Κύκλος του Krebs — Στάδια, Διάγραμμα & Απόδοση ATP

Ο κύκλος του Krebs είναι το στάδιο της κυτταρικής αναπνοής που οξειδώνει το acetyl-CoA σε $CO_2$ και δεσμεύει ενέργεια κυρίως ως $NADH$ και $FADH_2$. Ονομάζεται επίσης κύκλος του κιτρικού οξέος ή κύκλος TCA. Στα ευκαρυωτικά κύτταρα πραγματοποιείται στη μιτοχονδριακή μήτρα· στα προκαρυωτικά κύτταρα πραγματοποιείται στο κυτταρόπλασμα.

Αν χρειάζεσαι μόνο τη σύνοψη για εξετάσεις, ξεκίνα από εδώ: μία στροφή του κύκλου επεξεργάζεται ένα acetyl-CoA και συνήθως αποδίδει $2 CO_2$, $3 NADH$, $1 FADH_2$ και $1 GTP$ ή ATP. Ο ίδιος ο κύκλος παράγει άμεσα λίγο ATP. Η κύρια λειτουργία του είναι να δημιουργεί ανηγμένους φορείς ηλεκτρονίων για την οξειδωτική φωσφορυλίωση.

Στάδια του Κύκλου του Krebs με μια ματιά

Δεν χρειάζεται να ξέρεις το όνομα κάθε ενζύμου για να κατανοήσεις την πορεία. Η βασική ακολουθία είναι:

$$\text{oxaloacetate} + \text{acetyl-CoA} \to \text{citrate} \to \text{isocitrate} \to \text{alpha-ketoglutarate} \to \text{succinyl-CoA} \to \text{succinate} \to \text{fumarate} \to \text{malate} \to \text{oxaloacetate}$$

Αυτή η τελική επιστροφή στο oxaloacetate είναι ο λόγος που ονομάζεται κύκλος. Ο αρχικός δέκτης αναγεννάται και μπορεί να δεχτεί άλλη μία ακετυλομάδα.

Τι κάνει πραγματικά ο Κύκλος του Krebs

Η πορεία αυτή έχει δύο λειτουργίες ταυτόχρονα. Πρώτον, οξειδώνει την ακετυλομάδα του acetyl-CoA και απελευθερώνει άνθρακα ως $CO_2$. Δεύτερον, δεσμεύει αξιοποιήσιμη ενέργεια σε ανηγμένους φορείς ηλεκτρονίων.

Γι’ αυτό ο κύκλος του Krebs είναι σημαντικός, παρόλο που δεν παράγει πολύ ATP άμεσα. Το μεγαλύτερο μέρος της ενεργειακής του αξίας εμφανίζεται αργότερα, όταν το $NADH$ και το $FADH_2$ δίνουν ηλεκτρόνια στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων.

Κύρια στάδια που έχουν σημασία

1. Σχηματίζεται κιτρικό

Το acetyl-CoA συνδυάζεται με το oxaloacetate και σχηματίζει citrate. Αυτό είναι το σημείο εισόδου της ακετυλομάδας με τους δύο άνθρακες.

2. Αρχίζει η οξείδωση

Το citrate αναδιατάσσεται και στη συνέχεια οξειδώνεται. Καθώς η πορεία προχωρά, ηλεκτρόνια μεταφέρονται στο $NAD^+$ για να σχηματιστεί $NADH$.

3. Δύο άτομα άνθρακα απομακρύνονται ως $CO_2$

Στα στάδια αποκαρβοξυλίωσης, ο κύκλος απελευθερώνει δύο μόρια διοξειδίου του άνθρακα ανά στροφή. Μια συνηθισμένη συντόμευση είναι να θεωρείται ότι και τα δύο προήλθαν άμεσα από την ακετυλομάδα που μόλις εισήλθε, αλλά αυτό το συμπέρασμα δεν προκύπτει μόνο από τη βασική σύνοψη της απόδοσης.

4. Παράγεται άμεσα μικρή ποσότητα ATP

Στο στάδιο του succinyl-CoA, ο κύκλος παράγει ένα $GTP$ ή ATP με φωσφορυλίωση σε επίπεδο υποστρώματος, ανάλογα με τον οργανισμό και τον ιστό.

5. Το oxaloacetate αναγεννάται

Οι τελικές αντιδράσεις παράγουν $FADH_2$, ένα ακόμη $NADH$, και ανασχηματίζουν το oxaloacetate ώστε η πορεία να μπορεί να επαναληφθεί.

Προϊόντα του Κύκλου του Krebs ανά στροφή

Για ένα acetyl-CoA, η τυπική απόδοση στα βιβλία είναι:

• $2 CO_2$
• $3 NADH$
• $1 FADH_2$
• $1 GTP$ ή ATP

Αυτή είναι η πιο χρήσιμη σύντομη απάντηση για την εισαγωγική βιολογία και για πολλές ερωτήσεις εξετάσεων.

Η απόδοση ATP του Κύκλου του Krebs εξαρτάται από το τι μετράς

Ο κύκλος του Krebs παράγει άμεσα μόνο ένα ισοδύναμο φωσφορικού δεσμού υψηλής ενέργειας ανά στροφή, που συνήθως γράφεται ως $1 ATP$ ή $1 GTP$.

Θα δεις επίσης να αποδίδεται στον κύκλο μεγαλύτερη απόδοση ATP, αν μετατραπούν τα $NADH$ και $FADH_2$ του σε ισοδύναμα ATP. Αυτός ο αριθμός εξαρτάται από το σύστημα υπολογισμού που χρησιμοποιείται. Με μια συνηθισμένη σύγχρονη εκτίμηση, μία στροφή συχνά θεωρείται περίπου:

$$3(2.5) + 1(1.5) + 1 = 10$$

ισοδύναμα ATP ανά acetyl-CoA.

Αυτή η τιμή είναι ένα μοντέλο και όχι ένα άμεσα μετρημένο συνολικό ATP μέσα στον ίδιο τον κύκλο. Αν ένα μάθημα χρησιμοποιεί παλαιότερες συμβάσεις βιβλίων, ο αναφερόμενος αριθμός μπορεί να είναι διαφορετικός.

Λυμένο παράδειγμα: Απόδοση του Κύκλου του Krebs από ένα μόριο γλυκόζης

Ένα μόριο γλυκόζης συνήθως παράγει δύο acetyl-CoA πριν εισέλθει στον κύκλο του Krebs, οπότε ο κύκλος πραγματοποιείται δύο φορές ανά γλυκόζη.

Διπλασίασε τα προϊόντα της μίας στροφής:

$$2 \times (2 CO_2,\ 3 NADH,\ 1 FADH_2,\ 1 GTP)$$

Άρα η συμβολή του κύκλου του Krebs ανά γλυκόζη είναι:

• $4 CO_2$
• $6 NADH$
• $2 FADH_2$
• $2 GTP$ ή ATP

Αν το μάθημά σου μετατρέπει τους ανηγμένους φορείς σε ισοδύναμα ATP χρησιμοποιώντας τις συνηθισμένες τιμές $2.5$ και $1.5$, αυτό δίνει περίπου $20$ ισοδύναμα ATP από τις δύο στροφές μαζί. Αν το μάθημά σου μετρά μόνο το ATP που παράγεται άμεσα μέσα στον κύκλο, η απάντηση είναι $2$.

Γιατί το οξυγόνο έχει σημασία παρόλο που το $O_2$ δεν είναι αντιδρών

Ο κύκλος του Krebs δεν χρησιμοποιεί άμεσα $O_2$ σε κάποιο από τα στάδια των αντιδράσεών του. Όμως στα αερόβια κύτταρα εξακολουθεί να εξαρτάται έμμεσα από το οξυγόνο, επειδή η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων πρέπει να επαναοξειδώνει το $NADH$ και το $FADH_2$ πίσω σε $NAD^+$ και $FAD$.

Αν δεν υπάρχει διαθέσιμο οξυγόνο, αυτή η ανακύκλωση επιβραδύνεται ή σταματά, και ο κύκλος του Krebs δεν μπορεί να συνεχίσει να λειτουργεί αποτελεσματικά.

Συνηθισμένα λάθη για τον Κύκλο του Krebs

Να νομίζεις ότι η κύρια λειτουργία του κύκλου είναι η παραγωγή ATP

Η κύρια ενεργειακή απόδοση δεν είναι το άμεσο ATP. Είναι η παραγωγή $NADH$ και $FADH_2$ για μεταγενέστερη παραγωγή ATP.

Να ξεχνάς ότι μία γλυκόζη σημαίνει δύο στροφές

Πολλοί μαθητές απομνημονεύουν την απόδοση ανά στροφή και ξεχνούν να τη διπλασιάσουν όταν η ερώτηση ξεκινά από ένα μόριο γλυκόζης.

Να θεωρείς τον κύκλο του Krebs, τον κύκλο του κιτρικού οξέος και τον κύκλο TCA ως διαφορετικές πορείες

Στη συνήθη χρήση στη βιολογία και τη βιοχημεία, αυτά τα ονόματα αναφέρονται στην ίδια μεταβολική πορεία.

Πότε τα κύτταρα χρησιμοποιούν τον Κύκλο του Krebs

Ο κύκλος του Krebs είναι κεντρικός όταν τα κύτταρα οξειδώνουν καύσιμα αερόβια. Συνδέει τον μεταβολισμό των υδατανθράκων, τη διάσπαση των λιπών και μέρος του μεταβολισμού των αμινοξέων, επειδή πολλά από αυτά τα καύσιμα τροφοδοτούν είτε το acetyl-CoA είτε ενδιάμεσα του κύκλου.

Έχει σημασία και πέρα από την εξαγωγή ενέργειας. Αρκετά ενδιάμεσα χρησιμοποιούνται στη βιοσύνθεση, οπότε ο κύκλος υποστηρίζει τόσο τον μεταβολισμό όσο και τη δημιουργία κυτταρικών συστατικών.

Δοκίμασε ένα σχετικό θέμα

Αν θέλεις να σου μείνει η πορεία, σύγκρινε τον κύκλο του Krebs με την κυτταρική αναπνοή συνολικά και μετά τοποθέτησέ τον ανάμεσα στη γλυκόλυση και την αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων. Αυτή η σειρά κάνει τους αριθμούς της απόδοσης ATP πιο εύκολους στην ερμηνεία, επειδή μπορείς να δεις ποιο ATP παράγεται άμεσα και ποιο εξαρτάται από φορείς ηλεκτρονίων.