Hvad er glucosens rolle i cellulær respiration?

Livet på Jorden er usædvanligt forskelligartet, fra de mindste bakterier, der lever i termiske udluftninger til de storslåede, mange ton elefanter, der er hjemsted i Asien. Men alle organismer (levende ting) har en række grundlæggende egenskaber til fælles, blandt dem behovet for molekyler, hvorfra de kan få energi. Processen med at udvinde energi fra eksterne kilder til vækst, reparation, vedligeholdelse og reproduktion er kendt som stofskifte.

Alle organismer består af mindst én celle (din egen krop inkluderer billioner), som er den mindste irreducerbare enhed, der inkluderer alle de egenskaber, der tilskrives livet ved hjælp af konventionelle definitioner. Metabolisme er en sådan egenskab, ligesom evnen til at replikere eller på anden måde reproducere. Hver celle på planeten kan og gør brug af glukose, uden hvilken liv på Jorden enten aldrig ville være blevet til eller se meget anderledes ud.

Glucose har formlen C₆H₁₂O₆, hvilket giver molekylet en molekylvægt på 180 gram pr. mol. (Alle kulhydrater har den generelle formel C

Glukose i naturen eksisterer som en ring med seks atomer, afbildet som sekskantet i de fleste tekster. Fem af carbonatomer er inkluderet i ringen sammen med et af iltatomerne, mens det sjette carbonatom er en del af en hydroxymethylgruppe (-CH₂OH) fastgjort til et af de andre kulstoffer.

Aminosyrer, som glukose, er fremtrædende monomerer i biokemi. Ligesom glykogen er samlet fra lange kæder af glucose, proteiner syntetiseres fra lange kæder af aminosyrer. Mens der er 20 forskellige aminosyrer med adskillige funktioner til fælles, kommer glukose kun i en molekylær form. Således er sammensætningen af ​​glykogen i det væsentlige uforanderlig, mens proteiner varierer meget fra den ene til den næste.

Metabolismen af ​​glukose for at give energi i form af adenosintrifosfat (ATP) og CO₂ (kuldioxid, et affaldsprodukt i denne ligning) er kendt som cellulær respiration. Den første af de tre grundlæggende faser af cellulær respiration er glykolyse, en serie på 10 reaktioner, der ikke kræver ilt, mens de sidste to trin er Krebs cykler (også kendt som citronsyrecyklus) og elektrontransportkæde, som kræver ilt. Sammen er disse to sidste faser kendt som aerob respiration.

Cellular respiration forekommer næsten udelukkende i eukaryoter (dyr, planter og svampe). Prokaryoter (de for det meste encellede domæner, der inkluderer bakterier og arkæer) stammer energi fra glukose, men næsten altid fra glykolyse alene. Implikationen er, at prokaryote celler kun kan generere omkring en tiendedel af energien pr. Molekyle glukose, som eukaryote celler kan, som det bliver beskrevet senere.

"Cellular respiration" og "aerob respiration" bruges ofte ombytteligt, når man diskuterer metabolismen af ​​eukaryote celler. Det er forstået, at glykolyse, selvom en anaerob proces, næsten altid fortsætter til de sidste to cellulære respirationstrin. Uanset om at opsummere glukosens rolle i cellulær åndedræt: Uden den stopper vejrtrækningen, og tab af liv følger.

Enzymer er kugleformede proteiner, der fungerer som katalysatorer i kemiske reaktioner. Dette betyder, at disse molekyler hjælper med at fremskynde reaktioner, der ellers stadig ville fortsætte uden enzymerne, men langt langsommere - nogle gange med en faktor på godt over tusind. Når enzymer virker, ændres de ikke selv i slutningen af ​​reaktionen, mens molekylerne, de virker på, kaldet substrater, ændres efter design med reaktanter såsom glucose transformeret til produkter såsom CO₂.

Glukose og ATP har en vis kemisk lighed med hinanden, men bruger den energi, der er lagret i bindingerne af tidligere molekyle til at drive syntesen af ​​sidstnævnte molekyle kræver betydelig biokemisk akrobatik på tværs cellen. Næsten hver cellulær reaktion katalyseres af et specifikt enzym, og de fleste enzymer er specifikke for en reaktion og dens substrater. Glykolyse, Krebs-cyklussen og elektrontransportkæden kombineret har omkring to dusin reaktioner og enzymer.

Når glucose kommer ind i en celle ved at diffundere gennem plasmamembranen, er den straks bundet til en phosphat (P) gruppe, eller phosphoryleret. Dette fanger glukose i cellen på grund af den negative ladning af P. Denne reaktion, der producerer glucose-6-phosphat (G6P), forekommer under indflydelse af enzymet hexokinase. (De fleste enzymer ender på "-ase", hvilket gør det ret nemt at vide, hvornår du har at gøre med en i biologiverden.)

Derefter omarrangeres G6P til en fosforyleret type sukker fruktose, og derefter tilføjes endnu en P. Kort efter opdeles seks-kulstofmolekylet i to tre-kulstofmolekyler, hver med en fosfatgruppe; disse ordner sig hurtigt i det samme stof, glyceraldehyd-3-phosphat (G-3-P).

Hvert molekyle af G-3-P gennemgår en række omlægningstrin, der skal omdannes til molen med tre carbonatomer pyruvat, der producerer to molekyler ATP og et molekyle af højenergi-elektronbæreren NADH (reduceret fra nicotinamidadenindinukleotid eller NAD +) i processen.

Den første halvdel af glykolyse forbruger 2 ATP i phosphoryleringstrinnene, mens den anden halvdel giver i alt 2 pyruvat, 2 NADH og 4 ATP. Med hensyn til direkte energiproduktion, glykolyse resulterer således i 2 ATP pr. glukosemolekyle. Dette repræsenterer for de fleste prokaryoter det effektive loft for glukoseudnyttelse. I eukaryoter er glukose-cellulær respirationsshow kun begyndt.

Pyruvatmolekylerne bevæger sig derefter fra cellens cytoplasma til indersiden af ​​de kaldte organeller mitokondrier, som er lukket af deres egen dobbelte plasmamembran. Her opdeles pyruvat i CO₂ og acetat (CH₃COOH-), og acetatet gribes af en forbindelse fra B-vitamin-klassen kaldet coenzym A (CoA) for at blive acetyl CoA, et vigtigt mellemprodukt med to carbon i en række cellulære reaktioner.

For at komme ind i Krebs-cyklussen reagerer acetyl CoA med forbindelsen med fire carbonatomer oxaloacetat at danne citrat. Fordi oxaloacetat er det sidste molekyle, der blev oprettet i Krebs-reaktionen såvel som et substrat i den første reaktion, tjener serien beskrivelsen "cyklus". Cyklussen inkluderer i alt otte reaktioner, som reducerer sekscarboncitratet til et fem-carbonmolekyle og derefter til en række mellemprodukter med fire carbon, inden de ankommer igen til oxaloacetat.

Hvert molekyle af pyruvat, der kommer ind i Krebs-cyklussen, resulterer i produktionen af ​​yderligere to CO₂, 1 ATP, 3 NADH og et molekyle af en elektronbærer svarende til NADH kaldet flavin-adenindinukleotideller FADH₂.

• Krebs-cyklussen kan kun fortsætte, hvis elektrontransportkæden fungerer nedstrøms for at samle NADH og FADH₂ det genererer. Således, hvis der ikke er ilt tilgængeligt for cellen, stopper Krebs-cyklussen.

NADH og FADH₂ flytte til den indre mitokondrie membran til denne proces. Kædens rolle er oxidativ fosforylering af ADP-molekyler for at blive ATP. Brintatomerne fra elektronbærerne bruges til at skabe en elektrokemisk gradient på tværs af mitokondriemembranen. Energien fra denne gradient, der er afhængig af ilt til i sidste ende at modtage elektronerne, udnyttes til at drive ATP-syntese.

Hvert glukosemolekyle bidrager overalt fra 36 til 38 ATP gennem cellulær respiration: 2 i glykolyse, 2 i Krebs-cyklussen og 32 til 34 (afhængigt af hvordan dette måles i laboratoriet) i elektrontransporten kæde.