Krebsov cikel je olajšal

Krebsov cikel, poimenovan po nobelovcu in fiziologu Hansu Krebsu iz leta 1953, je vrsta presnovnih reakcij, ki potekajo v mitohondrije od evkariontske celice. Poenostavljeno povedano, to pomeni, da bakterije nimajo celičnih naprav za Krebsov cikel, zato je omejena na rastline, živali in glive.

Glukoza je molekula, ki jo živa bitja na koncu presnovijo, da pridobijo energijo v obliki adenozin trifosfat ali ATP. Glukozo lahko v telesu shranimo v številnih oblikah; glikogen je le malo več kot dolga veriga molekul glukoze, ki je shranjena v mišičnih in jetrnih celicah, medtem ko imajo prehranski ogljikovi hidrati, beljakovine in maščobe sestavine, ki se lahko presnovijo v glukozo kot no. Ko molekula glukoze vstopi v celico, se v citoplazmi razgradi v piruvat.

Kaj se bo zgodilo naprej, je odvisno od tega, ali piruvat vstopi v aerobno dihalno pot (običajni rezultat) ali v fermentacijsko pot laktata. (uporablja se pri napadih visoke intenzivnosti ali pomanjkanju kisika), preden na koncu omogoči proizvodnjo ATP in sproščanje ogljika dioksid (CO₂) in vodo (H₂O) kot stranski proizvodi.

Krebsov cikel - imenovan tudi cikel citronske kisline ali cikel trikarboksilne kisline (TCA) - je prvi korak na aerobni poti in deluje tako, da nenehno sintetizira dovolj snovi, imenovane oksaloacetat, da ohrani cikel, čeprav, kot boste videli, to v resnici ni "poslanstvo" cikla. Krebsov cikel prinaša druge ugodnosti kot no. Ker vključuje približno osem reakcij (in temu primerno devet encimov), ki vključujejo devet različnih molekul, koristno je razviti orodja, s katerimi boste pomembne točke cikla ohranili naravnost v sebi um.

Glukoza je šest-ogljikov (heksozni) sladkor, ki je v naravi običajno v obliki obroča. Kot vsi monosaharidi (sladkorni monomeri) je sestavljen iz ogljika, vodika in kisika v razmerju 1-2-1, s formulo C₆H₁₂O₆. Je eden od končnih produktov presnove beljakovin, ogljikovih hidratov in maščobnih kislin in služi kot gorivo v vseh vrstah organizmov, od enoceličnih bakterij do ljudi in večjih živali.

Glikoliza je anaerobna v ožjem smislu "brez kisika". To pomeni, da se reakcije nadaljujejo, ali O₂ je prisoten v celicah ali ne. Pazite, da to ločite od "kisika" ne sme biti prisotna, "čeprav je tako pri nekaterih bakterijah, ki jih kisik dejansko ubije in so znani kot obvezni anaerobi.

V reakcijah glikolize se glukoza s šestimi ogljiki sprva fosforilira - to pomeni, da ima na njej dodano fosfatno skupino. Nastala molekula je fosforilirana oblika fruktoze (sadni sladkor). Nato se ta molekula drugič fosforilira. Vsaka od teh fosforilacij zahteva molekulo ATP, ki se pretvori v adenozin difosfat ali ADP. Nato se molekula s šestimi ogljiki pretvori v dve molekuli s tremi ogljiki, ki se hitro pretvorita v piruvat. Med obdelavo obeh molekul nastane 4 ATP s pomočjo dveh molekul NAD + (nikotinamid adenin dinukleotid), ki se pretvorita v dve molekuli NADH. Tako je za vsako molekulo glukoze, ki vstopi v glikolizo, neto dva ATP, dva piruvata in proizvedeta se dva NADH, porabi pa se dva NAD +.

Kot smo že omenili, je usoda piruvata odvisna od presnovnih potreb in okolja zadevnega organizma. Pri prokariontih glikoliza in fermentacija zagotavljata skoraj vse energetske potrebe posamezne celice, čeprav so se nekateri od teh organizmov razvili verige za prenos elektronov ki jim omogočajo uporabite kisik za sprostitev ATP iz metabolitov (produktov) glikolize. Tako pri prokariontih kot pri vseh evkariontih, razen pri kvasovkah, če ni na voljo kisika ali če celicine energetske potrebe ne morejo v celoti zadostiti z aerobnim dihanjem se piruvat s fermentacijo pretvori v mlečno kislino pod vplivom encima laktat dehidrogenaze oz. LDH.

Piruvat, namenjen Krebsovemu ciklu, se premakne iz citoplazmi čez membrano celičnih organelov (funkcionalne komponente v citoplazmi), imenovane mitohondrije. Ko pride v mitohondrijski matriks, ki je nekakšna citoplazma za same mitohondrije, se pretvori pod vplivom encima piruvat dehidrogenaze v drugačno spojino s tremi ogljiki, imenovano acetil koencim A ali acetil CoA. Številne encime lahko izberemo iz kemične sestave zaradi pripone "-ase", ki si jo delijo.

Na tej točki si priskrbite diagram, ki podrobno opisuje Krebsov cikel, saj je to edini način, kako smiselno slediti; za primer glejte Vire.

Razlog, da je Krebsov cikel imenovan kot tak, je ta, da je eden njegovih glavnih produktov, oksaloacetat, tudi reaktant. Se pravi, ko dvoogljični acetil CoA, ustvarjen iz piruvata, vstopi v cikel od "gorvodno", reagira z oksaloacetatom, molekulo s štirimi ogljiki, in tvori citrat, molekulo s šestimi ogljiki. Citrat, simetrična molekula, vključuje tri karboksilne skupine, ki imajo obliko (-COOH) v svoji protonirani obliki in (-COO-) v svoji netonirani obliki. Ta trio karboksilnih skupin daje temu ciklu ime "trikarboksilna kislina". Sintezo poganja dodatek molekule vode, zaradi česar je reakcija kondenzacije in izguba koencima A del acetil CoA.

Nato se citrat prerazporedi v molekulo z enakimi atomi v drugačni ureditvi, ki se ji primerno reče izocitrat. Ta molekula nato odda CO₂ da postane petogljična spojina α-ketoglutarat in v naslednjem koraku se zgodi isto, pri čemer α-ketoglutarat izgubi CO₂ medtem ko pridobiva koencim A, da postane sukcinil CoA. Ta molekula s štirimi ogljiki postane sukcinat z izgubo CoA in se nato preuredi v povorko štirih ogljikovih deprotoniranih kislin: fumarata, malata in na koncu oksaloacetata.

Osrednje molekule Krebsovega cikla so torej po vrstnem redu

1. Acetil CoA
   
2. Citrat
   
3. Izokitrat
   
4. α-ketoglutarat 
   
5. Sukcinil CoA
   
6. Sukcinat
   
7. Fumarat
   
8. Malat
   
9. Oksaloacetat
   

S tem so izpuščena imena encimov in številnih kritičnih so-reaktantov, med njimi NAD + / NADH, podoben molekulski par FAD / FADH₂ (flavin adenin dinukleotid) in CO₂.

Upoštevajte, da količina ogljika na isti točki v katerem koli ciklu ostane enaka. Oksaloacetat pobere dva atoma ogljika, ko se kombinira z acetil CoA, toda ta dva atoma se v prvi polovici Krebsovega cikla izgubita kot CO₂ pri zaporednih reakcijah, pri katerih se NAD + reducira tudi na NADH. (V kemiji, da nekoliko poenostavimo, redukcijske reakcije dodajo protone, medtem ko jih oksidacijske reakcije odstranijo.) Če pogledamo postopek kot celoto in preučimo samo teh dvo-, štiri-, pet- in šest-ogljikovih reaktantov in izdelkov, ni takoj jasno, zakaj bi celice sodelovale v nečem podobnem biokemičnem Ferrisu kolesa, pri čemer so bili različni kolesarji iz iste populacije naloženi na in izven kolesa, vendar se ob koncu dneva nič ni spremenilo, razen velikih zavojev kolo.

Namen Krebsovega cikla je bolj očiten, če pogledate, kaj se v teh reakcijah zgodi z vodikovimi ioni. Na treh različnih točkah NAD + zbere proton, na drugi točki pa FAD dva protona. Protone - zaradi njihovega vpliva na pozitivne in negativne naboje - predstavljajte kot pare elektronov. V tem pogledu je točka cikla kopičenje visokoenergijskih elektronskih parov iz majhnih molekul ogljika.

Morda boste opazili, da v Krebsovem ciklu manjkata dve kritični molekuli, za katero se pričakuje, da bosta prisotni v aerobnem dihanju: kisik (O₂) in ATP, oblika energije, ki jo celice in tkiva neposredno uporabljajo za izvajanje del, kot so rast, obnova itd. Še enkrat, to je zato, ker je Krebsov cikel namiznik za verižne reakcije prenosa elektronov, ki se pojavijo v bližini, v mitohondrijski membrani in ne v mitohondrijski matriki. Elektroni, ki jih v ciklu poberejo nukleotidi (NAD + in FAD), se uporabljajo "navzdol", ko jih sprejmejo atomi kisika v transportni verigi. Krebsov cikel dejansko odstrani dragocen material v na videz neopaznem krožnem tekočem traku in ga izvozi v bližnji predelovalni center, kjer dela prava proizvodna ekipa.

Upoštevajte tudi, da na videz nepotrebne reakcije v Krebsovem ciklu (navsezadnje, zakaj narediti osem korakov, da bi dosegli to, kar bi lahko storili v morda treh ali štirih?) ustvarjajo molekule, ki lahko, čeprav so vmesni produkti v Krebsovem ciklu, služijo kot reaktanti v nepovezanih reakcije.

Za referenco NAD sprejme protone v korakih 3, 4 in 8 ter v prvih dveh od teh CO₂ je lopa; v 5. koraku iz BDP nastane molekula gvanozin trifosfata (GTP); in FAD na koraku 6 sprejme dva protona. V 1. koraku CoA "zapusti", vendar se "vrne" v 4. koraku. Pravzaprav je le 2. korak, prerazporeditev citrata v izocitrat, "tih" zunaj molekul ogljika v reakciji.

Zaradi pomena Krebsovega cikla v biokemiji in človeški fiziologiji so prišli študentje, profesorji in drugi s številnimi mnemotehniki ali načini za zapomnitev imen, ki si pomagajo pri zapomnitvi stopnic in reaktantov v Krebsu cikel. Če si želimo le zapomniti ogljikove reaktante, vmesne izdelke in izdelke, lahko delamo od prvih črk zaporednih spojin, kot se pojavijo (O, Ac, C, I, K, Sc, S, F, M; tu opazite, da "koencim A" predstavlja majhen "c"). Iz teh črk lahko ustvarite bistro prilagojeno besedno zvezo, pri čemer prve črke molekul služijo kot prve črke v besedi besedne zveze.

Bolj izpopolnjen način tega je uporaba mnemonike, ki vam omogoča, da spremljate število ogljika atomi na vsakem koraku, kar vam lahko omogoči, da sploh bolje ponotranjite dogajanje z biokemičnega stališča krat. Če na primer pustite, da šestčrkovna beseda predstavlja šest-ogljikov oksaloacetat in temu primerno za manjših besed in molekul lahko ustvarite shemo, ki je uporabna kot pomnilniška naprava in informacija bogati. En sodelavec časopisa "Journal of Chemical Education" je predlagal naslednja ideja:

1. Samski
   
2. Mravljinčenje
   
3. Zaplet 
   
4. Mangle
   
5. Mange
   
6. Mane
   
7. Sane
   
8. Sang
   
9. Pojte
   

Tukaj vidite šestčrkovno besedo, sestavljeno iz dvočrkovne besede (ali skupine) in štirimestne besede. Vsak od naslednjih treh korakov vključuje zamenjavo ene črke brez izgube črk (ali "ogljika"). Vsaka naslednja dva koraka vključujeta izgubo črke (ali spet "ogljika"). Preostali del sheme ohranja zahtevo po štirih črkah na enak način, kot zadnji koraki Krebsovega cikla vključujejo različne, tesno povezane molekule štirih ogljikov.

Poleg teh posebnih naprav se vam lahko zdi koristno, če si narišete celotno celico ali del celice, ki obkroža mitohondrije in skicirajte reakcije glikolize, kolikor želite, v delu citoplazme in Krebsovem ciklu v del mitohondrijske matrice. Na tej skici bi prikazali, kako se piruvat odpelje v notranjost mitohondrijev, lahko pa narišete tudi puščico, ki vodi do fermentacije, ki se pojavlja tudi v citoplazmi.