Όλοι οι οργανισμοί χρησιμοποιούν ένα μόριο που ονομάζεται γλυκόζη και μια διαδικασία που ονομάζεται γλυκόλυση για να καλύψουν μερικές ή όλες τις ενεργειακές τους ανάγκες. Για μονοκύτταρα προκαρυωτικούς οργανισμούς, όπως βακτήρια, αυτή είναι η μόνη διαθέσιμη διαδικασία για την παραγωγή ATP (τριφωσφορική αδενοσίνη, το «ενεργειακό νόμισμα» των κυττάρων).
Ευκαρυωτικοί οργανισμοί (ζώα, φυτά και μύκητες) έχουν πιο εξελιγμένα κυτταρικά μηχανήματα και μπορούν να βγάλουν πολύ περισσότερα από ένα μόριο γλυκόζης - στην πραγματικότητα πάνω από δεκαπέντε φορές περισσότερο από ATP. Αυτό συμβαίνει επειδή αυτά τα κύτταρα χρησιμοποιούν κυτταρική αναπνοή, η οποία στο σύνολό της είναι γλυκόλυση συν αερόβια αναπνοή.
Μια αντίδραση που περιλαμβάνει οξειδωτική αποκαρβοξυλίωση στην κυτταρική αναπνοή που ονομάζεται αντίδραση γέφυρας χρησιμεύει ως κέντρο επεξεργασίας μεταξύ των αυστηρά αναερόβιων αντιδράσεων της γλυκόλυσης και των δύο σταδίων της αερόβιας αναπνοής που συμβαίνουν στα μιτοχόνδρια. Αυτό το στάδιο γέφυρας, που ονομάζεται πιο τυπικά οξείδωση πυροσταφυλικού, είναι επομένως απαραίτητο.
Πλησιάζοντας στη Γέφυρα: Γλυκόλυση
Στη γλυκόλυση, μια σειρά δέκα αντιδράσεων στο κυτταρόπλασμα των κυττάρων μετατρέπει το μόριο σακχάρου έξι ατόμων άνθρακα γλυκόζη σε δύο μόρια πυροσταφυλικού οξέος, μια ένωση τριών άνθρακα, ενώ παράγει συνολικά δύο ΑΤΡ μόρια. Στο πρώτο μέρος της γλυκόλυσης, που ονομάζεται επενδυτική φάση, χρειάζονται δύο ATP για να μετακινηθούν οι αντιδράσεις μαζί, ενώ στο δεύτερο μέρος, η φάση επιστροφής, αυτό αντισταθμίζεται περισσότερο από τη σύνθεση τεσσάρων ATP μόρια.
Επενδυτική φάση: Η γλυκόζη έχει μια φωσφορική ομάδα συνδεδεμένη και στη συνέχεια αναδιατάσσεται σε ένα μόριο φρουκτόζης. Αυτό το μόριο με τη σειρά του έχει προσθέσει μια φωσφορική ομάδα και το αποτέλεσμα είναι ένα διπλά φωσφορυλιωμένο μόριο φρουκτόζης. Αυτό το μόριο στη συνέχεια διαιρείται και γίνεται δύο ίδια μόρια τριών-άνθρακα, το καθένα με τη δική του φωσφορική ομάδα.
Φάση επιστροφής: Κάθε ένα από τα δύο μόρια τριών άνθρακα έχει την ίδια μοίρα: Έχει μια άλλη φωσφορική ομάδα συνδεδεμένη και το καθένα από αυτά χρησιμοποιείται για την παραγωγή ATP από ADP (διφωσφορική αδενοσίνη) ενώ αναδιατάσσεται σε πυροσταφυλικό μόριο. Αυτή η φάση παράγει επίσης ένα μόριο NADH από ένα μόριο NAD+.
Η καθαρή ενεργειακή απόδοση είναι συνεπώς 2 ATP ανά γλυκόζη.
Η αντίδραση της γέφυρας
Η αντίδραση της γέφυρας, που ονομάζεται επίσης αντίδραση μετάβασης, αποτελείται από δύο βήματα. Το πρώτο είναι το αποκαρβοξυλίωση του πυροσταφυλικού, και το δεύτερο είναι η προσκόλληση αυτού που απομένει σε ένα μόριο που ονομάζεται συνένζυμο Α.
Το άκρο του πυροσταφυλικού μορίου είναι ένας άνθρακας διπλός-συνδεδεμένος με ένα άτομο οξυγόνου και μονός-συνδεδεμένος με μια ομάδα υδροξυλίου (-ΟΗ). Στην πράξη, το άτομο Η στην ομάδα υδροξυλίου διαχωρίζεται από το άτομο Ο, έτσι αυτό το τμήμα του πυροσταφυλικού μπορεί να θεωρηθεί ότι έχει ένα άτομο C και δύο άτομα Ο. Στην αποκαρβοξυλίωση, αυτό αφαιρείται ως CO2, ή διοξείδιο του άνθρακα.
Στη συνέχεια, το κατάλοιπο του πυροσταφυλικού μορίου, που ονομάζεται ακετυλομάδα και έχει τον τύπο CH3C (= O), συνδέεται με το συνένζυμο Α στο σημείο που είχε καταληφθεί προηγουμένως από την καρβοξυλομάδα του πυροσταφυλικού. Στη διαδικασία, NAD+ μειώνεται σε NADH. Ανά μόριο γλυκόζης, η αντίδραση γέφυρας είναι:
2 Χ3C (= O) C (O) O- + 2 CoA + 2 NAD+ → 2 CH3C (= O) CoA + 2 NADH
Μετά τη Γέφυρα: Αερόβια Αναπνοή
Κύκλος Krebs: Η θέση του κύκλου Krebs βρίσκεται στη μιτοχονδριακή μήτρα (το υλικό μέσα στις μεμβράνες). Εδώ, το ακετύλιο CoA συνδυάζεται με ένα μόριο τεσσάρων άνθρακα που ονομάζεται οξαλοξικό για να δημιουργήσει ένα μόριο έξι-άνθρακα, το κιτρικό άλας. Αυτό το μόριο εκχυλίζεται προς το οξαλοξικό σε μια σειρά βημάτων, ξεκινώντας εκ νέου τον κύκλο.
Το αποτέλεσμα είναι 2 ATP μαζί με 8 NADH και 2 FADH2 (φορείς ηλεκτρονίων) για το επόμενο βήμα.
Αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων: Αυτές οι αντιδράσεις εμφανίζονται κατά μήκος της εσωτερικής μιτοχονδριακής μεμβράνης, στην οποία ενσωματώνονται τέσσερις εξειδικευμένες ομάδες συνενζύμων, που ονομάζονται Complex I έως IV. Αυτά χρησιμοποιούν την ενέργεια στα ηλεκτρόνια NADH και FADH2 για να οδηγήσουν τη σύνθεση ATP, με το οξυγόνο να είναι ο τελικός δέκτης ηλεκτρονίων.
Το αποτέλεσμα είναι 32 έως 34 ATP, οπότε η συνολική ενεργειακή απόδοση της κυτταρικής αναπνοής είναι 36 έως 38 ATP ανά μόριο γλυκόζης.
