Was ist die Hauptquelle der Zellenergie?

Sie haben wahrscheinlich seit Ihrer Jugend verstanden, dass die Nahrung, die Sie zu sich nehmen, "etwas" viel kleiner werden muss als diese Nahrung, damit alles, was "in" Nahrung ist, Ihrem Körper helfen kann. Genauer gesagt, ein einzelnes Molekül einer Art von Kohlenhydrat klassifiziert als Zucker ist die ultimative Brennstoffquelle für jede metabolische Reaktion, die zu jeder Zeit in jeder Zelle auftritt.

Dieses Molekül ist Glucose, ein Molekül mit sechs Kohlenstoffatomen in Form eines stacheligen Rings. In allen Zellen geht es in Glykolyse, und in komplexeren Zellen beteiligt es sich auch an Gärung, Photosynthese und Zellatmung in unterschiedlichem Maße in verschiedenen Organismen.

Aber eine andere Antwort auf die Frage "Welches Molekül dient den Zellen als Energiequelle?" interpretiert es als "Welches Molekül? direkt die zelleigenen Prozesse antreibt?"

Dieses "antreibende" Molekül, das wie Glukose in allen Zellen aktiv ist, ist ATP, oder Adenosintriphosphat, ein Nukleotid, das oft als "Energiewährung der Zellen" bezeichnet wird. An welches Molekül sollten Sie dann denken, wenn Sie sich fragen: "Welches Molekül ist der Treibstoff für alle Zellen?" Ist es Glukose oder ATP?

Die Beantwortung dieser Frage ähnelt dem Verständnis des Unterschieds zwischen den Worten „Menschen holen fossile Brennstoffe aus dem Boden“ und „Menschen bekommen fossile Brennstoffe“. Energie aus Kohlekraftwerken zu befeuern." Beide Aussagen sind richtig, beziehen sich aber auf verschiedene Stufen der Energieumwandlungskette des Stoffwechsels Reaktionen. Bei Lebewesen, Glukose ist das Fundament Nährstoff, aber ATP ist die Basis Treibstoff.

Alle Lebewesen gehören zu einer von zwei großen Kategorien: Prokaryoten und Eukaryoten. Prokaryoten sind die einzelligen Organismen der taxonomischen Domänen Bakterien und Archaea, während Eukaryoten alle in die Domäne Eukaryota fallen, die Tiere, Pflanzen, Pilze und Protisten umfasst.

Prokaryoten sind im Vergleich zu Eukaryoten winzig und einfach; ihre Zellen sind entsprechend weniger komplex. In den meisten Fällen ist eine prokaryontische Zelle dasselbe wie ein prokaryontischer Organismus, und der Energiebedarf eines Bakteriums ist viel geringer als der einer eukaryontischen Zelle.

Prokaryontische Zellen haben die gleichen vier Komponenten, die in allen Zellen der natürlichen Welt vorkommen: DNA, eine Zellmembran, Zytoplasma und Ribosomen. Ihr Zytoplasma enthält alle Enzyme, die für die Glykolyse benötigt werden, aber das Fehlen von Mitochondrien und Chloroplasten bedeutet, dass die Glykolyse wirklich der einzige Stoffwechselweg ist, der Prokaryonten zur Verfügung steht.

Lesen Sie mehr über die Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen prokaryontischen und eukaryontischen Zellen.

Glukose ist ein Zucker mit sechs Kohlenstoffatomen in Form eines Rings, der in Diagrammen durch eine sechseckige Form dargestellt wird. Seine chemische Formel ist C₆H₁₂Ö₆, was ihm ein C/H/O-Verhältnis von 1:2:1 gibt; Dies gilt in der Tat für alle Biomoleküle, die als Kohlenhydrate klassifiziert werden.

Glukose gilt als Monosaccharid, was bedeutet, dass es nicht durch Aufbrechen von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen verschiedenen Komponenten in verschiedene, kleinere Zucker reduziert werden kann. Fructose ist ein weiteres Monosaccharid; Saccharose (Haushaltszucker), die durch Verbindung von Glucose und Fructose hergestellt wird, gilt als Disaccharid.

Glukose wird auch "Blutzucker" genannt, weil es sich um diese Verbindung handelt, deren Konzentration im Blut gemessen wird, wenn eine Klinik oder ein Krankenhauslabor den Stoffwechselstatus eines Patienten bestimmt. Es kann in intravenösen Lösungen direkt in den Blutkreislauf infundiert werden, da es keinen Abbau erfordert, bevor es in Körperzellen eindringt.

ATP ist ein Nukleotid, was bedeutet, dass es aus einer von fünf verschiedenen stickstoffhaltigen Basen, einem Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen namens Ribose und ein bis drei Phosphatgruppen besteht. Die Basen in Nukleotiden können entweder Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G), Thymin (T) oder Uracil (U) sein. Nukleotide sind die Bausteine ​​der Nukleinsäuren DNA und RNA; A, C und G kommen in beiden Nukleinsäuren vor, während T nur in DNA und U nur in RNA vorkommt.

Das "TP" in ATP steht, wie Sie gesehen haben, für "Triphosphat" und zeigt an, dass ATP die maximale Anzahl von Phosphatgruppen hat, die ein Nukleotid haben kann – drei. Das meiste ATP wird durch die Anlagerung einer Phosphatgruppe an ADP oder Adenosindiphosphat hergestellt, ein Prozess, der als Phosphorylierung bekannt ist.

ATP und seine Derivate haben ein breites Anwendungsspektrum in der Biochemie und Medizin, von denen sich viele in der Erforschungsphase befinden, während sich das 21. Jahrhundert seinem dritten Jahrzehnt nähert.

Die Freisetzung von Energie aus der Nahrung beinhaltet das Aufbrechen der chemischen Bindungen in Nahrungsbestandteilen und die Nutzung dieser Energie für die Synthese von ATP-Molekülen. Kohlenhydrate sind zum Beispiel alles oxidiert am Ende zu Kohlendioxid (CO₂) und Wasser (H₂Ö). Fette werden auch oxidiert, wobei ihre Fettsäureketten Acetatmoleküle ergeben, die dann in eukaryotischen Mitochondrien in die aerobe Atmung eintreten.

Die Abbauprodukte von Proteinen sind reich an Stickstoff und werden zum Aufbau anderer Proteine ​​und Nukleinsäuren verwendet. Einige der 20 Aminosäuren, aus denen Proteine ​​aufgebaut sind, können jedoch modifiziert werden und gelangen auf der Ebene der Zellatmung in den Zellstoffwechsel (z. B. nach der Glykolyse).

Zusammenfassung:Die Glykolyse produziert direkt 2 ATP für jedes Glukosemolekül; es liefert Pyruvat und Elektronenträger für weitere Stoffwechselprozesse.

Die Glykolyse ist eine Reihe von zehn Reaktionen, bei denen ein Glukosemolekül in zwei Moleküle des Drei-Kohlenstoff-Moleküls Pyruvat umgewandelt wird, wodurch 2 ATP erhalten wird. Es besteht aus einer frühen "Investitionsphase", in der 2 ATP verwendet werden, um Phosphatgruppen an das sich verschiebende Glukosemolekül zu binden, und einer späteren "Rückkehr"-Phase in wobei das Glucosederivat, das in ein Paar von Drei-Kohlenstoff-Zwischenverbindungen gespalten wurde, 2 ATP pro Drei-Kohlenstoff-Verbindung ergibt und dies 4 insgesamt.

Dies bedeutet, dass der Nettoeffekt der Glykolyse darin besteht, 2 ATP pro Glucosemolekül zu produzieren, da in der Investitionsphase 2 ATP verbraucht werden, in der Auszahlungsphase jedoch insgesamt 4 ATP.

Lesen Sie mehr über Glykolyse.

Zusammenfassung:Fermentation ergänzt NAD⁺ zur Glykolyse; es produziert kein ATP direkt.

Wenn nicht genügend Sauerstoff vorhanden ist, um den Energiebedarf zu decken, wie wenn Sie sehr hart laufen oder Gewichte heben, kann die Glykolyse der einzige verfügbare Stoffwechselprozess sein. Hier kommt die „Milchsäureverbrennung“ ins Spiel, von der Sie vielleicht gehört haben. Wenn Pyruvat wie unten beschrieben nicht in die aerobe Atmung gelangen kann, wird es in Laktat umgewandelt, das selbst bringt nicht viel, sorgt aber dafür, dass die Glykolyse weiterlaufen kann, indem es ein wichtiges Zwischenmolekül liefert genannt NAD⁺.

Zusammenfassung:Der Krebs-Zyklus produziert 1 ATP pro Zyklusumdrehung (und damit 2 ATP pro Glucose "stromaufwärts", da 2 Pyruvat 2 Acetyl-CoA bilden kann).

Unter normalen Bedingungen mit ausreichend Sauerstoff bewegt sich fast das gesamte Pyruvat, das bei der Glykolyse in Eukaryoten erzeugt wird, von das Zytoplasma in Organellen ("kleine Organe"), die als Mitochondrien bekannt sind, wo es in das Zwei-Kohlenstoff-Molekül umgewandelt wird Acetyl-Coenzym A (Acetyl-CoA) durch Abziehen und Freisetzen von CO₂. Dieses Molekül verbindet sich mit einem Vier-Kohlenstoff-Molekül namens Oxaloacetat zu Citrat, dem ersten Schritt im sogenannten TCA-Zyklus oder Zitronensäure-Zyklus.

Dieses "Reaktionsrad" reduzierte schließlich das Citrat wieder zu Oxalacetat, und nebenbei wird ein einzelnes ATP zusammen mit vier sogenannten hochenergetischen Elektronenträgern (NADH und FADH .) erzeugt₂).

Zusammenfassung:Die Elektronentransportkette ergibt etwa 32 bis 34 ATP pro "vorgelagertem" Glukosemolekül, was es mit Abstand zum größten Beitrag zur Zellenergie in Eukaryoten macht.

Die Elektronenüberträger aus dem Krebs-Zyklus bewegen sich vom Inneren der Mitochondrien zur inneren Membran der Organelle, die alle Arten von spezialisierten Enzymen, die Cytochrome genannt werden, bereit hat, zu arbeiten. Kurz gesagt, wenn die Elektronen in Form von Wasserstoffatomen von ihren Trägern genommen werden, wird die Phosphorylierung von ADP-Molekülen zu einer großen Menge ATP angetrieben.

Sauerstoff muss als letzter Elektronenakzeptor in der durch die Membran ablaufenden Kaskade vorhanden sein, damit diese Reaktionskette ablaufen kann. Ist dies nicht der Fall, wird der Prozess der Zellatmung "zurückgeführt", und auch der Krebs-Zyklus kann nicht stattfinden.