Hogyan lehet metabolizálni a glükózt az ATP előállításához

A glükóz, egy hatszénes cukor, az alapvető "input" az egész életet meghonosító egyenletben. A kívülről jövő energia bizonyos értelemben átalakul a sejt energiájává. Minden élőlényben, a legjobb barátodtól a legalacsonyabb baktériumig, vannak sejtek, amelyek gyökéranyagcsere szinten égetik a glükózt üzemanyagként.

A szervezetek abban különböznek egymástól, hogy sejtjeik milyen mértékben tudják kinyerni az energiát a glükózból. Minden sejtben ez az energia formában van adenozin-trifoszfát (ATP).

Ezért egy dolog minden élő sejtben az a közös, hogy a glükózt metabolizálva ATP-t képeznek. A sejtbe belépő adott glükózmolekula steak vacsoraként, vadállatok zsákmányaként, növényi anyagként vagy valami másként kezdődhetett.

Ettől függetlenül a különféle emésztési és biokémiai folyamatok lebontották az összes multi-szénmolekulát bármilyen anyagot táplál be a szervezet a monoszacharid cukorból, amely a sejtek anyagcseréjébe jut utak.

Kémiailag szőlőcukor egy hexóz cukor, hatszög a görög előtag a "hat", a szénatomok száma a glükózban. Molekulaképlete az

A glükóz szintén a monoszacharid vagyis olyan cukor, amely csak egy alapvető egységet tartalmaz, vagy monomer.Fruktóz a monoszacharid másik példája, míg szacharózvagy asztali cukor (fruktóz plusz glükóz), laktóz (glükóz plusz galaktóz) és malátacukor (glükóz plusz glükóz) vannak diszacharidok.

Vegye figyelembe, hogy a szén-, hidrogén- és oxigénatomok aránya a glükózban 1: 2: 1. Valójában az összes szénhidrát ugyanazt az arányt mutatja, és molekuláris képleteik mind C formájúak_nH_2nO_n.

Az ATP a nukleozid, ebben az esetben adenozin, három foszfátcsoporttal kapcsolódva. Ez valójában a nukleotid, mivel egy nukleozid a pentóz cukor (vagy ribóz vagy dezoxiribóz) nitrogénes bázissal (azaz adeninnel, citozinnal, guaninnal, timinnel vagy uracillal) kombinálva, míg a nukleotid egy vagy több foszfátcsoportot tartalmazó nukleozid. De a terminológiát félretéve, a fontos tudnivaló ATP az, hogy tartalmaz adenint, ribózt és három foszfát (P) csoport láncát.

Az ATP a foszforilezés nak,-nek adenozin-difoszfát (ADP)és fordítva, amikor az ATP terminális foszfátkötése hidrolizált, ADP és P_én (szervetlen foszfát) a termékek. Az ATP-t a sejtek "energia pénznemének" tekintik, mivel ezt a rendkívüli molekulát szinte minden anyagcsere-folyamat táplálására használják.

Sejtlégzés az eukarióta organizmusok metabolikus útvonalainak összessége, amely jelenlétében a glükózt ATP-vé és szén-dioxiddá alakítja oxigént, vizet leadva, és rengeteg ATP-t termel (befektetett glükózmolekulánként 36-38 molekula) folyamat.

A teljes nettó reakció kiegyensúlyozott képlete az elektronhordozók és az energiamolekulák kivételével:

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O

A sejtlégzés valójában három különálló és egymást követő utat foglal magában:

• Glikolízis, amely minden sejtben előfordul és a citoplazmában játszódik le, és mindig a glükóz metabolizmus első lépése (és a legtöbb prokarióta esetében az utolsó lépés is).
  
• A Krebs ciklus, más néven trikarbonsav (TCA) ciklusnak vagy citromsav ciklusnak, amely a mitokondriális mátrixban bontakozik ki.
• A elektronszállító lánc, amely a belső mitokondriális membránon játszódik le, és a sejtlégzésben termelődő ATP nagy részét előállítja.

E két utóbbi szakasz oxigénfüggő, és együttesen alkotják aerob légzés. Gyakran azonban az eukarióta anyagcsere megbeszélésekor a glikolízist, bár nem függ az oxigéntől, mégis részének tekintik "aerob légzés"mert szinte az összes fő terméke, piruvát, tovább lép a másik két útvonalra.

A glikolízis során a glükóz 10 reakció sorozatában a piruvát molekulává alakul, a két ATP-molekula nettó nyeresége és az "elektronhordozó" két molekulája nikotinamid-adenin-dinukleotid (NADH). A folyamatba belépő minden glükózmolekulához két piruvátmolekula termelődik, mivel a piruvát három szénatomja a hat glükózatomé.

Az első lépésben a glükóz foszforilálva válik glükóz-6-foszfát (G6P). Ez arra kötelezi a glükózt, hogy metabolizálódjon, ahelyett, hogy visszasodródna a sejt membrán, mert a foszfátcsoport negatív töltést ad a G6P-nek. A következő néhány lépésben a molekulát átrendezik egy másik cukorszármazékká, majd másodszor foszforilálják, hogy fruktóz-1,6-biszfoszfát.

A glikolízis ezen korai lépései két ATP beruházását igénylik, mert ez a foszfátcsoportok forrása a foszforilezési reakciókban.

A fruktóz-1,6-biszfoszfát két különböző három szénatomos molekulára oszlik fel, amelyek mindegyike a saját foszfátcsoportját hordozza; ezek szinte mindegyike gyorsan átalakul a másikba, glicerinaldehid-3-foszfát (G3P). Így ettől a ponttól kezdve minden megismétlődik, mert minden "upstream" glükózhoz két G3P tartozik.

Ettől a ponttól kezdve a G3P foszforilálódik egy olyan lépésben, amely az oxidált NAD + formából szintén NADH-t termel, majd a két foszfátcsoportot adott az ADP-molekuláknak a későbbi átrendeződési lépések során két ATP-molekula előállításához a glikolízis végső széntermékével együtt, piruvát.

Mivel ez glükózmolekulánként kétszer fordul elő, a glikolízis második fele négy ATP-t eredményez a háló két ATP (mivel kettőre volt szükség a folyamat elején) és két NADH glikolíziséből származó nyereség.

Ban,-ben előkészítő reakció, miután a glikolízis során képződött piruvát a citoplazmából a mitokondriális mátrixba jut, először acetáttá (CH₃COOH-) és CO₂ (salakanyag ebben a forgatókönyvben), majd az úgynevezett vegyületté acetil koenzim A, vagy acetil CoA. Ebben a reakcióban NADH keletkezik. Ez megalapozza a Krebs-ciklus színterét.

Ezt a nyolc reakciósorozatot azért nevezik el, mert az első lépésben az egyik reagens, oxalacetát, ez is a termék az utolsó lépésben. A Krebs-ciklus feladata a szállító, nem pedig a gyártó feladata: glükózmolekulánként csak két ATP-t generál, de további hat NADH-val és kettővel FADH-val járul hozzá₂, egy másik elektronhordozó és a NADH közeli rokona.

(Vegye figyelembe, hogy ez egy ATP-t, három NADH-t és egy FADH-t jelent₂a ciklus fordulójánként. Minden glikolízisbe kerülő glükóz esetében két acetil-CoA molekula lép be a Krebs-ciklusba.)

A glükózonkénti alapon az energiameghatározás idáig négy ATP (kettő a glikolízisből és kettő a Krebsből származik) ciklus), 10 NADH (kettő glikolízisből, kettő az előkészítő reakcióból és hat a Krebsi ciklusból) és kettő FADH₂ a Krebs-ciklusból. Míg a Krebs-ciklus szénvegyületei tovább forognak az áramlás irányában, az elektronhordozók a mitokondriális mátrixból a mitokondriális membrán.

Amikor NADH és FADH₂ szabadítsák fel elektronjaikat, ezeket használják fel elektrokémiai gradiens létrehozására a mitokondriális membránon keresztül. Ezt a gradienst használják a foszfátcsoportok ADP-hez való kötődésének elősegítésére az ATP létrehozására az úgynevezett folyamatban oxidatív foszforiláció, azért nevezték el, mert a láncban az elektronhordozótól az elektronhordozóig kaszkádoló elektronok végső akceptora az oxigén (O₂).

Mivel minden NADH három ATP-t és minden FADH-t eredményez₂ két ATP-t eredményez oxidatív foszforilezésben, ami (10) (3) + (2) (2) = 34 ATP-t ad a keverékhez. Így egy glükózmolekula akár 38 ATP-t is hozhat ban ben eukarióta organizmusok.