المحتوى
دورة كريبس ، التي سميت باسم الحائز على جائزة نوبل عام 1953 وعالم الفيزياء هانز كريبس ، هي سلسلة من ردود الفعل الأيضية التي تحدث في الميتوكوندريا من خلايا حقيقية النواة. بعبارة أكثر بساطة ، هذا يعني أن البكتيريا لا تملك الآلية الخلوية لدورة كريبس ، لذلك فهي تقتصر على النباتات والحيوانات والفطريات.
الجلوكوز هو الجزيء الذي يتم استقلابه في النهاية عن طريق الكائنات الحية لاستخلاص الطاقة ، في شكل أدينوسين ثلاثي الفوسفات ، أو ATP. يمكن تخزين الجلوكوز في الجسم بأشكال عديدة ؛ الجليكوجين هو أكثر بقليل من سلسلة طويلة من جزيئات الجلوكوز التي يتم تخزينها في خلايا العضلات والكبد ، في حين أن الكربوهيدرات الغذائية والبروتينات والدهون تحتوي على مكونات يمكن استقلابها إلى الجلوكوز أيضًا. عندما يدخل جزيء الجلوكوز إلى خلية ، فإنه يتم تقسيمه في السيتوبلازم إلى بيروفات.
ما يحدث بعد ذلك يعتمد على ما إذا كان البيروفيت يدخل مسار التنفس الهوائي (النتيجة المعتادة) أو مسار التخمير اللاكتات (المستخدم في نوبات التمرينات عالية الكثافة أو الحرمان من الأكسجين) قبل أن يسمح في النهاية بإنتاج ATP وإطلاق ثاني أكسيد الكربون ( CO2) والمياه (ح2O) كمنتجات ثانوية.
تعتبر دورة كريبس - وتسمى أيضًا دورة حامض الستريك أو دورة حمض الكربوكسيل (TCA) - هي الخطوة الأولى في المسار الهوائي ، وتعمل باستمرار على توليف ما يكفي من مادة تُدعى أوكسالاسيتيت للحفاظ على سير الدورة ، على الرغم من ذلك ، ترى ، هذه ليست حقا دورات "المهمة". توفر دورة Krebs مزايا أخرى أيضًا. نظرًا لأنه يشتمل على ثمانية تفاعلات (وفي المقابل تسعة إنزيمات) تشتمل على تسعة جزيئات متميزة ، فمن المفيد تطوير أدوات للحفاظ على النقاط المهمة في الدورة مستقيمة.
تحلل السكر: وضع المرحلة
الجلوكوز عبارة عن سكر مكون من ستة كربون (هيكسوز) يكون في الطبيعة عادة في شكل حلقة. مثل كل السكريات الأحادية (مونومرات السكر) ، فهو يتكون من الكربون والهيدروجين والأكسجين بنسبة 1-2-1 ، مع صيغة C6هيدروجين12O6. إنه أحد المنتجات النهائية للبروتين والكربوهيدرات وأيض الأحماض الدهنية ويعمل كوقود في كل نوع من الكائنات الحية من البكتيريا أحادية الخلية إلى البشر والحيوانات الكبيرة.
انحلال السكر هو اللاهوائي بالمعنى الدقيق للكلمة "بدون أكسجين". وهذا هو ، ردود الفعل المضي قدما سواء O2 موجود في الخلايا أم لا. كن حذرا لتمييز هذا من "الأكسجين لا يجب أن يكون حاضرًا ، "على الرغم من أن هذا هو الحال مع بعض البكتيريا التي تُقتل فعليًا بواسطة الأكسجين وتعرف باسم اللاهوائية اللازمة.
في تفاعلات انحلال السكر في الدم ، يتم فسفرة الجلوكوز المكون من ستة الكربون في البداية - أي أنه يحتوي على مجموعة فوسفات ملحقة به. الجزيء الناتج هو شكل فسفوري من الفركتوز (سكر الفاكهة). ثم يتم فسف هذا الجزيء مرة ثانية. كل من هذه الفسفورات يتطلب جزيء ATP ، وكلاهما يتم تحويلهما إلى ثنائي فوسفات الأدينوزين ، أو ADP. يتم بعد ذلك تحويل جزيء الكربون الستة إلى جزيئين بثلاثة كربون ، يتم تحويلهما بسرعة إلى البيروفات. على طول الطريق ، في معالجة كل من الجزيئات ، يتم إنتاج 4 ATP بمساعدة جزيئين من NAD + (نيكوتيناميد أدينين ثنائي النوكليوتيد) التي يتم تحويلها إلى جزيئين من NADH. وبالتالي لكل جزيء الجلوكوز الذي يدخل في انحلال السكر ، يتم إنتاج شبكة من اثنين من ATP ، واثنين من البيروفات واثنين من NADH ، بينما يتم استهلاك اثنين من NAD +.
دورة كريبس: ملخص الكبسولة
كما لوحظ سابقًا ، يعتمد مصير البيروفات على مطالب التمثيل الغذائي وبيئة الكائن المعني. في بدائيات النوى ، يوفر تحلل السكر زائد التخمير جميع احتياجات الطاقة من الخلايا المفردة تقريبًا ، على الرغم من أن بعض هذه الكائنات قد تطورت سلاسل نقل الإلكترون التي تسمح لهم باستخدام الأكسجين لتحرير الـ ATP من المستقلبات (منتجات) التحلل. في بدائيات النوى وكذلك في جميع حقيقيات النوى ولكن الخميرة ، إذا لم يكن هناك أكسجين متاح أو إذا كان لا يمكن تلبية احتياجات خلايا الطاقة بالكامل من خلال التنفس الهوائي ، يتم تحويل البيروفات إلى حمض اللبنيك عن طريق التخمير تحت تأثير إنزيم اللاكتات إنزيم الهيدروجين ، أو LDH .
ينتقل البيروفيت المتجه لدورة كريبس من السيتوبلازم عبر غشاء عضيات الخلية (مكونات وظيفية في السيتوبلازم) تسمى الميتوكوندريا. ما إن تدخل المصفوفة الميتوكوندريا ، وهي نوع من السيتوبلازم للميتوكوندريا نفسها ، يتم تحويلها تحت تأثير انزيم هيدروجينيز الإنزيم إلى مركب مختلف مكون من ثلاثة كربون يسمى أسيتيل أنزيم A أو الاسيتيل coa. يمكن الحصول على العديد من الإنزيمات من مجموعة كيميائية بسبب اللاحقة "-ase" التي تشاركها.
في هذه المرحلة ، يجب أن تستفيد من رسم تخطيطي يوضح دورة كريبس ، لأنه هو السبيل الوحيد للتتبع بشكل مفيد ؛ انظر الموارد للحصول على مثال.
السبب في تسمية دورة كريبس على هذا النحو هو أن أحد منتجاتها الرئيسية ، أوكسالاسيتات ، هو أيضًا مادة متفاعلة. أي عندما تدخل ثاني أكسيد الكربون الأسيتيل الذي تم إنشاؤه من البيروفات إلى الدورة من "المنبع" ، فإنه يتفاعل مع جزيء الأكسالو أسيتات ، وهو جزيء من أربعة الكربون ، ويشكل سيترات ، وهو جزيء مكون من ستة كربون. سيترات ، جزيء متماثل ، يتضمن ثلاثة مجموعات الكربوكسيل، التي لها النموذج (-COOH) في شكلها البروتوني و (-COO-) في شكلها غير المدبر. هذا الثلاثي لمجموعات الكربوكسيل هو الذي يضفي اسم "حمض الكربوكسيل" على هذه الدورة. يتم تحفيز التوليف عن طريق إضافة جزيء الماء ، مما يجعل هذا تفاعل التكثيف ، وفقدان أنزيم A جزء من أسيتيل CoA.
يتم بعد ذلك إعادة ترتيب السيترات في جزيء له نفس الذرات بترتيب مختلف ، وهو ما يسمى "الإيزوسيترات". هذا الجزيء يعطي ثاني أكسيد الكربون2 لتصبح المركب الخماسي الكربونات α-ketoglutarate ، وفي الخطوة التالية يحدث نفس الشيء ، مع فقدان α-ketoglutarate لثاني أكسيد الكربون2 مع استعادة أنزيم A لتصبح succinyl CoA. يصبح هذا الجزيء المكون من أربعة كربون عبارة عن سكسينات مع فقدان COA ، ثم يعاد ترتيبه لاحقًا في موكب من الأحماض البروتونية المحتوية على أربعة كربونات: فومارات ، مالات ، وأكسالاسيتات أخيرًا.
الجزيئات المركزية لدورة كريبس ، إذن ، بالترتيب ، هي
هذا يغفل أسماء الإنزيمات وعدد من المتفاعلات الحرجة ، من بينها NAD + / NADH ، زوج الجزيء المماثل FAD / FADH2 (فلافين الأدينين دينوكليوتيد) و CO2.
لاحظ أن كمية الكربون في نفس النقطة في أي دورة تظل كما هي. تلتقط Oxaloacetate ذرتين كربونيتين عندما تتحد مع أسيتيل CoA ، لكن هاتين الذرتين تضيعان في النصف الأول من دورة كريبس ك CO2 في ردود الفعل المتعاقبة التي يتم فيها تقليل NAD + أيضًا إلى NADH. (في الكيمياء ، لتبسيط بعض الشيء ، تضيف تفاعلات الاختزال البروتونات بينما تزيلها تفاعلات الأكسدة.) عند النظر إلى العملية ككل ، وفحص هذه المواد المتفاعلة والمنتجات التي تحتوي على اثنين ، أربعة ، خمسة ، وستة كربون فقط ، فإنها ليست كذلك. واضح على الفور لماذا ستنخرط الخلايا في شيء يشبه عجلة فيريس البيوكيميائية ، مع تحميل متسابقين مختلفين من نفس المجموعة داخل وخارج عجلة القيادة ولكن لا شيء يتغير في نهاية اليوم باستثناء الكثير من المنعطفات العجلة.
الغرض من دورة كريبس أكثر وضوحًا عندما تنظر إلى ما يحدث لأيونات الهيدروجين في هذه التفاعلات. في ثلاث نقاط مختلفة ، يجمع NAD + بروتون ، وعند نقطة مختلفة ، يجمع FAD بروتونين. فكر في البروتونات - بسبب تأثيرها على الشحنات الإيجابية والسلبية - كأزواج من الإلكترونات. من وجهة النظر هذه ، فإن الهدف من الدورة هو تراكم أزواج الإلكترون عالية الطاقة من جزيئات الكربون الصغيرة.
الغوص أعمق في ردود الفعل دورة كريبس
قد تلاحظ أن اثنين من الجزيئات الحرجة المتوقع وجودها في التنفس الهوائي مفقودين من دورة كريبس: الأكسجين (O)2) و ATP ، هو شكل من أشكال الطاقة تستخدمه الخلايا والأنسجة مباشرة للقيام بعمل مثل النمو والإصلاح وما إلى ذلك. مرة أخرى ، هذا لأن دورة كريبس هي أداة ضبط الجدول لتفاعلات سلسلة نقل الإلكترون التي تحدث في مكان قريب ، في الغشاء الميتوكوندري بدلاً من مصفوفة الميتوكوندريا. تستخدم الإلكترونات التي تحصدها النيوكليوتيدات (NAD + و FAD) في الدورة "في اتجاه مجرى النهر" عندما يتم قبولها بواسطة ذرات الأكسجين في سلسلة النقل. تعمل دورة كريبس في الواقع على تجريد المواد القيمة في حزام ناقل دائري لا يبدو ملحوظًا وتقوم بتصديرها إلى مركز معالجة قريب يعمل فيه فريق الإنتاج الحقيقي.
لاحظ أيضًا أن ردود الفعل غير الضرورية على ما يبدو في دورة كريبس (بعد كل شيء ، لماذا تتخذ ثماني خطوات لإنجاز ما يمكن القيام به في ثلاثة أو أربعة؟) تولد جزيئات ، على الرغم من أنها تتوسط في دورة كريبس ، يمكن أن تكون بمثابة تفاعلات في تفاعلات غير ذات صلة .
كمرجع ، يقبل NAD بروتون في الخطوات 3 و 4 و 8 ، وفي أول اثنين من هذه CO2 سقيفة يتم إنتاج جزيء ثلاثي فوسفات الجانوسين (GTP) من الناتج المحلي الإجمالي في الخطوة 5 ؛ و FAD يقبل بروتونين في الخطوة 6. في الخطوة 1 ، "تترك CoA" ، ولكن "تُرجع" في الخطوة 4. في الحقيقة ، الخطوة 2 ، إعادة ترتيب السيترات إلى الإيزوسيترات ، هي فقط "صامتة" خارج جزيئات الكربون في ردة الفعل.
ذاكري للطلاب
نظرًا لأهمية دورة كريبس في الكيمياء الحيوية وعلم وظائف الأعضاء البشرية ، توصل الطلاب والأساتذة وغيرهم إلى عدد من فن الإستذكار ، أو طرق لتذكر الأسماء ، للمساعدة في تذكر الخطوات والمتفاعلات في دورة كريبس. إذا رغب المرء فقط في تذكر المواد الكربونية الوسيطة والمنتجات ، فمن الممكن العمل من الأحرف الأولى من المركبات المتعاقبة عند ظهورها (O ، Ac ، C ، I ، K ، Sc ، S ، F ، M ؛ هنا ، لاحظ أن "أنزيم A" يمثله صغير "c"). يمكنك إنشاء عبارة مخصصة بليغة من هذه الحروف ، حيث تكون الأحرف الأولى من الجزيئات بمثابة الحروف الأولى في كلمات العبارة.
هناك طريقة أكثر تطوراً في ذلك وهي استخدام ذاكري الذي يتيح لك تتبع عدد ذرات الكربون في كل خطوة ، مما قد يسمح لك باستيعاب ما يحدث من وجهة نظر كيميائية حيوية بشكل أفضل في جميع الأوقات. على سبيل المثال ، إذا سمحت لكلمة مكونة من ستة أحرف بتمثيل oxaloacetate المكون من ستة الكربون ، وبالمقابل للكلمات والجزيئات الصغيرة ، فيمكنك إنتاج مخطط مفيد كجهاز ذاكرة والمعلومات الغنية. اقترح أحد المساهمين في "مجلة التربية الكيميائية" الفكرة التالية:
هنا ، ترى كلمة مكونة من ستة أحرف مكونة من كلمة مؤلفة من حرفين (أو مجموعة) وكلمة مكونة من أربعة أحرف. كل خطوة من الخطوات الثلاث التالية تتضمن استبدال حرف واحد مع عدم فقدان الحروف (أو "الكربون"). تنطوي كل من الخطوتين التاليتين على فقد حرف (أو "الكربون" مرة أخرى). يحافظ باقي المخطط على متطلبات الكلمات المكونة من أربعة أحرف بنفس الطريقة التي تتضمن بها الخطوات الأخيرة لدورة كريبز جزيئات مختلفة من الكربون ذات صلة وثيقة.
بصرف النظر عن هذه الأجهزة المحددة ، قد تجد أنه من المفيد أن ترسم نفسك خلية كاملة أو جزءًا من الخلية المحيطة بالميتوكوندريا ، وأن ترسم تفاعلات انحلال السكر بالليزر بأدق التفاصيل التي تريدها في جزء السيتوبلازم ودورة كريبس في الميتوكوندريا مصفوفة جزء. في هذا المخطط ، ستظهر أن البيروفات يتم نقله إلى داخل الميتوكوندريا ، لكن يمكنك أيضًا رسم سهم يؤدي إلى التخمير ، والذي يحدث أيضًا في السيتوبلازم.