מחזור קרבס נעשה קל

מחזור קרבס, על שמו של חתן פרס נובל לפיזיולוג 1953 והנס קרבס, הוא סדרה של תגובות מטבוליות המתרחשות ב מיטוכונדריה שֶׁל תאים איקריוטיים. במילים פשוטות יותר, פירוש הדבר שלחיידקים אין מכונות תאיות למחזור קרבס, ולכן זה מוגבל לצמחים, בעלי חיים ופטריות.

גלוקוז הוא המולקולה שבסופו של דבר מטבוליזם על ידי יצורים חיים כדי להפיק אנרגיה, בצורה של אדנוזין טריפוספט, או ATP. ניתן לאחסן את הגלוקוז בגוף בצורות רבות; גליקוגן הוא מעט יותר מאשר שרשרת ארוכה של מולקולות גלוקוז המאוחסנות בתאי שריר וכבד, בעוד שלפחמימות, חלבונים ושומנים תזונתיים יש רכיבים שניתן למטבוליזם לגלוקוז כמו נו. כאשר מולקולה של גלוקוז נכנסת לתא, היא מתפרקת בציטופלזמה לפירובט.

מה שקורה אחר כך תלוי אם הפירובט נכנס לנתיב הנשימה האירובי (התוצאה הרגילה) או בדרך התסיסה הלקטטית (משמש בהתקפי אימון בעצימות גבוהה או מחסור בחמצן) לפני שהוא מאפשר בסופו של דבר ייצור ATP ושחרור פחמן דו חמצני (CO₂) ומים (ח₂O) כתוצרי לוואי.

מחזור קרבס - המכונה גם מחזור חומצת לימון או מחזור חומצה טריקרבוקסילית (TCA) - הוא הצעד הראשון במסלול האירובי, והוא פועל לסינתזה מתמיד. מספיק חומר שנקרא אוקסאלואצטט כדי להמשיך במחזור, אם כי, כפי שתראו, זה לא באמת "המשימה" של המחזור. מחזור קרבס מספק יתרונות אחרים כמו נו. מכיוון שהוא כולל שמונה תגובות (ובהתאם, תשעה אנזימים) הכוללות תשעה מובחנות מולקולות, כדאי לפתח כלים לשמירה על הנקודות החשובות של המחזור אכפת.

גלוקוז הוא סוכר בעל שש פחמן (הקסוז) שבטבעו בדרך כלל בצורת טבעת. כמו כל החד סוכרים (מונומרים סוכר), הוא מורכב מפחמן, מימן וחמצן ביחס של 1-2-1, עם נוסחה של C₆ה₁₂או₆. זהו אחד התוצרים הסופיים של חילוף החומרים של חלבון, פחמימות וחומצות שומן ומשמש דלק בכל סוג של אורגניזם החל מחיידקים חד תאיים ועד לבני אדם ובעלי חיים גדולים יותר.

גליקוליזה הוא אנאירובי במובן המחמיר של "ללא חמצן". כלומר, התגובות נמשכות בין אם O₂ קיים בתאים או לא. היזהר להבחין בין "חמצן חייב לא להיות נוכח, "אם כי זה המקרה של כמה חיידקים שדווקא נהרגים על ידי חמצן והם ידועים כ אנאירובים מחייבים.

בתגובות הגליקוליזה, הגלוקוז עם שישה הפחמן זרחן בתחילה - כלומר, יש לו קבוצת פוספט. המולקולה שנוצרת היא צורה פרוקטוזית (סוכר פירות) זרחני. לאחר מכן מולקולה זו זרחנית בפעם השנייה. כל אחד מהזרחנים הללו דורש מולקולה של ATP, ששניהם מומרים לאדנוזין דיפוספט, או ADP. מולקולת שש הפחמן מומרת לשתי מולקולות שלוש פחמן, שהופכו במהירות לפירובט. בדרך, בעיבוד שתי המולקולות, 4 ATP מיוצרים בעזרת שתי מולקולות של NAD + (ניקוטינמיד אדנין דינוקליאוטיד) שהופכות לשתי מולקולות של NADH. כך עבור כל מולקולת גלוקוז שנכנסת לגליקוליזה, נטו של שני ATP, שני פירובט ו- מיוצרים שני NADH ואילו שני NADH נצרכים.

כפי שצוין קודם לכן, גורל הפירובט תלוי בדרישות המטבוליות ובסביבה של האורגניזם המדובר. בפרוקריוטים, גליקוליזה בתוספת תסיסה מספקים כמעט את כל צרכי האנרגיה של התא היחיד, אם כי חלק מהאורגניזמים הללו התפתחו. שרשראות הובלת אלקטרונים שמאפשרים להם השתמש בחמצן כדי לשחרר ATP ממטבוליטים (מוצרים) של הגליקוליזה. בפרוקריוטים כמו גם בכל האיקריוטים פרט לשמרים, אם אין חמצן זמין או אם לא ניתן לענות על צורכי האנרגיה של התא באמצעות נשימה אירובית, פירובט מומר לחומצה לקטית באמצעות תסיסה בהשפעת האנזים לקטטה דהידרוגנאז, או LDH.

פירובט המיועד למחזור קרבס עובר מהארץ ציטופלזמה על פני קרום אברוני התא (רכיבים פונקציונליים בציטופלזמה) הנקראים מיטוכונדריה. פעם במטריקס המיטוכונדריה, שהוא מעין ציטופלזמה עבור המיטוכונדריה עצמן, הוא מומר בהשפעת האנזים פירובט דה-הידרוגנאז לתרכובת אחרת עם שלושה פחמן הנקראת אצטיל קואנזים A או אצטיל CoA. ניתן לבחור אנזימים רבים ממערך כימי בגלל הסיומת "-אז" שהם חולקים.

בשלב זה עליכם להיעזר בתרשים המפרט את מחזור קרבס, שכן זו הדרך היחידה לעקוב בצורה משמעותית; ראה את המשאבים לדוגמא.

הסיבה לכך שמעגל קרבס נקרא כך הוא שאחד ממוצריו העיקריים, אוקסאלואצטט, הוא גם מגיב. כלומר, כאשר CoA דו-פחמן CoA שנוצר מפירובט נכנס למעגל מ"מעלה הזרם ", הוא מגיב עם אוקסאלו-אצטט, מולקולת ארבע פחמן, ויוצר ציטראט, מולקולה עם שש פחמן. ציטראט, מולקולה סימטרית, כולל שלוש קבוצות קרבוקסיל, שיש להם את הצורה (-COOH) בצורתם הפרוטונית ו- (-COO-) בצורתם הלא-פוטונית. שלישיית קבוצות קרבוקסיל זו היא שמעניקה את השם "חומצה טריקרבוקסילית" למחזור זה. הסינתזה מונעת על ידי תוספת של מולקולת מים, מה שהופך את זה לתגובת עיבוי ואובדן הקואנזים חלק של אצטיל CoA.

לאחר מכן סידור מחדש של ציטראט למולקולה עם אותם אטומים בסידור אחר, הנקרא כראוי איזוציטראט. מולקולה זו ואז פולטת CO₂ להפוך לתרכובת חמישה פחמן α-ketoglutarate, ובשלב הבא אותו דבר מתרחש, כאשר α-ketoglutarate מאבד CO₂ תוך החזרת קואנזים A להיות סושיניל CoA. מולקולת ארבע פחמן זו הופכת לסוצינאטית עם אובדן ה- CoA, ובהמשך היא מסודרת לתהלוכה של חומצות מונעות ארבעה פחמן: fumarate, malate ולבסוף oxaloacetate.

המולקולות המרכזיות של מחזור קרבס, אם כן, לפי הסדר

1. אצטיל CoA
   
2. ציטראט
   
3. איזוציטראט
   
4. α-ketoglutarate 
   
5. Succinyl CoA
   
6. עסיסי
   
7. Fumarate
   
8. מלאט
   
9. Oxaloacetate
   

זה משמיט את שמות האנזימים ומספר מגיבים קריטיים, ביניהם NAD + / NADH, צמד המולקולות הדומה FAD / FADH₂ (פלואין אדנין דינוקליאוטיד) ו- CO₂.

שימו לב שכמות הפחמן באותה נקודה בכל מחזור נשארת זהה. Oxaloacetate קולט שני אטומי פחמן כאשר הוא משלב עם אצטיל CoA, אך שני אטומים אלה אבדו במחצית הראשונה של מחזור קרבס כ- CO₂ בתגובות עוקבות בהן NAD + מצטמצם גם ל- NADH. (בכימיה, כדי לפשט מעט, תגובות הפחתה מוסיפות פרוטונים בזמן שתגובות חמצון מסירות אותם.) התבוננות בתהליך כולו ובחינת רק מגיבים ומוצרים אלה עם שני, ארבעה, חמש ושש פחמן, לא ברור מיד מדוע תאים יעסקו במשהו כמו דומה לביס כימי גלגל, עם רוכבים שונים מאותה אוכלוסייה המועמסים על ההגה ומחוצה להם אך שום דבר לא משתנה בסוף היום למעט הרבה מאוד סיבובים של גַלגַל.

מטרת מחזור קרבס ברורה יותר כאשר מסתכלים מה קורה ליוני מימן בתגובות אלה. בשלוש נקודות שונות, NAD + אוסף פרוטון, ובנקודה אחרת, FAD אוסף שני פרוטונים. חשוב על פרוטונים - בגלל השפעתם על מטענים חיוביים ושליליים - כזוגות אלקטרונים. על פי השקפה זו, נקודת המחזור היא הצטברות של זוגות אלקטרונים בעלי אנרגיה גבוהה ממולקולות פחמן קטנות.

ייתכן שתבחין כי שתי מולקולות קריטיות שצפויות להיות בנשימה אירובית חסרות ממעגל קרבס: חמצן (O₂) ו- ATP, צורת האנרגיה המופעלת ישירות על ידי תאים ורקמות לביצוע עבודות כמו צמיחה, תיקון וכן הלאה. שוב, זאת מכיוון שמחזור קרבס הוא מגדיר שולחן לתגובות שרשרת הובלת אלקטרונים המתרחשות בסמוך, בקרום המיטוכונדריה ולא במטריצה ​​המיטוכונדריה. האלקטרונים שנקטפו על ידי נוקלאוטידים (NAD + ו- FAD) במחזור משמשים "במורד הזרם" כאשר הם מקבלים על ידי אטומי חמצן בשרשרת התחבורה. מחזור קרבס למעשה מפשט חומר יקר במסוע מעגלי שלכאורה לא ראוי לציון ומייצא אותם למרכז עיבוד סמוך שבו צוות הייצור האמיתי עובד.

כמו כן, שים לב שהתגובות המיותרות לכאורה במחזור קרבס (אחרי הכל, מדוע לנקוט שמונה צעדים כדי להשיג את מה שניתן לעשות אולי בשלושה או ארבעה?) יוצרים מולקולות שאמנם בינוניים במחזור קרבס, אך יכולות לשמש כמגיבים בלא קשורים תגובות.

לצורך התייחסות, NAD מקבל פרוטון בשלבים 3, 4 ו- 8, ובשניים הראשונים של CO אלה₂ נשפך; מולקולה של גואנוזין טריפוספט (GTP) מיוצרת מהתוצר בשלב 5; ו- FAD מקבל שני פרוטונים בשלב 6. בשלב 1, CoA "עוזב", אך "חוזר" בשלב 4. למעשה, רק שלב 2, סידור מחדש של ציטראט לאיזוציטראט, "שקט" מחוץ למולקולות הפחמן בתגובה.

בגלל החשיבות של מחזור קרבס בביוכימיה ובפיזיולוגיה אנושית, סטודנטים, פרופסורים ואחרים הגיעו עם מספר מנמונים, או דרכים לזכור שמות, כדי לעזור לזכור את הצעדים והמגיבים בקרבס מחזור. אם רוצים רק לזכור את מגיבי הפחמן, חומרי הביניים והמוצרים, ניתן לעבוד מהאותיות הראשונות של תרכובות עוקבות כפי שהן מופיעות (O, Ac, C, I, K, Sc, S, F, M; כאן, שים לב ש"קואנזים A "מיוצג על ידי" c "קטן). אתה יכול ליצור ביטוי מותאם אישית מדויק מאותיות אלה, כאשר האותיות הראשונות של המולקולות משמשות האותיות הראשונות במילים של הביטוי.

דרך מתוחכמת יותר לעשות זאת היא להשתמש בתזכורת המאפשרת לך לעקוב אחר מספר הפחמן אטומים בכל שלב, מה שעשוי לאפשר לכם להפנים טוב יותר את המתרחש מבחינה ביוכימית בכלל פִּי. לדוגמא, אם אתה נותן למילה בת שש אותיות לייצג את oxaloacetate בעל שש הפחמן, ובהתאם ל- מילים ומולקולות קטנות יותר, אתה יכול לייצר תכנית שהיא שימושית גם כמכשיר זיכרון וגם כמידע עָשִׁיר. אחד התורמים ל"כתב העת לחינוך כימי "הציע את בעקבות הרעיון:

1. יחיד
   
2. לָחוּשׁ עִקצוּץ
   
3. סְבַך 
   
4. לְהַשְׁחִית
   
5. שְׁחִין בְּהֵמוֹת
   
6. רַעמָה
   
7. שָׁפוּי בְּדַעתוֹ
   
8. סאנג
   
9. לָשִׁיר
   

כאן רואים מילה בת שש אותיות שנוצרת על ידי מילה בת שתי אותיות (או קבוצה) ומילה בת ארבע אותיות. כל אחד משלושת הצעדים הבאים כולל החלפת אותיות אחת ללא אובדן אותיות (או "פחמן"). שני השלבים הבאים כוללים כל אחד מהם אובדן של אות (או, שוב, "פחמן"). שאר התוכנית שומרת על דרישת המילה בת ארבע אותיות, באותו אופן שהשלבים האחרונים של מחזור קרבס כוללים מולקולות שונות של ארבע פחמן הקשורות זה לזה.

מלבד המכשירים הספציפיים הללו, ייתכן שתמצא תועלת לצייר לעצמך תא שלם או חלק מהתא שמקיף את המיטוכונדריון, ושרטט את תגובות הגליקוליזה בפירוט רב ככל שתרצה בחלק הציטופלזמה ובמחזור קרבס באזור חלק מטריקס מיטוכונדריאלי. היית, בסקיצה זו, מראה כי פירובט מועבר לחלק הפנימי של המיטוכונדריה, אך תוכל גם לצייר חץ המוביל לתסיסה, המתרחש גם בציטופלזמה.