Wie man Glukose verstoffwechselt, um ATP. herzustellen

Glukose, ein Zucker mit sechs Kohlenstoffatomen, ist der grundlegende "Input" in der Gleichung, die alles Leben antreibt. Energie von außen wird gewissermaßen in Energie für die Zelle umgewandelt. Jeder lebende Organismus, vom besten Freund bis zum niedrigsten Bakterium, hat Zellen, die Glukose als Brennstoff auf der Basis des Stoffwechsels verbrennen.

Organismen unterscheiden sich darin, inwieweit ihre Zellen Energie aus Glukose gewinnen können. In allen Zellen liegt diese Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP).

Daher eine Sache allen lebenden Zellen ist gemeinsam, dass sie Glukose zu ATP. verstoffwechseln. Ein bestimmtes Glukosemolekül, das in eine Zelle eindringt, könnte als Steakessen, als Beute eines wilden Tieres, als Pflanzenmaterial oder als etwas anderes begonnen haben.

Unabhängig davon haben verschiedene Verdauungs- und biochemische Prozesse alle Multi-Kohlenstoff-Moleküle in welche Substanzen der Organismus zur Ernährung des Monosaccharid-Zuckers aufnimmt, der in den Zellstoffwechsel eindringt Wege.

Chemisch, Glucose ist ein hexose Zucker, verhexen das griechische Präfix für "sechs", die Anzahl der Kohlenstoffatome in Glukose. Seine Summenformel lautet C₆H₁₂Ö₆, was ihm ein Molekulargewicht von 180 Gramm pro Mol verleiht.

Glukose ist auch ein Monosaccharid, dass es sich um einen Zucker handelt, der nur eine Grundeinheit enthält, oder Monomere.Fruktose ist ein weiteres Beispiel für ein Monosaccharid, während Saccharose, oder Haushaltszucker (Fruktose plus Glukose), Laktose (Glukose plus Galaktose) und Maltose (Glukose plus Glukose) sind Disaccharide.

Beachten Sie, dass das Verhältnis von Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoffatomen in Glucose 1:2:1 beträgt. Tatsächlich zeigen alle Kohlenhydrate dasselbe Verhältnis, und ihre Summenformeln haben alle die Form C_neinH_2nÖ_nein.

ATP ist ein Nukleosid, in diesem Fall Adenosin, mit drei daran gebundenen Phosphatgruppen. Das macht es tatsächlich zu einem Nukleotid, da ein Nukleosid a Pentose Zucker (entweder ribose oder Desoxyribose) kombiniert mit einer stickstoffhaltigen Base (d. h. Adenin, Cytosin, Guanin, Thymin oder Uracil), wohingegen ein Nukleotid ein Nukleosid mit einer oder mehreren gebundenen Phosphatgruppen ist. Aber abgesehen von der Terminologie, das Wichtigste, was Sie wissen sollten ATP besteht darin, dass es Adenin, Ribose und eine Kette von drei Phosphat(P)-Gruppen enthält.

ATP wird über die Phosphorylierung von Adenosindiphosphat (ADP), und umgekehrt, wenn die terminale Phosphatbindung in ATP hydrolysiert, ADP und P_ich (anorganisches Phosphat) sind die Produkte. ATP gilt als die "Energiewährung" der Zellen, da dieses außergewöhnliche Molekül für fast jeden Stoffwechselprozess verwendet wird.

Zellatmung ist die Reihe von Stoffwechselwegen in eukaryontischen Organismen, die Glukose in ATP und Kohlendioxid in Gegenwart umwandeln Sauerstoff, gibt Wasser ab und produziert eine Fülle von ATP (36 bis 38 Moleküle pro investiertem Glukosemolekül) im Prozess.

Die ausgewogene chemische Formel für die Gesamtnettoreaktion ohne Elektronenträger und Energiemoleküle lautet:

C₆H₁₂Ö₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂Ö

Die Zellatmung umfasst eigentlich drei verschiedene und aufeinanderfolgende Wege:

• Glykolyse, das in allen Zellen vorkommt und im Zytoplasma stattfindet und immer der erste Schritt des Glukosestoffwechsels (und bei den meisten Prokaryonten auch der letzte Schritt) ist.
  
• Das Krebs Zyklus, auch Tricarbonsäure (TCA)-Zyklus oder Zitronensäure-Zyklus genannt, der sich in der mitochondrialen Matrix entfaltet.
• Das Elektronentransportkette, das an der inneren Mitochondrienmembran stattfindet und den größten Teil des bei der Zellatmung produzierten ATP erzeugt.

Die letzten beiden dieser Stufen sind sauerstoffabhängig und bilden zusammen aerobe Atmung. Oft wird jedoch in Diskussionen über den eukaryontischen Stoffwechsel die Glykolyse, obwohl sie nicht von Sauerstoff abhängt, als Teil angesehen.aerobe Atmung" weil fast das gesamte Hauptprodukt, Pyruvat, geht weiter, um die anderen beiden Wege zu betreten.

Bei der Glykolyse wird Glucose in einer Reihe von 10 Reaktionen in das Molekül Pyruvat umgewandelt, mit a Nettogewinn von zwei Molekülen ATP und zwei Moleküle des "Elektronenträgers" Nicotinamidadenindinukleotid (NADH). Für jedes Glukosemolekül, das in den Prozess eingeht, werden zwei Pyruvatmoleküle produziert, da Pyruvat drei Kohlenstoffatome zu Glukose sechs hat.

Im ersten Schritt wird Glucose zu phosphoryliert Glucose-6-phosphat (G6P). Dies führt dazu, dass die Glukose metabolisiert wird, anstatt durch den Zellmembran, denn die Phosphatgruppe verleiht G6P eine negative Ladung. In den nächsten Schritten wird das Molekül in ein anderes Zuckerderivat umgelagert und dann ein zweites Mal phosphoryliert, um zu Fructose-1,6-bisphosphat.

Diese frühen Schritte der Glykolyse erfordern eine Investition von zwei ATP, da dies die Quelle der Phosphatgruppen in den Phosphorylierungsreaktionen ist.

Das Fructose-1,6-bisphosphat spaltet sich in zwei verschiedene Drei-Kohlenstoff-Moleküle auf, von denen jedes seine eigene Phosphatgruppe trägt; fast alle von diesen werden schnell in die andere umgewandelt, Glycerinaldehyd-3-phosphat (G3P). Von diesem Punkt an wird also alles dupliziert, weil es zwei G3P für jede Glukose "stromaufwärts" gibt.

Ab diesem Punkt wird G3P in einem Schritt phosphoryliert, der auch NADH aus der oxidierten Form NAD+ produziert, und dann werden die beiden Phosphatgruppen groups in nachfolgenden Umlagerungsschritten an ADP-Moleküle abgegeben, um zwei ATP-Moleküle zusammen mit dem Kohlenstoff-Endprodukt der Glykolyse zu produzieren, Pyruvat.

Da dies zweimal pro Glukosemolekül geschieht, produziert die zweite Hälfte der Glykolyse vier ATP für a Netz Gewinn aus der Glykolyse von zwei ATP (da zwei früh im Prozess benötigt wurden) und zwei NADH.

In dem vorbereitende Reaktion, nachdem das bei der Glykolyse entstehende Pyruvat aus dem Zytoplasma in die mitochondriale Matrix gelangt ist, wird es zunächst in Acetat (CH₃COOH-) und CO₂ (in diesem Szenario ein Abfallprodukt) und dann zu einer Verbindung namens Acetyl-Coenzym A, oder Acetyl-CoA. Bei dieser Reaktion wird ein NADH erzeugt. Dies bereitet die Bühne für den Krebs-Zyklus.

Diese Reihe von acht Reaktionen wird so genannt, weil einer der Reaktanten im ersten Schritt, Oxalacetat, ist auch das Produkt im letzten Schritt. Die Aufgabe des Krebs-Zyklus ist eher die eines Lieferanten als eines Herstellers: Er erzeugt nur zwei ATP pro Glukosemolekül, steuert aber sechs weitere NADH und zwei FADH bei₂, ein weiterer Elektronenträger und ein naher Verwandter von NADH.

(Beachten Sie, dass dies ein ATP, drei NADH und ein FADH bedeutet₂pro Zyklusumdrehung. Für jede Glukose, die in die Glykolyse eintritt, treten zwei Moleküle Acetyl-CoA in den Krebs-Zyklus ein.)

Auf Pro-Glukose-Basis beträgt die Energiebilanz bis zu diesem Punkt vier ATP (zwei aus der Glykolyse und zwei aus dem Krebs Zyklus), 10 NADH (zwei aus der Glykolyse, zwei aus der vorbereitenden Reaktion und sechs aus dem Krebs-Zyklus) und zwei FADH₂ aus dem Krebszyklus. Während sich die Kohlenstoffverbindungen im Krebs-Zyklus weiter stromaufwärts drehen, wandern die Elektronenträger von der mitochondrialen Matrix zum Mitochondrienmembran.

Wenn NADH und FADH₂ geben ihre Elektronen frei, diese werden verwendet, um einen elektrochemischen Gradienten über die mitochondriale Membran zu erzeugen. Dieser Gradient wird verwendet, um die Bindung von Phosphatgruppen an ADP anzutreiben, um ATP in einem Prozess namens. zu erzeugen oxidative Phosphorylierung, so genannt, weil der letzte Akzeptor der Elektronen, die in der Kette von Elektronenträger zu Elektronenträger kaskadieren, Sauerstoff (O₂).

Denn jedes NADH liefert drei ATP und jedes FADH yield₂ ergibt bei der oxidativen Phosphorylierung zwei ATP, dies fügt dem Gemisch (10)(3) + (2)(2) = 34 ATP hinzu. So ein Molekül Glukose kann bis zu 38 ATP. ergeben im eukaryotische Organismen organism.