Περιεχόμενο
- Γλυκόλυση: Ρύθμιση της σκηνής
- Ο κύκλος Krebs: Περίληψη καψακίων
- Καταδύσεις βαθύτερες στις αντιδράσεις κύκλου Krebs
- Ένα μνημονικό για τους μαθητές
Ο κύκλος του Krebs, που πήρε το όνομά του από τον νικητή του βραβείου Νόμπελ το 1953 και τον φυσιολόγο Hans Krebs, είναι μια σειρά μεταβολικών αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα στα μιτοχόνδρια των ευκαρυωτικών κυττάρων. Πιο απλά, αυτό σημαίνει ότι τα βακτηρίδια δεν έχουν το κυψελοειδές μηχανισμό για τον κύκλο του Krebs, περιορίζοντας έτσι τα φυτά, τα ζώα και τους μύκητες.
Η γλυκόζη είναι το μόριο που τελικά μεταβολίζεται από τα ζωντανά πράγματα για να παράγει ενέργεια, με τη μορφή τριφωσφορικής αδενοσίνης ή ΑΤΡ. Η γλυκόζη μπορεί να αποθηκευτεί στο σώμα σε πολλές μορφές. το γλυκογόνο είναι λίγο περισσότερο από μια μακρά αλυσίδα μορίων γλυκόζης που αποθηκεύεται σε μυϊκά και ηπατικά κύτταρα, ενώ οι διατροφικοί υδατάνθρακες, οι πρωτεΐνες και τα λίπη έχουν συστατικά που μπορούν να μεταβολιστούν και στη γλυκόζη. Όταν ένα μόριο γλυκόζης εισέλθει σε ένα κύτταρο, διασπάται στο κυτταρόπλασμα σε πυροσταφυλικό.
Αυτό που συμβαίνει στη συνέχεια εξαρτάται από το αν το πυροσταφυλικό προϊόν εισέρχεται στο μονοπάτι της αερόβιας αναπνοής (το συνηθισμένο αποτέλεσμα) ή τη διαδρομή ζυμώσεως γαλακτικού οξέος (που χρησιμοποιείται σε περιόδους άσκησης υψηλής έντασης ή στέρησης οξυγόνου) πριν τελικά επιτρέψει την παραγωγή ΑΤΡ και την απελευθέρωση διοξειδίου του άνθρακα CO2) και νερό (Η2Ο) ως παραπροϊόντα.
Ο κύκλος Krebs - που ονομάζεται επίσης κύκλος κιτρικού οξέος ή κύκλος τρικαρβοξυλικού οξέος (TCA) - είναι το πρώτο βήμα στην αερόβια οδό και λειτουργεί για να συνθέτει συνεχώς αρκετά μια ουσία που ονομάζεται oxaloacetate για να κρατήσει τον κύκλο, αν και, όπως εσείς δείτε, αυτό δεν είναι πραγματικά η αποστολή κύκλων ". Ο κύκλος του Krebs παρέχει και άλλα οφέλη. Επειδή περιλαμβάνει περίπου οκτώ αντιδράσεις (και, αντίστοιχα, εννέα ένζυμα) που περιλαμβάνουν εννέα διαφορετικά μόρια, είναι χρήσιμο να αναπτύξετε εργαλεία για να κρατήσετε τα σημαντικά σημεία του κύκλου ευθεία στο μυαλό σας.
Γλυκόλυση: Ρύθμιση της σκηνής
Η γλυκόζη είναι ένα ζάχαρο έξι-άνθρακα (εξόζης) που στη φύση έχει συνήθως τη μορφή δακτυλίου. Όπως όλοι οι μονοσακχαρίτες (μονομερή ζάχαρης), αποτελείται από άνθρακα, υδρογόνο και οξυγόνο σε αναλογία 1-2-1, με τύπο C6H12Ο6. Είναι ένα από τα τελικά προϊόντα του μεταβολισμού των πρωτεϊνών, των υδατανθράκων και των λιπαρών οξέων και χρησιμεύει ως καύσιμο σε κάθε τύπο οργανισμού από μονοκύτταρα βακτήρια σε ανθρώπους και μεγαλύτερα ζώα.
Η γλυκόλυση είναι αναερόβια με την αυστηρή έννοια του "χωρίς οξυγόνο". Δηλαδή, οι αντιδράσεις συνεχίζονται αν O2 υπάρχει στα κύτταρα ή όχι. Προσέξτε να το ξεχωρίσετε από το "οξυγόνο δεν πρέπει να είναι παρόν ", αν και αυτό συμβαίνει με ορισμένα βακτήρια που στην πραγματικότητα σκοτώνονται από οξυγόνο και είναι γνωστά ως υποχρεωτικά αναερόβια.
Στις αντιδράσεις της γλυκόλυσης, η γλυκόζη των έξι-άνθρακα αρχικά φωσφορυλιώνεται - δηλαδή, έχει προσαρτημένη σε αυτήν φωσφορική ομάδα. Το προκύπτον μόριο είναι μια φωσφορυλιωμένη μορφή φρουκτόζης (ζάχαρη φρούτου). Αυτό το μόριο στη συνέχεια φωσφορυλιώνεται για δεύτερη φορά. Κάθε μία από αυτές τις φωσφορυλιώσεις απαιτεί ένα μόριο ΑΤΡ, αμφότερα από τα οποία μετατρέπονται σε διφωσφορική αδενοσίνη, ή ΑϋΡ. Το μόριο των έξι ατόμων άνθρακα στη συνέχεια μετατρέπεται σε δύο τρία μόρια άνθρακα, τα οποία μετατρέπονται γρήγορα σε πυροσταφυλικό. Κατά μήκος της πορείας, στην επεξεργασία και των δύο μορίων, παράγονται 4 ΑΤΡ με τη βοήθεια δύο μορίων NAD + (δινουκλεοτίδιο αδενίνης νικοτιναμιδίου) τα οποία μετατρέπονται σε δύο μόρια NADH. Έτσι, για κάθε μόριο γλυκόζης που εισέρχεται στη γλυκόλυση, παράγεται ένα δίχτυ δύο ATP, δύο πυροσταφυλικά και δύο NADH, ενώ καταναλώνονται δύο NAD +.
Ο κύκλος Krebs: Περίληψη καψακίων
Όπως σημειώθηκε προηγουμένως, η τύχη του πυροσταφυλικού εξαρτάται από τις μεταβολικές απαιτήσεις και το περιβάλλον του εν λόγω οργανισμού. Στα προκαρυωτικά, η γλυκόλυση και η ζύμωση παρέχουν σχεδόν όλες τις ενεργειακές ανάγκες των μεμονωμένων κυττάρων, αν και ορισμένοι από αυτούς τους οργανισμούς έχουν εξελιχθεί αλυσίδες μεταφοράς ηλεκτρονίων που τους επιτρέπουν να κάνουν χρήση οξυγόνου για να απελευθερώσουν ΑΤΡ από μεταβολίτες (προϊόντα) γλυκολύσης. Σε προκαρυωτικά αλλά και σε όλους τους ευκαρυώτες αλλά στον ζυμομύκητα, εάν δεν υπάρχει διαθέσιμο οξυγόνο ή εάν οι ανάγκες ενέργειας των κυττάρων δεν μπορούν να ικανοποιηθούν πλήρως μέσω αερόβιας αναπνοής, το πυρουβικό οξύ μετατρέπεται σε γαλακτικό οξύ μέσω ζύμωσης υπό την επίδραση του γαλακτικού αφυδρογονάσης ενζύμου ή LDH .
Το πυροσταφυλικό που προορίζεται για τον κύκλο του Krebs μετακινείται από το κυτταρόπλασμα διαμέσου της μεμβράνης των οργανικών κυττάρων (λειτουργικά συστατικά στο κυτταρόπλασμα) που ονομάζεται μιτοχόνδρια. Μόλις τοποθετηθούν στη μιτοχονδριακή μήτρα, η οποία είναι ένα είδος κυτταροπλάσματος για τα ίδια τα μιτοχόνδρια, μετατρέπεται υπό την επίδραση του ενζύμου πυροσταφυλική αφυδρογονάση σε μια διαφορετική ένωση τριών ατόμων άνθρακα που ονομάζεται ακετύλιο συνένζυμο Α ή ακετυλ CoA. Πολλά ένζυμα μπορούν να ληφθούν από μια χημική σειρά λόγω της "-άσης" επιθέματος που μοιράζονται.
Σε αυτό το σημείο θα πρέπει να χρησιμοποιήσετε ένα διάγραμμα που αναφέρει λεπτομερώς τον κύκλο του Krebs, καθώς είναι ο μόνος τρόπος για να ακολουθήσετε με νόημα. δείτε τους πόρους για ένα παράδειγμα.
Ο λόγος που ο κύκλος του Krebs ονομάζεται ως τέτοιος είναι ότι ένα από τα κύρια προϊόντα του, oxaloacetate, είναι επίσης ένα αντιδραστήριο. Δηλαδή, όταν το ακετύλιο CoA από δύο άτομα άνθρακα που δημιουργείται από το πυροσταφυλικό άλας εισέρχεται στον κύκλο από την "ανάντη", αντιδρά με οξαλοξικό, ένα μόριο τεσσάρων ανθράκων και σχηματίζει κιτρικό, ένα μόριο έξι ατόμων άνθρακα. Το κιτρικό, ένα συμμετρικό μόριο, περιλαμβάνει τρία καρβοξυλικές ομάδες, οι οποίες έχουν τη μορφή (-COOH) στην πρωτονιωμένη μορφή τους και (-COO-) στην απροτονωμένη μορφή τους. Είναι αυτό το τρίο των καρβοξυλικών ομάδων που προσδίδει την ονομασία "τρικαρβοξυλικό οξύ" σε αυτόν τον κύκλο. Η σύνθεση οδηγείται από την προσθήκη ενός μορίου νερού, καθιστώντας την αντίδραση συμπύκνωσης και την απώλεια του τμήματος του συνενζύμου Α του ακετυλικού CoA.
Το κιτρικό διάλυμα αναδιατάσσεται στη συνέχεια σε ένα μόριο με τα ίδια άτομα σε διαφορετική διάταξη, η οποία καλείται σωστά ισότροπη. Αυτό το μόριο εκπέμπει κατόπιν ένα CO2 για να γίνει η α-κετογλουταρική ένωση πέντε ατόμων άνθρακα και στο επόμενο βήμα το ίδιο συμβαίνει, με την α-κετογλουταρική να χάνει CO2 ενώ ανακτάται ένα συνένζυμο Α για να γίνει ηλεκτρυλικός CoA. Αυτό το μόριο τεσσάρων ατόμων άνθρακα γίνεται ηλεκτρικό με την απώλεια του CoA και στη συνέχεια αναδιατάσσεται σε πομπή των αποπροταμινωμένων οξέων με τέσσερα άτομα άνθρακα: φουμαρικό, μηλικό και τελικά οξαλοξικό.
Τα κεντρικά μόρια του κύκλου του Krebs, τότε, είναι
Αυτό παραλείπει τα ονόματα των ενζύμων και έναν αριθμό κρίσιμων συν-αντιδραστηρίων, μεταξύ των οποίων το NAD + / NADH, το παρόμοιο ζεύγος μορίων FAD / FADH2 (δινουκλεοτίδιο αβαφίνης αδενίνης) και CO2.
Σημειώστε ότι η ποσότητα άνθρακα στο ίδιο σημείο σε οποιοδήποτε κύκλο παραμένει η ίδια. Ο οξαλοξεικός συλλέγει δύο άτομα άνθρακα όταν συνδυάζεται με ακετυλ CoA, αλλά αυτά τα δύο άτομα χάνονται στο πρώτο μισό του κύκλου του Krebs ως CO2 σε διαδοχικές αντιδράσεις στις οποίες το NAD + μειώνεται επίσης στο NADH. (Στην χημεία, για να απλουστευθούν κάπως, οι αντιδράσεις μείωσης προσθέτουν πρωτόνια ενώ οι αντιδράσεις οξείδωσης τους απομακρύνονται.) Κοιτώντας τη διαδικασία στο σύνολό της και εξετάζοντας μόνο αυτά τα αντιδραστήρια και τα προϊόντα δύο, τεσσάρων, πέντε και έξι ατόμων άνθρακα, δεν είναι αμέσως να ξεκαθαρίσει γιατί τα κύτταρα θα συμμετείχαν σε κάτι σαν ένα βιοχημικό τροχό, με διαφορετικούς αναβάτες από τον ίδιο πληθυσμό να φορτώνονται στο τιμόνι αλλά χωρίς να αλλάζουν τίποτα στο τέλος της ημέρας, εκτός από τις πολλές στροφές του τροχού.
Ο σκοπός του κύκλου του Krebs είναι πιο προφανής όταν εξετάζετε τι συμβαίνει στα ιόντα υδρογόνου σε αυτές τις αντιδράσεις. Σε τρία διαφορετικά σημεία, ένα NAD + συλλέγει ένα πρωτόνιο, και σε ένα διαφορετικό σημείο, το FAD συλλέγει δύο πρωτόνια. Σκεφτείτε τα πρωτόνια - λόγω της επίδρασής τους σε θετικά και αρνητικά φορτία - ως ζεύγη ηλεκτρονίων. Από αυτή την άποψη, το σημείο του κύκλου είναι η συσσώρευση ζευγών ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας από μικρά μόρια άνθρακα.
Καταδύσεις βαθύτερες στις αντιδράσεις κύκλου Krebs
Μπορεί να παρατηρήσετε ότι δύο κρίσιμα μόρια που αναμένεται να είναι παρόντα σε αερόβια αναπνοή λείπουν από τον κύκλο Krebs: Οξυγόνο (O2) και την ΑΤΡ, τη μορφή ενέργειας που χρησιμοποιείται άμεσα από τα κύτταρα και τους ιστούς για την εκτέλεση εργασιών όπως η ανάπτυξη, η επισκευή και ούτω καθεξής. Και πάλι, αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι ο κύκλος του Krebs είναι ένας πίνακας για τις αντιδράσεις της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων που συμβαίνουν κοντά στη μιτοχονδριακή μεμβράνη και όχι στη μιτοχονδριακή μήτρα. Τα ηλεκτρόνια που συλλέγονται από τα νουκλεοτίδια (NAD + και FAD) στον κύκλο χρησιμοποιούνται "κατάντη" όταν γίνονται αποδεκτά από άτομα οξυγόνου στην αλυσίδα μεταφοράς. Ο κύκλος του Krebs απομακρύνει το πολύτιμο υλικό σε έναν φαινομενικά ανεξερεύνητο κυκλικό μεταφορικό ιμάντα και τα εξάγει σε ένα κοντινό κέντρο επεξεργασίας όπου λειτουργεί η πραγματική ομάδα παραγωγής.
Επίσης, σημειώστε ότι οι φαινομενικά περιττές αντιδράσεις στον κύκλο του Krebs (γιατί να πάρουν οκτώ βήματα για να πετύχουν τι μπορεί να γίνει σε ίσως τρία ή τέσσερα;) δημιουργούν μόρια που, αν και ενδιάμεσα στον κύκλο Krebs, μπορούν να χρησιμεύσουν ως αντιδραστήρια σε μη σχετικές αντιδράσεις .
Για αναφορά, το NAD δέχεται ένα πρωτόνιο στα Βήματα 3, 4 και 8, και στις δύο πρώτες από αυτές τις CO2 ρίχνεται? ένα μόριο τριφωσφορικής γουανοσίνης (GTP) παράγεται από το ΑΕΠ στο Στάδιο 5, και το FAD δέχεται δύο πρωτόνια στο βήμα 6. Στο βήμα 1, το CoA "αφήνει", αλλά "επιστρέφει" στο βήμα 4. Στην πραγματικότητα, μόνο το Βήμα 2, η αναδιάταξη του κιτρικού σε ισοκυτταρίνη, είναι "σιωπηλό" έξω από τα μόρια άνθρακα την αντίδραση.
Ένα μνημονικό για τους μαθητές
Λόγω της σπουδαιότητας του κύκλου του Krebs στη βιοχημεία και την ανθρώπινη φυσιολογία, οι μαθητές, οι καθηγητές και άλλοι έχουν καταλήξει σε πολλά μνημονικά ή τρόπους να θυμούνται τα ονόματα, να βοηθούν να θυμούνται τα βήματα και τα αντιδραστήρια στον κύκλο του Krebs. Αν κάποιος επιθυμεί μόνο να θυμηθεί τα αντιδραστήρια άνθρακα, τα ενδιάμεσα προϊόντα και τα προϊόντα, είναι δυνατό να δουλέψουμε από τα πρώτα γράμματα διαδοχικών ενώσεων όπως εμφανίζονται (O, Ac, C, I, K, Sc, S, F, παρατηρήστε ότι το "συνένζυμο Α" αντιπροσωπεύεται από ένα μικρό "c"). Μπορείτε να δημιουργήσετε μια εξατομικευμένη εξατομικευμένη φράση από αυτά τα γράμματα, με τα πρώτα γράμματα των μορίων να λειτουργούν ως τα πρώτα γράμματα στα λόγια της φράσης.
Ένας πιο εξελιγμένος τρόπος να το κάνετε αυτό είναι να χρησιμοποιήσετε ένα μνημονικό που σας επιτρέπει να παρακολουθείτε τον αριθμό των ατόμων άνθρακα σε κάθε βήμα, που μπορεί να σας επιτρέψει να εσωτερικεύσετε καλύτερα τι συμβαίνει από βιοχημική άποψη ανά πάσα στιγμή. Για παράδειγμα, αν αφήσετε μια λέξη έξι γραμμάτων να αντιπροσωπεύει τον οξαλοξικό εστέρα των έξι ατόμων και αντίστοιχα για τις μικρότερες λέξεις και μόρια, μπορείτε να δημιουργήσετε ένα σχέδιο που είναι χρήσιμο τόσο ως συσκευή μνήμης όσο και ως πληροφορία πλούσια. Ένας συνεισφέρων στην «Εφημερίδα της Χημικής Εκπαίδευσης» πρότεινε την ακόλουθη ιδέα:
Εδώ, βλέπετε μια λέξη έξι λέξεων που αποτελείται από μια λέξη (ή ομάδα) δύο λέξεων και μια λέξη τεσσάρων γραμμάτων. Κάθε ένα από τα επόμενα τρία βήματα περιλαμβάνει μια υποκατάσταση ενός γράμματος χωρίς απώλεια γραμμάτων (ή "άνθρακα"). Τα επόμενα δύο βήματα περιλαμβάνουν την απώλεια ενός γράμματος (ή, και πάλι, "άνθρακα"). Το υπόλοιπο σχήμα διατηρεί την απαίτηση λέξεων τεσσάρων γραμμάτων με τον ίδιο τρόπο που τα τελευταία βήματα του κύκλου του Krebs περιλαμβάνουν διαφορετικά, στενά συνδεδεμένα τετρα-άνθρακα μόρια.
Εκτός από αυτές τις συγκεκριμένες συσκευές, μπορεί να σας φανεί χρήσιμο να σχεδιάσετε ένα πλήρες κύτταρο ή τμήμα ενός κυττάρου που περιβάλλει ένα μιτοχόνδριο και να σχεδιάσετε τις αντιδράσεις της γλυκόλυσης όσο το δυνατόν περισσότερο στο τμήμα του κυτταροπλάσματος και τον κύκλο του Krebs στα μιτοχονδριακά τμήμα μήτρας. Σ 'αυτό το σκίτσο, θα δείτε το πυροσταφυλικό να μεταφέρεται στο εσωτερικό των μιτοχονδρίων, αλλά θα μπορούσατε επίσης να σχεδιάσετε ένα βέλος που οδηγεί σε ζύμωση, το οποίο επίσης εμφανίζεται στο κυτταρόπλασμα.