Il ciclo di Krebs reso semplice

Contenuto

• Glicolisi: impostazione del palcoscenico
• Il ciclo di Krebs: Riepilogo capsule
• Immersioni più profonde nelle reazioni del ciclo di Krebs
• Un mnemonico per gli studenti

Il ciclo di Krebs, dal nome del vincitore del Premio Nobel 1953 e fisiologo Hans Krebs, è una serie di reazioni metaboliche che si verificano nei mitocondri delle cellule eucariotiche. In parole povere, ciò significa che i batteri non hanno i meccanismi cellulari per il ciclo di Krebs, quindi si limitano a piante, animali e funghi.

Il glucosio è la molecola che alla fine viene metabolizzata dagli esseri viventi per ricavare energia, sotto forma di adenosina trifosfato, o ATP. Il glucosio può essere immagazzinato nel corpo in numerose forme; il glicogeno è poco più di una lunga catena di molecole di glucosio che viene immagazzinata nelle cellule muscolari ed epatiche, mentre i carboidrati, le proteine ​​e i grassi alimentari hanno componenti che possono essere metabolizzati anche in glucosio. Quando una molecola di glucosio entra in una cellula, viene scomposta nel citoplasma in piruvato.

Cosa succederà dopo dipende dal fatto che il piruvato entri nel percorso di respirazione aerobica (il solito risultato) o nel percorso di fermentazione del lattato (utilizzato in periodi di esercizio ad alta intensità o privazione di ossigeno) prima che alla fine consenta la produzione di ATP e il rilascio di anidride carbonica ( CO₂) e acqua (H₂O) come sottoprodotti.

Il ciclo di Krebs - chiamato anche ciclo dell'acido citrico o acido tricarbossilico (TCA) - è il primo passo nel percorso aerobico e opera per sintetizzare continuamente abbastanza di una sostanza chiamata ossaloacetato per mantenere il ciclo in corso, anche se vedi, non è proprio questa la "missione" dei cicli. Il ciclo di Krebs offre anche altri vantaggi. Poiché include circa otto reazioni (e, di conseguenza, nove enzimi) che coinvolgono nove molecole distinte, è utile sviluppare strumenti per mantenere nella mente i punti importanti del ciclo.

Glicolisi: impostazione del palcoscenico

Il glucosio è uno zucchero a sei atomi di carbonio (in natura) che di solito ha la forma di un anello. Come tutti i monosaccaridi (monomeri di zucchero), è costituito da carbonio, idrogeno e ossigeno in un rapporto 1-2-1, con una formula di C₆H₁₂O₆. È uno dei prodotti finali del metabolismo di proteine, carboidrati e acidi grassi e funge da combustibile in ogni tipo di organismo, dai batteri monocellulari agli esseri umani e agli animali più grandi.

La glicolisi è anaerobica nel senso stretto di "senza ossigeno". Cioè, le reazioni procedono se O₂ è presente nelle cellule o no. Fare attenzione a distinguere questo da "ossigeno non deve essere presente ", anche se questo è il caso di alcuni batteri che vengono effettivamente uccisi dall'ossigeno e sono noti come anaerobi obbligati.

Nelle reazioni della glicolisi, il glucosio a sei atomi di carbonio è inizialmente fosforilato, ovvero ha un gruppo fosfato aggiunto ad esso. La molecola risultante è una forma fosforilata di fruttosio (zucchero della frutta). Questa molecola viene quindi fosforilata una seconda volta. Ognuna di queste fosforilazioni richiede una molecola di ATP, entrambe convertite in adenosina difosfato o ADP. La molecola a sei atomi di carbonio viene quindi convertita in due molecole a tre atomi di carbonio, che vengono rapidamente convertiti in piruvato. Lungo la strada, nella lavorazione di entrambe le molecole, vengono prodotti 4 ATP con l'aiuto di due molecole di NAD + (nicotinamide adenina dinucleotide) che vengono convertite in due molecole di NADH. Pertanto, per ogni molecola di glucosio che entra in glicolisi, viene prodotta una rete di due ATP, due piruvati e due NADH, mentre vengono consumati due NAD +.

Il ciclo di Krebs: Riepilogo capsule

Come notato in precedenza, il destino del piruvato dipende dalle esigenze metaboliche e dall'ambiente dell'organismo in questione. Nei procarioti, la glicolisi più la fermentazione forniscono quasi tutte le esigenze energetiche delle singole cellule, sebbene alcuni di questi organismi si siano evoluti catene di trasporto di elettroni che consente loro di utilizzare l'ossigeno per liberare l'ATP dai metaboliti (prodotti) della glicolisi. Nei procarioti e in tutti gli eucarioti tranne il lievito, se non è disponibile ossigeno o se l'energia respiratoria delle cellule non può essere completamente soddisfatta attraverso la respirazione aerobica, il piruvato viene convertito in acido lattico attraverso la fermentazione sotto l'influenza dell'enzima lattato deidrogenasi o LDH .

Il piruvato destinato al ciclo di Krebs si sposta dal citoplasma attraverso la membrana degli organelli cellulari (componenti funzionali nel citoplasma) chiamato mitocondri. Una volta nella matrice mitocondriale, che è una sorta di citoplasma per i mitocondri stessi, viene convertito sotto l'influenza dell'enzima piruvato deidrogenasi in un diverso composto a tre atomi di carbonio chiamato coenzima acetile A o acetil-CoA. Molti enzimi possono essere estratti da una linea chimica a causa del suffisso "-ase" che condividono.

A questo punto dovresti avvalerti di un diagramma che dettaglia il ciclo di Krebs, in quanto è l'unico modo per seguire in modo significativo; vedere le risorse per un esempio.

Il motivo per cui il ciclo di Krebs è chiamato come tale è che uno dei suoi prodotti principali, l'ossaloacetato, è anche un reagente. Cioè, quando l'acetil CoA a due atomi di carbonio creato dal piruvato entra nel ciclo da "a monte", reagisce con l'ossaloacetato, una molecola a quattro atomi di carbonio e forma il citrato, una molecola a sei atomi di carbonio. Il citrato, una molecola simmetrica, ne comprende tre gruppi carbossilici, che hanno la forma (-COOH) nella loro forma protonata e (-COO-) nella loro forma non propagata. È questo trio di gruppi carbossilici che dà il nome di "acido tricarbossilico" a questo ciclo. La sintesi è guidata dall'aggiunta di una molecola d'acqua, rendendola una reazione di condensazione e dalla perdita del coenzima A di acetile CoA.

Il citrato viene quindi riorganizzato in una molecola con gli stessi atomi in una disposizione diversa, che viene opportunamente chiamata isocitrato. Questa molecola emette quindi un CO₂ diventare il composto a 5 atomi di carbonio α-chetoglutarato, e nella fase successiva si verifica la stessa cosa, con α-chetoglutarato che perde una CO₂ mentre riacquista un coenzima A per diventare succinile CoA. Questa molecola a quattro atomi di carbonio diventa succinata con la perdita di CoA e viene successivamente riorganizzata in una processione di acidi deprotonati a quattro atomi di carbonio: fumarato, malato e infine ossaloacetato.

Le molecole centrali del ciclo di Krebs, quindi, sono in ordine

Questo omette i nomi degli enzimi e un numero di co-reagenti critici, tra cui NAD + / NADH, la coppia di molecole simile FAD / FADH₂ (flavin adenina dinucleotide) e CO₂.

Si noti che la quantità di carbonio nello stesso punto in qualsiasi ciclo rimane la stessa. L'ossaloacetato raccoglie due atomi di carbonio quando si combina con acetil CoA, ma questi due atomi si perdono nella prima metà del ciclo di Krebs come CO₂ nelle reazioni successive in cui NAD + è anche ridotto a NADH. (In chimica, per semplificare un po ', le reazioni di riduzione aggiungono protoni mentre le reazioni di ossidazione li rimuovono.) Osservando il processo nel suo insieme ed esaminando solo questi reagenti e prodotti a due, quattro, cinque e sei atomi di carbonio, non lo è immediatamente chiaro perché le cellule si impegnerebbero in qualcosa di simile a una ruota panoramica biochimica, con diversi cavalieri della stessa popolazione caricati dentro e fuori dalla ruota, ma nulla cambia alla fine della giornata, tranne per un gran numero di giri della ruota.

Lo scopo del ciclo di Krebs è più evidente quando si osserva cosa succede agli ioni idrogeno in queste reazioni. In tre punti diversi, un NAD + raccoglie un protone e, in un altro punto, FAD raccoglie due protoni. Pensa ai protoni - a causa del loro effetto sulle cariche positive e negative - come coppie di elettroni. In questa prospettiva, il punto del ciclo è l'accumulo di coppie di elettroni ad alta energia da piccole molecole di carbonio.

Immersioni più profonde nelle reazioni del ciclo di Krebs

Potresti notare che dal ciclo di Krebs mancano due molecole critiche che dovrebbero essere presenti nella respirazione aerobica: Ossigeno (O₂) e ATP, la forma di energia direttamente impiegata da cellule e tessuti per eseguire lavori come la crescita, la riparazione e così via. Ancora una volta, ciò è dovuto al fatto che il ciclo di Krebs è un organizzatore di tabelle per le reazioni della catena di trasporto degli elettroni che si verificano nelle vicinanze, nella membrana mitocondriale piuttosto che nella matrice mitocondriale. Gli elettroni raccolti dai nucleotidi (NAD + e FAD) nel ciclo sono usati "a valle" quando sono accettati dagli atomi di ossigeno nella catena di trasporto. Il ciclo di Krebs in effetti toglie materiale prezioso in un nastro trasportatore circolare apparentemente insignificante e li esporta in un centro di lavorazione vicino dove lavora il vero team di produzione.

Si noti inoltre che le reazioni apparentemente non necessarie nel ciclo di Krebs (dopo tutto, perché intraprendere otto passi per realizzare ciò che si potrebbe fare in forse tre o quattro?) Generano molecole che, sebbene intermedie nel ciclo di Krebs, possono servire da reagenti in reazioni non correlate .

Per riferimento, il NAD accetta un protone ai passaggi 3, 4 e 8 e nei primi due di questi CO₂ è sparso; una molecola di guanosina trifosfato (GTP) viene prodotta dal PIL al passaggio 5; e FAD accetta due protoni al passaggio 6. Al passaggio 1, il CoA "lascia", ma "ritorna" al passaggio 4. In effetti, solo il passaggio 2, il riarrangiamento del citrato in isocitrato, è "silenzioso" al di fuori delle molecole di carbonio in la reazione.

Un mnemonico per gli studenti

A causa dell'importanza del ciclo di Krebs nella biochimica e nella fisiologia umana, studenti, professori e altri hanno escogitato una serie di mnemoniche o modi per ricordare i nomi, per aiutare a ricordare i passaggi e i reagenti nel ciclo di Krebs. Se si desidera solo ricordare i reagenti al carbonio, gli intermedi e i prodotti, è possibile lavorare dalle prime lettere dei composti successivi come appaiono (O, Ac, C, I, K, Sc, S, F, M; qui, notare che il "coenzima A" è rappresentato da una piccola "c"). È possibile creare una pithy frase personalizzata da queste lettere, con le prime lettere delle molecole che servono come prime lettere nelle parole della frase.

Un modo più sofisticato per farlo è usare un mnemonico che ti consenta di tenere traccia del numero di atomi di carbonio ad ogni passo, il che può permetterti di interiorizzare meglio ciò che sta accadendo da un punto di vista biochimico in ogni momento. Ad esempio, se si lascia che una parola di sei lettere rappresenti l'ossaloacetato a sei atomi di carbonio, e corrispondentemente per parole e molecole più piccole, è possibile produrre uno schema utile sia come dispositivo di memoria che ricco di informazioni. Un collaboratore del "Journal of Chemical Education" ha proposto la seguente idea:

Qui vedi una parola di sei lettere formata da una parola (o un gruppo) di due lettere e una parola di quattro lettere. Ciascuno dei tre passaggi successivi include una sostituzione di una sola lettera senza perdita di lettere (o "carbonio"). I due passaggi successivi comportano ciascuno la perdita di una lettera (o, di nuovo, "carbonio"). Il resto dello schema preserva il requisito di quattro lettere nello stesso modo in cui le ultime fasi del ciclo di Krebs includono molecole di quattro atomi di carbonio diverse, strettamente correlate.

Oltre a questi dispositivi specifici, potresti trovare utile disegnare una cellula o una porzione completa di una cellula che circonda un mitocondrio e tracciare le reazioni della glicolisi con tutti i dettagli che desideri nella parte del citoplasma e il ciclo di Krebs nel mitocondrio parte della matrice. In questo schizzo, mostreresti che il piruvato viene trasportato all'interno dei mitocondri, ma potresti anche disegnare una freccia che porta alla fermentazione, che si verifica anche nel citoplasma.