Inhoud
- Glycolyse: het podium bepalen
- De Krebs-cyclus: samenvatting van de capsule
- Dieper in de Krebs-cyclusreacties duiken
- Een ezelsbruggetje voor studenten
De Krebs-cyclus, genoemd naar de Nobelprijswinnaar en fysioloog Hans Krebs uit 1953, is een reeks metabole reacties die plaatsvinden in de mitochondriën van eukaryotische cellen. Simpel gezegd betekent dit dat bacteriën niet over de cellulaire machines voor de Krebs-cyclus beschikken, dus beperkt het zich tot planten, dieren en schimmels.
Glucose is het molecuul dat uiteindelijk wordt gemetaboliseerd door levende wezens om energie af te leiden, in de vorm van adenosinetrifosfaat of ATP. Glucose kan in verschillende vormen in het lichaam worden opgeslagen; glycogeen is weinig meer dan een lange keten glucosemoleculen die wordt opgeslagen in spier- en levercellen, terwijl koolhydraten, eiwitten en vetten in de voeding componenten bevatten die ook tot glucose kunnen worden gemetaboliseerd. Wanneer een glucosemolecule een cel binnenkomt, wordt deze in het cytoplasma afgebroken tot pyruvaat.
Wat er vervolgens gebeurt, hangt af van of het pyruvaat het aerobe ademhalingspad (het gebruikelijke resultaat) of het lactaatfermentatiepad (gebruikt in periodes van intensieve training of zuurstofgebrek) binnengaat voordat het uiteindelijk ATP-productie en de afgifte van kooldioxide mogelijk maakt ( CO2) en water (H2O) als bijproducten.
De Krebs-cyclus - ook wel de citroenzuurcyclus of de tricarbonzuur (TCA) -cyclus genoemd - is de eerste stap in het aerobe pad, en het werkt continu om voldoende van een stof genaamd oxaloacetaat te synthetiseren om de cyclus in stand te houden, hoewel ziet u, dit is niet echt de "missie" van de cyclus. De Krebs-cyclus biedt ook andere voordelen. Omdat het ongeveer acht reacties bevat (en dienovereenkomstig negen enzymen) met negen verschillende moleculen, is het nuttig om hulpmiddelen te ontwikkelen om de belangrijke punten van de cyclus recht in je hoofd te houden.
Glycolyse: het podium bepalen
Glucose is een zes-koolstof (hexose) suiker die in de natuur meestal in de vorm van een ring is. Zoals alle monosachariden (suikermonomeren), bestaat het uit koolstof, waterstof en zuurstof in een 1-2-1-verhouding, met een formule van C6H12O6. Het is een van de eindproducten van het metabolisme van eiwitten, koolhydraten en vetzuren en dient als brandstof in elk type organisme, van eencellige bacteriën tot mensen en grotere dieren.
Glycolyse is anaëroob in de strikte zin van "zonder zuurstof". Dat wil zeggen, de reacties gaan door of O2 is aanwezig in cellen of niet. Wees voorzichtig om dit te onderscheiden van "zuurstof moet niet zijn aanwezig ', hoewel dit het geval is bij sommige bacteriën die daadwerkelijk worden gedood door zuurstof en die bekend staan als obligate anaerobe bacteriën.
In de reacties van glycolyse wordt de zes-koolstof glucose in eerste instantie gefosforyleerd - dat wil zeggen, er is een fosfaatgroep aan toegevoegd. Het resulterende molecuul is een gefosforyleerde vorm van fructose (fruitsuiker). Dit molecuul wordt vervolgens een tweede keer gefosforyleerd. Elk van deze fosforylaties vereist een molecuul ATP, die beide worden omgezet in adenosinedifosfaat of ADP. Het zes-koolstof molecuul wordt vervolgens omgezet in twee drie-koolstof moleculen, die snel worden omgezet in pyruvaat. Onderweg worden bij de verwerking van beide moleculen 4 ATP geproduceerd met behulp van twee NAD + -moleculen (nicotinamide-adeninedinucleotide) die worden omgezet in twee NADH-moleculen. Dus voor elk glucosemolecuul dat glycolyse binnenkomt, wordt een net van twee ATP, twee pyruvaat en twee NADH geproduceerd, terwijl twee NAD + worden geconsumeerd.
De Krebs-cyclus: samenvatting van de capsule
Zoals eerder opgemerkt, hangt het lot van pyruvaat af van de metabolische eisen en de omgeving van het organisme in kwestie. In prokaryoten voorziet glycolyse plus fermentatie in bijna alle energiebehoeften van de afzonderlijke cellen, hoewel sommige van deze organismen zijn geëvolueerd elektronen transportketens waardoor ze zuurstof kunnen gebruiken om ATP vrij te maken van metabolieten (producten) van glycolyse. In prokaryoten evenals in alle eukaryoten behalve gist, als er geen zuurstof beschikbaar is of als de energiebehoeften van de cellen niet volledig kunnen worden vervuld door aerobe ademhaling, wordt pyruvaat omgezet in melkzuur via fermentatie onder invloed van het enzym lactaatdehydrogenase of LDH .
Pyruvaat bestemd voor de Krebs-cyclus beweegt zich van het cytoplasma over het membraan van celorganellen (functionele componenten in het cytoplasma) mitochondria. Eenmaal in de mitochondriale matrix, een soort cytoplasma voor de mitochondriën zelf, wordt het onder invloed van het enzym pyruvaat dehydrogenase omgezet in een andere drie-koolstofverbinding genaamd acetyl co-enzym A of acetyl COA. Veel enzymen kunnen worden gekozen uit een chemische reeks vanwege het achtervoegsel "-ase" dat ze delen.
Op dit punt moet u gebruikmaken van een diagram met details over de Krebs-cyclus, omdat dit de enige manier is om zinvol mee te volgen; zie de bronnen voor een voorbeeld.
De reden dat de Krebs-cyclus als zodanig wordt genoemd, is dat een van de belangrijkste producten, oxaloacetaat, ook een reagens is. Dat wil zeggen, wanneer het tweekoolstofacetyl CoA dat is gemaakt van pyruvaat de cyclus van "stroomopwaarts" ingaat, reageert het met oxaloacetaat, een molecuul met vier koolstofatomen, en vormt het citraat, een molecuul met zes koolstofatomen. Citraat, een symmetrische molecule, bevat drie carboxylgroepen, die de vorm (-COOH) in hun geprotoneerde vorm en (-COO-) in hun niet-geprotoneerde vorm hebben. Het is dit trio van carboxylgroepen dat de naam "tricarbonzuur" aan deze cyclus geeft. De synthese wordt aangedreven door de toevoeging van een watermolecuul, waardoor dit een condensatiereactie wordt, en het verlies van het co-enzym A-portie acetyl CoA.
Citraat wordt vervolgens herschikt in een molecuul met dezelfde atomen in een andere rangschikking, die toepasselijk isocitraat wordt genoemd. Dit molecuul geeft vervolgens een CO af2 om de vijf-koolstofverbinding α-ketoglutaraat te worden, en in de volgende stap gebeurt hetzelfde, waarbij α-ketoglutaraat een CO verliest2 terwijl ze een co-enzym A terugwinnen om succinyl CoA te worden. Dit vier-koolstofmolecuul wordt succinaat met het verlies van CoA en wordt vervolgens herschikt in een processie van vier-koolstof gedeprotoneerde zuren: fumaraat, malaat en uiteindelijk oxaloacetaat.
De centrale moleculen van de Krebs-cyclus zijn dan in volgorde
Dit laat de namen van de enzymen en een aantal kritische co-reactanten weg, waaronder NAD + / NADH, het vergelijkbare molecuulpaar FAD / FADH2 (flavine adenine dinucleotide) en CO2.
Merk op dat de hoeveelheid koolstof op hetzelfde punt in elke cyclus hetzelfde blijft. Oxaloacetaat neemt twee koolstofatomen op wanneer het wordt gecombineerd met acetyl CoA, maar deze twee atomen gaan verloren in de eerste helft van de Krebs-cyclus als CO2 in opeenvolgende reacties waarin NAD + ook wordt gereduceerd tot NADH. (In de chemie, om enigszins te vereenvoudigen, voegen reductiereacties protonen toe, terwijl oxidatiereacties ze verwijderen.) Als we naar het proces als geheel kijken en alleen deze twee-, vier-, vijf- en zes-koolstofreactanten en producten onderzoeken, is het niet meteen duidelijk waarom cellen iets dergelijks zouden doen lijken op een biochemisch reuzenrad, waarbij verschillende rijders uit dezelfde populatie aan en uit het stuur worden geladen, maar aan het einde van de dag verandert er niets, behalve een groot aantal draaiingen van het wiel.
Het doel van de Krebs-cyclus is duidelijker als je kijkt naar wat er gebeurt met waterstofionen in deze reacties. Op drie verschillende punten verzamelt een NAD + een proton en op een ander punt verzamelt FAD twee protonen. Beschouw protonen - vanwege hun effect op positieve en negatieve ladingen - als elektronenparen. Volgens deze opvatting is het punt van de cyclus de accumulatie van hoogenergetische elektronenparen uit kleine koolstofmoleculen.
Dieper in de Krebs-cyclusreacties duiken
Je merkt misschien dat twee kritieke moleculen die naar verwachting aanwezig zijn in aerobe ademhaling ontbreken in de Krebs-cyclus: zuurstof (O2) en ATP, de vorm van energie die direct door cellen en weefsels wordt gebruikt om werkzaamheden zoals groei, reparatie, enzovoort uit te voeren. Nogmaals, dit komt omdat de Krebs-cyclus een tabelzetter is voor de elektronentransportketenreacties die zich in de buurt voordoen, in het mitochondriale membraan in plaats van in de mitochondriale matrix. De elektronen geoogst door nucleotiden (NAD + en FAD) in de cyclus worden "stroomafwaarts" gebruikt wanneer ze worden geaccepteerd door zuurstofatomen in de transportketen. De Krebs-cyclus verwijdert in feite waardevol materiaal in een schijnbaar onopvallende circulaire transportband en exporteert ze naar een nabijgelegen verwerkingscentrum waar het echte productieteam aan het werk is.
Merk ook op dat de schijnbaar onnodige reacties in de Krebs-cyclus (immers, waarom acht stappen nemen om te bereiken wat er misschien in drie of vier zou kunnen gebeuren?) Moleculen genereren die, hoewel intermediairen in de Krebs-cyclus, kunnen dienen als reactanten in niet-gerelateerde reacties .
Ter referentie accepteert NAD een proton in stap 3, 4 en 8 en in de eerste twee van deze CO2 wordt afgeworpen; een molecuul guanosinetrifosfaat (GTP) wordt geproduceerd uit GDP in stap 5; en FAD accepteert twee protonen in stap 6. In stap 1 'verlaat', maar 'keert' terug in stap 4. In feite is alleen stap 2, de herschikking van citraat in isocitraat, 'stil' buiten de koolstofmoleculen in de reactie.
Een ezelsbruggetje voor studenten
Vanwege het belang van de Krebs-cyclus in de biochemie en de menselijke fysiologie hebben studenten, professoren en anderen een aantal mnemonics bedacht, of manieren om namen te onthouden, om te helpen bij het onthouden van de stappen en reactanten in de Krebs-cyclus. Als men alleen de koolstofreactanten, tussenproducten en producten wil onthouden, is het mogelijk om te werken vanaf de eerste letters van opeenvolgende verbindingen zoals ze verschijnen (O, Ac, C, I, K, Sc, S, F, M; hier, merk op dat "co-enzym A" wordt voorgesteld door een kleine "c"). U kunt van deze letters een pittige, gepersonaliseerde zin maken, waarbij de eerste letters van de moleculen als de eerste letters in de woorden van de zin dienen.
Een meer geavanceerde manier om dit te doen, is door een ezelsbruggetje te gebruiken waarmee je het aantal koolstofatomen bij elke stap kunt bijhouden, waardoor je te allen tijde beter kunt internaliseren wat er vanuit een biochemisch standpunt gebeurt. Als u bijvoorbeeld een zesletterig woord het zes-koolstofoxaloacetaat laat vertegenwoordigen, en dienovereenkomstig voor kleinere woorden en moleculen, kunt u een schema produceren dat zowel nuttig is als een geheugenapparaat en rijk aan informatie. Een medewerker van het "Journal of Chemical Education" stelde het volgende idee voor:
Hier ziet u een woord van zes letters gevormd door een woord van twee letters (of groep) en een woord van vier letters. Elk van de volgende drie stappen omvat een vervanging van één letter zonder verlies van letters (of "koolstof"). De volgende twee stappen betreffen elk het verlies van een letter (of, nogmaals, "koolstof"). De rest van het schema behoudt de vereiste van vier letters op dezelfde manier als de laatste stappen van de Krebs-cyclus verschillende, nauw verwante vier-koolstofmoleculen omvatten.
Afgezien van deze specifieke apparaten, vindt u het misschien nuttig om een volledige cel of een deel van een cel rond een mitochondrion te tekenen en de reacties van glycolyse zo gedetailleerd mogelijk te schetsen in het cytoplasma en de Krebs-cyclus in het mitochondriaal matrix deel. Je zou in deze schets laten zien dat pyruvaat naar het binnenste van de mitochondriën wordt gebracht, maar je zou ook een pijl kunnen tekenen die naar gisting leidt, die ook in het cytoplasma voorkomt.