תוֹכֶן
- גליקוליזה: הגדרת הבמה
- מחזור קרבס: סיכום קפסולות
- צלילה עמוקה יותר בתגובות מחזור הקרבס
- Mnemonic לסטודנטים
מחזור קרבס, הקרוי על שמו של חתן פרס נובל והפיזיולוג הנס קרבס משנת 1953, הוא סדרה של תגובות מטבוליות המתרחשות במיטוכונדריה של התאים האוקריוטים. במילים פשוטות יותר, פירוש הדבר שלחיידקים אין את המכונות הסלולריות למחזור קרבס, כך שהיא מוגבלת לצמחים, לבעלי חיים ופטריות.
גלוקוזה היא המולקולה שבסופו של דבר עוברת חילוף חומרים על ידי דברים חיים כדי להפיק אנרגיה, בצורה של אדנוזין טריפוספט, או ATP. ניתן לאחסן גלוקוז בגוף בצורות רבות; גליקוגן הוא מעט יותר משרשרת ארוכה של מולקולות גלוקוז המאוחסנות בתאי שריר וכבד, בעוד שלפחמימות, חלבונים ושומנים תזונתיים ישנם רכיבים הניתנים לחילוף חומרים לגלוקוז. כאשר מולקולת גלוקוז נכנסת לתא, היא מתפרקת בציטופלזמה לפירובט.
מה שקורה אחר כך תלוי אם הפירובאט נכנס לנתיב הנשימה האירובי (התוצאה הרגילה) או מסלול התסיסה של הלקטט (המשמש בהתמודדות עם אימונים בעוצמה גבוהה או חסך חמצן) לפני שהוא בסופו של דבר מאפשר ייצור ATP ושחרור פחמן דו חמצני ( שיתוף2) ומים (ח2O) כתוצרי לוואי.
מחזור קרבס - המכונה גם מחזור חומצות לימון או מחזור חומצה טריקארבוקסילית (TCA) - הוא הצעד הראשון במסלול האירובי, והוא פועל לסינתז ללא הפסקה של חומר הנקרא אוקסלואצטט כדי לשמור על מחזור התהליך, אם כי, כמו שאתה ראו, זה לא באמת "המשימה" של המחזורים. מחזור קרבס מספק גם יתרונות אחרים. מכיוון שהוא כולל שמונה תגובות (ובהתאם, תשעה אנזימים) המערבים תשע מולקולות שונות, מועיל לפתח כלים לשמירה על נקודות החשיבה של המחזור.
גליקוליזה: הגדרת הבמה
גלוקוז הוא סוכר בעל ששת פחמן (משושה) שבטבע בדרך כלל בצורה של טבעת. כמו כל המונוסכרידים (מונומרים סוכר), הוא מורכב מפחמן, מימן וחמצן ביחס 1-2-1, עם נוסחה של C6ח12הו6. זהו אחד מתוצרי הקצה של חילוף החומרים של חלבון, פחמימות וחומצות שומן ומשמש כדלק בכל סוג של אורגניזם, מחיידקים חד-תאיים לבני אדם ובעלי חיים גדולים יותר.
גליקוליזה היא אנאירובית במובן הקפדני של "ללא חמצן." כלומר, התגובות נמשכות בין אם O2 קיים בתאים או לא. הקפד להבדיל בין "חמצן חייב לא להיות בהווה, "למרות שזה המקרה עם כמה חיידקים שנהרגים בפועל על ידי חמצן ומוכרים כחייב אנאירובים.
בתגובות הגליקוליזה הגלוקוזה שש-פחמנית זורמת בתחילה בזרחן - כלומר יש לה קבוצת פוספטים שצורפה אליו. המולקולה המתקבלת היא סוג של פרוקטוזה (סוכר פירות) זרחן. מולקולה זו זורמת אז זרקור בפעם השנייה. כל אחת מהזרחן הללו דורשת מולקולה של ATP, שתיהן מומרות לדיפוספט אדנוזין, או ADP. לאחר מכן מומרת מולקולת שש הפחמן לשתי מולקולות תלת-פחמניות, שהופכות במהירות לפירובט. לאורך הדרך, בעיבוד שתי המולקולות, מיוצרים 4 ATP בעזרת שתי מולקולות של NAD + (nicotinamide adenine dinucleotide) שהופכות לשתי מולקולות של NADH. כך, עבור כל מולקולת גלוקוזה שנכנסת לגליקוליזה, מיוצרים רשת של שני ATP, שני פירובאט ושני NADH, ואילו שני NAD + נצרכים.
מחזור קרבס: סיכום קפסולות
כפי שצוין קודם, גורלו של פירובט תלוי בדרישות המטבוליות ובסביבת האורגניזם המדובר. בפרוקריוטים, גליקוליזה פלוס תסיסה מספקת כמעט את כל צורכי האנרגיה של התאים היחידים, אם כי חלק מהאורגניזמים הללו התפתחו שרשראות הובלת אלקטרונים המאפשרים להם להשתמש בחמצן כדי לשחרר ATP ממטבוליטים (מוצרים) של גליקוליזה. בפרוקריוטות, כמו גם בכל האוקריוטות אך בשמרים, אם אין חמצן זמין או אם לא ניתן לעמוד במלוא צורכי האנרגיה בתאים באמצעות הנשמה אירובית, פירובאטה מומרת לחומצה לקטית באמצעות תסיסה בהשפעת האנזים לקטט דהידרוגנז, או LDH .
פירובט המיועד למחזור קרבס עובר מהציטופלזמה על פני קרום האיברונים התאיים (רכיבים פונקציונליים בציטופלזמה) הנקרא מיטוכונדריה. ברגע שמטריצה המיטוכונדריה, שהיא מעין ציטופלזמה עבור המיטוכונדריה עצמן, היא מומרת תחת השפעת האנזים פירובאט דהידרוגנאז לתרכובת שונה עם שלוש פחמן הנקראת אצטיל קו-אנזים A או אצטיל CoA. ניתן לבחור אנזימים רבים מקו כימי בגלל הסיומת "-אז" שהם חולקים.
בשלב זה עליכם להיעזר בתרשים המפרט את מחזור קרבס, מכיוון שזו הדרך היחידה ללכת באופן משמעותי; ראה דוגמה למשאבים.
הסיבה שמכונה מחזור קרבס ככזו היא שאחד התוצרים העיקריים שלו, אוקסלואצטט, הוא גם מגיב. כלומר, כאשר CoA דו-פחמן אצטיל CoA הנוצר מפירובאט נכנס למעגל מ"הזרם ", הוא מגיב עם אוקסלואצטט, מולקולת ארבע פחמן, ויוצרת ציטרט, מולקולת שש-פחמן. ציטראט, מולקולה סימטרית, כוללת שלוש קבוצות קרבוקסילשיש להם את הצורה (-COOH) בצורתם הפרוטונומית ו- (-COO-) בצורתם הבלתי מוגנת. השלישייה הזו של קבוצות קרבוקסיל היא שמעניקה את השם "חומצה טריקארבוקסילית" למחזור זה. הסינתזה מונעת על ידי תוספת של מולקולת מים, מה שהופך את זה לתגובת עיבוי, ואובדן החלק של הקואנזים A של אצטיל CoA.
לאחר מכן מסודרים מחדש ציטראט למולקולה עם אותם אטומים בסידור שונה, המכונה באופן ראוי איזוציטרט. מולקולה זו מפטירה לאחר מכן CO2 להפוך לתרכובת חמש-פחמנית α-ketoglutarate, ובשלב הבא אותו הדבר מתרחש, כאשר α-ketoglutarate מאבד CO2 תוך כדי השבת קו אנזים A להפוך לסוכנין CoA. מולקולת ארבע-פחמן זו הופכת להיות מתוחכמת עם אובדן ה- CoA, והיא מסודרת לאחר מכן לתהלוכה של חומצות מוגזמות בעלות ארבע פחמן: fumarate, malate ולבסוף oxaloacetate.
המולקולות המרכזיות של מחזור הקרבס, אם כן, לפי הסדר
זה מבטל את שמות האנזימים ומספר מגיבים משותפים קריטיים, ביניהם NAD + / NADH, זוג המולקולות הדומות FAD / FADH2 (פלואין אדנין דינוקלוטייד) ו- CO2.
שימו לב שכמות הפחמן באותה נקודה בכל מחזור נותרה זהה. אוקסלואצטט קולט שני אטומי פחמן כאשר הוא משולב עם אצטיל CoA, אך שני האטומים הללו אבודים במחצית הראשונה של מחזור קרבס כ CO2 בתגובות עוקבות בהן NAD + מצטמצם גם ל- NADH. (בכימיה, כדי לפשט מעט, תגובות הפחתה מוסיפות פרוטונים בזמן שתגובות חמצון מסלקות אותן.) כשמסתכלים על התהליך בכללותו ובוחנים רק את התגובות והמוצרים הללו של שניים, ארבעה, חמישה ושש פחמן, זה לא מייד ברור מדוע התאים יעסקו במשהו שדומה לגלגל פריס ביוכימי, כאשר רוכבים שונים מאותה אוכלוסיה נטענים על הגלגל ומחוצה לו אך שום דבר לא השתנה בסוף היום פרט להרבה פניות של הגלגל.
מטרת מחזור קרבס ברורה יותר כשמסתכלים על מה שקורה ליוני מימן בתגובות אלה. בשלוש נקודות שונות NAD + אוסף פרוטון ובנקודה אחרת FAD אוסף שני פרוטונים. חשבו על פרוטונים - בגלל השפעתם על מטענים חיוביים ושליליים - כזוגות אלקטרונים. בראיה זו, נקודת המחזור היא הצטברות זוגות אלקטרונים בעלי אנרגיה גבוהה ממולקולות פחמן קטנות.
צלילה עמוקה יותר בתגובות מחזור הקרבס
יתכן שתבחין ששתי מולקולות קריטיות הצפויות להיות נוכחות בנשימה אירובית חסרות מחזור קרבס: חמצן (O2) ו- ATP, צורת אנרגיה המופעלת ישירות על ידי תאים ורקמות לביצוע עבודות כמו צמיחה, תיקון וכן הלאה. שוב, הסיבה לכך היא שמעגל קרבס הוא מגדיר טבלה לתגובות שרשרת ההובלה האלקטרונית המתרחשות בקרבת מקום, בקרום המיטוכונדריאלי ולא במטריקס המיטוכונדריאלי. האלקטרונים שנקטפו על ידי נוקליאוטידים (NAD + ו- FAD) במחזור משמשים "במורד הזרם" כאשר הם מתקבלים על ידי אטומי חמצן בשרשרת ההובלה. מעגל הקרבס למעשה מפזר חומר יקר בחגורת מסוע מעגלית לכאורה שלא ניתן להבחין בהם ומייצא אותם למרכז עיבוד סמוך, שם עובד צוות הייצור האמיתי.
שימו לב גם שהתגובות המיותרות לכאורה במחזור קרבס (אחרי הכל, מדוע לנקוט שמונה צעדים כדי להשיג את מה שניתן לעשות בשלוש או ארבע?) מייצרות מולקולות שעל אף ביניים במחזור קרבס יכולות לשמש כתגובות בתגובות לא קשורות. .
לעיון, NAD מקבל פרוטון בשלבים 3, 4 ו 8, ובשניים הראשונים של CO זה2 נשפך; מולקולה של גואנוזין טריפוספט (GTP) מופקת מהתמ"ג בשלב 5; ו- FAD מקבלים שני פרוטונים בשלב 6. בשלב 1 CoA "עוזב", אך "חוזר" בשלב 4. למעשה, רק שלב 2, הסידור מחדש של ציטראט לאיסוציטרט, "שקט" מחוץ למולקולות הפחמן שב התגובה.
Mnemonic לסטודנטים
בגלל חשיבותו של מחזור קרבס בביוכימיה ופיזיולוגיה אנושית, סטודנטים, פרופסורים ואחרים גילו מספר ממנומוניקה, או דרכים לזכור שמות, כדי לעזור בזכירת הצעדים והגיבורים במחזור קרבס. אם רק רוצים לזכור את מגיבי הפחמן, הביניים והמוצרים, אפשר לעבוד מאותיות ראשונות של תרכובות עוקבות כפי שהן מופיעות (O, Ac, C, I, K, Sc, S, F, M; כאן, שימו לב ש"קואנזים A "מיוצג על ידי" c "קטן). אתה יכול ליצור ביטוי מותאם אישית מתוך אותיות אלה, כאשר האותיות הראשונות של המולקולות משמשות כאותיות ראשונות במילים של הביטוי.
דרך מתוחכמת יותר לעשות זאת היא להשתמש במנומוניק המאפשר לעקוב אחר מספר אטומי הפחמן בכל שלב, אשר עשוי לאפשר לך להפנים טוב יותר את המתרחש מבחינה ביוכימית בכל עת. לדוגמה, אם אתה נותן למילה בת שש אותיות לייצג את אוקסלואצטט של שש פחמן, ובהתאמה למילים ומולקולות קטנות יותר, אתה יכול לייצר סכמה שהיא שימושית גם כמכשיר זיכרון וגם עשיר במידע. אחד התורמים ל"כתב העת לחינוך כימי "הציע את הרעיון הבא:
כאן אתה רואה מילה בת שש אותיות שנוצרה על ידי מילה בת שתי אותיות (או קבוצה) ומילה בת ארבע אותיות. כל אחד משלושת השלבים הבאים כולל החלפת אותיות בודדות ללא אובדן אותיות (או "פחמן"). שני השלבים הבאים כוללים אובדן של אות (או, שוב, "פחמן"). שאר התוכניות משמרות את דרישת המילים בעלות ארבע אותיות באותה צורה שבה השלבים האחרונים של מחזור קרבס כוללים מולקולות שונות של ארבע פחמן קשורות זו לזו.
מלבד המכשירים הספציפיים האלה, יתכן שתועיל לצייר לעצמך תא שלם או חלק מלא של תא המקיף מיטוכונדריון, ולשרטט את התגובות של גליקוליזה בפירוט רב ככל שתרצה בחלק הציטופלזמה ובמחזור קרבס במיטוכונדריה. חלק מטריקס. הייתם מראים בסקיצה זו פירובט המועבר אל פנים המיטוכונדריה, אך תוכלו גם לצייר חץ שמוביל לתסיסה, המתרחש גם בציטופלזמה.