De Krebs-cyclus gemakkelijk gemaakt

De Krebs-cyclus, genoemd naar de Nobelprijswinnaar en fysioloog Hans Krebs uit 1953, is een reeks metabolische reacties die plaatsvinden in de mitochondriën van eukaryotische cellen. Eenvoudiger gezegd betekent dit dat bacteriën niet de cellulaire machinerie hebben voor de Krebs-cyclus, dus het beperkt zich tot planten, dieren en schimmels.

Glucose is het molecuul dat uiteindelijk wordt gemetaboliseerd door levende wezens om energie te verkrijgen, in de vorm van adenosinetrifosfaat, of ATP. Glucose kan in tal van vormen in het lichaam worden opgeslagen; glycogeen is niet meer dan een lange keten van glucosemoleculen die wordt opgeslagen in spier- en levercellen, terwijl koolhydraten, eiwitten en vetten in de voeding componenten hebben die kunnen worden gemetaboliseerd tot glucose als goed. Wanneer een glucosemolecuul een cel binnenkomt, wordt het in het cytoplasma afgebroken tot pyruvaat.

Wat er daarna gebeurt, hangt af van of het pyruvaat het aerobe ademhalingspad (het gebruikelijke resultaat) of het lactaatfermentatiepad binnengaat (gebruikt bij aanvallen van hoge intensiteit of zuurstofgebrek) voordat het uiteindelijk zorgt voor ATP-productie en het vrijkomen van koolstof dioxide (CO

De Krebs-cyclus - ook wel de citroenzuurcyclus of de tricarbonzuur (TCA) -cyclus genoemd - is de eerste stap in de aerobe route en werkt om voortdurend te synthetiseren genoeg van een stof genaamd oxaalacetaat om de cyclus gaande te houden, hoewel, zoals je zult zien, dit niet echt de 'missie' van de cyclus is. De Krebs-cyclus biedt andere voordelen zoals: goed. Omdat het zo'n acht reacties (en dienovereenkomstig negen enzymen) omvat, waarbij negen verschillende moleculen, is het handig om tools te ontwikkelen om de belangrijke punten van de cyclus recht in je geest.

Glucose is een zes-koolstof (hexose) suiker die in de natuur meestal in de vorm van een ring is. Zoals alle monosachariden (suikermonomeren), bestaat het uit koolstof, waterstof en zuurstof in een verhouding van 1-2-1, met als formule C₆H₁₂O₆. Het is een van de eindproducten van het eiwit-, koolhydraat- en vetzuurmetabolisme en dient als brandstof in elk type organisme, van eencellige bacteriën tot mensen en grotere dieren.

Glycolyse is anaëroob in de strikte zin van "zonder zuurstof". Dat wil zeggen, de reacties gaan door of O₂ in cellen aanwezig is of niet. Wees voorzichtig om dit te onderscheiden van "zuurstof" moet niet zijn aanwezig", hoewel dit het geval is met sommige bacteriën die daadwerkelijk worden gedood door zuurstof en bekend staan ​​als obligate anaëroben.

Bij de glycolysereacties wordt de glucose met zes koolstofatomen aanvankelijk gefosforyleerd - dat wil zeggen, er is een fosfaatgroep aan toegevoegd. Het resulterende molecuul is een gefosforyleerde vorm van fructose (fruitsuiker). Dit molecuul wordt vervolgens een tweede keer gefosforyleerd. Elk van deze fosforyleringen vereist een ATP-molecuul, die beide worden omgezet in adenosinedifosfaat of ADP. Het zes-koolstofmolecuul wordt vervolgens omgezet in twee drie-koolstofmoleculen, die snel worden omgezet in pyruvaat. Onderweg wordt bij de verwerking van beide moleculen 4 ATP geproduceerd met behulp van twee moleculen NAD+ (nicotinamide-adenine-dinucleotide) die worden omgezet in twee moleculen NADH. Dus voor elk glucosemolecuul dat glycolyse binnengaat, een netto van twee ATP, twee pyruvaat en ate twee NADH worden geproduceerd, terwijl twee NAD+ worden verbruikt.

Zoals eerder opgemerkt, hangt het lot van pyruvaat af van de metabolische eisen en de omgeving van het organisme in kwestie. In prokaryoten voorziet glycolyse plus fermentatie in bijna alle energiebehoeften van de enkele cel, hoewel sommige van deze organismen zijn geëvolueerd elektronentransportketens die hen in staat stellen om gebruik maken van zuurstof om ATP vrij te maken uit metabolieten (producten) van glycolyse. Zowel in prokaryoten als in alle eukaryoten, behalve in gist, als er geen zuurstof beschikbaar is of als de energiebehoefte van de cel niet volledig kan worden vervuld door aerobe ademhaling wordt pyruvaat via fermentatie omgezet in melkzuur onder invloed van het enzym lactaatdehydrogenase, of LDH.

Pyruvaat bestemd voor de Krebs-cyclus beweegt van de cytoplasma over het membraan van celorganellen (functionele componenten in het cytoplasma) genaamd mitochondriën. Eenmaal in de mitochondriale matrix, een soort cytoplasma voor de mitochondriën zelf, wordt het omgezet onder invloed van het enzym pyruvaatdehydrogenase tot een andere drie-koolstofverbinding genaamd acetyl-co-enzym een of acetyl COA. Veel enzymen kunnen uit een chemische reeks worden gehaald vanwege het achtervoegsel "-ase" dat ze delen.

Op dit punt zou u gebruik moeten maken van een diagram waarin de Krebs-cyclus wordt beschreven, omdat dit de enige manier is om zinvol te volgen; zie de bronnen voor een voorbeeld.

De reden dat de Krebs-cyclus zo wordt genoemd, is dat een van de belangrijkste producten, oxaalacetaat, ook een reactant is. Dat wil zeggen, wanneer het twee-koolstof acetyl CoA, gecreëerd uit pyruvaat, de cyclus van "stroomopwaarts" binnenkomt, reageert het met oxaalacetaat, een vier-koolstofmolecuul, en vormt citraat, een zes-koolstofmolecuul. Citraat, een symmetrisch molecuul, bevat drie carboxylgroepen, die de vorm (-COOH) hebben in hun geprotoneerde vorm en (-COO-) in hun niet-geprotoneerde vorm. Het is dit trio van carboxylgroepen dat de naam "tricarbonzuur" aan deze cyclus verleent. De synthese wordt aangedreven door de toevoeging van een watermolecuul, waardoor dit een condensatiereactie wordt, en het verlies van het co-enzym A-gedeelte van acetyl CoA.

Citraat wordt vervolgens herschikt tot een molecuul met dezelfde atomen in een andere rangschikking, die passend isocitraat wordt genoemd. Dit molecuul geeft dan een CO. af₂ om de vijf-koolstofverbinding α-ketoglutaraat te worden, en in de volgende stap gebeurt hetzelfde, waarbij α-ketoglutaraat een CO verliest₂ terwijl het een co-enzym A terugkrijgt om succinyl-CoA te worden. Dit molecuul met vier koolstofatomen wordt succinaat met het verlies van CoA en wordt vervolgens herschikt in een processie van gedeprotoneerde zuren met vier koolstofatomen: fumaraat, malaat en uiteindelijk oxaalacetaat.

De centrale moleculen van de Krebs-cyclus zijn dan, in volgorde,

1. Acetyl COA
   
2. Citraat
   
3. isocitraat
   
4. α-ketoglutaraat 
   
5. Succinyl CoA
   
6. succinaat
   
7. fumaraat
   
8. Malaat
   
9. Oxaalacetaatace
   

Hierbij zijn de namen van de enzymen en een aantal kritische co-reactanten weggelaten, waaronder NAD+/NADH, het gelijkaardige moleculepaar FAD/FADH₂ (flavine adenine dinucleotide) en CO₂.

Merk op dat de hoeveelheid koolstof op hetzelfde punt in elke cyclus hetzelfde blijft. Oxaalacetaat neemt twee koolstofatomen op wanneer het wordt gecombineerd met acetyl CoA, maar deze twee atomen gaan verloren in de eerste helft van de Krebs-cyclus als CO₂ bij opeenvolgende reacties waarbij NAD+ ook wordt gereduceerd tot NADH. (In de scheikunde, om enigszins te vereenvoudigen, voegen reductiereacties protonen toe terwijl oxidatiereacties ze verwijderen.) Kijkend naar het proces als geheel, en alleen onderzoekend deze twee-, vier-, vijf- en zes-koolstofreactanten en producten, is het niet meteen duidelijk waarom cellen zich zouden bezighouden met zoiets als een biochemische Ferris wiel, met verschillende rijders uit dezelfde populatie die op en van het stuur worden geladen, maar aan het eind van de dag verandert er niets behalve een groot aantal beurten van de wiel.

Het doel van de Krebs-cyclus wordt duidelijker als je kijkt naar wat er met waterstofionen gebeurt in deze reacties. Op drie verschillende punten verzamelt een NAD+ een proton en op een ander punt verzamelt FAD twee protonen. Zie protonen – vanwege hun effect op positieve en negatieve ladingen – als elektronenparen. Volgens deze visie is het punt van de cyclus de accumulatie van hoogenergetische elektronenparen uit kleine koolstofmoleculen.

Het is u misschien opgevallen dat twee kritische moleculen die naar verwachting aanwezig zijn in aerobe ademhaling ontbreken in de Krebs-cyclus: Zuurstof (O₂) en ATP, de vorm van energie die rechtstreeks door cellen en weefsels wordt gebruikt om werk uit te voeren zoals groei, herstel enzovoort. Nogmaals, dit komt omdat de Krebs-cyclus een tafelzetter is voor de elektronentransportkettingreacties die dichtbij plaatsvinden, in het mitochondriale membraan in plaats van in de mitochondriale matrix. De elektronen die door nucleotiden (NAD+ en FAD) in de cyclus worden geoogst, worden "stroomafwaarts" gebruikt wanneer ze worden geaccepteerd door zuurstofatomen in de transportketen. De Krebs-cyclus verwijdert in feite waardevolle materialen in een ogenschijnlijk onopvallende cirkelvormige transportband en exporteert ze naar een nabijgelegen verwerkingscentrum waar het echte productieteam aan het werk is.

Merk ook op dat de schijnbaar onnodige reacties in de Krebs-cyclus (waarom tenslotte acht stappen nemen om te bereiken wat gedaan zou kunnen worden) in misschien drie of vier?) moleculen genereren die, hoewel tussenproducten in de Krebs-cyclus, kunnen dienen als reactanten in niet-verwante reacties.

Ter referentie, NAD accepteert een proton bij stap 3, 4 en 8, en in de eerste twee van deze CO₂ wordt afgeworpen; een molecuul guanosinetrifosfaat (GTP) wordt geproduceerd uit GDP bij stap 5; en FAD accepteert twee protonen bij stap 6. In stap 1 'vertrekt' CoA, maar 'keert terug' in stap 4. In feite is alleen stap 2, de herschikking van citraat in isocitraat, "stil" buiten de koolstofmoleculen in de reactie.

Vanwege het belang van de Krebs-cyclus in de biochemie en de menselijke fysiologie, zijn er studenten, professoren en anderen gekomen met een aantal geheugensteuntjes, of manieren om namen te onthouden, om te helpen bij het onthouden van de stappen en reactanten in de Krebs fiets. Als men alleen de koolstofreactanten, tussenproducten en producten wil onthouden, is het mogelijk om te werken vanaf de eerste letters van opeenvolgende verbindingen zoals ze verschijnen (O, Ac, C, I, K, Sc, S, F, M; merk hier op dat "co-enzym A" wordt weergegeven door een kleine "c"). U kunt van deze letters een pittige persoonlijke zin maken, waarbij de eerste letters van de moleculen dienen als de eerste letters in de woorden van de zin.

Een meer geavanceerde manier om dit te doen, is door een geheugensteuntje te gebruiken waarmee je het aantal koolstof kunt bijhouden atomen bij elke stap, waardoor je misschien beter kunt internaliseren wat er vanuit een biochemisch standpunt gebeurt keer. Als u bijvoorbeeld een zesletterwoord het zes-koolstofoxaalacetaat laat vertegenwoordigen, en dienovereenkomstig voor kleinere woorden en moleculen, je kunt een schema maken dat zowel bruikbaar is als geheugenapparaat als informatie rijk. Een medewerker van het "Journal of Chemical Education" stelde voor: volgend idee:

1. vrijgezel
   
2. Tintelen
   
3. Wirwar 
   
4. Mangel
   
5. Schurft
   
6. Manen
   
7. gezond
   
8. zong
   
9. Zingen
   

Hier zie je een woord van zes letters gevormd door een woord (of groep) van twee letters en een woord van vier letters. Elk van de volgende drie stappen omvat een enkele lettervervanging zonder verlies van letters (of "koolstof"). De volgende twee stappen omvatten elk het verlies van een letter (of, nogmaals, "koolstof"). De rest van het schema behoudt de vierletterige woordvereiste op dezelfde manier als de laatste stappen van de Krebs-cyclus verschillende, nauw verwante vier-koolstofmoleculen omvatten.

Afgezien van deze specifieke apparaten, kan het nuttig zijn om een ​​volledige cel of een deel van een cel rond een cel te tekenen mitochondrion, en schets de reacties van glycolyse zo gedetailleerd als je wilt in het cytoplasmagedeelte en de Krebs-cyclus in het mitochondriale matrix deel. Je zou in deze schets laten zien dat pyruvaat naar het binnenste van de mitochondriën wordt gependeld, maar je zou ook een pijl kunnen tekenen die leidt tot fermentatie, wat ook in het cytoplasma plaatsvindt.