دورة حمض الستريك

في الخلايا حقيقية النواة، تُنقل جزيئات البيروفات الناتجة في نهاية تحلل السكر إلى الميتوكوندريا، وهي مواقع التنفس الخلوي. إذا توفر الأكسجين، فإن التنفس الهوائي سيمضي قدمًا. في الميتوكوندريا، سيتحول البيروفات إلى مجموعة أسيتيل ثنائية الكربون (عن طريق إزالة جزيء من ثاني أكسيد الكربون) والتي سيلتقطها مركب ناقل يسمى مرافق الإنزيم أ (CoA)، والذي يُصنع من فيتامين B₅. يُسمى المركب الناتج أسيتيل مرافق الإنزيم أ (acetyl CoA). (شكل 4.14). يمكن استخدام أسيتيل مرافق الإنزيم أ بطرق متنوعة بواسطة الخلية، ولكن وظيفته الرئيسية هي توصيل مجموعة الأسيتيل المشتقة من البيروفات إلى المسار التالي في هدم الجلوكوز.

شكل 4.14 يتم تحويل البيروفات إلى أسيتيل مرافق الإنزيم أ قبل دخول دورة حمض الستريك.

مثل تحويل البيروفات إلى أسيتيل مرافق الإنزيم أ، تحدث دورة حمض الستريك (citric acid cycle) في الخلايا حقيقية النواة في مصفوفة الميتوكوندريا. على عكس تحلل السكر، فإن دورة حمض الستريك هي 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)، وأشكالًا مختزلة (NADH و FADH₂) من NAD⁺ و FAD⁺، وهي إنزيمات مساعدة مهمة في الخلية. يُعتبر جزء من هذا مسارًا هوائيًا (يتطلب الأكسجين) لأن NADH و FADH₂ المنتجين يجب أن ينقلا إلكتروناتهما إلى المسار التالي في النظام، والذي سيستخدم الأكسجين. إذا لم يكن الأكسجين موجودًا، فلن يحدث هذا النقل.

تدخل ذرتا كربون إلى دورة حمض الستريك من كل مجموعة أسيتيل. ويتم إطلاق جزيئين من ثاني أكسيد الكربون في كل دورة؛ ومع ذلك، لا تحتوي هذه الجزيئات على نفس ذرات الكربون التي ساهمت بها مجموعة الأسيتيل في تلك الدورة من المسار. سيتم إطلاق ذرتا كربون الأسيتيل في النهاية في دورات لاحقة من الدورة؛ وبهذه الطريقة، سيتم إطلاق جميع ذرات الكربون الست من جزيء الجلوكوز الأصلي في النهاية على شكل ثاني أكسيد الكربون. تستغرق الدورة دورتين لمعالجة ما يعادل جزيء جلوكوز واحد. تشكل كل دورة من الدورة ثلاثة جزيئات NADH عالية الطاقة وجزيء FADH₂ واحد عالي الطاقة. سترتبط هذه الحاملات عالية الطاقة بالجزء الأخير من التنفس الهوائي لإنتاج جزيئات ATP. يتم أيضًا إنتاج جزيء ATP واحد (أو ما يعادله) في كل دورة. يمكن استخدام العديد من المركبات الوسيطة في دورة حمض الستريك في تخليق الأحماض الأمينية غير الأساسية؛ لذلك، فإن الدورة بنائية وهدمية على حد سواء.

الفسفرة التأكسدية

لقد قرأت للتو عن مسارين في هدم الجلوكوز - تحلل السكر ودورة حمض الستريك - اللذين يولدان ATP. ومع ذلك، فإن معظم ATP المتولد أثناء الهدم الهوائي للجلوكوز لا يتولد مباشرة من هذه المسارات. بل إنه ينشأ من عملية تبدأ بتمرير الإلكترونات عبر سلسلة من التفاعلات الكيميائية إلى مستقبل إلكترون نهائي، وهو الأكسجين. تحدث هذه التفاعلات في معقدات بروتينية متخصصة تقع في الغشاء الداخلي للميتوكوندريا في الكائنات حقيقية النواة وفي الجزء الداخلي من الغشاء الخلوي للكائنات بدائية النواة. يتم حصاد طاقة الإلكترونات واستخدامها لتوليد تدرج كهروكيميائي عبر الغشاء الداخلي للميتوكوندريا. تُستخدم الطاقة الكامنة لهذا التدرج لتوليد ATP. تُسمى هذه العملية برمتها الفسفرة التأكسدية (oxidative phosphorylation).

تُعد سلسلة نقل الإلكترون (electron transport chain) (شكل 4.15أ) المكون الأخير للتنفس الهوائي والجزء الوحيد من الأيض الذي يستخدم الأكسجين الجوي. ينتشر الأكسجين باستمرار إلى النباتات لهذا الغرض. في الحيوانات، يدخل الأكسجين الجسم عبر الجهاز التنفسي. نقل الإلكترون هو سلسلة من التفاعلات الكيميائية التي تشبه سلسلة الدلاء حيث يتم تمرير الإلكترونات بسرعة من مكون إلى آخر، وصولاً إلى نقطة نهاية السلسلة حيث يكون الأكسجين هو مستقبل الإلكترون النهائي ويتم إنتاج الماء. توجد أربعة معقدات مكونة من بروتينات، مُشار إليها بالأرقام من الأول إلى الرابع في شكل 4.15ج، ويُطلق على تجميع هذه المعقدات الأربعة، جنبًا إلى جنب مع حاملات الإلكترون المساعدة والمتحركة المرتبطة بها، اسم سلسلة نقل الإلكترون. توجد سلسلة نقل الإلكترون في نسخ متعددة في الغشاء الداخلي للميتوكوندريا في حقيقيات النواة وفي الغشاء البلازمي في بدائيات النواة. في كل عملية نقل للإلكترون عبر سلسلة نقل الإلكترون، يفقد الإلكترون طاقة، ولكن مع بعض عمليات النقل، تُخزن الطاقة كطاقة كامنة عن طريق استخدامها لضخ أيونات الهيدروجين عبر الغشاء الداخلي للميتوكوندريا إلى الحيز بين الغشائي، مما يخلق تدرجًا كهروكيميائيًا.

أسئلة الربط البصري

شكل 4.15 (أ) سلسلة نقل الإلكترون هي مجموعة من الجزيئات التي تدعم سلسلة من تفاعلات الأكسدة والاختزال. (ب) إنزيم تخليق الـ ATP هو آلة جزيئية معقدة تستخدم تدرج أيونات الهيدروجين (H⁺) لتجديد ATP من ADP. (ج) يعتمد التناضح الكيميائي على الطاقة الكامنة التي يوفرها تدرج أيونات الهيدروجين (H⁺) عبر الغشاء.

يُثبط السيانيد إنزيم سيتوكروم سي أوكسيديز، وهو أحد مكونات سلسلة نقل الإلكترون. إذا حدث تسمم بالسيانيد، فهل تتوقع أن يزداد أو ينقص الأس الهيدروجيني (pH) للحيز بين الغشائي؟ ما هو تأثير السيانيد على تخليق ATP؟

تُمرر الإلكترونات من NADH و FADH₂ إلى معقدات بروتينية في سلسلة نقل الإلكترون. ومع مرورها من معقد إلى آخر (يوجد ما مجموعه أربعة)، تفقد الإلكترونات الطاقة، ويُستخدم جزء من تلك الطاقة لضخ أيونات الهيدروجين من مصفوفة الميتوكوندريا إلى الحيز بين الغشائي. في المعقد البروتيني الرابع، تُقبل الإلكترونات بواسطة الأكسجين، وهو المستقبل النهائي. ثم يتحد الأكسجين مع إلكتروناته الإضافية مع أيوني هيدروجين، مما يعزز التدرج الكهروكيميائي، لتكوين الماء. إذا لم يكن هناك أكسجين موجود في الميتوكوندريون، فلن يمكن إزالة الإلكترونات من النظام، وستتوقف سلسلة نقل الإلكترون بأكملها. لن تتمكن الميتوكوندريا من توليد ATP جديد بهذه الطريقة، وستموت الخلية في النهاية بسبب نقص الطاقة. هذا هو السبب في أننا يجب أن نتنفس لاستنشاق أكسجين جديد.

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 إنشاء تدرج كهروكيميائي، وذلك بسبب الشحنة الموجبة لأيونات H⁺ وتركيزها الأعلى على أحد جانبي الغشاء.

تنتشر أيونات الهيدروجين عبر الغشاء الداخلي من خلال بروتين غشائي متكامل يسمى إنزيم تخليق الـ ATP (ATP synthase) (شكل 4.15ب). يعمل هذا البروتين المعقد كمولد صغير، يدور بقوة أيونات الهيدروجين المنتشرة عبره، نزولاً عبر تدرجها الكهروكيميائي من الحيز بين الغشائي، حيث توجد العديد من أيونات الهيدروجين المتنافرة متبادلاً، إلى المصفوفة، حيث توجد القليل منها. يؤدي دوران أجزاء هذه الآلة الجزيئية إلى تجديد ATP من ADP. يُسمى تدفق أيونات الهيدروجين هذا عبر الغشاء من خلال إنزيم تخليق الـ ATP التناضح الكيميائي (chemiosmosis).

يُستخدم التناضح الكيميائي (شكل 4.15ج) لتوليد 90 بالمائة من ATP الذي يُصنع أثناء الهدم الهوائي للجلوكوز. نتيجة التفاعلات هي إنتاج ATP من طاقة الإلكترونات التي أُزيلت من ذرات الهيدروجين. كانت هذه الذرات في الأصل جزءًا من جزيء جلوكوز. في نهاية نظام نقل الإلكترون، تُستخدم الإلكترونات لاختزال جزيء أكسجين إلى أيونات أكسجين. تجذب الإلكترونات الإضافية على أيونات الأكسجين أيونات الهيدروجين (البروتونات) من الوسط المحيط، ويتكون الماء. تُسمى سلسلة نقل الإلكترون وإنتاج ATP من خلال التناضح الكيميائي مجتمعة الفسفرة التأكسدية.

ناتج ATP

يختلف عدد جزيئات ATP المتولدة من هدم الجلوكوز. على سبيل المثال، يختلف عدد أيونات الهيدروجين التي يمكن لمعقدات سلسلة نقل الإلكترون ضخها عبر الغشاء بين الأنواع. مصدر آخر للاختلاف ينبع من نقل الإلكترونات عبر غشاء الميتوكوندريا. لا يمكن لـ NADH المتولد من تحلل السكر أن يدخل الميتوكوندريا بسهولة. وبالتالي، يتم التقاط الإلكترونات داخل الميتوكوندريا بواسطة NAD⁺ أو FAD⁺. يتم توليد عدد أقل من جزيئات ATP عندما يعمل FAD⁺ كحامل. يُستخدم NAD⁺ كناقل للإلكترونات في الكبد و FAD⁺ في الدماغ، لذا يعتمد ناتج ATP على النسيج الذي يتم النظر فيه.

عامل آخر يؤثر على ناتج جزيئات ATP المتولدة من الجلوكوز هو أن المركبات الوسيطة في هذه المسارات تُستخدم لأغراض أخرى. يرتبط هدم الجلوكوز بالمسارات التي تبني أو تحلل جميع المركبات الكيميائية الحيوية الأخرى في الخلايا، والنتيجة أكثر تعقيدًا إلى حد ما من الأوضاع المثالية الموصوفة حتى الآن. على سبيل المثال، تُغذى السكريات بخلاف الجلوكوز في مسار تحلل السكر لاستخلاص الطاقة. وقد تُزال جزيئات أخرى كان من الممكن استخدامها لحصاد الطاقة في تحلل السكر أو دورة حمض الستريك لتكوين أحماض نووية، أو أحماض أمينية، أو دهون، أو مركبات أخرى. بشكل عام، في الأنظمة الحية، تستخلص مسارات هدم الجلوكوز هذه حوالي 34 بالمائة من الطاقة الموجودة في الجلوكوز.