Цикл Кребса стал проще

Цикл Кребса, названный в честь лауреата Нобелевской премии 1953 года и физиолога Ганса Кребса, представляет собой серию метаболических реакций, которые происходят в митохондрии из эукариотические клетки. Проще говоря, это означает, что у бактерий нет клеточного аппарата для цикла Кребса, поэтому он ограничен растениями, животными и грибами.

Глюкоза - это молекула, которая в конечном итоге метаболизируется живыми существами для получения энергии в форме аденозинтрифосфат или АТФ. Глюкоза может храниться в организме во многих формах; гликоген - это не более чем длинная цепь молекул глюкозы, которая хранится в клетках мышц и печени, в то время как пищевые углеводы, белки и жиры содержат компоненты, которые могут метаболизироваться до глюкозы в виде хорошо. Когда молекула глюкозы попадает в клетку, она расщепляется в цитоплазме на пируват.

Что происходит дальше, зависит от того, попадает ли пируват на путь аэробного дыхания (обычный результат) или на путь ферментации лактата. (используется в приступах высокоинтенсивных упражнений или кислородного голодания) до того, как в конечном итоге позволит производить АТФ и высвобождать углерод. диоксид (CO

Цикл Кребса, также называемый циклом лимонной кислоты или циклом трикарбоновой кислоты (ТСА), является первым этапом аэробного пути, и он действует для непрерывного синтеза достаточно вещества под названием оксалоацетат, чтобы поддерживать цикл, хотя, как вы увидите, на самом деле это не «миссия» цикла. Цикл Кребса дает и другие преимущества: хорошо. Поскольку он включает около восьми реакций (и, соответственно, девять ферментов) с участием девяти различных молекул, полезно разработать инструменты, которые позволят четко выстроить важные моменты цикла в вашем разум.

Глюкоза - это шестиуглеродный (гексозный) сахар, который в природе обычно имеет форму кольца. Как и все моносахариды (мономеры сахаров), он состоит из углерода, водорода и кислорода в соотношении 1-2-1 с формулой C₆ЧАС₁₂О₆. Это один из конечных продуктов метаболизма белков, углеводов и жирных кислот и служит топливом для всех типов организмов, от одноклеточных бактерий до людей и более крупных животных.

Гликолиз является анаэробным в строгом смысле слова «без кислорода». То есть реакции продолжаются независимо от того, идет ли O₂ присутствует в клетках или нет. Будьте осторожны, чтобы отличить это от "кислородного не должно быть присутствует », хотя это относится к некоторым бактериям, которые фактически убиваются кислородом и известны как облигатные анаэробы.

В реакциях гликолиза шестиуглеродная глюкоза изначально фосфорилируется, то есть к ней присоединена фосфатная группа. Полученная молекула представляет собой фосфорилированную форму фруктозы (фруктовый сахар). Затем эта молекула фосфорилируется второй раз. Каждое из этих фосфорилирований требует молекулы АТФ, оба из которых превращаются в аденозиндифосфат или АДФ. Затем шестиуглеродная молекула превращается в две трехуглеродные молекулы, которые быстро превращаются в пируват. Попутно при процессинге обеих молекул 4 АТФ продуцируются с помощью двух молекул НАД + (никотинамидадениндинуклеотид), которые превращаются в две молекулы НАДН. Таким образом, для каждой молекулы глюкозы, которая вступает в гликолиз, сеть из двух АТФ, двух пирувата и два НАДН производятся, в то время как два НАД + потребляются.

Как отмечалось ранее, судьба пирувата зависит от метаболических требований и окружающей среды рассматриваемого организма. У прокариот гликолиз и ферментация обеспечивают почти все энергетические потребности отдельной клетки, хотя некоторые из этих организмов эволюционировали. цепи переноса электронов что позволяет им использовать кислород для высвобождения АТФ из метаболитов (продуктов) гликолиза. У прокариот, а также у всех эукариот, кроме дрожжей, если кислород недоступен или если энергетические потребности клетки не могут быть полностью удовлетворены посредством аэробного дыхания пируват превращается в молочную кислоту путем ферментации под действием фермента лактатдегидрогеназы, или LDH.

Пируват, предназначенный для цикла Кребса, движется из цитоплазма через мембрану клеточных органелл (функциональных компонентов цитоплазмы), называемых митохондрии. Попав в митохондриальный матрикс, который является своего рода цитоплазмой для самих митохондрий, он преобразуется под влиянием фермента пируватдегидрогеназы на другое трехуглеродное соединение, называемое ацетилкоферментом А или ацетил-КоА. Многие ферменты можно выделить из химического ряда из-за общего суффикса «-аза».

На этом этапе вы должны воспользоваться диаграммой, подробно описывающей цикл Кребса, поскольку это единственный способ осмысленно следовать ему; см. «Ресурсы» для примера.

Причина, по которой цикл Кребса назван так, заключается в том, что один из его основных продуктов, оксалоацетат, также является реагентом. То есть, когда двухуглеродный ацетил-КоА, созданный из пирувата, входит в цикл «выше по потоку», он вступает в реакцию с оксалоацетатом, четырехуглеродной молекулой, и образует цитрат, шестиуглеродную молекулу. Цитрат, симметричная молекула, включает три карбоксильные группы, которые имеют форму (-COOH) в протонированной форме и (-COO-) в непротонированной форме. Именно это трио карбоксильных групп дало этому циклу название «трикарбоновая кислота». Синтез осуществляется за счет добавления молекулы воды, что приводит к реакции конденсации, и потери кофермента А ацетил-КоА.

Затем цитрат перегруппировывается в молекулу с теми же атомами в другом расположении, которая уместно называется изоцитратом. Затем эта молекула выделяет CO₂ чтобы стать пятиуглеродным соединением α-кетоглутарат, и на следующем этапе происходит то же самое, с α-кетоглутаратом, теряющим CO₂ при восстановлении кофермента А, чтобы стать сукцинил-КоА. Эта четырехуглеродная молекула становится сукцинатной с потерей КоА и впоследствии перестраивается в последовательность четырехуглеродных депротонированных кислот: фумарата, малата и, наконец, оксалоацетата.

Тогда центральные молекулы цикла Кребса по порядку следующие:

1. Ацетил КоА
   
2. Цитрат
   
3. Изоцитрат
   
4. α-кетоглутарат 
   
5. Сукцинил КоА
   
6. Сукцинат
   
7. Фумарат
   
8. Малат
   
9. Оксалоацетат
   

При этом не упоминаются названия ферментов и ряд важных сореагентов, среди которых НАД + / НАДН, аналогичная пара молекул FAD / FADH.₂ (флавинадениндинуклеотид) и CO₂.

Обратите внимание, что количество углерода в одной и той же точке в любом цикле остается неизменным. Оксалоацетат улавливает два атома углерода, когда он соединяется с ацетил-КоА, но эти два атома теряются в первой половине цикла Кребса в виде CO₂ в последовательных реакциях, в которых НАД + также восстанавливается до НАДН. (В химии, чтобы несколько упростить, реакции восстановления добавляют протоны, а реакции окисления удаляют их.) Рассмотрение процесса в целом и рассмотрение только эти двух-, четырех-, пяти- и шестиуглеродные реагенты и продукты, не сразу понятно, почему клетки участвуют в чем-то вроде биохимического ферриса. колеса, с разными гонщиками из одной и той же группы, которые загружаются и снимаются с колеса, но в конце дня ничего не меняется, за исключением большого количества поворотов колесо.

Цель цикла Кребса становится более очевидной, если вы посмотрите, что происходит с ионами водорода в этих реакциях. В трех разных точках NAD + собирает протон, а в другой точке FAD собирает два протона. Подумайте о протонах - из-за их воздействия на положительные и отрицательные заряды - как о парах электронов. С этой точки зрения, точкой цикла является накопление высокоэнергетических электронных пар из небольших молекул углерода.

Вы можете заметить, что в цикле Кребса отсутствуют две критические молекулы, которые, как ожидается, будут присутствовать в аэробном дыхании: кислород (O₂) и АТФ, форма энергии, непосредственно используемая клетками и тканями для выполнения такой работы, как рост, восстановление и так далее. Опять же, это связано с тем, что цикл Кребса задает таблицу для цепных реакций переноса электронов, которые происходят поблизости, в митохондриальной мембране, а не в митохондриальном матриксе. Электроны, собранные нуклеотидами (NAD + и FAD) в цикле, используются «ниже по потоку», когда они принимаются атомами кислорода в транспортной цепи. По сути, цикл Кребса снимает ценный материал с кажущейся ничем не примечательной кольцевой конвейерной ленты и экспортирует его в ближайший обрабатывающий центр, где работает настоящая производственная команда.

Также обратите внимание, что кажущиеся ненужными реакции в цикле Кребса (в конце концов, зачем делать восемь шагов, чтобы выполнить то, что можно было бы сделать? в трех или четырех?) образуют молекулы, которые, хотя и являются промежуточными звеньями цикла Кребса, могут служить реагентами в несвязанных друг с другом реакции.

Для справки, НАД принимает протон на стадиях 3, 4 и 8, а на первых двух из этих стадий CO₂ сарай; молекула гуанозинтрифосфата (GTP) производится из GDP на этапе 5; и FAD принимает два протона на Шаге 6. На шаге 1 CoA «уходит», но «возвращается» на шаге 4. Фактически, только стадия 2, перегруппировка цитрата в изоцитрат, «молчит» вне молекул углерода в реакции.

Из-за важности цикла Кребса для биохимии и физиологии человека сюда приезжали студенты, профессора и другие люди. с помощью ряда мнемоник или способов запоминания имен, чтобы помочь запомнить шаги и реагенты в Кребсе цикл. Если кто-то хочет запомнить только углеродные реагенты, промежуточные соединения и продукты, можно работать с первых букв последовательных соединений по мере их появления (O, Ac, C, I, K, Sc, S, F, M; здесь обратите внимание, что «кофермент A» представлен маленькой буквой «c»). Вы можете создать лаконичную персонализированную фразу из этих букв, с первыми буквами молекул, которые будут первыми буквами в словах фразы.

Более сложный способ сделать это - использовать мнемонику, которая позволяет отслеживать количество углерода. атомы на каждом этапе, что может позволить вам лучше понять происходящее с биохимической точки зрения. раз. Например, если вы позволите слову из шести букв представлять оксалоацетат с шестью атомами углерода и, соответственно, слова и молекулы меньшего размера, вы можете создать схему, которая будет полезна как запоминающее устройство, так и информация богатый. Один из авторов "Журнала химического образования" предложил следующая идея:

1. Одинокий
   
2. Покалывание
   
3. Клубок 
   
4. Увечье
   
5. Mange
   
6. Грива
   
7. В своем уме
   
8. Пел
   
9. Петь
   

Здесь вы видите слово из шести букв, образованное двухбуквенным словом (или группой) и четырехбуквенным словом. Каждый из следующих трех шагов включает замену одной буквы без потери букв (или «углерода»). Каждый из следующих двух шагов связан с потерей буквы (или, опять же, «углерода»). Остальная часть схемы сохраняет требование четырехбуквенного слова точно так же, как последние шаги цикла Кребса включают различные, тесно связанные четырехуглеродные молекулы.

Помимо этих конкретных устройств, вам может быть полезно нарисовать себе целую ячейку или часть ячейки, окружающую митохондрии, и нарисуйте реакции гликолиза так подробно, как вы хотите, в части цитоплазмы и цикла Кребса в часть митохондриального матрикса. На этом эскизе вы могли бы показать пируват, перемещающийся внутрь митохондрий, но вы также можете нарисовать стрелку, ведущую к ферментации, которая также происходит в цитоплазме.