Mikä on glukoosin rooli soluhengityksessä?

Elämä maapallolla on poikkeuksellisen monipuolista pienimmistä lämpöaukoissa elävistä bakteereista upeisiin, monitonnisiin norsuihin, jotka tekevät kodin Aasiassa. Mutta kaikilla organismeilla (elävillä olennoilla) on useita yhteisiä perusominaisuuksia, muun muassa tarve molekyyleille, joista energia saadaan. Prosessi, jolla energia otetaan ulkoisista lähteistä kasvua, korjaamista, ylläpitoa ja lisääntymistä varten, tunnetaan nimellä aineenvaihdunta.

Kaikki organismit koostuvat ainakin yhdestä solu (oma ruumiisi sisältää biljoonia), joka on pienin pelkistämätön kokonaisuus, joka sisältää kaikki elämään omistetut ominaisuudet tavanomaisia ​​määritelmiä käyttäen. Aineenvaihdunta on yksi tällainen ominaisuus, kuten myös kyky toistaa tai muuten lisääntyä. Jokainen planeetan solu voi käyttää ja käyttää sitä glukoosi, ilman jota elämä maapallolla ei olisi koskaan syntynyt tai näyttäisi hyvin erilaiselta.

Glukoosilla on kaava C₆H₁₂O₆, jolloin molekyylin molekyylimassa on 180 grammaa moolia kohden. (Kaikilla hiilihydraateilla on yleinen kaava C

Glukoosi luonnossa esiintyy kuuden atomin renkaana, joka on kuvattu kuusikulmiona useimmissa teksteissä. Viisi hiiliatomista sisältyy renkaaseen yhdessä yhden happiatomin kanssa, kun taas kuudes hiiliatomi on osa hydroksimetyyliryhmää (-CH₂OH) kiinnitetty johonkin muuhun hiileen.

Aminohapot, kuten glukoosi, ovat merkittäviä monomeerejä biokemiassa. Aivan kuten glykogeeni on koottu pitkistä glukoosiketjuista, proteiinit syntetisoidaan aminohappojen pitkistä ketjuista. Vaikka on 20 erillistä aminohappoa, joilla on lukuisia yhteisiä piirteitä, glukoosi tulee vain yhdessä molekyylimuodossa. Siten glykogeenin koostumus on olennaisesti muuttumaton, kun taas proteiinit vaihtelevat suuresti toisistaan.

Glukoosin metabolia energian tuottamiseksi adenosiinitrifosfaatin (ATP) ja CO: n muodossa₂ (hiilidioksidi, tämän yhtälön jätetuote) tunnetaan nimellä soluhengitys. Ensimmäinen soluhengityksen kolmesta perusvaiheesta on glykolyysi, sarja 10 reaktiota, jotka eivät vaadi happea, kun taas kaksi viimeistä vaihetta ovat Krebs-sykli (tunnetaan myös nimellä sitruunahapposykli) ja elektronien siirtoketju, jotka vaativat happea. Nämä kaksi viimeistä vaihetta tunnetaan yhdessä nimellä aerobinen hengitys.

Soluhengitys tapahtuu melkein kokonaan vuonna eukaryootit (eläimet, kasvit ja sienet). Prokaryootit (enimmäkseen yksisoluiset domeenit, jotka sisältävät bakteereja ja arkeoita) saavat energiaa glukoosista, mutta käytännössä aina pelkästään glykolyysistä. Tarkoitus on, että prokaryoottisolut voivat tuottaa vain noin kymmenesosaa energiaa glukoosimolekyyliä kohden, kuten eukaryoottisolut voivat, kuten myöhemmin yksityiskohtaisesti kuvataan.

"Soluhengitystä" ja "aerobista hengitystä" käytetään usein keskenään vaihdettaessa keskusteltaessa eukaryoottisten solujen metaboliasta. On selvää, että glykolyysi, vaikka se on anaerobinen prosessi, etenee melkein poikkeuksetta kahteen viimeiseen soluhengitysvaiheeseen. Silti glukoosin roolista soluhengityksessä riippumatta: Ilman sitä hengitys pysähtyy ja seuraa hengen menetys.

Entsyymit ovat pallomaisia ​​proteiineja, jotka toimivat kuten katalyytit kemiallisissa reaktioissa. Tämä tarkoittaa, että nämä molekyylit auttavat nopeuttamaan reaktioita, jotka muuten edistyisivät ilman entsyymejä, mutta huomattavasti hitaammin - joskus yli tuhannen kertoimella. Kun entsyymit vaikuttavat, niitä ei muuteta itse reaktion lopussa, kun taas molekyylit, joihin ne vaikuttavat, joita kutsutaan substraateiksi, muuttuvat suunnitellusti, reagoivat aineet kuten glukoosi, joka on muunnettu tuotteiksi, kuten CO₂.

Glukoosilla ja ATP: llä on jonkin verran kemiallista samankaltaisuutta, mutta ne käyttävät energian, joka on varastoitu entinen molekyyli jälkimmäisen molekyylin synteesin aikaansaamiseksi vaatii huomattavaa biokemiallista akrobatiaa solu. Lähes jokaista solureaktiota katalysoi tietty entsyymi, ja useimmat entsyymit ovat spesifisiä yhdelle reaktiolle ja sen substraateille. Glykolyysi, Krebs-sykli ja elektroninsiirtoketju yhdistettynä sisältävät noin kaksi tusinaa reaktiota ja entsyymiä.

Kun glukoosi pääsee soluun diffundoitumalla plasmamembraanin läpi, se kiinnittyy välittömästi fosfaatti- (P) ryhmään tai fosforyloitu. Tämä vangitsee glukoosin soluun P: n negatiivisen varauksen vuoksi. Tämä reaktio, joka tuottaa glukoosi-6-fosfaattia (G6P), tapahtuu entsyymin vaikutuksesta heksokinaasi. (Useimmat entsyymit päättyvät "-aseeseen", mikä tekee siitä melko helpon tietää, kun olet tekemisissä sellaisen kanssa biologian maailmassa.)

Sieltä G6P järjestetään uudelleen fosforyloiduksi sokerityypiksi fruktoosija sitten lisätään toinen P. Pian tämän jälkeen kuuden hiilen molekyyli jaetaan kahteen kolmihiiliseen molekyyliin, joista jokaisella on fosfaattiryhmä; nämä järjestyvät pian samaksi aineeksi, glyseraldehydi-3-fosfaatiksi (G-3-P).

Kukin G-3-P-molekyyli käy läpi sarjan uudelleenjärjestelyvaiheita muunnettavaksi kolmen hiilen molekyyliksi pyruvaatti, tuottaen prosessissa kaksi ATP-molekyyliä ja yhden suurenergisen elektronikantajan NADH (pelkistetty nikotiiniamidiadeniinidinukleotidista tai NAD +) molekyylin.

Glykolyysin ensimmäinen puoli kuluttaa 2 ATP: tä fosforylaatiovaiheissa, kun taas toinen puoli tuottaa yhteensä 2 pyruvaattia, 2 NADH ja 4 ATP. Suoran energiantuotannon osalta glykolyysi johtaa siten 2 ATP: hen glukoosimolekyyliä kohti. Tämä edustaa useimmille prokaryooteille glukoosin käytön tehokasta enimmäismäärää. Eukaryooteissa glukoosin ja solujen hengitysnäyttely on vasta alkanut.

Pyruvaattimolekyylit siirtyvät sitten solun sytoplasmasta kutsutun organellin sisäpuolelle mitokondrioita, jotka on suljettu omalla kaksoisplasmakalvolla. Tässä pyruvaatti jaetaan CO: ksi₂ ja asetaatti (CH₃COOH-) ja asetaatti tarttuu B-vitamiiniluokan yhdisteeseen, jota kutsutaan koentsyymiksi A (CoA) asetyyli CoA, tärkeä kahden hiilen välituote monissa solureaktioissa.

Krebs-sykliin pääsemiseksi asetyyli-CoA reagoi nelihiilisen yhdisteen kanssa oksaloasetaatti muodostamaan sitraatti. Koska oksaloasetaatti on viimeinen Krebsin reaktiossa luotu molekyyli sekä substraatti ensimmäisessä reaktiossa, sarja ansaitsee kuvauksen "sykli". Sykli sisältää yhteensä kahdeksan reaktiota, jotka pelkistävät kuuden hiilen sitraatin viiden hiilen molekyyliksi ja sitten neljän hiilen välituotesarjaksi ennen kuin ne saapuvat jälleen oksaloasetaatti.

Kukin pyruvaatin molekyyli, joka tulee Krebs-sykliin, johtaa vielä kahden CO: n tuotantoon₂, 1 ATP, 3 NADH ja yksi NADH: n kaltaisen elektronikantajan molekyyli kutsutaan flaviiniadeniinidinukleotiditai FADH₂.

• Krebs-sykli voi edetä vain, jos elektroninsiirtoketju toimii alavirtaan poimimaan NADH: n ja FADH: n₂ se tuottaa. Jos siis solulle ei ole saatavissa happea, Krebs-sykli pysähtyy.

NADH ja FADH₂ siirtyä sisäiseen mitokondrioiden kalvoon tätä prosessia varten. Ketjun rooli on oksidatiivinen fosforylaatio ADP-molekyyleistä ATP: ksi. Elektronikantajista peräisin olevia vetyatomeja käytetään luomaan sähkökemiallinen gradientti mitokondriomembraanin yli. Tämän gradientin energia, joka perustuu happeen viime kädessä elektronien vastaanottamiseksi, hyödynnetään ATP-synteesin tehostamiseksi.

Jokainen glukoosimolekyyli osallistuu solujen hengityksen kautta 36-38 ATP: hen: 2 glykolyysissä, 2 Krebs-syklissä ja 32-34 (riippuen siitä, miten tämä mitataan laboratoriossa) elektronikuljetuksessa ketju.