NộI Dung
- Glycolysis: Thiết lập giai đoạn
- Chu trình Krebs: Tóm tắt viên nang
- Lặn sâu hơn vào các phản ứng chu trình Krebs
- Một kỷ niệm cho sinh viên
Chu trình Krebs, được đặt tên theo người đoạt giải Nobel năm 1953 và nhà sinh lý học Hans Krebs, là một chuỗi các phản ứng trao đổi chất diễn ra trong ty thể của các tế bào nhân chuẩn. Nói một cách đơn giản hơn, điều này có nghĩa là vi khuẩn không có bộ máy di động cho chu trình Krebs, vì vậy nó chỉ giới hạn ở thực vật, động vật và nấm.
Glucose là phân tử cuối cùng được chuyển hóa bởi các sinh vật sống để lấy năng lượng, dưới dạng adenosine triphosphate, hoặc ATP. Glucose có thể được lưu trữ trong cơ thể dưới nhiều hình thức; glycogen ít hơn một chuỗi dài các phân tử glucose được lưu trữ trong các tế bào cơ và gan, trong khi carbohydrate, protein và chất béo có các thành phần có thể được chuyển hóa thành glucose. Khi một phân tử glucose đi vào một tế bào, nó bị phá vỡ trong tế bào chất thành pyruvate.
Điều gì xảy ra tiếp theo phụ thuộc vào việc pyruvate đi vào đường hô hấp hiếu khí (kết quả thông thường) hoặc đường lên men lactate (được sử dụng trong các bài tập cường độ cao hoặc thiếu oxy) trước khi cuối cùng cho phép sản xuất ATP và giải phóng carbon dioxide ( CO2) và nước (H2O) dưới dạng sản phẩm phụ.
Chu trình Krebs - còn được gọi là chu trình axit citric hoặc chu trình axit tricarboxylic (TCA) - là bước đầu tiên trong quá trình hiếu khí, và nó hoạt động để liên tục tổng hợp đủ một chất gọi là oxaloacetate để duy trì chu trình. Hãy xem, đây không thực sự là "nhiệm vụ". Chu trình Krebs cũng cung cấp các lợi ích khác. Bởi vì nó bao gồm tám phản ứng (và, tương ứng, chín enzyme) liên quan đến chín phân tử riêng biệt, rất hữu ích để phát triển các công cụ để giữ cho các điểm quan trọng của chu kỳ thẳng trong tâm trí của bạn.
Glycolysis: Thiết lập giai đoạn
Glucose là một loại đường sáu carbon (hexose) mà trong tự nhiên thường ở dạng vòng. Giống như tất cả các monosacarit (monome đường), nó bao gồm carbon, hydro và oxy theo tỷ lệ 1-2-1, với công thức là C6H12Ôi6. Nó là một trong những sản phẩm cuối cùng của quá trình chuyển hóa protein, carbohydrate và axit béo và là nhiên liệu trong mọi loại sinh vật từ vi khuẩn đơn bào đến người và động vật lớn hơn.
Glycolysis là kỵ khí theo nghĩa nghiêm ngặt "không có oxy". Đó là, các phản ứng tiến hành cho dù O2 Có mặt trong các tế bào hay không. Hãy cẩn thận để phân biệt điều này với "oxy không được hiện tại, "mặc dù đây là trường hợp với một số vi khuẩn thực sự bị giết bởi oxy và được gọi là vi khuẩn kị khí bắt buộc.
Trong các phản ứng của glycolysis, glucose sáu carbon ban đầu được phosphoryl hóa - nghĩa là, nó có một nhóm phosphate gắn vào nó. Các phân tử kết quả là một dạng fructose phosphoryl hóa (đường trái cây). Phân tử này sau đó được phosphoryl hóa lần thứ hai. Mỗi trong số các phosphoryl hóa này đòi hỏi một phân tử ATP, cả hai đều được chuyển đổi thành adenosine diphosphate, hoặc ADP. Phân tử sáu carbon sau đó được chuyển đổi thành hai phân tử ba carbon, nhanh chóng được chuyển đổi thành pyruvate. Trên đường đi, trong quá trình xử lý cả hai phân tử, 4 ATP được tạo ra với sự trợ giúp của hai phân tử NAD + (nicotinamide adenine dinucleotide) được chuyển đổi thành hai phân tử NADH. Do đó, đối với mỗi phân tử glucose đi vào glycolysis, một mạng lưới gồm hai ATP, hai pyruvate và hai NADH được tạo ra, trong khi hai NAD + được tiêu thụ.
Chu trình Krebs: Tóm tắt viên nang
Như đã lưu ý trước đây, số phận của pyruvate phụ thuộc vào nhu cầu trao đổi chất và môi trường của sinh vật trong câu hỏi. Ở prokaryote, glycolysis cộng với quá trình lên men cung cấp hầu hết tất cả các nhu cầu năng lượng của tế bào đơn lẻ, mặc dù một số sinh vật này đã tiến hóa chuỗi vận chuyển điện tử cho phép họ sử dụng oxy để giải phóng ATP khỏi các chất chuyển hóa (sản phẩm) của glycolysis. Ở prokaryote cũng như trong tất cả các sinh vật nhân chuẩn trừ nấm men, nếu không có oxy hoặc nếu nhu cầu năng lượng của tế bào không thể được đáp ứng đầy đủ thông qua hô hấp hiếu khí, pyruvate được chuyển thành axit lactic thông qua quá trình lên men dưới tác động của enzyme lactate dehydrogenase hoặc LDH .
Pyruvate dành cho chu trình Krebs di chuyển từ tế bào chất qua màng của các bào quan tế bào (thành phần chức năng trong tế bào chất) được gọi là ty thể. Khi đã ở trong ma trận ty thể, là một loại tế bào chất cho chính ty thể, nó được chuyển đổi dưới ảnh hưởng của enzyme pyruvate dehydrogenase thành một hợp chất ba carbon khác gọi là acetyl coenzyme A hoặc acetyl CoA. Nhiều enzyme có thể được chọn ra từ một dòng hóa chất vì hậu tố "-ase" mà chúng chia sẻ.
Tại thời điểm này, bạn nên tận dụng sơ đồ mô tả chi tiết chu trình Krebs, vì đó là cách duy nhất để thực hiện theo một cách có ý nghĩa; xem Tài nguyên cho một ví dụ.
Lý do chu trình Krebs được đặt tên như vậy là vì một trong những sản phẩm chính của nó, oxaloacetate, cũng là một chất phản ứng. Đó là, khi acetyl CoA hai carbon được tạo ra từ pyruvate đi vào chu trình từ "thượng nguồn", nó phản ứng với oxaloacetate, một phân tử bốn carbon và tạo thành citrate, một phân tử sáu carbon. Citrate, một phân tử đối xứng, bao gồm ba nhóm carboxyl, có dạng (-COOH) ở dạng proton và (-COO-) ở dạng không được kích thích. Chính bộ ba nhóm carboxyl này đã cho mượn tên "axit tricarboxylic" trong chu trình này. Sự tổng hợp được thúc đẩy bởi việc bổ sung một phân tử nước, làm cho điều này trở thành phản ứng ngưng tụ và mất đi một phần coenzyme A của acetyl CoA.
Citrate sau đó được sắp xếp lại thành một phân tử có cùng các nguyên tử theo cách sắp xếp khác, được gọi là isocitrate một cách phù hợp. Phân tử này sau đó tạo ra CO2 để trở thành hợp chất năm carbon α-ketoglutarate, và trong bước tiếp theo, điều tương tự xảy ra, với α-ketoglutarate mất CO2 trong khi lấy lại một coenzyme A để trở thành succinyl CoA. Phân tử bốn carbon này trở thành succinat khi mất CoA, và sau đó được sắp xếp lại thành một đám rước gồm bốn axit khử carbon: fumarate, malate và cuối cùng là oxaloacetate.
Các phân tử trung tâm của chu trình Krebs, sau đó, theo thứ tự, là
Điều này bỏ qua tên của các enzyme và một số chất đồng phản ứng quan trọng, trong số đó có NAD + / NADH, cặp phân tử tương tự FAD / FADH2 (flavin adenine dinucleotide) và CO2.
Lưu ý rằng lượng carbon tại cùng một điểm trong bất kỳ chu kỳ nào vẫn giữ nguyên. Oxaloacetate thu nhận hai nguyên tử carbon khi kết hợp với acetyl CoA, nhưng hai nguyên tử này bị mất trong nửa đầu của chu trình Krebs là CO2 trong các phản ứng liên tiếp trong đó NAD + cũng bị khử thành NADH. (Trong hóa học, để đơn giản hóa phần nào, các phản ứng khử thêm các proton trong khi các phản ứng oxy hóa loại bỏ chúng.) Nhìn vào toàn bộ quá trình, và chỉ kiểm tra các sản phẩm và chất phản ứng hai, bốn, năm và sáu carbon này, không phải vậy ngay lập tức làm rõ lý do tại sao các tế bào sẽ tham gia vào một cái gì đó giống như bánh xe Ferris sinh hóa, với các tay đua khác nhau trong cùng một quần thể được tải lên và rời khỏi bánh xe nhưng không có gì thay đổi vào cuối ngày trừ rất nhiều vòng quay của bánh xe.
Mục đích của chu trình Krebs rõ ràng hơn khi bạn nhìn vào những gì xảy ra với các ion hydro trong các phản ứng này. Tại ba điểm khác nhau, một NAD + thu thập một proton và tại một điểm khác, FAD thu thập hai proton. Hãy nghĩ về các proton - vì ảnh hưởng của chúng đối với các điện tích dương và âm - như các cặp electron. Theo quan điểm này, điểm của chu kỳ là sự tích tụ của các cặp electron năng lượng cao từ các phân tử carbon nhỏ.
Lặn sâu hơn vào các phản ứng chu trình Krebs
Bạn có thể nhận thấy rằng hai phân tử quan trọng dự kiến sẽ có mặt trong hô hấp hiếu khí bị thiếu trong chu trình Krebs: Oxy (O2) và ATP, dạng năng lượng được sử dụng trực tiếp bởi các tế bào và mô để thực hiện các công việc như tăng trưởng, sửa chữa, v.v. Một lần nữa, điều này là do chu trình Krebs là một bộ sắp xếp bảng cho các phản ứng chuỗi vận chuyển điện tử xảy ra gần đó, trong màng ty thể chứ không phải trong ma trận ty thể. Các electron được thu hoạch bởi nucleotide (NAD + và FAD) trong chu trình được sử dụng "xuôi dòng" khi chúng được các nguyên tử oxy chấp nhận trong chuỗi vận chuyển. Chu trình Krebs có hiệu lực loại bỏ vật liệu có giá trị trong một băng chuyền tròn dường như không đáng chú ý và xuất chúng đến một trung tâm xử lý gần đó, nơi đội ngũ sản xuất thực sự đang làm việc.
Cũng lưu ý rằng các phản ứng dường như không cần thiết trong chu trình Krebs (rốt cuộc, tại sao phải thực hiện tám bước để hoàn thành những gì có thể được thực hiện trong khoảng ba hoặc bốn?) Tạo ra các phân tử, mặc dù trung gian trong chu trình Krebs, có thể đóng vai trò là chất phản ứng trong các phản ứng không liên quan .
Để tham khảo, NAD chấp nhận một proton ở Bước 3, 4 và 8, và trong hai CO đầu tiên2 bị đổ ra; một phân tử guanosine triphosphate (GTP) được sản xuất từ GDP ở Bước 5; và FAD chấp nhận hai proton ở Bước 6. Ở bước 1, CoA "rời đi", nhưng "trở lại" ở Bước 4. Thực tế, chỉ có Bước 2, việc sắp xếp lại citrate thành isocitrate, là "im lặng" bên ngoài các phân tử carbon trong các phản ứng.
Một kỷ niệm cho sinh viên
Do tầm quan trọng của chu trình Krebs trong sinh hóa và sinh lý con người, sinh viên, giáo sư và những người khác đã đưa ra một số cách thức, hoặc cách nhớ tên, để giúp ghi nhớ các bước và chất phản ứng trong chu trình Krebs. Nếu người ta chỉ muốn nhớ các chất phản ứng, chất trung gian và sản phẩm carbon, thì có thể làm việc từ các chữ cái đầu tiên của các hợp chất liên tiếp khi chúng xuất hiện (O, Ac, C, I, K, Sc, S, F, M; ở đây, lưu ý rằng "coenzyme A" được biểu thị bằng một "c" nhỏ. Bạn có thể tạo một cụm từ được cá nhân hóa từ các chữ cái này, với các chữ cái đầu tiên của các phân tử đóng vai trò là các chữ cái đầu tiên trong các từ của cụm từ.
Một cách tinh vi hơn để thực hiện điều này là sử dụng tính năng ghi nhớ cho phép bạn theo dõi số lượng nguyên tử carbon ở mỗi bước, điều này có thể cho phép bạn tiếp thu tốt hơn những gì đang xảy ra từ quan điểm sinh hóa mọi lúc. Ví dụ: nếu bạn để một từ sáu chữ cái đại diện cho oxaloacetate sáu carbon và tương ứng với các từ và phân tử nhỏ hơn, bạn có thể tạo ra một sơ đồ vừa hữu ích như một thiết bị bộ nhớ và thông tin phong phú. Một người đóng góp cho "Tạp chí giáo dục hóa học" đã đề xuất ý tưởng sau:
Ở đây, bạn thấy một từ sáu chữ cái được hình thành bởi một từ hai chữ cái (hoặc nhóm) và một từ bốn chữ cái. Mỗi bước trong ba bước tiếp theo bao gồm một thay thế chữ cái duy nhất mà không mất chữ cái (hoặc "carbon"). Hai bước tiếp theo, mỗi bước liên quan đến việc mất một chữ cái (hoặc, một lần nữa, "carbon"). Phần còn lại của sơ đồ bảo tồn yêu cầu từ bốn chữ cái giống như các bước cuối cùng của chu trình Krebs bao gồm các phân tử bốn carbon khác nhau, có liên quan chặt chẽ.
Ngoài các thiết bị cụ thể này, bạn có thể thấy có ích khi tự vẽ cho mình một tế bào hoàn chỉnh hoặc một phần của tế bào bao quanh ty thể và phác họa các phản ứng của glycolysis chi tiết như bạn muốn trong phần tế bào chất và chu trình Krebs trong ty thể phần ma trận. Trong bản phác thảo này, bạn sẽ thấy pyruvate được đưa vào bên trong ty thể, nhưng bạn cũng có thể vẽ một mũi tên dẫn đến quá trình lên men, cũng xảy ra trong tế bào chất.