Koja je uloga glukoze u staničnom disanju?

Život na Zemlji neobično je raznolik, od najsitnijih bakterija koje žive u termalnim ventilacijskim otvorima do divnih višetonskih slonova koji svoj dom čine u Aziji. Ali svi organizmi (živa bića) imaju niz zajedničkih osnovnih obilježja, među kojima je i potreba za molekulama iz kojih mogu dobivati ​​energiju. Proces ekstrakcije energije iz vanjskih izvora za rast, popravak, održavanje i reprodukciju poznat je kao metabolizam.

Svi se organizmi sastoje od najmanje jednog stanica (vaše vlastito tijelo uključuje bilijune), što je najmanja nesvodiva cjelina koja uključuje sva svojstva pripisana životu koristeći konvencionalne definicije. Metabolizam je jedno takvo svojstvo, kao i sposobnost repliciranja ili reprodukcije na drugi način. Svaka stanica na planetu to može i koristi glukoza, bez kojih život na Zemlji ili nikad ne bi nastao ili bi izgledao vrlo drugačije.

Glukoza ima formulu C₆H₁₂O₆, dajući molekuli molekulsku masu od 180 grama po molu. (Svi ugljikohidrati imaju opću formulu C_nH_2nO_n.) Zbog toga je glukoza otprilike iste veličine kao i najveće aminokiseline.

Glukoza u prirodi postoji kao prsten sa šest atoma, koji je u većini tekstova prikazan kao šesterokutni. Pet atoma ugljika uključeno je u prsten zajedno s jednim od atoma kisika, dok je šesti atom ugljika dio hidroksimetilne skupine (-CH₂OH) vezan za jedan od ostalih ugljika.

Aminokiseline, poput glukoze, istaknuti su monomeri u biokemiji. Baš kao glikogen se sastavlja iz dugih lanaca glukoze, a proteini se sintetiziraju iz dugih lanaca aminokiselina. Iako postoji 20 različitih aminokiselina s brojnim zajedničkim značajkama, glukoza dolazi u samo jednom molekularnom obliku. Stoga je sastav glikogena u osnovi nepromjenjiv, dok se proteini uvelike razlikuju od jednog do drugog.

Metabolizam glukoze daje energiju u obliku adenozin trifosfata (ATP) i CO₂ (ugljični dioksid, otpadni proizvod u ovoj jednadžbi) poznat je kao stanično disanje. Prva od tri osnovne faze staničnog disanja je glikoliza, niz od 10 reakcija kojima nije potreban kisik, dok su posljednje dvije faze Krebsov ciklus (također poznat kao ciklus limunske kiseline) i lanac za transport elektrona, kojima je potreban kisik. Zajedno su ove dvije posljednje faze poznate kao aerobno disanje.

Stanično disanje javlja se gotovo u cijelosti u eukarioti (životinje, biljke i gljive). Prokarioti (uglavnom jednoćelijske domene koje uključuju bakterije i arheje) energiju dobivaju iz glukoze, ali gotovo uvijek samo iz glikolize. Implikacija je da prokariotske stanice mogu generirati samo oko desetine energije po molekuli glukoze kao što to mogu eukariotske stanice, kao što je kasnije detaljno objašnjeno.

"Stanično disanje" i "aerobno disanje" često se koriste naizmjenično kada se raspravlja o metabolizmu eukariotskih stanica. Razumije se da se glikoliza, iako anaerobni proces, gotovo uvijek nastavlja u posljednja dva koraka staničnog disanja. Bez obzira na to, da sumiramo ulogu glukoze u staničnom disanju: bez nje disanje prestaje i slijedi gubitak života.

Enzimi su globularni proteini koji djeluju kao katalizatori u kemijskim reakcijama. To znači da ove molekule pomažu ubrzavanju reakcija koje bi se inače i dalje odvijale bez enzima, ali daleko sporije - ponekad i više od tisuću puta. Kada enzimi djeluju, oni se sami ne mijenjaju na kraju reakcije, dok se molekule na koje djeluju, nazvane supstrati, mijenjaju dizajnom, s reaktanti kao što je glukoza pretvorena u proizvode poput CO₂.

Glukoza i ATP imaju slične kemijske sličnosti, ali koristeći energiju pohranjenu u vezama prva molekula za pokretanje sinteze potonje molekule zahtijeva znatne biokemijske akrobacije stanica. Gotovo svaku staničnu reakciju katalizira određeni enzim, a većina enzima specifična je za jednu reakciju i njezine supstrate. Glikoliza, Krebsov ciklus i lanac prijenosa elektrona, kombinirani, sadrže dvadesetak reakcija i enzima.

Kad glukoza uđe u stanicu difuzijom kroz plazemsku membranu, odmah se veže za fosfatnu (P) skupinu, ili fosforilirani. To zarobljava glukozu u stanici zbog negativnog naboja P. Ova reakcija, koja stvara glukoza-6-fosfat (G6P), događa se pod utjecajem enzima heksokinaza. (Većina enzima završava s "-ase", što ga čini prilično jednostavnim za spoznaju kada imate posla s nekim u svijetu biologije.)

Odatle se G6P preuređuje u fosforilirani tip šećera fruktoza, a zatim se dodaje još jedan P. Ubrzo nakon toga molekula od šest ugljika dijeli se na dvije molekule s tri ugljika, svaka s fosfatnom skupinom; oni se uskoro raspoređuju u istu tvar, gliceraldehid-3-fosfat (G-3-P).

Svaka molekula G-3-P prolazi kroz niz koraka preslagivanja da bi se pretvorila u molukulu s tri ugljika piruvat, proizvodeći dvije molekule ATP i jednu molekulu visokoenergetskog elektronskog nosača NADH (reduciranog iz nikotinamid adenin dinukleotida ili NAD +) u procesu.

Prva polovica glikolize troši 2 ATP u fazama fosforilacije, dok druga polovica daje ukupno 2 piruvata, 2 NADH i 4 ATP. U smislu izravne proizvodnje energije, glikoliza tako rezultira 2 ATP po molekuli glukoze. To za većinu prokariota predstavlja učinkovitu gornju granicu iskorištavanja glukoze. Kod eukariota emisija glukozno-staničnog disanja tek je započela.

Zatim se molekule piruvata premještaju iz citoplazme stanice u unutrašnjost tzv mitohondriji, koji su zatvoreni vlastitom dvostrukom plazma membranom. Ovdje se piruvat dijeli na CO₂ i acetat (CH₃COOH-), a acetat grabi spoj iz klase B-vitamina nazvan koenzim A (CoA) da bi postao acetil CoA, važan među ugljik međuprodukt u nizu staničnih reakcija.

Za ulazak u Krebsov ciklus, acetil CoA reagira sa spojem od četiri ugljika oksaloacetat kako bi se dobilo citrat. Budući da je oksaloacetat zadnja molekula stvorena u Krebsovoj reakciji, kao i supstrat u prvoj reakciji, serija donosi opis "ciklus". Ciklus uključuje ukupno osam reakcija koje reduciraju šest-ugljikov citrat na molekulu s pet ugljika, a zatim na niz međuprodukata s četiri ugljika prije nego što ponovno dođu u oksaloacetat.

Svaka molekula piruvata koja ulazi u Krebsov ciklus rezultira proizvodnjom još dva CO₂, 1 ATP, 3 NADH i jedna molekula elektronskog nosača slična NADH flavin adenin dinukleotidili FADH₂.

• Krebsov ciklus može se nastaviti samo ako lanac prijenosa elektrona djeluje nizvodno kako bi pokupio NADH i FADH₂ generira. Stoga, ako stanici nije dostupan kisik, Krebsov ciklus se zaustavlja.

NADH i FADH₂ premjestite se na unutarnju mitohondrijsku membranu za ovaj proces. Uloga lanca je oksidativne fosforilacije molekula ADP da postanu ATP. Atomi vodika iz nosača elektrona koriste se za stvaranje elektrokemijskog gradijenta preko mitohondrijske membrane. Energija iz ovog gradijenta, koji se oslanja na kisik da bi u konačnici primio elektrone, iskorištava se za pogon ATP sinteze.

Svaka molekula glukoze doprinosi od 36 do 38 ATP staničnim disanjem: 2 u glikolizi, 2 u Krebsovom ciklusu i 32 do 34 (ovisno o tome kako se to mjeri u laboratoriju) u transportu elektrona lanac.