Ο κύκλος Krebs έγινε εύκολος

Ο κύκλος Krebs, που πήρε το όνομά του από το βραβείο Νόμπελ του 1953 και ο φυσιολόγος Hans Krebs, είναι μια σειρά μεταβολικών αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα στο μιτοχόνδρια του ευκαρυωτικά κύτταρα. Με απλά λόγια, αυτό σημαίνει ότι τα βακτήρια δεν διαθέτουν τα κυτταρικά μηχανήματα για τον κύκλο Krebs, επομένως περιορίζονται σε φυτά, ζώα και μύκητες.

Η γλυκόζη είναι το μόριο που μεταβολίζεται τελικά από τα έμβια όντα για να αντλήσει ενέργεια, με τη μορφή τριφωσφορική αδενοσίνη ή ATP. Η γλυκόζη μπορεί να αποθηκευτεί στο σώμα σε πολλές μορφές. το γλυκογόνο είναι κάτι περισσότερο από μια μακρά αλυσίδα μορίων γλυκόζης που αποθηκεύεται σε μυϊκά και ηπατικά κύτταρα, ενώ οι διαιτητικοί υδατάνθρακες, οι πρωτεΐνες και τα λίπη έχουν συστατικά που μπορούν να μεταβολιστούν σε γλυκόζη ως Καλά. Όταν ένα μόριο γλυκόζης εισέρχεται σε ένα κύτταρο, διασπάται στο κυτόπλασμα σε πυροσταφυλικό.

Αυτό που συμβαίνει στη συνέχεια εξαρτάται από το αν το πυροσταφυλικό εισέρχεται στην πορεία αερόβιας αναπνοής (το συνηθισμένο αποτέλεσμα) ή από τη διαδρομή ζύμωσης γαλακτικού (χρησιμοποιείται σε περιόδους άσκησης υψηλής έντασης ή στέρησης οξυγόνου) προτού τελικά επιτρέψει την παραγωγή ATP και την απελευθέρωση άνθρακα διοξείδιο (CO

Ο κύκλος Krebs - που ονομάζεται επίσης κύκλος κιτρικού οξέος ή κύκλος τρικαρβοξυλικού οξέος (TCA) - είναι το πρώτο βήμα στην αερόβια πορεία και λειτουργεί για τη συνεχή σύνθεση αρκετά από μια ουσία που ονομάζεται οξαλοξική για να διατηρήσει τον κύκλο σε εξέλιξη, αν και, όπως θα δείτε, αυτό δεν είναι στην πραγματικότητα η «αποστολή» του κύκλου. Ο κύκλος Krebs παρέχει άλλα οφέλη ως Καλά. Επειδή περιλαμβάνει περίπου οκτώ αντιδράσεις (και, αντίστοιχα, εννέα ένζυμα) που περιλαμβάνουν εννέα διακριτές μόρια, είναι χρήσιμο να αναπτύξετε εργαλεία για να διατηρήσετε τα σημαντικά σημεία του κύκλου ευθεία στο δικό σας μυαλό.

Η γλυκόζη είναι ένα σάκχαρο έξι-άνθρακα (εξόζη) που στη φύση είναι συνήθως με τη μορφή δακτυλίου. Όπως όλοι οι μονοσακχαρίτες (μονομερή σακχάρου), αποτελείται από άνθρακα, υδρογόνο και οξυγόνο σε αναλογία 1-2-1, με τύπο C₆Η₁₂Ο₆. Είναι ένα από τα τελικά προϊόντα του μεταβολισμού πρωτεϊνών, υδατανθράκων και λιπαρών οξέων και χρησιμεύει ως καύσιμο σε κάθε τύπο οργανισμού, από μονοκύτταρα βακτηρίδια έως ανθρώπους και μεγαλύτερα ζώα.

Γλυκόλυση είναι αναερόβια υπό την αυστηρή έννοια του «χωρίς οξυγόνο». Δηλαδή, οι αντιδράσεις συνεχίζονται είτε O₂ υπάρχει σε κύτταρα ή όχι. Προσέξτε να το ξεχωρίσετε από το "οξυγόνο δεν πρέπει να είναι παρόν, "αν και αυτό συμβαίνει με ορισμένα βακτήρια που πραγματικά σκοτώνονται από οξυγόνο και είναι γνωστά ως υποχρεωτικά αναερόβια.

Στις αντιδράσεις της γλυκόλυσης, η γλυκόζη έξι-άνθρακα αρχικά φωσφορυλιώνεται - δηλαδή, έχει προσαρτημένη σε αυτήν μια φωσφορική ομάδα. Το προκύπτον μόριο είναι μια φωσφορυλιωμένη μορφή φρουκτόζης (σάκχαρο φρούτων). Αυτό το μόριο στη συνέχεια φωσφορυλιώνεται για δεύτερη φορά. Κάθε μία από αυτές τις φωσφορυλιώσεις απαιτεί ένα μόριο ΑΤΡ, και τα δύο μετατρέπονται σε διφωσφορική αδενοσίνη ή ADP. Το μόριο έξι-άνθρακα στη συνέχεια μετατρέπεται σε δύο μόρια τριών-άνθρακα, τα οποία μετατρέπονται γρήγορα σε πυροσταφυλικό. Στην πορεία, κατά την επεξεργασία και των δύο μορίων, παράγονται 4 ΑΤΡ με τη βοήθεια δύο μορίων NAD + (δινουκλεοτίδιο νικοτιναμιδίου αδενίνης) που μετατρέπονται σε δύο μόρια NADH. Έτσι, για κάθε μόριο γλυκόζης που εισέρχεται στη γλυκόλυση, ένα δίχτυ δύο ATP, δύο πυροσταφυλικό και παράγονται δύο NADH, ενώ δύο NAD + καταναλώνονται.

Όπως προαναφέρθηκε, η τύχη του πυροσταφυλικού εξαρτάται από τις μεταβολικές απαιτήσεις και το περιβάλλον του εν λόγω οργανισμού. Στα προκαρυωτικά, η γλυκόλυση και η ζύμωση παρέχουν σχεδόν όλες τις ενεργειακές ανάγκες ενός κυττάρου, αν και ορισμένοι από αυτούς τους οργανισμούς έχουν εξελιχθεί αλυσίδες μεταφοράς ηλεκτρονίων που τους επιτρέπουν χρησιμοποιήστε οξυγόνο για να ελευθερώσετε το ΑΤΡ από μεταβολίτες (προϊόντα) γλυκόλυσης. Σε προκαρυώτες, καθώς και σε όλους τους ευκαρυώτες, αλλά μαγιά, εάν δεν υπάρχει διαθέσιμο οξυγόνο ή εάν οι ενεργειακές ανάγκες του κυττάρου δεν μπορούν να καλυφθούν πλήρως μέσω αερόβιας αναπνοής, το πυροσταφυλικό μετατρέπεται σε γαλακτικό οξύ μέσω ζύμωσης υπό την επίδραση του ενζύμου γαλακτική αφυδρογονάση, ή LDH.

Το πυροσταφυλικό που προορίζεται για τον κύκλο Krebs μετακινείται από το κυτόπλασμα σε όλη τη μεμβράνη των κυτταρικών οργανίων (λειτουργικά συστατικά στο κυτταρόπλασμα) που ονομάζεται μιτοχόνδρια. Μόλις βρεθεί στη μιτοχονδριακή μήτρα, η οποία είναι ένα είδος κυτταροπλάσματος για τα ίδια τα μιτοχόνδρια, μετατρέπεται υπό την επίδραση του ενζύμου πυροσταφυλική αφυδρογονάση σε μια διαφορετική ένωση τριών άνθρακα που ονομάζεται ακετυλο συνένζυμο Α ή ακετυλο CoA. Πολλά ένζυμα μπορούν να επιλεγούν από μια χημική σύνθεση λόγω του επιθέματος "-άσης" που μοιράζονται.

Σε αυτό το σημείο θα πρέπει να χρησιμοποιήσετε ένα διάγραμμα που περιγράφει λεπτομερώς τον κύκλο Krebs, καθώς είναι ο μόνος τρόπος για να ακολουθήσετε νόημα. δείτε τους πόρους για παράδειγμα.

Ο λόγος για τον οποίο ο κύκλος Krebs ονομάζεται ως τέτοιος είναι ότι ένα από τα κύρια προϊόντα του, το οξαλοξικό, είναι επίσης ένα αντιδραστήριο. Δηλαδή, όταν το ακετυλο CoA δύο-άνθρακα που δημιουργείται από το πυροσταφυλικό εισέρχεται στον κύκλο από το «ανάντη», αντιδρά με οξαλοξικό, ένα μόριο τεσσάρων ανθρακικών και σχηματίζει κιτρικό, ένα μόριο έξι-άνθρακα. Το κιτρικό, ένα συμμετρικό μόριο, περιλαμβάνει τρία καρβοξυλ ομάδες, που έχουν τη μορφή (-COOH) στην πρωτονιωμένη τους μορφή και (-COO-) στη μη προστατευμένη τους μορφή. Είναι αυτό το τρίο των καρβοξυλομάδων που δίνει το όνομα "τρικαρβοξυλικό οξύ" σε αυτόν τον κύκλο. Η σύνθεση καθοδηγείται από την προσθήκη ενός μορίου νερού, καθιστώντας το ως αντίδραση συμπύκνωσης και την απώλεια του τμήματος συνενζύμου Α του ακετυλο CoA.

Το κιτρικό αναδιατάσσεται έπειτα σε ένα μόριο με τα ίδια άτομα σε μια διαφορετική διάταξη, το οποίο ονομάζεται κατάλληλα ισοκιτρικό. Αυτό το μόριο στη συνέχεια εκπέμπει CO₂ για να γίνει η ένωση α-κετογλουταρικού 5-άνθρακα, και στο επόμενο βήμα συμβαίνει το ίδιο πράγμα, με το α-κετογλουταρικό να χάνει CO₂ ενώ ανακτά ένα συνένζυμο Α για να γίνει σουκινυλ CoA. Αυτό το μόριο τεσσάρων άνθρακα γίνεται ηλεκτρικό με την απώλεια CoA, και στη συνέχεια αναδιατάσσεται σε μια πομπή τεπρωτονιωμένων οξέων με τέσσερα άνθρακα: φουμαρικό, μηλικό και τελικά οξαλοξικό.

Τα κεντρικά μόρια του κύκλου Krebs, τότε, με τη σειρά, είναι

1. Ακετυλο CoA
   
2. Κιτρικό άλας
   
3. Ισοκιτρικό άλας
   
4. α-κετογλουταρικός εστέρας 
   
5. Succinyl CoA
   
6. Επιτυχής
   
7. Φουμαρικό
   
8. Μαλάτε
   
9. Οξαλοξικό
   

Αυτό παραλείπει τα ονόματα των ενζύμων και έναν αριθμό κρίσιμων αντιδραστηρίων, μεταξύ των οποίων NAD + / NADH, το παρόμοιο ζεύγος μορίων FAD / FADH₂ (δινουκλεοτίδιο φλαβίνης αδενίνης) και CO₂.

Σημειώστε ότι η ποσότητα του άνθρακα στο ίδιο σημείο σε οποιονδήποτε κύκλο παραμένει η ίδια. Το οξαλοξικό άλας συλλέγει δύο άτομα άνθρακα όταν συνδυάζεται με ακετύλιο CoA, αλλά αυτά τα δύο άτομα χάνονται στο πρώτο μισό του κύκλου Krebs ως CO₂ σε διαδοχικές αντιδράσεις στις οποίες το NAD + μειώνεται επίσης σε NADH. (Στη χημεία, για να απλοποιηθεί κάπως, οι αντιδράσεις μείωσης προσθέτουν πρωτόνια ενώ οι αντιδράσεις οξείδωσης τα αφαιρούν.) Κοιτάζοντας τη διαδικασία στο σύνολό της και εξετάζοντας μόνο αυτά τα αντιδραστήρια και προϊόντα δύο, τεσσάρων, πέντε και έξι άνθρακα, δεν είναι ξεκάθαρο γιατί τα κύτταρα θα εμπλακούν σε κάτι σαν να μοιάζει με βιοχημικό Ferris τροχό, με διαφορετικούς αναβάτες από τον ίδιο πληθυσμό να φορτώνονται πάνω και έξω από το τιμόνι, αλλά τίποτα δεν αλλάζει στο τέλος της ημέρας, εκτός από πολλές στροφές του ρόδα.

Ο σκοπός του κύκλου Krebs είναι πιο προφανής όταν εξετάζετε τι συμβαίνει στα ιόντα υδρογόνου σε αυτές τις αντιδράσεις. Σε τρία διαφορετικά σημεία, ένα NAD + συλλέγει ένα πρωτόνιο και σε διαφορετικό σημείο το FAD συλλέγει δύο πρωτόνια. Σκεφτείτε πρωτόνια - λόγω της επίδρασής τους σε θετικά και αρνητικά φορτία - ως ζεύγη ηλεκτρονίων. Σε αυτήν την άποψη, το σημείο του κύκλου είναι η συσσώρευση ζευγών ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας από μικρά μόρια άνθρακα.

Μπορεί να παρατηρήσετε ότι δύο κρίσιμα μόρια που αναμένεται να υπάρχουν στην αερόβια αναπνοή λείπουν από τον κύκλο Krebs: Οξυγόνο (O₂) και ATP, η μορφή ενέργειας που χρησιμοποιείται άμεσα από τα κύτταρα και τους ιστούς για την εκτέλεση εργασιών όπως ανάπτυξη, επισκευή και ούτω καθεξής. Και πάλι, αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι ο κύκλος Krebs είναι ένας ρυθμιστής πίνακα για τις αλυσιδωτές αντιδράσεις μεταφοράς ηλεκτρονίων που συμβαίνουν κοντά, στη μιτοχονδριακή μεμβράνη και όχι στη μιτοχονδριακή μήτρα. Τα ηλεκτρόνια που συλλέγονται από νουκλεοτίδια (NAD + και FAD) στον κύκλο χρησιμοποιούνται «κατάντη» όταν γίνονται αποδεκτά από άτομα οξυγόνου στην αλυσίδα μεταφοράς. Ο κύκλος Krebs ουσιαστικά αφαιρεί πολύτιμο υλικό σε έναν φαινομενικά ασήμαντο κυκλικό μεταφορικό ιμάντα και τα εξάγει σε ένα κοντινό κέντρο επεξεργασίας όπου εργάζεται η πραγματική ομάδα παραγωγής.

Σημειώστε επίσης ότι οι φαινομενικά περιττές αντιδράσεις στον κύκλο Krebs (τελικά, γιατί να κάνετε οκτώ βήματα για να επιτύχετε αυτό που μπορεί να γίνει σε ίσως τρία ή τέσσερα;) παράγουν μόρια που, αν και ενδιάμεσα στον κύκλο Krebs, μπορούν να χρησιμεύσουν ως αντιδρώντα σε άσχετα αντιδράσεις.

Για αναφορά, το NAD δέχεται ένα πρωτόνιο στα Βήματα 3, 4 και 8, και στα δύο πρώτα από αυτά τα CO₂ χύνεται? ένα μόριο τριφωσφορικής γουανοσίνης (GTP) παράγεται από το ΑΕΠ στο Βήμα 5. και η FAD δέχεται δύο πρωτόνια στο Βήμα 6. Στο βήμα 1, το CoA "φεύγει", αλλά "επιστρέφει" στο βήμα 4. Στην πραγματικότητα, μόνο το Στάδιο 2, η αναδιάταξη του κιτρικού σε ισοκυκλικό άλας, είναι «σιωπηλό» έξω από τα μόρια του άνθρακα στην αντίδραση.

Λόγω της σημασίας του κύκλου Krebs στη βιοχημεία και την ανθρώπινη φυσιολογία, έχουν έρθει φοιτητές, καθηγητές και άλλοι με έναν αριθμό μνημονικών ή τρόπους για να θυμάστε τα ονόματα, για να θυμηθείτε τα βήματα και τα αντιδρώντα στο Krebs κύκλος. Εάν κάποιος επιθυμεί μόνο να θυμάται τα αντιδραστήρια άνθρακα, τα ενδιάμεσα και τα προϊόντα, είναι δυνατό να δουλέψουμε από τα πρώτα γράμματα διαδοχικών ενώσεων όπως εμφανίζονται (O, Ac, C, I, K, Sc, S, F, M; Εδώ, παρατηρήστε ότι το "συνένζυμο Α" αντιπροσωπεύεται από ένα μικρό "c"). Μπορείτε να δημιουργήσετε μια λιτή εξατομικευμένη φράση από αυτά τα γράμματα, με τα πρώτα γράμματα των μορίων να χρησιμεύουν ως τα πρώτα γράμματα στις λέξεις της φράσης.

Ένας πιο εξελιγμένος τρόπος για να το κάνετε αυτό είναι να χρησιμοποιήσετε ένα μνημονικό που σας επιτρέπει να παρακολουθείτε τον αριθμό του άνθρακα άτομα σε κάθε βήμα, το οποίο μπορεί να σας επιτρέψει να εσωτερικοποιήσετε καλύτερα ό, τι συμβαίνει από βιοχημική σκοπιά φορές. Για παράδειγμα, εάν αφήσετε μια λέξη με έξι γράμματα να αντιπροσωπεύει το οξαλοξικό άλας έξι άνθρακα, και αντίστοιχα για μικρότερες λέξεις και μόρια, μπορείτε να δημιουργήσετε ένα σχήμα που είναι τόσο χρήσιμο ως συσκευή μνήμης και πληροφορίες πλούσιος. Ένας συνεισφέρων στο "Journal of Chemical Education" πρότεινε το ακόλουθη ιδέα:

1. Μονόκλινο
   
2. Καίω
   
3. Μπλέξιμο 
   
4. Μάγγανο
   
5. Ψώρα ζώων
   
6. Χαίτη
   
7. Υγιής
   
8. Αδω
   
9. Τραγουδώ
   

Εδώ, βλέπετε μια λέξη έξι γραμμάτων που σχηματίζεται από μια λέξη δύο γραμμάτων (ή ομάδα) και μια λέξη με τέσσερα γράμματα. Κάθε ένα από τα επόμενα τρία βήματα περιλαμβάνει μια αντικατάσταση ενός γράμματος χωρίς απώλεια γραμμάτων (ή "άνθρακα"). Τα επόμενα δύο βήματα το καθένα περιλαμβάνει την απώλεια ενός γράμματος (ή, πάλι, "άνθρακα"). Το υπόλοιπο σχήμα διατηρεί την απαίτηση λέξεων τεσσάρων γραμμάτων με τον ίδιο τρόπο που τα τελευταία βήματα του κύκλου Krebs περιλαμβάνουν διαφορετικά, στενά συγγενή μόρια τεσσάρων άνθρακα.

Εκτός από αυτές τις συγκεκριμένες συσκευές, μπορεί να σας φανεί ωφέλιμο να σχεδιάσετε ένα πλήρες κελί ή τμήμα ενός κελιού που περιβάλλει ένα μιτοχόνδριο και σκιαγράψτε τις αντιδράσεις της γλυκόλυσης με όσο περισσότερες λεπτομέρειες θέλετε στο τμήμα του κυτταροπλάσματος και στον κύκλο Krebs στο μέρος μιτοχονδριακών πινάκων. Σε αυτό το σκίτσο, θα δείγατε το πυροσταφυλικό να κλείνει στο εσωτερικό των μιτοχονδρίων, αλλά θα μπορούσατε επίσης να σχεδιάσετε ένα βέλος που οδηγεί σε ζύμωση, το οποίο εμφανίζεται επίσης στο κυτόπλασμα.