Mis juhtub, kui glükoos satub rakku?

Glükoos on lõplik rakukütuse allikas kõigi elusolendite jaoks, kusjuures selle keemilistes sidemetes olevat energiat kasutatakse sünteesimiseks adenosiinitrifosfaat (ATP) erinevatel omavahel seotud ja üksteisest sõltuvatel viisidel. Kui selle kuue süsinikuga (s.o heksoosi) suhkru molekul ületab raku plasmamembraani väljastpoolt, et siseneda tsütoplasmasse, on see kohe fosforüülitud - see tähendab, et fosfaatrühm, mis kannab negatiivset elektrilaengut, on seotud glükoosimolekuli osaga. Selle tulemuseks on negatiivne puhaslaeng sellele, mis on siis muutunud a glükoos-6-fosfaat molekul, mis takistab selle rakust lahkumist.

Prokarüootid, mis hõlmavad bakterite ja Archaea domeene, membraaniga seotud organellid, sealhulgas mitokondrid et aastal eukarüootid võõrustab Krebsi tsüklit ja hapnikust sõltuvat elektronide transpordiahelat. Seetõttu ei osale prokarüoodid aeroobses ("hapnikuga") hingamises, ammutades selle asemel peaaegu kogu oma energia glükolüüsist - anaeroobne protsess, mis toimib ka enne eukarüootsetes rakkudes teostatavat aeroobset hingamist.

Kuna glükoos on biokeemias kõige elutähtsamate molekulide seas ja see on võib-olla kõige elutähtsama molekuli kogumi lähtepunkt reaktsioonid planeedi Maa elu annalites, on selle molekuli struktuuri ja käitumise lühidat arutelu tellimus.

Tuntud ka kui dekstroos (tavaliselt viidates mitte-bioloogilistele süsteemidele, näiteks maisist valmistatud glükoosile) ja veresuhkur (viidates bioloogilistele süsteemidele, nt meditsiinilises kontekstis) on glükoos kuue süsinikuga molekul keemilise valemiga C₆H₁₂O₆. Inimese veres on glükoosi normaalne kontsentratsioon umbes 100 mg / dl. 100 mg on kümnendik grammi, samas kui dL on kümnendik liitrist; see saab grammi liitri kohta ja kuna keskmisel inimesel on verd umbes 4 liitrit, siis enamus inimeste vereringes on igal ajal umbes 4 g glükoosi - ainult umbes seitsmendik glükoosi unts.

Viies kuuest glükoosis sisalduvast süsiniku (C) aatomist istuvad kuue aatomi ring vormis, et molekul võtab looduses 99,98 protsenti ajast. Kuues tsükli aatom on hapnik (O), kusjuures kuues C on kinnitatud ühe tsükli Cs külge a osana hüdroksümetüül (-CH₂OH) Grupp. See on hüdroksüül (-OH) rühmas anorgaaniline fosfaat (Pi) kinnitub fosforüülimisprotsessi käigus, mis hoiab molekuli raku tsütoplasmas kinni.

Prokarüoodid on väikesed (valdav enamus on üherakulised) ja lihtsad (enamikul neist rakust puudub tuum ja muud membraaniga seotud organellid). See võib hoida neid enam nii elegantne ja huvitav kui eukarüootid, kuid samas hoiab nende kütusevajadus suhteliselt madal.

Nii prokarüootides kui ka eukarüootides on glükolüüs glükoosi metabolismi esimene etapp. Glükoosi fosforüülimine rakku sisenemisel läbi plasmamembraani difundeerumise teel on glükolüüsi esimene etapp, mida on üksikasjalikult kirjeldatud järgmises osas.

• Mõned bakterid võivad metaboliseerida muid suhkruid kui glükoos või lisaks glükoosile, näiteks sahharoos, laktoos või maltoos. Need suhkrud on disahhariidid, mis pärineb kreeka keelest "kahe suhkru" kohta. Nende hulka kuulub glükoosi monomeer, nagu fruktoos, monosahhariid kui üks nende kahest alaühikust.

Glükolüüsi lõpus on glükoosimolekuli kasutatud kahe kolme süsinikusisaldusega püruvaadi molekuli, kahe nn suure energiaga elektronkandja nikotiinamiidadeniindinukleotiidi (NADH) ja kahe ATP molekuli puhaskasu.

Sel hetkel siseneb püruvaat prokarüootides tavaliselt käärimisse, mis on anaeroobne protsess paljude erinevate variatsioonidega, mida lähiajal uuritakse. Kuid mõnedel bakteritel on teatud määral arenenud võime teostada aeroobset hingamist ja neid kutsutakse fakultatiivsed anaeroobid. Baktereid, mis saavad energiat ainult glükolüüsist, nimetatakse kohustada anaeroobeja paljud neist tapavad tegelikult hapnikuga. Piiratud vähesed bakterid on ühtlased kohustuslikud aeroobid, mis tähendab, et nagu teilgi, on neil hapniku absoluutne vajadus. Arvestades, et bakteritel on olnud aega umbes 3,5 miljardit aastat kohaneda Maa nihkumise nõudmistega keskkonnas, ei tohiks olla üllatav, et nad on korraldanud metaboolse põhilise ellujäämise vahemiku strateegiad.

Glükolüüs sisaldab 10 reaktsioonid, mis on kena ümmargune arv, kuid kõigi nende sammude puhul ei pea tingimata kõiki tooteid, vaheühendeid ja ensüüme meelde jätma. Selle asemel, et osa neist pisiasjadest on tore ja kasulik teada, on siiski olulisem tunnetuse omandamine mida juhtub glükolüüsis üldiselt ja miks see juhtub (nii põhifüüsika kui ka raku vajaduste osas).

Glükolüüs on tabatud järgmises reaktsioonis, mis on selle 10 üksiku reaktsiooni summa:

C₆H₁₂O₆ → 2 ° C₃H₄O₃ + 2 ATP + 2 NADH

Tavalises inglise keeles jagatakse glükolüüsis üks glükoosimolekul kaheks püruvaadi molekuliks ning selle käigus tehakse paar kütuse molekuli ja paar "eelkütuse" molekuli. ATP on peaaegu universaalne energia valuuta rakuprotsessides, samas kui NADH, NAD + või nikotiinamiidadeniindininukleotiidi redutseeritud vorm, toimib suure energiaga elektronkandjana, mis lõpuks loovutab need elektronid vesinikioonide kujul (H +) hapniku molekulidele lõpus selle elektronide transpordiahel aastal aeroobne ainevahetus, mille tulemuseks on palju rohkem ATP-d kui ainult glükolüüs.

Glükoosi fosforüülimine pärast tsütoplasmasse sisenemist annab glükoos-6-fosfaadi (G-6-P). Fosfaat pärineb ATP-st ja selle liitumisest glükoosilehtedega adenosiindifosfaat (ADP) taga. Nagu märgitud, püüab see rakku glükoosi.

Järgmisena teisendatakse G-6-P fruktoos-6-fosfaat (F-6-P). See on isomeerumine reaktsioon, sest reagent ja saadus on üksteise isomeerid - molekulid, millel on sama arv igat tüüpi aatomeid, kuid millel on erinev ruumiline paigutus. Sel juhul on fruktoosiringil ainult viis aatomit. Ensüümi, mis vastutab selle omamoodi aatomižongleerimise eest, nimetatakse fosfoglükoosi isomeraas. (Enamik ensüümide nimesid, kuigi sageli tülikad, on vähemalt täiesti mõistlikud.)

Glükolüüsi kolmandas reaktsioonis muundatakse F-6-P fruktoos-1,6-bisfosfaat (F-1,6-BP). Selles fosforüülimisetapis tuleb fosfaat taas ATP-st, kuid seekord lisatakse see erinevale süsinikuaatomile. Vastutav ensüüm on fosfofruktokinaas (PFK).

• Paljudes fosforüülimisreaktsioonides lisatakse fosfaatrühmad olemasoleva fosfaatrühma vabasse otsa, kuid mitte sel juhul - seega pigem "_bis_phosphate" kui "_di_phosphate".

Glükolüüsi neljandas reaktsioonis jagatakse F-1,6-BP molekul, mis on fosfaatrühmade kahekordse annuse tõttu üsna ebastabiilne, ensüümi poolt aldolaas kolme süsinikuga, ühe fosfaadirühma kandvatesse molekulidesse glütseraldehüüd-3-fosfaat (GAP) ja dihüdroksüatsetoonfosfaat (DHAP). Need on isomeerid ja DHAP muundatakse glükolüüsi viiendas etapis ensüümi tõuke abil kiiresti GAP-ks trioosfosfaat-isomeraas (TIM).

Selles etapis on algsest glükoosimolekulist saanud kaks identset kolme süsinikuga, üksikult fosforüülitud molekuli, kahe ATP hinnaga. Sellest hetkest alates toimub iga kirjeldatud glükolüüsi reaktsioon iga glükolüüsi läbiva glükoosi molekuli kohta kaks korda.

Glükolüüsi kuuendas reaktsioonis muundatakse GAP 1,3-bisfosfoglütseraat (1,3-BPG) mõju all glütseraldehüüd-3-fosfaatdehüdrogenaas. Dehüdrogenaasi ensüümid eemaldavad vesiniku aatomid (st prootonid). GAP-st vabanenud vesinik kinnitub NAD + molekuliga, saades NADH. Kuna glükoosi algmolekul ülesvoolu on tekitanud kaks GAP molekulid pärast seda reaktsiooni, kaks loodud NADH molekulid.

Seitsmendas glükolüüsireaktsioonis on varajase glükolüüsi üks fosforüülimisreaktsioon tegelikult ümber pööratud. Kui ensüüm fosfoglütseraatkinaas eemaldab fosfaatrühma 1,3-BPG-st, tulemuseks on 3-fosfoglütseraat (3-PG). Fosfaadid, mis on kahest 1,3-BPG molekulist eemaldatud, lisatakse ADP-le, moodustades kaks ATP-d. See tähendab, et esimeses ja kolmandas etapis "laenatud" kaks ATP-d "tagastatakse" seitsmendas reaktsioonis.

Kaheksandas etapis teisendatakse 3-PG 2-fosfoglütseraat (2-PG) poolt fosfoglütseraatmutaas, mis suunab ühe allesjäänud fosfaatrühma teisele süsinikuaatomile. Mutaas erineb isomeraasist selle poolest, et see on oma tegevuses vähem raskekäeline; Selle asemel, et molekuli struktuuri ümber korraldada, nihutavad nad lihtsalt ühte selle külggruppi uude kohta, jättes kogu selgroo, rõnga jne. nagu see oli.

Glükolüüsi üheksandas reaktsioonis muundatakse 2-PG fosfoenoolpüruvaat (PEP) enolaas. Enool on süsinik-süsinik kaksiksidemega ühend, milles üks süsinikuaegadest on seotud ka hüdroksüülrühmaga.

Lõpuks, glükolüüsi kümnes ja viimane reaktsioon, transformeeritakse PEP tänu ensüümile püruvaadiks püruvaadi kinaas. Kahest PEP-st eemaldatud fosfaatrühmad kinnitatakse ADP molekulidele, saades kaks ATP ja kahte püruvaati, mille valem on (C₃H₄O₃) või (CH₃) CO (COOH). Seega annab ühe glükoosimolekuli esialgne anaeroobne töötlemine kaks püruvaadi, kaks ATP ja kaks NADH molekuli.

Lõppkokkuvõttes glükoosi rakkudesse sisenemisel tekkiv püruvaat võib minna ühte kahest rajast. Kui rakk on prokarüootne või kui rakk on eukarüootne, kuid vajab ajutiselt rohkem kütust, kui ainuüksi aeroobne hingamine suudab pakkuda (nagu näiteks lihasrakkudes raskete füüsiliste harjutuste ajal, nagu sprintimine või raskuste tõstmine), siseneb püruvaat fermentatsiooni tee. Kui rakk on eukarüootne ja selle energiavajadus on tüüpiline, liigutab see püruvaati mitokondrite sees ja osaleb Krebsi tsükkel:

• Kääritamine: Fermentatsiooni kasutatakse sageli asendamatult "anaeroobse hingamisega", kuid tegelikult on see eksitav, kuna käärimisele eelnev glükolüüs on samuti anaeroobne, ehkki seda ei peeta tavaliselt hingamise osaks inimese kohta se.
• Fermentatsioon regenereerib NAD + glükolüüsis kasutamiseks, muundades püruvaadi laktaat. Selle eesmärk on võimaldada glükolüüsi jätkumist piisava hapniku puudumisel; NAD + puudus lokaalselt piiraks protsessi isegi piisava koguse substraadi olemasolul.
• Aeroobne hingamine: See hõlmab ka Krebsi tsükkel ja elektronide transpordiahel.
• Krebsi tsükkel: Siin muundatakse püruvaat atsetüülkoensüüm A (atsetüül CoA) ja süsinikdioksiid (CO₂). Kahe süsinikuga atsetüül CoA ühendub nelja süsinikuga oksaloatsetaat tsitraadi moodustamiseks kuue süsinikuga molekul, mis seejärel läbib kuue reaktsiooni ratta (tsükli), mille tulemuseks on kaks CO₂, üks ATP, kolm NADH ja üks redutseeritud flaviinadeniini dinukleotiid (FADH₂).
• Elektroni transpordiahel: Siin prootonid (H⁺ aatomid) NADH ja FADH_₂- Krebsi tsüklist saadud elektrokeemilise gradiendi loomiseks, mis juhib 34 (või nii) ATP molekuli sünteesi sisemisel mitokondriaalmembraanil. Hapnik on elektronide lõplik aktseptor, mis "valgub" ühelt ühendilt teisele, alustades kogu ühendite ahelast glükoosiga.