Il ciclo di Krebs reso facile

Il ciclo di Krebs, dal nome del vincitore del premio Nobel 1953 e fisiologo Hans Krebs, è una serie di reazioni metaboliche che avvengono nel mitocondri di cellule eucariotiche. In parole povere, questo significa che i batteri non hanno il macchinario cellulare per il ciclo di Krebs, quindi è limitato a piante, animali e funghi.

Il glucosio è la molecola che viene infine metabolizzata dagli esseri viventi per ricavare energia, sotto forma di adenosina trifosfato o ATP. Il glucosio può essere immagazzinato nel corpo in numerose forme; il glicogeno è poco più di una lunga catena di molecole di glucosio che viene immagazzinata nelle cellule muscolari ed epatiche, mentre carboidrati, proteine ​​e grassi alimentari hanno componenti che possono essere metabolizzati in glucosio come to bene. Quando una molecola di glucosio entra in una cellula, viene scomposta nel citoplasma in piruvato.

Quello che succede dopo dipende dal fatto che il piruvato entri nel percorso della respirazione aerobica (il risultato normale) o nel percorso della fermentazione del lattato (utilizzato in periodi di esercizio ad alta intensità o privazione di ossigeno) prima che alla fine consenta la produzione di ATP e il rilascio di carbonio biossido (CO

Il ciclo di Krebs - chiamato anche ciclo dell'acido citrico o ciclo dell'acido tricarbossilico (TCA) - è il primo passo nel percorso aerobico e opera per sintetizzare continuamente abbastanza di una sostanza chiamata ossalacetato per mantenere il ciclo in corso, anche se, come vedrai, questa non è proprio la "missione" del ciclo. Il ciclo di Krebs fornisce altri vantaggi come bene. Perché include circa otto reazioni (e, di conseguenza, nove enzimi) che coinvolgono nove distinti molecole, è utile sviluppare strumenti per mantenere i punti importanti del ciclo dritti nel tuo mente.

Il glucosio è uno zucchero a sei atomi di carbonio (esoso) che in natura ha solitamente la forma di un anello. Come tutti i monosaccaridi (monomeri di zucchero), è costituito da carbonio, idrogeno e ossigeno in rapporto 1-2-1, con formula C₆H₁₂oh₆. È uno dei prodotti finali del metabolismo di proteine, carboidrati e acidi grassi e funge da combustibile in ogni tipo di organismo, dai batteri unicellulari agli esseri umani e agli animali più grandi.

glicolisi è anaerobico nel senso stretto di "senza ossigeno". Cioè, le reazioni procedono se O₂ è presente nelle cellule o no. Fai attenzione a distinguerlo da "ossigeno non deve essere presente", anche se questo è il caso di alcuni batteri che vengono effettivamente uccisi dall'ossigeno e sono noti come anaerobi obbligati.

Nelle reazioni della glicolisi, il glucosio a sei atomi di carbonio è inizialmente fosforilato, cioè ha un gruppo fosfato annesso ad esso. La molecola risultante è una forma fosforilata di fruttosio (zucchero della frutta). Questa molecola viene quindi fosforilata una seconda volta. Ognuna di queste fosforilazioni richiede una molecola di ATP, entrambe convertite in adenosina difosfato o ADP. La molecola a sei atomi di carbonio viene quindi convertita in due molecole a tre atomi di carbonio, che vengono rapidamente convertite in piruvato. Lungo il percorso, nella lavorazione di entrambe le molecole, vengono prodotti 4 ATP con l'aiuto di due molecole di NAD+ (nicotinammide adenina dinucleotide) che vengono convertite in due molecole di NADH. Quindi per ogni molecola di glucosio che entra nella glicolisi, una rete di due ATP, due piruvato e vengono prodotti due NADH, mentre vengono consumati due NAD+.

Come notato in precedenza, il destino del piruvato dipende dalle richieste metaboliche e dall'ambiente dell'organismo in questione. Nei procarioti, la glicolisi e la fermentazione forniscono quasi tutto il fabbisogno energetico della singola cellula, sebbene alcuni di questi organismi si siano evoluti catene di trasporto degli elettroni che permettono loro di utilizzare l'ossigeno per liberare ATP dai metaboliti (prodotti) della glicolisi. Nei procarioti così come in tutti gli eucarioti ad eccezione del lievito, se non c'è ossigeno disponibile o se il fabbisogno energetico della cellula non può essere pienamente soddisfatto attraverso la respirazione aerobica, il piruvato viene convertito in acido lattico tramite fermentazione sotto l'influenza dell'enzima lattato deidrogenasi, o LDH.

Il piruvato destinato al ciclo di Krebs si sposta dal citoplasma attraverso la membrana degli organelli cellulari (componenti funzionali nel citoplasma) chiamati mitocondri. Una volta nella matrice mitocondriale, che è una sorta di citoplasma per i mitocondri stessi, viene convertito sotto l'influenza dell'enzima piruvato deidrogenasi a un diverso composto a tre atomi di carbonio chiamato acetil coenzima A o acetil-CoA. Molti enzimi possono essere selezionati da una linea chimica a causa del suffisso "-asi" che condividono.

A questo punto dovresti avvalerti di un diagramma che dettaglia il ciclo di Krebs, poiché è l'unico modo per seguirlo in modo significativo; vedere le Risorse per un esempio.

Il motivo per cui il ciclo di Krebs è chiamato così è che uno dei suoi prodotti principali, l'ossalacetato, è anche un reagente. Cioè, quando l'acetil CoA a due atomi di carbonio creato dal piruvato entra nel ciclo da "monte", reagisce con ossalacetato, una molecola di quattro atomi di carbonio, e forma citrato, una molecola di sei atomi di carbonio. Il citrato, una molecola simmetrica, include tre gruppi carbossilici, che hanno la forma (-COOH) nella loro forma protonata e (-COO-) nella loro forma non protonata. È questo trio di gruppi carbossilici che presta il nome di "acido tricarbossilico" a questo ciclo. La sintesi è guidata dall'aggiunta di una molecola d'acqua, che la rende una reazione di condensazione, e dalla perdita della porzione del coenzima A dell'acetil CoA.

Il citrato viene quindi riorganizzato in una molecola con gli stessi atomi in una disposizione diversa, che viene opportunamente chiamata isocitrato. Questa molecola emette quindi una CO₂ per diventare il composto a cinque atomi di carbonio α-chetoglutarato, e nel passaggio successivo accade la stessa cosa, con l'α-chetoglutarato che perde un CO₂ mentre riacquista un coenzima A per diventare succinil CoA. Questa molecola a quattro atomi di carbonio diventa succinato con la perdita di CoA, e viene successivamente riorganizzata in una processione di acidi deprotonati a quattro atomi di carbonio: fumarato, malato e infine ossalacetato.

Le molecole centrali del ciclo di Krebs, quindi, nell'ordine, sono

1. Acetil-CoA
   
2. Citrato
   
3. isocitrato
   
4. α-chetoglutarato 
   
5. Succinil CoA
   
6. succinato
   
7. fumarato
   
8. malato
   
9. ossalacetato
   

Questo omette i nomi degli enzimi e un certo numero di co-reagenti critici, tra cui NAD+/NADH, la coppia di molecole simili FAD/FADH₂ (flavin adenina dinucleotide) e CO₂.

Nota che la quantità di carbonio nello stesso punto in qualsiasi ciclo rimane la stessa. L'ossalacetato raccoglie due atomi di carbonio quando si combina con l'acetil CoA, ma questi due atomi vengono persi nella prima metà del ciclo di Krebs sotto forma di CO₂ in reazioni successive in cui anche NAD+ viene ridotto a NADH. (In chimica, per semplificare un po', le reazioni di riduzione aggiungono protoni mentre le reazioni di ossidazione li rimuovono.) Osservando il processo nel suo insieme ed esaminando solo questi reagenti e prodotti a due, quattro, cinque e sei atomi di carbonio, non è immediatamente chiaro il motivo per cui le cellule dovrebbero impegnarsi in qualcosa di simile a un Ferris biochimico ruota, con diversi motociclisti della stessa popolazione che vengono caricati su e giù dalla ruota ma nulla cambia alla fine della giornata tranne che per un gran numero di giri del ruota.

Lo scopo del ciclo di Krebs è più ovvio quando si osserva cosa succede agli ioni idrogeno in queste reazioni. In tre punti diversi, un NAD+ raccoglie un protone e in un punto diverso, FAD raccoglie due protoni. Pensa ai protoni, a causa del loro effetto sulle cariche positive e negative, come coppie di elettroni. Da questo punto di vista, il punto del ciclo è l'accumulo di coppie di elettroni ad alta energia da piccole molecole di carbonio.

Potresti notare che nel ciclo di Krebs mancano due molecole critiche che dovrebbero essere presenti nella respirazione aerobica: l'ossigeno (O₂) e l'ATP, la forma di energia direttamente impiegata dalle cellule e dai tessuti per svolgere lavori come la crescita, la riparazione e così via. Ancora una volta, questo perché il ciclo di Krebs è un punto di riferimento per le reazioni a catena di trasporto degli elettroni che si verificano nelle vicinanze, nella membrana mitocondriale piuttosto che nella matrice mitocondriale. Gli elettroni raccolti dai nucleotidi (NAD+ e FAD) nel ciclo vengono utilizzati "a valle" quando vengono accettati dagli atomi di ossigeno nella catena di trasporto. Il ciclo di Krebs in effetti strappa via materiale prezioso in un nastro trasportatore circolare apparentemente insignificante e lo esporta in un vicino centro di lavorazione dove è al lavoro il vero team di produzione.

Nota anche che le reazioni apparentemente non necessarie nel ciclo di Krebs (dopotutto, perché fare otto passi per realizzare ciò che potrebbe essere fatto?) in forse tre o quattro?) generano molecole che, sebbene intermedie nel ciclo di Krebs, possono fungere da reagenti in reazioni.

Per riferimento, NAD accetta un protone ai passaggi 3, 4 e 8 e nei primi due di questi CO₂ è versato; una molecola di guanosina trifosfato (GTP) è prodotta dal PIL al passaggio 5; e FAD accetta due protoni al punto 6. Nel passaggio 1, CoA "lascia", ma "ritorna" nel passaggio 4. Infatti, solo il passaggio 2, il riarrangiamento del citrato in isocitrato, è "silenzioso" al di fuori delle molecole di carbonio nella reazione.

A causa dell'importanza del ciclo di Krebs in biochimica e fisiologia umana, studenti, professori e altri sono venuti con una serie di mnemonici, o modi per ricordare i nomi, per aiutare a ricordare i passaggi e i reagenti nel Krebs ciclo. Volendo ricordare solo i reagenti, gli intermedi e i prodotti del carbonio, è possibile lavorare dalle prime lettere dei composti successivi così come appaiono (O, Ac, C, I, K, Sc, S, F, M; qui, si noti che il "coenzima A" è rappresentato da una piccola "c"). Puoi creare una frase personalizzata concisa da queste lettere, con le prime lettere delle molecole che fungono da prime lettere nelle parole della frase.

Un modo più sofisticato per farlo è usare un mnemonico che ti permetta di tenere traccia del numero di carbonio atomi ad ogni passo, il che potrebbe consentire di interiorizzare meglio ciò che sta accadendo da un punto di vista biochimico volte. Ad esempio, se lasci che una parola di sei lettere rappresenti l'ossalacetato di sei atomi di carbonio e, di conseguenza, per parole e molecole più piccole, puoi produrre uno schema utile sia come dispositivo di memoria che come informazione ricco. Un collaboratore del "Journal of Chemical Education" ha proposto il seguente idea:

1. Single
   
2. Formicolare
   
3. Groviglio 
   
4. Mangle
   
5. Rogna
   
6. Criniera
   
7. sano di mente
   
8. Cantava
   
9. Cantare
   

Qui vedi una parola di sei lettere formata da una parola (o gruppo) di due lettere e una parola di quattro lettere. Ciascuno dei prossimi tre passaggi include una sostituzione di una singola lettera senza perdita di lettere (o "carbonio"). I prossimi due passaggi comportano ciascuno la perdita di una lettera (o, ancora, "carbonio"). Il resto dello schema conserva il requisito della parola di quattro lettere allo stesso modo in cui gli ultimi passaggi del ciclo di Krebs includono molecole di quattro atomi di carbonio strettamente correlate.

Oltre a questi dispositivi specifici, potresti trovare utile disegnare una cella completa o una porzione di una cella che circonda a mitocondrio e abbozza le reazioni della glicolisi con tutti i dettagli che desideri nella parte del citoplasma e il ciclo di Krebs nel parte della matrice mitocondriale. In questo schizzo, mostreresti il ​​piruvato che viene trasportato all'interno dei mitocondri, ma potresti anche disegnare una freccia che porta alla fermentazione, che si verifica anche nel citoplasma.