Kako metabolizirati glukozu da bi se dobio ATP

Glukoza, šećer sa šest ugljika, temeljni je "input" u jednadžbi koja pokreće čitav život. Izvana se energija pretvara u energiju stanice. Svaki živi organizam, od vašeg najboljeg prijatelja do najniže bakterije, ima stanice koje sagorijevaju glukozu za gorivo na metaboličkoj razini korijena.

Organizmi se razlikuju u mjeri u kojoj njihove stanice mogu izvući energiju iz glukoze. U svim stanicama ova energija je u obliku adenozin trifosfat (ATP).

Stoga, jedno zajedničko je svim živim stanicama da metaboliziraju glukozu da bi stvorili ATP. Dana molekula glukoze koja ulazi u stanicu mogla je započeti kao večera od bifteka, kao plijen divlje životinje, kao biljna tvar ili kao nešto drugo.

Bez obzira na to, razni probavni i biokemijski procesi slomili su sve molekule s više ugljika u ma koje tvari organizam unosio za hranu monosaharidnom šećeru koji ulazi u stanični metabolizam putovima.

Kemijski, glukoza je heksoza šećer, heks što je grčki prefiks za "šest", broj atoma ugljika u glukozi. Njegova molekularna formula je

Glukoza je također monosaharid u tome je šećer koji uključuje samo jednu temeljnu jedinicu, ili monomer.Fruktoza je još jedan primjer monosaharida, dok saharoza, ili stolni šećer (fruktoza plus glukoza), laktoza (glukoza plus galaktoza) i maltoza (glukoza plus glukoza) jesu disaharidi.

Imajte na umu da je omjer atoma ugljika, vodika i kisika u glukozi 1: 2: 1. Svi ugljikohidrati zapravo pokazuju isti omjer, a njihove molekularne formule su u obliku C_nH_2nO_n.

ATP je nukleozid, u ovom slučaju adenozin, s tri vezane fosfatne skupine. To zapravo čini a nukleotid, kao što je nukleozid a pentoza šećer (bilo riboza ili deoksiriboza) u kombinaciji s dušičnom bazom (tj. adeninom, citozinom, gvaninom, timinom ili uracilom), dok je nukleotid nukleozid s vezanom jednom ili više fosfatnih skupina. Ali na stranu terminologija, ono važno što treba znati ATP je da sadrži adenin, ribozu i lanac od tri fosfatne (P) skupine.

ATP se izrađuje putem fosforilacija od adenozin difosfat (ADP), i obrnuto, kada je terminalna fosfatna veza u ATP hidroliziran, ADP i P_i (anorganski fosfat) su proizvodi. ATP se smatra "valutom energije" stanica jer se ova izvanredna molekula koristi za pokretanje gotovo svakog metaboličkog procesa.

Stanično disanje je skup metaboličkih putova u eukariotskim organizmima koji u prisutnosti pretvara glukozu u ATP i ugljični dioksid kisika, odajući vodu i stvarajući bogatstvo ATP-a (36 do 38 molekula po uloženoj molekuli glukoze) u postupak.

Uravnotežena kemijska formula za ukupnu neto reakciju, isključujući elektrone i molekule energije, je:

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O

Stanično disanje zapravo uključuje tri različita i sekvencijalna puta:

• Glikoliza, koji se javlja u svim stanicama i odvija se u citoplazmi, a uvijek je prvi korak metabolizma glukoze (a kod većine prokariota i posljednji korak).
  
• The Krebsov ciklus, koji se naziva i ciklus trikarboksilne kiseline (TCA) ili ciklus limunske kiseline, koji se odvija u matrici mitohondrija.
• The lanac za transport elektrona, koji se odvija na unutarnjoj mitohondrijskoj membrani i generira većinu ATP-a koji nastaje staničnim disanjem.

Potonje dvije ove faze ovise o kisiku i zajedno čine aerobno disanje. Međutim, često se u raspravama o eukariotskom metabolizmu glikoliza, iako ne ovisi o kisiku, smatra dijelom "aerobno disanje"jer su gotovo svi njegovi glavni proizvodi, piruvat, nastavlja ulaziti u druga dva puta.

U glikolizi, glukoza se u seriji od 10 reakcija pretvara u molekulu piruvat, s a neto dobitak dviju molekula ATP i dvije molekule "nosača elektrona" nikotinamid adenin dinukleotid (NADH). Za svaku molekulu glukoze koja uđe u proces nastaju dvije molekule piruvata, jer piruvat ima tri atoma ugljika na šest glukoze.

U prvom koraku glukoza se fosforilira da bi postala glukoza-6-fosfat (G6P). To obvezuje da se glukoza metabolizira, a ne da se vraća unatrag kroz stanična membrana, jer fosfatna skupina daje G6P negativan naboj. U sljedećih nekoliko koraka molekula se preuređuje u drugi derivat šećera, a zatim drugi put fosforilira da bi postala fruktoza-1,6-bisfosfat.

Ovi rani koraci glikolize zahtijevaju ulaganje dva ATP, jer je to izvor fosfatnih skupina u reakcijama fosforilacije.

Fruktoza-1,6-bisfosfat se razdvaja u dvije različite molekule s tri ugljika, od kojih svaka ima svoju fosfatnu skupinu; gotovo sve ove, brzo se pretvore u druge, gliceraldehid-3-fosfat (G3P). Stoga se od ove točke naprijed sve duplicira jer postoje dva G3P za svaku glukozu "uzvodno".

Od ove točke, G3P se fosforilira u koraku koji također proizvodi NADH iz oksidiranog oblika NAD +, a zatim se dvije fosfatne skupine dani molekulama ADP u sljedećim koracima preslagivanja kako bi se proizvele dvije ATP molekule zajedno s krajnjim produktom ugljika glikolize, piruvat.

Budući da se to događa dva puta po molekuli glukoze, druga polovica glikolize stvara četiri ATP za a neto dobitak od glikolize dva ATP (budući da su dva bila potrebna rano u procesu) i dva NADH.

U pripremna reakcija, nakon što piruvat generiran u glikolizi pronađe put iz citoplazme u mitohondrijski matriks, prvo se pretvara u acetat (CH₃COOH-) i CO₂ (otpadni proizvod u ovom scenariju), a zatim u spoj koji se zove acetil koenzim A, ili acetil CoA. U ovoj reakciji nastaje NADH. To postavlja pozornicu za Krebsov ciklus.

Ova serija od osam reakcija nazvana je tako jer je jedan od reaktanata u prvom koraku, oksaloacetat, je ujedno i proizvod u posljednjem koraku. Posao Krebsovog ciklusa je posao dobavljača, a ne proizvođača: generira samo dva ATP po molekuli glukoze, ali doprinosi još šest NADH i dva FADH₂, drugi nosač elektrona i bliski rođak NADH.

(Imajte na umu da to znači jedan ATP, tri NADH i jedan FADH₂po okretu ciklusa. Za svaku glukozu koja uđe u glikolizu, dvije molekule acetil CoA ulaze u Krebsov ciklus.)

Na osnovi glukoze, energija do ove točke iznosi četiri ATP (dva iz glikolize i dva iz Krebsa ciklus), 10 NADH (dva iz glikolize, dva iz pripremne reakcije i šest iz Krebsova ciklusa) i dva FADH₂ iz Krebsovog ciklusa. Dok se ugljikovi spojevi u Krebsovom ciklusu i dalje okreću uzvodno, nosači elektrona premještaju se iz mitohondrijske matrice u mitohondrijska membrana.

Kad NADH i FADH₂ oslobađaju svoje elektrone, oni se koriste za stvaranje elektrokemijskog gradijenta preko mitohondrijske membrane. Ovaj gradijent koristi se za snažno vezanje fosfatnih skupina na ADP za stvaranje ATP-a u procesu tzv oksidativne fosforilacije, nazvan tako jer je krajnji akceptor elektrona koji kaskadno prelaze s nosača elektrona na nosač elektrona u lancu kisik (O₂).

Jer svaki NADH daje tri ATP i svaki FADH₂ daje dva ATP u oksidativnoj fosforilaciji, što dodaje smjesi (10) (3) + (2) (2) = 34 ATP. Tako jedna molekula glukoze može dati do 38 ATP u eukariotski organizmi.