Какво прави гликолизата?

Гликолизата е универсален процес сред форми на живот на планетата Земя. От най-простите едноклетъчни бактерии до най-големите китове в морето, всички организми - или по-точно, всяка една от техните клетки - използват шествъглеродната захарна молекула глюкоза като енергиен източник.

Гликолиза е набор от 10 биохимични реакции, който служи като начална стъпка към пълното разграждане на глюкозата. В много организми това е и последната и следователно единствена стъпка.

Гликолизата е първият от трите етапа на клетъчно дишане в таксономичната (т.е. класификация на живота) област Еукариота (или еукариоти), които включват животни, растения, протисти и гъби.

В областите Бактерии и Археи, които заедно съставляват предимно едноклетъчните организми, наречени прокариоти, гликолизата е единственото метаболитно шоу в града, тъй като в клетките им липсва механизъм за извършване на клетъчно дишане до неговото завършване.

Пълната реакция, обхваната от отделните етапи на гликолиза, е:

° С₆Н₁₂О₆ + 2 NAD⁺ + 2 ADP + 2 P_i → 2 СН₃(C = O) COOH + 2 ATP + 2 NADH + 4 H⁺ + 2 Н₂О

С думи, това означава, че глюкозата, електронният носител никотинамид аденин динуклеотид, аденозин дифосфат и неорганичен фосфат (P_i) комбинират се, за да образуват пируват, аденозин трифосфат, редуцираната форма на никотинамид аденин динуклеотид и водородни йони (които могат да се разглеждат като електрони).

Имайте предвид, че кислородът не се появява в това уравнение, тъй като гликолизата може да продължи без О₂. Това може да доведе до объркване, тъй като, тъй като гликолизата е необходим предшественик на аеробните сегменти на клетъчно дишане при еукариоти ("аеробно" означава "с кислород"), то често погрешно се разглежда като аеробно процес.

Глюкозата е въглехидрат, което означава, че нейната формула приема съотношението на два водородни атома за всеки въглероден и кислороден атом: C_нН_2нО_н. Това е захар, и по-специално а монозахарид, което означава, че не може да бъде разделен на други захари, както и дизахариди захароза и галактоза. Той включва шест атомна пръстеновидна форма, пет атома от които са въглерод и един от които е кислород.

Глюкозата може да се съхранява в тялото като полимер, наречен гликоген, което не е нищо повече от дълги вериги или листове от отделни молекули глюкоза, съединени с водородни връзки. Гликоген се съхранява предимно в черния дроб и в мускулите.

Спортисти, които предпочитат да използват определени мускули (напр. Маратонци, които разчитат на квадрицепсите и прасеца си мускули) се адаптират чрез тренировка, за да съхраняват необичайно големи количества глюкоза, често наричани „карбо-зареждане“.

Аденозин трифосфатът (АТФ) е „енергийната валута“ на всички живи клетки. Това означава, че когато храната се яде и се разгражда до глюкоза преди да влезе в клетките, крайната цел на метаболизма на глюкозата е синтез на АТФ, процес, задвижван от енергията, отделяна при връзките в глюкозата и молекулите, в които се превръща при гликолиза и аеробно дишане са разделени.

АТФ, генериран чрез тези реакции, се използва за основните ежедневни нужди на тялото, като растеж и възстановяване на тъканите, както и за физически упражнения. Тъй като интензивността на упражненията се увеличава, тялото се отдалечава от изгарянето на мазнини или триглицериди (чрез окисляване на мастни киселини) до изгаряне на глюкоза, тъй като последният процес води до повече АТФ, създаден на молекула гориво.

На практика всички биохимични реакции разчитат на помощта от специализирани протеинови молекули, наречени ензими за да продължите.

Ензимите са катализатори, което означава, че те ускоряват реакциите - понякога с фактор от милион или повече - без те сами да бъдат променени в реакцията. Обикновено те са кръстени на молекулите, върху които действат и имат "-аза" в края, като "фосфоглюкозна изомераза", която пренарежда атомите в глюкозо-6-фосфат във фруктоза-6-фосфат.

(Изомерите са съединения с еднакви атоми, но различни структури, аналогични на анаграмите в света на думите.)

Повечето ензими в човешките реакции отговарят на правилото "един към един", което означава, че всеки ензим катализира определена реакция и обратно, че всяка реакция може да бъде катализирана само от един ензим. Това ниво на специфичност помага на клетките да регулират плътно скоростта на реакциите и, като разширение, количествата различни продукти, произведени в клетката по всяко време.

Когато глюкозата навлезе в клетката, първото нещо, което се случва, е, че тя се фосфорилира - тоест молекула фосфат е прикрепена към един от въглеродите в глюкозата. Това дава отрицателен заряд на молекулата, като ефективно я улавя в клетката. Това глюкоза-6-фосфат след това се изомеризира, както е описано по-горе, в фруктоза-6-фосфат, който след това преминава през друга стъпка на фосфорилиране, за да стане фруктоза-1,6-бисфосфат.

Всеки от етапите на фосфорилиране включва отстраняване на фосфат от АТФ, напускане аденозин дифосфат (ADP) отзад. Това означава, че въпреки че целта на гликолизата е да произведе АТФ за използване на клетката, това включва "начални разходи" от 2 АТФ на молекула глюкоза, влизаща в цикъла.

След това фруктоза-1,6-бисфосфатът се разделя на две тривъглеродни молекули, всяка със свой собствен фосфат. Едно от тези, дихидроксиацетон фосфат (DHAP) е краткотраен, тъй като бързо се трансформира в другия, глицералдехид-3-фосфат. По този начин от този момент нататък всяка изброена реакция всъщност се случва два пъти за всяка молекула глюкоза, влизаща в гликолиза.

Глицералдехид-3-фосфатът се превръща в 1,3-дифосфоглицерат чрез добавяне на фосфат към молекулата. Вместо да бъде получен от АТФ, този фосфат съществува като свободен или неорганичен (т.е. без връзка с въглерод) фосфат. В същото време НАД⁺ се преобразува в NADH.

В следващите стъпки двата фосфата се отделят от поредица от три въглеродни молекули и се добавят към ADP за генериране на АТФ. Тъй като това се случва два пъти на оригинална глюкозна молекула, общо 4 АТФ се създават в тази фаза на "изплащане". Тъй като фазата на "инвестиция" изисква въвеждане на 2 АТФ, общият прираст в АТФ на глюкозна молекула е 2 АТФ.

За справка, след 1,3-дифосфоглицерат, молекулите в реакцията са 3-фосфоглицерат, 3-фосфоглицерат, фосфоенолпируват и накрая пируват.

В еукариотите пируватът може да продължи по един от двата пътя след гликолиза, в зависимост от това дали има достатъчно кислород, за да може аеробното дишане да продължи. Ако е така, което обикновено се случва, когато родителският организъм си почива или тренира леко, пируватът се отделя от цитоплазмата, където гликолизата настъпва в органели ("малки органи") Наречен митохондрии.

Ако клетката принадлежи на прокариот или на много трудолюбив еукариот - да речем, човек, който бяга на половин миля или вдига интензивно тежести - пируватът се превръща в лактат. Докато в повечето клетки самият лактат не може да се използва като гориво, тази реакция създава NAD⁺ от NADH, като по този начин позволява гликолизата да продължи "нагоре", като доставя критичен източник на NAD⁺.

Този процес е известен като млечнокисела ферментация.

Аеробните фази на клетъчното дишане, които се провеждат в митохондриите, се наричат Цикъл на Кребс и електронна транспортна верига, и те се появяват в този ред. The Цикъл на Кребс (често наричан цикъл на лимонена киселина или цикъл на трикарбоксилна киселина) се разгръща в средата на митохондриите, докато електронна транспортна верига заема места върху мембраната на митохондриите, която формира нейната граница с цитоплазмата.

Нетната реакция на клетъчното дишане, включително гликолиза, е:

° С₆Н₁₂О₆ + 6 O.₂ → 6 CO₂ + 6 Н₂O + 38 ATP

Цикълът на Кребс добавя 2 ATP, а електронната транспортна верига огромен 34 ATP за общо 38 ATP на молекула глюкоза, напълно консумирана (2 + 2 + 34) в трите метаболитни процеса.