Krebs Cycle Made Easy

Krebs-syklusen, oppkalt etter Nobelprisvinneren og fysiologen Hans Krebs i 1953, er en serie metabolske reaksjoner som finner sted i mitokondrier av eukaryote celler. Forenklet sagt betyr dette at bakterier ikke har mobilmaskineriet for Krebs-syklusen, så det er begrenset til planter, dyr og sopp.

Glukose er molekylet som til slutt metaboliseres av levende ting for å få energi, i form av adenosintrifosfat, eller ATP. Glukose kan lagres i kroppen i mange former; glykogen er lite mer enn en lang kjede av glukosemolekyler som er lagret i muskel- og leverceller, mens karbohydrater, proteiner og fett i kosten har komponenter som kan metaboliseres til glukose som vi vil. Når et glukosemolekyl kommer inn i en celle, brytes det ned i cytoplasmaet til pyruvat.

Hva som skjer videre, avhenger av om pyruvat går inn i den aerobe respirasjonsveien (det vanlige resultatet) eller laktatgjæringsveien (brukes i anfall av høyintensiv trening eller oksygenmangel) før det til slutt tillater ATP-produksjon og frigjøring av karbon dioksid (CO₂) og vann (H₂O) som biprodukter.

Krebs-syklusen - også kalt sitronsyresyklusen eller trikarboksylsyresyklusen (TCA) - er det første trinnet i den aerobe banen, og den fungerer for å kontinuerlig syntetisere nok av et stoff som kalles oksaloacetat for å holde syklusen i gang, selv om dette, som du ser, egentlig ikke er syklusens "oppdrag". Krebs-syklusen gir andre fordeler som vi vil. Fordi den inkluderer noen åtte reaksjoner (og tilsvarende ni enzymer) som involverer ni forskjellige molekyler, er det nyttig å utvikle verktøy for å holde de viktige punktene i syklusen rett i deg tankene.

Glukose er et seks-karbon (heksose) sukker som i naturen vanligvis er i form av en ring. Som alle monosakkarider (sukkermonomerer), består den av karbon, hydrogen og oksygen i et forhold på 1-2-1, med en formel på C₆H₁₂O₆. Det er et av sluttproduktene av protein-, karbohydrat- og fettsyremetabolisme og fungerer som drivstoff i alle typer organismer, fra encellede bakterier til mennesker og større dyr.

Glykolyse er anaerob i streng forstand av "uten oksygen." Det vil si at reaksjonene fortsetter om O₂ er tilstede i celler eller ikke. Vær forsiktig med å skille dette fra "oksygen må ikke være til stede, "selv om dette er tilfelle med noen bakterier som faktisk blir drept av oksygen og er kjent som obligatoriske anaerober.

I reaksjonene av glykolyse blir seks-karbon glukose i utgangspunktet fosforyleres - det vil si at den har en fosfatgruppe som er knyttet til den. Det resulterende molekylet er en fosforylert form av fruktose (fruktsukker). Dette molekylet fosforyleres deretter en gang til. Hver av disse fosforyleringene krever et molekyl av ATP, som begge omdannes til adenosindifosfat, eller ADP. Seks-karbonmolekylet blir deretter omdannet til to tre-karbonmolekyler, som raskt blir omdannet til pyruvat. Underveis i prosessen av begge molekylene produseres 4 ATP ved hjelp av to NAD + -molekyler (nikotinamidadenindinukleotid) som blir omdannet til to NADH-molekyler. Dermed for hvert glukosemolekyl som kommer inn i glykolyse, et netto av to ATP, to pyruvat og to NADH produseres, mens to NAD + forbrukes.

Som nevnt tidligere, avhenger skjebnen til pyruvat av metabolske krav og miljøet til den aktuelle organismen. I prokaryoter gir glykolyse pluss gjæring nesten alt av enkeltcellens energibehov, selv om noen av disse organismer har utviklet seg elektrontransportkjeder som tillater dem å bruke oksygen for å frigjøre ATP fra metabolitter (produkter) av glykolyse. I prokaryoter så vel som i alle eukaryoter men gjær, hvis det ikke er noe oksygen tilgjengelig eller hvis celleens energibehov ikke kan oppfylles fullt ut gjennom aerob respirasjon omdannes pyruvat til melkesyre via gjæring under påvirkning av enzymet laktatdehydrogenase, eller LDH.

Pyruvat bestemt for Krebs-syklusen beveger seg fra cytoplasma over membranen av celleorganeller (funksjonelle komponenter i cytoplasmaet) som kalles mitokondrier. En gang i mitokondriell matrise, som er en slags cytoplasma for mitokondriene selv, blir den konvertert under påvirkning av enzymet pyruvat dehydrogenase til en annen tre-karbonforbindelse kalt acetylkoenzym A eller acetyl CoA. Mange enzymer kan plukkes ut fra en kjemisk oppstilling på grunn av "-ase" -suffikset de deler.

På dette tidspunktet bør du benytte deg av et diagram som beskriver Krebs-syklusen, da det er den eneste måten å følge meningsfullt med; se Ressursene for et eksempel.

Årsaken til at Krebs-syklusen er navngitt som sådan er at et av hovedproduktene, oksaloacetat, også er en reaktant. Det vil si at når to-karbonacetyl CoA opprettet fra pyruvat går inn i syklusen fra "oppstrøms", reagerer det med oksaloacetat, et fire-karbonmolekyl, og danner sitrat, et seks-karbonmolekyl. Citrat, et symmetrisk molekyl, inkluderer tre karboksylgrupper, som har formen (-COOH) i sin protonerte form og (-COO-) i sin ikke-fotonerte form. Det er denne trioen av karboksylgrupper som gir navnet "trikarboksylsyre" til denne syklusen. Syntesen er drevet av tilsetning av et vannmolekyl, noe som gjør dette til en kondensasjonsreaksjon, og tapet av koenzym A-delen av acetyl CoA.

Citrat arrangeres deretter i et molekyl med de samme atomer i et annet arrangement, som passende kalles isocitrat. Dette molekylet avgir deretter en CO₂ å bli fem-karbonforbindelsen α-ketoglutarat, og i neste trinn skjer det samme, med α-ketoglutarat som mister en CO₂ mens du gjenvinner et koenzym A for å bli succinyl CoA. Dette fire-karbonmolekylet blir succinat med tap av CoA, og blir deretter omorganisert til en prosesjon av fire-karbon deprotonerte syrer: fumarat, malat og til slutt oksaloacetat.

De sentrale molekylene i Krebs-syklusen er da i rekkefølge

1. Acetyl CoA
   
2. Sitrat
   
3. Isocitrate
   
4. α-ketoglutarat 
   
5. Succinyl CoA
   
6. Succinat
   
7. Fumarat
   
8. Malate
   
9. Oksaloacetat
   

Dette utelater navnene på enzymene og et antall kritiske ko-reaktanter, blant dem NAD + / NADH, det lignende molekylparet FAD / FADH₂ (flavin adenin dinucleotide) og CO₂.

Merk at mengden karbon på samme punkt i en hvilken som helst syklus forblir den samme. Oxaloacetate plukker opp to karbonatomer når det kombineres med acetyl CoA, men disse to atomene går tapt i første halvdel av Krebs-syklusen som CO₂ i påfølgende reaksjoner der NAD + også reduseres til NADH. (I kjemi, for å forenkle noe, tilfører reduksjonsreaksjoner protoner mens oksidasjonsreaksjoner fjerner dem.) Ser på prosessen som helhet, og undersøker bare disse to-, fire-, fem- og seks-karbonreaktantene og produktene, er det ikke umiddelbart klart hvorfor celler vil engasjere seg i noe som ligner en biokjemisk ferris hjul, med forskjellige ryttere fra samme befolkning lastet på og av rattet, men ingenting endres på slutten av dagen bortsett fra mange svinger av hjul.

Hensikten med Krebs-syklusen er mer åpenbar når du ser på hva som skjer med hydrogenioner i disse reaksjonene. På tre forskjellige punkter samler en NAD + en proton, og på et annet punkt samler FAD to protoner. Tenk på protoner - på grunn av deres effekt på positive og negative ladninger - som elektronpar. På denne visningen er poenget med syklusen akkumulering av elektroner med høy energi fra små karbonmolekyler.

Du kan legge merke til at to kritiske molekyler som forventes å være tilstede i aerob respirasjon mangler i Krebs-syklusen: Oksygen (O₂) og ATP, den formen for energi som direkte brukes av celler og vev for å utføre arbeid som vekst, reparasjon og så videre. Igjen, dette er fordi Krebs-syklusen er en bordsetter for elektrontransportkjedereaksjonene som oppstår i nærheten, i mitokondriemembranen i stedet for i mitokondriell matrise. Elektronene høstet av nukleotider (NAD + og FAD) i syklusen brukes "nedstrøms" når de aksepteres av oksygenatomer i transportkjeden. Krebs-syklusen fjerner i virkeligheten verdifullt materiale i et tilsynelatende umerkelig sirkulært transportbånd og eksporterer dem til et nærliggende prosesseringssenter der det virkelige produksjonsteamet er på jobb.

Legg også merke til at de tilsynelatende unødvendige reaksjonene i Krebs-syklusen (tross alt, hvorfor ta åtte trinn for å oppnå det som kan gjøres i kanskje tre eller fire?) genererer molekyler som, selv om de er mellomprodukter i Krebs-syklusen, kan tjene som reaktanter i ubeslektede reaksjoner.

Som referanse aksepterer NAD en proton i trinn 3, 4 og 8, og i de to første av disse CO₂ er skur; et molekyl av guanosintrifosfat (GTP) produseres fra BNP i trinn 5; og FAD aksepterer to protoner i trinn 6. I trinn 1 forlater CoA, men "returnerer" i trinn 4. Faktisk er bare trinn 2, omlegging av sitrat til isocitrat, "stille" utenfor karbonmolekylene i reaksjonen.

På grunn av viktigheten av Krebs-syklusen i biokjemi og menneskelig fysiologi, har studenter, professorer og andre kommet opp med en rekke mnemonics, eller måter å huske navn på, for å hjelpe med å huske trinnene og reaktantene i Krebs syklus. Hvis man bare ønsker å huske karbonreaktantene, mellomproduktene og produktene, er det mulig å arbeide fra de første bokstavene i suksessive forbindelser slik de ser ut (O, Ac, C, I, K, Sc, S, F, M; her, legg merke til at "koenzym A" er representert med et lite "c"). Du kan lage en pittig personlig setning fra disse bokstavene, med de første bokstavene i molekylene som tjener som de første bokstavene i uttrykkets ord.

En mer sofistikert måte å gjøre dette på er å bruke en mnemonic som lar deg holde oversikt over antall karbon atomer i hvert trinn, noe som kan tillate deg å bedre internalisere det som skjer i et biokjemisk synspunkt i det hele tatt ganger. Hvis du for eksempel lar et ord på seks bokstaver representere seks-karbonoksaloacetat, og tilsvarende for mindre ord og molekyler, kan du lage et skjema som både er nyttig som minneenhet og informasjon rik. En bidragsyter til "Journal of Chemical Education" foreslo følgende idé:

1. Enkelt
   
2. Tingle
   
3. Floke 
   
4. Mangle
   
5. Mange
   
6. Manke
   
7. Tilregnelig
   
8. Sang
   
9. Synge
   

Her ser du et ord på seks bokstaver dannet av et ord på to bokstaver (eller en gruppe) og et ord på fire bokstaver. Hver av de neste tre trinnene inkluderer en enkelt bokstavsubstitusjon uten tap av bokstaver (eller "karbon"). De neste to trinnene involverer tap av et brev (eller, igjen, "karbon"). Resten av ordningen bevarer ordkravet på fire bokstaver på samme måte som de siste trinnene i Krebs-syklusen inkluderer forskjellige, nært beslektede firekarbonmolekyler.

Bortsett fra disse spesifikke enhetene, kan det være nyttig å tegne en hel celle eller del av en celle som omgir en mitokondrion, og skissere reaksjonene av glykolyse så detaljert som du vil i cytoplasmadelen og Krebs-syklusen i mitokondrie matrisedel. Du vil i denne skissen vise at pyruvat blir skutt inn i det indre av mitokondriene, men du kan også tegne en pil som fører til gjæring, som også forekommer i cytoplasmaet.