Bagaimana Metabolisme Glukosa untuk Membuat ATP

Glukosa, gula enam karbon, adalah "masukan" mendasar dalam persamaan yang menggerakkan semua kehidupan. Energi dari luar, dengan beberapa cara, diubah menjadi energi untuk sel. Setiap organisme yang hidup, dari sahabat Anda hingga bakteri paling rendah, memiliki sel-sel yang membakar glukosa untuk bahan bakar pada tingkat metabolisme akar.

Organisme berbeda dalam sejauh mana sel mereka dapat mengekstrak energi dari glukosa. Di semua sel, energi ini dalam bentuk adenosin trifosfat (ATP).

Oleh karena itu, satu hal semua sel hidup memiliki kesamaan adalah mereka memetabolisme glukosa untuk membuat ATP. Molekul glukosa tertentu yang memasuki sel dapat dimulai sebagai makan malam steak, sebagai mangsa hewan liar, sebagai materi tumbuhan atau sebagai sesuatu yang lain.

Apapun, berbagai proses pencernaan dan biokimia telah memecah semua molekul multi-karbon di zat apa pun yang dicerna organisme untuk makanan ke gula monosakarida yang memasuki metabolisme seluler jalur.

Secara kimia,

Glukosa juga merupakan monosakarida itu adalah gula yang hanya mencakup satu unit dasar, atau monomer.Fruktosa adalah contoh lain dari monosakarida, sedangkan sukrosa, atau gula meja (fruktosa ditambah glukosa), laktosa (glukosa ditambah galaktosa) dan maltosa (glukosa ditambah glukosa) adalah disakarida.

Perhatikan bahwa rasio atom karbon, hidrogen dan oksigen dalam glukosa adalah 1:2:1. Faktanya, semua karbohidrat menunjukkan rasio yang sama, dan rumus molekulnya semuanya berbentuk C_tidakH_2nHAI_tidak.

ATP adalah nukleosida, dalam hal ini adenosin, dengan tiga gugus fosfat yang melekat padanya. Ini benar-benar membuatnya menjadi nukleotida, karena nukleosida adalah a pentosa gula (baik ribosa atau deoksiribosa) dikombinasikan dengan basa nitrogen (yaitu, adenin, sitosin, guanin, timin atau urasil), sedangkan nukleotida adalah nukleosida dengan satu atau lebih gugus fosfat yang terikat. Tapi selain terminologi, hal yang penting untuk diketahui tentang ATP adalah mengandung adenin, ribosa dan rantai tiga gugus fosfat (P).

ATP dibuat melalui fosforilasi dari adenosin difosfat (ADP), dan sebaliknya, ketika ikatan fosfat terminal dalam ATP adalah terhidrolisis, ADP dan P_saya (fosfat anorganik) adalah produknya. ATP dianggap sebagai "mata uang energi" sel karena molekul luar biasa ini digunakan untuk menggerakkan hampir setiap proses metabolisme.

Respirasi seluler adalah set jalur metabolisme pada organisme eukariotik yang mengubah glukosa menjadi ATP dan karbon dioksida dengan adanya oksigen, mengeluarkan air dan menghasilkan banyak ATP (36 hingga 38 molekul per molekul glukosa yang diinvestasikan) di proses.

Rumus kimia yang seimbang untuk reaksi bersih keseluruhan, tidak termasuk pembawa elektron dan molekul energi, adalah:

C₆H₁₂HAI₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂HAI

Respirasi seluler sebenarnya mencakup tiga jalur yang berbeda dan berurutan:

• Glikolisis, yang terjadi di semua sel dan terjadi di sitoplasma, dan selalu merupakan langkah pertama metabolisme glukosa (dan di sebagian besar prokariota, juga langkah terakhir).
  
• Itu Siklus Krebs, juga disebut siklus asam trikarboksilat (TCA) atau siklus asam sitrat, yang terbentang dalam matriks mitokondria.
• Itu rantai transpor elektron, yang terjadi pada membran mitokondria bagian dalam dan menghasilkan sebagian besar ATP yang dihasilkan dalam respirasi seluler.

Dua tahap terakhir ini bergantung pada oksigen dan bersama-sama membentuk make pernapasan aerobik. Seringkali, bagaimanapun, dalam diskusi metabolisme eukariotik, glikolisis, meskipun tidak bergantung pada oksigen, dianggap sebagai bagian "pernapasan aerobik" karena hampir semua produk utamanya, piruvat, terus memasuki dua jalur lainnya.

Dalam glikolisis, glukosa diubah dalam serangkaian 10 reaksi menjadi molekul piruvat, dengan a perolehan bersih dua molekul ATP dan dua molekul "pembawa elektron" nikotinamida adenin dinukleotida (NADH). Untuk setiap molekul glukosa yang memasuki proses, dua molekul piruvat diproduksi, karena piruvat memiliki tiga atom karbon hingga enam glukosa.

Pada langkah pertama, glukosa difosforilasi menjadi glukosa-6-fosfat (G6P). Ini membuat glukosa dimetabolisme daripada melayang kembali melalui membran sel, karena gugus fosfat memberi G6P muatan negatif. Selama beberapa langkah berikutnya, molekul disusun ulang menjadi turunan gula yang berbeda dan kemudian difosforilasi untuk kedua kalinya menjadi fruktosa-1,6-bifosfat.

Langkah awal glikolisis ini memerlukan investasi dua ATP karena ini adalah sumber gugus fosfat dalam reaksi fosforilasi.

Fruktosa-1,6-bifosfat terbagi menjadi dua molekul tiga karbon yang berbeda, masing-masing membawa gugus fosfatnya sendiri; hampir semua dari ini, dengan cepat dikonversi ke yang lain, gliseraldehida-3-fosfat (G3P). Jadi mulai saat ini, semuanya diduplikasi karena ada dua G3P untuk setiap glukosa "hulu".

Dari titik ini, G3P difosforilasi dalam langkah yang juga menghasilkan NADH dari bentuk teroksidasi NAD+, dan kemudian kedua gugus fosfat diberikan ke molekul ADP dalam langkah penataan ulang berikutnya untuk menghasilkan dua molekul ATP bersama dengan produk karbon akhir glikolisis, piruvat.

Karena ini terjadi dua kali per molekul glukosa, paruh kedua glikolisis menghasilkan empat ATP untuk a. bersih keuntungan dari glikolisis dua ATP (karena dua diperlukan di awal proses) dan dua NADH.

Dalam reaksi persiapan, setelah piruvat yang dihasilkan dalam glikolisis menemukan jalannya dari sitoplasma ke dalam matriks mitokondria, itu diubah terlebih dahulu menjadi asetat (CH₃COOH-) dan CO₂ (produk limbah dalam skenario ini) dan kemudian ke senyawa yang disebut asetil koenzim A, atau asetil KoA. Dalam reaksi ini, NADH dihasilkan. Ini mengatur panggung untuk siklus Krebs.

Rangkaian delapan reaksi ini dinamakan demikian karena salah satu reaktan pada langkah pertama, oksaloasetat, juga merupakan produk pada langkah terakhir. Tugas siklus Krebs adalah sebagai pemasok dan bukan produsen: Ini hanya menghasilkan dua ATP per molekul glukosa, tetapi menyumbang enam NADH dan dua FADH lagi.₂, pembawa elektron lain dan kerabat dekat NADH.

(Perhatikan bahwa ini berarti satu ATP, tiga NADH dan satu FADH₂per putaran siklus. Untuk setiap glukosa yang memasuki glikolisis, dua molekul asetil KoA memasuki siklus Krebs.)

Pada basis per-glukosa, penghitungan energi ke titik ini adalah empat ATP (dua dari glikolisis dan dua dari Krebs siklus), 10 NADH (dua dari glikolisis, dua dari reaksi persiapan dan enam dari siklus Krebs) dan dua FADH₂ dari siklus Krebs. Sementara senyawa karbon dalam siklus Krebs terus berputar ke hulu, pembawa elektron berpindah dari matriks mitokondria ke membran mitokondria.

Ketika NADH dan FADH₂ melepaskan elektron mereka, ini digunakan untuk membuat gradien elektrokimia melintasi membran mitokondria. Gradien ini digunakan untuk memberi daya pada perlekatan gugus fosfat ke ADP untuk membuat ATP dalam proses yang disebut fosforilasi oksidatifDinamakan demikian karena akseptor utama elektron yang mengalir dari pembawa elektron ke pembawa elektron dalam rantai adalah oksigen (O₂).

Karena setiap NADH menghasilkan tiga ATP dan setiap FADH₂ menghasilkan dua ATP dalam fosforilasi oksidatif, ini menambahkan (10)(3) + (2)(2) = 34 ATP ke dalam campuran. Jadi satu molekul glukosa dapat menghasilkan hingga 38 ATP di organisme eukariotik.