l2t3

ไกลโคลิซีสให้พลังงานน้อยกว่าหนึ่งในสี่ของพลังงานเคมีที่สะสมไว้อยู่ในโมเลกุลของกลูโคส
ในสภาวะที่มีออกซิเจน ไพรูเวตจะเข้าไปในไมโทคอนเดรียซึ่งเอนไซม์ของวัฏจักรเครบส์จะทำหน้าที่
ออกซิไดซ์ต่ออย่างสมบูรณ์

รูปที่ 3.1

วัฏจักรเครบส์ แสดงให้เห็นจำนวนคาร์บอนของสารตัวกลางต่างๆ
ในวัฏจักรเครบส์ ผลผลิตที่ได้จากวัฏจักรเครบส์ คือ CO₂, NADH,
FADH₂, และ GTP ซึ่งจะเปลี่ยนเป็น ATP ต่อไป ปฏิกิริยาเหล่านี้
เกิดขึ้นส่วนในสุดของไมโทคอนเดรียที่เรียกว่า แมทริกซ์ (matrix)

                เมื่อไพรูเวตซึ่งเกิดจากวิถีไกลโคลิซีสในไซโตซอลเข้าไปในไมโทคอนเดรีย จะถูกเปลี่ยนเป็น
แอซีติล โคเอ (acetyl CoA) โดยเอนไซม์ไพรูเวต ดีไฮโดรจีเนส (pyruvate dehydrogenase)
ขั้นตอนนี้เป็นรอยต่อระหว่างวิถีไกลโคลิซีสและวัฏจักรเครบส์และเป็นขั้นแรกในกระบวนการหายใจ
ที่มี CO₂ เกิดขึ้น ดังแสดงในรูปที่ 3.2

รูปที่ 3.2

การเปลี่ยนจากไพรูเวตเป็นแอซีติล โคเอ ในไมโทคอนเดรีย

การเปลี่ยนไพรูเวตเป็นแอซีติิล โคเอ เกิดขึ้นในไมโทคอนดรีย ในปฏิกิริยา 3 ขั้นตอน ขั้นแรก หมู่คาร์บอกซิลของไพรูเวตจะหลุดออก กลายเป็นแก๊ส CO₂ (เป็นขั้นตอนแรกในกระบวนการหายใจระดับเซลล์ที่มี CO₂เกิดขึ้น) ในขั้นที่ 2 ส่วนที่เหลือของไพรูเวต ซึ่งมี 2 คาร์บอนอะตอม ถูกออกซิไดส์ด้วย NAD⁺
ได้เป็นแอซิเตต (คือกรดแอซิติกที่ถูก ionized) และในปฏิกิริยานี้จะได้ NADH ซึ่งเป็นสารที่สะสมพลังงานเคมี
ไว้ในตัว ในขั้นสุดท้าย โคเอนไซม์เอจะถูกนำไปติดกับแอซิเตตด้วยพันธะที่ไม่ค่อยอยู่ตัวได้เป็นแอซีติิล โคเอ ซึ่งจะทำให้แอซีติิล โคเอ สามารถส่งหมู่แอซิเตตเข้าวัฏจักรเครบส์ (เพื่อถูกออกซิไดซ์ต่อ) ได้อย่างง่าย

รูปที่ 3.3

ปฏิกิริยาในแต่ละขั้นตอนของวัฏจักรเครบส์ โดยแสดงให้เห็น
ถึงสูตรโครงสร้างของสารแต่ละตัวในวัฏจักร ในสูตรโครงสร้าง
สีแดง แสดงให้เห็นถึงคาร์บอนที่มาจากแอซีิติล โคเอ สีน้ำเงิน แสดงให้เห็นถึงคาร์บอนที่ออกจากวัฏจักรไปเป็น CO₂
ในขั้นตอนที่ 3 และ 4 วัฎจักรเครบส์บางครั้ง เรียกว่า
วัฏจักร tricarboxylic acid (TCA) คือมาจากกรดซิตริก (citric acid)
ซึ่งเป็นสารที่มีหมู่กรดคือ COO^- (carboxyl group) จำนวน 3 หมู่

ในแต่ละรอบของวัฏจักรเครบส์ จะมีคาร์บอน 2 อะตอมในรูปของหมู่แอซีิติิล (acetyl) เข้ามา
(ขั้นที่ 1) และมี 2 คาร์บอนอะตอมออกไปในรูปของ CO₂ (ขั้นที่ 3 และ 4) หมู่แอซีติลที่เข้ามาที่วัฏจักรเครบส์
จะมารวมกับออกซาโลแอซีิเตต (oxaloacetate) เกิดเป็นซิเตรต (citrate) และทำปฏิกิริยาต่อๆ ไป รวม
8 ขั้นตอนจนครบรอบวัฏจักรได้เป็นสารออกซาโลแอซีิเตตกลับคืนมา ปฏิกิริยาส่วนใหญ่ในวัฏจักรเครบส์
เป็นออกซิเดชัน-รีดักชัน

วัฏจักรเครบส์ ถือว่าเป็นปลายทางของการสลายสารอินทรีย์ให้เป็นคาร์บอนไดออกไซด์ และเป็น
ขั้นตอนที่มีการเก็บเกี่ยวพลังงานจากสารอินทรีย์ (จากสารอาหาร) ไว้ในรูปของอิเล็กตรอนพลังงานสูง
หรืออาจกล่าวได้ว่าเป็นการนำอิเล็กตรอนออกมาจากแอซีิติิล โคเอ และใช้อิเล็กตรอนนี้ในการสร้าง
NADH และ FADH₂ ซึ่งเป็นสารที่สะสมพลังงานเคมีไว้ในตัว และจะนำไปใช้ในการสร้าง ATP ต่อไป
ในกระบวนการออกซิเดทีฟ ฟอสโฟริเลชัน (oxidative phosphorylation)

วัฏจักรเครบส์ประกอบไปด้วย 8 ขั้นตอน แต่ละขั้นตอนเร่งโดยเอนไซม์ที่จำเพาะของแต่ละปฏิกิริยา
ดังต่อไปนี้

ขั้นตอนที่ 1

คาร์บอน 2 อะตอมของแอซีิติิล โคเอ เข้ามาในวัฏจักรโดยเกิดการรวมของหมู่แอซีิติล
   กับออกซาโลแอซีิเตตโดยใช้เอนไซม์ซิเตรต ซินเทส (citrate synthase)
   เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ได้ผลผลิตเป็น ซิเตรต (citrate) และ CoA

ขั้นตอนที่ 2

   ซิเตรตเปลี่ยนไปเป็น isomer ของมันคือไอโซซิเตรต (isocitrate) โดยใช้เอนไซม์
    อะโคนิเตส (aconitase) เป็นตัวเร่ง ปฏิกิริยานี้เกิดเป็น 2 ขั้นตอนย่อย คือ ขั้นแรก
    เป็นปฏิกิริยาเอาน้ำออกไป 1 โมเลกุล กลายเป็น ซิสอะโคนิเตต (cis-aconitate)
    ก่อน (ปฏิกิริยานี้เกิดขึ้นในเวลาสั้นมาก) จากนั้น ซิสอะโคนิเตตจึงรวมตัวกับน้ำ
    1 โมเลกุล เกิดเป็นไอโซซิเตรต (isocitrate)

ขั้นตอนที่ 3

   เป็นขั้นตอนที่เกิดปฏิกิริยา decarboxylation คือให้แก๊ส CO₂ โดยไอโซซิเตรต
   จะถูกออกซิไดซ์ไปเป็นแอลฟา-คีโตกลูตาเรต (-ketoglutarate) และให้ CO₂
   ออกมา โดยใช้เอนไซม์ไอโซซิเตรต ดีไฮโดรจีเนส (isocitrate dehydrogenase)
   เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา และขั้นตอนนี้มีการให้้อิเล็กตรอนกับ NAD⁺ กลายเป็น NADH

: CO₂ ที่ถูกปล่อยออกมาในปฏิกิริยานี้มาจากไหน (แอซีติล โคเอ หรือ
ออกซาโลแอซีิเตต)

ขั้นตอนที่ 4

   ขั้นตอนนี้จะมีการให้ CO₂ ออกมาอีก 1 โมเลกุล คือ แอลฟา-คีโตกลูตาเรตถูก
   ออกซิไดซ์ ปล่อยหมู่ CO₂ ออกมา และในขณะเดียวกัน โคเอนไซม์ เอเข้าไป
   แทนที่ี่ตรงตำแหน่งที่ CO₂หลุดออกไปเกิดเป็นซักซีนิล โคเอ (succinyl CoA)
   โดยใช้เอนไซม์แอลฟา-คีโตกลูตาเรต ดีไฮโดรจีเนส  (-ketoglutarate
   dehydrogenase) เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ขั้นตอนนี้มีการให้อิเล็กตรอนกับ NAD⁺    กลายเป็น NADH

ขั้นตอนที่ 5

   หมู่ CoA ของซักซีนิล โคเอ จะถูกแทนที่โดยหมู่ฟอสเฟต (P_i) ซึ่งพันธะนี้จะ
   ไม่อยู่ตัวจะส่งหมู่ฟอสเฟตต่อให้ GDP เกิดเป็น GTP และซักซีนิล โคเอ เปลี่ยนเป็น
   ซักซีเนต (succinate) เอนไซม์ที่เร่งปฏิกิริยานี้คือ ซักซีนิล โคเอ ซินทีเทส
   (succinyl CoA synthetase)

GTP เป็นสารพลังงานสูงที่สามารถให้หมู่ฟอสเฟตแก่ ADP เกิดเป็น ATP ปฏิกิริยานี้เป็นการ
สร้าง ATP โดยกระบวนการที่เรียกว่า substrate-level phosphorylation

: substrate-level phosphorylation ต่างกับ oxidative phosphorylation อย่างไร
(ถ้ายังไม่ทราบคำตอบในขณะนี้ โปรดติดตามในตอนต่อไป)

ขั้นตอนที่ 6

   เอนไซม์ ซักซีเนต ดีไฮโดรจีเนส (succinate dehydrogenase) จะเปลี่ยนซักซิเนต
   ไปเป็น ฟูมาเรต (fumarate) ในปฏิกิริยารีดักชันนี้ ซักซิเนตจะให้ไฮโดรเจนแก่
   FAD เกิดเป็น FADH₂ ซึ่งเป็นตัวสะสมพลังงานเคมีไว้ในตัว

: FAD ต่างหรือเหมือนกับ NAD⁺ อย่างไรในการรับไฮโดรเจนจากตัวให้ไฮโดรเจน

ขั้นตอนที่ 7

   เป็นปฏิกิริยาเติมน้ำ 1 โมเลกุล ได้แก่ ฟูมาเรต ให้เปลี่ยนไปเป็น มาเลต (malate)
   โดยใช้เอนไซม์ ฟูมาเรส (fumarase) เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา

ขั้นตอนนี้เป็นการเตรียมซับสเตรตให้มีโครงสร้างเหมาะสมที่จะเกิดปฏิกิริยาในขั้นต่อไป

: ท่านคิดว่า “เหมาะสม” อย่างไร

ขั้นตอนที่ 8

   เป็นขั้นตอนสุดท้ายที่จะครบ 1 รอบของวัฏจักร คือเป็นการสร้างออกซาโลแอซีิเตต
   กลับคืนมาใหม่ มาเลตจะถูกออกซิไดซ์ให้เป็นออกซาโลแอซีิเตต ซึ่งเป็นสารตั้งต้น
   ที่จะไปรวมกับแอซีติิล โคเอตัวใหม่ เพื่อเข้ารอบใหม่ของวัฏจักรเครบส์ต่อไป
   ในขั้นตอนของการออกซิเดชันนี้ NAD⁺ จะถูกรีดิวซ์ให้เป็น NADH (เก็บพลังงาน
   เคมีสะสมไว้ในตัว) ปฏิกิริยานี้เร่ง โดยเอนไซม์มาเลต ดีไฮโดรจีเนส (malate
   dehydrogenase)

: ถึงขั้นตอนสุดท้ายนี้ ท่านคิดว่าหมู่คาร์บอน 2 อะตอม ของแอซีติล CoA ที่เข้ามา
ในขั้นตอนแรก อยู่ที่ไหน

รวมปฏิกิริยาในวัฏจักรเครบส์

ปฏิกิริยาทั้งหมดในวัฏจักรเครบส์ อาจเขียนเป็นสมการได้ดังนี้คือ

Acetyl-CoA + 3NAD⁺ + FAD + GDP + P_i + 2H₂O

3NADH + FADH₂ + GTP + 2CO₂ + 3H⁺ + CoA

รูปที่ 3.4 ภาพเคลื่อนไหวของปฏิกิริยาในวัฏจักรเครบส์

           ภาพเคลื่อนไหวที่แสดงให้เห็นนี้เป็นกลไกอย่างง่ายๆ ของปฏิกิริยาในวัฏจักรเครบส์เพื่อให้มองเห็น
ภาพการเกิดปฏิกิริยาอย่างง่ายๆ ภาพนี้อาจไม่ถูกต้องสมบูรณ์ตามหลักการของกลไกปฏิกิริยาเคมี แต่ทำขึ้น
เพื่อความสะดวกของการมองเห็นภาพเท่านั้น

รูปที่ 3.5 ผลผลิตที่ได้จากวัฏจักรเครบส์

วัฎจักรเครบส์ มีจุดสำคัญ ที่สรุปได้ดังนี้

         1. คาร์บอน 2 อะตอม (จาก acetyl CoA) เข้ามาในวัฏจักร และคาร์บอน 2 อะตอมออกไปในรูปของ
             CO₂          2. ไฮโดรเจนอะตอม 4 คู่ ออกไปจากวัฏจักรในปฏิกิริยาออกซิเดชัน 4 ปฏิกิริยา
                     -NAD⁺ 2 โมเลกุลถูกรีดิวซ์ได้เป็น NADH ในปฏิกิริยา oxidative decarboxylation
                     (ออกซิเดชัน และเอา CO₂ ออก) จำนวน 2 ปฏิกิริยา
                     -FAD 1 โมเลกุลถูกรีดิวซ์ได้เป็น FADH₂ ในปฏิกิริยาออกซิเดชันของ succinate
                     -NAD⁺ อีก 1 โมเลกุล ถูกรีดิวซ์ได้เป็น NADH ในปฏิกิริยาออกซิเดชันของ malate

          3. ได้้สารพลังงานสูง GTP 1 โมเลกุล ซึ่งเกิดจากแตกของพันธะ thioester ของ succinyl CoA
               GTP นี้จะถูกนำไปสร้างต่อเป็น ATP โดยการให้หมู่ฟอสเฟตโดยตรงแก่ ADP ให้เป็น ATP
               วิธีการนี้เรียกว่า substrate-level phosphorylation

ในขั้นต่อไป ของกระบวนการหายใจระดับเซลล์ จะมีการออกซิเดชันของ NADH และ FADH₂
ที่ได้จากวัฏจักรเครบส์ในระบบถ่ายทอดอิเ็ล็็็็้กตรอน ผลสุดท้ายสามารถได้ ATP 9 โมเลกุล
(คลิกเพื่อดูรายละเอียด) ซึ่งเมื่อรวมกับอีก 1 ATP ที่ได้จากวัฏจักรเครบส์เอง ก็แสดงว่าการเข้ามาของ
คาร์บอน 2 อะตอม จาก 1 โมเลกุลของ acetyl CoA (มาจาก pyruvate 1 โมเลกุล เป็นต้น) จะให้ 10 ATP

   : ท่านทราบไหมว่า ATP 9 โมเลกุล ได้มาอย่างไร NADH 1 โมเลกุล สามารถให้
      ATP ได้กี่ตัว และ FADH₂ 1 โมเลกุล สามารถให้ ATP ได้กี่ตัว
     (ถ้ายังไม่ทราบตอนนี้ โปรดติดตามรายละเอียดในหัวข้อระบบถ่ายทอดอิเ็ล็็้กตรอน
      และออกซิเดทีฟ ฟอสโฟริเลชัน)

วิถีไกลโคลิซีสและวัฏจักรเครบส์ใช้สารอาหารอื่นๆ นอกจากกลูโคสได้อย่างไร

สารอาหารทุกประเภท คาร์โบไฮเดรต โปรตีน ไขมัน สามารถเข้าสู่วิถีไกลโคลิซีส และวัฏจักรเครบส์
เพื่อให้พลังงานได้หลายจุด (ดังแสดงในรูปที่ 3.6)

            รูปที่ 3.6   การสลายตัวของสารอาหารประเภทต่างๆ เพื่อให้ได้พลังงานในกระบวนการหายใจ
                                ระดับเซลล์ หน่วยย่อยของสารอาหารได้แก่ กรดอะมิโนของโปรตีน กลีเซอรอล                                 และกรดไขมันของไขมัน และน้ำตาลของคาร์โบไฮเดรต จะสามารถเข้าสู่
                                วิถีไกลโคลิซีสและวัฏจักรเครบส์ที่จุดต่างๆ ดังแสดงในรูป ดังที่กล่าวมาแล้ว
                                ในหัวข้อไกลโคลิซีสแป้งในรูปของไกลโคเจน (และ starch ซึ่งเป็นแป้งในพืช)
                                และน้ำตาลอื่นๆ สามารถเข้าสู่วิถีไกลโคลิซีสโดยเปลี่ยนเป็นสารตัวกลางต่างๆ
                                ในวิถีไกลโคลิซีส

ส่วนสารอาหารประเภทไขมัน จะสลายเป็นกลีเซอรอล (glycerol) และกรดไขมัน (fatty acid)
ซึ่งกลีเซอรอลจะเปลี่ยนเป็นกลีเซอรอลดีไฮด์-3-ฟอสเฟต (glyceraldehydes-3-phosphate) เพื่อเข้าสู่
วิถีไกลโคลิซีส ส่วนกรดไขมัน (เก็บพลังงานส่วนใหญ่ของไขมันไว้) จะผ่านกระบวนการที่เรียกว่า
เบต้า-ออกซิเดชัน (

– oxidation) เพื่อสร้างเป็นแอซีติล โคเอ เพื่อเข้าไปในวัฏจักรเครบส์โดยตรง

สารอาหารประเภทโปรตีน จะถูกย่อยก่อน เพื่อให้ได้เป็นกรดอะมิโนต่างๆ ชนิด เซลล์นำกรด
อะมิโนไปใช้สร้างโปรตีนชนิดอื่นๆ ที่ร่างกายต้องใช้ แต่ถ้ามีมากก็จะถูกเปลี่ยนเป็นสารที่สามารถ
เข้าไปในวิถีไกลโคลิซีสและวัฏจักรเครบส์ได้ แต่ทั้งนี้ต้องมีการเอาหมู่แอมโมเนีย (NH₃) ออกไปก่อน
กรดอะมิโนบางชนิดสามารถเปลี่ยนเป็นไพรูเวตได้ บางชนิดเปลี่ยนเป็นแอซีติล โคเอ บางชนิดเปลี่ยนเป็นสาร
ตัวกลางอื่นๆ ในวัฏจักรเครบส์ เช่น ออกซาโลแอซีเตต เป็นต้น

นอกเหนือจากหน้าที่เพื่อสร้างพลังงานวัฏจักรเครบส์ยังให้สารตัวกลางสำหรับสร้างชนิดอื่นๆ
ที่จำเป็นในทำนองเดียวกันกับที่เกิดขึ้นในวิถีไกลโคลิซีส

            นอกจากพลังงาน เซลล์ยังต้องการสารอินทรีย์ประเภทต่างๆ รวมทั้งโปรตีนต่างๆ เพื่อให้เซลล์
สามารถทำงานได้อย่างปกติ เซลล์จะใช้สารตัวกลางทั้งจากวิถีไกลโคลิซีสและวัฏจักรเครบส์
เพื่อนำไปสร้างสิ่งที่เซลล์ี่ต้องการใช้ได้มากมาย ตัวอย่างเช่น สร้าง heme (porphyrins)
สำหรับฮีโมโกลบินและไซโตโครม สร้างเบสพิวรีน (purine) และพิริมิดีน (pyrimidine) สำหรับกรดนิวคลิอิก เป็นต้น

          โดยสรุป สารตัวกลางจากวัฏจักรเครบส์หลายตัว สามารถทำหน้าที่เป็นสารตั้งต้นเพื่อให้เซลล์์ นำไปใช้
ในการสร้างสารอื่นๆ ที่เซลล์ต้องการใช้ (โปรดคลิก เพื่อเข้าไปดูรายละเอียด)

1. วัฏจักรเครบส์เกิดที่ใดในไมโทคอนเดรีย

2. ผลผลิตที่ได้จากวัฏจักรเครบส์ จากกลูโคส 1 โมเลกุล คืออะไรบ้าง
    อย่างละกี่โมเลกุล

3. CO₂ ที่ออกมาจากวัฏจักรเครบส์มาจากคาร์บอนของสารตั้งต้นตัวใด

4. ชนิดของปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในวัฏจักรเครบส์ส่วนใหญ่เป็นปฏิกิริยาอะไร
    (ขอให้ลองตอบดูก่อน แล้วจึงคลิกเพื่อดูคำตอบที่ถูกต้อง)

5. ใน 1 รอบของวัฏจักรเครบส์จะได้กี่อิเล็กตรอน เพื่อส่งให้
    ระบบถ่ายทอดอิเล็กตรอน

6. วัฏจักรเครบส์ยังทำหน้าที่อีกอะไรบ้าง นอกจากสลายสารอินทรีย์
    เพื่อให้ได้พลังงาน

7. ทำไมไขมันจึงเป็นสารที่ให้พลังงานสูงเมื่อเทียบกับโปรตีน
    และคาร์โบไฮเดรต

8. ทำไมปฏิกิริยาในวัฏจักรเครบส์จึงเกิดวนเวียนเป็นวัฏจักรท่านคิดว่า
    ลักษณะเช่นนี้ มีความสำคัญอย่างไร