Alle organismer bruger et kaldet molekyle glukose og en proces kaldet glykolyse for at imødekomme nogle eller alle deres energibehov. For encellede prokaryote organismer, såsom bakterier, er dette den eneste tilgængelige proces til generering af ATP (adenosintrifosfat, cellernes "energivaluta").
Eukaryote organismer (dyr, planter og svampe) har mere sofistikerede cellulære maskiner og kan få meget mere ud af et molekyle glukose - faktisk mere end femten gange så meget ATP. Dette skyldes, at disse celler anvender cellulær respiration, som i sin helhed er glykolyse plus aerob respiration.
En reaktion, der involverer oxidativ decarboxylering i cellulær respiration kaldet broreaktion fungerer som et behandlingscenter mellem de strengt anaerobe reaktioner i glykolyse og de to trin i aerob respiration, der forekommer i mitokondrier. Dette brostadium, mere formelt kaldet pyruvatoxidation, er således vigtigt.
Nærmer sig broen: Glykolyse
I glykolyse omdanner en række på ti reaktioner i cellecytoplasma seks-kulstof sukkermolekylet glukose i to molekyler af pyruvat, en tre-carbonforbindelse, mens der i alt produceres to ATP molekyler. I den første del af glykolyse, kaldet investeringsfasen, er der faktisk behov for to ATP for at flytte reaktionerne sammen, mens i anden del, returfasen, mere end dette kompenseres af syntesen af fire ATP molekyler.
Investeringsfase: Glucose har en fosfatgruppe bundet og arrangeres derefter i et fructosemolekyle. Dette molekyle har igen tilsat en fosfatgruppe, og resultatet er et dobbelt phosphoryleret fruktosemolekyle. Dette molekyle opdeles derefter og bliver to identiske tre-kulstofmolekyler, hver med sin egen fosfatgruppe.
Returfase: Hver af de to tre-kulstofmolekyler har den samme skæbne: Den har en anden fosfatgruppe knyttet, og hver af disse bruges til at fremstille ATP fra ADP (adenosindiphosphat), mens det omarrangeres til et pyruvat molekyle. Denne fase genererer også et NADH-molekyle fra et NAD-molekyle+.
Nettoenergiudbyttet er således 2 ATP pr. Glukose.
Broreaktionen
Broreaktionen, også kaldet overgangsreaktion, består af to trin. Den første er decarboxylering af pyruvat, og det andet er fastgørelsen af, hvad der er tilbage til et molekyle, der kaldes coenzym A.
Slutningen af pyruvatmolekylet er et carbon dobbeltbundet til et oxygenatom og enkeltbundet til en hydroxyl (-OH) gruppe. I praksis adskilles H-atomet i hydroxylgruppen fra O-atomet, så denne del af pyruvat kan betragtes som at have et C-atom og to O-atomer. Ved decarboxylering fjernes dette som CO2, eller carbondioxid.
Derefter kaldes resten af pyruvatmolekylet en acetylgruppe med formlen CH3C (= O), bliver forbundet med coenzym A på det sted, der tidligere var optaget af carboxylgruppen i pyruvat. I processen NAD+ er reduceret til NADH. Per molekyle glukose er broreaktionen:
2 CH3C (= O) C (O) O- + 2 CoA + 2 NAD+ → 2 CH3C (= O) CoA + 2 NADH
Efter broen: aerob åndedræt
Krebs-cyklus: Krebs-cyklusplaceringen er i den mitokondrie matrix (materialet inde i membranerne). Her kombineres acetyl CoA med et fire-kulstofmolekyle kaldet oxaloacetat for at skabe et seks-kulstofmolekyle, citrat. Dette molekyle parres tilbage til oxaloacetat i en række trin, der starter cyklussen på ny.
Resultatet er 2 ATP sammen med 8 NADH og 2 FADH2 (elektronbærere) til næste trin.
Elektron transportkæde: Disse reaktioner forekommer langs den indre mitokondrie-membran, hvor fire specialiserede coenzymgrupper, kaldet kompleks I til IV, er indlejret. Disse bruger energien i elektronerne på NADH og FADH2 til at drive ATP-syntese, hvor ilt er den endelige elektronacceptor.
Resultatet er 32 til 34 ATP, hvilket sætter det samlede energiudbytte af cellulær respiration ved 36 til 38 ATP pr. Molekyle glukose.