Krebsov cyklus je ľahký

Krebsov cyklus, pomenovaný po držiteľovi Nobelovej ceny z roku 1953 a fyziológovi Hansovi Krebsovi, je rad metabolických reakcií, ktoré prebiehajú v mitochondrie z eukaryotické bunky. Zjednodušene, znamená to, že baktérie nemajú bunkové mechanizmy pre Krebsov cyklus, takže sa obmedzujú iba na rastliny, zvieratá a huby.

Glukóza je molekula, ktorá je nakoniec metabolizovaná živými organizmami na získavanie energie vo forme adenozíntrifosfát alebo ATP. Glukóza môže byť v tele uložená v mnohých formách; glykogén je niečo viac ako dlhý reťazec molekúl glukózy, ktorý je uložený vo svalových a pečeňových bunkách, zatiaľ čo dietetické uhľohydráty, bielkoviny a tuky obsahujú zložky, ktoré sa môžu metabolizovať na glukózu ako dobre. Keď sa molekula glukózy dostane do bunky, rozkladá sa v cytoplazme na pyruvát.

Čo bude nasledovať, závisí od toho, či pyruvát vstupuje do cesty aeróbneho dýchania (obvyklý výsledok) alebo do cesty laktátovej fermentácie (používa sa pri záchvatoch vysoko intenzívneho cvičenia alebo deprivácii kyslíka) predtým, ako to nakoniec umožní produkciu ATP a uvoľnenie uhlíka oxid uhličitý (CO

Krebsov cyklus - nazývaný tiež cyklus kyseliny citrónovej alebo cyklus trikarboxylových kyselín (TCA) - je prvým krokom v aeróbnej dráhe a neustále syntetizuje. dostatok látky zvanej oxaloacetát na udržanie cyklu v chode, aj keď, ako uvidíte, nejde o skutočnú „misiu“ cyklu. Krebsov cyklus poskytuje ďalšie výhody ako dobre. Pretože obsahuje asi osem reakcií (a teda deväť enzýmov), ktoré zahŕňajú deväť odlišných molekúl, je užitočné vyvinúť nástroje na udržanie dôležitých bodov cyklu priamo vo vašom myseľ.

Glukóza je šesťuhlíkový (hexózový) cukor, ktorý je v prírode zvyčajne vo forme kruhu. Rovnako ako všetky monosacharidy (monoméry cukru), skladá sa z uhlíka, vodíka a kyslíka v pomere 1 - 1, so vzorcom C₆H₁₂O₆. Je to jeden z konečných produktov metabolizmu bielkovín, uhľohydrátov a mastných kyselín a slúži ako palivo v každom type organizmu, od jednobunkových baktérií až po človeka a väčšie zvieratá.

Glykolýza je anaeróbny v presnom zmysle slova „bez kyslíka“. To znamená, že reakcie prebiehajú, či už O₂ je prítomný v bunkách alebo nie. Buďte opatrní, aby ste to odlíšili od „kyslíka nesmie byť „aj keď je to tak v prípade niektorých baktérií, ktoré sú skutočne zabité kyslíkom a sú známe ako obligátne anaeróby.

Pri reakciách glykolýzy je glukóza so šiestimi uhlíkami spočiatku fosforylovaná - to znamená, že má k sebe pripojenú fosfátovú skupinu. Výsledná molekula je fosforylovaná forma fruktózy (ovocný cukor). Táto molekula sa potom druhýkrát fosforyluje. Každá z týchto fosforylácií vyžaduje molekulu ATP, ktorá sa premieňa na adenozíndifosfát alebo ADP. Šesť uhlíková molekula sa potom prevedie na dve tri uhlíkové molekuly, ktoré sa rýchlo prevedú na pyruvát. Pri spracovaní oboch molekúl sa popri tom vytvárajú 4 ATP pomocou dvoch molekúl NAD + (nikotínamidadeníndinukleotid), ktoré sa premieňajú na dve molekuly NADH. Pre každú molekulu glukózy, ktorá vstupuje do glykolýzy, teda sieť dvoch ATP, dvoch pyruvátov a dva NADH sú vyrobené, zatiaľ čo dva NAD + sú spotrebované.

Ako už bolo uvedené vyššie, osud pyruvátu závisí od metabolických požiadaviek a od prostredia daného organizmu. U prokaryotov poskytuje glykolýza plus fermentácia takmer všetky energetické potreby jednej bunky, hoci niektoré z týchto organizmov sa vyvinuli elektrónové transportné reťazce ktoré im umožňujú využívajú kyslík na uvoľnenie ATP z metabolitov (produktov) glykolýzy. U prokaryot, ako aj u všetkých eukaryotov okrem kvasiniek, ak nie je k dispozícii kyslík alebo ak nie je možné úplne uspokojiť energetické potreby bunky prostredníctvom aeróbneho dýchania sa pyruvát premieňa na kyselinu mliečnu fermentáciou pod vplyvom enzýmu laktátdehydrogenáza, alebo LDH.

Pyruvát určený pre Krebsov cyklus sa pohybuje od cytoplazma cez membránu bunkových organel (funkčných zložiek v cytoplazme) tzv mitochondrie. Akonáhle je v mitochondriálnej matici, ktorá je akousi cytoplazmou pre samotné mitochondrie, prevádza sa pod vplyvom enzýmu pyruvátdehydrogenázy na inú trojuhlíkovú zlúčeninu nazývanú acetyl koenzým A alebo acetyl CoA. Mnoho enzýmov je možné vybrať z chemickej zostavy kvôli prípone „-ase“, ktorý zdieľajú.

V tomto okamihu by ste mali využiť diagram podrobne popisujúci Krebsov cyklus, pretože je to jediný spôsob, ako zmysluplne nasledovať; pozri zdroje na príklade.

Dôvod, prečo je Krebsov cyklus pomenovaný ako taký, je ten, že jedným z jeho hlavných produktov, oxaloacetátom, je tiež reaktant. To znamená, že keď acyklický CoA s dvoma atómami uhlíka vytvorený z pyruvátu vstupuje do cyklu „proti smeru toku“, reaguje s oxaloacetátom, molekulou so štyrmi uhlíkmi, a vytvára citrát, molekulu so šiestimi uhlíkmi. Citrát, symetrická molekula, obsahuje tri karboxylové skupiny, ktoré majú formu (-COOH) v protonovanej forme a (-COO-) vo svojej prototonizovanej forme. Práve táto trojica karboxylových skupín prepožičiava tomuto cyklu názov „trikarboxylová kyselina“. Syntéza je riadená pridaním molekuly vody, čo robí kondenzačnú reakciu a stratou časti koenzýmu A acetyl CoA.

Citrát sa potom preskupí do molekuly s rovnakými atómami v inom usporiadaní, ktorá sa výstižne nazýva izocitrát. Táto molekula potom vydáva CO₂ aby sa stal päťuhlíkovou zlúčeninou α-ketoglutarátom a v ďalšom kroku nastane to isté, čo α-ketoglutarát stratí CO₂ pri opätovnom získaní koenzýmu A, aby sa z neho stal sukcinyl CoA. Táto štvoruhlíková molekula sa stáva sukcinátovou so stratou CoA a následne sa preskupuje do procesu so štyrmi uhlíkovými deprotonovanými kyselinami: fumarát, malát a nakoniec oxaloacetát.

Centrálne molekuly Krebsovho cyklu potom sú v danom poradí

1. Acetyl CoA
   
2. Citrát
   
3. Isocitrate
   
4. a-ketoglutarát 
   
5. Sukcinyl CoA
   
6. Succinate
   
7. Fumarát
   
8. Malát
   
9. Oxaloacetát
   

Toto vynecháva názvy enzýmov a rad kritických spolureaktantov, medzi nimi aj NAD + / NADH, podobný molekulárny pár FAD / FADH.₂ (flavín adenín dinukleotid) a CO₂.

Upozorňujeme, že množstvo uhlíka v rovnakom bode ľubovoľného cyklu zostáva rovnaké. Oxaloacetát absorbuje dva atómy uhlíka, keď sa skombinuje s acetyl CoA, ale tieto dva atómy sa stratia v prvej polovici Krebsovho cyklu ako CO₂ v postupných reakciách, pri ktorých sa NAD + tiež redukuje na NADH. (V chémii, aby sme to trochu zjednodušili, redukčné reakcie pridávajú protóny, zatiaľ čo oxidačné reakcie ich odstraňujú.) Pozeranie sa na proces ako celok a skúmanie iba týchto dvoj-, štvor-, päť- a šesťuhlíkových reaktantov a produktov nie je okamžite jasné, prečo by sa bunky angažovali v niečom podobnom ako biochemický Ferris koleso s rôznymi jazdcami z rovnakej populácie naloženými na a z volantu, ale na konci dňa sa nič nezmenilo, okrem veľkého množstva zákrut koleso.

Účel Krebsovho cyklu je zrejmejší, keď sa pozriete na to, čo sa stane s vodíkovými iónmi v týchto reakciách. V troch rôznych bodoch zhromažďuje NAD + protón a v inom bode FAD zhromažďuje dva protóny. Predstavte si protóny - z dôvodu ich účinku na kladné a záporné náboje - ako páry elektrónov. Z tohto pohľadu je bodom cyklu akumulácia vysokoenergetických elektrónových párov z malých molekúl uhlíka.

Môžete si všimnúť, že v Krebsovom cykle chýbajú dve kritické molekuly, o ktorých sa predpokladá, že budú prítomné v aeróbnom dýchaní: Kyslík (O₂) a ATP, forma energie priamo využívanej bunkami a tkanivami na vykonávanie prác, ako je rast, oprava atď. Opäť je to preto, že Krebsov cyklus je nastavovacím prostriedkom pre reakcie reťazového prenosu elektrónov, ktoré sa vyskytujú v blízkosti, skôr v mitochondriálnej membráne než v mitochondriálnej matici. Elektróny zozbierané nukleotidmi (NAD + a FAD) v cykle sa používajú „po prúde“, keď sú prijaté atómami kyslíka v transportnom reťazci. Krebsov cyklus v skutočnosti zbavuje cenný materiál zdanlivo pozoruhodného kruhového dopravného pásu a exportuje ho do neďalekého spracovateľského centra, kde pracuje skutočný výrobný tím.

Upozorňujeme tiež, že zdanlivo zbytočné reakcie v Krebsovom cykle (koniec koncov, prečo podniknúť osem krokov na uskutočnenie toho, čo by sa dalo urobiť) asi v troch alebo štyroch?) generujú molekuly, ktoré, hoci sú medziproduktmi v Krebsovom cykle, môžu slúžiť ako reaktanty v nepríbuzných reakcie.

Pre porovnanie, NAD prijíma protón v krokoch 3, 4 a 8 a v prvých dvoch z týchto CO₂ je kôlňa; molekula guanozín trifosfátu (GTP) je vyrobená z GDP v kroku 5; a FAD v kroku 6 prijíma dva protóny. V kroku 1 CoA „odchádza“, ale „vracia sa“ v kroku 4. V skutočnosti iba krok 2, preskupenie citrátu na izocitrát, je „tiché“ mimo molekúl uhlíka v reakcii.

Kvôli dôležitosti Krebsovho cyklu v biochémii a fyziológii človeka prišli študenti, profesori a ďalší s množstvom mnemotechnických pomôcok alebo spôsobov, ako si zapamätať mená, ako pomôcť so zapamätaním krokov a reaktantov v Krebse cyklu. Ak si chceme zapamätať iba uhlíkové reaktanty, medziprodukty a produkty, je možné pracovať od prvých písmen po sebe nasledujúcich zlúčenín, ako sa objavujú (O, Ac, C, I, K, Sc, S, F, M; tu si všimnite, že „koenzým A“ je reprezentovaný malým „c“). Z týchto písmen môžete vytvoriť stručnú personalizovanú frázu, pričom prvé písmená molekúl slúžia ako prvé písmená v slovách frázy.

Sofistikovanejším spôsobom, ako to dosiahnuť, je použitie mnemotechniky, ktorá vám umožní sledovať počet uhlíkov atómy na každom kroku, čo vám umožní vôbec lepšie internalizovať to, čo sa deje z biochemického hľadiska krát. Napríklad ak necháte šesťpísmenové slovo predstavovať oxaoacetát so šiestimi atómami uhlíka a zodpovedajúcim spôsobom pre menšie slová a molekuly, môžete vytvoriť schému, ktorá je užitočná ako pamäťové zariadenie aj ako informácia bohatý. Jeden prispievateľ do "Journal of Chemical Education" navrhol nasledujúci nápad:

1. Slobodný
   
2. Mravčenie
   
3. Spleť 
   
4. Mangle
   
5. Mange
   
6. Hriva
   
7. Rozumný
   
8. Spievali
   
9. Spievaj
   

Tu uvidíte šesťpísmenové slovo tvorené dvojpísmenovým slovom (alebo skupinou) a štvorpísmenovým slovom. Každý z nasledujúcich troch krokov obsahuje nahradenie jedného písmena bez straty písmen (alebo „uhlíka“). Ďalšie dva kroky zahŕňajú stratu písmena (alebo opäť „uhlíka“). Zvyšok schémy zachováva požiadavku na štvorpísmenové slovo rovnako, ako posledné kroky Krebsovho cyklu zahŕňajú rôzne, úzko súvisiace molekuly so štyrmi uhlíkmi.

Okrem týchto špecifických zariadení môže byť užitočné nakresliť si celú bunku alebo časť bunky obklopujúcej a mitochondrie a načrtnite reakcie glykolýzy tak podrobne, ako sa vám páči v cytoplazmatickej časti a Krebsov cyklus v časť mitochondriálnej matice. Na tomto náčrte by ste ukázali, že pyruvát je dopravovaný do vnútra mitochondrií, ale môžete tiež nakresliť šípku vedúcu k fermentácii, ktorá sa vyskytuje aj v cytoplazme.