Mi történik, amikor a glükóz belép egy sejtbe?

A glükóz az a sejtes üzemanyag legfőbb forrása minden élőlény számára, a kémiai kötelékekben lévő energiával a szintetizáláshoz adenozin-trifoszfát (ATP) különféle összekapcsolt és egymástól függő módon. Amikor ennek a hat szénatomos (azaz hexózos) cukornak egy molekulája kívülről keresztezi a sejt plazmamembránját, hogy bejusson a citoplazmába, azonnal foszforilezett - vagyis negatív elektromos töltést hordozó foszfátcsoport kapcsolódik a glükózmolekula egy részéhez. Ez nettó negatív töltést eredményez az akkor vált a-ra glükóz-6-foszfát molekula, amely megakadályozza, hogy elhagyja a sejtet.

Prokarióták, amelyek magukban foglalják a Bacteria és Archaea domént, nincsenek membránhoz kötött organellákkal, beleértve a mitokondrium hogy be eukarióták a Krebs-ciklus és az oxigéntől függő elektrontranszportlánc. Ennek eredményeként a prokarióták nem vesznek részt az aerob ("oxigénnel") légzésben, hanem szinte teljes energiájukból származnak. a glikolízistől az anaerob folyamat, amely az eukarióta sejtekben végzett aerob légzés előtt is működik.

Mivel a glükóz a biokémia egyik leglényegesebb molekulája, és talán a legfontosabb létfontosságú csoport kiindulópontja reakciók a Föld bolygó életének évkönyveiben, ennek a molekulának a felépítése és viselkedése mutat be röviden rendelés.

Más néven szőlőcukor (általában nem biológiai rendszerekre, például kukoricából készült glükózra utalva) és vércukor (a biológiai rendszerek vonatkozásában, pl. orvosi körülmények között), a glükóz hat szénatomos molekula, amelynek kémiai képlete C₆H₁₂O₆. Az emberi vérben a glükóz normális koncentrációja körülbelül 100 mg / dl. 100 mg a gramm tizede, míg a dL egy liter tizede; ez literenként grammra vált ki, és mivel az átlagembernek körülbelül 4 liter vére van, a legtöbb az emberek véráramában bármikor körülbelül 4 g glükóz van - csak az egyharmada uncia.

A glükózban lévő hat szén (C) atom közül öt ül az hatatomos gyűrű olyan formában, hogy a molekula a természetben eltöltött idő 99,98 százalékát feltételezi. A hatodik gyűrűatom oxigén (O), a hatodik C az egyik gyűrűhöz kapcsolódik a Cs részeként hidroxi-metil (-CH₂OH) csoport. A hidroxil (-OH) csoportnál van szervetlen foszfát (Pi) a foszforilezési folyamat során kapcsolódik, amely csapdába ejti a molekulát a sejt citoplazmájában.

A prokarióták kicsiek (elsöprő többségük egysejtű) és egyszerű (az egyik sejtnek hiányzik a magja és más membránhoz kötött organellái). Ez megakadályozhatja, hogy a legtöbb szempontból elegánsak és érdekesek legyenek, mint az eukarióták, de viszonylag alacsony az üzemanyagigényük is.

Mind a prokariótákban, mind az eukariótákban a glikolízis a glükóz metabolizmusának első lépése. A glükóz foszforilezése a sejtbe jutásakor a plazmamembránon keresztüli diffundáció révén a glikolízis első lépése, amelyet egy következő szakaszban részletesen leírunk.

• Egyes baktériumok képesek metabolizálni a cukrot a glükózon kívül vagy azon kívül, mint például a szacharóz, a laktóz vagy a maltóz. Ezek a cukrok diszacharidok, amelyek a görög nyelvből származnak "két cukorra". Ezek közé tartozik a glükóz monomerje, például a fruktóz, egy monoszacharid, mint két alegységük.

A glikolízis végén a glükóz molekulát két három szénatomos piruvát molekula, két molekula előállítására használták az úgynevezett nagy energiájú elektronhordozó nikotinamid-adenin-dinukleotid (NADH), és két ATP-molekula nettó nyeresége.

Ezen a ponton, a prokariótákban, a piruvát általában fermentációba lép, anaerob folyamat, számos különböző variációval, amelyeket hamarosan feltárnak. De egyes baktériumok bizonyos mértékben fejlesztették az aerob légzés elvégzésének képességét, és ezeket nevezik fakultatív anaerobok. Azokat a baktériumokat nevezzük, amelyek csak glikolízisből nyerhetnek energiát kötelezzék az anaerobokat, és ezek közül sokat az oxigén megöli. Korlátozottan kevés baktérium egyenletes kötelező aerobokat, vagyis Önhöz hasonlóan abszolút oxigénigényük van. Tekintettel arra, hogy a baktériumoknak körülbelül 3,5 milliárd éve volt alkalmazkodni a Föld elmozdulásához környezetben, nem lehet meglepő, hogy az alapvető metabolikus túlélés tartományát rendelték el stratégiák.

Glikolízis 10-et tartalmaz reakciókat, ami szép, kerek szám, de nem feltétlenül kell megjegyeznie az összes terméket, köztiterméket és enzimet az összes lépésben. Ehelyett, bár e apróságok egy része szórakoztató és hasznos tudni, sokkal fontosabb, hogy érzékeltesse mit összességében a glikolízis során történik, és miért megtörténik (mind az alapfizika, mind a sejt igényei szempontjából).

A glikolízist a következő reakció veszi át, amely a 10 egyedi reakció összege:

C₆H₁₂O₆ → 2 C₃H₄O₃ + 2 ATP + 2 NADH

Egyszerű angol nyelven a glikolízis során egyetlen glükózmolekulát két piruvátmolekulára bontanak, és útközben pár üzemanyagmolekula és pár "üzemanyag előtti" molekula készül. Az ATP a sejten belüli folyamatok szinte univerzális pénzneme, míg a NADH, a NAD + vagy nikotinamid-adenin-dinukleotid redukált formája, nagy energiájú elektronhordozóként funkcionál, amely végül ezeket az elektronokat hidrogénionok (H +) formájában adományozza a végén lévő oxigénmolekuláknak a elektronszállító lánc ban ben aerob anyagcsere, sokkal több ATP-t eredményez, mint amennyit önmagában a glikolízis képes biztosítani.

A glükóz foszforilezése a citoplazmába kerülése után glükóz-6-foszfátot (G-6-P) eredményez. A foszfát az ATP-ből származik, és beépül a glükózlevelekbe adenozin-difoszfát (ADP) mögött. Mint megjegyeztük, ez csapdába ejti a glükózt a sejtben.

Ezután a G-6-P átalakul fruktóz-6-foszfát (F-6-P). Ez egy izomerizáció reakció, mert a reagens és a termék egymás izomerjei - molekulák, amelyek mindegyik atomtípusával azonos számúak, de térbeli elrendezésük eltérő. Ebben az esetben a fruktózgyűrű csak öt atomot tartalmaz. Ezt az atomi zsonglőrködésért felelős enzimet nevezzük foszfoglükóz izomeráz. (A legtöbb enzimnév, bár gyakran nehézkes, legalábbis teljesen értelmes.)

A glikolízis harmadik reakciójában az F-6-P átalakul fruktóz-1,6-biszfoszfát (F-1,6-BP). Ebben a foszforilezési lépésben a foszfát ismét az ATP-ből származik, de ezúttal egy másik szénatomhoz adják. A felelős enzim az foszfofruktokináz (PFK).

• Sok foszforilezési reakcióban foszfátcsoportokat adnak egy meglévő foszfátcsoport szabad végéhez, de ebben az esetben nem - ennélfogva a "_bis_foszfát" helyett a "_di_foszfát".

A glikolízis negyedik reakciójában az F-1,6-BP molekulát, amely a dupla dózisú foszfátcsoport miatt meglehetősen instabil, az enzim hasítja aldoláz a három szénatomos, egyfoszfát-csoportot hordozó molekulákba glicerinaldehid-3-foszfát (GAP) és dihidroxi-aceton-foszfát (DHAP). Ezek izomerek, és a DHAP gyorsan átalakul GAP-vá a glikolízis ötödik lépésében az enzim nyomására trióz-foszfát-izomeráz (TIM).

Ebben a szakaszban az eredeti glükózmolekula két azonos három szénatomos, egyszeresen foszforilezett molekulává vált, két ATP árán. Ettől kezdve minden leírt glikolízis reakció kétszer fordul elő minden glikolízis alatt álló glükózmolekula esetében.

A glikolízis hatodik reakciójában a GAP átalakul 1,3-biszfoszfo-glicerát (1,3-BPG) hatása alatt glicerinaldehid-3-foszfát-dehidrogenáz. A dehidrogenáz enzimek eltávolítják a hidrogénatomokat (azaz a protonokat). A GAP-ból felszabadított hidrogén kapcsolódik a NAD + molekulához, és így NADH-t kap. Mivel a glükóz kezdeti molekulája felfelé adott kettő a GAP molekulái, e reakció után, kettő létrehozták a NADH molekulákat.

A hetedik glikolízis reakcióban a korai glikolízis egyik foszforilációs reakciója megfordult. Amikor az enzim foszfoglicerát kináz eltávolít egy foszfátcsoportot az 1,3-BPG-ből, az eredmény: 3-foszfoglicerát (3-PG). A két 1,3-BPG molekulától leszedett foszfátokat ADP-hez csatolva két ATP képződik. Ez azt jelenti, hogy az első és a harmadik lépésben "kölcsönkért" két ATP a hetedik reakcióban "visszatér".

A nyolcadik lépésben a 3-PG átalakul 2-foszfoglicerát (2-PG) által foszfoglicerát mutáz, amely az egyetlen megmaradt foszfátcsoportot egy másik szénatomra tereli. A mutáz abban különbözik az izomeráztól, hogy kevésbé nehézkes a működése; Ahelyett, hogy átrendeznék a molekula szerkezetét, csupán az egyik oldalsó csoportját helyezik át egy új helyre, így az egész gerinc, gyűrű stb. mint volt.

A glikolízis kilencedik reakciójában a 2-PG átalakul foszfoenol-piruvát (PEP) enoláz. Az enol egy szén-szén kettős kötéssel rendelkező vegyület, amelyben az egyik szénatom szintén egy hidroxilcsoporthoz kapcsolódik.

Végül, a glikolízis tizedik és utolsó reakciója, a PEP az enzimnek köszönhetően piruváttá alakul piruvát-kináz. A két PEP-ből eltávolított foszfátcsoportok ADP molekulákhoz kapcsolódnak, így két ATP és két piruvát keletkezik, amelyek képlete: (C₃H₄O₃) vagy (CH₃) CO (COOH). Így egyetlen glükózmolekula kezdeti, anaerob feldolgozása két piruvát-, két ATP- és két NADH-molekulát eredményez.

A glükóz sejtekbe jutása által végül előállított piruvát két út egyikét járhatja be. Ha a sejt prokarióta, vagy ha a sejt eukarióta, de átmenetileg több üzemanyagot igényel, mint amennyit csak az aerob légzés képes biztosítani (mint például az izomsejtekben nehéz fizikai edzés közben, mint például sprintelés vagy súlyemelés), a piruvát belép az erjedésbe pálya. Ha a sejt eukarióta és energiaigénye tipikus, akkor a mitokondrium belsejében mozgatja a piruvátot, és részt vesz a Krebs ciklus:

• Erjesztés: Az erjesztést gyakran felváltva használják az "anaerob légzéssel", de valójában ez félrevezető, mert az erjedést megelőző glikolízis szintén anaerob, bár általában nem tekinthető a légzés részének se.
• Az erjesztés a glikolízisben való felhasználás céljából regenerálja a NAD + -ot a piruvát átalakításával laktát. Ennek célja az, hogy a glikolízis megfelelő oxigén hiányában folytatódhasson; a NAD + hiánya lokálisan korlátozná a folyamatot akkor is, ha megfelelő mennyiségű szubsztrát van jelen.
• Aerob légzés: Ide tartozik a Krebs ciklus és a elektronszállító lánc.
• A Krebs-ciklus: Itt a piruvát átalakul acetil koenzim A (acetil-CoA) és szén-dioxid (CO₂). A két szénatomos acetil-CoA kombinálódik a négy szénatommal oxalacetát hogy citrátot képezzen, egy hat szénatomos molekulát, amely ezután hat reakció "kerekén" (cikluson) keresztül haladva két CO₂, egy ATP, három NADH és egy redukált flavin-adenin-dinukleotid (FADH₂).
• Az elektron szállító lánc: Itt a protonok (H⁺ atomok) NADH és FADH_₂A Krebs-ciklusból származó elektrokémiai gradienst létrehozunk, amely 34 (vagy hasonló) ATP-molekula szintézisét vezérli a belső mitokondriális membránon. Az oxigén végső befogadója az elektronoknak, amelyek egyik vegyületről a másikra "ömlenek", egészen a glükózzal kezdődő vegyületek láncolatáig.