Лесен е цикълът на Кребс

Цикълът на Кребс, кръстен на носителя на Нобелова награда и физиолог Ханс Кребс от 1953 г., е поредица от метаболитни реакции, които протичат в митохондрии на еукариотни клетки. Казано по-просто, това означава, че бактериите нямат клетъчни механизми за цикъла на Кребс, така че се ограничава до растения, животни и гъби.

Глюкозата е молекулата, която в крайна сметка се метаболизира от живите същества, за да получи енергия под формата на аденозин трифосфат или АТФ. Глюкозата може да се съхранява в организма в множество форми; гликогенът е малко повече от дълга верига от глюкозни молекули, която се съхранява в мускулните и чернодробните клетки, докато диетичните въглехидрати, протеини и мазнини имат компоненти, които могат да се метаболизират до глюкоза като добре. Когато молекула глюкоза навлезе в клетката, тя се разгражда в цитоплазмата до пируват.

Какво ще се случи по-нататък зависи от това дали пируватът навлиза в аеробния път на дишане (обичайният резултат) или в лактатния ферментационен път (използва се при пристъпи на упражнения с висока интензивност или лишаване от кислород), преди в крайна сметка да позволи производството на АТФ и освобождаването на въглерод диоксид (CO

Цикълът на Кребс - наричан още цикъл на лимонената киселина или цикълът на трикарбоксилната киселина (TCA) - е първата стъпка в аеробния път и работи за непрекъснат синтез достатъчно вещество, наречено оксалоацетат, за да поддържа цикъла, въпреки че, както ще видите, това всъщност не е „мисията“ на цикъла. Цикълът на Кребс предоставя други предимства като добре. Тъй като включва около осем реакции (и съответно девет ензима), включващи девет различни молекули, е полезно да се разработят инструменти, които да поддържат важните точки от цикъла направо във вас ум.

Глюкозата е шествъглеродна (хексозна) захар, която в природата обикновено е под формата на пръстен. Подобно на всички монозахариди (захарни мономери), той се състои от въглерод, водород и кислород в съотношение 1-2-1, с формула на С₆З.₁₂О₆. Той е един от крайните продукти на метаболизма на протеини, въглехидрати и мастни киселини и служи като гориво във всеки тип организъм, от едноклетъчни бактерии до хора и по-големи животни.

Гликолиза е анаеробна в строгия смисъл на „без кислород“. Тоест реакциите продължават независимо дали O₂ присъства в клетките или не. Внимавайте да различавате това от „кислород не трябва да бъде присъства ", въпреки че това е случаят с някои бактерии, които всъщност са убити от кислорода и са известни като облигатни анаероби.

При реакциите на гликолиза шест-въглеродната глюкоза първоначално се фосфорилира - тоест, към нея има фосфатна група. Получената молекула е фосфорилирана форма на фруктоза (плодова захар). След това тази молекула се фосфорилира втори път. Всяко от тези фосфорилирания изисква молекула АТФ, и двете от които се превръщат в аденозин дифосфат или ADP. След това молекулата с шест въглерода се превръща в две молекули с три въглерода, които бързо се превръщат в пируват. По пътя, при обработката на двете молекули, 4 АТФ се получават с помощта на две молекули NAD + (никотинамид аденин динуклеотид), които се превръщат в две молекули NADH. По този начин за всяка молекула глюкоза, която навлиза в гликолиза, има мрежа от два АТФ, два пирувата и произвеждат се два NADH, докато се консумират два NAD +.

Както беше отбелязано по-рано, съдбата на пирувата зависи от метаболитните нужди и околната среда на въпросния организъм. При прокариотите гликолизата плюс ферментацията осигурява почти всички енергийни нужди на единичната клетка, въпреки че някои от тези организми са се развили електронни транспортни вериги които им позволяват използвайте кислород за освобождаване на АТФ от метаболитите (продуктите) на гликолизата. При прокариотите, както и при всички еукариоти, но при дрождите, ако няма наличен кислород или ако енергийните нужди на клетката не могат да бъдат задоволени изцяло чрез аеробно дишане пируватът се превръща в млечна киселина чрез ферментация под въздействието на ензима лактат дехидрогеназа, или LDH.

Пируват, предназначен за цикъла на Кребс, се премества от цитоплазма през мембраната на клетъчните органели (функционални компоненти в цитоплазмата) т.нар митохондрии. Попадайки в митохондриалната матрица, която е нещо като цитоплазма за самите митохондрии, тя се преобразува под въздействието на ензима пируват дехидрогеназа до различно тривъглеродно съединение, наречено ацетил коензим A или ацетил КоА. Много ензими могат да бъдат избрани от химическия състав поради наставката "-ase", която те споделят.

На този етап трябва да се възползвате от диаграма, подробно описваща цикъла на Кребс, тъй като това е единственият начин да следвате смислено; вижте Ресурсите за пример.

Причината, поради която цикълът на Кребс е посочен като такъв, е, че един от основните му продукти, оксалоацетатът, също е реагент. Тоест, когато двувъглеродният ацетил КоА, създаден от пируват, влезе в цикъла от "нагоре по течението", той реагира с оксалоацетат, молекула с четири въглерода и образува цитрат, молекула с шест въглерода. Цитратът, симетрична молекула, включва три карбоксилни групи, които имат формата (-COOH) в протонираната си форма и (-COO-) в непротонираната си форма. Именно това трио от карбоксилни групи придава името „трикарбоксилна киселина“ на този цикъл. Синтезът се задвижва от добавянето на водна молекула, което прави реакцията на кондензация и загубата на коензим А част от ацетил КоА.

След това цитратът се пренарежда в молекула със същите атоми в различна подредба, която подобаващо се нарича изоцитрат. След това тази молекула отделя CO₂ да се превърне в петвъглеродното съединение а-кетоглутарат и в следващата стъпка се случва същото, като а-кетоглутаратът губи CO₂ докато възстановява коензим А, за да се превърне в сукцинил КоА. Тази четиривъглеродна молекула става сукцинат със загубата на CoA и впоследствие се пренарежда в процесия от четири въглеродни депротонирани киселини: фумарат, малат и накрая оксалоацетат.

Тогава централните молекули на цикъла на Кребс, по ред, са

1. Ацетил CoA
   
2. Цитрат
   
3. Изоцитрат
   
4. а-кетоглутарат 
   
5. Сукцинил КоА
   
6. Сукцинирайте
   
7. Фумарат
   
8. Малат
   
9. Оксалоацетат
   

Това пропуска имената на ензимите и редица критични кореактиви, сред които NAD + / NADH, подобната двойка молекули FAD / FADH₂ (флавин аденин динуклеотид) и CO₂.

Имайте предвид, че количеството въглерод в една и съща точка във всеки цикъл остава същото. Оксалоацетатът улавя два въглеродни атома, когато се комбинира с ацетил CoA, но тези два атома се губят в първата половина на цикъла на Кребс като CO₂ при последователни реакции, при които NAD + също се редуцира до NADH. (В химията, за да се опрости донякъде, редукционните реакции добавят протони, докато реакциите на окисление ги отстраняват.) Разглеждайки процеса като цяло и изследвайки само тези дву-, четири-, пет- и шествъглеродни реактиви и продукти, не е ясно веднага защо клетките биха участвали в нещо като прилича на биохимичен ферис колело, с различни ездачи от едно и също население, които се натоварват на и извън колелото, но нищо не се променя в края на деня, с изключение на много завои на колело.

Целта на цикъла на Кребс е по-очевидна, когато погледнете какво се случва с водородните йони в тези реакции. В три различни точки NAD + събира протон, а в различна точка FAD събира два протона. Мислете за протоните - поради техния ефект върху положителните и отрицателните заряди - като двойки електрони. В този смисъл точката на цикъла е натрупването на високоенергийни електронни двойки от малки въглеродни молекули.

Може да забележите, че в цикъла на Кребс липсват две критични молекули, които се очаква да присъстват в аеробното дишане: Кислород (O₂) и АТФ, формата на енергия, пряко използвана от клетките и тъканите за извършване на работа като растеж, възстановяване и т.н. Отново, това е така, защото цикълът на Кребс е инструмент за определяне на верижните реакции на електронния транспорт, които се случват наблизо, в митохондриалната мембрана, а не в митохондриалната матрица. Електроните, събрани от нуклеотиди (NAD + и FAD) в цикъла, се използват "надолу по веригата", когато са приети от кислородните атоми в транспортната верига. В действителност цикълът на Кребс отстранява ценен материал в привидно незабележим кръгъл конвейер и ги изнася в близкия преработвателен център, където работи истинският производствен екип.

Също така обърнете внимание, че на пръв поглед ненужните реакции в цикъла на Кребс (в крайна сметка защо да предприемете осем стъпки, за да постигнете това, което може да се направи в може би три или четири?) генерират молекули, които, макар и междинни продукти в цикъла на Кребс, могат да служат като реагенти в несвързани реакции.

За справка, NAD приема протон в стъпки 3, 4 и 8 и в първите две от тези CO₂ е хвърлен; молекула гуанозин трифосфат (GTP) се произвежда от GDP на стъпка 5; и FAD приема два протона на стъпка 6. В стъпка 1 CoA „напуска“, но „връща“ в стъпка 4. Всъщност само стъпка 2, пренареждането на цитрат в изоцитрат, е "безшумна" извън въглеродните молекули в реакцията.

Поради важността на цикъла на Кребс в биохимията и човешката физиология, идват студенти, преподаватели и други с редица мнемотехника или начини за запомняне на имена, които да помогнат за запомнянето на стъпалата и реагентите в Кребс цикъл. Ако човек иска само да запомни въглеродните реактиви, междинните продукти и продуктите, възможно е да се работи от първите букви на последователни съединения, както се появяват (O, Ac, C, I, K, Sc, S, F, M; тук забележете, че "коензим А" е представен с малко "в"). Можете да създадете съществена персонализирана фраза от тези букви, като първите букви на молекулите служат като първи букви в думите на фразата.

По-сложен начин за това е използването на мнемоника, която ви позволява да следите броя на въглерода атоми на всяка стъпка, което може да ви позволи изобщо да възприемете по-добре случващото се от биохимична гледна точка пъти. Например, ако оставите шестбуквена дума да представлява шест-въглеродния оксалоацетат и съответно за по-малки думи и молекули, можете да създадете схема, която е едновременно полезна като устройство с памет и информация богат. Един сътрудник на "Journal of Chemical Education" предложи следваща идея:

1. Единична
   
2. Изтръпване
   
3. Заплетете се 
   
4. Мангъл
   
5. Мандж
   
6. Мане
   
7. Разумен
   
8. Песен
   
9. Пейте
   

Тук виждате шестбуквена дума, образувана от двубуквена дума (или група) и дума от четири букви. Всяка от следващите три стъпки включва заместване на една буква без загуба на букви (или "въглерод"). Следващите две стъпки включват загуба на буква (или, отново, "въглерод"). Останалата част от схемата запазва изискването за четири букви по същия начин, по който последните стъпки от цикъла на Кребс включват различни, тясно свързани молекули с четири въглерода.

Освен тези специфични устройства, може да ви е от полза да си нарисувате цялостна клетка или част от клетка, заобикаляща митохондрия и скицирайте реакциите на гликолизата толкова подробно, колкото искате в цитоплазмената част и цикъла на Кребс в митохондриална матрична част. В тази скица бихте показали, че пируват се премества във вътрешността на митохондриите, но можете също да нарисувате стрелка, водеща до ферментация, която също се случва в цитоплазмата.