Innhold
- Glykolyse: Stille scenen
- The Krebs Cycle: Capsule Summary
- Dykking dypere i Krebs-syklusreaksjonene
- En Mnemonic for studenter
Krebs-syklusen, oppkalt etter nobelprisvinneren og fysiologen Hans Krebs fra 1953, er en serie metabolske reaksjoner som finner sted i mitokondriene til eukaryote celler. Enkelt sagt betyr dette at bakterier ikke har det cellulære maskineriet til Krebs-syklusen, så det begrenset seg til planter, dyr og sopp.
Glukose er molekylet som til slutt metaboliseres av levende ting for å hente energi, i form av adenosintrifosfat, eller ATP. Glukose kan lagres i kroppen i mange former; glykogen er lite mer enn en lang kjede med glukosemolekyler som er lagret i muskel- og leverceller, mens karbohydrater, proteiner og fett i kosten har komponenter som også kan metaboliseres til glukose. Når et molekyl med glukose kommer inn i en celle, brytes det ned i cytoplasmaet til pyruvat.
Hva som skjer videre avhenger av om pyruvat går inn i den aerobe respirasjonsveien (det vanlige resultatet) eller laktatfermenteringsveien (brukt i anstrengelser med høy intensitet eller oksygenmangel) før den til slutt muliggjør ATP-produksjon og frigjøring av karbondioksid ( CO2) og vann (H2O) som biprodukter.
Krebs-syklusen - også kalt sitronsyresyklusen eller trikarboksylsyre-syklusen (TCA) - er det første trinnet i den aerobe traseen, og den arbeider for kontinuerlig å syntetisere nok av et stoff som kalles oksaloacetat for å holde syklusen i gang, selv om du se, dette er egentlig ikke syklusenes "oppdrag." Krebs-syklusen gir også andre fordeler. Fordi det inkluderer åtte reaksjoner (og tilsvarende ni enzymer) som involverer ni forskjellige molekyler, er det nyttig å utvikle verktøy for å holde de viktige punktene i syklusen rett i hodet.
Glykolyse: Stille scenen
Glukose er et seks-karbon (heksose) sukker som i naturen vanligvis er i form av en ring. Som alle monosakkarider (sukkermonomerer) består den av karbon, hydrogen og oksygen i et 1-2-1 forhold, med en formel av C6H12O6. Det er et av sluttproduktene av protein, karbohydrat og fettsyremetabolisme og fungerer som drivstoff i alle typer organismer fra encellede bakterier til mennesker og større dyr.
Glykolyse er anaerob i den strenge betydningen "uten oksygen." Det vil si at reaksjonene fortsetter om O2 er til stede i celler eller ikke. Vær forsiktig med å skille dette fra "oksygen må ikke være til stede, "selv om dette er tilfelle med noen bakterier som faktisk drepes av oksygen og er kjent som obligatoriske anaerober.
I reaksjonene med glykolyse fosforyleres opprinnelig glukosen med seks karbon - det vil si at den har en fosfatgruppe vedlagt den. Det resulterende molekylet er en fosforylert form av fruktose (fruktsukker). Dette molekylet fosforyleres deretter en gang. Hver av disse fosforyleringene krever et molekyl av ATP, som begge blir omdannet til adenosindifosfat, eller ADP. Seks-karbonmolekylet blir deretter omdannet til to tre-karbonmolekyler, som raskt omdannes til pyruvat. Under behandlingen av begge molekyler produseres 4 ATP ved hjelp av to molekyler av NAD + (nikotinamid adenindinucleotid) som omdannes til to molekyler av NADH. For hvert glukosemolekyl som kommer inn i glykolyse produseres således et nett av to ATP, to pyruvat og to NADH, mens to NAD + konsumeres.
The Krebs Cycle: Capsule Summary
Som nevnt tidligere, avhenger skjebnen til pyruvat av metabolske krav og miljøet til den aktuelle organismen. I prokaryoter gir glykolyse pluss gjæring nesten alle enkeltcellers energibehov, selv om noen av disse organismer har utviklet seg elektrontransportkjeder som lar dem bruke oksygen for å frigjøre ATP fra metabolitter (produkter) av glykolyse. I prokaryoter så vel som i alle eukaryoter, men gjær, hvis det ikke er oksygen tilgjengelig, eller hvis cellenes energibehov ikke kan oppfylles fullstendig gjennom aerob respirasjon, omdannes pyruvat til melkesyre via gjæring under påvirkning av enzymet laktatdehydrogenase, eller LDH .
Pyruvat bestemt til Krebs-syklusen beveger seg fra cytoplasmaet over membranen til celleorganeller (funksjonelle komponenter i cytoplasmaet) kalt mitokondrier. En gang i mitokondriell matrise, som er en slags cytoplasma for mitokondriene selv, omdannes den under påvirkning av enzymet pyruvat dehydrogenase til en annen tre-karbonforbindelse kalt acetylkoenzym A eller acetyl CoA. Mange enzymer kan plukkes ut fra en kjemisk sammensetning på grunn av "-ase" suffikset de deler.
På dette tidspunktet bør du benytte deg av et diagram som beskriver Krebs-syklusen, da det er den eneste måten å meningsfullt følge med på; se ressursene for et eksempel.
Årsaken til at Krebs-syklusen er navngitt som sådan, er at et av hovedproduktene, oksaloacetat, også er en reaktant. Det vil si at når to-karbonacetyl CoA laget av pyruvat går inn i syklusen fra "oppstrøms", reagerer den med oksaloacetat, et fire-karbon molekyl, og danner citrat, et seks-karbon molekyl. Citrat, et symmetrisk molekyl, inkluderer tre karboksylgrupper, som har formen (-COOH) i sin protonerte form og (-COO-) i sin ubeskyttede form. Det er denne trioen av karboksylgrupper som gir navnet "trikarboksylsyre" til denne syklusen. Syntesen blir drevet av tilsetning av et vannmolekyl, noe som gjør dette til en kondensasjonsreaksjon, og tapet av koenzym A-delen av acetyl CoA.
Citrate blir deretter omorganisert til et molekyl med de samme atomer i et annet arrangement, som passende nok kalles isocitrat. Dette molekylet avgir deretter et CO2 å bli den fem-karbonforbindelse α-ketoglutarat, og i neste trinn skjer det samme, med α-ketoglutarat som mister et CO2 mens du gjenvinner et koenzym A for å bli succinyl CoA. Dette fire-karbonmolekylet blir succinat med tap av CoA, og blir deretter omorganisert til en prosess av de-prototonerte fire-karbon-syrer: fumarat, malat og til slutt oksaloacetat.
De sentrale molekylene i Krebs-syklusen er da, i rekkefølge
Dette utelater navnene på enzymene og en rekke kritiske ko-reaktanter, blant dem NAD + / NADH, det lignende molekylparet FAD / FADH2 (flavin adenindinukleotid) og CO2.
Merk at mengden karbon på samme punkt i en hvilken som helst syklus forblir den samme. Oxaloacetate plukker opp to karbonatomer når det kombineres med acetyl CoA, men disse to atomene går tapt i første halvdel av Krebs-syklusen som CO2 i påfølgende reaksjoner der NAD + også er redusert til NADH. (I kjemi, for å forenkle noe, legger reduksjonsreaksjoner til protoner mens oksidasjonsreaksjoner fjerner dem.) Ser man på prosessen som en helhet og undersøker bare disse to-, fire-, fem- og seks-karbon-reaktantene og produktene, er det ikke øyeblikkelig klart hvorfor celler vil delta i noe som ligner et biokjemisk pariserhjul, med forskjellige ryttere fra samme befolkning som ble lastet på og av hjulet, men ingenting endret seg på slutten av dagen bortsett fra mange svinger på hjulet.
Hensikten med Krebs-syklusen er mer åpenbar når du ser på hva som skjer med hydrogenioner i disse reaksjonene. På tre forskjellige punkter samler en NAD + en proton, og på et annet punkt samler FAD to protoner. Tenk på protoner - på grunn av deres innvirkning på positive og negative ladninger - som elektronpar. På dette synspunktet er syklusens poeng akkumulering av høyeenergi-elektronpar fra små karbonmolekyler.
Dykking dypere i Krebs-syklusreaksjonene
Du vil kanskje legge merke til at to kritiske molekyler som forventes å være til stede i aerob respirasjon mangler fra Krebs-syklusen: Oxygen (O2) og ATP, den formen for energi som direkte brukes av celler og vev for å utføre arbeid som vekst, reparasjon og så videre. Igjen, dette er fordi Krebs-syklusen er en tabellsetter for elektrontransportkjedereaksjonene som oppstår i nærheten, i mitokondriell membran i stedet for i mitokondriell matrise. Elektronene høstet av nukleotider (NAD + og FAD) i syklusen blir brukt "nedstrøms" når de blir akseptert av oksygenatomer i transportkjeden. Krebs-syklusen fjerner i realiteten verdifullt materiale i et tilsynelatende umerkelig sirkulært transportbånd og eksporterer dem til et nærliggende prosesseringssenter der det virkelige produksjonslaget er på jobb.
Legg også merke til at de tilsynelatende unødvendige reaksjonene i Krebs-syklusen (tross alt, hvorfor ta åtte skritt for å oppnå det som kan gjøres i kanskje tre eller fire?) Genererer molekyler som, selv om mellomprodukter i Krebs-syklusen, kan tjene som reaktanter i ikke-relaterte reaksjoner .
Som referanse aksepterer NAD en proton i trinn 3, 4 og 8, og i de to første av disse CO2 blir skuret; et molekyl av guanosintrifosfat (GTP) blir produsert fra BNP i trinn 5; og FAD aksepterer to protoner i trinn 6. I trinn 1 "forlater CoA", men "returnerer" i trinn 4. Faktisk er det bare trinn 2, omorganiseringen av sitrat til isocitrat, som er "stille" utenfor karbonmolekylene i reaksjonen.
En Mnemonic for studenter
På grunn av viktigheten av Krebs-syklusen i biokjemi og menneskelig fysiologi, har studenter, professorer og andre kommet opp med en rekke mnemonics, eller måter å huske navn på, for å hjelpe med å huske trinnene og reaktantene i Krebs-syklusen. Hvis man bare ønsker å huske karbonreaktantene, mellomproduktene og produktene, er det mulig å arbeide fra de første bokstavene i påfølgende forbindelser slik de vises (O, Ac, C, I, K, Sc, S, F, M; her, merke til at "koenzym A" er representert av en liten "c"). Du kan opprette en liten personlig frase fra disse bokstavene, med de første bokstavene i molekylene som de første bokstavene i ordene til uttrykket.
En mer sofistikert måte å gjøre dette på er å bruke en mnemonic som lar deg følge med på antall karbonatomer på hvert trinn, noe som kan tillate deg å bedre internalisere det som skjer fra et biokjemisk synspunkt til enhver tid. Hvis du for eksempel lar et ord med seks bokstaver representere seks-karbon oksaloacetatet, og tilsvarende for mindre ord og molekyler, kan du produsere et skjema som både er nyttig som minneenhet og informasjonsrik. En bidragsyter til "Journal of Chemical Education" foreslo følgende ide:
Her ser du et ord med seks bokstaver dannet av et ord med to bokstaver (eller gruppe) og et ord med fire bokstaver. Hvert av de neste tre trinnene inkluderer en enkeltbokstavsubstitusjon uten tap av bokstaver (eller "karbon"). De neste to trinnene involverer tap av en bokstav (eller, igjen, "karbon"). Resten av ordningen bevarer kravet på fire bokstaver på samme måte som de siste trinnene i Krebs-syklusen inkluderer forskjellige, nært beslektede molekyler med fire karbon.
Bortsett fra disse spesifikke enhetene, kan du synes det er fordelaktig å tegne deg en komplett celle eller del av en celle som omgir en mitokondrion, og skissere reaksjonene av glykolyse så mye detaljering du vil i cytoplasma-delen og Krebs-syklusen i mitokondriell matriksdel. I denne skissen ville du vise at pyruvat ble skutt inn i det indre av mitokondriene, men du kan også tegne en pil som fører til gjæring, som også forekommer i cytoplasma.