Krebs Cycle Made Easy

Krebs-cykeln, uppkallad efter Nobelprisvinnaren och fysiologen Hans Krebs 1953, är en serie metaboliska reaktioner som äger rum i mitokondrier av eukaryota celler. Enkelt uttryckt betyder det att bakterier inte har det cellulära maskineriet för Krebs-cykeln, så det är begränsat till växter, djur och svampar.

Glukos är den molekyl som i slutändan metaboliseras av levande saker för att få energi, i form av adenosintrifosfat eller ATP. Glukos kan lagras i kroppen i många olika former; glykogen är lite mer än en lång kedja av glukosmolekyler som lagras i muskel- och leverceller, medan kolhydrater, proteiner och fetter i kosten har komponenter som kan metaboliseras till glukos som väl. När en glukosmolekyl kommer in i en cell bryts den ned i cytoplasman till pyruvat.

Vad som händer härnäst beror på om pyruvat går in i den aeroba andningsvägen (det vanliga resultatet) eller laktatsjäsningsvägen (används vid ansträngningar av högintensiv träning eller syrebrist) innan det slutligen möjliggör ATP-produktion och frisättning av kol dioxid (CO₂) och vatten (H₂O) som biprodukter.

Krebs-cykeln - även kallad citronsyracykel eller tricarboxylsyra (TCA) - är det första steget i den aeroba vägen och fungerar kontinuerligt tillräckligt med ett ämne som kallas oxaloacetat för att hålla cykeln igång, men som ni ser är detta inte riktigt cykelns "uppdrag". Krebs-cykeln ger andra fördelar som väl. Eftersom den innehåller några åtta reaktioner (och motsvarande nio enzymer) som involverar nio olika molekyler, är det bra att utveckla verktyg för att hålla de viktiga punkterna i cykeln raka i din sinne.

Glukos är ett sex-kol (hexos) socker som i naturen vanligtvis är i form av en ring. Liksom alla monosackarider (sockermonomerer) består den av kol, väte och syre i ett 1-2-1-förhållande, med en formel av C₆H₁₂O₆. Det är en av slutprodukterna av protein-, kolhydrat- och fettsyrametabolism och fungerar som bränsle i alla typer av organismer, från encelliga bakterier till människor och större djur.

Glykolys är anaerob i strikt mening "utan syre". Det vill säga reaktionerna fortsätter om O₂ är närvarande i celler eller inte. Var noga med att skilja detta från "syre måste inte vara närvarande, "även om detta är fallet med vissa bakterier som faktiskt dödas av syre och kallas obligatoriska anaerober.

I glykolysreaktionerna fosforyleras sexkolglukosen initialt - det vill säga den har en fosfatgrupp bifogad. Den resulterande molekylen är en fosforylerad form av fruktos (fruktsocker). Denna molekyl fosforyleras sedan en andra gång. Var och en av dessa fosforyleringar kräver en molekyl ATP, som båda omvandlas till adenosindifosfat eller ADP. Sexkolmolekylen omvandlas sedan till två trekolmolekyler, som snabbt omvandlas till pyruvat. Längs vägen, vid bearbetning av båda molekylerna, produceras 4 ATP med hjälp av två NAD + -molekyler (nikotinamidadenindinukleotid) som omvandlas till två NADH-molekyler. Således för varje glukosmolekyl som går in i glykolys, ett nät av två ATP, två pyruvat och två NADH produceras, medan två NAD + konsumeras.

Som nämnts tidigare beror ödet på pyruvat på metabolismkraven och miljön hos den aktuella organismen. I prokaryoter ger glykolys plus jäsning nästan alla encells energibehov, även om vissa av dessa organismer har utvecklats elektrontransportkedjor som gör det möjligt för dem använda syre för att frigöra ATP från metaboliter (produkter) av glykolys. I prokaryoter såväl som i alla eukaryoter utom jäst, om det inte finns syre tillgängligt eller om cellens energibehov inte kan tillgodoses helt genom aerob andning omvandlas pyruvat till mjölksyra via jäsning under påverkan av enzymet laktatdehydrogenas, eller LDH.

Pyruvat avsedda för Krebs-cykeln rör sig från cytoplasma över membranet av cellorganeller (funktionella komponenter i cytoplasman) som kallas mitokondrier. En gång i mitokondriell matris, som är ett slags cytoplasma för själva mitokondrierna, omvandlas den under påverkan av enzymet pyruvatdehydrogenas till en annan trekolförening som kallas acetylkoenzym A eller acetyl CoA. Många enzymer kan plockas ut från ett kemiskt sortiment på grund av "-as" -suffixet de delar.

Vid denna tidpunkt bör du använda dig av ett diagram som beskriver Krebs-cykeln, eftersom det är det enda sättet att följa meningsfullt; se Resurser för ett exempel.

Anledningen till att Krebs-cykeln namnges som sådan är att en av dess huvudprodukter, oxaloacetat, också är en reaktant. Det vill säga, när två-kolacetyl CoA skapat från pyruvat kommer in i cykeln från "uppströms", reagerar det med oxaloacetat, en fyra-kolmolekyl, och bildar citrat, en sexkolmolekyl. Citrat, en symmetrisk molekyl, innehåller tre karboxylgrupper, som har formen (-COOH) i sin protonerade form och (-COO-) i sin oprotonerade form. Det är denna trio av karboxylgrupper som ger namnet "trikarboxylsyra" till denna cykel. Syntesen drivs av tillsatsen av en vattenmolekyl, vilket gör detta till en kondensationsreaktion och förlusten av koenzym A-delen av acetyl CoA.

Citrat ordnas sedan om till en molekyl med samma atomer i ett annat arrangemang, vilket passande kallas isocitrat. Denna molekyl avger sedan en CO₂ för att bli femkolföreningen α-ketoglutarat, och i nästa steg inträffar samma sak, där α-ketoglutarat förlorar en CO₂ medan man återfår ett koenzym A för att bli succinyl CoA. Denna fyrkolmolekyl blir succinat med förlusten av CoA och omarrangeras därefter till en procession av fyrkol deprotonerade syror: fumarat, malat och slutligen oxaloacetat.

De centrala molekylerna i Krebs-cykeln är då i ordning

1. Acetyl CoA
   
2. Citrat
   
3. Isocitrat
   
4. a-ketoglutarat 
   
5. Succinyl CoA
   
6. Succinat
   
7. Fumarat
   
8. Malate
   
9. Oxaloacetat
   

Detta utelämnar namnen på enzymerna och ett antal kritiska samreaktanter, bland dem NAD + / NADH, det liknande molekylparet FAD / FADH₂ (flavinadenindinukleotid) och CO₂.

Observera att mängden kol vid samma punkt i en cykel förblir densamma. Oxaloacetat plockar upp två kolatomer när det kombineras med acetyl CoA, men dessa två atomer går förlorade under den första halvan av Krebs-cykeln som CO₂ i successiva reaktioner där NAD + också reduceras till NADH. (I kemi, för att förenkla något, lägger reduktionsreaktioner till protoner medan oxidationsreaktioner tar bort dem.) Ser man på processen som helhet och undersöker endast dessa två-, fyra-, fem- och sexkolreaktanter och produkter är det inte direkt klart varför celler skulle engagera sig i något som liknar en biokemisk Ferris hjul, med olika ryttare från samma befolkning som laddas på och av ratten men ingenting förändras i slutet av dagen förutom många varv av hjul.

Syftet med Krebs-cykeln är mer uppenbart när man tittar på vad som händer med vätejoner i dessa reaktioner. Vid tre olika punkter samlar en NAD + en proton och vid en annan punkt samlar FAD två protoner. Tänk på protoner - på grund av deras effekt på positiva och negativa laddningar - som par av elektroner. Enligt denna uppfattning är cykelns poäng ackumulering av högenergiparpar från små kolmolekyler.

Du kanske märker att två kritiska molekyler som förväntas vara närvarande i aerob andning saknas i Krebs-cykeln: syre (O₂) och ATP, den form av energi som används direkt av celler och vävnader för att utföra arbete såsom tillväxt, reparation och så vidare. Återigen beror detta på att Krebs-cykeln är en bordssättare för elektrontransportkedjereaktioner som inträffar i närheten, i mitokondriellt membran snarare än i mitokondriell matris. Elektronerna som skördats av nukleotider (NAD + och FAD) i cykeln används "nedströms" när de accepteras av syreatomer i transportkedjan. Krebs-cykeln tar i själva verket bort värdefullt material i ett till synes anmärkningsvärt cirkulärt transportband och exporterar dem till ett närliggande bearbetningscenter där det verkliga produktionsteamet arbetar.

Observera också att de till synes onödiga reaktionerna i Krebs-cykeln (trots allt, varför vidta åtta steg för att åstadkomma vad som kan göras i kanske tre eller fyra?) genererar molekyler som, även om de är mellanprodukter i Krebs-cykeln, kan fungera som reaktanter i orelaterade reaktioner.

Som referens accepterar NAD ett proton i steg 3, 4 och 8 och i de två första av dessa CO₂ är utgjutet; en molekyl guanosintrifosfat (GTP) produceras från BNP i steg 5; och FAD accepterar två protoner i steg 6. I steg 1 "lämnar CoA" men "returnerar" i steg 4. I själva verket är bara steg 2, omläggningen av citrat till isocitrat, "tyst" utanför kolmolekylerna i reaktionen.

På grund av vikten av Krebs-cykeln i biokemi och mänsklig fysiologi har studenter, professorer och andra kommit upp med ett antal minnesmärken, eller sätt att komma ihåg namn, för att hjälpa till med att komma ihåg stegen och reaktanterna i Krebs cykel. Om man bara vill komma ihåg kolreaktanterna, mellanprodukterna och produkterna är det möjligt att arbeta från de första bokstäverna i på varandra följande föreningar som de visas (O, Ac, C, I, K, Sc, S, F, M; här, märk att "koenzym A" representeras av ett litet "c"). Du kan skapa en personlig personlig fras från dessa bokstäver, med de första bokstäverna i molekylerna som de första bokstäverna i frasens ord.

Ett mer sofistikerat sätt att göra detta är att använda en mnemonic som låter dig hålla reda på antalet kol atomer i varje steg, vilket kan tillåta dig att bättre internalisera vad som händer ur en biokemisk synpunkt alls gånger. Till exempel, om du låter ett ord på sex bokstäver representera oxoacetatet med sex kol och motsvarande för mindre ord och molekyler kan du skapa ett schema som både är användbart som en minnesenhet och information rik. En bidragsgivare till "Journal of Chemical Education" föreslog följande idé:

1. Enda
   
2. Pirra
   
3. Härva 
   
4. Mangel
   
5. Skabb
   
6. Mane
   
7. Förnuftig
   
8. Sang
   
9. Sjunga
   

Här ser du ett ord på sex bokstäver bildat av ett ord på två bokstäver (eller en grupp) och ett ord på fyra bokstäver. Var och en av de kommande tre stegen inkluderar en enda bokstavsbyte utan förlust av bokstäver (eller "kol"). De följande två stegen innefattar var och en förlust av en bokstav (eller, återigen, "kol"). Resten av schemat bevarar kravet på fyra bokstäver på samma sätt som de sista stegen i Krebs-cykeln inkluderar olika nära besläktade fyrkolmolekyler.

Förutom dessa specifika enheter kan det vara bra att rita en hel cell eller del av en cell som omger en mitokondrion och skissera glykolysreaktionerna så detaljerat som du vill i cytoplasmedelen och Krebs-cykeln i mitokondriell matrisdel. Du skulle, i denna skiss, visa att pyruvat fördes in i mitokondriernas inre, men du kan också rita en pil som leder till jäsning, vilket också förekommer i cytoplasman.