Jak metabolizovat glukózu na ATP

Glukóza, cukr se šesti uhlíky, je základním „vstupem“ do rovnice, která pohání celý život. Energie zvenčí se nějakým způsobem přeměňuje na energii pro buňku. Každý živý organismus, od svého nejlepšího přítele po nejnižší bakterii, má buňky, které spalují glukózu jako palivo na kořenové metabolické úrovni.

Organismy se liší v tom, do jaké míry mohou jejich buňky extrahovat energii z glukózy. Ve všech buňkách je tato energie ve formě adenosintrifosfát (ATP).

Proto jedna věc všechny živé buňky mají společné to, že metabolizují glukózu na ATP. Daná molekula glukózy vstupující do buňky mohla začít jako steaková večeře, jako kořist divokého zvířete, jako rostlinná hmota nebo jako něco jiného.

Bez ohledu na to všechny trávicí a biochemické procesy rozložily všechny molekuly s více uhlíky jakékoli látky, které organismus přijme jako potravu pro monosacharidový cukr, který vstupuje do buněčného metabolismu cesty.

Chemicky glukóza je hexóza cukr, hex což je řecká předpona pro „šest“, počet atomů uhlíku v glukóze. Jeho molekulární vzorec je

Glukóza je také a monosacharid v tom je cukr, který obsahuje pouze jednu základní jednotku, nebo monomer.Fruktóza je dalším příkladem monosacharidu, zatímco sacharózanebo stolní cukr (fruktóza plus glukóza), laktóza (glukóza plus galaktóza) a sladový cukr (glukóza plus glukóza) jsou disacharidy.

Pamatujte, že poměr atomů uhlíku, vodíku a kyslíku v glukóze je 1: 2: 1. Všechny sacharidy ve skutečnosti vykazují stejný poměr a jejich molekulární vzorce jsou všechny ve formě C._nH_2nÓ_n.

ATP je a nukleosid, v tomto případě adenosin, se třemi fosfátovými skupinami, které jsou k němu připojeny. To vlastně dělá nukleotid, protože nukleosid je pentóza cukr (buď ribóza nebo deoxyribóza) v kombinaci s dusíkatou bází (tj. adeninem, cytosinem, guaninem, thyminem nebo uracilem), zatímco nukleotid je nukleosid s jednou nebo více připojenými fosfátovými skupinami. Ale terminologie stranou, důležité je vědět ATP je to, že obsahuje adenin, ribózu a řetězec tří fosfátových (P) skupin.

ATP se provádí přes fosforylace z adenosindifosfát (ADP), a naopak, když je koncová fosfátová vazba v ATP hydrolyzovaný, ADP a P_i (anorganický fosfát) jsou produkty. ATP je považován za „energetickou měnu“ buněk, protože tato mimořádná molekula se používá k napájení téměř každého metabolického procesu.

Buněčné dýchání je soubor metabolických drah v eukaryotických organismech, který za přítomnosti přeměňuje glukózu na ATP a oxid uhličitý kyslíku, vydávání vody a produkci velkého množství ATP (36 až 38 molekul na molekulu glukózy investováno) do proces.

Vyvážený chemický vzorec pro celkovou síťovou reakci, s výjimkou nosičů elektronů a molekul energie, je:

C₆H₁₂Ó₆ + 6 O.₂ → 6 CO₂ + 6 hodin₂Ó

Buněčné dýchání ve skutečnosti zahrnuje tři odlišné a postupné cesty:

• Glykolýza, který se vyskytuje ve všech buňkách a probíhá v cytoplazmě a je vždy prvním krokem metabolismu glukózy (a u většiny prokaryot také posledním krokem).
  
• The Krebsův cyklus, nazývaný také cyklus trikarboxylové kyseliny (TCA) nebo cyklus kyseliny citronové, který se odvíjí v mitochondriální matrici.
• The elektronový transportní řetězec, který se odehrává na vnitřní mitochondriální membráně a generuje většinu ATP produkovaného v buněčném dýchání.

Poslední dva z těchto stupňů jsou závislé na kyslíku a společně tvoří aerobní dýchání. Často se však v diskusích o eukaryotickém metabolismu považuje glykolýza, i když nezávisí na kyslíku, za součást “aerobní dýchání„protože téměř celý jeho hlavní produkt, pyruvát, vstupuje do dalších dvou cest.

Při glykolýze se glukóza přeměňuje v sérii 10 reakcí na molekulu pyruvát, s a čistý zisk dvou molekul ATP a dvě molekuly „elektronového nosiče“ nikotinamid adenin dinukleotid (NADH). Pro každou molekulu glukózy vstupující do procesu se produkují dvě molekuly pyruvátu, protože pyruvát má tři atomy uhlíku na šest glukózy.

V prvním kroku se glukóza fosforyluje, aby se stala glukóza-6-fosfát (G6P). Tím se zaváže k tomu, že se glukóza bude metabolizovat, než aby se uvolňovala zpět ven buněčná membrána, protože fosfátová skupina dává G6P záporný náboj. Během několika následujících kroků se molekula přeskupí na jiný derivát cukru a poté se podruhé fosforyluje, aby se stala fruktóza-1,6-bisfosfát.

Tyto počáteční kroky glykolýzy vyžadují investici dvou ATP, protože to je zdroj fosfátových skupin ve fosforylačních reakcích.

Fruktóza-1,6-bisfosfát se štěpí na dvě různé molekuly se třemi uhlíky, z nichž každá nese svou vlastní fosfátovou skupinu; téměř všechny z nich se rychle převádějí na druhé, glyceraldehyd-3-fosfát (G3P). Od tohoto okamžiku je tedy vše duplikováno, protože pro každou „upstream“ glukózu existují dva G3P.

Od tohoto bodu je G3P fosforylován v kroku, který také produkuje NADH z oxidované formy NAD +, a poté jsou obě fosfátové skupiny vzhledem k molekulám ADP v následných přeskupovacích krocích za vzniku dvou molekul ATP spolu s koncovým uhlíkovým produktem glykolýzy pyruvát.

Jelikož se to děje dvakrát na molekulu glukózy, druhá polovina glykolýzy produkuje čtyři ATP pro a síť zisk z glykolýzy dvou ATP (protože dva byly vyžadovány na začátku procesu) a dvou NADH.

V přípravná reakcepoté, co si pyruvát generovaný v glykolýze najde cestu z cytoplazmy do mitochondriální matrice, se nejprve převede na acetát (CH₃COOH-) a CO₂ (v tomto scénáři odpadní produkt) a poté na sloučeninu zvanou acetyl koenzym Anebo acetyl CoA. V této reakci je generován NADH. To připravuje půdu pro Krebsův cyklus.

Tato série osmi reakcí je pojmenována proto, že jeden z reaktantů v prvním kroku, oxaloacetát, je také produktem v posledním kroku. Úkolem Krebsova cyklu je spíše dodavatel než výrobce: Generuje pouze dva ATP na molekulu glukózy, ale přispívá dalšími šesti NADH a dvěma FADH₂, další elektronový nosič a blízký příbuzný NADH.

(Všimněte si, že to znamená jeden ATP, tři NADH a jeden FADH₂na jedno otočení cyklu. U každé glukózy, která vstupuje do glykolýzy, vstupují do Krebsova cyklu dvě molekuly acetyl CoA.)

Na bázi per-glukózy je energie shodná do tohoto bodu čtyři ATP (dva z glykolýzy a dva z Krebsových cyklu), 10 NADH (dva z glykolýzy, dva z přípravné reakce a šest z Krebsova cyklu) a dva FADH₂ z Krebsova cyklu. Zatímco sloučeniny uhlíku v Krebsově cyklu se stále točí kolem proti proudu, elektronové nosiče se pohybují z mitochondriální matrice do mitochondriální membrána.

Když NADH a FADH₂ uvolňují své elektrony, používají se k vytvoření elektrochemického gradientu přes mitochondriální membránu. Tento přechod se používá k napájení připojení fosfátových skupin k ADP k vytvoření ATP v procesu zvaném oxidační fosforylace, tak pojmenovaný protože konečný akceptor elektronů kaskádově přecházejících z elektronového nosiče na elektronový nosič v řetězci je kyslík (O₂).

Protože každý NADH přináší tři ATP a každý FADH₂ poskytuje dva ATP v oxidační fosforylaci, což přidává (10) (3) + (2) (2) = 34 ATP do směsi. Tím pádem jedna molekula glukózy může poskytnout až 38 ATP v eukaryotické organismy.