Tvoje telo za vsako gibanje, dihanje ali misel potrebuje energijo. V mitohondrijih celice s pomočjo kemijskih reakcij razgrajujejo hranila in sproščajo energijo, ki omogoča tvorbo ATP. Ta proces, znan kot Krebsov cikel, pretvarja ogljikove spojine v obliko, ki jo celice lahko uporabijo za delovanje.
Krebsov cikel, imenovan tudi cikel citronske kisline, poteka v mitohondrijskem matriksu. Pri tem iz acetil-CoA nastajajo NADH, FADH₂ in GTP, ki sodelujejo pri sintezi ATP. Spodaj so razloženi vsi koraki, udeležene molekule, način prenosa energije ter povezave z drugimi presnovnimi procesi. Prav tako so opisani dejavniki, ki vplivajo na delovanje cikla.
Krebsov cikel: povzetek
Potrebujete hiter pregled? Tukaj je preprosta razlaga, kako poteka Krebsov cikel:
🟠 Krebsov cikel je niz kemijskih reakcij v mitohondrijih, kjer se acetil-CoA razgradi in sprosti energija.
🟠 Vsak cikel tvori NADH in FADH₂, ki prenašata elektrone do dihalne verige, kjer poteka ATP sinteza.
🟠 Ogljikovi hidrati, maščobe in beljakovine prispevajo acetil-CoA ali druge vmesne spojine, ki vstopajo v cikel na različnih točkah.
🟠 Aktivnost cikla uravnavajo encimI, kot sta citrat-sintaza in izocitrat-dehidrogenaza. Njihova aktivnost je odvisna od ravni ATP in NADH v celici.
🟠 Nekatere presnovne motnje, kot sta pomanjkanje piruvat-dehidrogenaze ali tiamina, motijo potek cikla in zmanjšajo proizvodnjo energije.
🟠 Pri določenih rakavih obolenjih mutacije v encimu izocitrat-dehidrogenaza povzročijo nastanek nenormalnih metabolitov, ki vplivajo na delitev in rast celic.
Kaj je Krebsov cikel oziroma cikel citronske kisline?
Celice neprestano razgrajujejo hranila, da pridobijo energijo. Krebsov cikel, imenovan tudi cikel citronske kisline, je niz kemijskih reakcij, pri katerih se acetil-CoA pretvori v ogljikov dioksid, hkrati pa nastanejo molekule, ki služijo kot energijski prenašalci. Proces poteka v mitohondrijih, kjer encimi prenašajo elektrone na NADH in FADH₂. Ti nato posredujejo energijo dihalni verigi, kjer nastaja ATP.
Krebsov cikel je tesno povezan z drugimi presnovnimi procesi. Ogljikovi hidrati, maščobe in beljakovine se v telesu razgradijo v acetil-CoA, ki nato vstopa v cikel. Vsak cikel proizvede tri molekule NADH, eno molekulo FADH₂ in eno molekulo GTP, ki celicam služijo kot vir energije za različne procese.
Kje poteka Krebsov cikel oziroma cikel citronske kisline?
- V mitohondrijskem matriksu pri evkariontih
- V citoplazmi pri prokariontih
Katere molekule sodelujejo v krebsovem ciklu?
- Reaktanti: Acetil-CoA, NAD⁺, FAD, GDP, Pi
- Produkti: CO₂, NADH, FADH₂, GTP
Pregled reakcij v krebsovem ciklu:
| Korak | Reaktant | Produkt | Encim |
| 1 | Acetil-CoA + oksaloacetat | Citrat | Citrat-sintaza |
| 2 | Citrat | Izocitrat | Akonitaza |
| 3 | Izocitrat | α-ketoglutarat | Izocitrat-dehidrogenaza |
| 4 | α-ketoglutarat | Sukcinil-CoA | α-ketoglutarat-dehidrogenaza |
| 5 | Sukcinil-CoA | Sukcinat | Sukcinil-CoA-sintetaza |
| 6 | Sukcinat | Fumarat | Sukcinat-dehidrogenaza |
| 7 | Fumarat | Malat | Fumaraza |
| 8 | Malat | Oksaloacetat | Malat-dehidrogenaza |
Koraki krebsovega cikla – od acetil-CoA do energije
Celice za pridobivanje energije razgrajujejo hranila. Cikel citronske kisline oz. Krebsov cikel se začne, ko se acetil-CoA poveže z oksaloacetatom, pri čemer nastane šestogljikova spojina. Med reakcijami se ogljik odstrani v obliki CO₂, visokoenergijski elektroni pa se prenesejo na NADH in FADH₂. Na koncu cikla se oksaloacetat regenerira, kar omogoča neprekinjeno delovanje procesa.
Vsak obrat cikla razgradi eno molekulo acetil-CoA in tvori tri NADH, en FADH₂, en GTP ter dve molekuli CO₂. Te spojine se nato uporabijo pri sintezi ATP v dihalni verigi.
Postopek krebsovega cikla korak za korakom
- Nastanek citrata – Acetil-CoA (2C) se veže na oksaloacetat (4C) in nastane citrat (6C).
- Izomerizacija – Citrat se pod vplivom encimov preoblikuje v izocitrat.
- Prva dekarboksilacija – Izocitrat odda CO₂, pri čemer nastane α-ketoglutarat (5C) in molekula NADH.
- Druga dekarboksilacija – α-Ketoglutarat se pretvori v sukcinil-CoA (4C), sprosti se še en CO₂ in nastane dodatna molekula NADH.
- Fosforilacija na ravni substrata – Sukcinil-CoA se pretvori v sukcinat, pri čemer nastane GTP, ki se lahko pretvori v ATP.
- Oksidacija – Sukcinat se oksidira v fumarat, pri tem pa elektrone sprejme FADH₂.
- Hidracija – Fumarat reagira z molekulo vode in nastane malat.
- Zadnja oksidacija – Malat se oksidira v oksaloacetat, pri čemer nastane še ena molekula NADH, kar omogoča ponovitev cikla.
Ker se iz ene molekule glukoze tvorita dva acetil-CoA, se Krebsov cikel izvede dvakrat na vsako molekulo glukoze, kar podvoji količino nastalih NADH, FADH₂ in GTP.
Kako Krebsov cikel prispeva k tvorbi ATP – prenos energije
Celice za svoje delovanje potrebujejo ATP, vendar Krebsov cikel ne tvori ATP neposredno. Namesto tega proizvaja NADH in FADH₂, ki shranjujeta visokoenergijske elektrone. Ti elektroni se prenesejo v elektronsko transportno verigo (ETC), kjer poteka sinteza ATP.
Vsak obrat krebsovega cikla tvori tri molekule NADH, eno molekulo FADH₂ in eno molekulo GTP. GTP se lahko pretvori v ATP, vendar večina ATP nastane prek NADH in FADH₂, ki v notranji membrani mitohondrija sprostita elektrone v elektronsko transportno verigo.
Ko NADH odda elektrone na Kompleks I, se sproži črpanje protonov skozi mitohondrijsko membrano, kar ustvari gradient, potreben za sintezo ATP. Vsaka molekula NADH lahko omogoči nastanek približno treh ATP. FADH₂ vstopi v verigo na Kompleksu II, kjer ne prispeva k prvemu črpanju protonov, zato vsaka molekula FADH₂ prispeva le okoli dva ATP. Ta proces, imenovan oksidativna fosforilacija, omogoča učinkovito proizvodnjo ATP.
Ko se ena molekula glukoze popolnoma razgradi, skupaj delujejo glikoliza, Krebsov cikel oz. cikel citronske kisline in elektronska transportna veriga. Medtem ko glikoliza neposredno tvori le nekaj ATP, Krebsov cikel zagotavlja visokoenergijske elektronske prenašalce, največ ATP pa nastane v elektronski transportni verigi. Po dveh obratih krebsovega cikla ena molekula glukoze prinese med 30 in 38 ATP, odvisno od pogojev v celici.
ATP izkoristek krebsovega cikla
Molekuli NADH in FADH₂ sproščata elektrone na različnih točkah elektronske transportne verige, kar vpliva na končni ATP izkoristek. NADH vstopi na Kompleksu I, kjer sprosti dovolj energije za tvorbo približno treh ATP. FADH₂ se veže na Kompleks II, ki ne sodeluje pri prvem črpanju protonov, zato prispeva manj energije in omogoči tvorbo le dveh ATP na molekulo.
Ker vsaka molekula glukoze tvori dve molekuli acetil-CoA, se Krebsov cikel izvede dvakrat na vsako molekulo glukoze, kar podvoji količino NADH in FADH₂ za sintezo ATP.
Elektronski prenašalci – NADH in FADH₂
NADH odda elektrone na Kompleks I, kar sproži črpanje protonov skozi membrano in ustvarja gradient, ki poganja ATP sintazo. FADH₂ vstopi v verigo na Kompleksu II, kjer ne sodeluje pri črpanju protonov, zato tvori manj ATP kot NADH.
Celotni energijski izkoristek ene molekule glukoze
Glikoliza, Krebsov cikel in elektronska transportna veriga skupaj omogočajo največji možni ATP izkoristek.
- Glikoliza tvori 2 ATP in 2 NADH.
- Krebsov cikel (dva obrata na glukozo) tvori 2 GTP, 6 NADH in 2 FADH₂.
- Elektronska transportna veriga pretvori NADH in FADH₂ v ATP, kar prispeva do 34 ATP.
Ena molekula glukoze lahko v optimalnih pogojih tvori približno 30 do 38 ATP, pri čemer največji delež energije prispeva elektronska transportna veriga, ki uporablja NADH in FADH₂.
Bolezenska stanja povezana s krebsovim ciklom
Krebsov cikel celicam zagotavlja energijo, a nekatere bolezni lahko motijo njegovo delovanje. Če encimi ali koencimi v ciklu ne delujejo pravilno, celice težje proizvajajo ATP, hkrati pa se v telesu lahko kopičijo škodljive snovi. Motnje v tem procesu pogosto vplivajo na živčni sistem, ki potrebuje neprekinjeno oskrbo z energijo.
Pomanjkanje piruvat-dehidrogenaze
Encim piruvat-dehidrogenaza omogoča pretvorbo piruvata v acetil-CoA, ki je vstopna molekula za Krebsov cikel. Če encim ne deluje pravilno, se piruvat ne more pretvoriti in se namesto tega kopiči ter pretvarja v laktat. To povzroči laktacidozo, pri kateri se zniža pH krvi in lahko pride do poškodbe tkiv. Ljudje s to motnjo pogosto občutijo mišično oslabelost, zaostanek v razvoju in nevrološke težave. Ker možgani za delovanje večinoma uporabljajo energijo iz glukoze, so pri tej bolezni še posebej prizadeti.
Pomanjkanje tiamina (vitamina B1)
Tiamin je bistven za delovanje α-ketoglutarat-dehidrogenaze, enega ključnih encimov v krebsovem ciklu. Če telesu primanjkuje tiamina, se zmanjša proizvodnja ATP, kar vodi do težav z delovanjem živčnega sistema, mišic in srca. Beri-beri povzroča mišično oslabelost, poškodbe živcev in lahko vodi v srčno popuščanje. Pri ljudeh s kroničnim alkoholizmom pomanjkanje tiamina pogosto vodi do Wernicke-Korsakoffovega sindroma, ki povzroča težave s spominom, zmedenost in motnje koordinacije.
Mutacije izocitrat-dehidrogenaze pri raku
Pri nekaterih vrstah raka mutiran encim izocitrat-dehidrogenaza začne proizvajati 2-hidroksiglutarat, ki vpliva na uravnavanje genov. To lahko povzroči nenadzorovano delitev celic in nastanek tumorjev. Mutacije v tem encimu so pogoste pri možganskih tumorjih (gliomih) in levkemijah, kjer vplivajo na celično delitev in procese popravljanja DNK.
Kako se je Krebsov cikel razvil skozi evolucijo
Predniki današnjih organizmov so energijo pridobivali na precej drugačne načine. Preden je bila atmosfera bogata s kisikom, so zgodnje anaerobne celice uporabljale kemijske poti, podobne krebsovemu ciklu, vendar v obratni smeri. Nekatere sodobne bakterije še danes uporabljajo obrnjen Krebsov cikel, kjer iz ogljikovega dioksida tvorijo organske molekule, namesto da bi jih razgrajevale za energijo. To kaže, da so bile osnovne kemijske reakcije tega cikla prisotne že pred razvojem aerobne presnove. S povečevanjem količine kisika v ozračju so se te poti prilagodile in razvile v Krebsov cikel, ki omogoča učinkovito izrabo hranil za pridobivanje energije.
Potrebujete pomoč pri krebsovem ciklu? Najdite inštruktorja biokemije
Krebsov cikel je lahko zapleten zaradi številnih kemijskih reakcij, encimov in prenosa energije. Če vam izrazi, kot so NADH, FADH₂ ali acetil-CoA, povzročajo težave, niste edini. Mnogi dijaki se pri tej snovi srečujejo z nerazumevanjem, a izkušen inštruktor biokemije vam lahko snov pojasni na jasen in logičen način.
Z “inštrukcije biokemije Ljubljana” ali “inštrukcije biokemije Maribor” se lahko osredotočite na ključne točke krebsovega cikla in zares razumete, kako se energija sprošča in prenaša. Dober inštruktor vam bo razložil snov tako, da bo dobila smisel – od delovanja encimov, nastanka ATP do vloge ogljikovih hidratov, maščob in beljakovin v ciklu.
Zasebne inštrukcije vam omogočajo, da se učite v svojem tempu, postavite vprašanja, ko kaj ni jasno, in dobite razlago, ki vam dejansko pomaga razumeti snov. Če se pripravljate na izpit ali želite izboljšati svoje znanje, vam lahko inštruktor biokemije olajša učenje biokemije, biologije celice ali fiziologije.
Če iščete inštrukcije biokemije Koper ali učitelja za biokemija Celje, ne odlašajte, dokler ne zaostanete pri snovi. Rezervirajte uro na meet’n’learn in pridobite pomoč, ki vam bo dejansko koristila!
Iščete dodatne učne vire? Oglejte si spletne učbenike iz biologije. Če potrebujete dodatna pojasnila, vam lahko inštruktor razloži najtežje teme na jasen in razumljiv način.
Krebsov cikel: pogosta vprašanja
1. Kaj je Krebsov cikel?
Krebsov cikel je niz kemijskih reakcij v mitohondrijih, kjer se acetil-CoA razgradi, pri tem pa nastanejo energijsko bogate molekule, kot sta NADH in FADH₂.
2. Kje poteka Krebsov cikel?
Krebsov cikel poteka v mitohondrijskem matriksu pri evkariontih in v citoplazmi pri prokariontih.
3. Kaj nastane v krebsovem ciklu?
Vsak obrat krebsovega cikla tvori 3 NADH, 1 FADH₂, 1 GTP (ali ATP) in 2 molekuli CO₂.
4. Kako je Krebsov cikel povezan z glikolizo?
V glikolizi nastane piruvat, ki se pretvori v acetil-CoA – molekulo, ki nato vstopi v Krebsov cikel.
5. Kako maščobe vstopajo v Krebsov cikel?
Maščobne kisline se razgradijo s procesom β-oksidacije, pri čemer nastane acetil-CoA, ki vstopi v Krebsov cikel in se uporabi za proizvodnjo energije.
6. Kako beljakovine prispevajo k krebsovemu ciklu?
Aminokisline se razgradijo do vmesnih produktov krebsovega cikla, ki se nato uporabijo za proizvodnjo energije ali biosintezo drugih molekul.
7. Kako se Krebsov cikel regulira?
Hitrost krebsovega cikla nadzorujejo encimi – kadar je koncentracija ATP in NADH visoka, se cikel upočasni, kadar je več ADP, pa se pospeši.
8. Katere bolezni vplivajo na Krebsov cikel?
Motnje, kot so pomanjkanje piruvat-dehidrogenaze, pomanjkanje tiamina in mutacije izocitrat-dehidrogenaze, vplivajo na delovanje cikla in zmanjšajo proizvodnjo energije.
Viri:
1. NCBI
2. Britannica
3. Wikipedia
