Der Krebs-Zyklus leicht gemacht

Der Krebs-Zyklus, benannt nach dem Nobelpreisträger 1953 und Physiologen Hans Krebs, ist eine Reihe von Stoffwechselreaktionen, die im Mitochondrien von eukaryotische Zellen. Einfacher ausgedrückt bedeutet dies, dass Bakterien nicht über die zelluläre Maschinerie für den Krebs-Zyklus verfügen, also auf Pflanzen, Tiere und Pilze beschränkt ist.

Glukose ist das Molekül, das letztendlich von Lebewesen metabolisiert wird, um Energie in Form von Adenosintriphosphat oder ATP. Glukose kann in zahlreichen Formen im Körper gespeichert werden; Glykogen ist wenig mehr als eine lange Kette von Glukosemolekülen, die in Muskel- und Leberzellen gespeichert werden. während Kohlenhydrate, Proteine ​​und Fette aus der Nahrung Bestandteile haben, die zu Glukose metabolisiert werden können Gut. Wenn ein Glukosemolekül in eine Zelle eindringt, wird es im Zytoplasma zu Pyruvat abgebaut.

Was als nächstes passiert, hängt davon ab, ob das Pyruvat in den aeroben Atmungsweg (das übliche Ergebnis) oder in den Laktat-Fermentationsweg gelangt (wird bei intensiven Trainingseinheiten oder Sauerstoffmangel verwendet), bevor es letztendlich die ATP-Produktion und die Freisetzung von Kohlenstoff ermöglicht Kohlendioxid (CO

Der Krebs-Zyklus – auch Citronensäure-Zyklus oder Tricarbonsäure-Zyklus (TCA) genannt – ist der erste Schritt im aeroben Stoffwechselweg, der kontinuierlich synthetisiert genug von einer Substanz namens Oxaloacetat, um den Zyklus am Laufen zu halten, obwohl dies, wie Sie sehen werden, nicht wirklich die "Mission" des Zyklus ist. Der Krebs-Zyklus bietet weitere Vorteile wie Gut. Da es etwa acht Reaktionen (und entsprechend neun Enzyme) umfasst, an denen neun verschiedene Moleküle ist es hilfreich, Werkzeuge zu entwickeln, um die wichtigen Punkte des Zyklus in Ihrem Verstand.

Glukose ist ein Zucker mit sechs Kohlenstoffatomen (Hexose), der in der Natur normalerweise in Form eines Rings vorliegt. Wie alle Monosaccharide (Zuckermonomere) besteht es aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff im Verhältnis 1-2-1 mit der Formel C₆H₁₂Ö₆. Es ist eines der Endprodukte des Eiweiß-, Kohlenhydrat- und Fettsäurestoffwechsels und dient als Brennstoff in jedem Organismus, von einzelligen Bakterien bis hin zu Menschen und größeren Tieren.

Glykolyse ist anaerob im engeren Sinne von „ohne Sauerstoff“. Das heißt, die Reaktionen laufen unabhängig davon ab, ob O₂ in Zellen vorhanden ist oder nicht. Achten Sie darauf, dies von "Sauerstoff" zu unterscheiden darf nicht sein vorhanden", obwohl dies bei einigen Bakterien der Fall ist, die tatsächlich durch Sauerstoff abgetötet werden und als obligate Anaerobier bekannt sind.

Bei den Reaktionen der Glykolyse wird die aus sechs Kohlenstoffatomen bestehende Glukose zunächst phosphoryliert – das heißt, es wird eine Phosphatgruppe angehängt. Das resultierende Molekül ist eine phosphorylierte Form von Fructose (Fruchtzucker). Dieses Molekül wird dann ein zweites Mal phosphoryliert. Jede dieser Phosphorylierungen erfordert ein Molekül ATP, die beide in Adenosindiphosphat oder ADP umgewandelt werden. Das Sechs-Kohlenstoff-Molekül wird dann in zwei Drei-Kohlenstoff-Moleküle umgewandelt, die schnell in Pyruvat umgewandelt werden. Bei der Verarbeitung beider Moleküle wird 4 ATP mit Hilfe von zwei Molekülen NAD+ (Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid) produziert, die in zwei Moleküle NADH umgewandelt werden. Somit wird für jedes Glukosemolekül, das in die Glykolyse eingeht, ein Netz aus zwei ATP, zwei Pyruvat und zwei NADH werden produziert, während zwei NAD+ verbraucht werden.

Wie bereits erwähnt, hängt das Schicksal von Pyruvat von den Stoffwechselanforderungen und der Umgebung des betreffenden Organismus ab. Bei Prokaryonten decken Glykolyse plus Fermentation fast den gesamten Energiebedarf einer einzelnen Zelle, obwohl sich einige dieser Organismen weiterentwickelt haben Elektronentransportketten die es ihnen erlauben nutzen Sauerstoff, um ATP aus Metaboliten (Produkten) der Glykolyse freizusetzen. Bei Prokaryoten sowie bei allen Eukaryoten außer Hefe, wenn kein Sauerstoff zur Verfügung steht oder der Energiebedarf der Zelle nicht vollständig gedeckt werden kann durch aerobe Atmung wird Pyruvat durch Fermentation unter Einfluss des Enzyms Lactatdehydrogenase in Milchsäure umgewandelt, oder LDH.

Pyruvat, das für den Krebs-Zyklus bestimmt ist, bewegt sich aus dem Zytoplasma über die Membran von Zellorganellen (funktionelle Komponenten im Zytoplasma) genannt Mitochondrien. In der mitochondrialen Matrix, die eine Art Zytoplasma für die Mitochondrien selbst ist, wird es umgewandelt unter dem Einfluss des Enzyms Pyruvat-Dehydrogenase zu einer anderen Drei-Kohlenstoff-Verbindung namens Acetyl-Coenzym A oder Acetyl-CoA. Viele Enzyme können aufgrund des gemeinsamen "-ase"-Suffix aus einer chemischen Aufstellung herausgegriffen werden.

An dieser Stelle sollten Sie sich ein Diagramm zum Krebs-Zyklus zunutze machen, denn nur so können Sie sinnvoll mitverfolgen; Ein Beispiel finden Sie in den Ressourcen.

Der Krebs-Zyklus wird so genannt, weil eines seiner Hauptprodukte, Oxalacetat, auch ein Reaktant ist. Das heißt, wenn das aus Pyruvat erzeugte Zwei-Kohlenstoff-Acetyl-CoA "stromaufwärts" in den Zyklus eintritt, reagiert es mit Oxalacetat, einem Vier-Kohlenstoff-Molekül, und bildet Citrat, ein Sechs-Kohlenstoff-Molekül. Citrat, ein symmetrisches Molekül, enthält drei Carboxylgruppen, die die Form (-COOH) in ihrer protonierten Form und (-COO-) in ihrer unprotonierten Form aufweisen. Es ist dieses Trio von Carboxylgruppen, das diesem Zyklus den Namen "Tricarbonsäure" verleiht. Die Synthese wird durch die Zugabe eines Wassermoleküls angetrieben, wodurch dies zu einer Kondensationsreaktion und dem Verlust des Coenzym-A-Anteils von Acetyl-CoA wird.

Citrat wird dann zu einem Molekül mit den gleichen Atomen in einer anderen Anordnung umgelagert, das passenderweise Isocitrat genannt wird. Dieses Molekül gibt dann ein CO. ab₂ zu der Fünf-Kohlenstoff-Verbindung α-Ketoglutarat, und im nächsten Schritt passiert dasselbe, wobei α-Ketoglutarat ein CO. verliert₂ während ein Coenzym A wiedergewonnen wird, um Succinyl-CoA zu werden. Dieses Vier-Kohlenstoff-Molekül wird unter dem Verlust von CoA zu Succinat und wird anschließend in eine Reihe von deprotonierten Vier-Kohlenstoff-Säuren umgelagert: Fumarat, Malat und schließlich Oxalacetat.

Die zentralen Moleküle des Krebs-Zyklus sind also der Reihe nach

1. Acetyl-CoA
   
2. Zitrat
   
3. Isocitrat
   
4. α-Ketoglutarat 
   
5. Succinyl-CoA
   
6. Succinat
   
7. Fumarat
   
8. Malat
   
9. Oxalacetat
   

Dabei fehlen die Namen der Enzyme und eine Reihe kritischer Reaktionspartner, darunter NAD+/NADH, das ähnliche Molekülpaar FAD/FADH₂ (Flavinadenindinukleotid) und CO₂.

Beachten Sie, dass die Kohlenstoffmenge zum gleichen Zeitpunkt in jedem Zyklus gleich bleibt. Oxalacetat nimmt zwei Kohlenstoffatome auf, wenn es sich mit Acetyl-CoA verbindet, aber diese beiden Atome gehen in der ersten Hälfte des Krebs-Zyklus als CO. verloren₂ in Folgereaktionen, bei denen auch NAD+ zu NADH reduziert wird. (In der Chemie fügen Reduktionsreaktionen zur Vereinfachung Protonen hinzu, während Oxidationsreaktionen sie entfernen.) Betrachten Sie den Prozess als Ganzes und untersuchen Sie nur dieser zwei-, vier-, fünf- und sechs-kohlenstoffhaltigen Reaktanten und Produkte ist nicht sofort klar, warum sich Zellen an so etwas wie einem biochemischen Ferris beteiligen würden Rad, wobei verschiedene Fahrer aus der gleichen Population auf und vom Rad geladen werden, aber am Ende des Tages ändert sich nichts außer vielen Drehungen des of Rad.

Der Zweck des Krebs-Zyklus wird offensichtlicher, wenn Sie sich ansehen, was mit Wasserstoffionen bei diesen Reaktionen passiert. An drei verschiedenen Punkten sammelt ein NAD+ ein Proton und an einem anderen Punkt sammelt FAD zwei Protonen. Stellen Sie sich Protonen – wegen ihrer Wirkung auf positive und negative Ladungen – als Elektronenpaare vor. Aus dieser Sicht ist der Punkt des Zyklus die Ansammlung von hochenergetischen Elektronenpaaren aus kleinen Kohlenstoffmolekülen.

Möglicherweise stellen Sie fest, dass zwei kritische Moleküle, von denen erwartet wird, dass sie bei der aeroben Atmung vorhanden sind, im Krebs-Zyklus fehlen: Sauerstoff (O₂) und ATP, die Energieform, die direkt von Zellen und Geweben verwendet wird, um Aufgaben wie Wachstum, Reparatur usw. auszuführen. Dies liegt wiederum daran, dass der Krebs-Zyklus ein Tischsetzer für die Elektronentransportkettenreaktionen ist, die in der Nähe, in der Mitochondrienmembran statt in der Mitochondrienmatrix, auftreten. Die im Zyklus von Nukleotiden (NAD+ und FAD) geernteten Elektronen werden "stromabwärts" verwendet, wenn sie von Sauerstoffatomen in der Transportkette aufgenommen werden. Der Krebs-Zyklus entfernt nämlich wertvolles Material in einem scheinbar unauffälligen kreisförmigen Förderband und exportiert es in ein nahegelegenes Bearbeitungszentrum, wo das echte Produktionsteam am Werk ist.

Beachten Sie auch, dass die scheinbar unnötigen Reaktionen im Krebs-Zyklus (warum schließlich acht Schritte unternehmen, um das zu erreichen, was getan werden könnte) in vielleicht drei oder vier?) erzeugen Moleküle, die, obwohl Zwischenprodukte im Krebs-Zyklus, als Reaktanten in nicht verwandten Reaktionen.

Als Referenz akzeptiert NAD ein Proton in den Schritten 3, 4 und 8 und in den ersten beiden dieser CO₂ ist vergossen; ein Molekül Guanosintriphosphat (GTP) wird in Schritt 5 aus GDP hergestellt; und FAD akzeptiert in Schritt 6 zwei Protonen. In Schritt 1 "verlässt" das CoA, "kehrt" jedoch in Schritt 4 zurück. Tatsächlich ist nur Schritt 2, die Umlagerung von Citrat in Isocitrat, außerhalb der Kohlenstoffmoleküle in der Reaktion "still".

Aufgrund der Bedeutung des Krebs-Zyklus in der Biochemie und Humanphysiologie sind Studenten, Professoren und andere gekommen mit einer Reihe von Mnemoniken oder Möglichkeiten, sich Namen zu merken, um sich an die Schritte und Reaktanten im Krebs. zu erinnern Zyklus. Wenn man sich nur die Kohlenstoffreaktanten, Zwischenprodukte und Produkte merken möchte, kann man mit den Anfangsbuchstaben der aufeinanderfolgenden Verbindungen arbeiten, wie sie erscheinen (O, Ac, C, I, K, Sc, S, F, M; Beachten Sie hier, dass "Coenzym A" durch ein kleines "c" dargestellt wird. Aus diesen Buchstaben können Sie einen prägnanten personalisierten Satz erstellen, wobei die Anfangsbuchstaben der Moleküle als Anfangsbuchstaben in den Wörtern des Satzes dienen.

Eine ausgeklügeltere Methode ist die Verwendung einer Gedächtnisstütze, mit der Sie die Anzahl der Kohlenstoffe im Auge behalten können Atome bei jedem Schritt, wodurch Sie möglicherweise besser verinnerlichen können, was aus biochemischer Sicht überhaupt passiert mal. Wenn Sie beispielsweise ein Wort mit sechs Buchstaben für das Sechs-Kohlenstoff-Oxalacetat stehen lassen, und entsprechend für kleineren Wörtern und Molekülen können Sie ein Schema erstellen, das sowohl als Speichergerät als auch als Information nützlich ist Reich. Ein Mitwirkender des "Journal of Chemical Education" schlug vor, die folgende Idee:

1. Single
   
2. Kribbeln
   
3. Gewirr 
   
4. Mangel
   
5. Räude
   
6. Mähne
   
7. Sané
   
8. Sang
   
9. Singen
   

Hier sehen Sie ein sechsbuchstabiges Wort, das aus einem zweibuchstabigen Wort (oder einer Gruppe) und einem vierbuchstabigen Wort besteht. Jeder der nächsten drei Schritte beinhaltet eine einzelne Buchstabenersetzung ohne Buchstabenverlust (oder "Kohlenstoff"). Die nächsten beiden Schritte beinhalten jeweils den Verlust eines Buchstabens (oder wieder "Kohlenstoff"). Der Rest des Schemas behält das Vier-Buchstaben-Worterfordernis auf die gleiche Weise bei, wie die letzten Schritte des Krebs-Zyklus verschiedene, eng verwandte Moleküle mit vier Kohlenstoffatomen beinhalten.

Abgesehen von diesen speziellen Geräten kann es hilfreich sein, sich selbst eine komplette Zelle oder einen Teil einer Zelle zu zeichnen, die ein Mitochondrium und skizzieren Sie die Reaktionen der Glykolyse im Zytoplasma-Teil und den Krebs-Zyklus so detailliert wie Sie möchten Teil der mitochondrialen Matrix. Sie würden in dieser Skizze zeigen, wie Pyruvat in das Innere der Mitochondrien transportiert wird, Sie könnten aber auch einen Pfeil zeichnen, der zur Fermentation führt, die auch im Zytoplasma stattfindet.