Krebsi tsükkel muutus lihtsaks

Krebsi tsükkel, mis sai nime 1953. aasta Nobeli preemia laureaadi ja füsioloog Hans Krebsi järgi, on rida metaboolseid reaktsioone, mis mitokondrid kohta eukarüootsed rakud. Lihtsamalt öeldes tähendab see, et bakteritel puudub Krebsi tsükli jaoks rakumehhanism, mistõttu see piirdub taimede, loomade ja seentega.

Glükoos on molekul, mis elusolendite kaudu metaboliseerub energia saamiseks energia kujul adenosiinitrifosfaat ehk ATP. Glükoosi saab organismis säilitada arvukal kujul; glükogeen on veidi rohkem kui glükoosi molekulide pikk ahel, mis on salvestatud lihas- ja maksarakkudes, toidus sisalduvad süsivesikud, valgud ja rasvad sisaldavad komponente, mida saab metaboliseerida glükoosiks hästi. Kui glükoosi molekul siseneb rakku, laguneb see tsütoplasmas püruvaadiks.

Edasine sõltub sellest, kas püruvaat siseneb aeroobse hingamise teele (tavaline tulemus) või laktaadi fermentatsiooniteele (kasutatakse intensiivse treeningu või hapnikuvaeguse korral), enne kui see võimaldab ATP tootmist ja süsiniku eraldumist dioksiid (CO₂) ja vesi (H₂O) kõrvalproduktidena.

Krebsi tsükkel - seda nimetatakse ka sidrunhappetsükliks või trikarboksüülhappe (TCA) tsükliks - on aeroobse raja esimene etapp ja see toimib pidevalt sünteesimiseks piisavalt ainet, mida nimetatakse oksaloatsetaadiks, et tsükkel püsiks, kuigi, nagu näete, pole see tegelikult tsükli "missioon". Krebsi tsükkel pakub muid eeliseid hästi. Sest see sisaldab umbes kaheksat reaktsiooni (ja vastavalt üheksa ensüümi), mis hõlmavad üheksat erinevat molekulide jaoks on kasulik välja töötada tööriistad tsükli oluliste punktide meeles.

Glükoos on kuue süsinikuga (heksoos) suhkur, mis looduses on tavaliselt rõnga kujul. Nagu kõik monosahhariidid (suhkrumonomeerid), koosneb see süsinikust, vesinikust ja hapnikust vahekorras 1-2-1 valemiga C₆H₁₂O₆. See on üks valkude, süsivesikute ja rasvhapete ainevahetuse lõppsaadusi ning on kütusena igas organismi tüübis, alates üherakulistest bakteritest kuni inimeste ja suuremate loomadeni.

Glükolüüs on anaeroobne ranges tähenduses "hapnikuta". See tähendab, et reaktsioonid jätkuvad, kas O₂ on rakkudes või mitte. Olge ettevaatlik selle eristamiseks hapnikust ei tohi olla praegu, "kuigi see on nii mõnede bakterite puhul, mis hapniku poolt tegelikult hävitatakse ja mida nimetatakse kohustuslikeks anaeroobideks.

Glükolüüsi reaktsioonides fosforüülitakse esialgu kuue süsinikuga glükoos - see tähendab, et sellele on lisatud fosfaatrühm. Saadud molekul on fruktoosi (puuviljasuhkur) fosforüülitud vorm. Seejärel fosforüülitakse see molekul teist korda. Kõigi nende fosforüülimiste jaoks on vaja ATP molekuli, mis mõlemad muundatakse adenosiindifosfaadiks või ADP-ks. Seejärel muudetakse kuue süsinikuga molekul kaheks kolme süsinikuga molekuliks, mis muudetakse kiiresti püruvaadiks. Muide, mõlema molekuli töötlemisel toodetakse 4 ATP kahe NAD + (nikotiinamiidadeniini dinukleotiidi) molekuli abil, mis muundatakse kaheks NADH molekuliks. Seega iga glükoosimolekuli siseneva glükoosimolekuli jaoks on kahe ATP, kahe püruvaadi ja toodetakse kaks NADH-d, samas kui tarbitakse kahte NAD +.

Nagu varem märgitud, sõltub püruvaadi saatus metaboolsetest vajadustest ja kõnealuse organismi keskkonnast. Prokarüootides tagab glükolüüs koos kääritamisega peaaegu kogu üksiku raku energiavajaduse, kuigi mõned neist organismidest on arenenud elektronide transportimise ahelad mis võimaldavad neil seda teha kasutada hapnikku ATP vabastamiseks glükolüüsi metaboliitidest (saadustest). Nii prokarüootides kui ka kõigis eukarüootides, välja arvatud pärmis, kui hapnikku pole saadaval või kui raku energiavajadust ei saa täielikult rahuldada aeroobse hingamise teel muundatakse püruvaat ensüümi laktaatdehüdrogenaasi toimel fermenteerimisel piimhappeks või LDH.

Krebsi tsükli jaoks mõeldud püruvaat liigub tsütoplasma üle rakuorganellide membraani (funktsionaalsed komponendid tsütoplasmas) nn mitokondrid. Kui see on mitokondrite maatriksis, mis on mitokondrite enda jaoks omamoodi tsütoplasma, muundatakse see ensüümi püruvaadi dehüdrogenaasi toimel teiseks kolme süsinikuga ühendiks, mida nimetatakse atsetüülkoensüümiks A või atsetüül CoA. Paljusid ensüüme saab keemilisest koosseisust välja valida nende ühise järelliite "-ase" tõttu.

Siinkohal peaksite kasutama Krebsi tsüklit üksikasjalikult kirjeldavat skeemi, sest see on ainus viis mõttekalt kaasa minna; vaadake näiteid ressurssidest.

Krebsi tsükli sellisena nimetamise põhjuseks on see, et selle üks põhitooteid, oksaloatsetaat, on samuti reagent. See tähendab, et kui püruvaadist loodud kahe süsinikuga atsetüül-CoA siseneb tsüklisse "ülesvoolust", reageerib see oksoatsetaadiga, nelja süsiniku molekuliga, ja moodustab tsitraadi, kuue süsinikuga molekuli. Sümmeetriline molekul Tsitraat sisaldab kolme karboksüülrühmad, millel on protoneeritud kujul (-COOH) ja protoneerimata kujul (-COO-). Just see karboksüülrühmade kolmik annab sellele tsüklile nime "trikarboksüülhape". Sünteesi juhib veemolekuli lisamine, mis muudab kondenseerumisreaktsiooni ja atsetüül CoA koensüümi A osa kadumise.

Seejärel korraldatakse tsitraat ümber samade aatomitega molekuliks erinevas paigutuses, mida sobivalt nimetatakse isotsitraadiks. Seejärel eraldab see molekul CO₂ saada viiesüsinikuks ühendiks a-ketoglutaraat ja järgmises etapis toimub sama asi, kus a-ketoglutaraat kaotab CO₂ taastades samal ajal koensüümi A, et saada suktsinüül-CoA. See nelja süsinikuga molekul muutub CoA kaotusega suktsinaadiks ja korraldatakse seejärel ümber nelja süsinikuga deprotoneeritud hapete: fumaraadi, malaadi ja lõpuks oksaloatsetaadi protsessiks.

Krebsi tsükli keskmolekulid on siis järjekorras

1. Atsetüül CoA
   
2. Tsitraat
   
3. Isotsitraat
   
4. α-ketoglutaraat 
   
5. Suktsinüül CoA
   
6. Suktsinaat
   
7. Fumaraat
   
8. Malaat
   
9. Oksaloatsetaat
   

See jätab välja ensüümide nimetused ja hulga kriitilisi kaasreaktante, nende seas NAD + / NADH, sarnane molekulipaar FAD / FADH₂ (flaviinadeniindinukleotiid) ja CO₂.

Pange tähele, et süsiniku kogus ühes tsükli samas punktis jääb samaks. Oksaloatsetaat võtab atsetüül CoA-ga kombineerimisel üles kaks süsinikuaatomit, kuid need kaks aatomit kaovad Krebsi tsükli esimesel poolel CO₂ järjestikuste reaktsioonide korral, kus NAD + on taandatud ka NADH-ks. (Keemias lisavad mõnevõrra lihtsustamiseks redutseerimisreaktsioonid prootoneid, oksüdatsioonireaktsioonid aga eemaldavad need.) Vaadates protsessi tervikuna ja uurides ainult nende kahe, nelja, viie ja kuue süsinikuga reaktiivide ja toodete puhul pole kohe selge, miks rakud sarnanevad biokeemilise ferriga ratas, kusjuures ühe ja sama elanikkonna erinevad sõitjad laaditakse rattale ja rattalt maha, kuid päeva lõpuks ei muutu midagi, välja arvatud väga paljud pöörded ratas.

Krebsi tsükli eesmärk on ilmsem, kui vaadata, mis juhtub vesinikioonidega nendes reaktsioonides. Kolmes erinevas punktis kogub NAD + prootoni ja teises punktis FAD kaks prootonit. Mõelge prootonitele - nende mõju tõttu positiivsetele ja negatiivsetele laengutele - kui elektronide paaridele. Selles vaates on tsükli mõte väikeste süsinikmolekulide suure energiaga elektronpaaride kogunemine.

Võite märgata, et Krebsi tsüklist puuduvad kaks kriitilist molekuli, mis eeldatavalt esinevad aeroobses hingamises: hapnik (O₂) ja ATP - energia vorm, mida rakud ja koed kasutavad otseselt selliste tööde teostamiseks nagu kasvu, parandamine ja nii edasi. Jällegi on see sellepärast, et Krebsi tsükkel on tabeliseadja elektronide transpordiahela reaktsioonide jaoks, mis toimuvad pigem mitokondriaalse maatriksi kui mitokondriaalse membraani lähedal. Nukleotiidide (NAD + ja FAD) poolt tsüklis kogutud elektrone kasutatakse "allavoolu", kui neid aktsepteerivad transpordiahela hapniku aatomid. Krebsi tsükkel eemaldab väärtuslikust materjalist esmapilgul tähelepanuväärse ringkonveieri ja ekspordib need lähedalasuvasse töötlemiskeskusse, kus töötab tõeline tootmiskoondis.

Pange tähele ka seda, et näiliselt ebavajalikud reaktsioonid Krebsi tsüklis (lõppude lõpuks, milleks astuda kaheksa sammu, et teha seda, mida teha võiks (võib-olla kolmes või neljas?) genereerivad molekulid, mis võivad küll Krebsi tsükli vaheproduktidena toimida reaktantidena mitteseotud reaktsioonid.

Võrdluseks aktsepteerib NAD prootonit 3., 4. ja 8. etapis ning nende CO kahes esimeses₂ on valatud; toodetakse 5. etapis GDP-st guanosiintrifosfaadi (GTP) molekul; ja FAD aktsepteerib 6. etapis kahte prootonit. 1. etapis CoA "lahkub", kuid "naaseb" 4. etapis. Tegelikult on ainult 2. etapp, tsitraadi ümberkorraldamine isotsitraadiks, väljaspool reaktsiooni süsinikmolekule "vaikne".

Krebsi tsükli tähtsuse tõttu biokeemias ja inimese füsioloogias on kohale tulnud üliõpilasi, professoreid ja teisi koos paljude mnemotehnika või nimede meelde jätmise viisidega, mis aitavad meeles pidada Krebsi etappe ja reaktante tsükkel. Kui soovitakse meenutada ainult süsinikreageerijaid, vaheühendeid ja saadusi, on võimalik töötada järjestikuste ühendite esimestest tähtedest nende ilmumisel (O, Ac, C, I, K, Sc, S, F, M; siin pange tähele, et "koensüümi A" tähistab väike "c"). Nendest tähtedest saate luua isikupärase fraasi, milles fraasides on molekulide esimesed tähed esimesed tähed.

Keerukam viis selleks on kasutada mnemotehnikat, mis võimaldab teil jälgida süsiniku hulka aatomid igal sammul, mis võib võimaldada teil toimuvat paremini biokeemilisest vaatepunktist üldse sisustada korda. Näiteks kui lasete kuuetähelisel sõnal tähistada kuue süsinikuga oksaloatsetaati ja vastavalt väiksemate sõnade ja molekulide abil saate luua skeemi, mis on kasulik nii mäluseadmena kui ka infona rikas. Üks ajakirja "Journal of Chemical Education" kaastöötajate pakkus välja järgmist järgmine idee:

1. Vallaline
   
2. Tingle
   
3. Sasipundar 
   
4. Mangle
   
5. Mange
   
6. Lakk
   
7. Mõistuslik
   
8. Laulis
   
9. Laula
   

Siin näete kuuetähelist sõna, mis on moodustatud kahetähelisest sõnast (või rühmast) ja neljatähelisest sõnast. Kõik järgmised kolm sammu sisaldavad ühte tähte, asendamata tähti (või "süsinikku"). Järgmised kaks sammu hõlmavad tähe (või jällegi "süsiniku") kadumist. Ülejäänud skeem säilitab neljatähelise sõnanõude samamoodi nagu Krebsi tsükli viimased etapid hõlmavad erinevaid, omavahel tihedalt seotud nelja süsiniku molekule.

Peale nende konkreetsete seadmete võib teile kasulikuks joonistada endale a-i ümbritsev täielik rakk või selle osa mitokondrion ja visandage glükolüüsi reaktsioonid nii üksikasjalikult kui soovite tsütoplasma osas ja Krebsi tsüklis mitokondriaalne maatriksosa. Selles visandis näitaksite püruvaadi toimetamist mitokondrite sisemusse, kuid võite ka joonistada noole, mis viib käärimiseni, mis toimub ka tsütoplasmas.