Jaká je role glukózy v buněčném dýchání?

Život na Zemi je mimořádně různorodý, od nejmenších bakterií žijících v termálních průduchech až po honosné mnohotonové slony, kteří žijí v Asii. Ale všechny organismy (živé bytosti) mají řadu společných základních charakteristik, mezi nimi i potřebu molekul, z nichž lze odvodit energii. Proces získávání energie z externích zdrojů pro růst, opravy, údržbu a reprodukci je známý jako metabolismus.

Všechny organismy se skládají z alespoň jednoho buňka (vaše vlastní tělo zahrnuje biliony), což je nejmenší neredukovatelná entita, která zahrnuje všechny vlastnosti připisované životu pomocí konvenčních definic. Jednou z takových vlastností je metabolismus, stejně jako schopnost replikace nebo jiné reprodukce. Každá buňka na planetě může a využívá glukóza, bez nichž by život na Zemi buď nikdy nevznikl, nebo by vypadal velmi odlišně.

Glukóza má vzorec C.₆H₁₂Ó₆, což molekule dává molekulovou hmotnost 180 gramů na mol. (Všechny sacharidy mají obecný vzorec C._nH_2nÓ_n.) Díky tomu má glukóza zhruba stejnou velikost jako největší aminokyseliny.

Glukóza v přírodě existuje jako kruh se šesti atomy, který je ve většině textů zobrazen jako šestihranný. Pět z atomů uhlíku je zahrnuto v kruhu spolu s jedním z atomů kyslíku, zatímco šestý atom uhlíku je součástí hydroxymethylové skupiny (-CH₂OH) připojený k jednomu z ostatních uhlíků.

Aminokyseliny, jako je glukóza, jsou významnými monomery v biochemii. Stejně jako glykogen je sestaven z dlouhých řetězců glukózy, proteiny jsou syntetizovány z dlouhých řetězců aminokyselin. I když existuje 20 odlišných aminokyselin s mnoha společnými rysy, glukóza přichází pouze v jedné molekulární formě. Složení glykogenu je tedy v podstatě neměnné, zatímco proteiny se velmi liší od jednoho k druhému.

Metabolismus glukózy za vzniku energie ve formě adenosintrifosfátu (ATP) a CO₂ (oxid uhličitý, odpadní produkt v této rovnici) je známý jako buněčné dýchání. První ze tří základních stupňů buněčného dýchání je glykolýza, série 10 reakcí, které nevyžadují kyslík, zatímco poslední dvě fáze jsou Krebsův cyklus (také známý jako cyklus kyseliny citronové) a elektronový transportní řetězec, které vyžadují kyslík. Společně jsou tyto poslední dvě fáze známé jako aerobní dýchání.

Buněčné dýchání se vyskytuje téměř úplně v eukaryoty (zvířata, rostliny a houby). Prokaryotes (většinou jednobuněčné domény, které zahrnují bakterie a archea) odvozují energii z glukózy, ale prakticky vždy pouze ze samotné glykolýzy. Důsledkem je, že prokaryotické buňky mohou generovat pouze asi jednu desetinu energie na molekulu glukózy, jak to mohou eukaryotické buňky, jak je podrobně popsáno dále.

„Buněčné dýchání" a „aerobní dýchání" se často používají zaměnitelně při diskusích o metabolismu eukaryotických buněk. Rozumí se, že glykolýza, i když je anaerobním procesem, téměř vždy pokračuje k posledním dvěma krokům buněčného dýchání. Bez ohledu na shrnutí role glukózy v buněčném dýchání: Bez ní se dýchání zastaví a následuje ztráta života.

Enzymy jsou globulární proteiny, které působí jako katalyzátory v chemických reakcích. To znamená, že tyto molekuly pomáhají urychlovat reakce, které by jinak stále probíhaly bez enzymů, ale mnohem pomaleji - někdy až o faktor více než tisíc. Když enzymy působí, samy se na konci reakce nemění, zatímco molekuly, na které působí, nazývané substráty, se mění záměrně, s reaktanty jako je glukóza přeměněná na produkty, jako je CO₂.

Glukóza a ATP mají určitou chemickou podobnost, ale využívají energii uloženou ve vazbách dřívější molekula k syntéze druhé molekuly vyžaduje značnou biochemickou akrobacii buňka. Téměř každá buněčná reakce je katalyzována specifickým enzymem a většina enzymů je specifická pro jednu reakci a její substráty. Glykolýza, Krebsův cyklus a elektronový transportní řetězec kombinují asi dvě desítky reakcí a enzymů.

Když glukóza vstupuje do buňky difúzí přes plazmatickou membránu, je okamžitě připojena k fosfátové (P) skupině nebo fosforylovaný. Toto zachycuje glukózu v buňce v důsledku negativního náboje P. K této reakci, při které vzniká glukóza-6-fosfát (G6P), dochází pod vlivem enzymu hexokináza. (Většina enzymů končí na „-ase“, takže je celkem snadné zjistit, kdy máte co do činění s jedním ve světě biologie.)

Odtud je G6P přeskupen na fosforylovaný typ cukru fruktóza, a poté se přidá další P. Brzy nato je molekula se šesti uhlíky rozdělena na dvě molekuly se třemi uhlíky, každá s fosfátovou skupinou; tyto se brzy připraví na stejnou látku, glyceraldehyd-3-fosfát (G-3-P).

Každá molekula G-3-P prochází řadou kroků přeskupení, které mají být převedeny na molekulu se třemi uhlíky pyruvát, produkující v tomto procesu dvě molekuly ATP a jednu molekulu vysokoenergetického elektronového nosiče NADH (redukovaného z nikotinamidadenindinukleotidu nebo NAD +).

První polovina glykolýzy spotřebuje ve fosforylačních krocích 2 ATP, zatímco druhá polovina poskytuje celkem 2 pyruvát, 2 NADH a 4 ATP. Pokud jde o přímou výrobu energie, glykolýza tedy vede ke 2 ATP na molekulu glukózy. To pro většinu prokaryot představuje efektivní strop využití glukózy. U eukaryot se show glukózo-buněčného dýchání teprve začala.

Molekuly pyruvátu se poté pohybují z cytoplazmy buňky do vnitřku volaných organel mitochondrie, které jsou uzavřeny vlastní dvojitou plazmatickou membránou. Zde se pyruvát rozdělí na CO₂ a acetát (CH₃COOH-) a acetát je zachycen sloučeninou ze skupiny vitamínů B zvanou koenzym A (CoA), aby se stal acetyl CoA, důležitý meziprodukt se dvěma uhlíky v řadě buněčných reakcí.

Pro vstup do Krebsova cyklu reaguje acetyl CoA se sloučeninou se čtyřmi uhlíky oxaloacetát tvořit citrát. Protože oxaloacetát je poslední molekulou vytvořenou v Krebsově reakci a také substrátem v první reakci, získává řada popis „cyklus“. Cyklus zahrnuje celkem osm reakcí, které redukují šestikarbonový citrát na molekulu s pěti atomy uhlíku a poté na řadu meziproduktů se čtyřmi uhlíky, než opět dorazí na oxaloacetát.

Každá molekula pyruvátu vstupující do Krebsova cyklu vede k produkci dalších dvou CO₂, 1 ATP, 3 NADH a jedna molekula elektronového nosiče podobná NADH flavin adenin dinukleotidnebo FADH₂.

• Krebsův cyklus může pokračovat pouze v případě, že elektronový transportní řetězec pracuje po proudu, aby zachytil NADH a FADH₂ generuje. Pokud tedy buňka nemá k dispozici kyslík, Krebsův cyklus se zastaví.

NADH a FADH₂ pro tento proces se přesuňte na vnitřní mitochondriální membránu. Role řetězce je oxidační fosforylace molekul ADP, aby se staly ATP. Atomy vodíku z elektronových nosičů se používají k vytvoření elektrochemického gradientu přes mitochondriální membránu. Energie z tohoto gradientu, která spoléhá na kyslík, aby nakonec přijal elektrony, je využita k napájení syntézy ATP.

Každá molekula glukózy přispívá kdekoli od 36 do 38 ATP prostřednictvím buněčného dýchání: 2 v glykolýze, 2 v Krebsově cyklu a 32 až 34 (v závislosti na tom, jak se to měří v laboratoři) v transportu elektronů řetěz.