Krebsov ciklus je olakšan

Krebsov ciklus, nazvan po nobelovcu i fiziologu Hansu Krebsu iz 1953., niz je metaboličkih reakcija koje se odvijaju u mitohondrije od eukariotske stanice. Jednostavnije rečeno, to znači da bakterije nemaju staničnu mašineriju za Krebsov ciklus, pa je ograničena na biljke, životinje i gljive.

Glukoza je molekula koja se u konačnici metabolizira od živih bića da bi dobila energiju u obliku adenozin trifosfat ili ATP. Glukoza se može pohraniti u tijelu u brojnim oblicima; glikogen je malo više od dugog lanca molekula glukoze koji je pohranjen u mišićnim i jetrenim stanicama, dok prehrambeni ugljikohidrati, proteini i masti imaju komponente koje se mogu metabolizirati u glukozu kao dobro. Kad molekula glukoze uđe u stanicu, ona se u citoplazmi razgrađuje u piruvat.

Što će se sljedeće dogoditi, ovisi o tome ulazi li piruvat u aerobni put disanja (uobičajeni rezultat) ili u put fermentacije laktata (koristi se u napadima vježbanja visokog intenziteta ili nedostatka kisika) prije nego što u konačnici omogući proizvodnju ATP-a i oslobađanje ugljika dioksid (CO

Krebsov ciklus - također nazvan ciklus limunske kiseline ili ciklus trikarboksilne kiseline (TCA) - prvi je korak u aerobnom putu i on kontinuirano sintetizira dovoljno tvari nazvane oksaloacetat da održi ciklus, iako, kao što ćete vidjeti, ovo zapravo nije "misija" ciklusa. Krebsov ciklus donosi i druge pogodnosti kao dobro. Budući da uključuje nekih osam reakcija (i, u skladu s tim, devet enzima) koji uključuju devet različitih molekula, korisno je razviti alate koji će zadržati važne točke ciklusa ravno u vama um.

Glukoza je šećer s šest ugljika (heksoza) koji je u prirodi obično u obliku prstena. Kao i svi monosaharidi (monomeri šećera), sastoji se od ugljika, vodika i kisika u omjeru 1-2-1, s formulom C₆H₁₂O₆. Jedan je od krajnjih produkata metabolizma bjelančevina, ugljikohidrata i masnih kiselina i služi kao gorivo u svim vrstama organizma, od jednostaničnih bakterija do ljudi i većih životinja.

Glikoliza je anaerobna u strogom smislu "bez kisika". Odnosno, reakcije se nastavljaju da li O₂ je prisutan u stanicama ili ne. Pazite da to razlikujete od "kisika" ne smije biti prisutan, "iako je to slučaj s nekim bakterijama koje zapravo ubija kisik i poznati su kao obvezni anaerobi.

U reakcijama glikolize glukoza sa šest ugljika u početku se fosforilira - to jest, ima pridruženu fosfatnu skupinu. Dobivena molekula je fosforilirani oblik fruktoze (voćni šećer). Zatim se ta molekula drugi put fosforilira. Svaka od ovih fosforilacija zahtijeva molekulu ATP, a obje se pretvaraju u adenozin difosfat ili ADP. Zatim se molekula od šest ugljika pretvara u dvije molekule s tri ugljika, koje se brzo pretvaraju u piruvat. Usput, u obradi obje molekule, proizvode se 4 ATP uz pomoć dvije molekule NAD + (nikotinamid adenin dinukleotid) koje se pretvaraju u dvije molekule NADH. Dakle, za svaku molekulu glukoze koja uđe u glikolizu, neto dva ATP, dva piruvata i proizvode se dva NADH, dok se troše dva NADH.

Kao što je prethodno napomenuto, sudbina piruvata ovisi o metaboličkim zahtjevima i okolišu dotičnog organizma. U prokariotima glikoliza i fermentacija osiguravaju gotovo sve energetske potrebe pojedinačne stanice, iako su neki od tih organizama evoluirali lanci prijenosa elektrona koji im omogućuju koristiti kisik za oslobađanje ATP iz metabolita (produkata) glikolize. Kod prokariota, kao i kod svih eukariota, osim kod kvasca, ako nema dostupnog kisika ili ako se energetske potrebe stanice ne mogu u potpunosti zadovoljiti aerobnim disanjem piruvat se fermentacijom pretvara u mliječnu kiselinu pod utjecajem enzima laktat dehidrogenaze, ili LDH.

Piruvat namijenjen Krebsovom ciklusu kreće se iz citoplazma preko membrane staničnih organela (funkcionalne komponente u citoplazmi) tzv mitohondrije. Jednom u mitohondrijskom matriksu, koji je svojevrsna citoplazma za same mitohondrije, pretvara se pod utjecajem enzima piruvat dehidrogenaze na drugačiji spoj od tri ugljika nazvan acetil koenzim A ili acetil CoA. Mnogi enzimi mogu se izdvojiti iz kemijske skupine zbog sufiksa "-ase" koji dijele.

U ovom trenutku trebali biste se poslužiti dijagramom koji detaljno opisuje Krebsov ciklus, jer je to jedini način da ga smisleno slijedite; za primjer pogledajte Resurse.

Razlog zbog kojeg je Krebsov ciklus imenovan kao takav je taj što je jedan od njegovih glavnih proizvoda, oksaloacetat, također reaktant. Odnosno, kada acetil CoA s dva ugljika stvoren od piruvata uđe u ciklus iz "uzvodno", on reagira s oksaloacetatom, molekulom od četiri ugljika i stvara citrat, molekulu sa šest ugljika. Citrat, simetrična molekula, uključuje tri karboksilne skupine, koji imaju oblik (-COOH) u svom protoniranom obliku i (-COO-) u svom neprotoniranom obliku. Upravo ovaj trio karboksilnih skupina daje ovom ciklusu naziv "trikarboksilna kiselina". Sinteza se pokreće dodavanjem molekule vode, što čini reakciju kondenzacije i gubitkom koenzima A dijela acetil CoA.

Citrat se zatim preuređuje u molekulu s istim atomima u drugom rasporedu, koji se prikladno naziva izocitrat. Tada ta molekula daje CO₂ da postane petogljični spoj α-ketoglutarat, a u sljedećem koraku događa se isto, a α-ketoglutarat gubi CO₂ dok je povratio koenzim A da bi postao sukcinil CoA. Ova molekula s četiri ugljika postaje sukcinat s gubitkom CoA, a zatim se preuređuje u povorku deprotoniranih kiselina s četiri ugljika: fumarata, malata i na kraju oksaloacetata.

Središnje molekule Krebsovog ciklusa, redom su

1. Acetil CoA
   
2. Citrat
   
3. Izokitrat
   
4. α-ketoglutarat 
   
5. Sukcinil CoA
   
6. Sukcinat
   
7. Fumarat
   
8. Malat
   
9. Oksaloacetat
   

Ovo izostavlja nazive enzima i brojne kritične koreagente, među njima NAD + / NADH, sličan molekulski par FAD / FADH₂ (flavin adenin dinukleotid) i CO₂.

Imajte na umu da količina ugljika u istoj točki u bilo kojem ciklusu ostaje ista. Oksaloacetat uzima dva atoma ugljika kada se kombinira s acetil CoA, ali ta dva atoma se gube u prvoj polovici Krebsova ciklusa kao CO₂ u uzastopnim reakcijama u kojima se NAD + također reducira na NADH. (U kemiji, radi pojednostavljenja, redukcijske reakcije dodaju protone, dok ih reakcije oksidacije uklanjaju.) Gledajući postupak u cjelini i ispitujući samo ti reaktanti i proizvodi s dva, četiri, pet i šest ugljika, nije odmah jasno zašto bi stanice sudjelovale u nečemu poput nalik na biokemijski Ferris kotača, s različitim vozačima iz iste populacije koji su utovareni na kotač i van njega, ali na kraju dana se ništa nije promijenilo, osim velikog broja okreta kotač.

Svrha Krebsova ciklusa je očiglednija kada pogledate što se događa s vodikovim ionima u tim reakcijama. U tri različite točke NAD + sakuplja proton, a u drugoj točki FAD dva protona. Zamišljajte protone - zbog njihovog utjecaja na pozitivne i negativne naboje - kao parove elektrona. S ovog gledišta, točka ciklusa je nakupljanje visokoenergetskih elektronskih parova iz malih molekula ugljika.

Možda ćete primijetiti da u Krebsovom ciklusu nedostaju dvije kritične molekule za koje se očekuje da će biti prisutne u aerobnom disanju: kisik (O₂) i ATP, oblik energije koji stanice i tkiva izravno koriste za obavljanje poslova poput rasta, popravka i tako dalje. Opet, to je zato što je Krebsov ciklus stol za postavljanje lančanih reakcija transporta elektrona koje se događaju u blizini, u mitohondrijskoj membrani, a ne u mitohondrijskoj matrici. Elektroni prikupljeni nukleotidima (NAD + i FAD) u ciklusu koriste se "nizvodno" kada ih prihvate atomi kisika u transportnom lancu. Krebsov ciklus u stvari uklanja dragocjeni materijal na naizgled neuobičajenom kružnom transportnom pojasu i izvozi ga u obližnji procesni centar u kojem radi pravi proizvodni tim.

Također imajte na umu da su naizgled nepotrebne reakcije u Krebsovom ciklusu (uostalom, zašto poduzeti osam koraka da se postigne ono što bi se moglo učiniti u možda tri ili četiri?) generiraju molekule koje, iako međuprodukti u Krebsovom ciklusu, mogu poslužiti kao reaktanti u nepovezanim reakcije.

Za referencu, NAD prihvaća protone u koracima 3, 4 i 8, te u prva dva od ovih CO₂ je prolio; molekula gvanozin trifosfata (GTP) nastaje iz BDP-a u koraku 5; a FAD prihvaća dva protona u koraku 6. U koraku 1, CoA "odlazi", ali "vraća" se u koraku 4. U stvari, samo je korak 2, preslagivanje citrata u izocitrat, "tihi" izvan molekula ugljika u reakciji.

Zbog važnosti Krebsova ciklusa u biokemiji i ljudskoj fiziologiji, došli su studenti, profesori i drugi s brojnim mnemotehnikama ili načinima pamćenja imena, koji pomažu u pamćenju koraka i reaktanata u Krebsu ciklus. Ako se samo želimo sjetiti ugljikovih reaktanata, međuprodukata i proizvoda, moguće je raditi od prvih slova uzastopnih spojeva onako kako se pojavljuju (O, Ac, C, I, K, Sc, S, F, M; ovdje primijetite da je "koenzim A" predstavljen malim "c"). Od ovih slova možete stvoriti vrlo personaliziranu frazu, s tim da prva slova molekula služe kao prva slova u riječima fraze.

Sofisticiraniji način rješavanja ovoga jest upotreba mnemotehnike koja vam omogućuje praćenje broja ugljika atoma u svakom koraku, što vam može omogućiti da uopće bolje internalizirate ono što se događa s biokemijskog stajališta puta. Na primjer, ako pustite da riječ od šest slova predstavlja šestokarbonski oksaloacetat, i odgovarajuće za manje riječi i molekule, možete stvoriti shemu koja je korisna i kao memorijski uređaj i kao informacija bogati. Jedan od suradnika "Journal of Chemical Education" predložio je slijedeća ideja:

1. Singl
   
2. Peckanje
   
3. Zaplet 
   
4. Komadati
   
5. Šuga
   
6. Griva
   
7. Sane
   
8. Sang
   
9. Pjevati
   

Ovdje vidite riječ od šest slova koju čine riječ od dva slova (ili skupina) i riječ od četiri slova. Svaki od sljedeća tri koraka uključuje zamjenu jednim slovom bez gubitka slova (ili "ugljika"). Sljedeća dva koraka uključuju gubitak slova (ili, opet, "ugljika"). Ostatak sheme čuva zahtjev za riječ od četiri slova na isti način na koji posljednji koraci Krebsova ciklusa uključuju različite, usko povezane molekule od četiri ugljika.

Osim ovih specifičnih uređaja, možda će vam biti korisno nacrtati si cijelu ćeliju ili dio stanice koji okružuje mitohondriona i skicirajte reakcije glikolize onoliko detaljno koliko želite u dijelu citoplazme i Krebsovom ciklusu u dio mitohondrijske matrice. Na ovoj biste skici prikazali kako se piruvat prebacuje u unutrašnjost mitohondrija, ali mogli biste i nacrtati strelicu koja dovodi do fermentacije, koja se također javlja u citoplazmi.