Glykolyse durch fermentative Reaktionen produziert ATP anaerob. Die Evolution der Atmung (die aerobe Verwendung von Sauerstoff zur effizienten Verbrennung von Nährstoffbrennstoffen) musste warten, bis die Photosynthese die sauerstoffhaltige Atmosphäre schuf, in der wir jetzt leben. Lesen Sie mehr über die Quelle unserer sauerstoffhaltigen Atmosphäre in Dismukes GC et al. .
Der Krebs-Zyklus ist der erste Weg der Sauerstoffatmung. Die Entwicklung dieser Atmung und die chemische Brücke von der Glykolyse zum Krebszyklus traten zweifellos einige Reaktionen gleichzeitig auf, vielleicht zunächst als Mittel zum Schutz anaerober Zellen vor den ‚giftigen‘ Auswirkungen von Sauerstoff. Später konkretisierte die natürliche Selektion den aeroben Krebszyklus, den Elektronentransport und die oxidativen Phosphorylierungswege, die wir heute sehen.
Unabhängig von ihrem anfänglichen Nutzen waren diese Reaktionen eine adaptive Reaktion auf den Anstieg des Sauerstoffs in der Erdatmosphäre. Als Weg, um Energie aus Nährstoffen zu gewinnen, ist die Atmung viel effizienter als die Glykolyse. Tiere sind darauf angewiesen, aber auch Pflanzen und photosynthetische Algen nutzen den Atemweg, wenn kein Sonnenlicht verfügbar ist! Hier konzentrieren wir uns auf oxidative Reaktionen in Mitochondrien, beginnend mit der Pyruvatoxidation und weiter zu den Redoxreaktionen des Krebszyklus.
Nach Eintritt in die Mitochondrien katalysiert Pyruvatdehydrogenase die Pyruvatoxidation zu Acetyl-S-Coenzym A (Ac-S-CoA). Dann oxidiert der Krebs-Zyklus das Ac-S-CoA vollständig. Diese mitochondrialen Redoxreaktionen erzeugen CO2 und viele reduzierte Elektronenträger (NADH, FADH2). Die bei diesen Redoxreaktionen freigesetzte freie Energie ist an die Synthese von nur einem ATP pro oxidiertem Pyruvat gekoppelt (d. H. Zwei pro Glukose, mit der wir begonnen haben!). Es sind die NADH- und FADH2-Moleküle, die den größten Teil der freien Energie in den ursprünglichen Glucosemolekülen eingefangen haben. Dieser Eintritt von Pyruvat in das Mitochondrium und seine Oxidation sind nachstehend zusammengefasst.
Die Pyruvatoxidation wandelt ein 3C-Kohlenhydrat in Acetat, ein 2C-Molekül, um und setzt ein CO2-Molekül frei. In dieser stark exergonischen Reaktion bildet CoA-SH eine hochenergetische Thioesterbindung mit dem Acetat in Ac-S-CoA. Die Oxidation von Brenztraubensäure führt zur Reduktion von NAD +, zur Produktion von Ac-S-CoA und einem Molekül CO2, wie unten gezeigt.
Der Krebs-Zyklus oxidiert während der Atmung Ac-S-CoA und reduziert NAD + und FAD zu NADH bzw. FADH2. Intermediate des Krebs-Zyklus wirken auch im Aminosäurestoffwechsel und bei Interkonversionen. Alle heute lebenden aeroben Organismen teilen den Krebszyklus, den wir beim Menschen sehen. Dies steht im Einklang mit seiner Verbreitung zu Beginn der Evolution unserer Sauerstoffumgebung. Aufgrund der zentralen Rolle von Krebs-Zyklus-Zwischenprodukten in anderen biochemischen Signalwegen, Teile des Signalwegs können sogar den gesamten Atmungsweg vordatiert haben. Der Krebszyklus findet in Mitochondrien eukaryotischer Zellen statt.
Nach der Oxidation von Pyruvat tritt das Ac-S-CoA in den Krebs-Zyklus ein und kondensiert im Zyklus mit Oxalacetat zu Citrat. Es gibt vier Redoxreaktionen im Krebs-Zyklus. Während wir den Krebs-Zyklus diskutieren, suchen Sie nach der Akkumulation reduzierter Elektronenträger (FADH2, NADH) und einer kleinen Menge ATP-Synthese durch Phosphorylierung auf Substratebene. Folgen Sie auch den Kohlenstoffen in Pyruvat in CO2. Der Krebs-Zyklus, wie er bei Tieren auftritt, ist nachstehend zusammengefasst.
Um Ihnen zu helfen, die Ereignisse des Zyklus zu verstehen,
1. finden Sie die zwei Moleküle CO2, die im Krebszyklus selbst produziert werden.
2. finden Sie GTP (das sein Phosphat schnell in ADP überträgt, um ATP herzustellen). Beachten Sie, dass in Bakterien ATP direkt in diesem Schritt hergestellt wird.
3. zählen Sie alle reduzierten Elektronenträger (NADH, FADH2). Beide Elektronenträger tragen ein Elektronenpaar. Wenn Sie die Elektronen auf jedem der in der Glykolyse hergestellten NADH-Moleküle einbeziehen, wie viele Elektronen wurden während seiner vollständigen Oxidation aus Glukose entfernt?
Denken Sie daran, dass die Glykolyse zwei Pyruvate pro Glucose und damit zwei Moleküle Ac-S-CoA produziert. Somit dreht sich der Krebs-Zyklus zweimal für jede Glukose, die in den glykolytischen Weg eintritt. Die im Krebs-Zyklus gebildeten hochenergetischen Thioesterbindungen treiben die ATP-Synthese sowie die Kondensation von Oxalacetat und Acetat zu Citrat in der ersten Reaktion an. Jedes NADH trägt ungefähr 50 Kcal der 687 Kcal der freien Energie, die ursprünglich in einem Mol Glukose verfügbar ist; jedes FADH2 trägt ungefähr 45 Kcal dieser freien Energie. Diese Energie wird die ATP-Produktion während des Elektronentransports und der oxidativen Phosphorylierung antreiben.
159 Höhepunkte des Krebs-Zyklus
Schließlich ist die Geschichte der Entdeckung des Krebs-Zyklus so interessant wie der Zyklus selbst! Albert Szent-Györgyi erhielt 1937 den Nobelpreis für die Entdeckung einiger organischer Säureoxidationsreaktionen, von denen zunächst angenommen wurde, dass sie Teil eines linearen Weges sind. Hans Krebs führte die eleganten Experimente durch, die zeigten, dass die Reaktionen Teil eines zyklischen Weges waren. Er schlug vor (richtig!), dass der Zyklus ein Superkatalysator wäre, der die Oxidation einer weiteren organischen Säure katalysieren würde. Einige der Experimente werden von Krebs und seinen Mitarbeitern in ihrem klassischen Papier beschrieben: Krebs HA, et al. . Hans Krebs und Fritz Lipmann teilten sich 1953 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin. Krebs wurde für seine Aufklärung des TCA-Zyklus anerkannt, der heute häufiger seinen Namen trägt. Lipmann wurde dafür anerkannt, dass er ATP als Vermittler zwischen Nahrungsenergie (Nährstoff) und intrazellulärer Arbeitsenergie vorschlug und die Reaktionen entdeckte, die Pyruvat oxidieren und Ac-S-CoA synthetisieren, den Krebszyklus überbrücken und oxidative Phosphorylierung (zu betrachten iim nächsten Kapitel).
160 Entdeckung des Krebs-Zyklus
