Krebsův cyklus je snadný

Krebsův cyklus, pojmenovaný po nositeli Nobelovy ceny a fyziologu Hansovi Krebsovi z roku 1953, je řadou metabolických reakcí, které probíhají mitochondrie z eukaryotické buňky. Jednoduše řečeno, znamená to, že bakterie nemají buněčný aparát pro Krebsův cyklus, takže se omezovaly na rostliny, zvířata a houby.

Glukóza je molekula, která je nakonec metabolizována živými organizmy, aby získala energii ve formě adenosintrifosfát nebo ATP. Glukóza může být v těle uložena v mnoha formách; glykogen je něco víc než dlouhý řetězec molekul glukózy, který je uložen ve svalových a jaterních buňkách, zatímco dietní sacharidy, bílkoviny a tuky mají složky, které lze metabolizovat na glukózu jako studna. Když molekula glukózy vstoupí do buňky, rozloží se v cytoplazmě na pyruvát.

Co se stane dál, závisí na tom, zda pyruvát vstupuje do cesty aerobního dýchání (obvyklý výsledek) nebo do cesty fermentace laktátu (používá se při záchvatech vysoce intenzivního cvičení nebo nedostatku kyslíku), než nakonec umožní produkci ATP a uvolnění uhlíku oxid uhličitý (CO₂) a voda (H₂O) jako vedlejší produkty.

Krebsův cyklus - nazývaný také cyklus kyseliny citronové nebo cyklus trikarboxylové kyseliny (TCA) - je prvním krokem v aerobní dráze a funguje tak, že neustále syntetizuje dostatek látky zvané oxaloacetát, aby udržel cyklus v chodu, i když, jak uvidíte, nejde ve skutečnosti o „poslání“ cyklu. Krebsův cyklus poskytuje další výhody jako studna. Protože zahrnuje asi osm reakcí (a odpovídajícím způsobem devět enzymů) zahrnujících devět odlišných molekul, je užitečné vyvinout nástroje k udržení důležitých bodů cyklu přímo ve vašem mysl.

Glukóza je šestikarbonový (hexózový) cukr, který je v přírodě obvykle ve formě prstence. Stejně jako všechny monosacharidy (monomery cukru) sestává z uhlíku, vodíku a kyslíku v poměru 1–2–1, se vzorcem C₆H₁₂Ó₆. Je to jeden z konečných produktů metabolismu bílkovin, sacharidů a mastných kyselin a slouží jako palivo v každém typu organismu, od jednobuněčných bakterií až po člověka a větší zvířata.

Glykolýza je anaerobní v přísném smyslu slova „bez kyslíku“. To znamená, že reakce probíhají, ať už O₂ je přítomný v buňkách nebo ne. Buďte opatrní, abyste to odlišili od „kyslíku“ nesmí být „ačkoli tomu tak je u některých bakterií, které jsou ve skutečnosti zabíjeny kyslíkem a jsou známy jako obligátní anaeroby.

Při reakcích glykolýzy je glukóza se šesti uhlíky zpočátku fosforylována - to znamená, že je k ní připojena fosfátová skupina. Výsledná molekula je fosforylovaná forma fruktózy (ovocný cukr). Tato molekula se poté podruhé fosforyluje. Každá z těchto fosforylací vyžaduje molekulu ATP, které se oba přeměňují na adenosindifosfát nebo ADP. Molekula se šesti uhlíky se poté převede na dvě molekuly se třemi uhlíky, které se rychle přemění na pyruvát. Postupem času se při zpracování obou molekul produkují 4 ATP pomocí dvou molekul NAD + (nikotinamidadeninindinukleotid), které se převádějí na dvě molekuly NADH. Pro každou molekulu glukózy, která vstupuje do glykolýzy, tedy síť dvou ATP, dvou pyruvátů a jsou vyrobeny dva NADH, zatímco dva NAD + jsou spotřebovány.

Jak již bylo uvedeno výše, osud pyruvátu závisí na metabolických požadavcích a prostředí dotyčného organismu. U prokaryot zajišťuje glykolýza plus fermentace téměř všechny energetické potřeby jedné buňky, i když některé z těchto organismů se vyvinuly elektronové transportní řetězce které jim to umožňují využívat kyslík k uvolňování ATP z metabolitů (produktů) glykolýzy. U prokaryot i všech eukaryot, kromě kvasinek, pokud není k dispozici kyslík nebo pokud nelze plně uspokojit energetické potřeby buňky prostřednictvím aerobního dýchání se pyruvát převádí na kyselinu mléčnou pomocí fermentace pod vlivem enzymu laktátdehydrogenázy, nebo LDH.

Pyruvát určený pro Krebsův cyklus se pohybuje od cytoplazma přes membránu buněčných organel (funkčních složek v cytoplazmě) tzv mitochondrie. Jakmile je v mitochondriální matici, která je jakousi cytoplazmou pro samotné mitochondrie, je převedena pod vlivem enzymu pyruvátdehydrogenázy na jinou tří uhlíkovou sloučeninu zvanou acetyl koenzym A nebo acetyl CoA. Mnoho enzymů lze vybrat z chemického složení kvůli příponě „-ase“, kterou sdílejí.

V tomto okamžiku byste měli využít diagram popisující Krebsův cyklus, protože je to jediný způsob, jak smysluplně následovat; viz zdroje pro příklad.

Důvod, proč je Krebsův cyklus pojmenován jako takový, je ten, že jeden z jeho hlavních produktů, oxaloacetát, je také reaktant. To znamená, že když acyklický CoA se dvěma uhlíky vytvořený z pyruvátu vstupuje do cyklu od „proti proudu“, reaguje s oxaloacetátem, molekulou se čtyřmi uhlíky, a vytváří citrát, molekulu se šesti uhlíky. Citrát, symetrická molekula, obsahuje tři karboxylové skupiny, které mají formu (-COOH) ve své protonované formě a (-COO-) ve své neprotonované formě. Právě tato trojice karboxylových skupin propůjčuje tomuto cyklu název „trikarboxylová kyselina“. Syntéza je řízena přidáním molekuly vody, což z ní dělá kondenzační reakci a ztrátu části koenzymu A acetyl CoA.

Citrát se poté přeskupí na molekulu se stejnými atomy v jiném uspořádání, které se výstižně říká isocitrát. Tato molekula poté vydává CO₂ aby se stal sloučeninou s pěti atomy uhlíku α-ketoglutarátem, a v dalším kroku dojde ke stejné věci, kdy α-ketoglutarát ztratí CO₂ při opětovném získání koenzymu A, aby se stal sukcinyl CoA. Tato molekula se čtyřmi uhlíky se stává sukcinátem se ztrátou CoA a následně se přeskupuje do procesu se čtyřmi uhlíkovými deprotonovanými kyselinami: fumarát, malát a nakonec oxaloacetát.

Centrální molekuly Krebsova cyklu jsou tedy v pořádku

1. Acetyl CoA
   
2. Citrát
   
3. Isocitrate
   
4. α-ketoglutarát 
   
5. Succinyl CoA
   
6. Succinate
   
7. Fumarát
   
8. Malát
   
9. Oxaloacetát
   

To vynechává názvy enzymů a řadu kritických spolureaktantů, mezi nimi NAD + / NADH, podobný pár molekul FAD / FADH₂ (flavin adenin dinukleotid) a CO₂.

Pamatujte, že množství uhlíku ve stejném bodě v jakémkoli cyklu zůstává stejné. Oxaloacetát zachytí dva atomy uhlíku, když se zkombinuje s acetyl CoA, ale tyto dva atomy se ztratí v první polovině Krebsova cyklu jako CO₂ v postupných reakcích, ve kterých je NAD + také redukován na NADH. (V chemii, abychom to trochu zjednodušili, redukční reakce přidávají protony, zatímco oxidační reakce je odstraňuje.) Podíváme-li se na proces jako celek a zkoumáme pouze těchto dvou-, čtyř-, pět- a šest uhlíkových reaktantů a produktů není okamžitě jasné, proč by se buňky angažovaly v něčem podobném jako biochemický Ferris kolo s různými jezdci ze stejné populace naloženými na a z kola, ale na konci dne se nic nezměnilo, kromě velkého množství zatáček kolo.

Účel Krebsova cyklu je zjevnější, když se podíváte na to, co se stane s vodíkovými ionty v těchto reakcích. Ve třech různých bodech sbírá NAD + proton a v jiném bodě FAD dva protony. Představte si protony - kvůli jejich vlivu na kladné a záporné náboje - jako páry elektronů. Z tohoto pohledu je bodem cyklu akumulace vysokoenergetických elektronových párů z malých molekul uhlíku.

Můžete si všimnout, že v Krebsově cyklu chybí dvě kritické molekuly, u nichž se předpokládá přítomnost v aerobním dýchání: Oxygen (O₂) a ATP, forma energie přímo využívaná buňkami a tkáněmi k provádění prací, jako je růst, oprava atd. Opět platí, že je to proto, že Krebsův cyklus je tabulkovým setterem pro reakce elektronového transportního řetězce, ke kterým dochází v okolí, spíše v mitochondriální membráně než v mitochondriální matici. Elektrony sklizené nukleotidy (NAD + a FAD) v cyklu se používají „po proudu“, když jsou přijímány atomy kyslíku v transportním řetězci. Krebsův cyklus ve skutečnosti odstraňuje cenný materiál ve zdánlivě nepozorovatelném kruhovém dopravním pásu a exportuje jej do nedalekého zpracovatelského centra, kde pracuje skutečný výrobní tým.

Všimněte si také, že zdánlivě zbytečné reakce v Krebsově cyklu (koneckonců proč podniknout osm kroků k dosažení toho, co by se dalo udělat ve třech nebo čtyřech?) generují molekuly, které, i když jsou meziprodukty v Krebsově cyklu, mohou sloužit jako reaktanty v nepříbuzných reakce.

Pro srovnání NAD přijímá protony v krocích 3, 4 a 8 a v prvních dvou z těchto CO₂ je přístřešek; molekula guanosin trifosfátu (GTP) je vyrobena z GDP v kroku 5; a FAD přijímá v kroku 6 dva protony. V kroku 1 CoA „odejde“, ale „vrátí se“ v kroku 4. Ve skutečnosti pouze krok 2, přesmyk citrátu na isocitrát, je „tichý“ mimo molekuly uhlíku v reakci.

Kvůli důležitosti Krebsova cyklu v biochemii a fyziologii člověka přišli studenti, profesoři a další s řadou mnemotechnických pomůcek nebo způsobů, jak si pamatovat jména, pomáhat si pamatovat kroky a reaktanty v Krebs cyklus. Pokud si přejeme zapamatovat si pouze uhlíkové reaktanty, meziprodukty a produkty, je možné pracovat od prvních písmen po sobě následujících sloučenin, jak se objevují (O, Ac, C, I, K, Sc, S, F, M; zde si všimněte, že „koenzym A“ je reprezentován malým „c“). Z těchto písmen můžete vytvořit stručnou osobní frázi, přičemž první písmena molekul slouží jako první písmena ve slovech fráze.

Sofistikovanější způsob, jak toho dosáhnout, je použití mnemotechnické pomůcky, která vám umožní sledovat počet uhlíku atomy na každém kroku, což vám může vůbec umožnit lepší internalizaci toho, co se děje z biochemického hlediska krát. Například pokud necháte slovo se šesti písmeny představovat oxaloacetát se šesti uhlíky a odpovídajícím způsobem pro menší slova a molekuly, můžete vytvořit schéma, které je užitečné jako paměťové zařízení a informace bohatý. Jeden přispěvatel do "Journal of Chemical Education" navrhl následující nápad:

1. Singl
   
2. Chvění
   
3. Spleť 
   
4. Mandl
   
5. Prašivina
   
6. Hříva
   
7. Rozumný
   
8. Sang
   
9. Zpívat
   

Zde vidíte šestipísmenné slovo tvořené dvoupísmenným slovem (nebo skupinou) a čtyřpísmenným slovem. Každý z následujících tří kroků zahrnuje nahrazení jedním písmenem bez ztráty písmen (nebo „uhlíku“). Další dva kroky zahrnují ztrátu písmene (nebo opět „uhlíku“). Zbytek schématu zachovává čtyřpísmenný požadavek na slovo stejným způsobem, jako poslední kroky Krebsova cyklu zahrnují různé, úzce související molekuly se čtyřmi uhlíky.

Kromě těchto konkrétních zařízení může být užitečné nakreslit si celou buňku nebo část buňky obklopující a mitochondrie a načrtněte reakce glykolýzy tak podrobně, jak se vám líbí, v cytoplazmové části a Krebsově cyklu v mitochondriální maticová část. V tomto náčrtu byste ukázali, že pyruvát je dopravován do nitra mitochondrií, ale můžete také nakreslit šipku vedoucí k fermentaci, která se také vyskytuje v cytoplazmě.