Všechny organismy využívají molekulu zvanou glukóza a proces nazvaný glykolýza aby uspokojili některé nebo všechny své energetické potřeby. Pro jednobuněčné prokaryotické organismy, jako jsou bakterie, je to jediný dostupný proces pro generování ATP (adenosintrifosfát, „energetická měna“ buněk).
Eukaryotické organismy (zvířata, rostliny a houby) mají sofistikovanější buněčný aparát a z molekuly glukózy mohou dostat mnohem více - ve skutečnosti více než patnáctkrát více ATP. Je to proto, že tyto buňky využívají buněčné dýchání, což je v celém rozsahu glykolýza plus aerobní dýchání.
Reakce zahrnující oxidační dekarboxylace v buněčném dýchání zvané mostní reakce slouží jako centrum zpracování mezi striktně anaerobními reakcemi glykolýzy a dvěma kroky aerobního dýchání, ke kterým dochází v mitochondriích. Tento můstkový stupeň, formálněji nazývaný oxidace pyruvátu, je tedy nezbytný.
Blížící se most: Glykolýza
V glykolýze řada deseti reakcí v buněčné cytoplazmě převádí molekulu cukru se šesti uhlíky glukózy na dvě molekuly pyruvátu, sloučeniny se třemi uhlíky, přičemž produkuje celkem dva ATP molekuly. V první části glykolýzy, která se nazývá investiční fáze, jsou k pohybu reakcí skutečně zapotřebí dvě ATP zatímco ve druhé části, návratové fázi, je to více než kompenzováno syntézou čtyř ATP molekuly.
Investiční fáze: Glukóza má připojenou fosfátovou skupinu a poté je přeskupena na molekulu fruktózy. Tato molekula má zase přidanou fosfátovou skupinu a výsledkem je dvojnásobně fosforylovaná molekula fruktózy. Tato molekula je poté rozdělena a stávají se dvěma identickými molekulami se třemi uhlíky, každá s vlastní fosfátovou skupinou.
Fáze návratu: Každá ze dvou molekul se třemi uhlíky má stejný osud: má připojenou další fosfátovou skupinu a každou z nich se používá k výrobě ATP z ADP (adenosindifosfát), přičemž se přeskupuje na pyruvát molekula. Tato fáze také generuje molekulu NADH z molekuly NAD+.
Čistý energetický výnos je tedy 2 ATP na glukózu.
Mostní reakce
Mostní reakce, nazývaná také přechodová reakce, se skládá ze dvou kroků. První je dekarboxylace pyruvátu a druhým je připojení toho, co zbylo molekule zvané koenzym A.
Konec molekuly pyruvátu je uhlík s dvojnou vazbou na atom kyslíku a jednoduchou vazbou s hydroxylovou (-OH) skupinou. V praxi je atom H v hydroxylové skupině disociován z atomu O, takže lze předpokládat, že tato část pyruvátu má jeden atom C a dva atomy O. Při dekarboxylaci se odstraní jako CO2nebo oxid uhličitý.
Potom zbytek molekuly pyruvátu, nazývaný acetylová skupina, který má vzorec CH3C (= O), se připojí ke koenzymu A v místě dříve obsazeném karboxylovou skupinou pyruvátu. V procesu NAD+ je snížena na NADH. Na molekulu glukózy je můstková reakce:
2 CH3C (= O) C (O) O- + 2 CoA + 2 NAD+ → 2 CH3C (= O) CoA + 2 NADH
After the Bridge: Aerobic Respiration
Krebsův cyklus: Umístění Krebsova cyklu je v mitochondriální matrici (materiál uvnitř membrán). Zde se acetyl CoA kombinuje s molekulou se čtyřmi uhlíky zvanou oxaloacetát, čímž se vytvoří molekula se šesti uhlíky, citrát. Tato molekula se v řadě kroků rozloží zpět na oxaloacetát a zahájí cyklus znovu.
Výsledkem jsou 2 ATP spolu s 8 NADH a 2 FADH2 (elektronové nosiče) pro další krok.
Elektronový transportní řetězec: Tyto reakce probíhají podél vnitřní mitochondriální membrány, do které jsou vloženy čtyři specializované skupiny koenzymů, pojmenované Komplex I až IV. Ty využívají energii v elektronech na NADH a FADH2 k řízení syntézy ATP, přičemž konečným akceptorem elektronů je kyslík.
Výsledkem je 32 až 34 ATP, čímž se celkový energetický výtěžek buněčného dýchání nastaví na 36 až 38 ATP na molekulu glukózy.