Welche Rolle spielt Glukose bei der Zellatmung?

Das Leben auf der Erde ist außerordentlich vielfältig, von den kleinsten Bakterien, die in Thermalquellen leben, bis hin zu den stattlichen, tonnenschweren Elefanten, die in Asien beheimatet sind. Aber alle Organismen (Lebewesen) haben eine Reihe grundlegender Eigenschaften gemeinsam, darunter den Bedarf an Molekülen, aus denen Energie gewonnen werden kann. Der Prozess der Gewinnung von Energie aus externen Quellen für Wachstum, Reparatur, Wartung und Reproduktion ist bekannt als Stoffwechsel.

Alle Organismen bestehen aus mindestens einem Zelle (Ihr eigener Körper umfasst Billionen), die kleinste nicht reduzierbare Einheit, die alle Eigenschaften umfasst, die dem Leben nach herkömmlichen Definitionen zugeschrieben werden. Der Stoffwechsel ist eine solche Eigenschaft, ebenso wie die Fähigkeit, sich zu replizieren oder auf andere Weise zu reproduzieren. Jede Zelle auf dem Planeten kann und macht Gebrauch von Glucose, ohne die das Leben auf der Erde entweder nie entstanden wäre oder ganz anders aussehen würde.

Glukose hat die Formel C₆H₁₂Ö₆, wodurch das Molekül eine Molekülmasse von 180 Gramm pro Mol erhält. (Alle Kohlenhydrate haben die allgemeine Formel C_neinH_2nÖ_nein.) Damit hat Glucose ungefähr die gleiche Größe wie die größten Aminosäuren.

Glukose existiert in der Natur als sechsatomiger Ring, der in den meisten Texten als hexagonal dargestellt wird. Fünf der Kohlenstoffatome sind zusammen mit einem der Sauerstoffatome im Ring enthalten, während das sechste Kohlenstoffatom Teil einer Hydroxymethylgruppe (-CH₂OH) an einen der anderen Kohlenstoffe gebunden.

Aminosäuren sind wie Glucose prominente Monomere in der Biochemie. Genauso wie Glykogen wird aus langen Glukoseketten aufgebaut, Proteine ​​werden aus langen Aminosäureketten synthetisiert. Während es 20 verschiedene Aminosäuren mit zahlreichen Gemeinsamkeiten gibt, kommt Glukose nur in einer molekularen Form vor. Somit ist die Zusammensetzung von Glykogen im Wesentlichen unveränderlich, während Proteine ​​von einem zum anderen stark variieren.

Der Stoffwechsel von Glukose zur Energiegewinnung in Form von Adenosintriphosphat (ATP) und CO₂ (Kohlendioxid, ein Abfallprodukt in dieser Gleichung) ist bekannt als Zellatmung. Die erste der drei Grundstadien der Zellatmung ist Glykolyse, eine Reihe von 10 Reaktionen, die keinen Sauerstoff benötigen, während die letzten beiden Stufen die Krebs Zyklus (auch bekannt als die Zitronensäurezyklus) und der Elektronentransportkette, die Sauerstoff benötigen. Zusammen sind diese letzten beiden Phasen bekannt als aerobe Atmung.

Die Zellatmung erfolgt fast ausschließlich in Eukaryoten (Tiere, Pflanzen und Pilze). Prokaryoten (die meist einzelligen Domänen, zu denen Bakterien und Archaeen gehören) beziehen Energie aus Glukose, aber praktisch immer nur aus Glykolyse. Daraus folgt, dass prokaryontische Zellen nur etwa ein Zehntel der Energie pro Glukosemolekül erzeugen können wie eukaryontische Zellen, wie später detailliert beschrieben wird.

"Zelluläre Atmung" und "aerobe Atmung" werden oft synonym verwendet, wenn der Stoffwechsel eukaryontischer Zellen diskutiert wird. Es versteht sich, dass die Glykolyse, obwohl ein anaerober Prozess, fast immer zu den letzten beiden Zellatmungsschritten fortschreitet. Unabhängig davon, um die Rolle von Glukose bei der Zellatmung zusammenzufassen: Ohne sie stoppt die Atmung und es kommt zum Verlust von Menschenleben.

Enzyme sind kugelförmige Proteine, die als Katalysatoren bei chemischen Reaktionen. Damit beschleunigen diese Moleküle Reaktionen, die sonst ohne die Enzyme noch ablaufen würden, aber deutlich langsamer – manchmal sogar um das Tausendfache. Wenn Enzyme wirken, werden sie am Ende der Reaktion selbst nicht verändert, während die Moleküle, auf die sie einwirken, Substrate genannt werden, durch Design verändert werden, mit Reaktanten wie Glukose in Produkte wie CO transformed umgewandelt₂.

Glukose und ATP haben eine gewisse chemische Ähnlichkeit, nutzen aber die Energie, die in den Bindungen der ersteres Molekül, um die Synthese des letzteren Moleküls anzutreiben, erfordert beträchtliche biochemische Akrobatik die Zelle. Fast jede zelluläre Reaktion wird von einem bestimmten Enzym katalysiert, und die meisten Enzyme sind spezifisch für eine Reaktion und ihre Substrate. Die Glykolyse, der Krebs-Zyklus und die Elektronentransportkette umfassen zusammen etwa zwei Dutzend Reaktionen und Enzyme.

Wenn Glukose durch die Plasmamembran diffundiert in eine Zelle eindringt, wird sie sofort an eine Phosphatgruppe (P) gebunden, oder phosphoryliert. Dies fängt Glukose in der Zelle aufgrund der negativen Ladung des P. Diese Reaktion, bei der Glucose-6-Phosphat (G6P) entsteht, erfolgt unter dem Einfluss des Enzyms Hexokinase. (Die meisten Enzyme enden auf "-ase", was es ziemlich einfach macht zu erkennen, wann man es in der Biologiewelt mit einem zu tun hat.)

Von dort wird G6P in eine phosphorylierte Art des Zuckers umgelagert Fruktose, und dann wird ein weiteres P hinzugefügt. Kurz darauf wird das Sechs-Kohlenstoff-Molekül in zwei Drei-Kohlenstoff-Moleküle mit jeweils einer Phosphatgruppe gespalten; diese ordnen sich bald zu derselben Substanz, Glycerinaldehyd-3-phosphat (G-3-P).

Jedes G-3-P-Molekül durchläuft eine Reihe von Umlagerungsschritten, um in das Drei-Kohlenstoff-Molekül umgewandelt zu werden Pyruvat, wobei zwei Moleküle ATP und ein Molekül des hochenergetischen Elektronenträgers NADH (reduziert aus Nicotinamidadenindinukleotid oder NAD+) produziert werden.

Die erste Hälfte der Glykolyse verbraucht 2 ATP in den Phosphorylierungsschritten, während die zweite Hälfte insgesamt 2 Pyruvat, 2 NADH und 4 ATP liefert. Bei der direkten Energieerzeugung, Glykolyse führt somit zu 2 ATP pro Glucosemolekül. Dies stellt für die meisten Prokaryoten die effektive Obergrenze der Glukoseverwertung dar. Bei Eukaryoten hat die Glukose-Zellatmungs-Show gerade erst begonnen.

Die Pyruvatmoleküle wandern dann vom Zytoplasma der Zelle in das Innere der Organellen, die als. bezeichnet werden Mitochondrien, die von einer eigenen Doppelplasmamembran umschlossen sind. Hier wird das Pyruvat in CO. gespalten₂ und Acetat (CH₃COOH-), und das Acetat wird von einer Verbindung aus der B-Vitamin-Klasse namens Coenzym A (CoA) gepackt, um zu Acetyl-CoA, ein wichtiges Zwei-Kohlenstoff-Zwischenprodukt in einer Reihe von Zellreaktionen.

Um in den Krebs-Zyklus einzutreten, reagiert das Acetyl-CoA mit der Vier-Kohlenstoff-Verbindung Oxalacetat Formen Zitrat. Da Oxalacetat das letzte bei der Krebs-Reaktion gebildete Molekül sowie ein Substrat in der ersten Reaktion ist, verdient die Serie die Bezeichnung "Zyklus". Der Kreislauf umfasst insgesamt acht Reaktionen, die das Sechs-Kohlenstoff-Citrat zu einem Fünf-Kohlenstoff-Molekül und dann zu einer Reihe von Vier-Kohlenstoff-Zwischenprodukten reduzieren, bevor es wieder zu Oxalacetat.

Jedes Pyruvatmolekül, das in den Krebs-Zyklus eintritt, führt zur Produktion von zwei weiteren CO₂, 1 ATP, 3 NADH und ein Molekül eines Elektronenträgers ähnlich dem NADH genannt Flavinadenindinukleotid, oder FADH₂.

• Der Krebs-Zyklus kann nur ablaufen, wenn die Elektronentransportkette stromabwärts arbeitet, um NADH und FADH. aufzunehmen₂ es erzeugt. Wenn also der Zelle kein Sauerstoff zur Verfügung steht, wird der Krebs-Zyklus angehalten.

Die NADH und FADH₂ bewegen Sie sich für diesen Prozess in die innere Mitochondrienmembran. Die Rolle der Kette ist die oxidative Phosphorylierung von ADP-Molekülen zu ATP. Die Wasserstoffatome der Elektronenträger werden verwendet, um einen elektrochemischen Gradienten über die Mitochondrienmembran zu erzeugen. Die Energie aus diesem Gradienten, der auf Sauerstoff angewiesen ist, um die Elektronen letztendlich aufzunehmen, wird genutzt, um die ATP-Synthese anzutreiben.

Jedes Glukosemolekül trägt durch die Zellatmung zwischen 36 und 38 ATP bei: 2 bei der Glykolyse, 2 im Krebs-Zyklus und 32 bis 34 (je nachdem wie dies im Labor gemessen wird) im Elektronentransport Kette.