Зміст
- Гліколіз: встановлення етапу
- Цикл Кребса: Підсумок капсули
- Занурення глибше в реакції Кребса
- Мнемоніка для студентів
Цикл Кребса, названий на честь лауреата Нобелівської премії 1953 р. Та фізіолога Ганса Кребса, - це низка метаболічних реакцій, що відбуваються в мітохондріях еукаріотичних клітин. Простіше кажучи, це означає, що бактерії не мають стільникового обладнання для циклу Кребса, тому це обмежується рослинами, тваринами та грибами.
Глюкоза - це молекула, яка в кінцевому рахунку метаболізується живими істотами для отримання енергії у вигляді аденозинтрифосфату або АТФ. Глюкоза може зберігатися в організмі в численних формах; глікоген - це трохи більше, ніж довгий ланцюг молекул глюкози, який зберігається в клітинах м’язів та печінки, тоді як харчові вуглеводи, білки та жири містять компоненти, які також можуть метаболізуватися до глюкози. Коли молекула глюкози потрапляє в клітину, вона розпадається в цитоплазмі на піруват.
Що буде далі, залежить від того, потрапляє піруват в аеробний шлях дихання (звичайний результат) або шлях лактатної ферментації (застосовується у приступах високої інтенсивності або дефіциту кисню) до того, як він в кінцевому підсумку дозволить отримати АТФ і виділити вуглекислий газ ( СО2) і вода (Н2O) як побічні продукти.
Цикл Кребса - також його називають циклом лимонної кислоти або циклом трикарбонової кислоти (ТСА) - це перший крок аеробного шляху, і він працює для постійного синтезу достатньої кількості речовини, званої оксалоацетатом, щоб тривати цикл, хоча, як ви бачите, це насправді не цикла "місії". Цикл Кребса забезпечує і інші переваги. Оскільки воно включає в себе десь вісім реакцій (і, відповідно, дев'ять ферментів), що включають дев'ять різних молекул, корисно розробити інструменти для збереження важливих моментів циклу прямо у вашому розумі.
Гліколіз: встановлення етапу
Глюкоза - це шестивуглецевий (гексозний) цукор, який у природі зазвичай є у формі кільця. Як і всі моносахариди (мономери цукру), він складається з вуглецю, водню та кисню у співвідношенні 1-2-1, з формулою C6Н12О6. Він є одним із кінцевих продуктів білкового, вуглеводного та жирно-кислотного обміну та служить паливом для кожного типу організму від одноклітинних бактерій до людини та великих тварин.
Гліколіз є анаеробним у строгому значенні "без кисню". Тобто реакції протікають чи О2 присутній у клітинах чи ні. Будьте уважні, щоб відрізнити це від "кисню бути не повинно тепер, "хоча це так з деякими бактеріями, які насправді вбиваються киснем і відомі як облігатні анаероби.
В реакціях гліколізу шість вуглецю глюкоза спочатку фосфорилюється - тобто до неї додається фосфатна група. Отримана молекула є фосфорильованою формою фруктози (фруктового цукру). Потім ця молекула фосфорилюється вдруге. Кожне з цих фосфорилювання вимагає молекули АТФ, обидві з яких перетворюються на аденозиндифосфат або АДФ. Потім молекула шести вуглецю перетворюється на дві три вуглецеві молекули, які швидко перетворюються в піруват. Попутно при обробці обох молекул утворюється 4 АТФ за допомогою двох молекул NAD + (нікотинамід-аденінунунуклеотиду), які перетворюються на дві молекули НАДН. Таким чином, для кожної молекули глюкози, яка надходить у гліколіз, утворюється сітка з двох АТФ, двох піруватів та двох НАДГ, в той час як два НАД + споживаються.
Цикл Кребса: Підсумок капсули
Як зазначалося раніше, доля пірувату залежить від метаболічних потреб і середовища відповідного організму. У прокаріотів гліколіз плюс бродіння забезпечує майже всі потреби в енергії в окремих клітинах, хоча деякі з цих організмів еволюціонували електронні транспортні ланцюги які дозволяють використовувати кисень для звільнення АТФ від метаболітів (продуктів) гліколізу. Як у прокаріотів, так і у всіх еукаріотів, окрім дріжджів, якщо немає кисню або якщо енергетичні потреби клітини не можуть бути повністю задоволені шляхом аеробного дихання, піруват перетворюється на молочну кислоту шляхом ферментації під впливом ферменту лактатдегідрогенази або ЛДГ .
Піруват, призначений для циклу Кребса, рухається від цитоплазми через мембрану клітинних органел (функціональні компоненти в цитоплазмі), що називається мітохондрії. Потрапивши в мітохондріальну матрицю, яка є своєрідною цитоплазмою для самих мітохондрій, вона під впливом ферменту піруватдегідрогенази перетворюється на іншу тривуглецеву сполуку під назвою ацетил-коензим А або ацетил КоА. Багато ферментів можна виділити з хімічної лінійки через суфікс "-ase", який вони поділяють.
На цьому етапі ви повинні скористатися схемою, що деталізує цикл Кребса, оскільки це єдиний спосіб змістовно слідувати далі; див. Ресурси для прикладу.
Причина, яку цикл Кребса названа такою, полягає в тому, що один з основних її продуктів, оксалоацетат, також є реагентом. Тобто, коли двовуглецевий ацетил CoA, створений з пірувату, входить у цикл «вище за течією», він реагує з оксалоацетатом, молекулою чотирьох вуглецю, і утворює цитрат, шестивуглецеву молекулу. Цитрат, симетрична молекула, включає три карбоксильні групи, які мають форму (-COOH) у протонованому вигляді та (-COO-) у непротонованому вигляді. Саме ця тріо карбоксильних груп надає цьому циклу назву "трикарбонової кислоти". Синтез відбувається за рахунок додавання молекули води, що робить це реакцією конденсації та втратою коферменту А порції ацетилу CoA.
Потім цитрат переставляють у молекулу з однаковими атомами в різному розташуванні, що доречно називається ізоцитратом. Потім ця молекула виділяє СО2 перетворюватися на п’ятивуглецеву сполуку α-кетоглутарат, а на наступному етапі відбувається те ж саме, причому α-кетоглутарат втрачає СО2 при цьому повертаючи коензим А, щоб стати сукцинільним CoA. Ця чотиривуглецева молекула стає сукцинатною із втратою CoA, а згодом перегрупується у процес чотиривуглецевих депротонованих кислот: фумарат, малат та нарешті оксалоацетат.
Тоді центральні молекули циклу Кребса є
Це омиває назви ферментів та низку критичних ко-реактивних речовин, серед яких NAD + / NADH, аналогічна пара молекули FAD / FADH2 (флавін-аденінудинуклеотид) та СО2.
Зауважте, що кількість вуглецю в одній точці будь-якого циклу залишається однаковою. Оксалоацетат збирає два атоми вуглецю, коли він поєднується з ацетилом CoA, але ці два атоми втрачаються в першій половині циклу Кребса як СО2 при послідовних реакціях, в яких НАД + також знижується до НАДГ. (У хімії, щоб дещо спростити, реакції відновлення додають протони, тоді як реакції окислення видаляють їх.) Якщо дивитися на процес в цілому і досліджувати лише ці дво-, чотири-, п'яти- і шестивуглецеві реактиви та продукти, це не одразу зрозуміло, чому клітини займаються чимось схожим на біохімічне чортове колесо, з різними вершниками того ж населення завантажуються і виходять з колеса, але в кінці дня нічого не змінюється, за винятком великої кількості обертів колеса.
Мета циклу Кребса більш очевидна, коли ви дивитесь, що відбувається з іонами водню в цих реакціях. У трьох різних точках NAD + збирає протони, а в іншій точці FAD збирає два протони. Подумайте про протони - через їх вплив на позитивні та негативні заряди - як пари електронів. На цей погляд, точкою циклу є накопичення високоенергетичних електронних пар з малих молекул вуглецю.
Занурення глибше в реакції Кребса
Ви можете помітити, що в циклі Кребса відсутні дві критичні молекули, які, як очікується, будуть мати аеробне дихання: Кисень (O2) та АТФ - форма енергії, безпосередньо використана клітинами та тканинами для виконання таких робіт, як ріст, ремонт та ін. Знову ж таки, це тому, що цикл Кребса є таблицею для встановлення реакцій транспортного ланцюга електронів, що відбуваються поруч, в мітохондріальній мембрані, а не в матриці мітохондрій. Електрони, заготовлені нуклеотидами (NAD + і FAD) в циклі, використовуються "вниз за течією", коли вони приймаються атомами кисню в транспортному ланцюгу. Цикл Кребса фактично відбирає цінний матеріал у, здавалося б, непересічного кругового конвеєра та експортує їх у сусідній обробний центр, де працює справжня виробнича команда.
Також зауважте, що, здавалося б, непотрібні реакції в циклі Кребса (зрештою, навіщо робити вісім кроків для здійснення того, що можна зробити, можливо, через три чи чотири?) Генерують молекули, які, хоч і є проміжними в циклі Кребса, можуть слугувати реагентами в непов'язаних реакціях .
Для довідки, NAD приймає протон на етапах 3, 4 та 8 та у перших двох цих СО2 проливається; на етапі 5 з ВВП утворюється молекула гуанозинтрифосфату (GTP); і FAD приймає два протони на етапі 6. На кроці 1, CoA "залишає", але "повертається" на етапі 4. Насправді лише етап 2, перегрупування цитрату в ізоцитрат, "мовчить" поза молекулами вуглецю в реакція.
Мнемоніка для студентів
Через важливість циклу Кребса в біохімії та фізіології людини, студенти, професори та інші придумали ряд мнемоніки чи способів запам'ятати імена, щоб допомогти запам'ятати кроки та реактиви в циклі Кребса. Якщо потрібно лише згадати вуглецеві реагенти, 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 "коензим А" представлений невеликим "с"). Ви можете створити з цих букв вигадливу персоналізовану фразу, причому перші літери молекул служать першими літерами у словах фрази.
Більш складним способом вирішити це є використання мнемоніка, який дозволяє відслідковувати кількість атомів вуглецю на кожному кроці, що може допомогти вам краще усвідомити те, що відбувається з біохімічної точки зору в усі часи. Наприклад, якщо ви дозволите шестибуквеному слову позначати шестивуглецевий оксалоацетат і відповідно для менших слів і молекул, ви можете створити схему, яка є корисною як пристроєм пам'яті, так і багатою інформацією. Один із учасників «Журналу хімічної освіти» запропонував таку ідею:
Тут ви бачите шестибуквене слово, утворене двобуквенним словом (або групою) та словом із чотирьох літер. Кожен з наступних трьох етапів включає заміну однієї літери без втрати літер (або «вуглецю»). Наступні два кроки передбачають втрату букви (або, знову ж таки, "вуглецю"). У решті схеми так само зберігається вимога до чотирьох букв, коли останні кроки циклу Кребса включають різні, тісно пов'язані між собою чотири вуглецеві молекули.
Крім цих специфічних пристроїв, вам може бути корисно намалювати собі повну клітинку або частину клітини, що оточує мітохондріон, та прорисувати реакції гліколізу так само детально, як вам подобається, в частині цитоплазми та циклі Кребса в мітохондріалі матрична частина. У цьому ескізі ви б показали, як піруват заносять у внутрішню частину мітохондрій, але ви також можете намалювати стрілку, що веде до бродіння, що також відбувається в цитоплазмі.