Milline on glükoosi roll rakuhingamisel?

Elu Maal on erakordselt mitmekesine, alates kõige väiksematest termoventilides elavatest bakteritest kuni uhkete, mitmetonniste elevantideni, kes asuvad oma kodu Aasias. Kuid kõigil organismidel (elusolenditel) on mitmeid ühiseid põhiomadusi, nende hulgas vajadus molekulide järele, millest energiat saada. Energia eraldamine välistest allikatest kasvu, parandamise, hooldamise ja taastootmise nimel on tuntud kui ainevahetus.

Kõik organismid koosnevad vähemalt ühest kamber (teie enda keha sisaldab triljoneid), mis on väikseim taandamatu üksus, mis sisaldab kõiki tavapärastele määratlustele vastavaid elule omistatud omadusi. Ainevahetus on üks selliseid omadusi, nagu ka võime paljuneda või muul viisil paljuneda. Iga rakk planeedil saab seda kasutada ja kasutab seda glükoos, ilma milleta elu Maal poleks kunagi tekkinud või näeks välja hoopis teistsugune.

Glükoosil on valem C₆H₁₂O₆, andes molekulile molekulmassiks 180 grammi mooli kohta. (Kõigil süsivesikutel on üldvalem C_nH_2nO_n.) See muudab glükoosi umbes sama suureks kui suurimad aminohapped.

Glükoos looduses eksisteerib kuue aatomi rõngana, mida on enamikus tekstides kujutatud kuusnurksena. Viis süsinikuaatomit on tsüklis koos ühe hapnikuaatomiga, kuues süsinikuaatom on osa hüdroksümetüülrühmast (-CH₂OH), mis on kinnitatud ühe teise süsiniku külge.

Aminohapped, nagu glükoos, on biokeemias silmapaistvad monomeerid. Just nagu glükogeen on kokku pandud pikkadest glükoosi ahelatest, sünteesitakse valgud aminohapete pikkadest ahelatest. Kuigi on 20 erinevat aminohapet, millel on palju ühiseid jooni, on glükoos ainult ühes molekulaarses vormis. Seega on glükogeeni koostis põhimõtteliselt muutumatu, samas kui valgud varieeruvad suuresti.

Glükoosi metabolism energia saamiseks adenosiinitrifosfaadi (ATP) ja CO kujul₂ (süsinikdioksiid, selle võrrandi jääkaine) on tuntud kui rakuhingamine. Esimene rakuhingamise kolmest põhietapist on glükolüüs, 10 reaktsiooni rida, mis ei vaja hapnikku, samas kui viimased kaks etappi on Krebsi tsükkel (tuntud ka kui sidrunhappetsükkel) ja elektronide transpordiahel, mis vajavad küll hapnikku. Need kaks viimast etappi on kokku tuntud kui aeroobne hingamine.

Rakuline hingamine toimub peaaegu täielikult aastal eukarüootid (loomad, taimed ja seened). Prokarüootid (enamasti üherakulised domeenid, mis sisaldavad baktereid ja arheesid) saavad energiat glükoosist, kuid praktiliselt alati ainult glükolüüsist. Selle tagajärg on see, et prokarüootsed rakud suudavad tekitada ainult umbes kümnendiku energia glükoosi molekuli kohta nagu eukarüootsed rakud, nagu seda hiljem üksikasjalikult kirjeldatakse.

"Rakuhingamist" ja "aeroobset hingamist" kasutatakse eukarüootsete rakkude ainevahetuse arutamisel sageli omavahel. On arusaadav, et glükolüüs, ehkki anaeroobne protsess, kulgeb peaaegu alati kahe viimase rakuhingamise etapis. Sõltumata sellest, kui võtta kokku glükoosi roll rakuhingamises: ilma selleta hingamine lakkab ja järgneb inimkaotus.

Ensüümid on kerajad valgud, mis toimivad katalüsaatorid keemilistes reaktsioonides. See tähendab, et need molekulid aitavad kiirendada reaktsioone, mis muidu toimuksid ilma ensüümideta, kuid palju aeglasemalt - mõnikord ka üle tuhande korra. Kui ensüümid toimivad, ei muutu nad reaktsiooni lõpus ise, samas kui molekule, millel nad toimivad, nimetatakse substraatideks, muudetakse kujunduse järgi reagendid nagu glükoos, mis on muundatud sellisteks toodeteks nagu CO₂.

Glükoos ja ATP sarnanevad üksteisega keemiliselt, kuid kasutavad selle sidemetes salvestatud energiat Viimase molekuli sünteesi võimendamiseks on vaja märkimisväärset biokeemilist akrobaatikat rakk. Peaaegu iga rakureaktsiooni katalüüsib konkreetne ensüüm ja enamik ensüüme on spetsiifilised ühe reaktsiooni ja selle substraatide jaoks. Glükolüüsil, Krebsi tsüklil ja elektronide transpordiahelal on kokku umbes kaks tosinat reaktsiooni ja ensüümi.

Kui glükoos siseneb rakku plasmamembraani kaudu difundeerides, kinnitub see kohe fosfaatrühma (P) või fosforüülitud. See püüab glükoosi rakku P. negatiivse laengu tõttu. See reaktsioon, mis toodab glükoos-6-fosfaati (G6P), toimub ensüümi toimel heksokinaas. (Enamik ensüüme lõpeb "-aasiga", mistõttu on seda üsna lihtne teada saada, kui tegelete sellega bioloogilises maailmas.)

Sealt edasi paigutatakse G6P ümber fosforüülitud suhkrutüübiks fruktoosja seejärel lisatakse veel üks P. Varsti pärast seda jagatakse kuue süsinikuga molekul kaheks kolme süsinikuga molekuliks, millest mõlemal on fosfaatrühm; need jagunevad peagi samaks aineks, glütseraldehüüd-3-fosfaadiks (G-3-P).

Iga G-3-P molekul läbib rea ümberkorraldamisetappe, et muuta kolm süsinikmolekuliks püruvaat, tootes protsessis kaks ATP molekuli ja ühe suure energiaga elektronkandja NADH (redutseeritud nikotiinamiidadeniindinukleotiidist või NAD +) molekuli.

Glükolüüsi esimene pool kulutab fosforüülimisetappides 2 ATP-d, teine ​​pool annab aga kokku 2 püruvaati, 2 NADH ja 4 ATP. Otsese energiatootmise osas glükolüüsi tulemuseks on seega 2 ATP glükoosi molekuli kohta. See tähistab enamiku prokarüootide puhul glükoosi kasutamise efektiivset ülemmäära. Eukarüootides on glükoosi-rakulise hingamise näitus alles alanud.

Seejärel liiguvad püruvaadi molekulid raku tsütoplasmast nn organellide sisemusse mitokondrid, mis on ümbritsetud nende enda topeltplasma membraaniga. Siin jaguneb püruvaat CO-ks₂ ja atsetaat (CH₃COOH-) ja atsetaadist haaratakse B-vitamiinide klassi kuuluv nimega koensüüm A (CoA), et saada atsetüül CoA, oluline kahe süsinikusisaldusega vaheühend rakuliste reaktsioonide vahemikus.

Krebsi tsüklisse sisenemiseks reageerib atsetüül-CoA nelja süsinikuühendiga oksaloatsetaat moodustamiseks tsitraat. Kuna oksaloatsetaat on nii Krebsi reaktsioonis loodud viimane molekul kui ka esimese reaktsiooni substraat, teenib seeria kirjelduse "tsükkel". Tsükkel sisaldab kokku kaheksa reaktsiooni, mis redutseerivad kuue süsiniktsitraadi viiesüsineliseks molekuliks ja seejärel nelja süsinikusisaldusega vahesaaduste reaks, enne kui jõuavad uuesti oksaloatsetaat.

Iga Krebsi tsüklisse siseneva püruvaadi molekul annab tulemuseks veel kaks CO-d₂, 1 ATP, 3 NADH ja üks NADH-le sarnase elektronkandja molekul flaviinadeniindinukleotiidvõi FADH₂.

• Krebsi tsükkel saab kulgeda ainult siis, kui elektronide transpordiahel töötab allavoolu NADH ja FADH ülesvõtmiseks₂ see genereerib. Seega, kui rakule pole hapnikku saadaval, seiskub Krebsi tsükkel.

NADH ja FADH₂ selle protsessi jaoks liikuda sisemise mitokondriaalse membraani juurde. Keti roll on oksüdatiivne fosforüülimine ADP molekulidest ATP-ks. Elektrokandjate vesiniku aatomeid kasutatakse mitokondriaalse membraani elektrokeemilise gradiendi loomiseks. Selle gradienti energia, mis põhineb elektronide vastuvõtmisel hapnikul, kasutatakse ATP sünteesi võimendamiseks.

Iga glükoosi molekul annab rakuhingamise kaudu vahemikus 36 kuni 38 ATP: glükolüüsil 2, 2 Krebsi tsüklis ja 32 kuni 34 (sõltuvalt sellest, kuidas seda laboris mõõdetakse) elektronitranspordis kett.