Какъв е основният източник на клетъчна енергия?

Вероятно сте разбрали от младини, че храната, която ядете, трябва да стане „нещо“, много по-малко от тази храна за каквото и да е „в“ храна, за да може да помогне на тялото ви. Както се случва, по-конкретно, една молекула от тип въглехидрати класифициран като a захар е крайният източник на гориво при всяка метаболитна реакция, протичаща във всяка клетка по всяко време.

Тази молекула е глюкоза, шест въглеродна молекула под формата на остър пръстен. Във всички клетки той влиза гликолиза, а в по-сложни клетки също участва ферментация, фотосинтеза и клетъчно дишане в различна степен при различните организми.

Но различен начин на отговор на въпроса "Коя молекула се използва от клетките като енергиен източник?" го тълкува като: "Каква молекула директно задвижва собствените процеси на клетката? "

Тази "захранваща" молекула, която подобно на глюкозата е активна във всички клетки, е ATP, или аденозин трифосфат, нуклеотид, често наричан „енергийната валута на клетките“. Тогава за коя молекула трябва да се сетите, когато се запитате: "Каква молекула е горивото за всички клетки?" Глюкоза ли е или АТФ?

Отговорът на този въпрос е подобен на разбирането на разликата между казването „Хората получават изкопаеми горива от земята“ и „Хората получават изкопаеми горивна енергия от електроцентрали, задвижвани с въглища. "И двете твърдения са верни, но разглеждат различни етапи от метаболитната верига за преобразуване на енергия реакции. В живите същества, глюкозата е основната хранителни вещества, но ATP е основното гориво.

Всички живи същества принадлежат към една от двете широки категории: прокариоти и еукариоти. Прокариотите са едноклетъчни организми от таксономията домейни Бактерии и археи, докато всички еукариоти попадат в областта Eukaryota, която включва животни, растения, гъби и протести.

Прокариотите са малки и прости в сравнение с еукариотите; клетките им са съответно по-малко сложни. В повечето случаи прокариотната клетка е същото като прокариотния организъм и енергийните нужди на бактерията са далеч по-ниски от тези на всяка еукариотна клетка.

Прокариотните клетки имат същите четири компонента, които се намират във всички клетки в естествения свят: ДНК, клетъчна мембрана, цитоплазма и рибозоми. Цитоплазмата им съдържа всички ензими, необходими за гликолизата, но липсата на митохондрии и хлоропласти означава, че гликолизата е наистина единственият метаболитен път, достъпен за прокариотите.

Прочетете повече за приликите и разликите между прокариотните и еукариотните клетки.

Глюкозата е шествъглеродна захар под формата на пръстен, представена на диаграми с шестоъгълна форма. Химичната му формула е С₆З.₁₂О₆, придавайки му съотношение C / H / O от 1: 2: 1; това е вярно всъщност или всички биомолекули, класифицирани като въглехидрати.

Глюкозата се счита за a монозахарид, което означава, че не може да се редуцира в различни, по-малки захари чрез разкъсване на водородните връзки между различните компоненти. Фруктозата е друг монозахарид; захароза (трапезна захар), която се получава чрез свързване на глюкоза и фруктоза, се счита за а дизахарид.

Глюкозата се нарича още „кръвна захар“, тъй като именно това съединение се измерва в кръвта, когато клиника или болнична лаборатория определят метаболитния статус на пациента. Той може да се влива директно в кръвния поток в интравенозни разтвори, тъй като не изисква разграждане, преди да влезе в телесните клетки.

ATP е a нуклеотид, което означава, че се състои от една от петте различни азотни основи, пет въглеродна захар, наречена рибоза и една до три фосфатни групи. Основите в нуклеотидите могат да бъдат или аденин (А), цитозин (С), гуанин (G), тимин (Т) или урацил (U). Нуклеотидите са градивните елементи на нуклеиновите киселини ДНК и РНК; A, C и G се намират и в двете нуклеинови киселини, докато T се намира само в ДНК и U само в РНК.

"TP" в ATP, както видяхте, означава "трифосфат" и показва, че ATP има максимален брой фосфатни групи, който може да има нуклеотид - три. Повечето АТФ се получават чрез свързване на фосфатна група към ADP или аденозин дифосфат, процес, известен като фосфорилиране.

АТФ и неговите производни имат широк спектър от приложения в биохимията и медицината, много от които са в изследователски стадии, тъй като 21-ви век наближава третото десетилетие.

Освобождаването на енергия от храната включва разкъсване на химическите връзки в хранителните компоненти и използване на тази енергия за синтеза на молекули АТФ. Например въглехидратите са всички окислена в крайна сметка до въглероден диоксид (CO₂) и вода (H₂О). Мазнините също се окисляват, като веригите им от мастни киселини дават ацетатни молекули, които след това влизат в аеробно дишане в еукариотните митохондрии.

Продуктите на разграждането на протеините са богати на азот и се използват за изграждането на други протеини и нуклеинови киселини. Но някои от 20-те аминокиселини, от които са изградени протеините, могат да бъдат модифицирани и да влязат в клетъчния метаболизъм на ниво клетъчно дишане (напр. След гликолиза)

Резюме:Гликолизата директно произвежда 2 ATP за всяка молекула глюкоза; той доставя пируват и електронни носители за по-нататъшни метаболитни процеси.

Гликолизата е поредица от десет реакции, при които молекула глюкоза се трансформира в две молекули от тривъглеродната молекула пируват, като по този начин се получават 2 АТФ. Състои се от ранна "инвестиционна" фаза, в която 2 АТФ се използват за свързване на фосфатни групи към променящата се молекула на глюкозата, и по-късна фаза на "връщане" в което глюкозното производно, след като се раздели на двойка междинни съединения с три въглерода, дава 2 ATP на три въглеродни съединения и това 4 като цяло.

Това означава, че нетният ефект на гликолизата е да произведе 2 ATP на молекула глюкоза, тъй като 2 ATP се консумират във фазата на инвестиция, но общо 4 ATP се получават във фазата на изплащане.

Прочетете повече за гликолизата.

Резюме:Ферментацията попълва НАД⁺ за гликолиза; той не произвежда ATP директно.

Когато присъства недостатъчно кислород за задоволяване на енергийните нужди, като например, когато бягате много усилено или усилено вдигате тежести, гликолизата може да бъде единственият наличен метаболитен процес. Тук идва „изгарянето с млечна киселина“, за което може би сте чували. Ако пируватът не може да влезе в аеробно дишане, както е описано по-долу, той се превръща в лактат, който самият не прави много добро, но гарантира, че гликолизата може да продължи, като доставя ключова междинна молекула наречен НАД⁺.

Резюме:Цикълът на Кребс произвежда 1 ATP на ход на цикъла (и по този начин 2 АТФ на глюкоза "нагоре по веригата", тъй като 2 пируват могат да образуват 2 ацетил КоА).

При нормални условия на адекватен кислород почти целият пируват, генериран при гликолиза в еукариотите, се премества от цитоплазмата в органели ("малки органи"), известни като митохондрии, където се превръща в двувъглеродната молекула ацетил коензим А (ацетил CoA) чрез отстраняване и освобождаване на CO₂. Тази молекула се комбинира с молекула с четири въглерода, наречена оксалоацетат, за да създаде цитрат, първата стъпка в така наречения TCA цикъл или цикъла на лимонената киселина.

Това "колело" от реакции в крайна сметка редуцира цитрата обратно до оксалоацетат и по пътя се генерира единичен АТФ заедно с четири така наречени високоенергийни електронни носители (NADH и FADH₂).

Резюме:Електронната транспортна верига дава около 32 до 34 ATP на молекула глюкоза "нагоре по веригата", което я прави най-големият принос за клетъчната енергия в еукариотите.

Електронните носители от цикъла на Кребс се придвижват от вътрешността на митохондриите към вътрешната мембрана на органелата, която има всички видове специализирани ензими, наречени цитохроми, готови за работа. Накратко, когато електроните под формата на водородни атоми се отнемат от носителите си, това засилва фосфорилирането на ADP молекулите в голяма част от АТФ.

Кислородът трябва да присъства като краен акцептор на електрони в каскадата, протичаща през мембраната, за да настъпи тази верига от реакции. Ако не е, процесът на клетъчно дишане се „архивира“ и цикълът на Кребс също не може да възникне.