Как да метаболизираме глюкозата, за да направим АТФ

Глюкозата, шествъглеродната захар, е основният „вход“ в уравнението, което задвижва целия живот. Енергията отвън по някакъв начин се превръща в енергия за клетката. Всеки жив организъм, от вашия най-добър приятел до най-ниската бактерия, има клетки, които изгарят глюкоза за гориво на коренно метаболитно ниво.

Организмите се различават по степента, до която техните клетки могат да извличат енергия от глюкозата. Във всички клетки тази енергия е под формата на аденозин трифосфат (ATP).

Следователно едно нещо общото между всички живи клетки е, че те метаболизират глюкозата, за да образуват АТФ. Дадена молекула глюкоза, влизаща в клетката, може да е започнала като вечеря на пържоли, като плячка на диво животно, като растителна материя или като нещо друго.

Независимо от това, различни храносмилателни и биохимични процеси са разбили всички многовъглеродни молекули в каквито вещества организмът поглъща за подхранване на монозахаридната захар, която навлиза в клетъчния метаболизъм пътеки.

Химически, глюкоза е хексоза захар, шестнадесетичен е гръцкият префикс за "шест", броят на въглеродните атоми в глюкозата. Неговата молекулярна формула е ° С₆Н₁₂О₆, което му дава молекулно тегло от 180 грама на мол.

Глюкозата също е монозахарид в това е захар, която включва само една основна единица, или мономер.Фруктоза е друг пример за монозахарид, докато захарозаили трапезна захар (фруктоза плюс глюкоза), лактоза (глюкоза плюс галактоза) и малтоза (глюкоза плюс глюкоза) са дизахариди.

Имайте предвид, че съотношението на въглеродните, водородните и кислородните атоми в глюкозата е 1: 2: 1. Всички въглехидрати всъщност показват същото съотношение и техните молекулни формули са във формата С_нН_2нО_н.

ATP е a нуклеозид, в този случай аденозин, с три фосфатни групи, прикрепени към него. Това всъщност го прави a нуклеотид, тъй като нуклеозидът е a пентоза захар (или рибоза или дезоксирибоза) в комбинация с азотна основа (т.е. аденин, цитозин, гуанин, тимин или урацил), докато нуклеотидът е нуклеозид с прикрепена една или повече фосфатни групи. Но настрана терминологията, важното нещо, за което трябва да знаете ATP е, че съдържа аденин, рибоза и верига от три фосфатни (Р) групи.

ATP се прави чрез фосфорилиране на аденозин дифосфат (ADP)и обратно, когато крайната фосфатна връзка в АТФ е хидролизиран, ADP и P_i (неорганичен фосфат) са продуктите. АТФ се счита за „енергийната валута“ на клетките, тъй като тази необикновена молекула се използва за захранване на почти всеки метаболитен процес.

Клетъчно дишане е наборът от метаболитни пътища в еукариотните организми, които превръщат глюкозата в АТФ и въглероден диоксид в присъствието кислород, отделяйки вода и произвеждайки богатство от АТФ (36 до 38 молекули на вложена молекула глюкоза) в процес.

Балансираната химична формула за цялостната нетна реакция, с изключение на електронните носители и енергийните молекули, е:

° С₆Н₁₂О₆ + 6 O.₂ → 6 CO₂ + 6 Н₂О

Клетъчното дишане всъщност включва три отделни и последователни пътища:

• Гликолиза, който се среща във всички клетки и се осъществява в цитоплазмата и винаги е първата стъпка на метаболизма на глюкозата (а при повечето прокариоти и последната стъпка).
  
• The Цикъл на Кребс, наричан още цикъл на трикарбоксилната киселина (TCA) или цикъла на лимонената киселина, който се разгръща в митохондриалната матрица.
• The електронна транспортна верига, който се провежда във вътрешната митохондриална мембрана и генерира по-голямата част от АТФ, произведен в клетъчното дишане.

Последните два от тези етапи са зависими от кислорода и заедно съставляват аеробно дишане. Често обаче в дискусиите за еукариотния метаболизъм гликолизата, макар и да не зависи от кислорода, се счита за част "аеробно дишане"защото почти целият му основен продукт, пируват, продължава да влиза в другите два пътя.

При гликолизата глюкозата се превръща в серия от 10 реакции в молекулата пируват, с a нетна печалба на две молекули АТФ и две молекули на "електронния носител" никотинамид аденин динуклеотид (NADH). За всяка молекула глюкоза, влизаща в процеса, се получават две молекули пируват, тъй като пируватът има три въглеродни атома до шестте глюкозни.

В първата стъпка глюкозата се фосфорилира, за да стане глюкоза-6-фосфат (G6P). Това ангажира глюкозата да се метаболизира, вместо да се оттегля обратно през клетъчната мембрана, тъй като фосфатната група дава на G6P отрицателен заряд. През следващите няколко стъпки молекулата се пренарежда в друго производно на захарта и след това се фосфорилира втори път, за да стане фруктоза-1,6-бисфосфат.

Тези ранни стъпки на гликолиза изискват инвестиция от два АТФ, тъй като това е източникът на фосфатните групи в реакциите на фосфорилиране.

Фруктозо-1,6-бисфосфатът се разделя на две различни тривъглеродни молекули, всяка от които носи своя собствена фосфатна група; почти всички от единия от тях, бързо се преобразуват в другия, глицералдехид-3-фосфат (G3P). По този начин от този момент нататък всичко се дублира, защото има два G3P за всяка глюкоза "нагоре".

От този момент G3P се фосфорилира в етап, който също произвежда NADH от окислената форма NAD +, и тогава двете фосфатни групи се дадени на ADP молекули в последващи стъпки на пренареждане, за да се получат две ATP молекули заедно с крайния въглероден продукт на гликолиза, пируват.

Тъй като това се случва два пъти на глюкозна молекула, втората половина на гликолизата произвежда четири АТФ за a нето печалба от гликолиза на два АТФ (тъй като два са били необходими в началото на процеса) и два NADH.

В подготвителна реакция, след като генерираният при гликолизата пируват намира пътя си от цитоплазмата в митохондриалната матрица, той първо се превръща в ацетат (СН₃COOH-) и CO₂ (отпадъчен продукт в този сценарий) и след това към съединение, наречено ацетил коензим А, или ацетил КоА. В тази реакция се генерира NADH. Това поставя началото на цикъла на Кребс.

Тази поредица от осем реакции е наречена така, защото един от реагентите в първата стъпка, оксалоацетат, е и продуктът в последната стъпка. Работата на цикъла на Кребс е на доставчик, а не на производител: той генерира само два ATP на глюкозна молекула, но допринася още шест NADH и два от FADH₂, друг електронен носител и близък роднина на NADH.

(Имайте предвид, че това означава един ATP, три NADH и един FADH₂на ход на цикъла. За всяка глюкоза, която навлиза в гликолиза, две молекули ацетил КоА влизат в цикъла на Кребс.)

На база глюкоза, енергийният баланс до този момент е четири АТФ (два от гликолиза и два от Кребс цикъл), 10 NADH (два от гликолиза, два от подготвителната реакция и шест от цикъла на Кребс) и два FADH₂ от цикъла на Кребс. Докато въглеродните съединения в цикъла на Кребс продължават да се въртят нагоре по течението, електронните носители се движат от митохондриалната матрица към митохондриална мембрана.

Когато NADH и FADH₂ освобождават своите електрони, те се използват за създаване на електрохимичен градиент в митохондриалната мембрана. Този градиент се използва за захранване на прикрепването на фосфатни групи към ADP за създаване на ATP в процес, наречен окислително фосфорилиране, наречен така, защото крайният акцептор на електроните, каскадно преминаващи от електронен носител към електронен носител във веригата, е кислородът (O₂).

Тъй като всеки NADH дава три ATP и всеки FADH₂ дава два ATP в окислително фосфорилиране, това добавя (10) (3) + (2) (2) = 34 ATP към сместа. Поради това една молекула глюкоза може да даде до 38 АТФ в еукариотни организми.