A Krebs ciklus megkönnyítette

Az 1953-ban Nobel-díjas és fiziológus, Hans Krebs után elnevezett Krebs-ciklus az anyagcsere-reakciók sorozata, amely a mitokondrium nak,-nek eukarióta sejtek. Leegyszerűsítve ez azt jelenti, hogy a baktériumok nem rendelkeznek a Krebs-ciklus sejtmechanizmusával, ezért csak növényekre, állatokra és gombákra korlátozódik.

A glükóz az a molekula, amelyet végül az élőlények metabolizálnak, hogy energiát nyerjenek adenozin-trifoszfát vagy ATP. A glükóz a testben számos formában tárolható; a glikogén alig több, mint az izom- és májsejtekben tárolt glükózmolekulák hosszú lánca, míg az étrendi szénhidrátokban, fehérjékben és zsírokban vannak olyan komponensek, amelyek glükózzá metabolizálódhatnak as jól. Amikor egy glükózmolekula belép egy sejtbe, a citoplazmában piruvátra bomlik.

A következő esemény attól függ, hogy a piruvát belép-e az aerob légzési útba (a szokásos eredmény) vagy a laktát fermentációs útvonalába (nagy intenzitású edzés vagy oxigénhiány esetén), mielőtt végül lehetővé tenné az ATP termelését és a szén felszabadulását dioxid (CO₂) és a víz (H₂O) melléktermékként.

A Krebs-ciklus - más néven citromsav-ciklus vagy trikarbonsav-ciklus (TCA) - az aerob pálya első lépése, és folyamatosan szintetizál. elég oxalacetát nevű anyag a ciklus fenntartásához, bár, amint látni fogod, valójában nem ez a ciklus "küldetése". A Krebs-ciklus további előnyöket nyújt jól. Mivel ez magában foglalja a nyolc reakciót (és ennek megfelelően kilenc enzimet), amelyekből kilenc különálló vesz részt molekulák, hasznos olyan eszközök kifejlesztése, amelyek a ciklus fontos pontjait egyenesen tartják a ész.

A glükóz egy hatszénes (hexóz) cukor, amely a természetben általában gyűrű formájában van. Mint minden monoszacharid (cukormonomer), szénből, hidrogénből és oxigénből áll, 1-2-1 arányban, C képlettel₆H₁₂O₆. Ez a fehérje-, szénhidrát- és zsírsav-anyagcsere egyik végterméke, és üzemanyagként szolgál mindenféle organizmusban, az egysejtű baktériumoktól kezdve az emberekig és a nagyobb állatokig.

Glikolízis anaerob a szoros értelmében "oxigén nélkül". Vagyis a reakciók folytatódnak, hogy O₂ jelen van a sejtekben vagy nincs. Vigyázzon, hogy ezt megkülönböztesse az "oxigéntől" nem szabad "bár ez a helyzet néhány olyan baktériummal, amelyeket ténylegesen elpusztít az oxigén, és amelyek kötelező anaerobokként ismertek.

A glikolízis reakcióiban a hat szénatomos glükóz kezdetben foszforilálódik - vagyis hozzá van kapcsolva egy foszfátcsoport. A kapott molekula a fruktóz (gyümölcscukor) foszforilezett formája. Ezt a molekulát ezután másodszor foszforilezzük. Ezen foszforilezések mindegyikéhez szükség van egy ATP-molekulára, amelyek mind átalakulnak adenozin-difoszfáttá vagy ADP-vé. A hat szénatomos molekula ezután két három szénatomos molekulává alakul, amelyek gyorsan átalakulnak piruváttá. Útközben mindkét molekula feldolgozása során 4 ATP termelődik két NAD + (nikotinamid-adenin-dinukleotid) molekula segítségével, amelyek két NADH-molekulává alakulnak. Így minden glikolízisbe belépő glükózmolekula esetében két ATP, két piruvát és két NADH-t állítanak elő, míg két NAD + -ot fogyasztanak.

Amint azt korábban megjegyeztük, a piruvát sorsa az adott szervezet metabolikus igényeitől és környezetétől függ. A prokariótákban a glikolízis és az erjesztés biztosítja az egyetlen sejt energiaszükségletének szinte teljes részét, bár ezek a szervezetek némelyike ​​fejlődött elektronszállító láncok amelyek lehetővé teszik számukra oxigén felhasználásával szabadítsa fel az ATP-t a glikolízis metabolitjaiból (termékeiből). A prokariótákban, valamint az összes eukariótákban, kivéve az élesztőt, ha nincs oxigén vagy ha a sejt energiaigényét nem lehet kielégíteni aerob légzés útján a piruvát laktát-dehidrogenáz enzim hatására fermentáció útján tejsavvá alakul, vagy LDH.

A Krebs-ciklusnak szánt piruvát elmozdul a citoplazma a sejtorganellák membránján (funkcionális komponensek a citoplazmában) ún mitokondrium. A mitokondriális mátrixba kerülve, amely egyfajta citoplazma maguknak a mitokondriumoknak, ez átalakul a piruvát-dehidrogenáz enzim hatása alatt egy másik három szénatomos vegyület, az úgynevezett acetil-koenzim A vagy acetil CoA. Számos enzimet lehet kiválasztani a kémiai felsorolásból az általuk megosztott "-ase" utótag miatt.

Ezen a ponton fel kell használnia a Krebs-ciklust részletesen bemutató diagramot, mivel csak így lehet értelmesen követni; lásd az Erőforrások példát.

A Krebs-ciklus mint ilyen elnevezés oka, hogy egyik fő terméke, az oxaloacetát, szintén reagens. Vagyis amikor a piruvátból képződött két szénatomos acetil-CoA "felfelé" belép a ciklusba, az oxalacetáttal, egy négy szénatomot tartalmazó molekulával reagál, és citrátot képez, egy hat szénatomos molekulát. A citrát, egy szimmetrikus molekula, hármat tartalmaz karboxilcsoportokamelyek protonált formában (-COOH) formában és protonálatlan formában (-COO-) vannak. Ez a karboxilcsoportok hármasa adja a "trikarbonsav" nevet ennek a ciklusnak. A szintézist egy vízmolekula hozzáadása vezérli, ez kondenzációs reakcióvá válik, és az acetil-CoA koenzim A-részének elvesztése.

A citrátot ezután más elrendezésben átrendezik ugyanazon atomokkal rendelkező molekulává, amelyet illően izocitrátnak neveznek. Ez a molekula CO-t ad le₂ hogy az öt szénatomszámú vegyület az α-ketoglutarát legyen, és a következő lépésben ugyanez történik, az α-ketoglutarát CO₂ miközben visszanyeri az A koenzimet, hogy szukcinil CoA legyen. Ez a négy szénatomos molekula a CoA elvesztésével szukcinává válik, és ezt követően négyszénes deprotonált savak: fumarát, malát és végül oxaloacetát folyamattá rendeződik át.

A Krebs-ciklus központi molekulái tehát rendben vannak

1. Acetil CoA
   
2. Citrát
   
3. Izocitrát
   
4. α-ketoglutarát 
   
5. Succinyl CoA
   
6. Szukcinát
   
7. Fumarát
   
8. Malate
   
9. Oxalacetát
   

Ez kihagyja az enzimek nevét és számos kritikus reagálót, köztük a NAD + / NADH, a hasonló molekulapárt, a FAD / FADH-t.₂ (flavin-adenin-dinukleotid) és CO₂.

Vegye figyelembe, hogy a szén mennyisége bármely ciklus ugyanazon pontján ugyanaz marad. Az oxaloacetát két szénatomot vesz fel, amikor acetil-CoA-val kombinálódik, de ez a két atom elveszik a Krebs-ciklus első felében CO₂ egymást követő reakciókban, amelyekben a NAD + szintén NADH-ra redukálódik. (A kémia területén a redukciós reakciók némileg leegyszerűsítése érdekében protonokat adnak hozzá, míg az oxidációs reakciók eltávolítják őket.) A folyamat egészét tekintve, és csak e két-, négy-, öt- és hatszénes reagenseket és termékeket, nem világos, hogy miért hasonlítanának a sejtek egy biokémiai ferrishez kerék, ugyanannak a lakosságnak a különböző versenyzői fel- és leszálltak a kerékre, de a nap végén semmi sem változott, kivéve a kerék.

A Krebs-ciklus célja nyilvánvalóbb, ha megnézzük, mi történik hidrogénionokkal ezekben a reakciókban. Három különböző ponton a NAD + protont, egy másik ponton pedig két protont gyűjt össze. Gondoljon a protonokra - a pozitív és negatív töltésekre gyakorolt ​​hatásuk miatt - mint elektronpárokra. Ebben a nézetben a ciklus lényege a kis szénmolekulákból származó nagy energiájú elektronpárok felhalmozódása.

Észreveheti, hogy két kritikus molekula, amely várhatóan jelen lesz az aerob légzésben, hiányzik a Krebs-ciklusból: oxigén (O₂) és az ATP, a sejtek és szövetek által közvetlenül felhasznált energiaforma olyan munkák elvégzésére, mint a növekedés, a javítás és így tovább. Ismét azért, mert a Krebs-ciklus táblázatbeállító a közelben, a mitokondriális membránban, nem pedig a mitokondriális mátrixban előforduló elektrontranszportlánc-reakciók számára. A ciklusban a nukleotidok (NAD + és FAD) által összegyűjtött elektronokat "lefelé" használjuk, amikor a transzportlánc oxigénatomjai elfogadják őket. A Krebsi ciklus tulajdonképpen egy látszólag figyelemre méltó kör alakú szállítószalagban távolítja el az értékes anyagokat, és egy közeli feldolgozóközpontba exportálja, ahol a valódi gyártási csapat dolgozik.

Vegye figyelembe azt is, hogy a látszólag felesleges reakciók a Krebs-ciklusban (végül is miért kell nyolc lépést megtenni a tettek megvalósítása érdekében) (valószínűleg három vagy négy?) olyan molekulákat generál, amelyek bár a Krebs-ciklusban intermedierek, de nem rokon reaktánsokként szolgálhatnak reakciókat.

Összehasonlításképpen, a NAD elfogad egy protont a 3., 4. és 8. lépésben, és ezek közül az első kettőben₂ ontják; a GDP-ből az 5. lépésben guanozintrifoszfát (GTP) molekulát állítanak elő; és a FAD két protont fogad el a 6. lépésben. Az 1. lépésben a CoA "távozik", de a 4. lépésben "visszatér". Valójában csak a 2. lépés, a citrát átszervezése izocitráttá, a reakcióban a szénmolekulákon kívül "csendes".

A Krebs-ciklus biokémiában és emberi fiziológiában betöltött jelentősége miatt diákok, professzorok és mások jöttek el számos emlékeztetővel vagy a nevek emlékezésének módjaival, amelyek segítenek emlékezni a Krebs lépéseire és a reagensekre ciklus. Ha csak emlékezni akarunk a szénreagánsokra, köztitermékekre és termékekre, akkor az egymást követő vegyületek első betűitől kezdve dolgozhatunk, amint azok megjelennek (O, Ac, C, I, K, Sc, S, F, M; itt vegye észre, hogy az "A koenzimet" egy kis "c" jelöli. Ezekből a betűkből létrehozhat egy személyre szabott mondatot, amelyben a molekulák első betűi szolgálnak első betűként a kifejezés szavaiban.

Ennek kifinomultabb módja az, ha olyan emlékeztetőt használunk, amely lehetővé teszi a szén-dioxid számának nyomon követését atomok minden lépésben, ami lehetővé teheti, hogy egyáltalán biokémiai szempontból jobban internalizálja a történteket alkalommal. Például, ha hagyja, hogy egy hatbetűs szó képviselje a hat szénatomos oxalacetátot, és ennek megfelelően kisebb szavakkal és molekulákkal létrehozhat egy sémát, amely egyszerre hasznos memóriaeszközként és információként gazdag. A "Journal of Chemical Education" egyik munkatársa javasolta a következő ötlet:

1. Egyetlen
   
2. Tingle
   
3. Gubanc 
   
4. Mángorló
   
5. Rüh
   
6. Sörény
   
7. Épelméjű
   
8. Énekelt
   
9. Énekel
   

Itt látható egy hatbetűs szó, amelyet kétbetűs szó (vagy csoport) és egy négybetűs szó alkot. A következő három lépés mindegyike egyetlen betűcserét tartalmaz, betűk (vagy "szén") veszteség nélkül. A következő két lépés egy-egy betű (vagy ismét "szén") elvesztésével jár. A séma többi része ugyanúgy megőrzi a négybetűs szavak követelményét, mint ahogy a Krebs-ciklus utolsó lépései különböző, egymással szorosan kapcsolódó négykarbon molekulákat tartalmaznak.

Ezen speciális eszközökön kívül hasznos lehet, ha egy teljes cellát vagy egy sejtrészet rajzol magának a körül mitokondrium, és vázolja fel a glikolízis reakcióit a lehető legrészletesebben a citoplazma részében és a Krebs-ciklusban a mitokondriális mátrixrész. Ebben a vázlatban azt mutatná be, hogy a piruvátot a mitokondrium belsejébe tolják, de felhívhat egy erjedéshez vezető nyilat is, amely a citoplazmában is előfordul.