Napisz prezentacje o znaczeniu biomedycznym cyklu kwasu cytrynowego
50 pkt za rozwiązanie + 25 pkt za najlepsze rozwiązanie - 9.10.2019 (18:18)
SelenaGomez1114 rozwiązanych zadań
SelenaGomez11
19.10.2019 (13:55)
Nazwa, którą będziemy tutaj najczęściej stosować, cykl kwasu cytrynowego, odnosi się do pierwszej cząsteczki, która powstaje podczas reakcji tego cyklu - cytrynianu, a ten z dodatkiem protonu przyjmuje formę kwasu cytrynowego. Jednakże możesz również spotkać się z określeniem tej serii reakcji mianem cyklu kwasów trikarboksylowych (TCA), ze względu na trójwęglowe grupy w jego dwóch początkowych etapach, lub też cyklu Krebsa, nazwie nadanej od jego odkrywcy, Hansa Krebsa. [Zobacz zdjęcie dwóch pierwszych półproduktów]
Dwa pierwsze półprodukty cyklu kwasu cytrynowego są pokazane poniżej. Każdy z nich ma trzy grupy karboksylowe, zaznaczone na czerwono. Kiedy cytrynian zyskuje trzy jony H+\text {H}^+H+start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, co sprawia że przestaje on mieć ładunek ujemny, zaczyna się go nazywać kwasem cytrynowym.
Źródło obrazu: zmodyfikowane z "Oxidation of pyruvate and citric acid cycle: Figure 2" by OpenStax College, Biology, CC BY 3,0
Jakkolwiek nie wolisz go nazywać, cykl kwasu cytrynowego jest głównym sterownikiem oddychania komórkowego. Używa on acetyloCoA\text{CoA}CoAstart text, C, o, A, end text - produkowanego w utlenianiu kwasu pirogronowego i pierwotnie pochodzącego z glukozy - jako materiału początkowego i, w serii reakcji redoks, zbiera większość energii wiązań w postaci cząsteczek NADH,\text{NADH,}NADH,start text, N, A, D, H, comma, end text FADH2\text{FADH}_2FADH2start text, F, A, D, H, end text, start subscript, 2, end subscript i ATP.\text{ATP.}ATP.start text, A, T, P, point, end text Zredukowane nośniki elektronów - NADH i\text{NADH i}NADH istart text, N, A, D, H, space, i, end text FADH2\text{FADH}_2FADH2start text, F, A, D, H, end text, start subscript, 2, end subscript - wytwarzane w cyklu TCA przekażą swoje elektrony do łańcucha transportowego elektronów i, poprzez fosforylację oksydacyjną, wygenerują większość ATP produkowanego w oddychaniu komórkowym.
Poniżej, przyjrzymy się bliżej temu jak działa ten jakże znaczący cykl.
Ogólne spojrzenie na cykl kwasu cytrynowego
U eukariontów, cykl kwasu cytrynowego zachodzi w matriks mitochondrialnej, tak jak i transformacja pirogronianu w acetylo CoA\text{CoA}CoAstart text, C, o, A, end text. U prokariontów zaś oba te etapy zachodzą w cytoplazmie. Cykl kwasu cytrynowego jest zamkniętą pętlą; ostatnia część tej ścieżki odnawia cząsteczki użyte w pierwszym jego etapie. Tenże cykl zawiera osiem głównych kroków.
Simplified diagram of the citric acid cycle. First, acetyl CoA combines with oxaloacetate, a four-carbon molecule, losing the CoA group and forming the six-carbon molecule citrate. After citrate undergoes a rearrangement step, it undergoes an oxidation reaction, transferring electrons to NAD+ to form NADH and releasing a molecule of carbon dioxide. The five-carbon molecule left behind then undergoes a second, similar reaction, transferring electrons to NAD+ to form NADH and releasing a carbon dioxide molecule. The four-carbon molecule remaining then undergoes a series of transformations, in the course of which GDP and inorganic phosphate are converted into GTP—or, in some organisms, ADP and inorganic phosphate are converted into ATP—an FAD molecule is reduced to FADH2, and another NAD+ is reduced to NADH. At the end of this series of reactions, the four-carbon starting molecule, oxaloacetate, is regenerated, allowing the cycle to begin again.
Simplified diagram of the citric acid cycle. First, acetyl CoA combines with oxaloacetate, a four-carbon molecule, losing the CoA group and forming the six-carbon molecule citrate. After citrate undergoes a rearrangement step, it undergoes an oxidation reaction, transferring electrons to NAD+ to form NADH and releasing a molecule of carbon dioxide. The five-carbon molecule left behind then undergoes a second, similar reaction, transferring electrons to NAD+ to form NADH and releasing a carbon dioxide molecule. The four-carbon molecule remaining then undergoes a series of transformations, in the course of which GDP and inorganic phosphate are converted into GTP—or, in some organisms, ADP and inorganic phosphate are converted into ATP—an FAD molecule is reduced to FADH2, and another NAD+ is reduced to NADH. At the end of this series of reactions, the four-carbon starting molecule, oxaloacetate, is regenerated, allowing the cycle to begin again.
Podczas pierwszego etapu cyklu, acetyloCoA\text{CoA}CoAstart text, C, o, A, end text łączy się z czterowęglową cząsteczką akceptorową, szczawiooctanem, by stworzyć sześciowęglową cząsteczkę zwaną cytrynianem. Po szybkiej zmianie rozkładu, ta sześciowęglowa cząsteczka uwalnia dwa ze swoich węgli w postaci cząsteczek dwutlenku węgla w dwóch podobnych do siebie reakcjach, produkując za każdym razem cząsteczkę NADH\text{NADH}NADHstart text, N, A, D, H, end text1^11start superscript, 1, end superscript. Enzymami katalizującymi te reakcje są kluczowe regulatory cyklu kwasu cytrynowego, które przyspieszają go lub spowalniają zależnie od zapotrzebowani energetycznych komórki2^22squared.
Pozostawiona czterowęglowa cząsteczka przechodzi szereg dodatkowych reakcji, wpierw produkując cząsteczkę ATP\text{ATP}ATPstart text, A, T, P, end text - lub w niektórych komórkach podobną jej cząsteczkę GTP\text{GTP}GTPstart text, G, T, P, end text - następnie redukując przenośnik elektronów FAD,\text{FAD,}FAD,start text, F, A, D, comma, end text do FADH2\text{FADH}_2FADH2start text, F, A, D, H, end text, start subscript, 2, end subscript, aby w końcu wyprodukować kolejną cząsteczkę NADH.\text{NADH.}NADH.start text, N, A, D, H, point, end text Ten zbiór reakcji regeneruje cząsteczkę wejściową, szczawiooctan, żeby cykl mógł się powtórzyć.
Podsumowując, jeden obieg cyklu kwasu cytrynowego uwalnia dwie cząsteczki dwutlenku węgla i produkuje trzy NADH\text{NADH}NADHstart text, N, A, D, H, end text, jedno FADH2\text{FADH}_2FADH2start text, F, A, D, H, end text, start subscript, 2, end subscript, oraz jednoATP\text{ATP}ATPstart text, A, T, P, end text lub GTP\text{GTP}GTPstart text, G, T, P, end text. Cykl kwasu cytrynowego zachodzi dwa razy dla każdej cząsteczki glukozy, która wejdzie w proces oddychania komórkowego, ponieważ są dwa pirogroniany - i stąd wytwarzanie dwóch acetyloCoA\text{CoA}CoAstart text, C, o, A, end texts na każdą cząsteczkę glukozy.
Etapy cyklu kwasu cytrynowego
Zapoznałeś się już wstępnie z cząsteczkami produkowanymi w cyklu kwasu cytrynowego. Jednak jak właściwie są one produkowane? Przejdziemy przez cykl krok po kroku obserwując jak produkowane są NADH\text{NADH}NADHstart text, N, A, D, H, end text, FADH2\text{FADH}_2FADH2start text, F, A, D, H, end text, start subscript, 2, end subscript, i ATP\text{ATP}ATPstart text, A, T, P, end text/GTP\text{GTP}GTPstart text, G, T, P, end text i gdzie uwalniane są cząsteczki dwutlenku węgla.
Krok 1. W pierwszym kroku cyklu kwasu cytrynowego, acetyloCoA\text{CoA}CoAstart text, C, o, A, end text łączy się z czterowęglową cząsteczką, szczawiooctanem, uwalniając grupę CoA\text{CoA}CoAstart text, C, o, A, end text i tworząc sześciowęglową cząsteczkę nazywaną cytranianem.
Krok 2. W drugim kroku, cytrynian przekształcany jest w swój izomer, izocytrynian. Jest to właściwie proces dwuetapowy, zawierający wpierw pozbycie się a następnie addycję cząsteczki wody, stąd też o cyklu kwasu cytrynowego mówi się często jako o posiadającym dziewięć kroków - a nie osiem wymienionych tutaj3^33cubed.
Krok 3. W trzecim kroku, izocytrynian jest utleniany i uwalniany jako cząsteczka dwutlenku węgla, pozostawiając za sobą pięciowęglową cząsteczkę - kwas α-ketoglutarowy. Podczas tego kroku, NAD+\text{NAD}^+NAD+start text, N, A, D, end text, start superscript, plus, end superscript redukowany jest do NADH\text{NADH}NADHstart text, N, A, D, H, end text. Enzymem katalizującym ten krok jest dehydrogenaza izocytrynianowa, która istotna jest w regulowaniu prędkości cyklu kwasu cytrynowego.
Krok 4. Krok czwarty jest podobny do trzeciego. Jednak w tym przypadku to kwas α-ketoglutarowy jest utleniany, redukując NAD+\text{NAD}^+NAD+start text, N, A, D, end text, start superscript, plus, end superscript do NADH\text{NADH}NADHstart text, N, A, D, H, end text i uwalniając w trakcie cząsteczkę dwutlenku węgla. Pozostała czterowęglowa cząsteczka przyłącza koenzym A, tworząc w ten sposób niestabilny, złożony succinyl CoA\text{CoA}CoAstart text, C, o, A, end text. Enzymem katalizującym ten krok jest dehydrogenaza kwasu α-ketoglutarowego, która również istotna jest w regulacji cyklu kwasu cytrynowego.
Detailed diagram of the citric acid cycle, showing the structures of the various cycle intermediates and the enzymes catalyzing each step. Step 1. Acetyl CoA combines with oxaloacetate in a reaction catalyzed by citrate synthase. This reaction also takes a water molecule as a reactant, and it releases a SH-CoA molecule as a product. Step 2. Citrate is converted into isocitrate in a reaction catalyzed by aconitase. Step 3. Isocitrate is converted into α-ketoglutarate in a reaction catalyzed by isocitrate dehydrogenase. An NAD+ molecule is reduced to NADH + H+ in this reaction, and a carbon dioxide molecule is released as a product. Step 4. α-ketoglutarate is converted to succinyl CoA in a reaction catalyzed by α-ketoglutarate dehydrogenase. An NAD+ molecule is reduced to NADH + H+ in this reaction, which also takes a SH-CoA molecule as reactant. A carbon dioxide molecule is released as a product. Step 5. Succinyl CoA is converted to succinate in a reaction catalyzed by the enzyme succinyl-CoA synthetase. This reaction converts inorganic phosphate, Pi, and GDP to GTP and also releases a SH-CoA group. Step 6. Succinate is converted to fumarate in a reaction catalyzed by succinate dehydrogenase. FAD is reduced to FADH2 in this reaction. Step 7. Fumarate is converted to malate in a reaction catalyzed by the enzyme fumarase. This reaction requires a water molecule as a reactant. Step 8. Malate is converted to oxaloacetate in a reaction catalyzed by malate dehydrogenase. This reaction reduces an NAD+ molecule to NADH + H+.
Detailed diagram of the citric acid cycle, showing the structures of the various cycle intermediates and the enzymes catalyzing each step.
Step 1. Acetyl CoA combines with oxaloacetate in a reaction catalyzed by citrate synthase. This reaction also takes a water molecule as a reactant, and it releases a SH-CoA molecule as a product.
Step 2. Citrate is converted into isocitrate in a reaction catalyzed by aconitase.
Step 3. Isocitrate is converted into α-ketoglutarate in a reaction catalyzed by isocitrate dehydrogenase. An NAD+ molecule is reduced to NADH + H+ in this reaction, and a carbon dioxide molecule is released as a product.
Step 4. α-ketoglutarate is converted to succinyl CoA in a reaction catalyzed by α-ketoglutarate dehydrogenase. An NAD+ molecule is reduced to NADH + H+ in this reaction, which also takes a SH-CoA molecule as reactant. A carbon dioxide molecule is released as a product.
Step 5. Succinyl CoA is converted to succinate in a reaction catalyzed by the enzyme succinyl-CoA synthetase. This reaction converts inorganic phosphate, Pi, and GDP to GTP and also releases a SH-CoA group.
Step 6. Succinate is converted to fumarate in a reaction catalyzed by succinate dehydrogenase. FAD is reduced to FADH2 in this reaction.
Step 7. Fumarate is converted to malate in a reaction catalyzed by the enzyme fumarase. This reaction requires a water molecule as a reactant.
Step 8. Malate is converted to oxaloacetate in a reaction catalyzed by malate dehydrogenase. This reaction reduces an NAD+ molecule to NADH + H+.
Źródło obrazu: zmodyfikowane z "Oxidation of pyruvate and citric acid cycle: Figure 2" by OpenStax College, Biology, CC BY 3,0
Step 5. In step five, the CoA\text{CoA}CoAstart text, C, o, A, end text of succinyl CoA\text{CoA}CoAstart text, C, o, A, end text is replaced by a phosphate group, which is then transferred to ADP\text{ADP}ADPstart text, A, D, P, end text to make ATP\text{ATP}ATPstart text, A, T, P, end text. In some cells, GDP\text{GDP}GDPstart text, G, D, P, end text—guanosine diphosphate—is used instead of ADP\text{ADP}ADPstart text, A, D, P, end text, forming GTP\text{GTP}GTPstart text, G, T, P, end text—guanosine triphosphate—as a product. The four-carbon molecule produced in this step is called succinate. [Dowiedz się więcej o GTP.]
GTP\text{GTP}GTPstart text, G, T, P, end text is similar to ATP\text{ATP}ATPstart text, A, T, P, end text: both serve as energy sources, and the two can be readily interconverted. Which of the two molecules is produced during the citric acid cycle depends on the organism and cell type. For example, ATP\text{ATP}ATPstart text, A, T, P, end text is made in human heart cells, but GTP\text{GTP}GTPstart text, G, T, P, end text is made in liver cells.
Krok 6. W kroku szóstym, utleniany jest kwas bursztynowy, tworząc kolejną czterowęglową cząsteczkę nazywaną kwasem fumarowym. W tej reakcji, dwa atomy węgla - z ich elektronami - transportowane są do FAD\text{FAD}FADstart text, F, A, D, end text, produkując FADH2\text{FADH}_2FADH2start text, F, A, D, H, end text, start subscript, 2, end subscript. Enzym katalizujący ten krok jest osadzony w błonie wewnętrznej mitochondrium, więc FADH2\text{FADH}_2FADH2start text, F, A, D, H, end text, start subscript, 2, end subscript może przekazywać swoje elektrony bezpośrednio do łańcucha transportowego elektronów. [Po co tu FAD?]
FAD\text{FAD}FADstart text, F, A, D, end text is a better electron acceptor than NAD+\text{NAD}^+NAD+start text, N, A, D, end text, start superscript, plus, end superscript, meaning that it has a higher affinity, or “hunger”, for electrons. Succinate is not a great electron donor, meaning that it has a fairly high affinity for electrons itself and is not eager to give them up. NAD+\text{NAD}^+NAD+start text, N, A, D, end text, start superscript, plus, end superscript is not electron-hungry enough to pull electrons away from succinate, but FAD\text{FAD}FADstart text, F, A, D, end text is4,5^{4,5}4,5start superscript, 4, comma, 5, end superscript.
Krok 7. W kroku siódmym, woda dodawana jest do czterowęglowej cząsteczki kwasu fumarowego, przekształcając go w kolejną czterowęglową cząsteczkę zwaną kwasem jabłkowym.
Krok 8. W ostatnim kroku cyklu kwasu cytrynowego, szczawiooctan - początkowy czterowęglowy związek - regenerowany jest poprzez utlenianie kwasu jabłkowego. Podczas tego procesu kolejna cząsteczka NAD+\text{NAD}^+NAD+start text, N, A, D, end text, start superscript, plus, end superscript redukowana jest do NADH\text{NADH}NADHstart text, N, A, D, H, end text.
Produkty cyklu kwasu cytrynowego
Cofnijmy się jednak o krok i zróbmy pewne rozliczenie, śledząc los węgli, które weszły do cyklu kwasu cytrynowego i licząc zredukowane nośniki elektronów - NADH\text{NADH}NADHstart text, N, A, D, H, end text i FADH2\text{FADH}_2FADH2start text, F, A, D, H, end text, start subscript, 2, end subscript— i produkowane ATP.\text{ATP.}ATP.start text, A, T, P, point, end text
W pojedynczym obiegu tego cyklu,
dwa węgle wchodzą z acetyloCoA\text{CoA}CoAstart text, C, o, A, end text, i uwalniane są dwie cząsteczki dwutlenku węgla
trzy cząsteczki NADH\text{NADH}NADHstart text, N, A, D, H, end text i jedna cząsteczka FADH2\text{FADH}_2FADH2start text, F, A, D, H, end text, start subscript, 2, end subscript zostają wygenerowane; i
jest produkowana jedna cząsteczka ATP\text{ATP}ATPstart text, A, T, P, end text lub GTP\text{GTP}GTPstart text, G, T, P, end text.
Te liczby dotyczą jednego obiegu tego cyklu, odnosząc się do jednej cząsteczki acetyloCoA\text{CoA}CoAstart text, C, o, A, end text. Każda cząsteczka glukozy produkuje dwie cząsteczki acetyloCoA\text{CoA}CoAstart text, C, o, A, end text, więc musimy pomnożyć te wartości przez 2222 jeśli chcemy otrzymać zysk z jednej glukozy.
Dwie cząsteczki - z acetyloCoA\text{CoA}CoAstart text, C, o, A, end text - wchodzą do cyklu kwasu cytrynowego z każdym jego obrotem i uwalniane są przy tym dwie cząsteczki dwutlenku węgla. Jednakże, cząsteczki dwutlenku węgla nie zawierają tak naprawdę atomów węgla z acetylo CoA,\text{CoA,}CoA,start text, C, o, A, comma, end text który dopiero wszedł do cyklu. Zamiast tego, węgle z acetyloCoA są stopniowo włączane w półprodukty cyklu i uwalniane w postaci dwutlenku węgla dopiero w późniejszych obrotach. Po wystarczającej liczbie obrotów, wszystkie atomy węgla z grupy acetylowej należącej do acetyloCoA zostaną uwolnione jako dwutlenek węgla.
Gdzie jest to całe ATP\text{ATP}ATPstart text, A, T, P, end text?
Może wydawać ci się, że ilość wydzielanego ATP\text{ATP}ATPstart text, A, T, P, end text podczas cyklu kwasu cytrynowego nie jest specjalnie imponująca. Cała ta praca tylko dla jednego ATP\text{ATP}ATPstart text, A, T, P, end text lub GTP\text{GTP}GTPstart text, G, T, P, end text?
Prawdą jest, że cykl kwasu cytrynowego sam w sobie nie produkuje dużo ATP\text{ATP}ATPstart text, A, T, P, end text. Jednakże, może on wytworzyć dużo ATP\text{ATP}ATPstart text, A, T, P, end text pośrednio, za pomocą NADH\text{NADH}NADHstart text, N, A, D, H, end text i FADH2\text{FADH}_2FADH2start text, F, A, D, H, end text, start subscript, 2, end subscript które generuje. Te nośniki elektronów łączą się z ostatnią porcją oddychania komórkowego, oddając swoje elektrony do łańcucha transportowego elektronów, by wywołać syntezę cząsteczek ATP przez fosforylację oksydacyjną.
Dwa pierwsze półprodukty cyklu kwasu cytrynowego są pokazane poniżej. Każdy z nich ma trzy grupy karboksylowe, zaznaczone na czerwono. Kiedy cytrynian zyskuje trzy jony H+\text {H}^+H+start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, co sprawia że przestaje on mieć ładunek ujemny, zaczyna się go nazywać kwasem cytrynowym.
Źródło obrazu: zmodyfikowane z "Oxidation of pyruvate and citric acid cycle: Figure 2" by OpenStax College, Biology, CC BY 3,0
Jakkolwiek nie wolisz go nazywać, cykl kwasu cytrynowego jest głównym sterownikiem oddychania komórkowego. Używa on acetyloCoA\text{CoA}CoAstart text, C, o, A, end text - produkowanego w utlenianiu kwasu pirogronowego i pierwotnie pochodzącego z glukozy - jako materiału początkowego i, w serii reakcji redoks, zbiera większość energii wiązań w postaci cząsteczek NADH,\text{NADH,}NADH,start text, N, A, D, H, comma, end text FADH2\text{FADH}_2FADH2start text, F, A, D, H, end text, start subscript, 2, end subscript i ATP.\text{ATP.}ATP.start text, A, T, P, point, end text Zredukowane nośniki elektronów - NADH i\text{NADH i}NADH istart text, N, A, D, H, space, i, end text FADH2\text{FADH}_2FADH2start text, F, A, D, H, end text, start subscript, 2, end subscript - wytwarzane w cyklu TCA przekażą swoje elektrony do łańcucha transportowego elektronów i, poprzez fosforylację oksydacyjną, wygenerują większość ATP produkowanego w oddychaniu komórkowym.
Poniżej, przyjrzymy się bliżej temu jak działa ten jakże znaczący cykl.
Ogólne spojrzenie na cykl kwasu cytrynowego
U eukariontów, cykl kwasu cytrynowego zachodzi w matriks mitochondrialnej, tak jak i transformacja pirogronianu w acetylo CoA\text{CoA}CoAstart text, C, o, A, end text. U prokariontów zaś oba te etapy zachodzą w cytoplazmie. Cykl kwasu cytrynowego jest zamkniętą pętlą; ostatnia część tej ścieżki odnawia cząsteczki użyte w pierwszym jego etapie. Tenże cykl zawiera osiem głównych kroków.
Simplified diagram of the citric acid cycle. First, acetyl CoA combines with oxaloacetate, a four-carbon molecule, losing the CoA group and forming the six-carbon molecule citrate. After citrate undergoes a rearrangement step, it undergoes an oxidation reaction, transferring electrons to NAD+ to form NADH and releasing a molecule of carbon dioxide. The five-carbon molecule left behind then undergoes a second, similar reaction, transferring electrons to NAD+ to form NADH and releasing a carbon dioxide molecule. The four-carbon molecule remaining then undergoes a series of transformations, in the course of which GDP and inorganic phosphate are converted into GTP—or, in some organisms, ADP and inorganic phosphate are converted into ATP—an FAD molecule is reduced to FADH2, and another NAD+ is reduced to NADH. At the end of this series of reactions, the four-carbon starting molecule, oxaloacetate, is regenerated, allowing the cycle to begin again.
Simplified diagram of the citric acid cycle. First, acetyl CoA combines with oxaloacetate, a four-carbon molecule, losing the CoA group and forming the six-carbon molecule citrate. After citrate undergoes a rearrangement step, it undergoes an oxidation reaction, transferring electrons to NAD+ to form NADH and releasing a molecule of carbon dioxide. The five-carbon molecule left behind then undergoes a second, similar reaction, transferring electrons to NAD+ to form NADH and releasing a carbon dioxide molecule. The four-carbon molecule remaining then undergoes a series of transformations, in the course of which GDP and inorganic phosphate are converted into GTP—or, in some organisms, ADP and inorganic phosphate are converted into ATP—an FAD molecule is reduced to FADH2, and another NAD+ is reduced to NADH. At the end of this series of reactions, the four-carbon starting molecule, oxaloacetate, is regenerated, allowing the cycle to begin again.
Podczas pierwszego etapu cyklu, acetyloCoA\text{CoA}CoAstart text, C, o, A, end text łączy się z czterowęglową cząsteczką akceptorową, szczawiooctanem, by stworzyć sześciowęglową cząsteczkę zwaną cytrynianem. Po szybkiej zmianie rozkładu, ta sześciowęglowa cząsteczka uwalnia dwa ze swoich węgli w postaci cząsteczek dwutlenku węgla w dwóch podobnych do siebie reakcjach, produkując za każdym razem cząsteczkę NADH\text{NADH}NADHstart text, N, A, D, H, end text1^11start superscript, 1, end superscript. Enzymami katalizującymi te reakcje są kluczowe regulatory cyklu kwasu cytrynowego, które przyspieszają go lub spowalniają zależnie od zapotrzebowani energetycznych komórki2^22squared.
Pozostawiona czterowęglowa cząsteczka przechodzi szereg dodatkowych reakcji, wpierw produkując cząsteczkę ATP\text{ATP}ATPstart text, A, T, P, end text - lub w niektórych komórkach podobną jej cząsteczkę GTP\text{GTP}GTPstart text, G, T, P, end text - następnie redukując przenośnik elektronów FAD,\text{FAD,}FAD,start text, F, A, D, comma, end text do FADH2\text{FADH}_2FADH2start text, F, A, D, H, end text, start subscript, 2, end subscript, aby w końcu wyprodukować kolejną cząsteczkę NADH.\text{NADH.}NADH.start text, N, A, D, H, point, end text Ten zbiór reakcji regeneruje cząsteczkę wejściową, szczawiooctan, żeby cykl mógł się powtórzyć.
Podsumowując, jeden obieg cyklu kwasu cytrynowego uwalnia dwie cząsteczki dwutlenku węgla i produkuje trzy NADH\text{NADH}NADHstart text, N, A, D, H, end text, jedno FADH2\text{FADH}_2FADH2start text, F, A, D, H, end text, start subscript, 2, end subscript, oraz jednoATP\text{ATP}ATPstart text, A, T, P, end text lub GTP\text{GTP}GTPstart text, G, T, P, end text. Cykl kwasu cytrynowego zachodzi dwa razy dla każdej cząsteczki glukozy, która wejdzie w proces oddychania komórkowego, ponieważ są dwa pirogroniany - i stąd wytwarzanie dwóch acetyloCoA\text{CoA}CoAstart text, C, o, A, end texts na każdą cząsteczkę glukozy.
Etapy cyklu kwasu cytrynowego
Zapoznałeś się już wstępnie z cząsteczkami produkowanymi w cyklu kwasu cytrynowego. Jednak jak właściwie są one produkowane? Przejdziemy przez cykl krok po kroku obserwując jak produkowane są NADH\text{NADH}NADHstart text, N, A, D, H, end text, FADH2\text{FADH}_2FADH2start text, F, A, D, H, end text, start subscript, 2, end subscript, i ATP\text{ATP}ATPstart text, A, T, P, end text/GTP\text{GTP}GTPstart text, G, T, P, end text i gdzie uwalniane są cząsteczki dwutlenku węgla.
Krok 1. W pierwszym kroku cyklu kwasu cytrynowego, acetyloCoA\text{CoA}CoAstart text, C, o, A, end text łączy się z czterowęglową cząsteczką, szczawiooctanem, uwalniając grupę CoA\text{CoA}CoAstart text, C, o, A, end text i tworząc sześciowęglową cząsteczkę nazywaną cytranianem.
Krok 2. W drugim kroku, cytrynian przekształcany jest w swój izomer, izocytrynian. Jest to właściwie proces dwuetapowy, zawierający wpierw pozbycie się a następnie addycję cząsteczki wody, stąd też o cyklu kwasu cytrynowego mówi się często jako o posiadającym dziewięć kroków - a nie osiem wymienionych tutaj3^33cubed.
Krok 3. W trzecim kroku, izocytrynian jest utleniany i uwalniany jako cząsteczka dwutlenku węgla, pozostawiając za sobą pięciowęglową cząsteczkę - kwas α-ketoglutarowy. Podczas tego kroku, NAD+\text{NAD}^+NAD+start text, N, A, D, end text, start superscript, plus, end superscript redukowany jest do NADH\text{NADH}NADHstart text, N, A, D, H, end text. Enzymem katalizującym ten krok jest dehydrogenaza izocytrynianowa, która istotna jest w regulowaniu prędkości cyklu kwasu cytrynowego.
Krok 4. Krok czwarty jest podobny do trzeciego. Jednak w tym przypadku to kwas α-ketoglutarowy jest utleniany, redukując NAD+\text{NAD}^+NAD+start text, N, A, D, end text, start superscript, plus, end superscript do NADH\text{NADH}NADHstart text, N, A, D, H, end text i uwalniając w trakcie cząsteczkę dwutlenku węgla. Pozostała czterowęglowa cząsteczka przyłącza koenzym A, tworząc w ten sposób niestabilny, złożony succinyl CoA\text{CoA}CoAstart text, C, o, A, end text. Enzymem katalizującym ten krok jest dehydrogenaza kwasu α-ketoglutarowego, która również istotna jest w regulacji cyklu kwasu cytrynowego.
Detailed diagram of the citric acid cycle, showing the structures of the various cycle intermediates and the enzymes catalyzing each step. Step 1. Acetyl CoA combines with oxaloacetate in a reaction catalyzed by citrate synthase. This reaction also takes a water molecule as a reactant, and it releases a SH-CoA molecule as a product. Step 2. Citrate is converted into isocitrate in a reaction catalyzed by aconitase. Step 3. Isocitrate is converted into α-ketoglutarate in a reaction catalyzed by isocitrate dehydrogenase. An NAD+ molecule is reduced to NADH + H+ in this reaction, and a carbon dioxide molecule is released as a product. Step 4. α-ketoglutarate is converted to succinyl CoA in a reaction catalyzed by α-ketoglutarate dehydrogenase. An NAD+ molecule is reduced to NADH + H+ in this reaction, which also takes a SH-CoA molecule as reactant. A carbon dioxide molecule is released as a product. Step 5. Succinyl CoA is converted to succinate in a reaction catalyzed by the enzyme succinyl-CoA synthetase. This reaction converts inorganic phosphate, Pi, and GDP to GTP and also releases a SH-CoA group. Step 6. Succinate is converted to fumarate in a reaction catalyzed by succinate dehydrogenase. FAD is reduced to FADH2 in this reaction. Step 7. Fumarate is converted to malate in a reaction catalyzed by the enzyme fumarase. This reaction requires a water molecule as a reactant. Step 8. Malate is converted to oxaloacetate in a reaction catalyzed by malate dehydrogenase. This reaction reduces an NAD+ molecule to NADH + H+.
Detailed diagram of the citric acid cycle, showing the structures of the various cycle intermediates and the enzymes catalyzing each step.
Step 1. Acetyl CoA combines with oxaloacetate in a reaction catalyzed by citrate synthase. This reaction also takes a water molecule as a reactant, and it releases a SH-CoA molecule as a product.
Step 2. Citrate is converted into isocitrate in a reaction catalyzed by aconitase.
Step 3. Isocitrate is converted into α-ketoglutarate in a reaction catalyzed by isocitrate dehydrogenase. An NAD+ molecule is reduced to NADH + H+ in this reaction, and a carbon dioxide molecule is released as a product.
Step 4. α-ketoglutarate is converted to succinyl CoA in a reaction catalyzed by α-ketoglutarate dehydrogenase. An NAD+ molecule is reduced to NADH + H+ in this reaction, which also takes a SH-CoA molecule as reactant. A carbon dioxide molecule is released as a product.
Step 5. Succinyl CoA is converted to succinate in a reaction catalyzed by the enzyme succinyl-CoA synthetase. This reaction converts inorganic phosphate, Pi, and GDP to GTP and also releases a SH-CoA group.
Step 6. Succinate is converted to fumarate in a reaction catalyzed by succinate dehydrogenase. FAD is reduced to FADH2 in this reaction.
Step 7. Fumarate is converted to malate in a reaction catalyzed by the enzyme fumarase. This reaction requires a water molecule as a reactant.
Step 8. Malate is converted to oxaloacetate in a reaction catalyzed by malate dehydrogenase. This reaction reduces an NAD+ molecule to NADH + H+.
Źródło obrazu: zmodyfikowane z "Oxidation of pyruvate and citric acid cycle: Figure 2" by OpenStax College, Biology, CC BY 3,0
Step 5. In step five, the CoA\text{CoA}CoAstart text, C, o, A, end text of succinyl CoA\text{CoA}CoAstart text, C, o, A, end text is replaced by a phosphate group, which is then transferred to ADP\text{ADP}ADPstart text, A, D, P, end text to make ATP\text{ATP}ATPstart text, A, T, P, end text. In some cells, GDP\text{GDP}GDPstart text, G, D, P, end text—guanosine diphosphate—is used instead of ADP\text{ADP}ADPstart text, A, D, P, end text, forming GTP\text{GTP}GTPstart text, G, T, P, end text—guanosine triphosphate—as a product. The four-carbon molecule produced in this step is called succinate. [Dowiedz się więcej o GTP.]
GTP\text{GTP}GTPstart text, G, T, P, end text is similar to ATP\text{ATP}ATPstart text, A, T, P, end text: both serve as energy sources, and the two can be readily interconverted. Which of the two molecules is produced during the citric acid cycle depends on the organism and cell type. For example, ATP\text{ATP}ATPstart text, A, T, P, end text is made in human heart cells, but GTP\text{GTP}GTPstart text, G, T, P, end text is made in liver cells.
Krok 6. W kroku szóstym, utleniany jest kwas bursztynowy, tworząc kolejną czterowęglową cząsteczkę nazywaną kwasem fumarowym. W tej reakcji, dwa atomy węgla - z ich elektronami - transportowane są do FAD\text{FAD}FADstart text, F, A, D, end text, produkując FADH2\text{FADH}_2FADH2start text, F, A, D, H, end text, start subscript, 2, end subscript. Enzym katalizujący ten krok jest osadzony w błonie wewnętrznej mitochondrium, więc FADH2\text{FADH}_2FADH2start text, F, A, D, H, end text, start subscript, 2, end subscript może przekazywać swoje elektrony bezpośrednio do łańcucha transportowego elektronów. [Po co tu FAD?]
FAD\text{FAD}FADstart text, F, A, D, end text is a better electron acceptor than NAD+\text{NAD}^+NAD+start text, N, A, D, end text, start superscript, plus, end superscript, meaning that it has a higher affinity, or “hunger”, for electrons. Succinate is not a great electron donor, meaning that it has a fairly high affinity for electrons itself and is not eager to give them up. NAD+\text{NAD}^+NAD+start text, N, A, D, end text, start superscript, plus, end superscript is not electron-hungry enough to pull electrons away from succinate, but FAD\text{FAD}FADstart text, F, A, D, end text is4,5^{4,5}4,5start superscript, 4, comma, 5, end superscript.
Krok 7. W kroku siódmym, woda dodawana jest do czterowęglowej cząsteczki kwasu fumarowego, przekształcając go w kolejną czterowęglową cząsteczkę zwaną kwasem jabłkowym.
Krok 8. W ostatnim kroku cyklu kwasu cytrynowego, szczawiooctan - początkowy czterowęglowy związek - regenerowany jest poprzez utlenianie kwasu jabłkowego. Podczas tego procesu kolejna cząsteczka NAD+\text{NAD}^+NAD+start text, N, A, D, end text, start superscript, plus, end superscript redukowana jest do NADH\text{NADH}NADHstart text, N, A, D, H, end text.
Produkty cyklu kwasu cytrynowego
Cofnijmy się jednak o krok i zróbmy pewne rozliczenie, śledząc los węgli, które weszły do cyklu kwasu cytrynowego i licząc zredukowane nośniki elektronów - NADH\text{NADH}NADHstart text, N, A, D, H, end text i FADH2\text{FADH}_2FADH2start text, F, A, D, H, end text, start subscript, 2, end subscript— i produkowane ATP.\text{ATP.}ATP.start text, A, T, P, point, end text
W pojedynczym obiegu tego cyklu,
dwa węgle wchodzą z acetyloCoA\text{CoA}CoAstart text, C, o, A, end text, i uwalniane są dwie cząsteczki dwutlenku węgla
trzy cząsteczki NADH\text{NADH}NADHstart text, N, A, D, H, end text i jedna cząsteczka FADH2\text{FADH}_2FADH2start text, F, A, D, H, end text, start subscript, 2, end subscript zostają wygenerowane; i
jest produkowana jedna cząsteczka ATP\text{ATP}ATPstart text, A, T, P, end text lub GTP\text{GTP}GTPstart text, G, T, P, end text.
Te liczby dotyczą jednego obiegu tego cyklu, odnosząc się do jednej cząsteczki acetyloCoA\text{CoA}CoAstart text, C, o, A, end text. Każda cząsteczka glukozy produkuje dwie cząsteczki acetyloCoA\text{CoA}CoAstart text, C, o, A, end text, więc musimy pomnożyć te wartości przez 2222 jeśli chcemy otrzymać zysk z jednej glukozy.
Dwie cząsteczki - z acetyloCoA\text{CoA}CoAstart text, C, o, A, end text - wchodzą do cyklu kwasu cytrynowego z każdym jego obrotem i uwalniane są przy tym dwie cząsteczki dwutlenku węgla. Jednakże, cząsteczki dwutlenku węgla nie zawierają tak naprawdę atomów węgla z acetylo CoA,\text{CoA,}CoA,start text, C, o, A, comma, end text który dopiero wszedł do cyklu. Zamiast tego, węgle z acetyloCoA są stopniowo włączane w półprodukty cyklu i uwalniane w postaci dwutlenku węgla dopiero w późniejszych obrotach. Po wystarczającej liczbie obrotów, wszystkie atomy węgla z grupy acetylowej należącej do acetyloCoA zostaną uwolnione jako dwutlenek węgla.
Gdzie jest to całe ATP\text{ATP}ATPstart text, A, T, P, end text?
Może wydawać ci się, że ilość wydzielanego ATP\text{ATP}ATPstart text, A, T, P, end text podczas cyklu kwasu cytrynowego nie jest specjalnie imponująca. Cała ta praca tylko dla jednego ATP\text{ATP}ATPstart text, A, T, P, end text lub GTP\text{GTP}GTPstart text, G, T, P, end text?
Prawdą jest, że cykl kwasu cytrynowego sam w sobie nie produkuje dużo ATP\text{ATP}ATPstart text, A, T, P, end text. Jednakże, może on wytworzyć dużo ATP\text{ATP}ATPstart text, A, T, P, end text pośrednio, za pomocą NADH\text{NADH}NADHstart text, N, A, D, H, end text i FADH2\text{FADH}_2FADH2start text, F, A, D, H, end text, start subscript, 2, end subscript które generuje. Te nośniki elektronów łączą się z ostatnią porcją oddychania komórkowego, oddając swoje elektrony do łańcucha transportowego elektronów, by wywołać syntezę cząsteczek ATP przez fosforylację oksydacyjną.
Zadania z biologii
8 pkt - 9.5.2024 (17:13)
27 pkt - 9.2.2024 (13:10)
23 pkt - 11.6.2023 (08:21)
W fazie zero potencjału czynnościowego do kardiomiocytu napływa głównie jony: