أصبحت دورة كريبس سهلة

دورة كريبس ، التي سميت على اسم الحائز على جائزة نوبل عام 1953 وعالم وظائف الأعضاء هانز كريبس ، هي سلسلة من التفاعلات الأيضية التي تحدث في الميتوكوندريا من الخلايا حقيقية النواة. بعبارة أبسط ، هذا يعني أن البكتيريا لا تمتلك الآلية الخلوية لدورة كريبس ، لذا فهي تقتصر على النباتات والحيوانات والفطريات.

الجلوكوز هو الجزيء الذي يتم استقلابه في النهاية عن طريق الكائنات الحية لاشتقاق الطاقة ، في شكل ثلاثي فوسفات الأدينوزين ، أو ATP. يمكن تخزين الجلوكوز في الجسم بأشكال عديدة ؛ الجليكوجين هو أكثر بقليل من سلسلة طويلة من جزيئات الجلوكوز المخزنة في خلايا العضلات والكبد ، بينما تحتوي الكربوهيدرات الغذائية والبروتينات والدهون على مكونات يمكن استقلابها إلى الجلوكوز نحن سوف. عندما يدخل جزيء الجلوكوز إلى الخلية ، يتم تكسيره في السيتوبلازم إلى البيروفات.

يعتمد ما يحدث بعد ذلك على ما إذا كان البيروفات يدخل مسار التنفس الهوائي (النتيجة المعتادة) أو مسار تخمير اللاكتات (تُستخدم في نوبات من التمارين عالية الكثافة أو الحرمان من الأكسجين) قبل أن تسمح في النهاية بإنتاج ATP وإطلاق الكربون ثاني أكسيد (CO₂) والماء (H₂س) كمنتجات ثانوية.

دورة كريبس - تسمى أيضًا دورة حمض الستريك أو دورة حمض الكربوكسيليك (TCA) - هي الخطوة الأولى في المسار الهوائي ، وتعمل على التوليف المستمر ما يكفي من مادة تسمى oxaloacetate للحفاظ على استمرار الدورة ، على الرغم من أن هذه ، كما سترى ، ليست "مهمة" الدورة. توفر دورة كريبس فوائد أخرى مثل نحن سوف. لأنه يحتوي على ثمانية تفاعلات (وبالمقابل تسعة إنزيمات) تتضمن تسعة إنزيمات متميزة الجزيئات ، من المفيد تطوير أدوات للحفاظ على النقاط المهمة للدورة مستقيمة في عقل _ يمانع.

الجلوكوز عبارة عن سكر مكون من ستة كربون (سداسي) يكون في الطبيعة عادة على شكل حلقة. مثل جميع السكريات الأحادية (مونومرات السكر) ، فهو يتكون من الكربون والهيدروجين والأكسجين بنسبة 1-2-1 ، مع صيغة C₆ح₁₂ا₆. إنه أحد المنتجات النهائية لعملية التمثيل الغذائي للبروتين والكربوهيدرات والأحماض الدهنية ويعمل كوقود في كل نوع من الكائنات الحية من البكتيريا أحادية الخلية إلى البشر والحيوانات الكبيرة.

تحلل السكر هو لاهوائي بالمعنى الدقيق للكلمة "بدون أكسجين". أي أن ردود الفعل تستمر سواء O₂ موجود في الخلايا أم لا. كن حذرًا لتمييز هذا عن "الأكسجين يجب ألا يكون موجودة ، "على الرغم من أن هذا هو الحال مع بعض البكتيريا التي يتم قتلها بالفعل بواسطة الأكسجين والمعروفة باسم اللاهوائية الملزمة.

في تفاعلات تحلل السكر ، يتم في البداية الفسفرة الجلوكوز المكون من ستة كربون - أي أنه يحتوي على مجموعة فوسفات ملحقة به. الجزيء الناتج هو شكل فسفرة من الفركتوز (سكر الفاكهة). ثم يتم فسفرته هذا الجزيء مرة ثانية. تتطلب كل من هذه الفسفرة جزيء ATP ، وكلاهما يتم تحويلهما إلى ثنائي فوسفات الأدينوزين ، أو ADP. ثم يتم تحويل جزيء الكربون الستة إلى جزيئين من ثلاثة كربون ، يتم تحويلهما بسرعة إلى البيروفات. على طول الطريق ، في معالجة كلا الجزيئين ، يتم إنتاج 4 ATP بمساعدة جزيئين من NAD + (نيكوتيناميد أدينين ثنائي النوكليوتيد) يتم تحويلهما إلى جزيئين من NADH. وهكذا ، لكل جزيء جلوكوز يدخل في تحلل السكر ، شبكة مكونة من اثنين من ATP ، واثنين من البيروفات و يتم إنتاج اثنين من NADH ، بينما يتم استهلاك اثنين من NAD +.

كما لوحظ سابقًا ، يعتمد مصير البيروفات على متطلبات التمثيل الغذائي وبيئة الكائن الحي المعني. في بدائيات النوى ، يوفر التحلل السكري بالإضافة إلى التخمير جميع احتياجات الطاقة للخلية المفردة تقريبًا ، على الرغم من أن بعض هذه الكائنات قد تطورت سلاسل نقل الإلكترون التي تسمح لهم بذلك الاستفادة من الأكسجين لتحرير ATP من نواتج (منتجات) تحلل السكر. في بدائيات النوى وكذلك في جميع حقيقيات النوى باستثناء الخميرة ، إذا لم يكن هناك أكسجين متاح أو إذا كان لا يمكن تلبية احتياجات الخلية من الطاقة بالكامل من خلال التنفس الهوائي ، يتم تحويل البيروفات إلى حمض اللاكتيك عن طريق التخمير تحت تأثير إنزيم اللاكتات ديهيدروجينيز ، أو لد.

يتحرك البيروفات الموجهة لدورة كريبس من السيتوبلازم عبر غشاء عضيات الخلية (مكونات وظيفية في السيتوبلازم) تسمى الميتوكوندريا. بمجرد دخولها إلى مصفوفة الميتوكوندريا ، وهي نوع من السيتوبلازم للميتوكوندريا نفسها ، يتم تحويلها تحت تأثير إنزيم البيروفات ديهيدروجينيز إلى مركب ثلاثي الكربون مختلف يسمى أسيتيل أنزيم أ أو أسيتيل CoA. يمكن انتقاء العديد من الإنزيمات من الصفوف الكيميائية بسبب اللاحقة "-ase" التي يشاركونها.

في هذه المرحلة ، يجب أن تستفيد من الرسم التخطيطي الذي يوضح بالتفصيل دورة كريبس ، حيث إنها الطريقة الوحيدة للمتابعة بشكل هادف ؛ انظر الموارد على سبيل المثال.

السبب في تسمية دورة كريبس على هذا النحو هو أن أحد منتجاتها الرئيسية ، وهو أوكسالأسيتات ، هو أيضًا مادة متفاعلة. أي عندما يدخل ثنائي أسيتيل CoA المكون من البيروفات الدورة من "المنبع" ، فإنه يتفاعل مع أوكسالأسيتات ، وهو جزيء رباعي الكربون ، ويشكل سترات ، وهو جزيء من ستة كربون. يحتوي السيترات ، وهو جزيء متماثل ، على ثلاثة مجموعات الكربوكسيل، والتي لها شكل (-COOH) في شكلها البروتوني و (-COO-) في شكلها غير المعزز. وهذه المجموعة الثلاثية من مجموعات الكربوكسيل هي التي تضفي على هذه الدورة اسم "حمض الكربوكسيل". يتم دفع عملية التوليف عن طريق إضافة جزيء ماء ، مما يجعل هذا تفاعل تكاثف وفقدان جزء من الإنزيم المساعد أ من أسيتيل CoA.

يتم بعد ذلك إعادة ترتيب السيترات في جزيء له نفس الذرات بترتيب مختلف ، وهو ما يسمى بشكل مناسب isocitrate. ثم ينتج هذا الجزيء ثاني أكسيد الكربون₂ لتصبح مركبًا مكونًا من خمسة كربون α-ketoglutarate ، وفي الخطوة التالية يحدث نفس الشيء ، حيث تفقد α-ketoglutarate ثاني أكسيد الكربون₂ أثناء استعادة الإنزيم المساعد A ليصبح succinyl CoA. يصبح هذا الجزيء المكون من أربعة كربون سكسينات مع فقدان CoA ، ويتم إعادة ترتيبه لاحقًا في موكب من أربعة أحماض كربونية منزوعة البروتين: فومارات ، مالات وأخيراً أوكسالو أسيتات.

إذن ، الجزيئات المركزية لدورة كريبس هي بالترتيب

1. أسيتيل CoA
   
2. سيترات
   
3. ايزوسترات
   
4. ألفا كيتوجلوتارات 
   
5. Succinyl CoA
   
6. سكسينات
   
7. فومارات
   
8. مالات
   
9. أوكسالو أسيتات
   

هذا يحذف أسماء الإنزيمات وعدد من المواد المتفاعلة الحرجة ، من بينها NAD + / NADH ، زوج الجزيء المماثل FAD / FADH₂ (فلافين أدينين ثنائي النوكليوتيد) و CO₂.

لاحظ أن كمية الكربون في نفس النقطة في أي دورة تظل كما هي. تلتقط أوكسالو أسيتات ذرتين من الكربون عندما تتحد مع أسيتيل CoA ، لكن هاتين الذرتين تضيعان في النصف الأول من دورة كريبس مثل ثاني أكسيد الكربون₂ في التفاعلات المتتالية التي يتم فيها أيضًا تقليل NAD + إلى NADH. (في الكيمياء ، للتبسيط إلى حد ما ، تضيف تفاعلات الاختزال البروتونات بينما تزيلها تفاعلات الأكسدة.) النظر إلى العملية ككل ، وفحصها فقط هذه المواد المتفاعلة والنواتج المكونة من اثنين وأربعة وخمسة وستة كربون ، ليس من الواضح على الفور سبب انخراط الخلايا في شيء يشبه مادة فيريس البيوكيميائية عجلة ، مع ركاب مختلفين من نفس السكان يتم تحميلهم داخل وخارج العجلة ولكن لا شيء يتغير في نهاية اليوم باستثناء عدد كبير من المنعطفات من عجلة.

يكون الغرض من دورة كريبس أكثر وضوحًا عندما تنظر إلى ما يحدث لأيونات الهيدروجين في هذه التفاعلات. في ثلاث نقاط مختلفة ، يجمع NAD + بروتونًا ، وفي نقطة مختلفة ، يجمع FAD بروتونين. فكر في البروتونات - بسبب تأثيرها على الشحنات الموجبة والسالبة - كأزواج من الإلكترونات. من وجهة النظر هذه ، فإن نقطة الدورة هي تراكم أزواج الإلكترونات عالية الطاقة من جزيئات الكربون الصغيرة.

قد تلاحظ أن جزيئين مهمين من المتوقع وجودهما في التنفس الهوائي مفقودان من دورة كريبس: الأكسجين (O₂) و ATP ، وهو شكل من أشكال الطاقة التي تستخدمها الخلايا والأنسجة مباشرة للقيام بأعمال مثل النمو والإصلاح وما إلى ذلك. مرة أخرى ، هذا لأن دورة كريبس هي أداة ضبط الجدول لتفاعلات سلسلة نقل الإلكترون التي تحدث في مكان قريب ، في غشاء الميتوكوندريا بدلاً من مصفوفة الميتوكوندريا. يتم استخدام الإلكترونات التي يتم حصادها بواسطة النيوكليوتيدات (NAD + و FAD) في الدورة "المصب" عندما يتم قبولها بواسطة ذرات الأكسجين في سلسلة النقل. تعمل دورة كريبس في الواقع على تجريد المواد القيمة في حزام ناقل دائري يبدو غير ملحوظ وتقوم بتصديرها إلى مركز معالجة قريب حيث يعمل فريق الإنتاج الحقيقي.

لاحظ أيضًا أن ردود الفعل التي تبدو غير ضرورية في دورة كريبس (بعد كل شيء ، لماذا تتخذ ثماني خطوات لإنجاز ما يمكن فعله ربما في ثلاثة أو أربعة؟) تولد جزيئات ، على الرغم من أنها وسيطة في دورة كريبس ، يمكن أن تعمل كمتفاعلات في غير ذات صلة تفاعلات.

كمرجع ، يقبل NAD بروتونًا في الخطوات 3 و 4 و 8 ، وفي أول خطوتين من أول أكسيد الكربون₂ سقيفة يتم إنتاج جزيء غوانوزين ثلاثي الفوسفات (GTP) من الناتج المحلي الإجمالي في الخطوة 5 ؛ ويقبل FAD بروتونين في الخطوة 6. في الخطوة 1 ، "يترك" شهادة توثيق البرامج ، لكنها "ترجع" في الخطوة 4. في الواقع ، فقط الخطوة 2 ، إعادة ترتيب السترات إلى isocitrate ، تكون "صامتة" خارج جزيئات الكربون في التفاعل.

نظرًا لأهمية دورة كريبس في الكيمياء الحيوية وعلم وظائف الأعضاء البشرية ، فقد جاء الطلاب والأساتذة وغيرهم توصل إلى عدد من فن الإستذكار ، أو طرق لتذكر الأسماء ، للمساعدة في تذكر الخطوات والمتفاعلات في كريبس دورة. إذا رغب المرء فقط في تذكر المواد المتفاعلة للكربون ، والوسطاء والمنتجات ، فمن الممكن العمل من الأحرف الأولى للمركبات المتتالية كما تظهر (O ، Ac ، C ، I ، K ، Sc ، S ، F ، M ؛ هنا ، لاحظ أن "coenzyme A" يمثله "c" صغير). يمكنك إنشاء عبارة شخصية بليغة من هذه الأحرف ، مع استخدام الأحرف الأولى للجزيئات كأحرف أولى في كلمات العبارة.

هناك طريقة أكثر تعقيدًا للقيام بذلك وهي استخدام ذاكري الذي يتيح لك تتبع عدد الكربون الذرات في كل خطوة ، مما قد يسمح لك باستيعاب ما يحدث بشكل أفضل من وجهة نظر الكيمياء الحيوية على الإطلاق مرات. على سبيل المثال ، إذا سمحت لكلمة مكونة من ستة أحرف تمثل أوكسالو أسيتات ستة كربون ، وبالتالي ، أصغر الكلمات والجزيئات ، يمكنك إنتاج مخطط مفيد كجهاز ذاكرة ومعلومات ثري. اقترح أحد المساهمين في "مجلة التربية الكيميائية" الفكرة التالية:

1. أعزب
   
2. ارتعش
   
3. تشابك 
   
4. فسد
   
5. الجرب
   
6. ماني
   
7. عاقل
   
8. غنى
   
9. يغني
   

هنا ، ترى كلمة مكونة من ستة أحرف مكونة من كلمة مكونة من حرفين (أو مجموعة) وكلمة مكونة من أربعة أحرف. تتضمن كل خطوة من الخطوات الثلاث التالية استبدالًا بحرف واحد بدون فقد الأحرف (أو "الكربون"). تتضمن الخطوتان التاليتان فقدان حرف (أو "الكربون" مرة أخرى). يحافظ باقي المخطط على متطلبات الكلمات المكونة من أربعة أحرف بنفس الطريقة التي تشتمل بها الخطوات الأخيرة من دورة كريبس على جزيئات مختلفة من أربعة كربون مرتبطة ارتباطًا وثيقًا.

بصرف النظر عن هذه الأجهزة المحددة ، قد تجد أنه من المفيد رسم خلية كاملة أو جزء من خلية تحيط بـ a الميتوكوندريا ، ورسم ردود فعل تحلل الجلوكوز بأكبر قدر من التفاصيل كما تريد في الجزء السيتوبلازم ودورة كريبس في جزء مصفوفة الميتوكوندريا. قد تظهر في هذا الرسم التخطيطي نقل البيروفات إلى داخل الميتوكوندريا ، ولكن يمكنك أيضًا رسم سهم يؤدي إلى التخمير ، والذي يحدث أيضًا في السيتوبلازم.