Indhold
- Glykolyse: Indstilling af scenen
- Krebs-cyklus: kapseloversigt
- Dykning dybere ned i Krebs-cyklusreaktionerne
- En Mnemonic for studerende
Krebs-cyklussen, opkaldt efter nobelprisvinderen og fysiologen fra 1953 Hans Krebs i 1953, er en række metaboliske reaktioner, der finder sted i mitokondrierne i eukaryote celler. Kort sagt betyder dette, at bakterier ikke har det cellulære maskineri til Krebs-cyklussen, så det er begrænset til planter, dyr og svampe.
Glukose er det molekyle, der i sidste ende metaboliseres af levende ting for at udlede energi, i form af adenosintriphosphat eller ATP. Glukose kan opbevares i kroppen i adskillige former; glykogen er lidt mere end en lang kæde af glukosemolekyler, der er opbevaret i muskel- og leverceller, mens diætkulhydrater, proteiner og fedtstoffer har komponenter, der også kan metaboliseres til glukose. Når et molekyle af glukose kommer ind i en celle, nedbrydes det i cytoplasmaet til pyruvat.
Hvad der sker næste, afhænger af, om pyruvatet kommer ind i den aerobe respirationsvej (det sædvanlige resultat) eller laktatfermenteringsvejen (brugt i anstrengelser med høj intensitetsøvelse eller iltmangel), før det i sidste ende muliggør ATP-produktion og frigivelse af kuldioxid ( CO2) og vand (H2O) som biprodukter.
Krebs-cyklus - også kaldet citronsyrecyklus eller tricarboxylsyre-cyklus (TCA) - er det første trin i den aerobe vej, og det fungerer kontinuerligt til at syntetisere nok af et stof kaldet oxaloacetat til at holde cyklussen i gang, skønt som du se, dette er ikke rigtig cyklussen "mission". Krebs-cyklussen leverer også andre fordele. Fordi det inkluderer omkring otte reaktioner (og tilsvarende ni enzymer), der involverer ni forskellige molekyler, er det nyttigt at udvikle værktøjer til at holde de vigtige punkter i cyklussen lige i tankerne.
Glykolyse: Indstilling af scenen
Glukose er et seks-carbon (hexose) sukker, der i naturen normalt er i form af en ring. Som alle monosaccharider (sukkermonomerer) består det af kulstof, brint og ilt i et 1-2-1 forhold med en formel af C6H12O6. Det er et af slutprodukterne af protein-, kulhydrat- og fedtsyremetabolisme og fungerer som brændstof i enhver type organisme fra encellede bakterier til mennesker og større dyr.
Glykolyse er anaerob i den strenge forstand "uden ilt." Det vil sige, reaktionerne fortsætter, uanset om O2 er til stede i celler eller ej. Vær forsigtig med at skelne dette fra "ilt må ikke være det til stede, "skønt dette er tilfældet med nogle bakterier, der faktisk dræbes af ilt og er kendt som obligatoriske anaerober.
I reaktionerne på glykolyse fosforyleres oprindelig seks-carbon-glukosen - det vil sige, at der er knyttet en fosfatgruppe til den. Det resulterende molekyle er en fosforyleret form af fruktose (frugtsukker). Dette molekyle fosforyleres derefter en anden gang. Hver af disse phosphoryleringer kræver et molekyle af ATP, som begge omdannes til adenosindiphosphat eller ADP. Sex-carbon molekylet omdannes derefter til to tre-carbon molekyler, der hurtigt omdannes til pyruvat. Under bearbejdningen af begge molekyler produceres undervejs 4 ATP ved hjælp af to molekyler af NAD + (nicotinamid-adenindinucleotid), der omdannes til to molekyler af NADH. For hvert glukosemolekyle, der går ind i glycolyse, produceres således et net af to ATP, to pyruvat og to NADH, mens to NAD + forbruges.
Krebs-cyklus: kapseloversigt
Som tidligere nævnt afhænger skæbnen for pyruvat af de metaboliske krav og miljøet for den pågældende organisme. I prokaryoter tilvejebringer glycolyse plus gæring næsten alle energibehov for de enkelte celler, selvom nogle af disse organismer har udviklet sig elektrontransportkæder der giver dem mulighed for at bruge ilt til at frigøre ATP fra metabolitter (produkter) af glykolyse. I prokaryoter såvel som i alle eukaryoter, men gær, hvis der ikke er ilt til rådighed, eller hvis cellernes energibehov ikke fuldt ud kan imødekommes gennem aerob respiration, omdannes pyruvat til mælkesyre via gæring under påvirkning af enzymet lactatdehydrogenase eller LDH .
Pyruvat bestemt til Krebs-cyklus bevæger sig fra cytoplasmaet over membranen af celleorganeller (funktionelle komponenter i cytoplasmaet) kaldet mitokondrier. En gang i mitochondrial matrix, som er en slags cytoplasma for selve mitokondrierne, omdannes den under påvirkning af enzymet pyruvat dehydrogenase til en anden tre-carbonforbindelse kaldet acetylcoenzym A eller acetyl CoA. Mange enzymer kan plukkes ud fra en kemisk sammensætning på grund af "-ase" -suffikset, de deler.
På dette tidspunkt bør du benytte dig af et diagram, der beskriver Krebs-cyklussen, da det er den eneste måde at meningsfuldt følge med på; se Ressourcer for et eksempel.
Årsagen til, at Krebs-cyklussen er navngivet som sådan, er, at et af dets vigtigste produkter, oxaloacetat, også er en reaktant. Det vil sige, når den to-carbonacetyl CoA, der er dannet fra pyruvat, kommer ind i cyklussen fra "opstrøms", reagerer den med oxaloacetat, et fire-carbon molekyle og danner citrat, et seks-carbon molekyle. Citrat, et symmetrisk molekyle, inkluderer tre carboxylgrupper, som har formen (-COOH) i deres protonerede form og (-COO-) i deres ubeskyttede form. Det er denne trio af carboxylgrupper, der giver navnet "tricarboxylsyre" til denne cyklus. Syntesen drives af tilsætningen af et vandmolekyle, hvilket gør dette til en kondensationsreaktion og tabet af co-enzym A-delen af acetyl CoA.
Citrate omarrangeres derefter til et molekyle med de samme atomer i et andet arrangement, hvilket passende kaldes isocitrat. Dette molekyle afgiver derefter et CO2 at blive den fem-carbonforbindelse α-ketoglutarat, og i det næste trin sker den samme ting, hvor α-ketoglutarat mister et CO2 mens man genvinder et coenzym A for at blive succinyl CoA. Dette fire-carbon molekyle bliver succinat med tabet af CoA og omorganiseres efterfølgende til en procession af deprotonerede syrer med fire carbonatomer: fumarat, malat og til sidst oxaloacetat.
De centrale molekyler i Krebs-cyklussen er derefter i rækkefølge
Dette udelader navnene på enzymerne og et antal kritiske co-reaktanter, blandt dem NAD + / NADH, det lignende molekylepar FAD / FADH2 (flavin adenindinucleotid) og CO2.
Bemærk, at mængden af kulstof på det samme punkt i enhver cyklus forbliver den samme. Oxaloacetat henter to carbonatomer, når det kombineres med acetyl CoA, men disse to atomer går tabt i den første halvdel af Krebs-cyklussen som CO2 i successive reaktioner, hvor NAD + også reduceres til NADH. (I kemi, for at forenkle noget, tilføjer reduktionsreaktioner protoner, mens oxidationsreaktioner fjerner dem.) Ser man på processen som helhed og undersøger kun disse to-, fire-, fem- og seks-carbonreaktanter og -produkter, er det ikke øjeblikkeligt klart, hvorfor celler ville engagere sig i noget som ligner et biokemisk pariserhjul, hvor forskellige kørere fra den samme befolkning bliver belastet og slukket for hjulet, men intet ændrede sig i slutningen af dagen undtagen for mange drejninger på hjulet.
Formålet med Krebs-cyklussen er mere indlysende, når man ser på hvad der sker med brintioner i disse reaktioner. På tre forskellige punkter opsamler en NAD + en proton, og på et andet punkt opsamler FAD to protoner. Tænk på protoner - på grund af deres indflydelse på positive og negative ladninger - som par af elektroner. I dette synspunkt er cyklusens punkt akkumulering af højenergi-elektronpar fra små kulstofmolekyler.
Dykning dybere ned i Krebs-cyklusreaktionerne
Du bemærker muligvis, at to kritiske molekyler, der forventes at være til stede i aerob respiration, mangler i Krebs-cyklussen: Oxygen (O2) og ATP, den form af energi, der direkte anvendes af celler og væv til at udføre arbejde såsom vækst, reparation og så videre. Igen skyldes det, at Krebs-cyklussen er en bordsetter for elektrontransportkædereaktioner, der forekommer i nærheden, i mitokondriemembranen snarere end i mitokondriematrixen. Elektronerne høstet af nukleotider (NAD + og FAD) i cyklus bruges "nedstrøms", når de accepteres af oxygenatomer i transportkæden. Krebs-cyklussen striber faktisk værdifuldt materiale bort i et tilsyneladende umærkeligt cirkulært transportbånd og eksporterer dem til et nærliggende forarbejdningscenter, hvor det virkelige produktionshold er på arbejde.
Bemærk også, at de tilsyneladende unødvendige reaktioner i Krebs-cyklus (trods alt, hvorfor tage otte trin for at udføre, hvad der måske kan gøres i måske tre eller fire?) Genererer molekyler, som, selv om mellemprodukter i Krebs-cyklus, kan fungere som reaktanter i ikke-relaterede reaktioner .
Som reference accepterer NAD en proton i trin 3, 4 og 8 og i de første to af disse CO2 er kaste; et molekyle guanosintriphosphat (GTP) produceres fra BNP i trin 5; og FAD accepterer to protoner i trin 6. I trin 1 "forlader CoA", men "vender tilbage" i trin 4. Faktisk er det kun trin 2, omarrangering af citrat til isocitrat, "tavs" uden for carbonmolekylerne i reaktionen.
En Mnemonic for studerende
På grund af betydningen af Krebs-cyklus i biokemi og menneskelig fysiologi, har studerende, professorer og andre fundet en række mnemonik eller måder at huske navne til at hjælpe med at huske trin og reaktanter i Krebs-cyklus. Hvis man kun ønsker at huske kulstofreaktanterne, mellemprodukter og produkter, er det muligt at arbejde ud fra de første bogstaver i successive forbindelser, som de vises (O, Ac, C, I, K, Sc, S, F, M; her, bemærk, at "coenzym A" er repræsenteret af en lille "c"). Du kan oprette en smule personlig sætning fra disse bogstaver med de første bogstaver i molekylerne, der fungerer som de første bogstaver i ordene i sætningen.
En mere sofistikeret måde at gøre dette på er at bruge en mnemonisk, der giver dig mulighed for at holde øje med antallet af kulstofatomer på hvert trin, som muligvis til enhver tid kan internalisere, hvad der sker fra et biokemisk synspunkt. For eksempel, hvis du lader et ord med seks bogstaver repræsentere seks-carbonoxaloacetatet og tilsvarende for mindre ord og molekyler, kan du fremstille et skema, der både er nyttigt som en hukommelsesenhed og informationsrig. En bidragyder til "Journal of Chemical Education" foreslog følgende idé:
Her ser du et ord med seks bogstaver dannet af et ord med to bogstaver (eller gruppe) og et ord med fire bogstaver. Hvert af de næste tre trin inkluderer en enkeltbogssubstitution uden tab af bogstaver (eller "kulstof"). De næste to trin involverer hver tab af et bogstav (eller, igen, "kulstof"). Resten af skemaet bevarer kravet til fire bogstaver på samme måde som de sidste trin i Krebs-cyklussen inkluderer forskellige, tæt beslægtede fire-carbon molekyler.
Bortset fra disse specifikke enheder kan du måske finde det fordelagtigt at tegne dig selv en komplet celle eller del af en celle, der omgiver en mitokondrion, og skitsere reaktionerne ved glykolyse så detaljeret, som du vil i cytoplasma-delen og Krebs-cyklussen i mitokondrielle matrixdel. I denne skitse ville du vise, at pyruvat blev skudt ind i det indre af mitokondrierne, men du kan også tegne en pil, der fører til gæring, som også forekommer i cytoplasmaet.