Vòng tuần hoàn Krebs, còn được gọi là vòng axit tricarboxylic (hoặc vòng TCA), vòng axit citric, hoặc vòng Szent-Györgyi-Krebs (ít khi được sử dụng), là một chuỗi các phản ứng hóa học được các sinh vật hiếu khí sử dụng để giải phóng năng lượng được lưu trữ thông qua oxy hóa khử axetyl-CoA từ các carbohydrate, chất béo và protein thành adenosine triphosphate (ATP) và carbon dioxide. Ngoài ra, vòng tuần hoàn cũng cung cấp tiền chất cho một số amino acid cụ thể, cũng như chất khử NADH, được sử dụng trong nhiều phản ứng khác. Tầm quan trọng của nó đối với nhiều con đường sinh hóa cho thấy rằng đây là một trong những thành phần sớm nhất của tế bào trao đổi chất và có thể có nguồn gốc tự nhiên. Mặc dù được biết đến với tên gọi 'vòng', nhưng không nhất thiết là một con đường duy nhất; ít nhất ba đoạn của vòng axit citric đã được công nhận.
Phản ứng hóa học này được xúc tác bởi enzyme đóng vai trò quan trọng nhất trong tất cả các tế bào sống sử dụng oxy trong quá trình hô hấp tế bào. Ở các sinh vật đơn bào, vòng axit citric diễn ra trong ma trận của ti thể. Các thành phần và các phản ứng trong vòng axit citric đã được Albert Szent-Györgyi và Hans Krebs phát hiện ra. Vòng axit citric tạo ra ATP cung cấp năng lượng cho tất cả các hoạt động sống của tế bào, cũng như cho mọi hoạt động của cơ thể. Nó cung cấp nguyên liệu từ quá trình phân hủy glucose.
Biến đổi của pyruvate
Thông qua quá trình đường phân, một phân tử glucose được oxy hóa thành hai anion pyruvate (CH3COCOO). Hai phân tử pyruvate được vận chuyển vào ma trận của ti thể đồng thời được biến đổi thành acetyl coenzyme A (viết tắt Acetyl CoA) để tham gia vào chu trình axit citric thông qua enzyme pyruvate dehydrogenase. Dưới đây là các giai đoạn chi tiết của quá trình biến đổi pyruvate thành acetyl CoA thông qua các phản ứng xúc tác của hệ enzyme pyruvate dehydrogenase.
Enzyme pyruvate dehydrogenase
Ban đầu, pyruvate sẽ kết hợp với thiamin (vitamin B1) để tạo thành anion acyl, đồng thời giải phóng một phân tử cacbon dioxide (CO2) (quá trình A). Sau đó lipoate sẽ cạnh tranh với anion acyl để tạo thành thioacetate (quá trình B) và giải phóng thiamin.
Enzyme dihydrolipoyl transacetylase
Nhóm CoA - SH tham gia vào phản ứng trao đổi với thioacetate tạo thành acetyl CoA (CH3CO~CoA-S) đồng thời giải phóng lipoate thêm hai nguyên tử hydrogen, tạo thành dihydrolipoate (quá trình C). Acetyl CoA tham gia vào chu trình Krebs.
Enzyme dihydrolipoyl dehydrogenase
Dihydrolipoate bị oxy hóa bởi enzyme dihydrolipoyl dehydrogenase giải phóng lipoate để tham gia vào quá trình biến đổi từ anion acyl thành thioacetate. Hai nguyên tử hydrogen được giải phóng từ dihydrolipoate sẽ được gắn vào chất FAD (flavin adenine dinucleotide) tạo thành FADH2. Chất FADH2 chuyển hai nguyên tử hydrogen này sang chất NAD (nicotinamide adenine dinucleotide) tạo thành NADH + H và sau đó chuyển hóa lại thành FAD. Dưới đây là sơ đồ tổng quát của quá trình biến đổi pyruvate thành acetyl CoA.
Do đó, thông qua quá trình này, hai phân tử pyruvate sẽ chuyển hóa thành hai acetyl CoA đồng thời giải phóng 2 phân tử CO2 và 2 phân tử NADH.
Chu trình Krebs
Chu trình Krebs diễn ra trong ma trận của ti thể. Bảng dưới đây trình bày chi tiết mười phản ứng trong chu trình (lưu ý, 4C chỉ sống nghĩa là có 4 carbon trong phân tử và trong bài viết này, chúng ta xét một phân tử acetyl CoA đi vào chu trình Krebs).
Chất phản ứng (Subtrate) | Sản phẩm (Products) | Chi tiết phản ứng hóa học | Enzyme xúc tác | |
---|---|---|---|---|
0/10 | Oxaloacetate (4C) + Acetyl~CoA (2C) + H2O | Citrate (6C) + CoA-SH | Citrate synthase | |
1 | Citrate (6C) | cis-Aconitate (6C) + H2O | Aconitase | |
2 | cis-Aconitate (6C) + H2O | Isocitrate (6C) | ||
3 | Isocitrate (6C) + NAD | Oxalosuccinate (6C) + NADH + H | α-Ketoglutarate
dehydrogenase | |
4 | Oxalosuccinate (6C) | α-ketoglutarate (5C) + CO2 | ||
5 | α-Ketoglutarate (5C) + NAD + CoA-SH | Succinyl CoA (4C) + NADH + H + CO2 | Succinyl-CoA synthetase | |
6 | Succinyl-CoA (4C) + GDP + PO4 (Pi) | Succinate (4C) + GTP + CoA-SH | Succinyl-CoA synthetase | |
7 | Succinate (4C) + FAD | Fumarate (4C) + FADH2 | Succinate dehydrogenase | |
Fumarate (4C) + H2O | L-malate (4C) | Fumarase | ||
9 | L-malate (4C) + NAD | Oxaloacetate (4C) + NADH + H | Malate dehydrogenase | |
10/0 | Oxaloacetate (4C) + Acetyl~CoA (2C) + H2O | Citrate (6C) + CoA-SH | Citrate synthase |
GTP (Guanosine triphosphate) là một hợp chất tương tự như adenosine triphosphate (ATP). Do đó, sau khi được sinh ra từ chu trình Krebs, nó có thể được tế bào sử dụng hoặc GTP có thể phosphoryl hóa ADP thành ATP, đồng thời GTP sẽ bị khử phosphoryl hóa thành GDP.
Do đó, thông qua chu trình Krebs, glucose sẽ bị oxy hóa hoàn toàn thành CO2, đồng thời giải phóng 6 phân tử NADH, 2 phân tử FADH2 và 4 phân tử CO2, tương đương với việc tạo ra 2 ATP. Các phân tử NADH và FADH2 sẽ tham gia vào chuỗi chuyển electron ở màng trong của ti thể.