Ma `lumot

S2019_Lect_1_1_O'qish - Biologiya

S2019_Lect_1_1_O'qish - Biologiya



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.

Piruvatning oksidlanishi va TCA aylanishi

Piruvat metabolizmi va TCA siklining umumiy ko'rinishi

Tegishli sharoitlarda piruvat yanada oksidlanishi mumkin. Piruvat ishtirokidagi eng ko'p o'rganilgan oksidlanish reaktsiyalaridan biri bu NAD ishtirokidagi ikki qismli reaktsiya+ va molekula koenzim A deb ataladi, odatda oddiygina "CoA" deb qisqartiriladi. Bu reaktsiya piruvatni oksidlaydi, dekarboksillanish orqali bitta uglerodning yo'qolishiga olib keladi va asetil-CoA deb nomlangan yangi molekula hosil qiladi. Hosil bo'lgan atsetil-CoA katta molekulalarning biosintezi uchun bir nechta yo'llarga kirishi mumkin yoki uni markaziy metabolizmning boshqa kislotali tsikl kislotali tsikliga, ba'zan Krebs tsikli yoki trikarboksilik kislota (TCA) tsikli deb atash mumkin. Bu erda asetil guruhidagi qolgan ikkita uglerod yana oksidlanishi yoki boshqa molekulalarning tuzilishi uchun yana prekursor bo'lib xizmat qilishi mumkin. Biz ushbu stsenariylarni quyida muhokama qilamiz.

Piruvat va boshqa glikolizning yakuniy mahsulotlarining har xil taqdirlari

Glikoliz moduli glikolizning oxirgi mahsulotlari bilan qoldi: 2 ta piruvat molekulasi, 2 ta ATP va 2 ta NADH molekulasi. Bu modul va fermentatsiya moduli hujayraning piruvat, ATP va NADH bilan nima qilishi mumkinligini o'rganadi.

ATP va NADH ning taqdiri

Umuman olganda, ATPni turli xil uyali funktsiyalar uchun ishlatish yoki bog'lash mumkin, shu jumladan biosintez, transport, replikatsiya va boshqalar. Biz bunday misollarni kurs davomida ko'ramiz.

NADH bilan nima qilish kerak, hujayra o'sadigan sharoitga bog'liq. Ba'zi hollarda hujayra NADH ni tezda NADga qayta ishlashni tanlaydi+. Bu fermentatsiya deb ataladigan jarayon orqali sodir bo'ladi, bunda dastlab glyukoza hosilalaridan olingan elektronlar quyi oqimdagi boshqa mahsulotlarga qaytariladi (bu fermentatsiya modulida batafsil tasvirlangan). Shu bilan bir qatorda, NADH qayta NADga qayta ishlanishi mumkin+ elektron tashish zanjiri deb nomlanuvchi narsaga elektron berish orqali (bu nafas olish va elektron tashish modulida yoritilgan).

Uyali piruvatning taqdiri

  • Piruvat fermentatsiya reaktsiyalarida terminal elektron qabul qiluvchisi sifatida (to'g'ridan -to'g'ri yoki bilvosita) ishlatilishi mumkin va fermentatsiya modulida muhokama qilinadi.
  • Piruvat chiqindilar sifatida hujayradan ajralib chiqishi mumkin.
  • Bu yoqilg'idan ko'proq erkin energiya olish uchun piruvat yana oksidlanishi mumkin.
  • Piruvat uglerodni qayta ishlashning ba'zi metabolik yo'llarini bog'laydigan qimmatli oraliq birikma bo'lib xizmat qilishi mumkin

Piruvatning keyingi oksidlanishi

Nafas olayotgan bakteriyalar va arxalarda piruvat yana sitoplazmada oksidlanadi. Aerobik nafas oluvchi eukaryotik hujayralarda glikoliz oxirida hosil bo'lgan piruvat molekulalari uyali nafas olish va kislorod iste'mol qiladigan elektron transport zanjirlari bo'lgan mitoxondriyalarga o'tkaziladi (nafas olish va elektron tashish modulidagi ETC). Hayotning har uch sohasidagi organizmlar piruvatni CO ga oksidlash uchun o'xshash mexanizmlarga ega2. Birinchi piruvat dekarboksilatlangan va kovalent bilan bog'langan ko-ferment A. a orqali tioester deb nomlanuvchi molekulani hosil qilish uchun bog'lanish asetil-CoA. Atsetil-KoA boshqa biokimyoviy yo'llarga o'tishi mumkin bo'lsa-da, biz uning "aylanma yo'lni oziqlantirishdagi roli" ni ko'rib chiqamiz. Trikarboksilik kislota aylanishi, deb ham ataladi TCA tsikli, Limon kislotasi aylanishi yoki Krebs tsikli. Bu jarayon quyida batafsil yoritilgan.

Piruvatning atsetil-koA ga aylanishi

Piruvatdehidrogenaza fermenti tomonidan katalizlangan ko'p bosqichli reaktsiyada piruvat NAD tomonidan oksidlanadi.+, dekarboksillangan va koenzim A molekulasi bilan kovalent bog'langan tioester aloqasi. Bu erda karbonat angidridning chiqishi muhim ahamiyatga ega, bu reaktsiya ko'pincha a hujayradan massa yo'qolishiCO sifatida2 tarqaladi yoki hujayradan chiqariladi va chiqindiga aylanadi. Bundan tashqari, NAD ning bir molekulasi+ oksidlangan piruvat molekulasi uchun bu jarayon davomida NADH ga kamayadi. Esingizda bo'lsin: bor ikki glyukoza metabolizatsiyalangan har bir molekulasi uchun glikoliz oxirida ishlab chiqarilgan piruvat molekulalari; Shunday qilib, agar ikkala piruvat molekulasi ham atseto-CoA ga oksidlansa, dastlabki oltita uglerodning ikkitasi chiqindiga aylanadi.

Tavsiya etilgan muhokama

Biz allaqachon boshqa bo'lim va ma'ruzada tioester bog'lanishining shakllanishini muhokama qildik. Bu aniq qaerda edi? Bu aloqaning energetik ahamiyati nimada edi? Ushbu misol (CoA bilan tioester hosil bo'lishi) va ushbu kimyoning oldingi misoli o'rtasida qanday o'xshashlik va farq bor?

1 -rasm. Mitokondriyal matritsaga kirganda, ko'p fermentli kompleks piruvatni atsetil CoA ga aylantiradi. Bu jarayonda karbonat angidrid ajralib chiqadi va bitta NADH molekulasi hosil bo'ladi.

Tavsiya etilgan muhokama

Bu reaktsiyada energiya oqimi va uzatilishini yaxshi so'z birikmalaridan foydalanib tasvirlab bering - (masalan, kamaygan, oksidlangan, qizil/ho'kiz, endergonik, ekzeronik, tioesterli va boshqalar). Siz tengdoshlarni tahrirlashingiz mumkin - kimdir tavsifni boshlashi mumkin, boshqasi uni yaxshilashi mumkin, boshqasi uni yanada yaxshilashi mumkin va hokazo.

Muvofiq borligida terminal elektron qabul qiluvchi, atsetil CoA o'z atsetil guruhini to'rt uglerodli molekulaga-oksaloatsetatga etkazib, sitrat hosil qiladi (tsikldagi birinchi birikma). Bu tsikl turli nomlar bilan ataladi: limon kislotasi aylanishi (hosil bo'lgan birinchi oraliq mahsulot uchun - limon kislotasi yoki sitrat) TCA aylanishi (chunki limon kislotasi yoki sitrat va izotsitrat trikarboksilik kislotalardir) va Krebs tsikli, 1930 -yillarda kaptar uchish mushaklaridagi yo'l bosqichlarini birinchi marta aniqlagan Xans Krebsdan keyin.

Trikarboksiklik kislota (TCA) tsikli

Bakteriyalar va arxa reaktsiyalarida TCA tsikli odatda sitozolda sodir bo'ladi. Eukaryotlarda TCA tsikli mitoxondriyalar matritsasida sodir bo'ladi. TCA siklining deyarli barcha fermentlari (barchasi emas) suvda eriydi (membranada emas), faqat mitoxondriyaning ichki membranasiga (eukariotlarda) singib ketgan suksinat dehidrogenaza fermenti bundan mustasno. Glikolizdan farqli o'laroq, TCA tsikli yopiq tsikldir: yo'lning oxirgi qismi birinchi bosqichda ishlatiladigan birikmani qayta tiklaydi. Tsiklning sakkiz bosqichi - bu ikkita karbonat angidrid molekulasini, bitta ATPni va NADH va FADHning kamaytirilgan shakllarini ishlab chiqaradigan qizil/oks, suvsizlanish, gidratatsiya va dekarboksillanish reaktsiyalari.2.

2 -rasm. TCA siklida atsetil KoA dan asetil guruhi toʻrt uglerodli oksaloatsetat molekulasiga biriktirilib, olti uglerodli sitrat molekulasini hosil qiladi. Bir qator bosqichlar orqali sitrat oksidlanib, tsiklga kiritilgan har bir asetil guruhi uchun ikkita karbonat angidrid molekulasini chiqaradi. Bu jarayonda uchta NAD+ molekulalar NADH ga kamayadi, bitta FAD+ molekula FADH ga kamayadi2va bitta ATP yoki GTP (hujayra turiga qarab) ishlab chiqariladi (substrat darajasidagi fosforillanish orqali). TCA tsiklining yakuniy mahsuloti ham birinchi reaktiv bo'lgani uchun, etarli reaktivlar ishtirokida tsikl uzluksiz ishlaydi.

Atribut: “Yikrazuul”/Wikimedia Commons (oʻzgartirilgan)

Eslatma

Biz TCA tsiklining joylashuvi haqida gapirganda, biz eukaryotlar, bakteriyalar va arxeyalarga aniq havola qilamiz, chunki biologiyaning ko'plab boshlang'ich talabalari TCA tsiklini faqat mitoxondriya bilan bog'lashadi. Ha, TCA sikli eukaryotik hujayralar mitoxondriyalarida sodir bo'ladi. Biroq, bu yo'l faqat eukaryotlarga tegishli emas; u bakteriyalar va arxeyalarda ham uchraydi!

TCA tsiklidagi qadamlar

1 -qadam:

Tsiklning birinchi bosqichi atsetil-KoA ning ikki uglerodli atsetil guruhini bitta to'rt uglerodli oksaloatsetat molekulasi bilan bog'laydigan kondensatsiya reaktsiyasidir. Bu reaksiya mahsulotlari olti uglerodli molekulali sitrat va erkin koferment A hisoblanadi. Bu qadam qaytarilmas hisoblanadi, chunki u juda ekzeronikdir. Bundan tashqari, bu reaktsiya tezligi ATP tomonidan salbiy teskari aloqa orqali nazorat qilinadi. Agar ATP darajasi oshsa, bu reaktsiya tezligi pasayadi. Agar ATP etishmasa, tezlik oshadi. Agar bo'lmasa, sabab tez orada aniq bo'ladi.

2 -qadam:

Ikkinchi bosqichda sitrat bir suv molekulasini yo'qotadi va sitrat uning izomeri, izotsitratga aylanishi natijasida boshqasini oladi.

3 -qadam:

Uchinchi bosqichda izotsitrat NAD bilan oksidlanadi+ va dekarboksillangan. Uglerodlarni kuzatib boring! Bu uglerod, ehtimol, hujayradan chiqindi bo'lib chiqadi va endi yangi biomolekulalar yaratish uchun mavjud emas. Izotsitrat oksidlanishi natijasida 5 uglerodli molekula, a-ketoglutarat, CO molekulasi hosil bo'ladi.2 va NADH. Bu qadam, shuningdek, ATP va NADHning salbiy teskari aloqasi va ADPning ijobiy fikri orqali tartibga solinadi.

4-qadam:

4-qadam suksinatdehidrogenaza fermenti tomonidan katalizlanadi. Bu erda a-ketoglutarat NAD tomonidan yana oksidlanadi+. Bu oksidlanish yana dekarboksilatsiyaga olib keladi va shu bilan chiqindilar sifatida boshqa uglerodning yo'qolishiga olib keladi. Hozirgacha ikkita uglerod asetil-KoA dan tsiklga kirdi va ikkitasi CO sifatida chiqib ketdi2. Ushbu bosqichda metabolizmning ushbu bosqichiga oksidlangan glyukoza molekulalaridan assimilyatsiya qilingan uglerodlarning aniq daromadi yo'q. Oldingi bosqichdan farqli o'laroq, süksinat dehidrogenaza, xuddi piruvat dehidrogenaza singari, ekzergonik qizil/ho'kizning erkin energiyasi va dekarboksillanish reaktsiyasini birlashtiradi va substrat A -fermenti va süksinat o'rtasida tioester bog'lanishini hosil qiladi. dekarboksillanish). Süksinat dehidrogenaza ATP, süksinil-CoA va NADHning teskari aloqa inhibatsiyasi bilan tartibga solinadi.

Tavsiya etilgan muhokama

Biz bu va boshqa yo'llarda allosterik qayta aloqa mexanizmlari bilan tartibga solinadigan bir necha qadamlarni ko'rdik. TCA tsiklidagi bu qadamlarning umumiy jihatlari bormi? Nima uchun bu tartibga solish uchun yaxshi qadamlar bo'lishi mumkin?

Tavsiya etilgan muhokama

Tioester aloqasi yana paydo bo'ldi! Biz o'rganayotgan atamalardan (masalan, qaytarilish, oksidlanish, birikish, ekergonik, endergonik va boshqalar) foydalaning va bu gidrolizning ostidagi bog'lanishning shakllanishini tasvirlang.

5-qadam:

Beshinchi bosqichda substrat darajasida fosforillanish hodisasi sodir bo'ladi. Bu erda noorganik fosfat (P.i) GTP (bizning maqsadlarimiz uchun ATP ekvivalenti) yoki ATP hosil qilish uchun YaIM yoki ADP ga qo'shiladi. Ushbu substrat darajasidagi fosforlanish hodisasini qo'zg'atuvchi energiya CoA molekulasining suksinil ~ CoA dan suksinat hosil qilish uchun gidrolizlanishidan kelib chiqadi. Nima uchun GTP yoki ATP ishlab chiqariladi? Hayvon hujayralarida bu hujayralar joylashgan hayvon to'qimalarining turiga qarab, bu bosqich uchun ikkita izoenzim (bir xil reaktsiyani amalga oshiradigan fermentning turli shakllari) mavjud. Bir izozim ko'p miqdorda ATP ishlatadigan to'qimalarda uchraydi, masalan, yurak va skelet mushaklari. Bu izozim ATP ishlab chiqaradi. Fermentning ikkinchi izozimasi jigar kabi anabolik yo'llari ko'p bo'lgan to'qimalarda uchraydi. Bu izozim GTP ishlab chiqaradi. GTP energetik jihatdan ATPga teng; ammo undan foydalanish ancha cheklangan. Xususan, oqsil sintezi jarayonida birinchi navbatda GTP ishlatiladi. Ko'pgina bakterial tizimlar bu reaktsiyada GTP hosil qiladi.

6 -qadam:

Oltinchi qadam - bu qizil -oksidli boshqa reaktsiyalar bo'lib, unda süksinat FAD tomonidan oksidlanadi+ fumarat ichiga. Ikki vodorod atomlari FADga o'tkaziladi+, FADH ishlab chiqaradi2. Fumarat/süksinat va NAD o'rtasidagi pasayish potentsialidagi farq+/NADH yarim reaksiyalari NAD hosil qilish uchun etarli emas+ NAD bilan süksinatni oksidlash uchun mos reaktiv+ uyali sharoitda. Biroq, FAD bilan kamaytirish potentsialidagi farq+/FADH2 yarim reaktsiya süksinatni oksidlash va FADni kamaytirish uchun etarli+. NADdan farqli o'laroq+, FAD+ fermentga bog'lanib qoladi va elektronlarni to'g'ridan -to'g'ri elektron tashish zanjiriga o'tkazadi. Bu jarayonni mitoxondriya yoki plazma membranasining ichki membranasi ichidagi katalizatorli fermentning lokalizatsiyasi natijasida mumkin bo'ladi (bu organizmning eukaryotik yoki yo'qligiga qarab).

7 -qadam:

Ettinchi bosqichda fumaratga suv qo'shiladi va malat hosil bo'ladi. Limon kislotasi siklining oxirgi bosqichi malatni NAD bilan oksidlash orqali oksaloatsetatni qayta hosil qiladi.+. Jarayonda NADH ning yana bir molekulasi hosil bo'ladi.

Xulosa

E'tibor bering, bu jarayon (piruvatning asetil-KoA ga oksidlanishi, so'ngra TCA tsiklining bir "burilishi") 1 molekulali piruvatni, 3 uglerodli organik kislotani, 3 molekulaga CO oksidlaydi.2. Hammasi bo'lib 4 molekula NADH, 1 molekula FADH2, va 1 molekula GTP (yoki ATP) ham ishlab chiqariladi. Nafas olayotgan organizmlar uchun bu energiya olishning muhim usuli, chunki har bir NADH va FAD molekulasi2 to'g'ridan -to'g'ri elektron tashish zanjiriga o'tishi mumkin, va yaqinda ko'rib turganimizdek, bu jarayon bilan bog'liq bo'lgan qizil -oksidli keyingi reaktsiyalar bilvosita ATP sintezini kuchaytiradi. Hozirgacha bo'lgan munozaralar shuni ko'rsatadiki, TCA tsikli birinchi navbatda energiya olish yo'lidir; Organik molekulalardan potentsial energiyani ajratib olish yoki hujayralar foydalanishi mumkin bo'lgan shaklga, ATP (yoki ekvivalenti) yoki energiyalangan membranaga aylantirish uchun rivojlangan. Biroq, - va unutmaylik - bu yo'lning rivojlanishining boshqa muhim natijasi - bu har xil katabolik reaktsiyalar uchun zarur bo'lgan bir nechta prekursor yoki substrat molekulalarini ishlab chiqarish qobiliyati (bu yo'l katta molekulalarni hosil qilish uchun dastlabki qurilish bloklarini beradi). Biz quyida muhokama qiladigan bo'lsak, uglerod almashinuvi va energiya almashinuvi o'rtasida kuchli bog'liqlik mavjud.

Mashq qilish

TCA energiya hikoyalari

O'zingiz energiya hikoyalarini yaratish ustida ishlang

Katta miqdordagi energiyani uzatish va moddalarni qayta tartibga solish bilan bog'liq bir nechta qiziqarli reaktsiyalar mavjud. Bir nechtasini tanlang. O'z izohlaringizga reaktsiyani qayta yozing va energiya hikoyasini tuzishga harakat qiling. Endi sizda energiyani qayta taqsimlashni ekergonik va endergonik kabi keng g'oyalar va atamalar doirasida muhokama qilish uchun vositalar mavjud. Siz shuningdek, ferment katalizatorlarini chaqirib, mexanizmni (bu reaktsiyalar qanday sodir bo'lishini) muhokama qilishni boshlashingiz mumkin. O'qituvchingizni va/yoki TA ni ko'ring va o'zingizni qanday qilib sinab ko'rishingizni sinfdoshlaringiz bilan tekshiring.

Uglerod oqimiga ulanish

Biz o'qishda va darsda o'rganishni boshlagan bitta gipoteza - "markaziy metabolizm" katabolik reaktsiyalar uchun uglerod prekursorlarini ishlab chiqarish vositasi sifatida rivojlangan degan fikr. Bizning gipotezamiz shuni ko'rsatadiki, hujayralar rivojlanib borishi bilan bu reaktsiyalar yo'llar bilan bog'langan: glikoliz va TCA tsikli, ularning hujayra uchun samaradorligini oshirish vositasi sifatida. Buni taxmin qilishimiz mumkin a yon foyda Bu metabolik yo'lni rivojlantirish uchun glyukozaning to'liq oksidlanishidan NADH hosil bo'lishi - biz fermentatsiyani muhokama qilganimizda bu g'oyaning boshlanishini ko'rdik. Biz glikoliz nafaqat substrat darajasidagi fosforlanishdan ATP ni ta'minlabgina qolmay, balki 2 ta NADH molekulasi va 6 ta muhim prekursordan iborat to'r hosil qilishini muhokama qildik: glyukoza-6-P, fruktoza-6-P, 3-fosfogliserat, fosfoenolpiruvat va albatta. , piruvat. ATP hujayra tomonidan to'g'ridan-to'g'ri energiya manbai sifatida ishlatilishi mumkin bo'lsa-da, NADH muammoga ega va uni NADga qayta ishlash kerak.+, yo'lni muvozanatda saqlash uchun. Fermentatsiya modulida batafsil ko'rib turganimizdek, hujayralar bu muammoni hal qilishning eng qadimiy usuli NADni qayta tiklash uchun fermentatsiya reaktsiyalaridan foydalanishdir.+.

TCA tsikli orqali piruvat oksidlanish jarayonida yana 4 ta muhim prekursorlar hosil bo'ladi: asetil-CoA, a-ketoglutarat, oksaloatsetat va süksinil-CoA. CO ning uchta molekulasi2 yo'qoladi va bu hujayra uchun aniq massa yo'qolishini anglatadi. Biroq, bu prekursorlar turli xil katabolik reaktsiyalar, shu jumladan aminokislotalar, yog 'kislotalari va gem kabi turli xil ko-faktorlarni ishlab chiqarish uchun substratdir. Bu shuni anglatadiki, TCA sikli orqali reaktsiyalar tezligi har birining kontsentratsiyasiga sezgir bo'ladi metabolik oraliq (sinfda termodinamika haqida ko'proq). Metabolik oraliq mahsulot - bu bitta reaksiya (mahsulot) natijasida hosil bo'ladigan va keyingi reaktsiya uchun substrat vazifasini bajaradigan birikma. Bu shuningdek, metabolik oraliq mahsulotlarni, xususan, 4 ta muhim prekursorni, agar talab mavjud bo'lsa, tsiklning termodinamikasini o'zgartiradigan katabolik reaktsiyalar uchun istalgan vaqtda olib tashlanishi mumkinligini anglatadi.

Hamma hujayralarda ham TCA funktsional tsikli mavjud emas

Barcha hujayralar ushbu prekursor molekulalarini ishlab chiqarish qobiliyatini talab qilganligi sababli, barcha organizmlar to'liq funktsional TCA tsikliga ega bo'lishini kutish mumkin. Darhaqiqat, ko'plab organizmlarning hujayralarida to'liq tsiklni yaratish uchun zarur bo'lgan barcha fermentlar YO'Q - hamma hujayralar avvalgi paragrafda qayd etilgan 4 ta TCA tsikli prekursorlarini yaratish qobiliyatiga ega. Qanday qilib hujayralar prekursorlarni hosil qiladi va to'liq tsiklga ega bo'lmaydi? Shuni esda tutingki, bu reaktsiyalarning aksariyati erkin qaytariladi, shuning uchun agar NAD bo'lsa+ piruvat yoki atsetil-CoA oksidlanishi uchun zarur bo'lsa, teskari reaktsiyalar uchun NADH kerak bo'ladi. Bu jarayon tez -tez reduktiv TCA sikli deb ataladi. Ushbu reaktsiyalarni teskari yo'nalishda (yuqorida muhokama qilingan yo'nalish bo'yicha) boshqarish uchun energiya talab qilinadi, bu holda ATP va NADH tashiladi. Agar siz ATP va NADHni bir yo'nalishda haydab olsangiz, uni teskari yo'nalishda haydash uchun "kirish" sifatida ATP va NADH kerak bo'ladi. Shunday qilib, to'liq tsiklga ega bo'lmagan organizmlar teskari yo'nalishda ba'zi asosiy qadamlarni qo'zg'atish uchun avval olingan energiya va elektronlardan (ATP va NADH) foydalanib, 4 ta asosiy metabolik prekursorlarni yaratishi mumkin.

Tavsiya etilgan muhokama

Nima uchun ba'zi organizmlar to'liq oksidlovchi TCA siklini rivojlantirmagan bo'lishi mumkin? Esingizda bo'lsin, hujayralar NADda muvozanatni saqlashi kerak+ NADH nisbati, shuningdek [ATP]/[AMP]/[ADP] nisbati.

Qo'shimcha havolalar

Bu erda sizga foydali bo'lishi mumkin bo'lgan video va sahifalarga qo'shimcha havolalar.

Chemwiki havolalari

  • Chemwiki TCA tsikli - manbaga asosiy tarkib tuzatishlari kiritilgunga qadar bog'lanish

Khan Academy havolalari

  • Khan Academy TCA tsikli - manbaga asosiy tarkib tuzatishlari kiritilmaguncha havola qiling