Цикл Кребса спрощений

Цикл Кребса, названий іменем лауреата Нобелівської премії і фізіолога Ганса Кребса 1953 року, являє собою низку метаболічних реакцій, що відбуваються в мітохондрії з еукаріотичні клітини. Простіше кажучи, це означає, що бактерії не мають клітинного механізму для циклу Кребса, тому він обмежений рослинами, тваринами та грибами.

Глюкоза - це молекула, яка в кінцевому підсумку метаболізується живими істотами для отримання енергії у формі аденозинтрифосфат або АТФ. Глюкоза може зберігатися в організмі у численних формах; глікоген - це трохи більше, ніж довгий ланцюг молекул глюкози, який зберігається в клітинах м’язів та печінки, тоді як дієтичні вуглеводи, білки та жири мають компоненти, які можуть метаболізуватися до глюкози як Ну. Коли молекула глюкози потрапляє в клітину, вона розщеплюється в цитоплазмі на піруват.

Що буде далі, залежить від того, чи потрапляє піруват до аеробного шляху дихання (звичайний результат), або до шляху бродіння лактату (застосовується у приступах високоінтенсивних фізичних вправ або дефіциту кисню), перш ніж це врешті-решт дозволяє виробляти АТФ та виділяти вуглець діоксид (CO

Цикл Кребса, який також називають циклом лимонної кислоти або циклом трикарбонової кислоти (ТСА), є першим кроком на шляху аеробіки, і він працює для постійного синтезу достатньо речовини, яка називається оксалоацетат, щоб підтримувати цикл, хоча, як ви побачите, це насправді не є "місією" циклу. Цикл Кребса забезпечує інші переваги як Ну. Тому що він включає близько восьми реакцій (і, відповідно, дев'ять ферментів), що включають дев'ять різних молекул, корисно розробити інструменти, щоб зберегти важливі моменти циклу розум.

Глюкоза - це шестивуглецевий (гексозний) цукор, який в природі зазвичай має форму кільця. Як і всі моносахариди (мономери цукру), він складається з вуглецю, водню та кисню у співвідношенні 1-2-1 із формулою С₆H₁₂О₆. Це один з кінцевих продуктів білкового, вуглеводного та жирнокислотного обміну і служить паливом у всіх типах організмів - від одноклітинних бактерій до людей та великих тварин.

Гліколіз є анаеробним у строгому розумінні "без кисню". Тобто реакції тривають, чи O₂ присутній у клітинах чи ні. Будьте обережні, щоб відрізнити це від «кисню не повинно бути сьогодення, "хоча це стосується деяких бактерій, які насправді гинуть киснем і відомі як облігатні анаероби.

У реакціях гліколізу шестивуглецева глюкоза спочатку фосфорилюється - тобто вона має приєднану до неї фосфатну групу. Отримана молекула є фосфорильованою формою фруктози (фруктового цукру). Потім ця молекула фосфорилюється вдруге. Кожне з цих фосфорилювання потребує молекули АТФ, обидва з яких перетворюються в аденозиндифосфат або АДФ. Потім шестивуглецева молекула перетворюється на дві тривуглецеві молекули, які швидко перетворюються на піруват. Попутно, при обробці обох молекул, 4 АТФ виробляються за допомогою двох молекул NAD + (нікотинамід-аденін-динуклеотид), які перетворюються на дві молекули NADH. Таким чином, для кожної молекули глюкози, яка потрапляє в гліколіз, складається сітка з двох АТФ, двох пірувату та виробляється два NADH, тоді як два NAD + споживаються.

Як зазначалося раніше, доля пірувату залежить від метаболічних потреб та середовища відповідного організму. У прокаріотів гліколіз плюс ферментація забезпечує майже всі енергетичні потреби однієї клітини, хоча деякі з цих організмів еволюціонували ланцюги транспорту електронів що дозволяють їм використовувати кисень для вивільнення АТФ з метаболітів (продуктів) гліколізу. У прокаріотів, як і у всіх еукаріотів, крім дріжджів, якщо немає в наявності кисню або якщо енергетичні потреби клітини не можуть бути повністю задоволені за допомогою аеробного дихання піруват перетворюється в молочну кислоту шляхом бродіння під впливом ферменту лактатдегідрогенази, або ЛДГ.

Піруват, призначений для циклу Кребса, рухається від цитоплазма через мембрану клітинних органел (функціональних компонентів у цитоплазмі) називається мітохондрії. Потрапивши в матрикс мітохондрій, який є своєрідною цитоплазмою для самих мітохондрій, він перетворюється під впливом ферменту піруватдегідрогенази до іншої тривуглецевої сполуки, яка називається ацетил-коферментом A або ацетил КоА. Багато ферментів можна виділити із складу хімічних речовин через суфікс "-ase", яким вони діляться.

На цьому етапі ви повинні скористатися діаграмою, що деталізує цикл Кребса, оскільки це єдиний спосіб суттєво слідувати далі; див. приклад "Ресурси".

Причина, по якій цикл Кребса названий як такий, полягає в тому, що один з його основних продуктів, оксалоацетат, також є реагентом. Тобто, коли двовуглецевий ацетил-КоА, створений з пірувату, потрапляє в цикл з "вище за течією", він реагує з оксалоацетатом, молекулою з чотирма вуглецями, і утворює цитрат, молекулу з шести вуглецю. Цитрат, симетрична молекула, включає три карбоксильні групи, які мають форму (-COOH) у своїй протонованій формі та (-COO-) у своїй неспротонованій формі. Саме ця тріо карбоксильних груп надає цьому циклу назву "трикарбонова кислота". Синтез зумовлюється додаванням молекули води, що робить це реакцією конденсації та втратою частини коензиму А ацетил-КоА.

Потім цитрат переставляється в молекулу з однаковими атомами в іншому розташуванні, що доречно називається ізоцитратом. Потім ця молекула виділяє СО₂ перетворитися на п’ятивуглецеву сполуку α-кетоглутарат, і на наступному етапі відбувається те саме, коли α-кетоглутарат втрачає CO₂ одночасно відновлюючи кофермент А, який перетворюється на сукциніл КоА. Ця чотиривуглецева молекула стає сукцинатом із втратою CoA і згодом перетворюється на процесію чотирьох вуглецевих депротонованих кислот: фумарату, малату і, нарешті, оксалоацетату.

Тоді центральними молекулами циклу Кребса є, по порядку, такі

1. Ацетил CoA
   
2. Цитрат
   
3. Ізоцитрат
   
4. α-кетоглутарат 
   
5. Сукциніл КоА
   
6. Сукцинувати
   
7. Фумарат
   
8. Малат
   
9. Оксалоацетат
   

Це опускає назви ферментів та ряду критичних реагентів, серед них NAD + / NADH, аналогічна пара молекул FAD / FADH₂ (флавін-аденин-динуклеотид) та CO₂.

Зверніть увагу, що кількість вуглецю в одній точці в будь-якому циклі залишається незмінною. Оксалоацетат забирає два атоми вуглецю, коли він поєднується з ацетил-КоА, але ці два атоми втрачаються в першій половині циклу Кребса як СО₂ при послідовних реакціях, при яких NAD + також зводиться до NADH. (У хімії, щоб дещо спростити, реакції відновлення додають протони, тоді як реакції окислення їх видаляють.) Дивлячись на процес у цілому та вивчаючи лише ці дво-, чотири-, п’яти- та шестивуглецеві реактиви та продукти, не одразу ясно, чому клітини будуть брати участь у чомусь подібному до біохімічного Ferris колесо, з різними гонщиками з тієї самої популяції, які завантажуються на колесо і з нього, але в кінці дня нічого не змінюється, окрім великої кількості поворотів колесо.

Призначення циклу Кребса стає більш очевидним, якщо поглянути на те, що відбувається з іонами водню в цих реакціях. У трьох різних точках NAD + збирає протон, а в іншій точці FAD - два протони. Подумайте про протони - через їх вплив на позитивні та негативні заряди - як пари електронів. З цієї точки зору, точкою циклу є накопичення електронних пар високих енергій з малих молекул вуглецю.

Ви можете помітити, що в циклі Кребса відсутні дві критичні молекули, які, як очікується, будуть присутні в аеробному диханні: Кисень (O₂) та АТФ - форма енергії, яка безпосередньо використовується клітинами та тканинами для виконання таких робіт, як ріст, відновлення тощо. Знову ж таки, це пов’язано з тим, що цикл Кребса є настільником для ланцюгових реакцій переносу електронів, що відбуваються поруч, у мембрані мітохондрій, а не в матриці мітохондрій. Електрони, зібрані нуклеотидами (NAD + і FAD) у циклі, використовуються "нижче за течією", коли вони приймаються атомами кисню в транспортному ланцюзі. Фактично цикл Кребса забирає цінний матеріал із, здавалося б, нічим не примітного кругового конвеєра, і експортує його до сусіднього переробного центру, де працює справжня виробнича група.

Також зауважте, що, здавалося б, непотрібні реакції в циклі Кребса (зрештою, навіщо робити вісім кроків, щоб досягти того, що можна було зробити у, можливо, трьох чи чотирьох?) генерують молекули, які хоч і є проміжними речовинами в циклі Кребса, але можуть служити реагентами у неспоріднених реакції.

Для довідки, NAD приймає протон на етапах 3, 4 і 8, а також у перших двох із цих CO₂ проливається; на етапі 5 з ВВП виробляється молекула гуанозинтрифосфату (ГТФ); і FAD приймає два протони на кроці 6. На кроці 1 CoA "залишає", але "повертається" на кроці 4. Насправді лише крок 2, перегрупування цитрату в ізоцитрат, "безшумний" поза молекулами вуглецю в реакції.

Через важливість циклу Кребса в біохімії та фізіології людини прийшли студенти, професори та інші створити ряд мнемотехнік або способів запам’ятати імена, щоб допомогти запам’ятати щаблі та реактиви у Кребсі циклу. Якщо хочеться лише пам’ятати вуглецеві реактиви, проміжні продукти та продукти, можна працювати з перших літер послідовних сполук, як вони з’являються (O, Ac, C, I, K, Sc, S, F, M; тут зауважте, що "кофермент А" представлений невеликим "с"). З цих букв можна створити мізерну персоналізовану фразу, причому перші літери молекул служать першими буквами у словах фрази.

Більш витончений спосіб зробити це - використовувати мнемоніку, яка дозволяє відстежувати кількість вуглецю атоми на кожному кроці, що може дозволити вам краще усвідомити те, що відбувається взагалі з біохімічної точки зору разів. Наприклад, якщо ви дозволите шестибуквеному слову представляти оксалоацетат із шістьма вуглецями і, відповідно, для менші слова та молекули, ви можете створити схему, яка корисна одночасно як пристрій пам’яті та як інформація багатий. Один з авторів "Журналу хімічної освіти" запропонував наступна ідея:

1. Неодружений
   
2. Пощипування
   
3. Клубок 
   
4. Мангл
   
5. Манг
   
6. Грива
   
7. Розумний
   
8. Санг
   
9. Співайте
   

Тут ви бачите слово із шести букв, утворене двословним словом (або групою) та чотирибуквеним словом. Кожен із наступних трьох кроків включає заміну однієї літери без втрати літер (або "вуглецю"). Наступні два кроки включають втрату літери (або, знову ж таки, "вуглецю"). Решта схеми зберігає вимогу до чотирьох букв так само, як останні кроки циклу Кребса включають різні, тісно пов'язані молекули чотирьох вуглецю.

Окрім цих специфічних пристроїв, вам може бути корисно намалювати собі цілу клітинку або частину клітини, що оточує мітохондрії, і накидайте реакції гліколізу настільки детально, наскільки вам подобається, у частині цитоплазми та циклі Кребса в частина матриці мітохондрій. На цьому малюнку ви могли б показати, як піруват ввозиться у внутрішню частину мітохондрій, але ви також можете намалювати стрілку, що веде до бродіння, яке також відбувається в цитоплазмі.