Aina kun kävelet, syöt tai ajattelet, solusi ottavat energiaa ravinnosta. Mitokondrioiden sisällä sarja kemiallisia reaktioita pilkkoo ravinteita ja vapauttaa energiaa ATP:n tuotantoa varten. Tämä Krebsin sykliksi kutsuttu prosessi muuntaa hiilipohjaiset molekyylit käyttökelpoiseksi energiaksi ja pitää solut aktiivisina ja toimintakykyisinä.

Krebsin sykli, jota kutsutaan myös sitruunahappokierroksi, tapahtuu mitokondriossa. Se alkaa asetyyli-CoA:sta ja tuottaa NADH:ta, FADH₂:ta ja GTP:tä, jotka ohjaavat ATP-synteesiä. Tässä opinto-oppaassa selitetään kukin vaihe, siihen osallistuvat molekyylit, energiansiirto, aineenvaihdunnalliset yhteydet ja sykliin vaikuttavat olosuhteet.

Krebsin sykli: Nopea yhteenveto

Tarvitsetko vain perusasiat? Tässä on yksinkertainen selitys siitä, mikä Krebsin sykli on ja miten se toimii:

🟠 Krebsin sykli on sarja mitokondrioiden sisällä tapahtuvia kemiallisia reaktioita, jotka hajottavat asetyyli-CoA:ta vapauttaakseen energiaa.

🟠 Jokaisessa syklin kierrossa syntyy NADH ja FADH₂, jotka kuljettavat elektroneja elektronien kuljetusketjuun, jossa ATP:n tuotantoon.

🟠 Hiilihydraatit, rasvat ja proteiinit toimittavat asetyyli-CoA:ta tai muita välituotteita, jotka tulevat sykliin eri kohdissa.

🟠 Solut säätelevät sykliä entsyymeillä, kuten sitraattisyntaasilla ja isositraattidehydrogenaasilla, jotka reagoivat ATP:n ja NADH:n tasoihin.

🟠 Jotkin aineenvaihduntahäiriöt, kuten pyruvaattidehydrogenaasin puutos ja tiamiinin puutos, häiritsevät sykliä ja vähentävät energiantuotantoa.

🟠 Tietyissä syövissä isositraattidehydrogenaasin mutaatiot tuottavat epänormaaleja aineenvaihduntatuotteita, jotka häiritsevät solujen normaalia toimintaa.

Mikä on Krebsin sykli?

Joka sekunti solusi hajottavat ravintoa vapauttaakseen energiaa. Krebsin sykli, jota kutsutaan myös sitruunahappokierroksi, on joukko kemiallisia reaktioita, jotka muuttavat asetyyli-CoA:n hiilidioksidiksi, jolloin syntyy energiaa varastoivia molekyylejä. Tämä prosessi tapahtuu mitokondrioissa, joissa entsyymit siirtävät elektroneja NADH:lle ja FADH₂:lle. Nämä molekyylit toimittavat sitten energiaa elektroninsiirtoketjuun, mikä johtaa ATP:n tuotantoon.

Krebsin sykli liittyy useisiin aineenvaihduntareitteihin. Hiilihydraatit, rasvat ja proteiinit hajoavat kaikki asetyyli-CoA:ksi, joka toimii reaktioiden polttoaineena. Jokainen syklin kierros tuottaa kolme NADH:ta, yhden FADH₂:n ja yhden GTP:n. Nämä molekyylit varastoivat energiaa, jota solut käyttävät myöhemmin eri prosesseihin.

Missä Krebsin sykli tapahtuu?

• Mitokondriomatriisi eukaryoottisoluissa
• Sytoplasma prokaryoottisissa soluissa

Krebsin sykliin osallistuvat molekyylit

• Reaktantit: Asetyyli-CoA, NAD⁺, FAD, GDP, Pi
• Tuotteet: CO₂, NADH, FADH₂, GTP

Molekyylit Krebsin syklin kussakin vaiheessa

Sitruunahappokierron vaiheet - Asetyyli-CoA:sta energiaksi

Solut pilkkovat ravintoaineita vapauttaakseen energiaa. Krebsin sykli alkaa, kun asetyyli-CoA yhdistyy oksaloasetaatin kanssa muodostaen kuuden hiilen molekyylin. Syklin edetessä hiiliatomit poistuvat hiilidioksidina ja korkeaenergiset elektronit siirtyvät NADH:lle ja FADH₂:lle. Jokaisen syklin lopussa oksaloasetaatti palautuu, jolloin prosessi voi jatkua.

Jokaisessa syklin kierrossa hajoaa yksi asetyyli-CoA, jolloin syntyy kolme NADH:ta, yksi FADH₂, yksi GTP ja kaksi CO₂:ta. Nämä molekyylit tuottavat myöhemmin energiaa ATP-synteesiin elektroninsiirtoketjussa.

Krebsin syklin vaiheittainen erittely

1. Sitraatin muodostuminen - Asetyyli-CoA (2C) reagoi oksaloasetaatin (4C) kanssa muodostaen sitraattia (6C).
2. Isomerisaatio - Sitraatti järjestäytyy uudelleen isositraatiksi.
3. Ensimmäinen dekarboksylaatio - Isositraatti menettää CO₂:n ja muodostaa α-ketoglutaraatin (5C). Syntyy NADH.
4. Toinen dekarboksylaatio - α-ketoglutaraatti menettää toisen CO₂:n ja muodostaa sukkinyyli-CoA:ta (4C). Syntyy toinen NADH.
5. Substraattitason fosforylaatio - Succinyl-CoA muuttuu sukkinaatiksi, jolloin syntyy GTP, joka voidaan muuntaa ATP:ksi.
6. Oksidaatio - Sukkinaatti hapettuu fumaraatiksi, jolloin elektronit siirtyvät FADH₂:lle.
7. Hydraatio - Fumaraatti saa veden molekyylin, jolloin muodostuu malaatti.
8. Loppuhapetus - Malaatti hapettuu oksaloasetaatiksi, jolloin syntyy NADH:ta ja kierto päättyy.

Koska jokainen glukoosimolekyyli tuottaa kaksi asetyyli-CoA:ta, Krebsin sykli toimii kaksi kertaa glukoosia kohden, jolloin NADH:n, FADH₂:n ja GTP:n tuotanto kaksinkertaistuu.

Miten Krebsin sykli tuottaa ATP:tä - energiansiirto selitetty

Solut ovat riippuvaisia ATP:stä saadakseen energiaa, mutta Krebsin sykli ei tuota ATP:tä suoraan. Sen sijaan se tuottaa NADH:ta ja FADH₂:ta, jotka varastoivat korkeaenergisiä elektroneja. Nämä molekyylit kuljettavat elektroneja elektroninsiirtoketjuun (ETC), jossa ATP syntetisoidaan.

Jokainen Krebsin syklin kierros tuottaa kolme NADH:ta, yhden FADH₂:n ja yhden GTP:n. GTP voidaan muuntaa ATP:ksi, mutta suurin osa energiasta tulee NADH:sta ja FADH₂:sta. mitokondrioiden sisällä nämä elektroninkantajat siirtävät energiansa ETC:hen.

NADH luovuttaa elektroneja kompleksi I:lle, joka pumppaa protoneita mitokondriokalvon läpi, jolloin syntyy riittävästi energiaa noin kolmen ATP-molekyylin muodostamiseen NADH:ta kohti. FADH₂ tulee kompleksi II:een, jolloin ensimmäinen vaihe ohitetaan ja tuotetaan noin kaksi ATP-molekyyliä per FADH₂. Tämän hapettuvaksi fosforylaatioksi kutsutun prosessin ansiosta solut voivat tuottaa suuria määriä ATP:tä tehokkaasti.

Kun yksi glukoosimolekyyli on täysin hajotettu, glykolyysi, Krebsin sykli ja ETC toimivat yhdessä ATP:n tuottamiseksi. Glykolyysi tuottaa pienen määrän, Krebsin sykli tuottaa suurienergisiä elektroninkantajia ja ETC tuottaa suurimman osan ATP:stä. Kahden Krebsin syklin kierroksen jälkeen yksi glukoosimolekyyli tuottaa noin 30-38 ATP:tä, riippuen solun sisäisistä olosuhteista.

Miten Krebsin sykli tuottaa ATP:tä - energiansiirto selitetty

Solut tarvitsevat toimiakseen jatkuvasti ATP. Krebsin sykli ei tuota suoraan suuria määriä ATP:tä, mutta se tuottaa NADH:ta ja FADH₂:ta, jotka antavat virtaa ATP:n tuotantoon elektroninkuljetusketjussa (ETC). Nämä molekyylit kuljettavat korkeaenergisiä elektroneja mitokondrioiden sisäkalvolle, jossa ATP syntetisoidaan oksidatiivisen fosforylaation avulla.

Jokainen Krebsin syklin kierros tuottaa kolme NADH:ta, yhden FADH₂:n ja yhden GTP:n. GTP voidaan muuntaa ATP:ksi, mutta suurin osa ATP:stä tulee NADH:sta ja FADH₂:sta. Nämä molekyylit luovuttavat elektroneja ETC:hen, jossa energiaa käytetään protonien pumppaamiseen mitokondriokalvon läpi, jolloin syntyy gradientti, joka ajaa ATP-synteesiä.

ATP:n tuotto Krebsin syklistä

NADH ja FADH₂ toimittavat elektroneja elektroninkuljetusketjun eri kohtiin, mikä vaikuttaa ATP:n tuotantomäärään. NADH tulee sisään kompleksissa I, jolloin vapautuu riittävästi energiaa tuottamaan noin kolme ATP:tä molekyyliä kohti. FADH₂ tulee sisään kompleksissa II, joka ohittaa ensimmäisen protonipumpun ja tuottaa noin kaksi ATP:tä molekyyliä kohti.

Koska jokainen glukoosimolekyyli tuottaa kaksi asetyyli-CoA:ta, Krebsin sykli toimii kaksi kertaa glukoosia kohti, jolloin ATP:n tuotantoon käytettävissä oleva NADH ja FADH₂ kaksinkertaistuu.

Elektroninkuljettajat - NADH ja FADH₂

NADH luovuttaa elektroneja kompleksi I:lle, jolloin hapettumisfosforylaatioprosessi käynnistyy. Tämä elektroninsiirto mahdollistaa protonien pumppaamisen mitokondriokalvon läpi, mikä luo gradientin, joka ruokkii ATP-syntaasia.

FADH₂ luovuttaa elektroneja kompleksi II:lle, joka ei pumppaa protoneja yhtä tehokkaasti kuin kompleksi I. Tämän seurauksena FADH₂:n elektronit tuottavat vähemmän ATP:tä kuin NADH:n elektronit.

Kokonaisenergian tuotto yhdestä glukoosimolekyylistä

Glykolyysi, Krebsin sykli ja elektroninsiirtoketju toimivat yhdessä ATP:n tuotannon maksimoimiseksi.

• Glykolyysi tuottaa 2 ATP:tä ja 2 NADH:ta.
• Krebsin sykli (kaksi kierrosta per glukoosi) tuottaa 2 GTP:tä, 6 NADH:ta ja 2 FADH₂.
• Elektroninkuljetusketju muuntaa NADH:n ja FADH₂:n ATP:ksi, jolloin syntyy jopa 34 ATP:tä.

Yhteensä yksi glukoosimolekyyli tuottaa noin 30-38 ATP:tä, riippuen solun sisäisistä olosuhteista. Suurin osa tästä ATP:stä tulee elektroninsiirtoketjusta, joka käyttää energianlähteinä NADH:ta ja FADH₂:ta.

Krebsin sykliin liittyvät lääketieteelliset tilat

Krebsin sykli pitää yllä solujen energiansaantia, mutta jotkin olosuhteet häiritsevät sen toimintaa. Kun syklin entsyymit tai koentsyymit ovat viallisia, soluilla on vaikeuksia tuottaa ATP:tä, ja haitallisia sivutuotteita voi kertyä. Monet näistä häiriöistä vaikuttavat hermostoon, joka on riippuvainen jatkuvasta energiansaannista.

Pyruvaattidehydrogenaasin puutos

Pyruvaattidehydrogenaasi muuntaa pyruvaatin asetyyli-CoA:ksi, molekyyliksi, joka tulee Krebsin sykliin. Kun tämä entsyymi on viallinen, pyruvaattia kertyy ja se muuttuu sen sijaan laktaatiksi. Seurauksena on maitohappoasidoosi, joka laskee veren pH-arvoa ja vahingoittaa kudoksia. Tätä tilaa sairastavilla on usein lihasheikkoutta, kehitysviivästymiä ja neurologisia ongelmia. Tämä vaikuttaa erityisesti aivoihin, koska ne ovat riippuvaisia glukoosiaineenvaihdunnasta energian saamiseksi.

Thiamiinin (B1-vitamiinin) puutos

Tiamiini on koentsyymi α-ketoglutaraattidehydrogenaasille, joka on yksi Krebsin syklin entsyymeistä. Tiamiinin puute hidastaa ATP:n tuotantoa, mikä johtaa hermoihin, lihaksiin ja sydämeen vaikuttaviin oireisiin. Beriberi aiheuttaa lihasheikkoutta, hermovaurioita ja sydämen vajaatoimintaa. Alkoholiin liittyvässä Wernicke-Korsakoffin oireyhtymässä tiamiinin puute johtaa sekavuuteen, muistin menetykseen ja huonoon koordinaatioon.

Isositraattidehydrogenaasin mutaatiot syövässä

Joissakin syövissä isositraattidehydrogenaasi mutatoituu ja alkaa tuottaa 2-hydroksiglutaraattia, yhdistettä, joka häiritsee geenien säätelyä. Tämä johtaa epänormaaliin solukasvuun ja kasvainten muodostumiseen. Nämä mutaatiot ovat yleisiä aivokasvaimissa (glioomissa) ja leukemioissa, joissa ne häiritsevät solujen normaalia jakautumista ja DNA:n korjausta.

Krebsin syklin evoluutio - miten se kehittyi varhaisessa vaiheessa

Krebsin sykli kehittyi todennäköisesti yksinkertaisemmista aineenvaihduntareiteistä, joita varhaiset anaerobiset organismit käyttivät. Ennen kuin happea oli runsaasti, alkukantaiset solut käyttivät samanlaisia reaktioita kuin syklin reaktiot, mutta käänteisesti. Jotkin nykyaikaiset bakteerit käyttävät edelleen käänteistä Krebsin sykliä rakentaakseen hiilidioksidista orgaanisia molekyylejä sen sijaan, että ne hajottaisivat niitä energiaksi. Tämä viittaa siihen, että syklin keskeiset reaktiot olivat olemassa jo kauan ennen aerobisen hengityksen kehittymistä. Ajan myötä, kun happea tuli saataville, nämä reitit mukautuivat Krebsin sykliksi, jolloin solut pystyivät saamaan ravinteista enemmän energiaa hapettuvan aineenvaihdunnan avulla.

Tarvitsetko apua Krebsin syklin kanssa? Hanki yksityinen kemianopettaja

Krebsin sykli voi tuntua reaktioiden, entsyymien ja energiansiirtojen sokkelolta. Jos olet jumissa yrittäessäsi saada selvää NADH:sta, FADH₂:sta tai asetyyli-CoA:sta, et ole yksin. Monet opiskelijat pitävät tätä aihetta hämmentävänä, mutta oikea kemianopettaja voi selittää sen vaihe vaiheelta.

"Kuopion biokemian opettajan" tai "Riihimäen biokemian yksityistuntien" avulla voit keskittyä siihen, mikä oikeastaan saa syklin toimimaan - eksymättä turhiin yksityiskohtiin. Hyvä tukiopettaja selittää asiat niin, että niissä on vihdoin järkeä, olipa kyse sitten entsyymien säätelystä, ATP:n tuotannosta tai siitä, miten hiilihydraatit, rasvat ja proteiinit syöttävät sykliä.

Yksilöopetus tarkoittaa, että et kiirehdi ymmärtämättömän materiaalin läpi. Sinä määrittelet tahdin, kysyt kysymyksiä tarvittaessa ja saat selityksiä, jotka sopivat juuri sinun oppimistapaasi vastaaviksi. Valmistauduitpa sitten kokeeseen tai yritit vain pysyä mukana tunneilla, tukiopettaja voi tehdä biokemiasta vähemmän vaivalloista.

Jos tarvitset "biologian tukiopetusta Porissa" tai "biokemian yksityisopettaja Lahdessa", älä odota, kunnes jäät jälkeen. Varaa tapaaminen meet'n'learn -palvelusta jo tänään ja saat apua, jolla on todellista merkitystä!

Etsitkö lisää resursseja? Tutustu Biologian blogit lisäoppimateriaaliin. Jos olet valmis lisäapuun, tukiopettaja voi opastaa sinut haastavimpienkin aiheiden läpi selkeydellä ja kärsivällisyydellä.

Krebsin sykli: Usein kysytyt kysymykset

1. Mikä on Krebsin sykli?

Krebsin sykli on mitokondriossa tapahtuva reaktiosarja, joka hajottaa asetyyli-CoA:ta tuottaakseen runsaasti energiaa sisältäviä molekyylejä, kuten NADH ja FADH₂.

2. Missä Krebsin sykli tapahtuu?

Krebsin sykli tapahtuu eukaryoottisolujen mitokondriomatriisissa ja prokaryoottisolujen sytoplasmassa.

3. Mitä Krebsin sykli tuottaa?

Jokainen Krebsin syklin kierros tuottaa 3 NADH-, 1 FADH₂-, 1 GTP- (tai ATP-) ja 2 CO₂-molekyyliä.

4. Miten Krebsin sykli liittyy glykolyysiin?

Glykolyysi tuottaa pyruviittia, joka muunnetaan asetyyli-CoA:ksi, molekyyliksi, joka tulee Krebsin sykliin.

5. Miten rasvat pääsevät Krebsin sykliin?

Rasvahapot käyvät läpi β-oksidaation, joka tuottaa asetyyli-CoA:ta, jolloin ne voivat siirtyä Krebsin sykliin energian jatkotuotantoa varten.

6. Miten proteiinit osallistuvat Krebsin sykliin?

Aminohapot hajoavat Krebsin syklin välituotteiksi, joita voidaan käyttää energiaan tai biosynteesiin.

7. Miten Krebsin sykliä säädellään?

Krebsin sykliä ohjaa entsyymiaktiivisuus, jolloin ATP ja NADH hidastavat sitä ja ADP nopeuttaa sitä.

8. Mitkä sairaudet vaikuttavat Krebsin sykliin?

Tilat, kuten pyruviittidehydrogenaasin puutos, tiamiinin puutos ja isositraattidehydrogenaasin mutaatiot, häiritsevät Krebsin sykliä, mikä johtaa energiavajeeseen.

Lähteet:

1. NCBI
2. Britannica
3. Wikipedia