Cykl Krebsa stał się łatwy

Cykl Krebsa, nazwany na cześć laureata Nagrody Nobla i fizjologa Hansa Krebsa z 1953 roku, to seria reakcji metabolicznych zachodzących w mitochondria z komórki eukariotyczne. Mówiąc prościej, oznacza to, że bakterie nie mają maszynerii komórkowej dla cyklu Krebsa, więc ograniczają się do roślin, zwierząt i grzybów.

Glukoza jest cząsteczką, która jest ostatecznie metabolizowana przez żywe organizmy w celu uzyskania energii w postaci form trifosforan adenozyny lub ATP. Glukoza może być magazynowana w organizmie w wielu postaciach; glikogen to niewiele więcej niż długi łańcuch cząsteczek glukozy, który jest przechowywany w komórkach mięśniowych i wątrobowych, podczas gdy węglowodany, białka i tłuszcze w diecie zawierają składniki, które mogą być metabolizowane do glukozy jako dobrze. Kiedy cząsteczka glukozy dostanie się do komórki, jest rozkładana w cytoplazmie na pirogronian.

To, co dzieje się dalej, zależy od tego, czy pirogronian wejdzie na ścieżkę oddychania tlenowego (zwykły wynik) czy na ścieżkę fermentacji mleczanu (stosowany w napadach ćwiczeń o wysokiej intensywności lub pozbawienia tlenu), zanim ostatecznie pozwoli na produkcję ATP i uwolnienie węgla dwutlenek (CO

Cykl Krebsa – zwany również cyklem kwasu cytrynowego lub cyklem kwasu trikarboksylowego (TCA) – jest pierwszym krokiem na szlaku tlenowym i działa w celu ciągłej syntezy wystarczająca ilość substancji zwanej szczawiooctanem, aby podtrzymać cykl, chociaż, jak zobaczysz, nie jest to tak naprawdę „misja” cyklu. Cykl Krebsa zapewnia inne korzyści, jak dobrze. Ponieważ zawiera około ośmiu reakcji (i odpowiednio dziewięciu enzymów) obejmujących dziewięć różnych molekuł, warto opracować narzędzia, które utrzymają ważne punkty cyklu w prostym umysł.

Glukoza jest sześciowęglowym (heksozowym) cukrem, który w naturze ma zwykle postać pierścienia. Jak wszystkie monosacharydy (monomery cukru), składa się z węgla, wodoru i tlenu w proporcji 1-2-1, o wzorze C₆H₁₂O₆. Jest jednym z końcowych produktów metabolizmu białek, węglowodanów i kwasów tłuszczowych i służy jako paliwo w każdym typie organizmu, od jednokomórkowych bakterii po ludzi i większe zwierzęta.

Glikoliza jest beztlenowa w ścisłym znaczeniu „bez tlenu”. Oznacza to, że reakcje przebiegają niezależnie od tego, czy O₂ jest obecny w komórkach lub nie. Uważaj, aby odróżnić to od „tlen nie może być obecne”, chociaż tak jest w przypadku niektórych bakterii, które są faktycznie zabijane przez tlen i są znane jako bezwzględne beztlenowce.

W reakcjach glikolizy sześciowęglowa glukoza jest początkowo fosforylowana – czyli ma dołączoną do niej grupę fosforanową. Powstała cząsteczka jest fosforylowaną formą fruktozy (cukru owocowego). Ta cząsteczka jest następnie fosforylowana po raz drugi. Każda z tych fosforylacji wymaga cząsteczki ATP, które są przekształcane w difosforan adenozyny lub ADP. Cząsteczka sześciowęglowa jest następnie przekształcana w dwie cząsteczki trzywęglowe, które szybko przekształcają się w pirogronian. Po drodze, w procesie przetwarzania obu cząsteczek, 4 ATP są wytwarzane za pomocą dwóch cząsteczek NAD+ (dinukleotydu nikotynamidoadeninowego), które są przekształcane w dwie cząsteczki NADH. Tak więc na każdą cząsteczkę glukozy, która wchodzi w glikolizę, przypada sieć dwóch ATP, dwóch pirogronianu i produkowane są dwa NADH, podczas gdy dwa NAD+ są zużywane.

Jak wspomniano wcześniej, los pirogronianu zależy od wymagań metabolicznych i środowiska danego organizmu. U prokariontów glikoliza i fermentacja zapewniają prawie wszystkie potrzeby energetyczne pojedynczej komórki, chociaż niektóre z tych organizmów wyewoluowały łańcuchy transportu elektronów które pozwalają im wykorzystać tlen do uwolnienia ATP z metabolitów (produktów) glikolizy. U prokariontów, a także u wszystkich eukariontów z wyjątkiem drożdży, jeśli nie ma dostępnego tlenu lub jeśli zapotrzebowanie energetyczne komórki nie może być w pełni zaspokojone poprzez oddychanie tlenowe pirogronian jest przekształcany w kwas mlekowy poprzez fermentację pod wpływem enzymu dehydrogenazy mleczanowej, lub LDH.

Pirogronian przeznaczony do cyklu Krebsa przenosi się z cytoplazma przez błonę organelli komórkowych (funkcjonalne składniki cytoplazmy) zwane mitochondria. W macierzy mitochondrialnej, która jest rodzajem cytoplazmy dla samych mitochondriów, ulega konwersji pod wpływem enzymu dehydrogenazy pirogronianowej na inny związek trójwęglowy zwany koenzymem acetylowym A lub acetylo-CoA. Wiele enzymów można wyselekcjonować ze składu chemicznego ze względu na wspólny przyrostek „-azy”.

W tym momencie powinieneś skorzystać z diagramu opisującego cykl Krebsa, ponieważ jest to jedyny sposób, aby sensownie podążać dalej; zobacz Zasoby na przykład.

Powodem, dla którego cykl Krebsa jest tak nazwany, jest to, że jeden z jego głównych produktów, szczawiooctan, jest również reagentem. Oznacza to, że gdy dwuwęglowy acetylo-CoA wytworzony z pirogronianu wchodzi w cykl „od góry”, reaguje ze szczawiooctanem, cząsteczką czterowęglową i tworzy cytrynian, cząsteczkę sześciowęglową. Cytrynian, symetryczna cząsteczka, zawiera trzy grupy karboksylowe, które mają postać (-COOH) w postaci protonowanej i (-COO-) w postaci nieprotonowanej. To właśnie to trio grup karboksylowych nadaje temu cyklowi nazwę „kwas trikarboksylowy”. Synteza jest napędzana przez dodanie cząsteczki wody, co powoduje reakcję kondensacji i utratę części acetylo-CoA koenzymu A.

Cytrynian jest następnie przekształcany w cząsteczkę z tymi samymi atomami w innym ułożeniu, co słusznie nazywa się izocytrynianem. Ta cząsteczka następnie wydziela CO₂ stać się związkiem pięciowęglowym α-ketoglutaranem, a w kolejnym kroku dzieje się to samo, z α-ketoglutaranem tracącym CO₂ podczas odzyskiwania koenzymu A, aby stać się sukcynylo-CoA. Ta czterowęglowa cząsteczka staje się bursztynianem z utratą CoA, a następnie przekształca się w procesję czterowęglowych kwasów deprotonowanych: fumaranu, jabłczanu i wreszcie szczawiooctanu.

Centralnymi cząsteczkami cyklu Krebsa są zatem kolejno

1. Acetylo-CoA
   
2. Cytrynian
   
3. Izocytrat
   
4. α-ketoglutaran 
   
5. sukcynyl CoA
   
6. bursztynian
   
7. Fumaran
   
8. Jabłczan
   
9. Szczawiooctan
   

Pomija to nazwy enzymów i szereg krytycznych ko-reagentów, wśród nich NAD+/NADH, podobna para cząsteczek FAD/FADH₂ (dinukleotyd flawinoadeninowy) i CO₂.

Zauważ, że ilość węgla w tym samym punkcie w każdym cyklu pozostaje taka sama. Szczawiooctan wychwytuje dwa atomy węgla, gdy łączy się z acetylo-CoA, ale te dwa atomy są tracone w pierwszej połowie cyklu Krebsa jako CO₂ w kolejnych reakcjach, w których NAD+ jest również redukowany do NADH. (W chemii, żeby nieco uprościć, reakcje redukcji dodają protony, podczas gdy reakcje utleniania je usuwają.) Patrząc na proces jako całość i badając tylko te dwu-, cztero-, pięcio- i sześciowęglowe reagenty i produkty, nie jest od razu jasne, dlaczego komórki miałyby zaangażować się w coś podobnego do biochemicznego Ferrisa koło, z różnymi jeźdźcami z tej samej populacji, którzy są ładowani na i z koła, ale nic się nie zmienia pod koniec dnia, z wyjątkiem wielu zakrętów koło.

Cel cyklu Krebsa jest bardziej oczywisty, gdy spojrzysz na to, co dzieje się z jonami wodorowymi w tych reakcjach. W trzech różnych punktach NAD+ zbiera proton, aw innym FAD zbiera dwa protony. Pomyśl o protonach – ze względu na ich wpływ na ładunki dodatnie i ujemne – jak o parach elektronów. Z tego punktu widzenia punktem cyklu jest akumulacja wysokoenergetycznych par elektronów z małych cząsteczek węgla.

Możesz zauważyć, że w cyklu Krebsa brakuje dwóch krytycznych cząsteczek, których oczekuje się, że będą obecne w oddychaniu tlenowym: Tlen (O₂) i ATP, forma energii bezpośrednio wykorzystywana przez komórki i tkanki do wykonywania takich prac, jak wzrost, naprawa i tak dalej. Znowu dzieje się tak dlatego, że cykl Krebsa jest tłem dla reakcji łańcuchowych transportu elektronów, które zachodzą w pobliżu, w błonie mitochondrialnej, a nie w macierzy mitochondrialnej. Elektrony zbierane przez nukleotydy (NAD+ i FAD) w cyklu są wykorzystywane „w dół”, gdy są akceptowane przez atomy tlenu w łańcuchu transportowym. Cykl Krebsa w efekcie usuwa cenny materiał na pozornie nijakim okrągłym przenośniku taśmowym i eksportuje go do pobliskiego centrum przetwarzania, gdzie pracuje prawdziwy zespół produkcyjny.

Zwróć też uwagę, że pozornie niepotrzebne reakcje w cyklu Krebsa (w końcu po co robić osiem kroków, aby osiągnąć to, co można zrobić być może trzy lub cztery?) generują cząsteczki, które, choć pośrednie w cyklu Krebsa, mogą służyć jako reagenty w niepowiązanych reakcje.

Dla porównania, NAD akceptuje proton w krokach 3, 4 i 8 oraz w pierwszych dwóch z nich CO₂ jest rzucany; cząsteczka trifosforanu guanozyny (GTP) jest wytwarzana z GDP w etapie 5; a FAD akceptuje dwa protony w kroku 6. W kroku 1 CoA „odchodzi”, ale „powraca” w kroku 4. W rzeczywistości tylko etap 2, przegrupowanie cytrynianu w izocytrynian, jest „ciche” poza cząsteczkami węgla w reakcji.

Ze względu na znaczenie cyklu Krebsa w biochemii i fizjologii człowieka przybyli studenci, profesorowie i inni z wieloma mnemotechnikami lub sposobami zapamiętywania imion, aby pomóc w zapamiętaniu kroków i reagentów w Krebs cykl. Jeśli ktoś chce tylko zapamiętać reagenty węglowe, związki pośrednie i produkty, można pracować od pierwszych liter kolejnych związków, tak jak się pojawiają (O, Ac, C, I, K, Sc, S, F, M; tutaj zauważ, że „koenzym A” jest reprezentowany przez małe „c”). Możesz stworzyć zwięzłą, spersonalizowaną frazę z tych liter, przy czym pierwsze litery cząsteczek będą pierwszymi literami słów frazy.

Bardziej wyrafinowanym sposobem na to jest użycie mnemonika, który pozwala śledzić liczbę węgla atomy na każdym kroku, co może w ogóle pozwolić na lepszą internalizację tego, co się dzieje z biochemicznego punktu widzenia czasy. Na przykład, jeśli pozwolisz, aby sześcioliterowe słowo oznaczało sześciowęglowy szczawiooctan, a odpowiednio dla mniejsze słowa i molekuły, możesz stworzyć schemat, który jest użyteczny zarówno jako nośnik pamięci, jak i informacja bogaty. Jeden z autorów „Journal of Chemical Education” zaproponował: następujący pomysł:

1. Pojedynczy
   
2. Swędzić
   
3. Splot 
   
4. Magiel
   
5. Świerzb
   
6. Grzywa
   
7. Rozsądny
   
8. Śpiewał
   
9. Śpiewać
   

Tutaj widzisz sześcioliterowe słowo utworzone przez dwuliterowe słowo (lub grupę) i czteroliterowe słowo. Każdy z kolejnych trzech kroków obejmuje podstawienie pojedynczych liter bez utraty liter (lub „węgla”). Kolejne dwa kroki obejmują utratę litery (lub ponownie „węgla”). Pozostała część schematu zachowuje wymóg czteroliterowego słowa w taki sam sposób, w jaki ostatnie etapy cyklu Krebsa obejmują różne, blisko spokrewnione cząsteczki czterowęglowe.

Oprócz tych konkretnych urządzeń, korzystne może być narysowanie sobie całej komórki lub części komórki otaczającej mitochondrium i naszkicuj reakcje glikolizy tak szczegółowo, jak chcesz w części cytoplazmatycznej i cyklu Krebsa w części część macierzy mitochondrialnej. Na tym szkicu pokazałbyś, jak pirogronian przedostaje się do wnętrza mitochondriów, ale mógłbyś też narysować strzałkę prowadzącą do fermentacji, która również zachodzi w cytoplazmie.