Krebsa cikls ir vienkāršs

Krebsa cikls, kas nosaukts 1953. gada Nobela prēmijas laureāta un fiziologa Hansa Krebsa vārdā, ir vielmaiņas reakciju virkne, kas notiek mitohondrijos gada eikariotu šūnas. Vienkāršāk sakot, tas nozīmē, ka baktērijām nav šūnu mehānisma Krebsa ciklam, tāpēc tas attiecas tikai uz augiem, dzīvniekiem un sēnēm.

Glikoze ir molekula, kas galu galā tiek metabolizēta ar dzīvām būtnēm, lai iegūtu enerģiju adenozīna trifosfāts vai ATP. Glikozi organismā var uzglabāt daudzos veidos; glikogēns ir nedaudz vairāk par garu glikozes molekulu ķēdi, kas tiek uzkrāta muskuļu un aknu šūnās, kamēr uztura ogļhidrātiem, olbaltumvielām un taukiem ir sastāvdaļas, kuras var metabolizēt līdz glikozei kā labi. Kad glikozes molekula nonāk šūnā, tā citoplazmā tiek sadalīta piruvātā.

Kas notiks tālāk, ir atkarīgs no tā, vai piruvāts nonāk aerobās elpošanas ceļā (parastais rezultāts) vai laktāta fermentācijas ceļā (ko izmanto augstas intensitātes vingrinājumu vai skābekļa trūkuma laikā), pirms tas galu galā ļauj ATP ražošanu un oglekļa izdalīšanos dioksīds (CO₂) un ūdeni (H₂O) kā blakusprodukti.

Krebsa cikls - saukts arī par citronskābes ciklu vai trikarboksilskābes (TCA) ciklu - ir pirmais solis aerobajā ceļā, un tas darbojas, lai nepārtraukti sintezētu pietiekami daudz vielas, ko sauc par oksaloacetātu, lai uzturētu ciklu, lai gan, kā redzēsit, šī patiesībā nav cikla "misija". Krebsa cikls sniedz citas priekšrocības kā labi. Jo tas ietver kādas astoņas reakcijas (un attiecīgi deviņus enzīmus), iesaistot deviņas atšķirīgas molekulas, ir lietderīgi izstrādāt rīkus, lai svarīgie cikla punkti būtu tieši jūsu prāts.

Glikoze ir sešu oglekļa (heksozes) cukurs, kas dabā parasti ir gredzena formā. Tāpat kā visi monosaharīdi (cukura monomēri), tas sastāv no oglekļa, ūdeņraža un skābekļa 1-2-1 proporcijā ar formulu C₆H₁₂O₆. Tas ir viens no olbaltumvielu, ogļhidrātu un taukskābju metabolisma galaproduktiem un kalpo kā degviela jebkura veida organismam, sākot no vienšūņu baktērijām līdz cilvēkiem un lielākiem dzīvniekiem.

Glikolīze ir anaerobais stingrā nozīmē "bez skābekļa". Tas ir, reakcijas turpinās, vai O₂ šūnās ir vai nav. Esiet uzmanīgs, lai to atšķirtu no "skābekļa nedrīkst būt "kaut arī tas notiek dažu baktēriju gadījumā, kuras faktiski iznīcina skābeklis un kuras sauc par obligātajiem anaerobiem.

Glikolīzes reakcijās sešu oglekļa glikoze sākotnēji tiek fosforilēta - tas ir, tai ir pievienota fosfātu grupa. Iegūtā molekula ir fosforilēta fruktozes (augļu cukura) forma. Pēc tam šo molekulu fosforilē otro reizi. Katrai no šīm fosforilācijām nepieciešama ATP molekula, kuras abas tiek pārveidotas par adenozīna difosfātu vai ADP. Pēc tam sešu oglekļa molekula tiek pārveidota par divām trīs oglekļa molekulām, kuras ātri pārvēršas par piruvātu. Pa ceļam, apstrādājot abas molekulas, ar divu NAD + (nikotīnamīda adenīna dinukleotīda) molekulu palīdzību tiek ražoti 4 ATP, kas tiek pārveidoti par divām NADH molekulām. Tādējādi katrai glikozes molekulai, kas nonāk glikolīzē, ir divu ATP, divu piruvātu un tiek ražoti divi NADH, kamēr tiek patērēti divi NAD +.

Kā jau iepriekš minēts, piruvāta liktenis ir atkarīgs no attiecīgā organisma metabolisma vajadzībām un vides. Prokariotos glikolīze un fermentācija nodrošina gandrīz visas vienas šūnas enerģijas vajadzības, lai gan daži no šiem organismiem ir attīstījušies elektronu transporta ķēdes kas viņiem ļauj izmantot skābekli, lai atbrīvotu ATP no glikolīzes metabolītiem (produktiem). Prokariotos, kā arī visos eikariotos, izņemot raugu, ja nav pieejams skābeklis vai ja šūnas enerģijas vajadzības nevar pilnībā apmierināt izmantojot aerobo elpošanu, piruvāts fermentācijas ceļā fermenta laktāta dehidrogenāzes ietekmē tiek pārvērsts par pienskābi, vai LDH.

Krebsa ciklam paredzētais piruvāts pārvietojas no citoplazma pāri šūnu organoīdu membrānai (funkcionālie komponenti citoplazmā) sauc mitohondrijos. Kad mitohondriju matricā, kas ir sava veida citoplazma pašiem mitohondrijiem, tā tiek pārveidota fermenta piruvāta dehidrogenāzes ietekmē uz citu trīs oglekļa savienojumu, ko sauc par acetilkoenzīmu A vai acetil CoA. Daudzus fermentus var izvēlēties no ķīmiskās sastāva, pateicoties kopīgotajam "-ase" sufiksam.

Šajā brīdī jums vajadzētu izmantot diagrammu, kurā sīki aprakstīts Krebsa cikls, jo tas ir vienīgais veids, kā jēgpilni sekot līdzi; skatiet piemēru Resursi.

Krebsa cikls kā tāds tiek nosaukts tāpēc, ka viens no tā galvenajiem produktiem, oksaloacetāts, ir arī reaģents. Tas ir, kad no piruvāta izveidots divu oglekļa acetil CoA, kas nonāk ciklā no "augšpus straumes", tas reaģē ar oksaloacetātu, četru oglekļa molekulu, un veido citrātu, sešu oglekļa molekulu. Citrāts, simetriska molekula, ietver trīs karboksilgrupas, kuru forma ir (-COOH) protonētā formā un (-COO-) neprototā formā. Tieši šis karboksilgrupu trio piešķir šim ciklam nosaukumu "trikarboksilskābe". Sintēzi vada ūdens molekulas pievienošana, padarot to par kondensāta reakciju un acetil CoA koenzīma A daļas zudumu.

Pēc tam citrāts tiek pārkārtots par molekulu ar vienādiem atomiem citā izkārtojumā, ko atbilstoši dēvē par izocitrātu. Pēc tam šī molekula izdala CO₂ kļūt par piecu oglekļa savienojumu α-ketoglutarātu, un nākamajā solī notiek tas pats, kad α-ketoglutarāts zaudē CO₂ vienlaikus atgūstot koenzīmu A, lai kļūtu par sukcinil CoA. Šī četru oglekļa molekula zaudē CoA, kļūst sukcināta, un pēc tam tiek pārkārtota četru oglekļa deprotonētu skābju: fumarāta, malāta un visbeidzot oksaloacetāta procesijā.

Tad Krebsa cikla centrālās molekulas pēc kārtas ir

1. Acetil CoA
   
2. Citrāts
   
3. Izocitrāts
   
4. α-ketoglutarāts 
   
5. Succinyl CoA
   
6. Sukcināts
   
7. Fumarāts
   
8. Malate
   
9. Oksaloacetāts
   

Tādējādi tiek izlaisti fermentu nosaukumi un vairāki kritiski reaģenti, tostarp NAD + / NADH, līdzīgs molekulu pāris FAD / FADH₂ (flavīna adenīna dinukleotīds) un CO₂.

Ņemiet vērā, ka oglekļa daudzums vienā ciklā jebkurā ciklā paliek nemainīgs. Oksaloacetāts, apvienojoties ar acetil CoA, uzņem divus oglekļa atomus, bet šie divi atomi tiek zaudēti Krebsa cikla pirmajā pusē kā CO₂ secīgās reakcijās, kurās arī NAD + tiek samazināts līdz NADH. (Ķīmijā, lai nedaudz vienkāršotu, reducēšanas reakcijas pievieno protonus, bet oksidēšanās reakcijas tos noņem.) Aplūkojot procesu kopumā un pārbaudot tikai šie divu, četru, piecu un sešu oglekļa reaģenti un produkti, nav uzreiz skaidrs, kāpēc šūnas iesaistītos kaut kā līdzīgā bioķīmiskajā ferrī ritenis, pie kura uz riteņa un no tā tiek piekrauti dažādi braucēji no vienas populācijas, bet dienas beigās nekas nemainās, izņemot ļoti daudzus ritenis.

Krebsa cikla mērķis ir acīmredzamāks, ja paskatās, kas šajās reakcijās notiek ar ūdeņraža joniem. Trīs dažādos punktos NAD + savāc protonu, un citā punktā FAD savāc divus protonus. Padomājiet par protoniem - to ietekmes uz pozitīvajiem un negatīvajiem lādiņiem - kā elektronu pāriem. Šajā skatījumā cikla punkts ir augstas enerģijas elektronu pāru uzkrāšanās no mazām oglekļa molekulām.

Jūs varat pamanīt, ka Krebsa ciklā trūkst divu kritisku molekulu, kas, domājams, atrodas aerobajā elpošanā: skābeklis (O₂) un ATP, enerģijas forma, ko šūnas un audi izmanto tieši tādu darbu veikšanai kā augšana, labošana un tā tālāk. Atkal tas ir tāpēc, ka Krebsa cikls ir tabulas iestatītājs elektronu transporta ķēdes reakcijām, kas notiek netālu, mitohondriju membrānā, nevis mitohondriju matricā. Elektroni, kurus ciklā savāc nukleotīdi (NAD + un FAD), tiek izmantoti "lejup pa straumi", kad tos pieņem skābekļa atomi transporta ķēdē. Krebsa cikls faktiski noņem vērtīgu materiālu šķietami neievērojamā apļveida konveijera lentē un eksportē tos uz tuvējo pārstrādes centru, kur strādā īstā ražošanas komanda.

Ņemiet vērā arī to, ka šķietami nevajadzīgās reakcijas Krebsa ciklā (galu galā, kāpēc veikt astoņus soļus, lai paveiktu to, ko varētu darīt varbūt trīs vai četrās?) ģenerē molekulas, kas, kaut arī starpprodukti Krebsa ciklā, var kalpot kā reaģenti nesaistītos reakcijas.

Uzziņai NAD pieņem protonu 3., 4. un 8. solī un pirmajos divos no šiem CO₂ ir izliets; no IKP 5. solī tiek ražota guanozīna trifosfāta (GTP) molekula; un FAD 6. solī pieņem divus protonus. 1. solī CoA "aiziet", bet "atgriežas" 4. solī. Faktiski tikai 2. solis, citrāta pārkārtošana izocitrātā, ārpus reakcijas oglekļa molekulām ir "kluss".

Sakarā ar Krebsa cikla nozīmi bioķīmijā un cilvēka fizioloģijā ir ieradušies studenti, profesori un citi ar vairākiem mnemotehniskiem līdzekļiem vai veidiem, kā atcerēties vārdus, lai palīdzētu atcerēties Krebsa soļus un reaģentus cikls. Ja vēlaties atcerēties tikai oglekļa reaģentus, starpproduktus un produktus, ir iespējams strādāt no secīgu savienojumu pirmajiem burtiem, kad tie parādās (O, Ac, C, I, K, Sc, S, F, M; ievērojiet, ka "koenzīmu A" apzīmē ar nelielu "c". No šiem burtiem jūs varat izveidot personalizētu izteiksmīgu frāzi, kur molekulas pirmie burti kalpo kā pirmie burti frāzes vārdos.

Sarežģītāks veids, kā to izdarīt, ir izmantot mnemotehniku, kas ļauj izsekot oglekļa skaitam atomiem katrā solī, kas var ļaut jums labāk internalizēt notiekošo vispār no bioķīmiskā viedokļa reizes. Piemēram, ja jūs ļaujat sešu burtu vārdam apzīmēt sešu oglekļa oksaloacetātu un attiecīgi mazākus vārdus un molekulas, varat izveidot shēmu, kas ir noderīga gan kā atmiņas ierīce, gan kā informācija bagāts. Viens no žurnāla "Chemical Education Journal" dalībniekiem ierosināja šāda ideja:

1. Viens
   
2. Tingle
   
3. Tangle 
   
4. Mangle
   
5. Mange
   
6. Mani
   
7. Sane
   
8. Dziedāja
   
9. Dziedāt
   

Šeit redzat sešu burtu vārdu, ko veido divu burtu vārds (vai grupa) un četru burtu vārds. Katrā no nākamajām trim darbībām ietilpst viena burta aizstāšana bez burtu (vai "oglekļa") zuduma. Nākamie divi soļi katrā nozīmē burta (vai atkal "oglekļa") zaudēšanu. Pārējā shēma saglabā četru burtu vārda prasību tādā pašā veidā, kā pēdējie Krebsa cikla soļi ietver dažādas, cieši saistītas četru oglekļa molekulas.

Izņemot šīs īpašās ierīces, jums var būt noderīgi uzzīmēt sev pilnu šūnu vai šūnas daļu, kas ieskauj a mitohondriju, un ieskicējiet glikolīzes reakcijas tik detalizēti, cik vēlaties citoplazmas daļā un Krebsa ciklā mitohondriju matricas daļa. Šajā skicē jūs parādīsit, kā piruvāts tiek pārvietots mitohondriju iekšienē, bet jūs varētu arī uzzīmēt bultiņu, kas noved pie fermentācijas, kas notiek arī citoplazmā.