U skladu s osnovnim zakonima fizike, svim živim bićima potrebna je energija iz okoline u nekom obliku kako bi održala život. Jasno je da su različiti organizmi razvili različita sredstva za prikupljanje goriva iz različitih izvora kako bi pokrenuli stanične strojeve koji pokreću svakodnevne procese poput rasta, popravljanja i razmnožavanja.
Biljke i životinje očito ne dobivaju hranu (ili njezin ekvivalent u organizmima koji zapravo ne mogu ništa "pojesti") slična sredstva, a njihova odgovarajuća unutrašnjost ne probavlja molekule izvađene iz izvora goriva na daljinski isti način. Neki organizmi trebaju kisik za preživljavanje, drugi ga ubijaju, a treći ga mogu tolerirati, ali dobro funkcioniraju u njegovoj odsutnosti.
Unatoč nizu strategija koje živa bića koriste za izvlačenje energije iz kemijskih veza u spojevima bogatim ugljikom, niz od deset metaboličkih reakcija zajednički nazvanih glikoliza zajedničke su za gotovo sve stanice, kako u prokariotskim organizmima (od kojih su gotovo sve bakterije), tako i u eukariotskim organizmima (uglavnom biljke, životinje i gljive).
Glikoliza: reaktanti i proizvodi
Pregled glavnih ulaza i izlaza glikolize dobra je polazna točka za razumijevanje načina na koji stanice pretvaraju molekule prikupljene iz vanjskog svijeta u energiju za održavanje bezbrojnih životnih procesa u kojima su stanice vašeg tijela neprekidno zaručeni.
Kao reaktanti za glikolizu često se navode glukoza i kisik, dok se voda, ugljični dioksid i ATP (adenozin trifosfat, molekula koja se najčešće koristi za pokretanje staničnih procesa) daju se kao proizvodi glikolize, kako slijedi:
C6H12O6 + 6 O.2 -> 6 CO2 + 6 H2O + 36 (ili 38) ATP
Nazvati ovu "glikolizu", kao što to čine neki tekstovi, nije točno. Ovo je neto reakcija aerobno disanje kao cjelina, od kojih je glikoliza početni korak. Kao što ćete detaljno vidjeti, proizvodi glikolize sami po sebi zapravo su piruvat i skromna količina energije u obliku ATP:
C6H12O6 -> 2 ° C3H4O3 + 2 ATP + 2 NADH + 2 H +
NADH, ili NAD + u svom protoniranom stanju (nikotinamid adenin dinukleotid), je takozvani visokoenergetski nosač elektrona i međuprodukt u mnogim staničnim reakcijama uključenim u oslobađanje energije. Ovdje imajte na umu dvije stvari: Jedna je da glikoliza sama po sebi nije ni približno učinkovita u oslobađanju ATP-a kao što je potpuno aerobno disanje, u koji piruvat proizveden u glikolizi ulazi u Krebsov ciklus na putu do onih atoma ugljika koji slijeću u transport elektrona lanac. Dok se glikoliza odvija u citoplazmi, naknadne reakcije aerobnog disanja javljaju se u staničnim organelama zvanim mitohondriji.
Glikoliza: početni koraci
Glukoza, koja sadrži strukturu sa šest prstenova koja uključuje pet atoma ugljika i jedan atom kisika, specijaliziranim transportnim proteinima prebacuje se u stanicu preko plazmatske membrane. Kad uđe unutra, odmah se fosforilira, tj. Na njega se veže fosfatna skupina. To čini dvije stvari: daje molekuli negativni naboj, zapravo zarobljavajući je unutar stanice (nabijene molekule ne mogu lako prelazi plazemsku membranu) i destabilizira molekulu, postavljajući je prema meni više stvarnosti podijeljeno na manje komponente.
Nova molekula naziva se glukoza-6-fosfat (G-6-P), budući da je fosfatna skupina vezana za ugljikov atom glukoze broj 6 (jedini koji leži izvan prstenaste strukture). Enzim koji katalizira ovu reakciju je heksokinaza; "hex-" je grčki prefiks za "šest" (kao u "šećer s šest ugljika"), a kinaze su enzimi koji prevlače fosfatnu skupinu iz jedne molekule i prikvače je na drugo mjesto; u ovom slučaju, fosfat se uzima iz ATP-a, ostavljajući ADP (adenozin-difosfat) za sobom.
Sljedeći je korak pretvorba glukoze-6-fosfata u fruktoza-6-fosfat (F-6-P). Ovo je jednostavno preslagivanje atoma ili izomerizacija, bez sabiranja ili oduzimanja, tako da jedan od atoma ugljika unutar prstena glukoze pomiče se izvan prstena, ostavljajući u sebi prsten s pet atoma mjesto. (Sjećate se da je fruktoza "voćni šećer", čest i prirodni dijetalni element.) Enzim koji katalizira ovu reakciju je fosfoglukoza izomeraza.
Treći korak je druga fosforilacija, katalizirana fosfofruktokinazom (PFK) i daje fruktozu 1,6-bisfosfat (F-1,6-BP). Ovdje se druga fosfatna skupina pridružuje atomu ugljika koji je izvučen iz prstena u prethodnom koraku. (Savjet za kemijsku nomenklaturu: Razlog zbog kojeg se ova molekula naziva "bisfosfat", a ne "difosfat" je taj što su dva fosfata pridruženi različitim atomima ugljika, umjesto da je jedan spojen s drugim nasuprot ugljik-fosfatnoj vezi.) U ovom kao i u prethodnog koraka fosforilacije, isporučeni fosfat dolazi iz molekule ATP, tako da ovi rani koraci glikolize zahtijevaju ulaganje dva ATP.
Četvrti korak glikolize razbija sada vrlo nestabilnu molekulu od šest ugljika u dvije različite molekule s tri ugljika: gliceraldehid 3-fosfat (GAP) i dihidroksiaceton fosfat (DHAP). Aldolaza je enzim odgovoran za ovo cijepanje. Iz imena ovih molekula s tri ugljika možete razabrati da svaka od njih dobiva jedan od fosfata iz matične molekule.
Glikoliza: završni koraci
Budući da je glukozom manipulirano i podijeljeno na približno jednake dijelove zahvaljujući malom unosu energije, preostale reakcije glikolize uključuju ponovno dobivanje fosfata na način koji rezultira neto energijom dobitak. Osnovni razlog što se to događa je taj što je više uklanjanje fosfatnih skupina iz tih spojeva energetski povoljni nego što ih je jednostavno uzeti iz molekula ATP izravno i primijeniti ih na druge svrhe; razmislite o početnim koracima glikolize u smislu stare izreke - "Morate trošiti novac i da biste zarađivali novac."
Poput G-6-P i F-6-P, GAP i DHAP su izomeri: Imaju istu molekularnu formulu, ali različite fizičke strukture. Kako se to događa, GAP leži na izravnom kemijskom putu između glukoze i piruvata, dok DHAP ne. Stoga, u petom koraku glikolize, enzim nazvan trioza fosfat izomeraza (TIM) preuzima odgovornost i pretvara DHAP u GAP. Ovaj enzim opisan je kao jedan od najučinkovitijih u čitavom ljudskom energetskom metabolizmu, ubrzavajući reakciju koju katalizira otprilike deset milijardi (1010).
U šestom koraku GAP se pretvara u 1,3-bisfosfoglicerat (1,3-BPG) pod utjecajem enzima gliceraldehid 3-fosfat dehidrogenazom. Enzimi dehidrogenaze rade točno ono što sugerira njihova imena - uklanjaju atome vodika (ili protone, ako želite). Vodik oslobođen iz GAP-a pronalazi put do molekule NAD +, dajući NADH. Imajte na umu da se, počevši od ovog koraka, u računovodstvene svrhe sve pomnoži s dva, budući da početna molekula glukoze postaje dva molekule GAP-a. Tako su nakon ovog koraka dvije molekule NAD + reducirane u dvije molekule NADH.
De facto preokret ranijih reakcija fosforilacije glikolize započinje sedmim korakom. Ovdje enzim fosfoglicerat kinaza uklanja fosfat iz 1,3-BPG dajući 3-fosfoglicerat (3-PG), s fosfatom koji slijeće na ADP i formira ATP. Budući da to opet uključuje dvije molekule 1,3-BOG za svaku molekulu glukoze koja uđe u glikolizu uzvodno, to znači da se ukupno proizvode dva ATP-a, poništavajući dva ATP-a uložena u prvom koraku i tri.
U osmom koraku 3-PG se pretvara u 2-fosfoglicerat (2-PG) zahvaljujući fosfoglicerat mutazi, koja ekstrahira preostalu fosfatnu skupinu i premješta je za jedan ugljik. Enzimi mutaze razlikuju se od izomeraza po tome što, umjesto da značajno preuređuju strukturu cijele molekule, oni samo premještaju jedan "ostatak" (u ovom slučaju fosfatnu skupinu) na novo mjesto, a napuštaju cjelokupnu strukturu netaknut.
U devetom koraku, međutim, ovo očuvanje strukture postaje nepotrebno, jer se 2-PG enzimom enolaza pretvara u fosfoenol piruvat (PEP). Enol je kombinacija alk_ene_ i alkohola. Alkeni su ugljikovodici koji uključuju dvostruku vezu ugljik-ugljik, dok su alkoholi ugljikovodici s dodanom hidroksilnom skupinom (-OH). -OH je u slučaju enola vezan za jedan od ugljika uključenih u dvostruku vezu ugljik-ugljik PEP-a.
Konačno, u desetom i posljednjem koraku glikolize, PEP se enzimom piruvat kinaza pretvara u piruvat. Ako iz imena različitih aktera u ovom koraku sumnjate da se u procesu generiraju još dvije molekule ATP (jedna po stvarnoj reakciji), u pravu ste. Fosfatna skupina uklanja se iz PEP-a i dodaje na ADP koji se vreba u blizini, dajući ATP i piruvat. Piruvat je keton, što znači da ima ne-terminalni ugljik (tj. Onaj koji nije na kraj molekule) koji su uključeni u dvostruku vezu s kisikom i dvije jednostruke veze s drugim ugljikom atoma. Kemijska formula piruvata je C3H4O3, ali izražavajući to kao (CH3) CO (COOH) nudi svjetliju sliku konačnog proizvoda glikolize.
Energetska razmatranja i sudbina piruvata
Ukupna količina oslobođene energije (primamljivo je, ali pogrešno je reći "proizvedena", jer je "proizvodnja" pogrešan naziv) prikladno se izražava kao dva ATP po molekuli glukoze. Ali da budem matematički precizniji, ovo je također 88 kilodžula po molu (kJ / mol) glukoze, što je približno 21 kilokaloriji po molu (kcal / mol). Mol supstance je masa te supstance koja sadrži Avogadrov broj molekula ili 6,02 × 1023 molekule. Molekularna masa glukoze je nešto više od 180 grama.
Budući da, kao što je prethodno spomenuto, aerobno disanje može proizvesti i preko 30 molekula ATP-a po glukozi uloženo, primamljivo je samu proizvodnju energije glikolize smatrati trivijalnom, gotovo bezvrijedan. To je potpuno neistina. Uzmimo u obzir da bakterije, koje postoje otprilike tri i pol milijarde godina, mogu sasvim lijepo proći glikoliza sama, jer su to izuzetno jednostavni oblici života koji imaju malo zahtjeva za eukariotskim organizmima čini.
Zapravo je moguće aerobno disanje gledati drugačije stajanjem cijele sheme na glavu: Dok je ova vrsta energije proizvodnja je zasigurno biokemijsko i evolucijsko čudo, organizmi koji ga koriste uglavnom se apsolutno oslanjaju to. To znači da kada nigdje nema kisika, organizmi koji se isključivo ili u velikoj mjeri oslanjaju na aerobne metabolizam - to jest, svaki organizam koji čita ovu raspravu - ne može dugo preživjeti u odsustvu kisik.
U svakom slučaju, većina piruvata proizvedenog glikolizom premješta se u mitohondrijski matriks (analogno citoplazme cijelih stanica) i ulazi u Krebsov ciklus, koji se naziva i ciklus limunske kiseline ili trikarboksilna kiselina ciklus. Ova serija reakcija prvenstveno služi za stvaranje puno visokoenergijskih elektronskih nosača, kako NADH, tako i srodnog spoja nazvanog FADH2, ali također daje dva ATP po izvornoj molekuli glukoze. Te molekule zatim migriraju na mitohondrijsku membranu i sudjeluju u lančanim reakcijama prijenosa elektrona koje u konačnici oslobađaju još 34 ATP-a.
U nedostatku dovoljno kisika (na primjer, kada intenzivno vježbate), dio piruvata podvrgava se fermentaciji, vrsta anaerobnog metabolizma u kojem se piruvat pretvara u mliječnu kiselinu, stvarajući više NAD + za upotrebu u metabolizmu procesi.