروكيميائي.

آرت كونيكشن

الجزء أ: يُظهر هذا الرسم التوضيحي سلسلة نقل الإلكترون المضمنة في غشاء الميتوكوندريا الداخلي. تتكون سلسلة نقل الإلكترون من أربعة مجمعات إلكترونية. يؤكسد المركب الأول NADH إلى NAD+ويضخ بروتون في نفس الوقت عبر الغشاء إلى الفضاء بين الأغشية. يتم نقل الإلكترونات المنبعثة من NADH إلى الإنزيم المساعد Q، ثم إلى المركب III، إلى السيتوكروم c، إلى المركب IV، ثم إلى الأكسجين الجزيئي. في هذه العملية، يتم ضخ بروتونين آخرين عبر الغشاء إلى الفضاء بين الأغشية، ويتم تقليل الأكسجين الجزيئي لتكوين الماء. يزيل المركب الثاني إلكترونين من FADH2، وبالتالي يشكل FAD. يتم نقل الإلكترونات إلى الإنزيم المساعد Q، ثم إلى المركب III، والسيتوكروم c، والمعقد I، والأكسجين الجزيئي كما في حالة أكسدة NADH. الجزء ب: يُظهر هذا الرسم التوضيحي إنزيم سينثاز ATP المضمن في غشاء الميتوكوندريا الداخلي. يسمح سينثاز ATP للبروتونات بالانتقال من منطقة ذات تركيز عالٍ في الفضاء بين الأغشية إلى منطقة ذات تركيز منخفض في مصفوفة الميتوكوندريا. يتم استخدام الطاقة المستمدة من هذه العملية المجهدة لتجميع ATP من ADP والفوسفات غير العضوي. الجزء ج: يُظهر هذا الرسم التوضيحي سلسلة نقل الإلكترون وإنزيم سينثاز ATP المضمن في غشاء الميتوكوندريا الداخلي ودورة حمض الستريك في مصفوفة الميتوكوندريا. تغذي دورة حمض الستريك NADH و FADH2 في سلسلة نقل الإلكترون. تعمل سلسلة نقل الإلكترون على أكسدة هذه الركائز، وفي هذه العملية، تضخ البروتونات في الفضاء بين الأغشية. يسمح سينثاز ATP للبروتونات بالتسرب مرة أخرى إلى المصفوفة وتجميع ATP. — **الشكل\(\PageIndex{2}\):** (أ) سلسلة نقل الإلكترون هي مجموعة من الجزيئات التي تدعم سلسلة من تفاعلات تقليل الأكسدة. (ب) سينثاس ATP عبارة عن آلة جزيئية معقدة تستخدم تدرج H ⁺ لتجديد ATP من ADP. (ج) يعتمد التناضح الكيميائي على الطاقة الكامنة التي يوفرها التدرج H ⁺ عبر الغشاء.

يمنع السيانيد أوكسيديز السيتوكروم سي، وهو أحد مكونات سلسلة نقل الإلكترون. في حالة حدوث تسمم بالسيانيد، هل تتوقع زيادة أو نقصان درجة الحموضة في الفضاء بين الأغشية؟ ما تأثير السيانيد على تخليق ATP؟

يتم تمرير الإلكترونات من NADH و FADH ₂ إلى مجمعات البروتين في سلسلة نقل الإلكترون. عند انتقالها من مركب إلى آخر (هناك ما مجموعه أربعة)، تفقد الإلكترونات الطاقة، وتستخدم بعض هذه الطاقة لضخ أيونات الهيدروجين من مصفوفة الميتوكوندريا إلى الفضاء بين الأغشية. في مجمع البروتين الرابع، يتم قبول الإلكترونات بواسطة الأكسجين، وهو المستقبل النهائي. ثم يتحد الأكسجين مع إلكتروناته الإضافية مع اثنين من أيونات الهيدروجين، مما يعزز التدرج الكهروكيميائي، لتكوين الماء. إذا لم يكن هناك أكسجين موجود في الميتوكوندريا، فلا يمكن إزالة الإلكترونات من النظام، وستعود سلسلة نقل الإلكترون بأكملها وتتوقف. لن تتمكن الميتوكوندريا من توليد ATP جديد بهذه الطريقة، وستموت الخلية في النهاية بسبب نقص الطاقة. هذا هو السبب في أننا يجب أن نتنفس لسحب الأكسجين الجديد.

في سلسلة نقل الإلكترون، تُستخدم الطاقة الحرة من سلسلة التفاعلات الموصوفة للتو لضخ أيونات الهيدروجين عبر الغشاء. يؤدي التوزيع غير المتكافئ لأيونات H ⁺ عبر الغشاء إلى حدوث تدرج كهروكيميائي، بسبب الشحنة الموجبة لأيونات H ⁺ وتركيزها العالي على جانب واحد من الغشاء.

تنتشر أيونات الهيدروجين عبر الغشاء الداخلي من خلال بروتين غشائي متكامل يسمى ATP synthase (الشكل\(\PageIndex{2}\) ب). يعمل هذا البروتين المعقد كمولد صغير، يتم تشغيله بواسطة قوة أيونات الهيدروجين المنتشرة عبره، وصولاً إلى التدرج الكهروكيميائي من الفضاء بين الأغشية، حيث يوجد العديد من أيونات الهيدروجين التي تطرد بشكل متبادل إلى المصفوفة، حيث يوجد القليل منها. يؤدي دوران أجزاء هذه الآلة الجزيئية إلى تجديد ATP من ADP. هذا التدفق من أيونات الهيدروجين عبر الغشاء من خلال سينثاس ATP يسمى التناضح الكيميائي.

يستخدم التناضح الكيميائي (الشكل\(\PageIndex{2}\) ج) لتوليد 90 في المائة من ATP الذي يتم إنتاجه أثناء تقويض الجلوكوز الهوائي. نتيجة التفاعلات هي إنتاج ATP من طاقة الإلكترونات التي تمت إزالتها من ذرات الهيدروجين. كانت هذه الذرات في الأصل جزءًا من جزيء الجلوكوز. في نهاية نظام نقل الإلكترون، تُستخدم الإلكترونات لتقليل جزيء الأكسجين إلى أيونات الأكسجين. تجذب الإلكترونات الإضافية على أيونات الأكسجين أيونات الهيدروجين (البروتونات) من الوسط المحيط، ويتشكل الماء. يُطلق على سلسلة نقل الإلكترون وإنتاج ATP من خلال التناضح الكيميائي مجتمعة اسم الفسفرة التأكسدية.

عائد ATP

يختلف عدد جزيئات ATP الناتجة عن تقويض الجلوكوز. على سبيل المثال، يختلف عدد أيونات الهيدروجين التي يمكن لمجمعات سلسلة نقل الإلكترون ضخها عبر الغشاء بين الأنواع. مصدر آخر للتباين ينبع من مكوك الإلكترونات عبر غشاء الميتوكوندريا. لا يمكن لـ NADH الناتج عن تحلل السكر دخول الميتوكوندريا بسهولة. وبالتالي، يتم التقاط الإلكترونات من داخل الميتوكوندريا إما عن طريق NAD ⁺ أو FAD ⁺. يتم إنشاء عدد أقل من جزيئات ATP عندما يعمل ^FAD+ كحامل. يستخدم ^NAD+ كناقل للإلكترون في الكبد و ^FAD+ في الدماغ، لذلك يعتمد عائد ATP على الأنسجة التي يتم أخذها في الاعتبار.

هناك عامل آخر يؤثر على إنتاج جزيئات ATP الناتجة عن الجلوكوز وهو أن المركبات الوسيطة في هذه المسارات تستخدم لأغراض أخرى. يرتبط هدم الجلوكوز بالمسارات التي تبني أو تكسر جميع المركبات البيوكيميائية الأخرى في الخلايا، والنتيجة أكثر فوضوية إلى حد ما من الحالات المثالية الموصوفة حتى الآن. على سبيل المثال، يتم إدخال السكريات الأخرى غير الجلوكوز في المسار الجليكوليتي لاستخراج الطاقة. يمكن إزالة الجزيئات الأخرى التي يمكن استخدامها لحصاد الطاقة في تحلل السكر أو دورة حمض الستريك لتكوين الأحماض النووية أو الأحماض الأمينية أو الدهون أو المركبات الأخرى. بشكل عام، في الأنظمة الحية، تستخرج مسارات هدم الجلوكوز هذه حوالي 34 بالمائة من الطاقة الموجودة في الجلوكوز.

وظائف قيد العمل: طبيب أمراض الميتوكوندريا

ماذا يحدث عندما لا تستمر التفاعلات الحرجة للتنفس الخلوي بشكل صحيح؟ أمراض الميتوكوندريا هي اضطرابات وراثية في التمثيل الغذائي. يمكن أن تنشأ اضطرابات الميتوكوندريا من الطفرات في الحمض النووي النووي أو الميتوكوندريا، وتؤدي إلى إنتاج طاقة أقل مما هو طبيعي في خلايا الجسم. يمكن أن تشمل أعراض أمراض الميتوكوندريا ضعف العضلات ونقص التنسيق ونوبات تشبه السكتة الدماغية وفقدان الرؤية والسمع. يتم تشخيص معظم الأشخاص المصابين في مرحلة الطفولة، على الرغم من وجود بعض الأمراض التي تصيب البالغين. يعد تحديد وعلاج اضطرابات الميتوكوندريا مجالًا طبيًا متخصصًا. يتطلب الإعداد التعليمي لهذه المهنة تعليمًا جامعيًا، تليها كلية الطب مع التخصص في علم الوراثة الطبية. يمكن لعلماء الوراثة الطبية الحصول على شهادة البورد الأمريكي لعلم الوراثة الطبية والاستمرار في الارتباط بالمنظمات المهنية المكرسة لدراسة مرض الميتوكوندريا، مثل جمعية طب الميتوكوندريا وجمعية أمراض التمثيل الغذائي الموروثة.

ملخص

دورة حمض الستريك عبارة عن سلسلة من التفاعلات الكيميائية التي تزيل الإلكترونات عالية الطاقة وتستخدمها في سلسلة نقل الإلكترون لتوليد ATP. يتم إنتاج جزيء واحد من ATP (أو ما يعادله) لكل دورة من الدورة.

سلسلة نقل الإلكترون هي جزء من التنفس الهوائي الذي يستخدم الأكسجين الحر كمستقبل للإلكترون النهائي للإلكترونات التي تمت إزالتها من المركبات الوسيطة في تقويض الجلوكوز. يتم تمرير الإلكترونات من خلال سلسلة من التفاعلات الكيميائية، مع استخدام كمية صغيرة من الطاقة الحرة في ثلاث نقاط لنقل أيونات الهيدروجين عبر الغشاء. هذا يساهم في التدرج المستخدم في التناضح الكيميائي. عندما تنتقل الإلكترونات من NADH أو FADH ₂ إلى أسفل سلسلة نقل الإلكترون، فإنها تفقد الطاقة. منتجات سلسلة نقل الإلكترون هي الماء و ATP. يمكن تحويل عدد من المركبات الوسيطة إلى استقلاب الجزيئات البيوكيميائية الأخرى، مثل الأحماض النووية والأحماض الأمينية غير الأساسية والسكريات والدهون. يمكن أن تعمل هذه الجزيئات نفسها، باستثناء الأحماض النووية، كمصادر للطاقة لمسار الجلوكوز.

اتصالات فنية

الشكل\(\PageIndex{2}\): يمنع السيانيد أوكسيديز السيتوكروم سي، وهو أحد مكونات سلسلة نقل الإلكترون. في حالة حدوث تسمم بالسيانيد، هل تتوقع زيادة أو نقصان درجة الحموضة في الفضاء بين الأغشية؟ ما تأثير السيانيد على تخليق ATP؟

إجابة: بعد التسمم بالسيانيد، لم تعد سلسلة نقل الإلكترون قادرة على ضخ الإلكترونات في الفضاء بين الأغشية. ستزداد درجة الحموضة في الفضاء بين الأغشية، وسيتوقف تخليق ATP.

مسرد المصطلحات

أسيتيل أوكا: مزيج من مجموعة الأسيتيل المشتقة من حمض البيروفيك والإنزيم المساعد A المصنوع من حمض البانتوثينك (فيتامين مجموعة B)

سينثاز ATP: مركب بروتيني مضمن في الغشاء يجدد ATP من ADP بالطاقة من البروتونات المنتشرة عبره

التناضح الكيميائي: حركة أيونات الهيدروجين إلى أسفل تدرجها الكهروكيميائي عبر الغشاء من خلال تركيب ATP لتوليد ATP

دورة حمض الستريك: سلسلة من التفاعلات الكيميائية المحفزة بالإنزيم ذات الأهمية المركزية في جميع الخلايا الحية التي تحصد الطاقة في روابط الكربون والكربون لجزيئات السكر لتوليد ATP؛ دورة حمض الستريك هي مسار استقلابي هوائي لأنها تتطلب الأكسجين في التفاعلات اللاحقة للمتابعة

سلسلة نقل الإلكترون: سلسلة من أربعة مجمعات كبيرة متعددة البروتينات مدمجة في غشاء الميتوكوندريا الداخلي الذي يقبل الإلكترونات من المركبات المانحة ويحصد الطاقة من سلسلة من التفاعلات الكيميائية لتوليد تدرج أيون الهيدروجين عبر الغشاء

الفسفرة التأكسدية: إنتاج ATP عن طريق نقل الإلكترونات إلى أسفل سلسلة نقل الإلكترون لإنشاء تدرج بروتوني يستخدمه سينثاس ATP لإضافة مجموعات الفوسفات إلى جزيئات ADP

المساهمون والصفات

Template:ContribOpenStaxConcepts