Πώς να μεταβολίσετε τη γλυκόζη για να κάνετε ATP

Η γλυκόζη, ένα σάκχαρο έξι άνθρακα, είναι η θεμελιώδης «είσοδος» στην εξίσωση που τροφοδοτεί όλη τη ζωή. Η ενέργεια από το εξωτερικό μετατρέπεται, με κάποιο τρόπο, σε ενέργεια για το κύτταρο. Κάθε οργανισμός που είναι ζωντανός, από τον καλύτερο φίλο σας έως το χαμηλότερο βακτήριο, έχει κύτταρα που καίνε γλυκόζη για καύσιμο στο μεταβολικό επίπεδο της ρίζας.

Οι οργανισμοί διαφέρουν ως προς το βαθμό στον οποίο τα κύτταρα τους μπορούν να εξαγάγουν ενέργεια από τη γλυκόζη. Σε όλα τα κύτταρα, αυτή η ενέργεια έχει τη μορφή τριφωσφορική αδενοσίνη (ATP).

Επομένως, ένα πράγμα όλα τα ζωντανά κύτταρα έχουν το ότι μεταβολίζουν τη γλυκόζη για να κάνουν ATP. Ένα δεδομένο μόριο γλυκόζης που εισέρχεται σε ένα κύτταρο θα μπορούσε να είχε αρχίσει ως δείπνο μπριζόλας, ως θήραμα άγριου ζώου, ως φυτική ύλη ή ως κάτι άλλο.

Ανεξάρτητα, διάφορες πεπτικές και βιοχημικές διεργασίες έχουν καταστρέψει όλα τα μόρια πολυ-άνθρακα οποιεσδήποτε ουσίες ο οργανισμός καταναλώνει για τροφή στο σάκχαρο μονοσακχαρίτη που εισέρχεται στον κυτταρικό μεταβολισμό μονοπάτια.

Χημικά, γλυκόζη είναι ένα εξόζη ζάχαρη, μαγεύω είναι το ελληνικό πρόθεμα για «έξι», ο αριθμός ατόμων άνθρακα στη γλυκόζη. Ο μοριακός τύπος του είναι ντο₆Η₁₂Ο₆, δίνοντάς του μοριακό βάρος 180 γραμμάρια ανά γραμμομόριο.

Η γλυκόζη είναι επίσης α μονοσακχαρίτης σε αυτό είναι μια ζάχαρη που περιλαμβάνει μόνο μία θεμελιώδη μονάδα, ή μονομερές.Φρουκτόζη είναι ένα άλλο παράδειγμα μονοσακχαρίτη, ενώ σακχαρόζηή επιτραπέζια ζάχαρη (φρουκτόζη συν γλυκόζη), λακτόζη (γλυκόζη συν γαλακτόζη) και μαλτόζη (γλυκόζη συν γλυκόζη) είναι δισακχαρίτες.

Σημειώστε ότι η αναλογία ατόμων άνθρακα, υδρογόνου και οξυγόνου στη γλυκόζη είναι 1: 2: 1. Όλοι οι υδατάνθρακες, στην πραγματικότητα, παρουσιάζουν την ίδια αναλογία και οι μοριακοί τύποι τους είναι όλοι με τη μορφή Γ_νΗ_2ηΟ_ν.

Το ATP είναι ένα νουκλεοζίτη, στην περίπτωση αυτή αδενοσίνη, με τρεις φωσφορικές ομάδες συνδεδεμένες σε αυτήν. Αυτό το κάνει πραγματικά ένα νουκλεοτίδιο, καθώς ένα νουκλεοζίτη είναι ένα πεντόζη ζάχαρη (είτε ριβόζη ή δεοξυριβόζη) σε συνδυασμό με μια άζωτο βάση (δηλαδή, αδενίνη, κυτοσίνη, γουανίνη, θυμίνη ή ουρακίλη), ενώ ένα νουκλεοτίδιο είναι ένα νουκλεοζίτη με μία ή περισσότερες φωσφορικές ομάδες συνδεδεμένες. Αλλά εκτός από την ορολογία, το σημαντικό πράγμα που πρέπει να γνωρίζετε ATP είναι ότι περιέχει αδενίνη, ριβόζη και μια αλυσίδα τριών φωσφορικών (Ρ) ομάδων.

Το ATP γίνεται μέσω του φωσφορυλίωση του διφωσφορική αδενοσίνη (ADP), και αντίστροφα, όταν ο τερματικός δεσμός φωσφορικών στο ATP είναι υδρολυμένο, ADP και P_Εγώ (ανόργανο φωσφορικό) είναι τα προϊόντα. Το ATP θεωρείται το «ενεργειακό νόμισμα» των κυττάρων καθώς αυτό το εξαιρετικό μόριο χρησιμοποιείται για την τροφοδότηση σχεδόν κάθε μεταβολικής διαδικασίας.

Κυτταρική αναπνοή είναι το σύνολο των μεταβολικών οδών σε ευκαρυωτικούς οργανισμούς που μετατρέπει τη γλυκόζη σε ATP και διοξείδιο του άνθρακα παρουσία οξυγόνου, που εκπέμπει νερό και παράγει πλούσιο ΑΤΡ (36 έως 38 μόρια ανά μόριο γλυκόζης που επενδύεται) στο επεξεργάζομαι, διαδικασία.

Ο ισορροπημένος χημικός τύπος για τη συνολική καθαρή αντίδραση, με εξαίρεση τους φορείς ηλεκτρονίων και τα μόρια ενέργειας, είναι:

ντο₆Η₁₂Ο₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 Ω₂Ο

Η κυτταρική αναπνοή περιλαμβάνει στην πραγματικότητα τρεις διακριτές και διαδοχικές οδούς:

• Γλυκόλυση, που εμφανίζεται σε όλα τα κύτταρα και λαμβάνει χώρα στο κυτταρόπλασμα, και είναι πάντα το πρώτο βήμα του μεταβολισμού της γλυκόζης (και στα περισσότερα προκαρυωτικά, επίσης το τελευταίο βήμα).
  
• ο Κύκλος Krebs, ονομάζεται επίσης κύκλος τρικαρβοξυλικού οξέος (TCA) ή κύκλος κιτρικού οξέος, ο οποίος ξεδιπλώνεται στη μιτοχονδριακή μήτρα.
• ο αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων, η οποία λαμβάνει χώρα στην εσωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη και παράγει το μεγαλύτερο μέρος του ATP που παράγεται στην κυτταρική αναπνοή.

Τα δύο τελευταία από αυτά τα στάδια εξαρτώνται από το οξυγόνο και συνθέτουν μαζί αερόβια αναπνοή. Συχνά, ωστόσο, σε συζητήσεις για τον ευκαρυωτικό μεταβολισμό, η γλυκόλυση, αν και δεν εξαρτάται από το οξυγόνο, θεωρείται μέρος "αερόβια αναπνοή"γιατί σχεδόν όλο το κύριο προϊόν του, πυροσταφυλικό, συνεχίζει να μπαίνει στα άλλα δύο μονοπάτια.

Στη γλυκόλυση, η γλυκόζη μετατρέπεται σε μια σειρά από 10 αντιδράσεις στο πυροσταφυλικό μόριο, με α καθαρό κέρδος δύο μορίων ΑΤΡ και δύο μόρια του "φορέα ηλεκτρονίων" δινουκλεοτίδιο νικοτιναμίδης (NADH). Για κάθε μόριο γλυκόζης που εισέρχεται στη διαδικασία, παράγονται δύο μόρια πυροσταφυλικού, καθώς το πυροσταφυλικό έχει τρία άτομα άνθρακα έως τα έξι της γλυκόζης.

Στο πρώτο βήμα, η γλυκόζη φωσφορυλιώνεται για να γίνει 6-φωσφορική γλυκόζη (G6P). Αυτό δεσμεύει τη γλυκόζη να μεταβολίζεται αντί να παρασύρεται από το κυτταρική μεμβράνη, επειδή η φωσφορική ομάδα δίνει στο G6P αρνητικό φορτίο. Στα επόμενα βήματα, το μόριο αναδιατάσσεται σε ένα διαφορετικό παράγωγο σακχάρου και στη συνέχεια φωσφορυλιώνεται για δεύτερη φορά φρουκτόζη-1,6-διφωσφορική.

Αυτά τα πρώτα στάδια της γλυκόλυσης απαιτούν επένδυση δύο ATP επειδή αυτή είναι η πηγή των φωσφορικών ομάδων στις αντιδράσεις φωσφορυλίωσης.

Η φρουκτόζη-1,6-διφωσφορική διαιρείται σε δύο διαφορετικά μόρια τριών-άνθρακα, το καθένα φέρει τη δική του φωσφορική ομάδα. σχεδόν το ένα από αυτά, μετατρέπεται γρήγορα στο άλλο, 3-φωσφορική γλυκεραλδεϋδη (G3P). Έτσι, από αυτό το σημείο προς τα εμπρός, όλα αντιγράφονται επειδή υπάρχουν δύο G3P για κάθε γλυκόζη «ανάντη».

Από αυτό το σημείο, το G3P φωσφορυλιώνεται σε ένα στάδιο που παράγει επίσης NADH από την οξειδωμένη μορφή NAD + και στη συνέχεια οι δύο φωσφορικές ομάδες είναι δοθεί μέχρι ADP μόρια σε επόμενα στάδια αναδιάταξης για την παραγωγή δύο ATP μόρια μαζί με το τελικό προϊόν άνθρακα της γλυκόλυσης, πυροσταφυλικό.

Δεδομένου ότι αυτό συμβαίνει δύο φορές ανά μόριο γλυκόζης, το δεύτερο μισό της γλυκόλυσης παράγει τέσσερα ATP για ένα καθαρά κέρδος από τη γλυκόλυση δύο ATP (αφού απαιτήθηκαν δύο νωρίς στη διαδικασία) και δύο NADH.

Στο προπαρασκευαστική αντίδραση, αφού το πυροσταφυλικό που παράγεται στη γλυκόλυση βρίσκει τον δρόμο του από το κυτόπλασμα στη μιτοχονδριακή μήτρα, μετατρέπεται πρώτα σε οξικό (CH₃COOH-) και CO₂ (ένα απόβλητο προϊόν σε αυτό το σενάριο) και στη συνέχεια σε μια ένωση που ονομάζεται ακετύλιο συνένζυμο Α, ή ακετυλο CoA. Σε αυτήν την αντίδραση, δημιουργείται ένα NADH. Αυτό θέτει το στάδιο για τον κύκλο Krebs.

Αυτή η σειρά οκτώ αντιδράσεων ονομάζεται έτσι επειδή ένα από τα αντιδραστήρια στο πρώτο βήμα, οξαλοξικός, είναι επίσης το προϊόν στο τελευταίο βήμα. Η δουλειά του κύκλου Krebs είναι δουλειά ενός προμηθευτή και όχι ενός κατασκευαστή: Παράγει μόνο δύο ATP ανά μόριο γλυκόζης, αλλά συνεισφέρει έξι ακόμη NADH και δύο FADH₂, ένας άλλος φορέας ηλεκτρονίων και ένας στενός συγγενής του NADH.

(Σημειώστε ότι αυτό σημαίνει ένα ATP, τρία NADH και ένα FADH₂ανά στροφή του κύκλου. Για κάθε γλυκόζη που εισέρχεται στη γλυκόλυση, δύο μόρια ακετυλο CoA εισέρχονται στον κύκλο Krebs.)

Σε βάση ανά γλυκόζη, ο ενεργειακός υπολογισμός σε αυτό το σημείο είναι τέσσερις ATP (δύο από τη γλυκόλυση και δύο από το Krebs κύκλος), 10 NADH (δύο από τη γλυκόλυση, δύο από την προπαρασκευαστική αντίδραση και έξι από τον κύκλο Krebs) και δύο FADH₂ από τον κύκλο Krebs. Ενώ οι ενώσεις άνθρακα στον κύκλο Krebs συνεχίζουν να περιστρέφονται γύρω από τα ανάντη, οι φορείς ηλεκτρονίων μετακινούνται από τη μιτοχονδριακή μήτρα στο μιτοχονδριακή μεμβράνη.

Όταν NADH και FADH₂ απελευθερώνουν τα ηλεκτρόνια τους, αυτά χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία μιας ηλεκτροχημικής διαβάθμισης κατά μήκος της μιτοχονδριακής μεμβράνης. Αυτή η κλίση χρησιμοποιείται για να τροφοδοτήσει τη σύνδεση φωσφορικών ομάδων στο ADP για να δημιουργήσει ATP σε μια διαδικασία που ονομάζεται οξειδωτική φωσφορυλίωση, ονομάστηκε έτσι επειδή ο απόλυτος δέκτης των ηλεκτρονίων που πέφτουν από τον φορέα ηλεκτρονίων στον φορέα ηλεκτρονίων στην αλυσίδα είναι το οξυγόνο (O₂).

Επειδή κάθε NADH αποδίδει τρία ATP και κάθε FADH₂ αποδίδει δύο ΑΤΡ σε οξειδωτική φωσφορυλίωση, αυτό προσθέτει (10) (3) + (2) (2) = 34 ΑΤΡ στο μείγμα. Ετσι ένα μόριο γλυκόζης μπορεί να αποδώσει έως και 38 ΑΤΡ σε ευκαρυωτικοί οργανισμοί.