Informasi

10.1: Oksidasi Piruvat dan Siklus TCA - Biologi

10.1: Oksidasi Piruvat dan Siklus TCA - Biologi


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.

Oksidasi Piruvat dan Siklus TCA

Ikhtisar Metabolisme Piruvat dan Siklus TCA

Dalam kondisi yang sesuai, piruvat dapat dioksidasi lebih lanjut. Salah satu reaksi oksidasi yang paling banyak dipelajari yang melibatkan piruvat adalah reaksi dua bagian yang melibatkan NAD+ dan molekul yang disebut ko-enzim A, sering disingkat hanya sebagai "CoA". Reaksi ini mengoksidasi piruvat, menyebabkan hilangnya satu karbon melalui dekarboksilasi, dan menciptakan molekul baru yang disebut asetil-KoA. Asetil-KoA yang dihasilkan dapat memasuki beberapa jalur untuk biosintesis molekul yang lebih besar atau dapat dialihkan ke jalur lain dari metabolisme pusat yang disebut Siklus Asam Sitrat, kadang juga disebut Siklus Krebs, atau Siklus Asam Trikarboksilat (TCA). Di sini dua karbon yang tersisa dalam gugus asetil dapat dioksidasi lebih lanjut atau berfungsi lagi sebagai prekursor untuk konstruksi berbagai molekul lain. Kami membahas skenario ini di bawah ini.

Nasib yang berbeda dari piruvat dan produk akhir lainnya dari glikolisis

Modul glikolisis ditinggalkan dengan produk akhir glikolisis: 2 molekul piruvat, 2 ATP dan 2 molekul NADH. Modul ini dan modul tentang fermentasi mengeksplorasi apa yang dapat dilakukan sel dengan piruvat, ATP dan NADH yang dihasilkan.

Nasib ATP dan NADH

Secara umum, ATP dapat digunakan untuk atau digabungkan ke berbagai fungsi seluler termasuk biosintesis, transportasi, replikasi, dll. Kita akan melihat banyak contoh seperti itu sepanjang kursus.

Apa yang harus dilakukan dengan NADH bagaimanapun, tergantung pada kondisi di mana sel tumbuh. Dalam beberapa kasus, sel akan memilih untuk dengan cepat mendaur ulang NADH kembali ke NAD+. Hal ini terjadi melalui proses yang disebut fermentasi di mana elektron yang awalnya diambil dari turunan glukosa dikembalikan ke produk yang lebih hilir melalui transfer merah/sapi lainnya (dijelaskan secara lebih rinci dalam modul tentang fermentasi). Atau, NADH dapat didaur ulang kembali menjadi NAD+ dengan menyumbangkan elektron ke sesuatu yang dikenal sebagai rantai transpor elektron (ini tercakup dalam modul respirasi dan transpor elektron).

Nasib piruvat seluler

  • Piruvat dapat digunakan sebagai akseptor elektron terminal (baik secara langsung maupun tidak langsung) dalam reaksi fermentasi, dan dibahas dalam modul fermentasi.
  • Piruvat dapat disekresikan dari sel sebagai produk limbah.
  • Piruvat dapat dioksidasi lebih lanjut untuk mengekstrak lebih banyak energi bebas dari bahan bakar ini.
  • Piruvat dapat berfungsi sebagai senyawa perantara berharga yang menghubungkan beberapa jalur metabolisme pemrosesan karbon inti

Oksidasi lebih lanjut dari piruvat

Pada bakteri dan archaea yang bernafas, piruvat dioksidasi lebih lanjut di sitoplasma. Dalam sel eukariotik yang bernafas secara aerobik, molekul piruvat yang dihasilkan pada akhir glikolisis diangkut ke mitokondria, yang merupakan tempat respirasi seluler dan rantai transpor elektron yang memakan oksigen (ETC dalam modul respirasi dan transpor elektron). Organisme dari ketiga domain kehidupan memiliki mekanisme yang sama untuk mengoksidasi lebih lanjut piruvat menjadi CO2. Piruvat pertama didekarboksilasi dan terikat secara kovalen dengan ko-enzim A melalui a tioester ikatan untuk membentuk molekul yang dikenal sebagai asetil-KoA. Sementara asetil-KoA dapat masuk ke beberapa jalur biokimia lainnya, kami sekarang mempertimbangkan perannya dalam memberi makan jalur melingkar yang dikenal sebagai Siklus Asam Trikarboksilat, juga disebut sebagai siklus TCA, NS Siklus Asam Sitrat atau Siklus Krebs. Proses ini dirinci di bawah ini.

Konversi Piruvat Menjadi Asetil-KoA

Dalam reaksi multi-langkah yang dikatalisis oleh enzim piruvat dehidrogenase, piruvat dioksidasi oleh NAD+, dekarboksilasi, dan terikat secara kovalen dengan molekul ko-enzim A melalui ikatan tioester. Pelepasan karbon dioksida penting di sini, reaksi ini sering menghasilkan kehilangan massa dari selsebagai CO2 akan berdifusi atau diangkut keluar sel dan menjadi produk limbah. Selain itu, satu molekul NAD+ direduksi menjadi NADH selama proses ini per molekul piruvat teroksidasi. Ingat: ada dua molekul piruvat yang dihasilkan pada akhir glikolisis untuk setiap molekul glukosa yang dimetabolisme; dengan demikian, jika kedua molekul piruvat ini dioksidasi menjadi asetyo-CoA, dua dari enam karbon asli akan diubah menjadi limbah.

Diskusi yang disarankan

Kami telah membahas pembentukan ikatan tioester di unit lain dan kuliah. Di mana ini secara khusus? Apa makna energik dari ikatan ini? Apa persamaan dan perbedaan antara contoh ini (pembentukan tioester dengan CoA) dan contoh kimia sebelumnya?

Gambar 1. Setelah memasuki matriks mitokondria, kompleks multi-enzim mengubah piruvat menjadi asetil KoA. Dalam prosesnya, karbon dioksida dilepaskan dan satu molekul NADH terbentuk.

Diskusi yang disarankan

Jelaskan aliran dan transfer energi dalam reaksi ini menggunakan kosakata yang baik - (misalnya tereduksi, teroksidasi, merah/sapi, endergonik, eksergonik, tioester, dll. dll.). Anda dapat mengedit rekan - seseorang dapat memulai deskripsi, orang lain dapat membuatnya lebih baik, orang lain dapat meningkatkannya lebih banyak, dll. .

Di hadapan yang cocok akseptor elektron terminal, asetil KoA memberikan (menukar ikatan) gugus asetilnya ke molekul empat karbon, oksaloasetat, untuk membentuk sitrat (ditunjuk sebagai senyawa pertama dalam siklus). Siklus ini disebut dengan nama yang berbeda: the siklus asam sitrat (untuk zat antara pertama yang terbentuk—asam sitrat, atau sitrat), siklus TCA (karena asam sitrat atau sitrat dan isositrat adalah asam trikarboksilat), dan Siklus Krebs, setelah Hans Krebs, yang pertama kali mengidentifikasi langkah-langkah di jalur pada tahun 1930-an pada otot terbang merpati.

Siklus Asam Trikarboksilat (TCA)

Pada bakteri dan reaksi archaea dalam siklus TCA biasanya terjadi di sitosol. Pada eukariota, siklus TCA berlangsung dalam matriks mitokondria. Hampir semua (tetapi tidak semua) enzim siklus TCA larut dalam air (tidak dalam membran), dengan pengecualian tunggal enzim suksinat dehidrogenase, yang tertanam di membran dalam mitokondria (pada eukariota). Tidak seperti glikolisis, siklus TCA adalah loop tertutup: bagian terakhir dari jalur meregenerasi senyawa yang digunakan pada langkah pertama. Delapan langkah siklus adalah serangkaian reaksi red/ox, dehidrasi, hidrasi, dan dekarboksilasi yang menghasilkan dua molekul karbon dioksida, satu ATP, dan bentuk NADH dan FADH tereduksi.2.

Gambar 2. Dalam siklus TCA, gugus asetil dari asetil KoA melekat pada molekul oksaloasetat empat karbon untuk membentuk molekul sitrat enam karbon. Melalui serangkaian langkah, sitrat dioksidasi, melepaskan dua molekul karbon dioksida untuk setiap gugus asetil yang dimasukkan ke dalam siklus. Dalam prosesnya, tiga NAD+ molekul direduksi menjadi NADH, satu FAD+ molekul direduksi menjadi FADH2, dan satu ATP atau GTP (tergantung pada jenis sel) diproduksi (oleh fosforilasi tingkat substrat). Karena produk akhir dari siklus TCA juga merupakan reaktan pertama, siklus berjalan terus menerus dengan adanya reaktan yang cukup.

Atribusi: “Yikrazuul”/Wikimedia Commons (dimodifikasi)

Catatan

Kami secara eksplisit mengacu pada eukariota, bakteri, dan archaea ketika kami membahas lokasi siklus TCA karena banyak siswa awal biologi cenderung secara eksklusif mengaitkan siklus TCA dengan mitokondria. Ya, siklus TCA terjadi di mitokondria sel eukariotik. Namun, jalur ini tidak eksklusif untuk eukariota; itu terjadi pada bakteri dan archaea juga!

Langkah-langkah dalam Siklus TCA

Langkah 1:

Langkah pertama dari siklus ini adalah reaksi kondensasi yang melibatkan gugus asetil dua karbon dari asetil-KoA dengan satu molekul oksaloasetat berkarbon empat. Produk dari reaksi ini adalah molekul enam karbon sitrat dan koenzim bebas A. Langkah ini dianggap ireversibel karena sangat eksergonik. Selain itu, laju reaksi ini dikendalikan melalui umpan balik negatif oleh ATP. Jika tingkat ATP meningkat, laju reaksi ini menurun. Jika ATP dalam pasokan pendek, tingkat meningkat. Jika belum, alasannya akan segera terlihat.

Langkah 2:

Pada langkah kedua, sitrat kehilangan satu molekul air dan mendapatkan yang lain karena sitrat diubah menjadi isomernya, isositrat.

Langkah 3:

Pada langkah ketiga, isositrat dioksidasi oleh NAD+ dan dekarboksilasi. Melacak karbon! Karbon ini sekarang kemungkinan besar meninggalkan sel sebagai limbah dan tidak lagi tersedia untuk membangun biomolekul baru. Oksidasi isositrat menghasilkan molekul lima karbon, -ketoglutarat, molekul CO2 dan NADH. Langkah ini juga diatur oleh umpan balik negatif dari ATP dan NADH, dan melalui umpan balik positif dari ADP.

Langkah 4:

Langkah 4 dikatalisis oleh enzim suksinat dehidrogenase. Di sini, -ketoglutarat dioksidasi lebih lanjut oleh NAD+. Oksidasi ini kembali mengarah pada dekarboksilasi dan dengan demikian hilangnya karbon lain sebagai limbah. Sejauh ini dua karbon telah masuk ke dalam siklus dari asetil-KoA dan dua telah keluar sebagai CO2. Pada tahap ini, tidak ada perolehan bersih karbon yang diasimilasi dari molekul glukosa yang dioksidasi ke tahap metabolisme ini. Tidak seperti langkah sebelumnya, namun suksinat dehidrogenase - seperti piruvat dehidrogenase sebelumnya - menggabungkan energi bebas dari reaksi red/ox dan dekarboksilasi eksergonik untuk mendorong pembentukan ikatan tioester antara substrat ko-enzim A dan suksinat (yang tersisa setelah dekarboksilasi). Suksinat dehidrogenase diatur oleh penghambatan umpan balik ATP, suksinil-KoA, dan NADH.

Diskusi yang disarankan

Kami telah melihat beberapa langkah dalam jalur ini dan jalur lain yang diatur oleh mekanisme umpan balik alosterik. Apakah ada kesamaan tentang langkah-langkah ini dalam siklus TCA? Mengapa ini bisa menjadi langkah yang baik untuk mengatur?

Diskusi yang disarankan

Ikatan tioester telah muncul kembali! Gunakan istilah yang telah kita pelajari (misalnya reduksi, oksidasi, kopling, eksergonik, endergonik, dll.) untuk menggambarkan pembentukan ikatan ini dan di bawah hidrolisisnya.

Langkah 5:

Pada langkah lima, peristiwa fosforilasi tingkat substrat terjadi. Di sini fosfat anorganik (PSaya) ditambahkan ke GDP atau ADP untuk membentuk GTP (setara ATP untuk tujuan kita) atau ATP. Energi yang mendorong peristiwa fosforilasi tingkat substrat ini berasal dari hidrolisis molekul CoA dari suksinil~KoA untuk membentuk suksinat. Mengapa GTP atau ATP diproduksi? Dalam sel hewan ada dua isoenzim (bentuk berbeda dari enzim yang melakukan reaksi yang sama), untuk langkah ini, tergantung pada jenis jaringan hewan di mana sel-sel itu ditemukan. Satu isozim ditemukan dalam jaringan yang menggunakan sejumlah besar ATP, seperti jantung dan otot rangka. Isozim ini menghasilkan ATP. Isozim kedua dari enzim ditemukan di jaringan yang memiliki sejumlah besar jalur anabolik, seperti hati. Isozim ini menghasilkan GTP. GTP secara energetik setara dengan ATP; namun, penggunaannya lebih dibatasi. Secara khusus, proses sintesis protein terutama menggunakan GTP. Sebagian besar sistem bakteri menghasilkan GTP dalam reaksi ini.

Langkah 6:

Langkah enam adalah reaksi merah/sapi lain di mana suksinat dioksidasi oleh FAD+ menjadi fumarat. Dua atom hidrogen ditransfer ke FAD+, menghasilkan FADH2. Perbedaan potensial reduksi antara fumarat/suksinat dan NAD+/NADH setengah reaksi tidak cukup untuk membuat NAD+ reagen yang cocok untuk mengoksidasi suksinat dengan NAD+ di bawah kondisi seluler. Namun, perbedaan potensial reduksi dengan FAD+/FADH2 setengah reaksi cukup untuk mengoksidasi suksinat dan mereduksi FAD+. Tidak seperti NAD+, FAD+ tetap melekat pada enzim dan mentransfer elektron ke rantai transpor elektron secara langsung. Proses ini dimungkinkan oleh lokalisasi enzim yang mengkatalisis langkah ini di dalam membran bagian dalam mitokondria atau membran plasma (tergantung pada apakah organisme tersebut eukariotik atau tidak).

Langkah 7:

Air ditambahkan ke fumarat selama langkah tujuh, dan malat diproduksi. Langkah terakhir dalam siklus asam sitrat meregenerasi oksaloasetat dengan mengoksidasi malat dengan NAD+. Molekul lain NADH diproduksi dalam proses.

Ringkasan

Perhatikan bahwa proses ini (oksidasi piruvat menjadi Asetil-KoA diikuti oleh satu "putaran" siklus TCA) mengoksidasi sepenuhnya 1 molekul piruvat, asam organik 3 karbon, menjadi 3 molekul CO2. Keseluruhan 4 molekul NADH, 1 molekul FADH2, dan 1 molekul GTP (atau ATP) juga diproduksi. Untuk organisme yang bernafas, ini adalah mode ekstraksi energi yang signifikan, karena setiap molekul NADH dan FAD2 dapat memberi makan langsung ke rantai transpor elektron, dan seperti yang akan segera kita lihat, reaksi merah/sapi berikutnya yang didorong oleh proses ini secara tidak langsung akan menggerakkan sintesis ATP. Diskusi sejauh ini menunjukkan bahwa siklus TCA terutama merupakan jalur ekstraksi energi; berevolusi untuk mengekstrak atau mengubah sebanyak mungkin energi potensial dari molekul organik ke bentuk yang dapat digunakan sel, ATP (atau yang setara) atau membran berenergi. Namun, - dan jangan sampai kita lupa - hasil penting lainnya dari pengembangan jalur ini adalah kemampuan untuk menghasilkan beberapa molekul prekursor atau substrat yang diperlukan untuk berbagai reaksi katabolik (jalur ini menyediakan beberapa blok bangunan awal untuk membuat molekul yang lebih besar). Seperti yang akan kita bahas di bawah, ada hubungan kuat antara metabolisme karbon dan metabolisme energi.

Latihan

Cerita Energi TCA

Bekerja untuk membangun beberapa cerita energi sendiri

Ada beberapa reaksi menarik yang melibatkan transfer energi yang besar dan penataan ulang materi. Pilih beberapa. Tulis ulang reaksi dalam catatan Anda, dan berlatihlah menyusun cerita energi. Anda sekarang memiliki alat untuk membahas redistribusi energi dalam konteks gagasan dan istilah yang luas seperti eksergonik dan endergonik. Anda juga memiliki kemampuan untuk mulai mendiskusikan mekanisme (bagaimana reaksi ini terjadi) dengan menggunakan katalis enzim. Temui instruktur dan/atau TA Anda dan tanyakan kepada teman sekelas Anda untuk menguji diri tentang apa yang Anda lakukan.

Koneksi ke Aliran Karbon

Satu hipotesis yang telah kita mulai jelajahi dalam bacaan ini dan di kelas adalah gagasan bahwa "metabolisme sentral" berevolusi sebagai sarana untuk menghasilkan prekursor karbon untuk reaksi katabolik. Hipotesis kami juga menyatakan bahwa ketika sel berevolusi, reaksi-reaksi ini menjadi terhubung ke jalur: glikolisis dan siklus TCA, sebagai sarana untuk memaksimalkan efektivitasnya bagi sel. Kita dapat mendalilkan bahwa manfaat sampingan untuk mengembangkan jalur metabolisme ini adalah pembentukan NADH dari oksidasi lengkap glukosa - kita melihat awal dari ide ini ketika kita membahas fermentasi. Kita telah membahas bagaimana glikolisis tidak hanya menyediakan ATP dari fosforilasi tingkat substrat, tetapi juga menghasilkan jaring 2 molekul NADH dan 6 prekursor esensial: glukosa-6-P, fruktosa-6-P, 3-fosfogliserat, fosfoenolpiruvat, dan tentu saja , piruvat. Sementara ATP dapat digunakan oleh sel secara langsung sebagai sumber energi, NADH memiliki masalah dan harus didaur ulang kembali menjadi NAD+, untuk menjaga jalur tetap seimbang. Seperti yang kita lihat secara rinci dalam modul fermentasi, cara paling kuno yang dilakukan sel untuk mengatasi masalah ini adalah dengan menggunakan reaksi fermentasi untuk meregenerasi NAD.+.

Selama proses oksidasi piruvat melalui siklus TCA 4 prekursor esensial tambahan terbentuk: asetil~KoA, -ketoglutarat, oksaloasetat, dan suksinil~KoA. Tiga molekul CO2 hilang dan ini merupakan kehilangan massa bersih untuk sel. Prekursor ini, bagaimanapun, adalah substrat untuk berbagai reaksi katabolik termasuk produksi asam amino, asam lemak, dan berbagai co-faktor, seperti heme. Ini berarti bahwa laju reaksi melalui siklus TCA akan sensitif terhadap konsentrasi masing-masing perantara metabolisme (lebih lanjut tentang termodinamika di kelas). Intermediet metabolik adalah senyawa yang dihasilkan oleh satu reaksi (produk) dan kemudian bertindak sebagai substrat untuk reaksi berikutnya. Ini juga berarti bahwa zat antara metabolik, khususnya 4 prekursor esensial, dapat dihilangkan setiap saat untuk reaksi katabolik, jika ada permintaan, mengubah termodinamika siklus.

Tidak semua sel memiliki siklus TCA fungsional

Karena semua sel memerlukan kemampuan untuk membuat molekul prekursor ini, orang mungkin berharap bahwa semua organisme akan memiliki siklus TCA yang berfungsi penuh. Faktanya, sel-sel dari banyak organisme TIDAK memiliki semua enzim yang diperlukan untuk membentuk siklus lengkap - semua sel, bagaimanapun, DO memiliki kemampuan membuat 4 prekursor siklus TCA yang disebutkan dalam paragraf sebelumnya. Bagaimana sel bisa membuat prekursor dan tidak memiliki siklus penuh? Ingatlah bahwa sebagian besar reaksi ini dapat dibalik secara bebas, jadi, jika NAD+ diperlukan untuk oksidasi piruvat atau asetil~KoA, maka reaksi sebaliknya akan membutuhkan NADH. Proses ini sering disebut sebagai siklus TCA reduktif. Untuk mendorong reaksi ini secara terbalik (dengan memperhatikan arah yang dibahas di atas) membutuhkan energi, dalam hal ini dibawa oleh ATP dan NADH. Jika Anda mendapatkan ATP dan NADH mengemudi jalur satu arah, masuk akal bahwa mengemudi secara terbalik akan membutuhkan ATP dan NADH sebagai "input". Jadi, organisme yang tidak memiliki siklus penuh masih dapat membuat 4 prekursor metabolik utama dengan menggunakan energi dan elektron yang diekstraksi sebelumnya (ATP dan NADH) untuk menggerakkan beberapa langkah kunci secara terbalik.

Diskusi yang disarankan

Mengapa beberapa organisme tidak mengembangkan siklus TCA oksidatif sepenuhnya? Ingat, sel perlu menjaga keseimbangan di NAD+ terhadap rasio NADH serta rasio [ATP]/[AMP]/[ADP].

Tautan Tambahan

Berikut adalah beberapa tautan tambahan ke video dan halaman yang mungkin berguna bagi Anda.

Tautan Chemwiki

  • Siklus TCA Chemwiki - tautan ke bawah hingga koreksi konten utama dilakukan pada sumber daya

Link Akademi Khan

  • Siklus TCA Khan Academy - tautan ke bawah hingga koreksi konten utama dilakukan pada sumber daya

Pemecahan Piruvat

Agar piruvat, produk glikolisis, untuk memasuki jalur berikutnya, ia harus mengalami beberapa perubahan. Konversi adalah proses tiga langkah ([Gambar 1]).

Langkah 1. Gugus karboksil dikeluarkan dari piruvat, melepaskan molekul karbon dioksida ke media sekitarnya. Hasil dari langkah ini adalah gugus hidroksietil dua karbon yang terikat pada enzim (piruvat dehidrogenase). Ini adalah yang pertama dari enam karbon dari molekul glukosa asli yang dihilangkan. Langkah ini berlangsung dua kali (ingat: ada dua molekul piruvat yang dihasilkan pada akhir glikolsis) untuk setiap molekul glukosa yang dimetabolisme dengan demikian, dua dari enam karbon akan dihilangkan pada akhir kedua langkah.

Langkah 2. Gugus hidroksietil dioksidasi menjadi gugus asetil, dan elektron diambil oleh NAD + , membentuk NADH. Elektron berenergi tinggi dari NADH nantinya akan digunakan untuk menghasilkan ATP.

Langkah 3. Gugus asetil yang terikat enzim dipindahkan ke KoA, menghasilkan molekul asetil KoA.

Gambar 1: Saat memasuki matriks mitokondria, kompleks multi-enzim mengubah piruvat menjadi asetil KoA. Dalam prosesnya, karbon dioksida dilepaskan dan satu molekul NADH terbentuk.

Perhatikan bahwa selama tahap kedua metabolisme glukosa, setiap kali atom karbon dikeluarkan, ia terikat pada dua atom oksigen, menghasilkan karbon dioksida, salah satu produk akhir utama respirasi seluler.


Biologi 171

Pada akhir bagian ini, Anda akan dapat melakukan hal berikut:

  • Jelaskan bagaimana jalur melingkar, seperti siklus asam sitrat, secara mendasar berbeda dari jalur biokimia linier, seperti glikolisis
  • Jelaskan bagaimana piruvat, produk glikolisis, disiapkan untuk masuk ke dalam siklus asam sitrat!

Jika oksigen tersedia, respirasi aerobik akan maju. Dalam sel eukariotik, molekul piruvat yang dihasilkan pada akhir glikolisis diangkut ke mitokondria, yang merupakan tempat respirasi seluler. Di sana, piruvat diubah menjadi gugus asetil yang akan diambil dan diaktifkan oleh senyawa pembawa yang disebut koenzim A (CoA). Senyawa yang dihasilkan disebut asetil KoA. CoA berasal dari vitamin B5, asam pantotenat. Asetil KoA dapat digunakan dalam berbagai cara oleh sel, tetapi fungsi utamanya adalah mengantarkan gugus asetil yang berasal dari piruvat ke tahap berikutnya dari jalur katabolisme glukosa.

Pemecahan Piruvat

Agar piruvat, produk glikolisis, untuk memasuki jalur berikutnya, ia harus mengalami beberapa perubahan. Konversi adalah proses tiga langkah ((Gambar)).

Langkah 1. Gugus karboksil dikeluarkan dari piruvat, melepaskan molekul karbon dioksida ke media sekitarnya. Reaksi ini menciptakan gugus hidroksietil dua karbon yang terikat pada enzim (piruvat dehidrogenase). Kita harus mencatat bahwa ini adalah yang pertama dari enam karbon dari molekul glukosa asli yang akan dihilangkan. (Langkah ini berlangsung dua kali karena ada dua molekul piruvat yang dihasilkan pada akhir glikolsis untuk setiap molekul glukosa yang dimetabolisme secara anaerob sehingga, dua dari enam karbon akan dihilangkan pada akhir kedua langkah.)

Langkah 2. Gugus hidroksietil dioksidasi menjadi gugus asetil, dan elektron diambil oleh NAD + , membentuk NADH. Elektron berenergi tinggi dari NADH nantinya akan digunakan untuk menghasilkan ATP.

Langkah 3. Gugus asetil yang terikat enzim ditransfer ke KoA, menghasilkan molekul asetil KoA.


Perhatikan bahwa selama tahap kedua metabolisme glukosa, setiap kali atom karbon dikeluarkan, ia terikat pada dua atom oksigen, menghasilkan karbon dioksida, salah satu produk akhir utama respirasi seluler.

Asetil KoA menjadi CO2

Dengan adanya oksigen, asetil KoA memberikan gugus asetil (2C) ke molekul empat karbon, oksaloasetat, untuk membentuk sitrat, molekul enam karbon dengan tiga gugus karboksil. Jalur ini akan memanen sisa energi yang dapat diekstraksi dari apa yang dimulai sebagai molekul glukosa dan melepaskan empat CO . yang tersisa2 molekul. Jalur tunggal ini disebut dengan nama yang berbeda: siklus asam sitrat (untuk zat antara pertama yang terbentuk—asam sitrat, atau sitrat—ketika asetat bergabung dengan oksaloasetat), siklus TCA (karena asam sitrat atau sitrat dan isositrat adalah asam trikarboksilat), dan siklus Krebs , setelah Hans Krebs, yang pertama kali mengidentifikasi langkah-langkah di jalur pada tahun 1930-an pada otot terbang merpati.

Siklus Asam Sitrat

Seperti konversi piruvat menjadi asetil KoA, siklus asam sitrat terjadi dalam matriks mitokondria. Hampir semua enzim dalam siklus asam sitrat dapat larut, kecuali enzim suksinat dehidrogenase, yang tertanam di membran dalam mitokondria. Tidak seperti glikolisis, siklus asam sitrat adalah loop tertutup: bagian terakhir dari jalur meregenerasi senyawa yang digunakan pada langkah pertama. Delapan langkah siklus adalah serangkaian reaksi redoks, dehidrasi, hidrasi, dan dekarboksilasi yang menghasilkan dua molekul karbon dioksida, satu GTP/ATP, dan pembawa tereduksi NADH dan FADH2 ((Angka)). Ini dianggap sebagai jalur aerobik karena NADH dan FADH2 dihasilkan harus mentransfer elektron mereka ke jalur berikutnya dalam sistem, yang akan menggunakan oksigen. Jika transfer ini tidak terjadi, langkah oksidasi dari siklus asam sitrat juga tidak terjadi. Perhatikan bahwa siklus asam sitrat menghasilkan sangat sedikit ATP secara langsung dan tidak secara langsung mengkonsumsi oksigen.


Langkah-langkah dalam Siklus Asam Sitrat

Langkah 1. Sebelum langkah pertama, fase transisi terjadi selama asam piruvat diubah menjadi asetil KoA. Kemudian, langkah pertama siklus dimulai: Langkah kondensasi ini menggabungkan gugus asetil dua karbon dengan molekul oksaloasetat empat karbon untuk membentuk molekul sitrat enam karbon. KoA terikat pada gugus sulfhidril (-SH) dan berdifusi untuk akhirnya bergabung dengan gugus asetil lain. Langkah ini tidak dapat diubah karena sangat eksergonik. Laju reaksi ini dikendalikan oleh umpan balik negatif dan jumlah ATP yang tersedia. Jika tingkat ATP meningkat, laju reaksi ini menurun. Jika ATP dalam pasokan pendek, tingkat meningkat.

Langkah 2. Pada langkah kedua, sitrat kehilangan satu molekul air dan mendapatkan yang lain karena sitrat diubah menjadi isomernya, isositrat.

Langkah 3. Pada langkah ketiga, isositrat dioksidasi, menghasilkan molekul lima karbon, -ketoglutarat, bersama dengan molekul CO2 dan dua elektron, yang mereduksi NAD+ menjadi NADH. Langkah ini juga diatur oleh umpan balik negatif dari ATP dan NADH dan efek positif dari ADP.

Langkah 4. Langkah tiga dan empat merupakan langkah oksidasi dan dekarboksilasi, yang seperti telah kita lihat, melepaskan elektron yang mereduksi NAD + menjadi NADH dan melepaskan gugus karboksil yang membentuk CO2 molekul. Alfa-ketoglutarat adalah produk dari langkah ketiga, dan gugus suksinil adalah produk dari langkah keempat. KoA berikatan dengan gugus suksinil membentuk suksinil KoA. Enzim yang mengkatalisis langkah keempat diatur oleh inhibisi umpan balik ATP, suksinil KoA, dan NADH.

Langkah 5. Pada langkah lima, gugus fosfat diganti dengan koenzim A, dan ikatan berenergi tinggi terbentuk. Energi ini digunakan dalam fosforilasi tingkat substrat (selama konversi gugus suksinil menjadi suksinat) untuk membentuk guanin trifosfat (GTP) atau ATP. Ada dua bentuk enzim, yang disebut isoenzim, untuk langkah ini, tergantung pada jenis jaringan hewan di mana mereka ditemukan. Salah satu bentuk ditemukan dalam jaringan yang menggunakan sejumlah besar ATP, seperti jantung dan otot rangka. Bentuk ini menghasilkan ATP. Bentuk kedua dari enzim ditemukan di jaringan yang memiliki jumlah jalur anabolik yang tinggi, seperti hati. Formulir ini menghasilkan GTP. GTP secara energetik setara dengan ATP, namun penggunaannya lebih terbatas. Secara khusus, sintesis protein terutama menggunakan GTP.

Langkah 6. Langkah enam adalah proses dehidrasi yang mengubah suksinat menjadi fumarat. Dua atom hidrogen ditransfer ke FAD, mereduksinya menjadi FADH2. (Catatan: energi yang terkandung dalam elektron hidrogen ini tidak cukup untuk mereduksi NAD+ tetapi cukup untuk mereduksi FAD.) Tidak seperti NADH, pembawa ini tetap melekat pada enzim dan mentransfer elektron ke rantai transpor elektron secara langsung. Proses ini dimungkinkan oleh lokalisasi enzim yang mengkatalisis langkah ini di dalam membran bagian dalam mitokondria.

Langkah 7. Air ditambahkan dengan hidrolisis ke fumarat selama langkah tujuh, dan malat diproduksi. Langkah terakhir dalam siklus asam sitrat meregenerasi oksaloasetat dengan mengoksidasi malat. Molekul lain NADH kemudian diproduksi dalam proses.

Produk dari Siklus Asam Sitrat

Dua atom karbon masuk ke dalam siklus asam sitrat dari setiap gugus asetil, mewakili empat dari enam karbon dari satu molekul glukosa. Dua molekul karbon dioksida dilepaskan pada setiap putaran siklus namun, ini tidak harus mengandung atom karbon yang paling baru ditambahkan. Kedua atom karbon asetil pada akhirnya akan dilepaskan pada putaran selanjutnya dari siklus sehingga, keenam atom karbon dari molekul glukosa asli akhirnya dimasukkan ke dalam karbon dioksida. Setiap putaran siklus membentuk tiga molekul NADH dan satu FADH2 molekul. Pembawa ini akan terhubung dengan bagian terakhir dari respirasi aerobik, rantai transpor elektron, untuk menghasilkan molekul ATP. Satu GTP atau ATP juga dibuat di setiap siklus. Beberapa senyawa antara dalam siklus asam sitrat dapat digunakan dalam mensintesis asam amino nonesensial oleh karena itu, siklusnya bersifat amfibolik (baik katabolik maupun anabolik).

Ringkasan Bagian

Dengan adanya oksigen, piruvat diubah menjadi gugus asetil yang melekat pada molekul pembawa koenzim A. Asetil KoA yang dihasilkan dapat memasuki beberapa jalur, tetapi paling sering, gugus asetil dikirim ke siklus asam sitrat untuk katabolisme lebih lanjut. Selama konversi piruvat menjadi gugus asetil, satu molekul karbon dioksida dan dua elektron berenergi tinggi dilepaskan. Karbon dioksida menyumbang dua (konversi dua molekul piruvat) dari enam karbon molekul glukosa asli. Elektron diambil oleh NAD + , dan NADH membawa elektron ke jalur selanjutnya untuk produksi ATP. Pada titik ini, molekul glukosa yang semula memasuki respirasi sel telah teroksidasi sempurna. Energi potensial kimia yang tersimpan dalam molekul glukosa telah ditransfer ke pembawa elektron atau telah digunakan untuk mensintesis beberapa ATP.

Siklus asam sitrat adalah serangkaian reaksi redoks dan dekarboksilasi yang menghilangkan elektron berenergi tinggi dan karbon dioksida. Elektron, sementara disimpan dalam molekul NADH dan FADH2, digunakan untuk menghasilkan ATP di jalur berikutnya. Satu molekul GTP atau ATP diproduksi oleh fosforilasi tingkat substrat pada setiap putaran siklus. Tidak ada perbandingan jalur siklik dengan jalur linier.

Respons Gratis

Apa perbedaan utama antara jalur melingkar dan jalur linier?

Dalam jalur melingkar, produk akhir reaksi juga merupakan reaktan awal. Jalur ini berlangsung dengan sendirinya, selama salah satu perantara dari jalur tersebut disuplai. Jalur melingkar mampu mengakomodasi beberapa titik masuk dan keluar, sehingga sangat cocok untuk jalur amfibolik. Dalam jalur linier, satu perjalanan melalui jalur melengkapi jalur, dan perjalanan kedua akan menjadi peristiwa independen.

Glosarium


Oksidasi Piruvat Menjadi Asetil-KoA

1. Piruvat secara oksidatif didekarboksilasi menjadi asetil-KoA (“aktif asetat”) sebelum membentuk siklus asam sitrat.

2. Reaksi dikatalisis oleh kompleks multi-enzim yang terdiri dari beberapa enzim yang berbeda. Kompleks ini dikenal sebagai kompleks piruvat dehidrogenase.

3. Piruvat didekarboksilasi dalam tekanan tiamin pirofosfat (TPP) menjadi turunan hidroksimetil yang bereaksi dengan lipoat teroksidasi menjadi dari S-asetil lipoat yang dikatalisis oleh enzim piruvat dehidrogenase.

4. S-asetil lipoat bereaksi dengan koenzim A untuk membentuk asetil-KoA dan lipoat tereduksi dengan adanya di-hydrolipoyl transacetylase.

5. Lipoat tereduksi dioksidasi ulang oleh FAD dengan adanya dihydrolipoyl dehydroge&synase.

6. Akhirnya, FAD tereduksi dioksidasi oleh NAD+ . NAD (NADH + H + ) tereduksi memasuki rantai pernapasan menghasilkan 3 ATP.

7. Kompleks piruvat dehidrogenase terdiri dari sekitar 29 mol piruvat de­hidrogenase dan 8 mol dihidorlipoil dehidrogenase yang didistribusikan sekitar 1 mol transasetilase.

1. Peningkatan asam piruvat dari diet karbohidrat & shidrat menghambat piruvat dehidrogenase kinase yang membentuk piruvat de & shyhydrogenase aktif. Hal ini menyebabkan penguraian asam piruvat dengan cepat menjadi asetil-KoA.

2. Actyl-CoA dan NADH yang dibentuk oleh oksidasi p yang ditingkatkan selama kelaparan dan diabetes mclitus mengaktifkan piruvat dehi&shidrogenase kinase yang menurunkan bentuk piruvat dehidrogenase “aktif”. Oleh karena itu, lebih sedikit asam piruvat yang dikatabolisme dan gli & sikolisis juga dihambat.

Arsenitc menghambat piruvat dehidrogenase dan defisiensi diet tiamin juga memungkinkan piru&syvat menumpuk. Pecandu alkohol kronis juga menderita kekurangan tiamin yang menghasilkan akumulasi asam piruvat. Asidosis laktat disebabkan oleh defisiensi piruvat dehidroge & sinase yang diturunkan.


Ringkasan Bab

ATP berfungsi sebagai mata uang energi untuk sel. Ini memungkinkan sel untuk menyimpan energi secara singkat dan mengangkutnya di dalam sel untuk mendukung reaksi kimia endergonik. Struktur ATP adalah nukleotida RNA dengan tiga fosfat terpasang. Karena ATP digunakan untuk energi, satu atau dua gugus fosfat terlepas, dan menghasilkan ADP atau AMP. Energi yang berasal dari katabolisme glukosa digunakan untuk mengubah ADP menjadi ATP. Ketika ATP digunakan dalam reaksi, fosfat ketiga untuk sementara melekat pada substrat dalam proses yang disebut fosforilasi. Dua proses regenerasi ATP yang digunakan bersama dengan katabolisme glukosa adalah fosforilasi tingkat substrat dan fosforilasi oksidatif melalui proses kemiosmosis.

7.2 Glikolisis

Glikolisis adalah jalur pertama yang digunakan dalam pemecahan glukosa untuk mengekstrak energi. Itu mungkin salah satu jalur metabolisme paling awal untuk berevolusi dan digunakan oleh hampir semua organisme di bumi. Glikolisis terdiri dari dua bagian: Bagian pertama menyiapkan cincin glukosa enam karbon untuk pembelahan menjadi dua gula tiga karbon. ATP diinvestasikan dalam proses selama setengah ini untuk memberi energi pada pemisahan. Paruh kedua glikolisis mengekstrak ATP dan elektron berenergi tinggi dari atom hidrogen dan mengikatnya ke NAD + . Dua molekul ATP diinvestasikan pada paruh pertama dan empat molekul ATP dibentuk oleh fosforilasi substrat selama paruh kedua. Ini menghasilkan keuntungan bersih dua ATP dan dua molekul NADH untuk sel.

7.3 Oksidasi Piruvat dan Siklus Asam Sitrat

Dengan adanya oksigen, piruvat diubah menjadi gugus asetil yang melekat pada molekul pembawa koenzim A. Asetil KoA yang dihasilkan dapat memasuki beberapa jalur, tetapi paling sering, gugus asetil dikirim ke siklus asam sitrat untuk katabolisme lebih lanjut. Selama konversi piruvat menjadi gugus asetil, satu molekul karbon dioksida dan dua elektron berenergi tinggi dilepaskan. Karbon dioksida menyumbang dua (konversi dua molekul piruvat) dari enam karbon molekul glukosa asli. Elektron diambil oleh NAD + , dan NADH membawa elektron ke jalur selanjutnya untuk produksi ATP. Pada titik ini, molekul glukosa yang semula memasuki respirasi sel telah teroksidasi sempurna. Energi potensial kimia yang tersimpan dalam molekul glukosa telah ditransfer ke pembawa elektron atau telah digunakan untuk mensintesis beberapa ATP.

Siklus asam sitrat adalah serangkaian reaksi redoks dan dekarboksilasi yang menghilangkan elektron berenergi tinggi dan karbon dioksida. Elektron disimpan sementara dalam molekul NADH dan FADH2 digunakan untuk menghasilkan ATP di jalur berikutnya. Satu molekul GTP atau ATP diproduksi oleh fosforilasi tingkat substrat pada setiap putaran siklus. Tidak ada perbandingan jalur siklik dengan jalur linier.

7.4 Fosforilasi Oksidatif

Rantai transpor elektron adalah bagian dari respirasi aerobik yang menggunakan oksigen bebas sebagai akseptor elektron terakhir dari elektron yang dikeluarkan dari senyawa antara dalam katabolisme glukosa. Rantai transpor elektron terdiri dari empat kompleks multiprotein besar yang tertanam di membran mitokondria bagian dalam dan dua pembawa elektron kecil yang dapat difusi yang membawa elektron di antara mereka. Elektron dilewatkan melalui serangkaian reaksi redoks, dengan sejumlah kecil energi bebas yang digunakan pada tiga titik untuk mengangkut ion hidrogen melintasi membran. Proses ini berkontribusi pada gradien yang digunakan dalam kemiosmosis. Elektron yang melewati rantai transpor elektron secara bertahap kehilangan energi, Elektron berenergi tinggi disumbangkan ke rantai oleh NADH atau FADH2 melengkapi rantai, karena elektron berenergi rendah mereduksi molekul oksigen dan membentuk air. Tingkat energi bebas elektron turun dari sekitar 60 kkal/mol dalam NADH atau 45 kkal/mol dalam FADH2 sampai sekitar 0 kkal/mol dalam air. Produk akhir dari rantai transpor elektron adalah air dan ATP. Sejumlah senyawa antara dari siklus asam sitrat dapat dialihkan ke anabolisme molekul biokimia lainnya, seperti asam amino nonesensial, gula, dan lipid. Molekul yang sama ini dapat berfungsi sebagai sumber energi untuk jalur glukosa.

7.5 Metabolisme tanpa Oksigen

Jika NADH tidak dapat dioksidasi melalui respirasi aerobik, akseptor elektron lain digunakan. Kebanyakan organisme akan menggunakan beberapa bentuk fermentasi untuk mencapai regenerasi NAD +, memastikan kelanjutan glikolisis. Regenerasi NAD+ dalam fermentasi tidak disertai dengan produksi ATP sehingga potensi NADH untuk menghasilkan ATP menggunakan rantai transpor elektron tidak dimanfaatkan.

7.6 Koneksi Jalur Metabolik Karbohidrat, Protein, dan Lipid

Pemecahan dan sintesis karbohidrat, protein, dan lipid terhubung dengan jalur katabolisme glukosa. Gula sederhana adalah galaktosa, fruktosa, glikogen, dan pentosa. Ini dikatabolisme selama glikolisis. Asam amino dari protein terhubung dengan katabolisme glukosa melalui piruvat, asetil KoA, dan komponen siklus asam sitrat. Sintesis kolesterol dimulai dengan gugus asetil, dan komponen trigliserida berasal dari gliserol-3-fosfat dari glikolisis dan gugus asetil yang diproduksi di mitokondria dari piruvat.

7.7 Regulasi Respirasi Seluler

Respirasi sel dikendalikan oleh berbagai cara. Masuknya glukosa ke dalam sel dikendalikan oleh protein transpor yang membantu glukosa melewati membran sel. Sebagian besar kontrol proses respirasi dicapai melalui kontrol enzim spesifik di jalur. Ini adalah jenis umpan balik negatif, mematikan enzim. Enzim paling sering merespon tingkat nukleosida yang tersedia ATP, ADP, AMP, NAD +, dan FAD. Perantara lain dari jalur juga mempengaruhi enzim tertentu dalam sistem.


Piruvat mitokondria dan fluks asam lemak memodulasi kontrol aktivitas MCU yang bergantung pada MICU1

Siklus asam trikarboksilat (TCA) mengubah produk akhir glikolisis dan asam lemak -oksidasi menjadi ekuivalen pereduksi NADH dan FADH2 Meskipun penyerapan matriks mitokondria Ca 2+ meningkatkan produksi ATP, masih belum jelas apakah kekurangan substrat TCA mitokondria mengubah fluks Ca 2+ mitokondria. Kami menyelidiki efek substrat siklus TCA pada penyerapan matriks mitokondria yang dimediasi MCU dari Ca 2+ , bioenergi mitokondria, dan fluks autophagic. Penghambatan glikolisis, transpor piruvat mitokondria, atau transpor asam lemak mitokondria memicu ekspresi MCU1 gatekeeper MCU tetapi bukan subunit inti MCU. Knockdown isoform mitokondria pyruvate carrier (MPC) atau ekspresi mutan negatif dominan MPC1 R97W menghasilkan peningkatan kelimpahan protein MICU1 dan penghambatan penyerapan matriks mitokondria yang dimediasi MCU dari Ca 2+ Kami juga menemukan bahwa ablasi genetik MPC1 dalam hepatosit dan embrio tikus fibroblas mengakibatkan berkurangnya matriks istirahat Ca 2+ , kemungkinan karena peningkatan MICU1 ekspresi, tetapi mengakibatkan perubahan morfologi mitokondria. Siklus TCA bergantung pada substrat MICU1 ekspresi dimediasi oleh faktor transkripsi respon pertumbuhan awal 1 (EGR1). Memblokir piruvat mitokondria atau fluks asam lemak dikaitkan dengan peningkatan kelimpahan penanda autophagy. Studi ini mengungkapkan mekanisme yang mengontrol mesin fluks Ca 2+ yang dimediasi MCU dan itu bergantung pada ketersediaan substrat siklus TCA. Mekanisme ini menghasilkan sirkuit homeostatik metabolik yang melindungi sel dari krisis bioenergi dan kelebihan Ca2+ mitokondria selama periode stres nutrisi.

Hak Cipta © 2020 Penulis, beberapa hak dilindungi undang-undang lisensi eksklusif Asosiasi Amerika untuk Kemajuan Ilmu Pengetahuan. Tidak ada klaim untuk Pekerjaan Pemerintah AS asli.

Angka

Gambar 1:. Perampasan metabolit siklus TCA…

Gambar 1:. Perampasan metabolit siklus TCA meningkatkan kelimpahan protein MICU1.

Gambar 2.. Hepatosit yang kekurangan MPC1 menunjukkan pengurangan yang diperantarai MCU…

Gambar 2.. Hepatosit yang kekurangan MPC1 menunjukkan penurunan penyerapan Ca 2+ mitokondria yang dimediasi MCU.

A) MPC1 transkrip dianalisa…

Gambar 3:. EGR1 tetapi tidak mengatur EGR4…

Gambar 3:. EGR1 tetapi tidak EGR4 mengatur transkripsi MICU1 di bawah defisiensi substrat

Gambar 4:. Hilangnya fluks piruvat mitokondria…

Gambar 4:. Hilangnya fluks piruvat mitokondria mengganggu bioenergi seluler

A) Pengukuran konsumsi oksigen…

Gambar 5.. MICU1 mengubah konsumsi oksigen mitokondria…

Gambar 5.. MICU1 mengubah tingkat konsumsi oksigen mitokondria di hepatosit yang dihapus MPC1.

Gambar 6:. Hilangnya fluks piruvat mitokondria…

Gambar 6:. Hilangnya fluks piruvat mitokondria meningkatkan regulasi fluks autofagik

A) Gambar confocal representatif dari…

Gambar 7:. Blokade farmakologis asam lemak…

Gambar 7:. Blokade farmakologis fluks asam lemak dan ablasi genetik MPC1 menimbulkan autophagic…


10.1: Oksidasi Piruvat dan Siklus TCA - Biologi

Di bagian ini, Anda akan menjelajahi pertanyaan berikut:

  • Bagaimana piruvat, produk glikolisis, disiapkan untuk masuk ke dalam siklus asam sitrat?
  • Apa produk dari siklus asam sitrat?

Koneksi untuk Kursus AP ®

Pada tahap selanjutnya dari respirasi seluler—dan dengan adanya oksigen—piruvat yang dihasilkan dalam glikolisis diubah menjadi gugus asetil yang melekat pada molekul pembawa koenzim A. Asetil KoA yang dihasilkan biasanya dikirim dari sitoplasma ke mitokondria, suatu proses yang menggunakan beberapa ATP. Di mitokondria, asetil KoA berlanjut ke siklus asam sitrat. Siklus asam sitrat (CAC atau TCA- siklus asam trikarboksilat) juga dikenal sebagai siklus Krebs. Selama konversi piruvat menjadi gugus asetil, molekul CO2 dan dua elektron berenergi tinggi dilepaskan. (Ingat bahwa glikolisis menghasilkan dua molekul piruvat, dan masing-masing dapat menempel pada molekul CoA dan kemudian memasuki siklus asam sitrat. (Aturan sederhananya adalah “menghitung karbon.” Karena materi dan energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, kita harus menjelaskan semuanya.) Elektron diambil oleh NAD + , dan NADH membawa elektron ke jalur selanjutnya (rantai transpor elektron dijelaskan di bawah) untuk produksi ATP Molekul glukosa yang awalnya memasuki respirasi seluler dalam glikolisis telah sepenuhnya teroksidasi Energi potensial kimia yang tersimpan dalam molekul glukosa telah ditransfer ke NADH atau telah digunakan untuk mensintesis molekul ATP.

Siklus asam sitrat terjadi dalam matriks mitokondria dan melibatkan serangkaian reaksi redoks dan dekarboksilasi yang kembali menghilangkan elektron berenergi tinggi dan menghasilkan CO2. Elektron ini dibawa oleh NADH dan FADH2 ke rantai transpor elektron yang terletak di krista mitokondria. (Anda tidak perlu mengingat langkah-langkah dalam siklus asam sitrat, tetapi jika dilengkapi dengan diagram siklus, Anda harus dapat menafsirkan langkah-langkahnya.) Selama siklus, ATP disintesis dari ADP dan fosfat anorganik oleh substrat- fosforilasi tingkat.

Ide Besar 2 Sistem biologis memanfaatkan energi bebas dan blok bangunan molekuler untuk tumbuh, bereproduksi, dan mempertahankan homeostasis dinamis.
Pemahaman yang Berkelanjutan 2.A Pertumbuhan, reproduksi, dan pemeliharaan sistem kehidupan membutuhkan energi dan materi bebas.
Pengetahuan Penting 2.A.2 Organisme menangkap dan menyimpan energi bebas untuk digunakan dalam proses biologis.
Praktek Sains 1.4 Siswa dapat menggunakan representasi dan model untuk menganalisis situasi atau memecahkan masalah secara kualitatif dan kuantitatif.
Praktek Sains 3.1 Siswa dapat mengajukan pertanyaan ilmiah.
Tujuan Pembelajaran 2.4 Siswa dapat menggunakan representasi untuk mengajukan pertanyaan ilmiah tentang mekanisme dan fitur struktural apa yang memungkinkan organisme untuk menangkap, menyimpan, dan menggunakan energi bebas.
Pengetahuan Penting 2.A.2 Organisme menangkap dan menyimpan energi bebas untuk digunakan dalam proses biologis
Praktek Sains 6.2 Siswa dapat mengkonstruksi penjelasan fenomena berdasarkan bukti yang dihasilkan melalui praktik ilmiah.
Tujuan Pembelajaran 2.5 The student is able to construct explanations of the mechanisms and structural features of cells that allow organisms to capture, store, or use free energy.
Big Idea 4 Biological systems interact, and these systems and their interactions possess complex properties.
Enduring Understanding 4.A Interactions within biological systems lead to complex properties.
Pengetahuan Penting 4.A.2 Struktur dan fungsi komponen subseluler, dan interaksinya, menyediakan proses seluler yang penting.
Praktek Sains 1.4 The student can use representations and models to analyze situations or solve problems qualitatively and quantitatively.
Tujuan Pembelajaran 4.6 The student is able to use representations and models to analyze situations qualitatively to describe how interactions of subcellular structures, which possess specialized functions, provide essential functions.

Pertanyaan Tantangan Praktik Sains berisi pertanyaan tes tambahan untuk bagian ini yang akan membantu Anda mempersiapkan diri untuk ujian AP. Pertanyaan-pertanyaan ini membahas standar berikut:
[APLO 2.1][APLO 2.5][APLO 2.16][APLO 2.17][APLO 2.18]

If oxygen is available, aerobic respiration will go forward. In eukaryotic cells, the pyruvate molecules produced at the end of glycolysis are transported into mitochondria. There, pyruvate will be transformed into an acetyl group that will be picked up and activated by a carrier compound called coenzyme A (CoA). The resulting compound is called acetyl CoA . CoA is made from vitamin B5, pantothenic acid. Acetyl CoA can be used in a variety of ways by the cell, but its major function is to deliver the acetyl group derived from pyruvate to the next stage of the pathway in glucose catabolism.

Breakdown of Pyruvate

In order for pyruvate, the product of glycolysis, to enter the next pathway, it must undergo several changes. The conversion is a three-step process (Figure 7.9).

Step 1. A carboxyl group is removed from pyruvate, releasing a molecule of carbon dioxide into the surrounding medium. The result of this step is a two-carbon hydroxyethyl group bound to the enzyme (pyruvate dehydrogenase). This is the first of the six carbons from the original glucose molecule to be removed. This step proceeds twice (remember: there are dua pyruvate molecules produced at the end of glycolsis) for every molecule of glucose metabolized thus, two of the six carbons will have been removed at the end of both steps.

Step 2. The hydroxyethyl group is oxidized to an acetyl group, and the electrons are picked up by NAD + , forming NADH. The high-energy electrons from NADH will be used later to generate ATP.

Step 3. The enzyme-bound acetyl group is transferred to CoA, producing a molecule of acetyl CoA.

Note that during the second stage of glucose metabolism, whenever a carbon atom is removed, it is bound to two oxygen atoms, producing carbon dioxide, one of the major end products of cellular respiration.

Acetyl CoA to CO2

In the presence of oxygen, acetyl CoA delivers its acetyl group to a four-carbon molecule, oxaloacetate, to form citrate, a six-carbon molecule with three carboxyl groups this pathway will harvest the remainder of the extractable energy from what began as a glucose molecule. This single pathway is called by different names: the citric acid cycle (for the first intermediate formed—citric acid, or citrate—when acetate joins to the oxaloacetate), the TCA cycle (since citric acid or citrate and isocitrate are tricarboxylic acids), and the Krebs cycle , after Hans Krebs, who first identified the steps in the pathway in the 1930s in pigeon flight muscles.

Citric Acid Cycle

Like the conversion of pyruvate to acetyl CoA, the citric acid cycle takes place in the matrix of mitochondria. Almost all of the enzymes of the citric acid cycle are soluble, with the single exception of the enzyme succinate dehydrogenase, which is embedded in the inner membrane of the mitochondrion. Unlike glycolysis, the citric acid cycle is a closed loop: The last part of the pathway regenerates the compound used in the first step. The eight steps of the cycle are a series of redox, dehydration, hydration, and decarboxylation reactions that produce two carbon dioxide molecules, one GTP/ATP, and reduced forms of NADH and FADH2 (Figure 7.10). This is considered an aerobic pathway because the NADH and FADH2 produced must transfer their electrons to the next pathway in the system, which will use oxygen. If this transfer does not occur, the oxidation steps of the citric acid cycle also do not occur. Note that the citric acid cycle produces very little ATP directly and does not directly consume oxygen.

Langkah-langkah dalam Siklus Asam Sitrat

Step 1. Prior to the start of the first step, a transitional phase occurs during which pyruvic acid is converted to acetyl CoA. Then, the first step of the cycle begins: This is a condensation step, combining the two-carbon acetyl group with a four-carbon oxaloacetate molecule to form a six-carbon molecule of citrate. CoA is bound to a sulfhydryl group (-SH) and diffuses away to eventually combine with another acetyl group. This step is irreversible because it is highly exergonic. The rate of this reaction is controlled by negative feedback and the amount of ATP available. Jika tingkat ATP meningkat, laju reaksi ini menurun. Jika ATP dalam pasokan pendek, tingkat meningkat.

Langkah 2. Pada langkah kedua, sitrat kehilangan satu molekul air dan mendapatkan yang lain karena sitrat diubah menjadi isomernya, isositrat.

Step 3. In step three, isocitrate is oxidized, producing a five-carbon molecule, α-ketoglutarate, together with a molecule of CO2 and two electrons, which reduce NAD + to NADH. This step is also regulated by negative feedback from ATP and NADH, and a positive effect of ADP.

Steps 3 and 4. Steps three and four are both oxidation and decarboxylation steps, which release electrons that reduce NAD + to NADH and release carboxyl groups that form CO2 molekul. α-Ketoglutarate is the product of step three, and a succinyl group is the product of step four. CoA binds the succinyl group to form succinyl CoA. The enzyme that catalyzes step four is regulated by feedback inhibition of ATP, succinyl CoA, and NADH.

Step 5. In step five, a phosphate group is substituted for coenzyme A, and a high-energy bond is formed. This energy is used in substrate-level phosphorylation (during the conversion of the succinyl group to succinate) to form either guanine triphosphate (GTP) or ATP. There are two forms of the enzyme, called isoenzymes, for this step, depending upon the type of animal tissue in which they are found. Salah satu bentuk ditemukan dalam jaringan yang menggunakan sejumlah besar ATP, seperti jantung dan otot rangka. Bentuk ini menghasilkan ATP. The second form of the enzyme is found in tissues that have a high number of anabolic pathways, such as liver tissues. Formulir ini menghasilkan GTP. GTP secara energetik setara dengan ATP, namun penggunaannya lebih terbatas. In particular, protein synthesis primarily uses GTP.

Step 6. Step six is a dehydration process that converts succinate into fumarate. Two hydrogen atoms are transferred to FAD, producing FADH2. The energy contained in the electrons of these atoms is insufficient to reduce NAD + but adequate to reduce FAD. Unlike NADH, this carrier remains attached to the enzyme and transfers the electrons to the electron transport chain directly. This process is made possible by the localization of the enzyme catalyzing this step inside the inner membrane of the mitochondrion.

Langkah 7. Air ditambahkan ke fumarat selama langkah tujuh, dan malat diproduksi. The last step in the citric acid cycle regenerates oxaloacetate by oxidizing malate. Molekul lain NADH diproduksi dalam proses.


Acetyl CoA to CO2

In the presence of oxygen, acetyl CoA delivers its acetyl group to a four-carbon molecule, oxaloacetate, to form citrate, a six-carbon molecule with three carboxyl groups this pathway will harvest the remainder of the extractable energy from what began as a glucose molecule. This single pathway is called by different names: the citric acid cycle (for the first intermediate formed—citric acid, or citrate—when acetate joins to the oxaloacetate), the TCA cycle (since citric acid or citrate and isocitrate are tricarboxylic acids), and the Krebs cycle, after Hans Krebs, who first identified the steps in the pathway in the 1930s in pigeon flight muscles.


NADPH and Glutathione Redox Link TCA Cycle Activity to Endoplasmic Reticulum Homeostasis

Many metabolic diseases disrupt endoplasmic reticulum (ER) homeostasis, but little is known about how metabolic activity is communicated to the ER. Here, we show in hepatocytes and other metabolically active cells that decreasing the availability of substrate for the tricarboxylic acid (TCA) cycle diminished NADPH production, elevated glutathione oxidation, led to altered oxidative maturation of ER client proteins, and attenuated ER stress. This attenuation was prevented when glutathione oxidation was disfavored. ER stress was also alleviated by inhibiting either TCA-dependent NADPH production or Glutathione Reductase. Conversely, stimulating TCA activity increased NADPH production, glutathione reduction, and ER stress. Validating these findings, deletion of the Mitochondrial Pyruvate Carrier-which is known to decrease TCA cycle activity and protect the liver from steatohepatitis-also diminished NADPH, elevated glutathione oxidation, and alleviated ER stress. Together, our results demonstrate a novel pathway by which mitochondrial metabolic activity is communicated to the ER through the relay of redox metabolites.

Kata kunci: biological sciences cell biology functional aspects of cell biology.

Copyright © 2020 The Author(s). Diterbitkan oleh Elsevier Inc. Semua hak dilindungi undang-undang.


7.3 Oksidasi Piruvat dan Siklus Asam Sitrat

Pada akhir bagian ini, Anda akan dapat melakukan hal berikut:

  • Explain how a circular pathway, such as the citric acid cycle, fundamentally differs from a linear biochemical pathway, such as glycolysis
  • Describe how pyruvate, the product of glycolysis, is prepared for entry into the citric acid cycle

If oxygen is available, aerobic respiration will go forward. In eukaryotic cells, the pyruvate molecules produced at the end of glycolysis are transported into the mitochondria, which are the sites of cellular respiration. There, pyruvate is transformed into an acetyl group that will be picked up and activated by a carrier compound called coenzyme A (CoA). The resulting compound is called acetyl CoA . CoA is derived from vitamin B5, pantothenic acid. Acetyl CoA can be used in a variety of ways by the cell, but its major function is to deliver the acetyl group derived from pyruvate to the next stage of the pathway in glucose catabolism.

Breakdown of Pyruvate

In order for pyruvate, the product of glycolysis, to enter the next pathway, it must undergo several changes. The conversion is a three-step process (Figure 7.8).

Step 1. A carboxyl group is removed from pyruvate, releasing a molecule of carbon dioxide into the surrounding medium. This reaction creates a two-carbon hydroxyethyl group bound to the enzyme (pyruvate dehydrogenase). We should note that this is the first of the six carbons from the original glucose molecule to be removed. (This step proceeds twice because there are dua pyruvate molecules produced at the end of glycolsis for every molecule of glucose metabolized anaerobically thus, two of the six carbons will have been removed at the end of both steps.)

Step 2. The hydroxyethyl group is oxidized to an acetyl group, and the electrons are picked up by NAD + , forming NADH. The high-energy electrons from NADH will be used later to generate ATP.

Step 3. The enzyme-bound acetyl group is transferred to CoA, producing a molecule of acetyl CoA.

Note that during the second stage of glucose metabolism, whenever a carbon atom is removed, it is bound to two oxygen atoms, producing carbon dioxide, one of the major end products of cellular respiration.

Acetyl CoA to CO2

In the presence of oxygen, acetyl CoA delivers its acetyl (2C) group to a four-carbon molecule, oxaloacetate, to form citrate, a six-carbon molecule with three carboxyl groups this pathway will harvest the remainder of the extractable energy from what began as a glucose molecule and release the remaining four CO2 molekul. This single pathway is called by different names: the citric acid cycle (for the first intermediate formed—citric acid, or citrate—when acetate joins to the oxaloacetate), the TCA cycle (because citric acid or citrate and isocitrate are tricarboxylic acids), and the Krebs cycle , after Hans Krebs, who first identified the steps in the pathway in the 1930s in pigeon flight muscles.

Citric Acid Cycle

Like the conversion of pyruvate to acetyl CoA, the citric acid cycle takes place in the matrix of mitochondria. Almost all of the enzymes of the citric acid cycle are soluble, with the single exception of the enzyme succinate dehydrogenase, which is embedded in the inner membrane of the mitochondrion. Tidak seperti glikolisis, siklus asam sitrat adalah loop tertutup: bagian terakhir dari jalur meregenerasi senyawa yang digunakan pada langkah pertama. The eight steps of the cycle are a series of redox, dehydration, hydration, and decarboxylation reactions that produce two carbon dioxide molecules, one GTP/ATP, and the reduced carriers NADH and FADH2 (Figure 7.9). This is considered an aerobic pathway because the NADH and FADH2 produced must transfer their electrons to the next pathway in the system, which will use oxygen. If this transfer does not occur, the oxidation steps of the citric acid cycle also do not occur. Note that the citric acid cycle produces very little ATP directly and does not directly consume oxygen.

Langkah-langkah dalam Siklus Asam Sitrat

Step 1. Prior to the first step, a transitional phase occurs during which pyruvic acid is converted to acetyl CoA. Then, the first step of the cycle begins: This condensation step combines the two-carbon acetyl group with a four-carbon oxaloacetate molecule to form a six-carbon molecule of citrate. CoA is bound to a sulfhydryl group (-SH) and diffuses away to eventually combine with another acetyl group. This step is irreversible because it is highly exergonic. The rate of this reaction is controlled by negative feedback and the amount of ATP available. Jika tingkat ATP meningkat, laju reaksi ini menurun. Jika ATP dalam pasokan pendek, tingkat meningkat.

Langkah 2. In step two, citrate loses one water molecule and gains another as citrate is converted into its isomer, isocitrate.

Langkah 3. In step three, isocitrate is oxidized, producing a five-carbon molecule, α-ketoglutarate, along with a molecule of CO2 and two electrons, which reduce NAD + to NADH. This step is also regulated by negative feedback from ATP and NADH and a positive effect of ADP.

Step 4. Steps three and four are both oxidation and decarboxylation steps, which as we have seen, release electrons that reduce NAD + to NADH and release carboxyl groups that form CO2 molekul. Alpha-ketoglutarate is the product of step three, and a succinyl group is the product of step four. CoA binds with the succinyl group to form succinyl CoA. The enzyme that catalyzes step four is regulated by feedback inhibition of ATP, succinyl CoA, and NADH.

Langkah 5. In step five, a carboxyl group is substituted for coenzyme A, and a high-energy bond is formed. This energy is used in substrate-level phosphorylation (during the conversion of the succinyl group to succinate) to form either guanine triphosphate (GTP) or ATP. There are two forms of the enzyme, called isoenzymes, for this step, depending upon the type of animal tissue in which they are found. Salah satu bentuk ditemukan dalam jaringan yang menggunakan sejumlah besar ATP, seperti jantung dan otot rangka. Bentuk ini menghasilkan ATP. Bentuk kedua dari enzim ditemukan di jaringan yang memiliki jumlah jalur anabolik yang tinggi, seperti hati. Formulir ini menghasilkan GTP. GTP secara energetik setara dengan ATP, namun penggunaannya lebih terbatas. In particular, protein synthesis primarily uses GTP.

Langkah 6. Step six is a dehydration process that converts succinate into fumarate. Two hydrogen atoms are transferred to FAD, reducing it to FADH2. (Note: the energy contained in the electrons of these hydrogens is insufficient to reduce NAD + but adequate to reduce FAD.) Unlike NADH, this carrier remains attached to the enzyme and transfers the electrons to the electron transport chain directly. This process is made possible by the localization of the enzyme catalyzing this step inside the inner membrane of the mitochondrion.

Langkah 7. Water is added by hydrolysis to fumarate during step seven, and malate is produced. The last step in the citric acid cycle regenerates oxaloacetate by oxidizing malate. Another molecule of NADH is then produced in the process.

Tautan ke Pembelajaran

View an animation of the citric acid cycle here.

Products of the Citric Acid Cycle

Two carbon atoms come into the citric acid cycle from each acetyl group, representing four out of the six carbons of one glucose molecule. Two carbon dioxide molecules are released on each turn of the cycle however, these do not necessarily contain the most recently added carbon atoms. The two acetyl carbon atoms will eventually be released on later turns of the cycle thus, all six carbon atoms from the original glucose molecule are eventually incorporated into carbon dioxide. Each turn of the cycle forms three NADH molecules and one FADH2 molecule. These carriers will connect with the last portion of aerobic respiration, the electron transport chain, to produce ATP molecules. One GTP or ATP is also made in each cycle. Several of the intermediate compounds in the citric acid cycle can be used in synthesizing nonessential amino acids therefore, the cycle is amphibolic (both catabolic and anabolic).

Sebagai Associate Amazon, kami memperoleh penghasilan dari pembelian yang memenuhi syarat.

Ingin mengutip, membagikan, atau memodifikasi buku ini? Buku ini adalah Creative Commons Attribution License 4.0 dan Anda harus mengaitkan OpenStax.

    Jika Anda mendistribusikan kembali semua atau sebagian dari buku ini dalam format cetak, maka Anda harus menyertakan pada setiap halaman fisik atribusi berikut:

  • Gunakan informasi di bawah ini untuk menghasilkan kutipan. Sebaiknya gunakan alat kutipan seperti ini.
    • Penulis: Mary Ann Clark, Matthew Douglas, Jung Choi
    • Penerbit/situs web: OpenStax
    • Judul buku: Biologi 2e
    • Tanggal publikasi: 28 Mar 2018
    • Lokasi: Houston, Texas
    • URL Buku: https://openstax.org/books/biology-2e/pages/1-introduction
    • Section URL: https://openstax.org/books/biology-2e/pages/7-3-oxidation-of-pyruvate-and-the-citric-acid-cycle

    © Jan 7, 2021 OpenStax. Konten buku teks yang diproduksi oleh OpenStax dilisensikan di bawah lisensi Creative Commons Attribution License 4.0. Nama OpenStax, logo OpenStax, sampul buku OpenStax, nama OpenStax CNX, dan logo OpenStax CNX tidak tunduk pada lisensi Creative Commons dan tidak boleh direproduksi tanpa persetujuan tertulis sebelumnya dan tersurat dari Rice University.


    Tonton videonya: Oksidasi Piruvat dan Siklus Krebs Siklus Asam Sitrat (November 2022).