Ciclul Krebs ușor

Ciclul Krebs, numit după câștigătorul Premiului Nobel din 1953 și fiziolog Hans Krebs, este o serie de reacții metabolice care au loc în mitocondrii de Celulele eucariote. Mai simplu spus, acest lucru înseamnă că bacteriile nu au utilaje celulare pentru ciclul Krebs, deci se limitează la plante, animale și ciuperci.

Glucoza este molecula care este metabolizată în cele din urmă de ființele vii pentru a obține energie, sub formă de adenozin trifosfat sau ATP. Glucoza poate fi depozitată în organism sub numeroase forme; glicogenul este puțin mai mult decât un lanț lung de molecule de glucoză care este stocat în celulele musculare și hepatice, în timp ce carbohidrații, proteinele și grăsimile din dietă au componente care pot fi metabolizate în glucoză ca bine. Când o moleculă de glucoză intră într-o celulă, aceasta este descompusă în citoplasmă în piruvat.

Ce se întâmplă în continuare depinde dacă piruvatul intră pe calea respirației aerobe (rezultatul obișnuit) sau pe calea fermentației lactatului (utilizat în crize de exerciții fizice de intensitate mare sau privarea de oxigen) înainte de a permite în cele din urmă producția de ATP și eliberarea de carbon dioxid (CO

Ciclul Krebs - numit și ciclul acidului citric sau ciclul acidului tricarboxilic (TCA) - este primul pas în calea aerobă și funcționează pentru a sintetiza continuu suficientă substanță numită oxaloacetat pentru a menține ciclul în mișcare, deși, după cum veți vedea, aceasta nu este cu adevărat „misiunea” ciclului. Ciclul Krebs oferă alte beneficii ca bine. Deoarece include aproximativ opt reacții (și, în consecință, nouă enzime) care implică nouă distincte molecule, este util să dezvoltați instrumente pentru a menține punctele importante ale ciclului drepte în dumneavoastră minte.

Glucoza este un zahăr cu șase carbon (hexoză) care în natură este de obicei sub forma unui inel. Ca toate monozaharidele (monomerii zahărului), este format din carbon, hidrogen și oxigen într-un raport 1-2-1, cu o formulă de C₆H₁₂O₆. Este unul dintre produsele finale ale proteinelor, carbohidraților și metabolismului acizilor grași și servește drept combustibil în fiecare tip de organism, de la bacterii unicelulare până la ființe umane și animale mai mari.

Glicoliza este anaerob în sensul strict al „fără oxigen”. Adică reacțiile se desfășoară indiferent dacă O₂ este prezent sau nu în celule. Aveți grijă să deosebiți acest lucru de „oxigen nu trebuie sa fie prezent, „deși acesta este cazul unor bacterii care sunt de fapt ucise de oxigen și sunt cunoscute sub numele de anaerobi obligați.

În reacțiile glicolizei, glucoza cu șase carbonuri este inițial fosforilată - adică are o grupare fosfat atașată la aceasta. Molecula rezultată este o formă fosforilată de fructoză (zahăr din fructe). Această moleculă este apoi fosforilată a doua oară. Fiecare dintre aceste fosforilări necesită o moleculă de ATP, ambele fiind convertite în adenozin difosfat sau ADP. Molecula cu șase carbon este apoi transformată în două molecule cu trei carbon, care sunt transformate rapid în piruvat. Pe parcurs, în procesarea ambelor molecule, se produc 4 ATP cu ajutorul a două molecule de NAD + (nicotinamidă adenină dinucleotidă) care sunt transformate în două molecule de NADH. Astfel, pentru fiecare moleculă de glucoză care intră în glicoliză, o rețea de două ATP, doi piruvat și sunt produse două NADH, în timp ce două NAD + sunt consumate.

După cum sa menționat anterior, soarta piruvatului depinde de cerințele metabolice și de mediul organismului în cauză. În procariote, glicoliza plus fermentația asigură aproape toate nevoile de energie ale unei singure celule, deși unele dintre aceste organisme au evoluat lanțuri de transport de electroni care le permit utilizați oxigenul pentru a elibera ATP de metaboliții (produsele) glicolizei. La procariote, precum și la toate eucariotele, cu excepția drojdiei, dacă nu există oxigen disponibil sau dacă nevoile de energie ale celulei nu pot fi satisfăcute pe deplin prin respirație aerobă, piruvatul este transformat în acid lactic prin fermentare sub influența enzimei lactat dehidrogenază sau LDH.

Piruvatul destinat ciclului Krebs se deplasează de la citoplasma peste membrana organelor celulare (componente funcționale din citoplasmă) numită mitocondrii. Odată ajuns în matricea mitocondrială, care este un fel de citoplasmă pentru mitocondriile în sine, este convertită sub influența enzimei piruvat dehidrogenază la un alt compus din trei carbon, numit acetil coenzimă A sau acetil CoA. Multe enzime pot fi selectate dintr-o linie chimică din cauza sufixului „-ază” pe care îl împart.

În acest moment ar trebui să vă folosiți de o diagramă care detaliază ciclul Krebs, deoarece este singura modalitate de a urma în mod semnificativ; vezi Resursele pentru un exemplu.

Motivul pentru care ciclul Krebs este numit ca atare este acela că unul dintre produsele sale principale, oxaloacetatul, este, de asemenea, un reactant. Adică, atunci când acetil CoA cu doi carboni creat din piruvat intră în ciclu din „amonte”, acesta reacționează cu oxaloacetat, o moleculă cu patru carbon și formează citrat, o moleculă cu șase carbon. Citratul, o moleculă simetrică, include trei grupări carboxil, care au forma (-COOH) în forma lor protonată și (-COO-) în forma lor neprotonată. Acest trio de grupări carboxil este cel care conferă denumirea de „acid tricarboxilic” acestui ciclu. Sinteza este condusă de adăugarea unei molecule de apă, făcând din aceasta o reacție de condensare și pierderea porțiunii de coenzimă A din acetil CoA.

Citratul este apoi rearanjat într-o moleculă cu aceiași atomi într-un aranjament diferit, care se numește în mod adecvat izocitrat. Această moleculă emite apoi un CO₂ să devină compusul cu cinci atomi de carbon α-cetoglutarat, iar în etapa următoare se întâmplă același lucru, α-cetoglutaratul pierzând un CO₂ în timp ce recâștiga o coenzimă A pentru a deveni succinil CoA. Această moleculă cu patru carboni devine succinată odată cu pierderea de CoA și este rearanjată ulterior într-o procesiune de acizi deprotonați cu patru carbon: fumarat, malat și în cele din urmă oxaloacetat.

Moleculele centrale ale ciclului Krebs, apoi, în ordine, sunt

1. Acetil CoA
   
2. Citrat
   
3. Izocitrat
   
4. α-cetoglutarat 
   
5. Succinil CoA
   
6. Succes
   
7. Fumarat
   
8. Malat
   
9. Oxaloacetat
   

Aceasta omite numele enzimelor și un număr de co-reactanți critici, printre care NAD + / NADH, perechea de molecule similare FAD / FADH₂ (flavin adenină dinucleotidă) și CO₂.

Rețineți că cantitatea de carbon în același punct din orice ciclu rămâne aceeași. Oxaloacetatul preia doi atomi de carbon atunci când se combină cu acetil CoA, dar acești doi atomi se pierd în prima jumătate a ciclului Krebs ca CO₂ în reacții succesive în care NAD + este redus și la NADH. (În chimie, pentru a simplifica oarecum, reacțiile de reducere adaugă protoni în timp ce reacțiile de oxidare îi elimină.) Privind procesul în ansamblu și examinând doar acești reactanți și produse cu doi, patru, cinci și șase atomi de carbon, nu este clar de ce celulele s-ar angaja în ceva de genul seamănă cu un Ferris biochimic roți, cu călăreți diferiți din aceeași populație încărcați și coborâți de pe roată, dar nimic nu se schimbă la sfârșitul zilei, cu excepția multor viraje ale roată.

Scopul ciclului Krebs este mai evident atunci când te uiți la ce se întâmplă cu ionii de hidrogen în aceste reacții. În trei puncte diferite, un NAD + colectează un proton, iar într-un punct diferit, FAD colectează doi protoni. Gândiți-vă la protoni - datorită efectului lor asupra sarcinilor pozitive și negative - ca perechi de electroni. Din această perspectivă, punctul ciclului este acumularea de perechi de electroni de mare energie din molecule mici de carbon.

Este posibil să observați că din ciclul Krebs lipsesc două molecule critice așteptate să fie prezente în respirația aerobă: Oxigen (O₂) și ATP, forma de energie utilizată direct de celule și țesuturi pentru a efectua lucrări precum creșterea, repararea și așa mai departe. Din nou, acest lucru se datorează faptului că ciclul Krebs este un set de tabel pentru reacțiile în lanț de transport de electroni care apar în apropiere, mai degrabă în membrana mitocondrială decât în ​​matricea mitocondrială. Electronii recoltați de nucleotide (NAD + și FAD) în ciclu sunt folosiți „în aval” atunci când sunt acceptați de atomii de oxigen din lanțul de transport. De fapt, ciclul Krebs îndepărtează materialul valoros într-o bandă transportoare circulară aparent de neobișnuit și le exportă către un centru de procesare din apropiere, unde se află echipa de producție reală.

Rețineți, de asemenea, că reacțiile aparent inutile din ciclul Krebs (la urma urmei, de ce să faceți opt pași pentru a realiza ceea ce s-ar putea face în trei sau patru?) generează molecule care, deși sunt intermediare în ciclul Krebs, pot servi drept reactanți în reacții.

Pentru referință, NAD acceptă un proton la pașii 3, 4 și 8 și în primii doi dintre acești CO₂ este vărsat; o moleculă de guanozin trifosfat (GTP) este produsă din PIB la Pasul 5; iar FAD acceptă doi protoni la Pasul 6. La pasul 1, CoA „pleacă”, dar „revine” la pasul 4. De fapt, doar Pasul 2, rearanjarea citratului în izocitrat, este „silențios” în afara moleculelor de carbon din reacție.

Datorită importanței ciclului Krebs în biochimie și fiziologie umană, au venit studenți, profesori și alții cu o serie de mnemonice, sau modalități de a-ți aminti nume, pentru a ajuta la amintirea pașilor și reactanților din Krebs ciclu. Dacă se dorește doar să ne amintim reactanții de carbon, intermediari și produse, este posibil să se lucreze de la primele litere de compuși succesivi pe măsură ce apar (O, Ac, C, I, K, Sc, S, F, M; aici, observați că „coenzima A” este reprezentată de un mic „c”). Puteți crea o frază personalizată din aceste litere, primele litere ale moleculelor servind drept primele litere din cuvintele expresiei.

Un mod mai sofisticat de a face acest lucru este de a utiliza un mnemonic care vă permite să urmăriți numărul de carbon atomi la fiecare pas, ceea ce vă poate permite să interiorizați mai bine ceea ce se întâmplă din punct de vedere biochimic ori. De exemplu, dacă lăsați un cuvânt din șase litere să reprezinte oxaloacetatul cu șase carbon și în mod corespunzător pentru cuvinte și molecule mai mici, puteți produce o schemă care este utilă atât ca dispozitiv de memorie, cât și ca informație bogat. Un contribuitor la "Journal of Chemical Education" a propus urmând ideea:

1. Singur
   
2. Furnica
   
3. Încurcătură 
   
4. Calandru
   
5. Mange
   
6. Coamă
   
7. Sanat
   
8. Cântat
   
9. Cânta
   

Aici, vedeți un cuvânt din șase litere format dintr-un cuvânt din două litere (sau grup) și un cuvânt din patru litere. Fiecare dintre următorii trei pași include o singură înlocuire a literelor fără pierderi de litere (sau „carbon”). Următorii doi pași implică fiecare pierderea unei litere (sau, din nou, „carbon”). Restul schemei păstrează cerința de cuvinte din patru litere, în același mod în care ultimii pași ai ciclului Krebs includ diferite molecule de patru carbon, strâns legate.

În afară de aceste dispozitive specifice, s-ar putea să fie benefic să vă atrageți o celulă completă sau o porțiune a unei celule care înconjoară o mitocondriului și schițați reacțiile glicolizei cu cât de multe detalii doriți în partea citoplasmei și ciclul Krebs în partea matricei mitocondriale. În această schiță, ați arăta că piruvatul este transportat în interiorul mitocondriilor, dar ați putea trage și o săgeată care duce la fermentare, care are loc și în citoplasmă.