Krebs Cycle Made Easy

Krebs-cyklussen, opkaldt efter Nobelprisvinderen og fysiologen Hans Krebs fra 1953, er en række metaboliske reaktioner, der finder sted i mitokondrier af eukaryote celler. Kort sagt betyder det, at bakterier ikke har det cellulære maskineri til Krebs-cyklussen, så det er begrænset til planter, dyr og svampe.

Glukose er det molekyle, der i sidste ende metaboliseres af levende ting for at udlede energi i form af adenosintriphosphat eller ATP. Glukose kan opbevares i kroppen i adskillige former; glykogen er lidt mere end en lang kæde af glukosemolekyler, der opbevares i muskel- og leverceller, mens kulhydrater, proteiner og fedtstoffer i kosten har komponenter, der kan metaboliseres til glukose som godt. Når et molekyle glukose kommer ind i en celle, nedbrydes det i cytoplasmaet til pyruvat.

Hvad der derefter sker, afhænger af, om pyruvat kommer ind i den aerobe respirationsvej (det sædvanlige resultat) eller lactatfermenteringsstien (bruges i anfald af højintensiv træning eller iltmangel), inden det i sidste ende giver mulighed for ATP-produktion og frigivelse af kulstof dioxid (CO

Krebs-cyklussen - også kaldet citronsyrecyklus eller tricarboxylsyre (TCA) -cyklus - er det første trin i den aerobe vej, og den fungerer kontinuerligt til at syntetisere nok af et stof kaldet oxaloacetat til at holde cyklussen i gang, selvom, som du vil se, er dette ikke rigtig cyklusens "mission". Krebs-cyklussen giver andre fordele som godt. Fordi det inkluderer nogle otte reaktioner (og tilsvarende ni enzymer), der involverer ni forskellige molekyler, er det nyttigt at udvikle værktøjer til at holde de vigtige punkter i cyklussen lige i din sind.

Glucose er et seks-kulstof (hexose) sukker, der i naturen normalt er i form af en ring. Som alle monosaccharider (sukkermonomerer) består det af kulstof, brint og ilt i et 1-2-1-forhold med en formel på C₆H₁₂O₆. Det er et af slutprodukterne af protein-, kulhydrat- og fedtsyremetabolisme og fungerer som brændstof i enhver type organisme fra encellede bakterier til mennesker og større dyr.

Glykolyse er anaerob i streng forstand "uden ilt." Det vil sige, reaktionerne fortsætter, om O₂ er til stede i celler eller ej. Vær omhyggelig med at skelne dette fra "ilt må ikke være til stede, "skønt dette er tilfældet med nogle bakterier, der faktisk dræbes af ilt og er kendt som obligatoriske anaerober.

I reaktionerne ved glykolyse phosphoryleres seks-kulstofglukosen oprindeligt - det vil sige, den har en fosfatgruppe, der er knyttet til den. Det resulterende molekyle er en phosphoryleret form af fruktose (frugtsukker). Dette molekyle phosphoryleres derefter en anden gang. Hver af disse phosphoryleringer kræver et ATP-molekyle, som begge omdannes til adenosindiphosphat eller ADP. Seks-kulstofmolekylet omdannes derefter til to tre-kulstofmolekyler, som hurtigt omdannes til pyruvat. Undervejs produceres 4 ATP under bearbejdningen af ​​begge molekyler ved hjælp af to NAD + -molekyler (nicotinamidadenindinucleotid), der omdannes til to NADH-molekyler. Således for hvert glukosemolekyle, der kommer ind i glykolyse, et netto af to ATP, to pyruvat og to NADH produceres, mens to NAD + forbruges.

Som tidligere nævnt afhænger skæbnen for pyruvat af de pågældende metabolismes metaboliske krav og miljøet. I prokaryoter giver glykolyse plus gæring næsten alle enkeltcellens energibehov, selvom nogle af disse organismer har udviklet sig elektrontransportkæder der gør det muligt for dem gøre brug af ilt til at frigøre ATP fra metabolitter (produkter) af glykolyse. I prokaryoter såvel som i alle eukaryoter undtagen gær, hvis der ikke er ilt tilgængeligt, eller hvis celleens energibehov ikke kan dækkes fuldt ud gennem aerob respiration omdannes pyruvat til mælkesyre via fermentering under indflydelse af enzymet lactatdehydrogenase, eller LDH.

Pyruvat bestemt til Krebs-cyklussen bevæger sig fra cytoplasma på tværs af membranen af ​​celleorganeller (funktionelle komponenter i cytoplasmaet) kaldet mitokondrier. En gang i den mitokondrie matrix, som er en slags cytoplasma for mitokondrierne selv, konverteres den under indflydelse af enzymet pyruvat dehydrogenase til en anden tre-carbonforbindelse kaldet acetylcoenzym A eller acetyl CoA. Mange enzymer kan plukkes ud fra en kemisk opstilling på grund af "-ase" -suffikset, de deler.

På dette tidspunkt skal du benytte dig af et diagram, der beskriver Krebs-cyklussen, da det er den eneste måde at følge meningsfuldt; se ressourcerne for et eksempel.

Årsagen til, at Krebs-cyklussen er navngivet som sådan, er at et af dets vigtigste produkter, oxaloacetat, også er en reaktant. Det vil sige, at når to-carbon-acetyl-CoA, der er skabt af pyruvat, kommer ind i cyklussen fra "opstrøms", reagerer det med oxaloacetat, et fire-carbon-molekyle og danner citrat, et seks-carbon-molekyle. Citrat, et symmetrisk molekyle, inkluderer tre carboxylgrupper, som har formen (-COOH) i deres protonerede form og (-COO-) i deres ikke-fotoniserede form. Det er denne trio af carboxylgrupper, der giver navnet "tricarboxylsyre" til denne cyklus. Syntesen drives af tilsætningen af ​​et vandmolekyle, hvilket gør dette til en kondensationsreaktion og tabet af coenzym A-delen af ​​acetyl CoA.

Citrat arrangeres derefter i et molekyle med de samme atomer i et andet arrangement, der passende kaldes isocitrat. Dette molekyle afgiver derefter en CO₂ at blive den fem-kulstofforbindelse α-ketoglutarat, og i næste trin sker det samme, hvor α-ketoglutarat mister en CO₂ mens man genvinder et coenzym A til at blive succinyl CoA. Dette fire-kulstofmolekyle bliver succinat med tabet af CoA og omarrangeres derefter i en procession af fire-carbon-deprotonerede syrer: fumarat, malat og endelig oxaloacetat.

De centrale molekyler i Krebs-cyklussen er derefter i rækkefølge

1. Acetyl CoA
   
2. Citrat
   
3. Isocitrat
   
4. α-ketoglutarat 
   
5. Succinyl CoA
   
6. Succinat
   
7. Fumerat
   
8. Malate
   
9. Oxaloacetat
   

Dette udelader navnene på enzymerne og et antal kritiske co-reaktanter, blandt dem NAD + / NADH, det lignende molekylepar FAD / FADH₂ (flavin adenin dinucleotide) og CO₂.

Bemærk, at mængden af ​​kulstof på det samme punkt i en hvilken som helst cyklus forbliver den samme. Oxaloacetat opfanger to kulstofatomer, når det kombineres med acetyl CoA, men disse to atomer går tabt i den første halvdel af Krebs-cyklussen som CO₂ i successive reaktioner, hvor NAD + også reduceres til NADH. (For at forenkle noget i kemi tilføjer reduktionsreaktioner protoner, mens oxidationsreaktioner fjerner dem.) Ser man på processen som helhed og undersøger kun disse to-, fire-, fem- og seks-kulstofreaktanter og produkter er det ikke umiddelbart klart, hvorfor celler ville engagere sig i noget som ligner en biokemisk ferris hjul, med forskellige kørere fra samme befolkning, der læsses på og af rattet, men intet ændrer sig i slutningen af ​​dagen undtagen mange omdrejninger af hjul.

Formålet med Krebs-cyklussen er mere indlysende, når man ser på, hvad der sker med brintioner i disse reaktioner. På tre forskellige punkter samler en NAD + en proton, og på et andet tidspunkt samler FAD to protoner. Tænk på protoner - på grund af deres virkning på positive og negative ladninger - som par af elektroner. På dette synspunkt er punktet i cyklussen akkumulering af højenergi-elektronpar fra små kulmolekyler.

Du bemærker muligvis, at to kritiske molekyler, der forventes at være til stede i aerob respiration, mangler i Krebs-cyklussen: Oxygen (O₂) og ATP, den form for energi, der anvendes direkte af celler og væv til at udføre arbejde såsom vækst, reparation og så videre. Igen skyldes dette, at Krebs-cyklussen er en tabel-sætter for elektrontransportkædereaktioner, der forekommer i nærheden, i den mitokondrielle membran snarere end i den mitokondrie-matrix. Elektronerne høstet af nukleotider (NAD + og FAD) i cyklussen anvendes "nedstrøms", når de accepteres af iltatomer i transportkæden. Krebs-cyklussen fjerner i virkeligheden værdifuldt materiale i et tilsyneladende umærkeligt cirkulært transportbånd og eksporterer dem til et nærliggende behandlingscenter, hvor det virkelige produktionsteam er på arbejde.

Bemærk også, at de tilsyneladende unødvendige reaktioner i Krebs-cyklussen (trods alt hvorfor tage otte skridt for at udføre, hvad der kan gøres i måske tre eller fire?) genererer molekyler, der, selvom mellemprodukter i Krebs-cyklussen, kan tjene som reaktanter i ikke-beslægtede reaktioner.

Som reference accepterer NAD en proton i trin 3, 4 og 8 og i de første to af disse CO₂ er skur; et molekyle guanosintriphosphat (GTP) produceres fra BNP i trin 5; og FAD accepterer to protoner i trin 6. I trin 1 forlader CoA "men" returnerer "i trin 4. Faktisk er kun trin 2, omlejringen af ​​citrat til isocitrat, "tavs" uden for carbonmolekylerne i reaktionen.

På grund af vigtigheden af ​​Krebs-cyklussen i biokemi og menneskelig fysiologi er studerende, professorer og andre kommet op med et antal mindesmærker eller måder at huske navne på for at hjælpe med at huske trinene og reaktanterne i Krebs cyklus. Hvis man kun ønsker at huske kulstofreaktanterne, mellemprodukterne og produkterne, er det muligt at arbejde fra de første bogstaver i successive forbindelser, som de ser ud (O, Ac, C, I, K, Sc, S, F, M; her bemærkes, at "coenzym A" er repræsenteret af et lille "c"). Du kan oprette en personlig personlig sætning ud fra disse bogstaver, hvor de første bogstaver i molekylerne fungerer som de første bogstaver i sætningens ord.

En mere sofistikeret måde at gøre dette på er at bruge en mnemonic, der lader dig holde styr på antallet af kulstof atomer i hvert trin, hvilket muligvis giver dig mulighed for bedre at internalisere, hvad der sker fra et biokemisk synspunkt overhovedet gange. For eksempel, hvis du lader et ord på seks bogstaver repræsentere oxaloacetatet med seks carbonatomer og tilsvarende for mindre ord og molekyler, kan du fremstille et skema, der både er nyttigt som hukommelsesenhed og information rig. En bidragyder til "Journal of Chemical Education" foreslog følgende idé:

1. Enkelt
   
2. Snurre
   
3. Tangle 
   
4. Mangle
   
5. Mange
   
6. Manke
   
7. Sane
   
8. Sang
   
9. Synge
   

Her ser du et ord på seks bogstaver dannet af et ord på to bogstaver (eller en gruppe) og et ord på fire bogstaver. Hvert af de næste tre trin inkluderer en enkelt bogstavsubstitution uden tab af bogstaver (eller "kulstof"). De næste to trin involverer hver især tab af et bogstav (eller igen "kulstof"). Resten af ​​ordningen bevarer ordkravet på fire bogstaver på samme måde, som de sidste trin i Krebs-cyklussen inkluderer forskellige, nært beslægtede firecarbonmolekyler.

Bortset fra disse specifikke enheder kan det være nyttigt at tegne dig en komplet celle eller del af en celle, der omgiver en mitokondrion, og skitse reaktionerne fra glykolyse så detaljeret som du vil i cytoplasmadelen og Krebs-cyklussen i mitokondrie matrix del. I denne skitse ville du vise, at pyruvat skylles ind i mitokondriens indre, men du kan også tegne en pil, der fører til gæring, som også forekommer i cytoplasmaet.