Inligting

S2019_Lesing_14_Lees - Biologie

S2019_Lesing_14_Lees - Biologie



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Oksidasie van Pyruvaat en die TCA-siklus

Oorsig van Pyruvaat-metabolisme en die TCA-siklus

Onder toepaslike toestande kan piruvaat verder geoksideer word. Een van die mees bestudeerde oksidasiereaksies waarby piruvaat betrokke is, is 'n tweedelige reaksie wat NAD betrek+ en molekule genoem ko-ensiem A, dikwels afgekort as "CoA". Hierdie reaksie oksideer piruvaat, lei tot 'n verlies van een koolstof via dekarboksilering, en skep 'n nuwe molekule genaamd asetiel-CoA. Die gevolglike asetiel-CoA kan verskeie roetes betree vir die biosintese van groter molekules, of dit kan oorgedra word na 'n ander sentrale metabolisme, die sitroensuursiklus, soms ook die Krebs-siklus, of trikarboksielsuur (TCA) -siklus genoem. Hier kan die oorblywende twee koolstowwe in die asetielgroep óf verder geoksideer word óf weer dien as voorlopers vir die konstruksie van verskillende ander molekules. Ons bespreek hierdie scenario's hieronder.

Die verskillende lotgevalle van pyruvat en ander eindprodukte van glikolise

Die glikolise-module het opgehou met die eindprodukte van glikolise: 2 pyruvatmolekules, 2 ATP's en 2 NADH-molekules. Hierdie module en die module oor fermentasie ondersoek wat die sel kan doen met die piruvaat, ATP en NADH wat gegenereer is.

Die lotgevalle van ATP en NADH

Oor die algemeen kan ATP gebruik word vir of gekoppel word aan 'n verskeidenheid van sellulêre funksies, insluitend biosintese, vervoer, replikasie ens. Ons sal baie sulke voorbeelde deur die kursus sien.

Wat u met die NADH moet doen, hang egter af van die omstandighede waaronder die sel groei. In sommige gevalle sal die sel kies om NADH vinnig terug te herwin na NAD+. Dit vind plaas deur 'n proses genaamd fermentasie, waarin die elektrone wat aanvanklik uit die glukose -derivate geneem is, via 'n ander rooi/os -oordrag na meer stroomaf produkte teruggestuur word (in meer detail beskryf in die module oor fermentasie). Alternatiewelik kan NADH weer in NAD herwin word+ deur elektrone te skenk aan iets wat bekend staan ​​as 'n elektronvervoerketting (dit word behandel in die module oor asemhaling en elektronvervoer).

Die lot van sellulêre piruvaat

  • Pyruvat kan gebruik word as 'n terminale elektronacceptor (direk of indirek) in fermentasie -reaksies, en word bespreek in die fermentasiemodule.
  • Piruvaat kan as 'n afvalproduk uit die sel afgeskei word.
  • Pyruvat kan verder geoksideer word om meer gratis energie uit hierdie brandstof te onttrek.
  • Pyruvat kan dien as 'n waardevolle intermediêre verbinding wat 'n paar van die kernmetodes van metabolisme verbind met koolstof

Die verdere oksidasie van pyruvat

In respirerende bakterieë en archaea word die piruvaat verder in die sitoplasma geoksideer. In eukariotiese selle wat aërobies reageer, word die pyruvatmolekules wat aan die einde van glikolise geproduseer word, na mitochondria vervoer, wat sellulêre asemhaling is en die elektronvervoerkettings van suurstof inneem (ETC in module oor respirasie en elektronvervoer). Organismes van al drie lewensdomeine deel soortgelyke meganismes om die piruvaat verder na CO2 te oksideer2. Die eerste pyruvat word gedekarboksileer en kovalent gekoppel ko-ensiem A via a thioester koppeling om die molekule te vorm wat bekend staan ​​as asetiel-CoA. Terwyl asetiel-CoA in verskeie ander biochemiese paaie kan voed, oorweeg ons nou die rol daarvan in die voeding van die sirkelroete, bekend as die Trikarboksielsuur siklus, ook na verwys as die TCA siklus, die Sitroensuur siklus of die Krebs-siklus. Hierdie proses word hieronder uiteengesit.

Omskakeling van pyruvat in asetiel-CoA

In 'n multi-stap reaksie wat deur die ensiem pyruvat dehidrogenase gekataliseer word, word pyruvat geoksideer deur NAD+, gedekarboksileer, en kovalent gekoppel aan 'n molekule van ko-ensiem A via 'n thioester binding. Die vrystelling van die koolstofdioksied is hier belangrik, hierdie reaksie lei dikwels tot 'n massaverlies uit die selas die CO2 sal versprei of uit die sel vervoer word en 'n afvalproduk word. Daarbenewens, een molekule van NAD+ word tydens hierdie proses tot NADH verminder per molekule pyruvat geoksideer. Onthou: daar is twee pyruvatmolekules wat aan die einde van glikolise geproduseer word vir elke molekule glukose wat gemetaboliseer word; dus, as beide hierdie piruvaatmolekules geoksideer word na asetio-KoA, sal twee van die oorspronklike ses koolstofstowwe in afval omgeskakel word.

Voorgestelde bespreking

Ons het reeds die vorming van 'n tioesterbinding in 'n ander eenheid en lesing bespreek. Waar was dit spesifiek? Wat was die energetiese betekenis van hierdie band? Wat is die ooreenkomste en verskille tussen hierdie voorbeeld (vorming van tioester met KoA) en die vorige voorbeeld van hierdie chemie?

Figuur 1. By die betreding van die mitochondriale matriks verander 'n multi-ensiemkompleks pyruvat in asetiel CoA. In die proses word koolstofdioksied vrygestel en een molekule NADH word gevorm.

Voorgestelde bespreking

Beskryf die vloei en oordrag van energie in hierdie reaksie deur goeie woordeskat te gebruik - (bv. gereduseer, geoksideer, rooi/os, endergonies, eksergonies, tioester, ens. ens.). Jy kan peer edit - iemand kan 'n beskrywing begin, 'n ander persoon kan dit beter maak, 'n ander persoon kan dit meer verbeter ens.

In die teenwoordigheid van 'n geskikte terminale elektron -aannemer, asetiel CoA lewer (ruil 'n binding) sy asetielgroep af na 'n vierkoolstofmolekule, oksaloasetaat, om sitraat te vorm (aangedui as die eerste verbinding in die siklus). Hierdie siklus word met verskillende name genoem: die sitroensuur siklus (vir die eerste tussenproduk gevorm - sitroensuur of sitraat), die TCA siklus (aangesien sitroensuur of sitraat en isositraat trikarboksielsure is), en die Krebs siklus, na Hans Krebs, wat die trappe in die dertigerjare vir die eerste keer in duiwevlugspiere geïdentifiseer het.

Die siklus van trikarboksielsuur (TCA)

By bakterieë en archaea kom reaksies in die TCA -siklus gewoonlik in die sitosol voor. By eukariote vind die TCA -siklus plaas in die matriks van mitochondria. Byna almal (maar nie almal nie) van die ensieme van die TCA -siklus is wateroplosbaar (nie in die membraan nie), met die uitsondering van die ensiem suksinaat dehidrogenase, wat ingebed is in die binnemembraan van die mitochondrion (in eukariote). Anders as glikolise, is die TCA -siklus 'n geslote lus: die laaste deel van die pad regenereer die verbinding wat in die eerste stap gebruik is. Die agt stappe van die siklus is 'n reeks rooi/os-, dehidrasie-, hidrasie- en dekarboksileringsreaksies wat twee koolstofdioksiedmolekules, een ATP, en verminderde vorms van NADH en FADH produseer2.

Figuur 2. In die TCA-siklus word die asetielgroep van asetiel CoA geheg aan 'n vierkoolstofoksaloasetaatmolekule om 'n seskoolstofsitraatmolekuul te vorm. Deur 'n reeks stappe word sitraat geoksideer, wat twee koolstofdioksiedmolekules vrystel vir elke asetielgroep wat in die siklus gevoer word. In die proses het drie NAD+ molekules word verminder tot NADH, een FAD+ molekule word gereduseer na FADH2, en een ATP of GTP (afhangende van die seltipe) word geproduseer (deur substraatvlakfosforylering). Omdat die finale produk van die TCA-siklus ook die eerste reaktant is, loop die siklus voortdurend in die teenwoordigheid van voldoende reaktante.

Toekenning: “Yikrazuul”/Wikimedia Commons (gewysig)

Let wel

Ons verwys uitdruklik na eukariote, bakterieë en archaea wanneer ons die ligging van die TCA -siklus bespreek, omdat baie beginnende biologiese studente geneig is om die TCA -siklus uitsluitlik met mitochondria te assosieer. Ja, die TCA-siklus vind plaas in die mitochondria van eukariotiese selle. Hierdie pad is egter nie eksklusief vir eukariote nie; dit kom ook in bakterieë en archaea voor!

Stappe in die TCA-siklus

Stap 1:

Die eerste stap van die siklus is 'n kondensasiereaksie wat die tweekoolstof-asetielgroep asetiel-CoA met een vierkoolstofmolekule oksaloasetaat insluit. Die produkte van hierdie reaksie is die ses-koolstofmolekule sitraat en vry ko-ensiem A. Hierdie stap word as onomkeerbaar beskou omdat dit so hoogs eksergonies is. Boonop word die tempo van hierdie reaksie beheer deur negatiewe terugvoer deur ATP. As ATP-vlakke toeneem, neem die tempo van hierdie reaksie af. As ATP te kort is, neem die koers toe. Indien nie, sal die rede binnekort duidelik word.

Stap 2:

In stap twee verloor sitraat een watermolekule en kry 'n ander as sitraat omgeskakel word na sy isomeer, isositraat.

Stap 3:

In stap drie word isositraat geoksideer deur NAD+ en gedekarboksileer. Bly op hoogte van die koolstof! Hierdie koolstof verlaat nou meer as waarskynlik die sel as afval en is nie meer beskikbaar vir die bou van nuwe biomolekules nie. Die oksidasie van isositraat produseer dus 'n vyfkoolstofmolekuul, α-ketoglutaraat, 'n molekule CO2 en NADH. Hierdie stap word ook gereguleer deur negatiewe terugvoer van ATP en NADH, en via positiewe terugvoer van ADP.

Stap 4:

Stap 4 word deur die ensiem suksinaatdehidrogenase gekataliseer. Hier word α-ketoglutaraat verder geoksideer deur NAD+. Hierdie oksidasie lei weer tot 'n dekarboksilering en dus die verlies van 'n ander koolstof as afval. Tot dusver het twee koolstowwe in die siklus van asetiel-CoA gekom en twee het as CO vertrek2. In hierdie stadium is daar geen netto wins van koolstowwe wat geassimileer word uit die glukosemolekules wat geoksideer word tot hierdie stadium van metabolisme nie. Anders as die vorige stap koppel suksinaatdehidrogenase - soos piruvaatdehidrogenase daarvoor - egter die vrye energie van die eksergoniese rooi/os- en dekarboksileringsreaksie om die vorming van 'n tioesterbinding tussen die substraatko-ensiem A en suksinaat (wat oorbly na die dekarboksilering). Suksinaatdehidrogenase word gereguleer deur terugvoer-inhibisie van ATP, suksiniel-CoA en NADH.

Voorgestelde bespreking

Ons het verskeie stappe in hierdie en ander roetes gesien wat gereguleer word deur allosteriese terugvoermeganismes. Is daar iets (en) gemeen oor hierdie stappe in die TCA -siklus? Hoekom kan dit goeie stappe wees om te reguleer?

Voorgestelde bespreking

Die tioester -band het weer verskyn! Gebruik die terme wat ons geleer het (byvoorbeeld reduksie, oksidasie, koppeling, eksergonies, endergonies, ens.) Om die vorming van hierdie binding en onder die hidrolise daarvan te beskryf.

Stap 5:

In stap vyf vind 'n substraatvlak -fosforileringgebeurtenis plaas. Hier is 'n anorganiese fosfaat (Pi) word by die BBP of ADP gevoeg om GTP ('n ATP -ekwivalent vir ons doeleindes) of ATP te vorm. Die energie wat hierdie substraatvlak fosforilering gebeurtenis dryf, kom van die hidrolise van die CoA molekule uit succinyl ~ CoA om suksinaat te vorm. Waarom word GTP of ATP vervaardig? In dierselle is daar twee iso-ensieme (verskillende vorme van 'n ensiem wat dieselfde reaksie uitvoer), vir hierdie stap, afhangende van die tipe dierweefsel waarin daardie selle gevind word. Een isosiem word gevind in weefsels wat groot hoeveelhede ATP gebruik, soos hart- en skeletspier. Hierdie isosiem produseer ATP. Die tweede isosiem van die ensiem word aangetref in weefsels wat 'n groot aantal anaboliese weë het, soos lewer. Hierdie isosiem produseer GTP. GTP is energiek gelykstaande aan ATP; die gebruik daarvan is egter meer beperk. In die besonder gebruik die proses van proteïensintese hoofsaaklik GTP. Die meeste bakteriese stelsels produseer GTP in hierdie reaksie.

Stap 6:

Stap ses is nog 'n rooi/os reaksies waarin suksinaat deur FAD geoksideer word+ in fumaraat. Twee waterstofatome word na FAD oorgedra+, vervaardiging van FADH2. Die verskil in reduksiepotensiaal tussen die fumarat/suksinaat en NAD+/NADH halfreaksies is onvoldoende om NAD te maak+ 'n geskikte reagens om suksinaat met NAD te oksideer+ onder sellulêre toestande. Die verskil in reduksiepotensiaal met die FAD+/FADH2 halfreaksie is voldoende om suksinaat te oksideer en FAD te verminder+. Anders as NAD+, FAD+ bly geheg aan die ensiem en dra elektrone direk na die elektronvervoerketting oor. Hierdie proses word moontlik gemaak deur die lokalisering van die ensiem wat hierdie stap in die binneste membraan van die mitochondrie of plasmamembraan kataliseer (afhangende van of die organisme ter sprake eukarioties is of nie).

Stap 7:

Water word tydens stap sewe by fumaraat gevoeg, en malaat word geproduseer. Die laaste stap in die sitroensuur siklus herstel oksaloasetaat deur malaat met NAD te oksideer+. 'N Ander molekule NADH word in die proses vervaardig.

Opsomming

Let daarop dat hierdie proses (oksidasie van piruvaat na asetiel-CoA gevolg deur een "draai" van die TCA-siklus) 1 molekule piruvaat, 'n 3 koolstof organiese suur, heeltemal oksideer tot 3 molekules CO2. Algehele 4 molekules NADH, 1 molekule FADH2, en 1 molekule GTP (of ATP) word ook geproduseer. Vir respiratoriese organismes is dit 'n beduidende wyse van energie -ekstraksie, aangesien elke molekule NADH en FAD2 kan direk in die elektrontransportketting ingevoer word, en soos ons binnekort sal sien, sal die daaropvolgende rooi/osreaksies wat deur hierdie proses aangedryf word, indirek die sintese van ATP dryf. Die bespreking tot dusver dui daarop dat die TCA -siklus hoofsaaklik 'n energie -onttrekkingsroete is; ontwikkel om soveel potensiële energie uit organiese molekules te onttrek of om te skakel na 'n vorm wat selle kan gebruik, ATP (of die ekwivalent) of 'n gevulde membraan. Maar, - en laat ons nie vergeet nie - die ander belangrike uitkoms van die ontwikkeling van hierdie pad is die vermoë om verskeie voorloper- of substraatmolekules te produseer wat nodig is vir verskillende kataboliese reaksies (hierdie pad bied 'n paar van die vroeë boustene om groter molekules te maak). Soos ons hieronder sal bespreek, is daar 'n sterk verband tussen koolstofmetabolisme en energiemetabolisme.

Oefen

TCA Energy Stories

Werk self aan die bou van 'n paar energieverhale

Daar is 'n paar interessante reaksies wat groot oordragte van energie en herrangskikking van materie behels. Kies 'n paar. Skryf 'n reaksie in jou notas oor en oefen om 'n energiestorie te konstrueer. U het nou die gereedskap om die herverdeling van energie te bespreek in die konteks van breë idees en terme soos eksergonies en endergonies. U kan ook begin met die bespreking van meganisme (hoe hierdie reaksies plaasvind) deur ensiemkatalisators aan te roep. Raadpleeg u instrukteur en/of TA en raadpleeg u klasmaats om self te toets hoe dit met u gaan.

Verbindings met Carbon Flow

Een hipotese wat ons in hierdie lesing en in die klas begin ondersoek het, is die idee dat 'sentrale metabolisme' ontwikkel het as 'n manier om koolstofvoorlopers vir kataboliese reaksies op te wek. Ons hipotese stel ook dat soos selle ontwikkel het, hierdie reaksies in weë verbind geraak het: glikolise en die TCA-siklus, as 'n manier om hul doeltreffendheid vir die sel te maksimeer. Ons kan postuleer dat a byvoordeel Die ontwikkeling van hierdie metaboliese weg was die opwekking van NADH uit die volledige oksidasie van glukose - ons het die begin van hierdie idee gesien toe ons fermentasie bespreek het. Ons het reeds bespreek hoe glikolise nie net ATP lewer van substraatvlakfosforylering nie, maar ook 'n netto van 2 NADH-molekules en 6 noodsaaklike voorlopers oplewer: glukose-6-P, fruktose-6-P, 3-fosfoglyceraat, fosfoenolpyruvaat, en natuurlik , piruvaat. Alhoewel ATP direk deur die sel as 'n energiebron gebruik kan word, het NADH 'n probleem en moet dit weer in NAD herwin word+, om die pad in balans te hou. Soos ons in die fermentasiemodule breedvoerig sien, is die oudste manier waarop selle hierdie probleem hanteer, om fermenteringsreaksies te gebruik om NAD te herstel+.

Tydens die proses van pyruvatoksidasie via die TCA-siklus word 4 bykomende noodsaaklike voorlopers gevorm: asetiel ~ CoA, α-ketoglutaraat, oxaloasetaat en succinyl ~ CoA. Drie molekules CO2 gaan verlore en dit verteenwoordig 'n netto massaverlies vir die sel. Hierdie voorlopers is egter substrate vir 'n verskeidenheid kataboliese reaksies, insluitend die produksie van aminosure, vetsure en verskeie ko-faktore, soos heem. Dit beteken dat die reaksietempo deur die TCA -siklus sensitief sal wees vir die konsentrasies van elkeen metaboliese intermediêre (meer oor die termodinamika in die klas). 'N Metaboliese tussenproduk is 'n verbinding wat deur een reaksie ('n produk) geproduseer word en dan as substraat vir die volgende reaksie dien. Dit beteken ook dat metaboliese tussenprodukte, veral die 4 noodsaaklike voorlopers, te eniger tyd verwyder kan word vir kataboliese reaksies, indien daar 'n behoefte is, wat die termodinamika van die siklus verander.

Nie alle selle het 'n funksionele TCA -siklus nie

Aangesien alle selle die vermoë benodig om hierdie voorlopermolekules te maak, kan 'n mens verwag dat alle organismes 'n ten volle funksionele TCA-siklus sal hê. Trouens, die selle van baie organismes HET NIE al die ensieme wat nodig is om 'n volledige siklus te vorm nie - alle selle het egter die vermoë om die 4 TCA-siklusvoorlopers te maak wat in die vorige paragraaf genoem is. Hoe kan die selle voorlopers maak en nie 'n volle siklus hê nie? Onthou dat die meeste van hierdie reaksies vrylik omkeerbaar is, dus, as NAD+ nodig is vir die oksidasie van pyruvat of asetiel ~ CoA, dan sou die omgekeerde reaksies NADH vereis. Hierdie proses word dikwels na verwys as die reduktiewe TCA-siklus. Om hierdie reaksies omgekeerd te dryf (ten opsigte van die rigting wat hierbo bespreek is) is energie nodig, in hierdie geval gedra deur ATP en NADH. As jy ATP en NADH kry wat 'n pad een rigting ry, is dit vanselfsprekend dat om dit in trurat te ry, ATP en NADH as "insette" sal vereis. So, organismes wat nie 'n volle siklus het nie, kan steeds die 4 sleutel metaboliese voorlopers maak deur voorheen onttrekte energie en elektrone (ATP en NADH) te gebruik om 'n paar sleutelstappe in omgekeerde rigting te dryf.

Voorgestelde bespreking

Hoekom het sommige organismes dalk nie 'n ten volle oksidatiewe TCA-siklus ontwikkel nie? Onthou, selle moet 'n balans in die NAD hou+ na NADH -verhouding sowel as die [ATP]/[AMP]/[ADP] verhoudings.

Bykomende skakels

Hier is 'n paar ekstra skakels na video's en bladsye wat u nuttig kan vind.

Chemwiki -skakels

  • Chemwiki TCA -siklus - skakel af totdat belangrike inhoudsregstellings aan die bron aangebring word

Khan Academy Links

  • Khan Academy TCA-siklus - skakel af totdat sleutelinhoudkorreksies aan die hulpbron gemaak word