Каква е ролята на глюкозата в клетъчното дишане?

Животът на Земята е изключително разнообразен, от най-малките бактерии, живеещи в термални отвори до величествените, многотонни слонове, които създават своя дом в Азия. Но всички организми (живи същества) имат редица общи общи характеристики, сред които необходимостта от молекули, от които да черпят енергия. Процесът на извличане на енергия от външни източници за растеж, ремонт, поддръжка и възпроизвеждане е известен като метаболизъм.

Всички организми се състоят поне от един клетка (вашето собствено тяло включва трилиони), което е най-малката неприводима същност, която включва всички свойства, приписани на живота, използвайки конвенционални дефиниции. Метаболизмът е едно такова свойство, както и способността за възпроизвеждане или възпроизвеждане по друг начин. Всяка клетка на планетата може и се възползва глюкоза, без които животът на Земята или никога не би възникнал, или би изглеждал съвсем различно.

Глюкозата има формулата С₆З.₁₂О₆, като молекулата получава молекулна маса от 180 грама на мол. (Всички въглехидрати имат общата формула С

Глюкозата в природата съществува като шест-атомен пръстен, изобразен като шестоъгълен в повечето текстове. Пет от въглеродните атоми са включени в пръстена заедно с един от кислородните атоми, докато шестият въглероден атом е част от хидроксиметилова група (-CH₂ОН), прикрепен към един от другите въглероди.

Аминокиселините, подобно на глюкозата, са видни мономери в биохимията. Точно като гликоген се сглобява от дълги вериги глюкоза, протеините се синтезират от дълги вериги аминокиселини. Въпреки че има 20 различни аминокиселини с много общи черти, глюкозата се предлага само в една молекулярна форма. По този начин съставът на гликогена е по същество инвариантен, докато протеините варират значително от един на друг.

Метаболизмът на глюкозата за получаване на енергия под формата на аденозин трифосфат (ATP) и CO₂ (въглероден диоксид, отпадъчен продукт в това уравнение) е известен като клетъчно дишане. Първият от трите основни етапа на клетъчното дишане е гликолиза, поредица от 10 реакции, които не изискват кислород, докато последните два етапа са Цикъл на Кребс (известен също като цикъл на лимонена киселина) и електронна транспортна верига, които наистина изискват кислород. Заедно тези два последни етапа са известни като аеробно дишане.

Клетъчното дишане се случва почти изцяло в еукариоти (животни, растения и гъби). Прокариоти (предимно едноклетъчните домейни, които включват бактерии и археи) черпят енергия от глюкоза, но на практика винаги само от гликолиза. Изводът е, че прокариотните клетки могат да генерират само около една десета от енергията на молекула глюкоза, както еукариотните клетки, както е подробно описано по-късно.

"Клетъчно дишане" и "аеробно дишане" често се използват взаимозаменяемо, когато се обсъжда метаболизмът на еукариотните клетки. Разбира се, че гликолизата, макар и анаеробен процес, почти неизменно преминава към последните две стъпки на клетъчно дишане. Независимо от това, за да обобщим ролята на глюкозата в клетъчното дишане: Без нея дишането спира и следва загуба на живот.

Ензими са глобуларни протеини, които действат като катализатори при химични реакции. Това означава, че тези молекули спомагат за ускоряване на реакциите, които иначе биха продължили без ензимите, но далеч по-бавно - понякога с фактор над хиляда. Когато ензимите действат, те не се променят сами в края на реакцията, докато молекулите, върху които действат, наречени субстрати, се променят по дизайн, с реагенти като глюкоза, трансформирана в продукти като CO₂.

Глюкозата и АТФ носят известно химическо сходство помежду си, но използвайки енергията, съхранявана в връзките на първата молекула, за да засили синтеза на последната молекула, изисква значителна биохимична акробатика клетката. Почти всяка клетъчна реакция се катализира от специфичен ензим и повечето ензими са специфични за една реакция и нейните субстрати. Гликолизата, цикълът на Кребс и електронната транспортна верига, комбинирани, включват около две дузини реакции и ензими.

Когато глюкозата навлезе в клетка чрез дифузия през плазмената мембрана, тя незабавно се свързва с фосфатна (Р) група, или фосфорилиран. Това улавя глюкозата в клетката поради отрицателния заряд на P. Тази реакция, която произвежда глюкозо-6-фосфат (G6P), протича под въздействието на ензима хексокиназа. (Повечето ензими завършват на „-ase“, което прави доста лесно да се знае, когато си имате работа с такъв в света на биологията.)

Оттам G6P се пренарежда във фосфорилиран тип захар фруктозаи след това се добавя друго Р. Скоро след това шествъглеродната молекула се разделя на две тривъглеродни молекули, всяка с фосфатна група; те скоро се подреждат в едно и също вещество, глицералдехид-3-фосфат (G-3-P).

Всяка молекула на G-3-P преминава през поредица от стъпки за пренареждане, за да се превърне в тривъглеродната молекула пируват, произвеждайки две молекули АТФ и една молекула на високоенергиен електронен носител NADH (редуциран от никотинамид аденин динуклеотид или NAD +) в процеса.

Първата половина на гликолизата консумира 2 АТФ в етапите на фосфорилиране, докато втората половина дава общо 2 пируват, 2 NADH и 4 АТФ. По отношение на прякото производство на енергия, По този начин гликолизата води до 2 АТФ на глюкозна молекула. Това за повечето прокариоти представлява ефективният таван на оползотворяване на глюкозата. При еукариотите глюкозно-клетъчното дишане едва е започнало.

След това пируватните молекули се придвижват от цитоплазмата на клетката към вътрешността на наречените органели митохондрии, които са затворени от собствена двойна плазмена мембрана. Тук пируватът се разделя на CO₂ и ацетат (СН₃COOH-), а ацетатът се улавя от съединение от клас B-витамин, наречено коензим А (CoA), за да стане ацетил КоА, важен двувъглероден междинен продукт в редица клетъчни реакции.

За да влезе в цикъла на Кребс, ацетил КоА реагира с четиривъглеродното съединение оксалоацетат за да се образува цитрат. Тъй като оксалоацетатът е последната молекула, създадена в реакцията на Кребс, както и субстрат в първата реакция, серията печели описанието "цикъл". Цикълът включва общо осем реакции, които намаляват шествъглеродния цитрат до молекула с пет въглерода и след това до серия от междинни съединения с четири въглерода, преди да пристигнат отново в оксалоацетат.

Всяка молекула пируват, влизаща в цикъла на Кребс, води до производството на още две СО₂, 1 ATP, 3 NADH и една молекула електронен носител, подобен на NADH, наречен флавин аденин динуклеотидили FADH₂.

• Цикълът на Кребс може да продължи само ако електронната транспортна верига работи надолу по веригата, за да вземе NADH и FADH₂ то генерира. По този начин, ако няма наличен кислород за клетката, цикълът на Кребс спира.

NADH и FADH₂ преместете се във вътрешната митохондриална мембрана за този процес. Ролята на веригата е окислително фосфорилиране на молекулите ADP да се превърне в АТФ. Водородните атоми от електронните носители се използват за създаване на електрохимичен градиент в митохондриалната мембрана. Енергията от този градиент, който разчита на кислорода, за да получи в крайна сметка електроните, се използва за захранване на синтеза на АТФ.

Всяка молекула глюкоза допринася от 36 до 38 АТФ чрез клетъчно дишане: 2 при гликолиза, 2 в цикъла на Кребс и 32 до 34 (в зависимост от това как се измерва в лабораторията) в електронния транспорт верига.