Siklus Krebs Menjadi Mudah

Siklus Krebs, dinamai pemenang Hadiah Nobel 1953 dan ahli fisiologi Hans Krebs, adalah serangkaian reaksi metabolisme yang terjadi di mitokondria dari sel eukariotik. Sederhananya, ini berarti bahwa bakteri tidak memiliki mesin seluler untuk siklus Krebs, sehingga terbatas pada tumbuhan, hewan, dan jamur.

Glukosa adalah molekul yang pada akhirnya dimetabolisme oleh makhluk hidup untuk memperoleh energi, dalam bentuk adenosin trifosfat, atau ATP. Glukosa dapat disimpan dalam tubuh dalam berbagai bentuk; glikogen tidak lebih dari rantai panjang molekul glukosa yang disimpan dalam sel otot dan hati, sedangkan karbohidrat, protein dan lemak makanan memiliki komponen yang dapat dimetabolisme menjadi glukosa sebagai baik. Ketika molekul glukosa memasuki sel, itu dipecah dalam sitoplasma menjadi piruvat.

Apa yang terjadi selanjutnya tergantung pada apakah piruvat memasuki jalur respirasi aerobik (hasil yang biasa) atau jalur fermentasi laktat. (digunakan dalam latihan intensitas tinggi atau kekurangan oksigen) sebelum akhirnya memungkinkan produksi ATP dan pelepasan karbon dioksida (CO

Siklus Krebs - juga disebut siklus asam sitrat atau siklus asam trikarboksilat (TCA) - adalah langkah pertama dalam jalur aerobik, dan beroperasi untuk terus mensintesis cukup zat yang disebut oksaloasetat untuk menjaga siklus tetap berjalan, meskipun, seperti yang akan Anda lihat, ini sebenarnya bukan "misi" siklus. Siklus Krebs memberikan manfaat lain sebagai baik. Karena itu mencakup sekitar delapan reaksi (dan, dengan demikian, sembilan enzim) yang melibatkan sembilan reaksi berbeda molekul, akan sangat membantu untuk mengembangkan alat untuk menjaga poin-poin penting dari siklus tetap lurus di Anda pikiran.

Glukosa adalah gula enam karbon (heksosa) yang di alam biasanya berbentuk cincin. Seperti semua monosakarida (monomer gula), ia terdiri dari karbon, hidrogen dan oksigen dalam rasio 1-2-1, dengan rumus C₆H₁₂HAI₆. Ini adalah salah satu produk akhir dari metabolisme protein, karbohidrat dan asam lemak dan berfungsi sebagai bahan bakar di setiap jenis organisme dari bakteri bersel tunggal hingga manusia dan hewan yang lebih besar.

Glikolisis adalah anaerobik dalam arti sempit "tanpa oksigen". Artinya, reaksi berlangsung apakah O₂ ada dalam sel atau tidak. Berhati-hatilah untuk membedakan ini dari "oksigen tidak harus hadir," meskipun ini adalah kasus dengan beberapa bakteri yang benar-benar dibunuh oleh oksigen dan dikenal sebagai anaerob obligat.

Dalam reaksi glikolisis, glukosa enam karbon awalnya terfosforilasi - yaitu, ia memiliki gugus fosfat yang ditambahkan padanya. Molekul yang dihasilkan adalah bentuk terfosforilasi fruktosa (gula buah). Molekul ini kemudian difosforilasi untuk kedua kalinya. Masing-masing fosforilasi ini membutuhkan molekul ATP, yang keduanya diubah menjadi adenosin difosfat, atau ADP. Molekul enam karbon kemudian diubah menjadi dua molekul tiga karbon, yang dengan cepat diubah menjadi piruvat. Dalam proses pengolahan kedua molekul tersebut, dihasilkan 4 ATP dengan bantuan dua molekul NAD+ (nicotinamide adenine dinucleotide) yang diubah menjadi dua molekul NADH. Jadi untuk setiap molekul glukosa yang memasuki glikolisis, jaring dua ATP, dua piruvat dan dua NADH diproduksi, sementara dua NAD+ dikonsumsi.

Seperti disebutkan sebelumnya, nasib piruvat tergantung pada tuntutan metabolisme dan lingkungan organisme yang bersangkutan. Pada prokariota, glikolisis ditambah fermentasi menyediakan hampir semua kebutuhan energi sel tunggal, meskipun beberapa organisme ini telah berevolusi. rantai transpor elektron yang memungkinkan mereka untuk memanfaatkan oksigen untuk membebaskan ATP dari metabolit (produk) glikolisis. Pada prokariota serta semua eukariota kecuali ragi, jika tidak ada oksigen yang tersedia atau jika kebutuhan energi sel tidak dapat dipenuhi sepenuhnya melalui respirasi aerobik, piruvat diubah menjadi asam laktat melalui fermentasi di bawah pengaruh enzim laktat dehidrogenase, atau LDH.

Piruvat yang ditakdirkan untuk siklus Krebs bergerak dari sitoplasma melintasi membran organel sel (komponen fungsional dalam sitoplasma) yang disebut mitokondria. Begitu berada di matriks mitokondria, yang merupakan semacam sitoplasma untuk mitokondria itu sendiri, ia diubah di bawah pengaruh enzim piruvat dehidrogenase menjadi senyawa tiga karbon yang berbeda yang disebut asetil koenzim Sebuah atau asetil KoA. Banyak enzim dapat dipilih dari susunan kimia karena sufiks "-ase" yang digunakan bersama.

Pada titik ini Anda harus memanfaatkan diagram yang merinci siklus Krebs, karena ini adalah satu-satunya cara untuk mengikuti secara bermakna; lihat Sumberdaya untuk contoh.

Alasan mengapa siklus Krebs dinamai demikian adalah karena salah satu produk utamanya, oksaloasetat, juga merupakan reaktan. Yaitu, ketika asetil KoA dua karbon yang dibuat dari piruvat memasuki siklus dari "hulu", ia bereaksi dengan oksaloasetat, molekul empat karbon, dan membentuk sitrat, molekul enam karbon. Sitrat, molekul simetris, mencakup tiga gugus karboksil, yang memiliki bentuk (-COOH) dalam bentuk terprotonasi dan (-COO-) dalam bentuk tidak terprotonasi. Trio gugus karboksil inilah yang memberi nama "asam trikarboksilat" pada siklus ini. Sintesis didorong oleh penambahan molekul air, menjadikannya reaksi kondensasi, dan hilangnya bagian koenzim A dari asetil KoA.

Sitrat kemudian disusun kembali menjadi molekul dengan atom yang sama dalam susunan yang berbeda, yang disebut isositrat. Molekul ini kemudian mengeluarkan CO₂ menjadi senyawa lima karbon α-ketoglutarat, dan pada langkah berikutnya hal yang sama terjadi, dengan -ketoglutarat kehilangan CO₂ sementara mendapatkan kembali koenzim A menjadi suksinil KoA. Molekul empat karbon ini menjadi suksinat dengan hilangnya CoA, dan kemudian disusun kembali menjadi prosesi asam deprotonasi empat karbon: fumarat, malat dan akhirnya oksaloasetat.

Molekul pusat dari siklus Krebs, kemudian, secara berurutan, adalah

1. Asetil KoA
   
2. Garam sitrat
   
3. isositrat
   
4. -ketoglutarat 
   
5. Suksinil CoA
   
6. Suksinat
   
7. Fumarat
   
8. Malat
   
9. oksaloasetat
   

Ini menghilangkan nama enzim dan sejumlah ko-reaktan kritis, di antaranya NAD+/NADH, pasangan molekul serupa FAD/FADH₂ (flavin adenin dinukleotida) dan CO₂.

Perhatikan bahwa jumlah karbon pada titik yang sama dalam setiap siklus tetap sama. Oksaloasetat mengambil dua atom karbon ketika bergabung dengan asetil KoA, tetapi kedua atom ini hilang pada paruh pertama siklus Krebs sebagai CO₂ dalam reaksi berturut-turut di mana NAD+ juga direduksi menjadi NADH. (Dalam kimia, untuk menyederhanakannya, reaksi reduksi menambahkan proton sementara reaksi oksidasi menghilangkannya.) Melihat proses secara keseluruhan, dan hanya memeriksa reaktan dan produk dua, empat, lima dan enam karbon ini, tidak segera jelas mengapa sel akan terlibat dalam sesuatu yang menyerupai Ferris biokimia. roda, dengan pengendara yang berbeda dari populasi yang sama dimuat di dalam dan di luar kemudi tetapi tidak ada yang berubah di penghujung hari kecuali banyak belokan roda.

Tujuan dari siklus Krebs lebih jelas ketika Anda melihat apa yang terjadi pada ion hidrogen dalam reaksi ini. Pada tiga titik yang berbeda, sebuah NAD+ mengumpulkan satu proton, dan pada titik yang berbeda, FAD mengumpulkan dua proton. Pikirkan proton – karena pengaruhnya terhadap muatan positif dan negatif – sebagai pasangan elektron. Pada pandangan ini, titik siklus adalah akumulasi pasangan elektron berenergi tinggi dari molekul karbon kecil.

Anda mungkin memperhatikan bahwa dua molekul penting yang diharapkan hadir dalam respirasi aerobik hilang dari siklus Krebs: Oksigen (O₂) dan ATP, bentuk energi yang langsung digunakan oleh sel dan jaringan untuk melakukan pekerjaan seperti pertumbuhan, perbaikan, dan sebagainya. Sekali lagi, ini karena siklus Krebs adalah pengaturan untuk reaksi berantai transpor elektron yang terjadi di dekatnya, di membran mitokondria daripada di matriks mitokondria. Elektron yang diambil oleh nukleotida (NAD+ dan FAD) dalam siklus digunakan "hilir" ketika mereka diterima oleh atom oksigen dalam rantai transpor. Siklus Krebs pada dasarnya menghilangkan material berharga dalam sabuk konveyor melingkar yang tampaknya biasa-biasa saja dan mengekspornya ke pusat pemrosesan terdekat tempat tim produksi sebenarnya sedang bekerja.

Perhatikan juga bahwa reaksi yang tampaknya tidak perlu dalam siklus Krebs (bagaimanapun juga, mengapa mengambil delapan langkah untuk mencapai apa yang mungkin dilakukan mungkin dalam tiga atau empat?) menghasilkan molekul yang, meskipun zat antara dalam siklus Krebs, dapat berfungsi sebagai reaktan dalam reaksi.

Sebagai referensi, NAD menerima proton pada Langkah 3, 4 dan 8, dan pada dua langkah pertama CO₂ ditumpahkan; sebuah molekul guanosin trifosfat (GTP) dihasilkan dari PDB pada Langkah 5; dan FAD menerima dua proton pada Langkah 6. Pada langkah 1, CoA "pergi", tetapi "kembali" pada Langkah 4. Faktanya, hanya Langkah 2, penataan ulang sitrat menjadi isositrat, yang "diam" di luar molekul karbon dalam reaksi.

Karena pentingnya siklus Krebs dalam biokimia dan fisiologi manusia, mahasiswa, profesor, dan lainnya telah datang dengan sejumlah mnemonik, atau cara untuk mengingat nama, untuk membantu mengingat langkah-langkah dan reaktan di Krebs siklus. Jika seseorang hanya ingin mengingat reaktan karbon, zat antara dan produk, adalah mungkin untuk bekerja dari huruf pertama senyawa yang berurutan seperti yang muncul (O, Ac, C, I, K, Sc, S, F, M; di sini, perhatikan bahwa "koenzim A" diwakili oleh "c" kecil. Anda dapat membuat frase pribadi yang bernas dari huruf-huruf ini, dengan huruf pertama dari molekul yang berfungsi sebagai huruf pertama dalam kata-kata frase.

Cara yang lebih canggih untuk melakukannya adalah dengan menggunakan mnemonik yang memungkinkan Anda melacak jumlah karbon atom di setiap langkah, yang memungkinkan Anda untuk lebih menginternalisasi apa yang terjadi dari sudut pandang biokimia sama sekali waktu. Misalnya, jika Anda membiarkan kata enam huruf mewakili oksaloasetat enam karbon, dan dengan demikian untuk kata dan molekul yang lebih kecil, Anda dapat menghasilkan skema yang berguna sebagai perangkat memori dan informasi kaya. Salah satu kontributor "Journal of Chemical Education" mengusulkan proposed ide berikut:

1. Tunggal
   
2. Menggelenyar
   
3. Menjerat 
   
4. Mengoyakkan
   
5. Kudis
   
6. surai
   
7. waras
   
8. Sang
   
9. Bernyanyi
   

Di sini, Anda melihat kata enam huruf yang dibentuk oleh kata dua huruf (atau kelompok) dan kata empat huruf. Masing-masing dari tiga langkah berikutnya mencakup substitusi satu huruf tanpa kehilangan huruf (atau "karbon"). Dua langkah berikutnya masing-masing melibatkan hilangnya huruf (atau, sekali lagi, "karbon"). Sisa skema mempertahankan persyaratan kata empat huruf dengan cara yang sama dengan langkah terakhir dari siklus Krebs mencakup molekul empat karbon yang berbeda dan terkait erat.

Terlepas dari perangkat khusus ini, Anda mungkin merasa bermanfaat untuk menggambar sendiri sel lengkap atau bagian dari sel yang mengelilingi a mitokondria, dan sketsa reaksi glikolisis sedetail yang Anda suka di bagian sitoplasma dan siklus Krebs di bagian bagian matriks mitokondria. Anda akan, dalam sketsa ini, menunjukkan piruvat yang dibawa ke bagian dalam mitokondria, tetapi Anda juga bisa menggambar panah yang mengarah ke fermentasi, yang juga terjadi di sitoplasma.