Cosa succede quando il glucosio entra in una cellula?

Il glucosio è il ultima fonte di carburante cellulare per tutti gli esseri viventi, con l'energia nei suoi legami chimici usata per sintetizzare adenosina trifosfato (ATP) in vari modi interconnessi e interdipendenti. Quando una molecola di questo zucchero a sei atomi di carbonio (cioè esoso) attraversa la membrana plasmatica di una cellula dall'esterno per entrare nel citoplasma, è immediatamente fosforilato – cioè, un gruppo fosfato, che porta una carica elettrica negativa, è attaccato a una parte della molecola di glucosio. Ciò si traduce in una carica netta negativa su ciò che è poi diventato a glucosio-6-fosfato molecola, che gli impedisce di lasciare la cellula.

procarioti, che includono i domini Bacteria e Archaea, non hanno organelli legati alla membrana, incluso il mitocondri che in eucarioti ospitano il ciclo di Krebs e la catena di trasporto degli elettroni dipendente dall'ossigeno. Di conseguenza, i procarioti non partecipano alla respirazione aerobica ("con ossigeno"), ma ricavano quasi tutta la loro energia dalla glicolisi, il processo anaerobico che opera anche in anticipo rispetto alla respirazione aerobica svolta nelle cellule eucariotiche.

Poiché il glucosio è tra le molecole più vitali in biochimica ed è il punto di partenza forse dell'insieme più vitale di reazioni negli annali della vita sul pianeta Terra, una breve discussione sulla struttura e sul comportamento di questa molecola è in ordine.

Conosciuto anche come destrosio (di solito in riferimento a sistemi non biologici, come il glucosio ricavato dal mais) e glicemia (in riferimento a sistemi biologici, ad esempio, in contesti medici), il glucosio è una molecola a sei atomi di carbonio con la formula chimica C₆H₁₂oh₆. Nel sangue umano, la normale concentrazione di glucosio è di circa 100 mg/dL. 100 mg è un decimo di grammo, mentre un dL è un decimo di litro; questo equivale a un grammo per litro, e poiché la persona media ha circa 4 litri di sangue, la maggior parte le persone hanno circa 4 g di glucosio nel flusso sanguigno in qualsiasi momento - solo circa un settimo di an oncia.

Cinque dei sei atomi di carbonio (C) nel glucosio siedono nella anello a sei atomi forma che la molecola assume il 99,98 per cento delle volte in natura. Il sesto atomo dell'anello è un ossigeno (O), con il sesto C attaccato a uno degli anelli C come parte di a idrossimetil (-CH₂OH) gruppo. È al gruppo ossidrile (-OH) che fosfato inorganico (Pi) è attaccato durante il processo di fosforilazione che intrappola la molecola nel citoplasma cellulare.

I procarioti sono piccoli (la stragrande maggioranza sono unicellulari) e semplici (l'unica cellula che la maggior parte di loro ha manca di un nucleo e di altri organelli legati alla membrana). Ciò può impedire loro di essere eleganti e interessanti nella maggior parte dei casi come gli eucarioti, ma mantiene anche il loro fabbisogno di carburante relativamente basso.

Sia nei procarioti che negli eucarioti, la glicolisi è il primo passo nel metabolismo del glucosio. La fosforilazione del glucosio quando entra in una cellula diffondendosi attraverso la membrana plasmatica è il primo passo nella glicolisi, che è descritto in dettaglio in una sezione successiva.

• Alcuni batteri possono metabolizzare zuccheri diversi o in aggiunta al glucosio, come saccarosio, lattosio o maltosio. Questi zuccheri sono disaccaridi, che deriva dal greco "due zuccheri". Includono un monomero di glucosio, come il fruttosio, un monosaccaride, come una delle loro due subunità.

Alla fine della glicolisi, la molecola di glucosio è stata utilizzata per generare due molecole di piruvato a tre atomi di carbonio, due molecole del cosiddetto trasportatore di elettroni ad alta energia nicotinammide adenina dinucleotide (NADH), e un guadagno netto di due molecole di ATP.

A questo punto, nei procarioti, il piruvato entra solitamente in fermentazione, un processo anaerobico con una serie di varianti diverse che verranno esplorate a breve. Ma alcuni batteri hanno evoluto la capacità di svolgere in una certa misura la respirazione aerobica e sono chiamati anaerobi facoltativi. I batteri che possono trarre energia solo dalla glicolisi sono chiamati anaerobi obbligati, e molti di questi vengono effettivamente uccisi dall'ossigeno. Un numero limitato di batteri è pari aerobi obbligati, il che significa che, come te, hanno un fabbisogno assoluto di ossigeno. Dato che i batteri hanno avuto circa 3,5 miliardi di anni per adattarsi alle esigenze del cambiamento della Terra ambiente, non dovrebbe sorprendere che abbiano comandato una gamma di sopravvivenza metabolica di base strategie.

glicolisi include 10 reazioni, che è un bel numero tondo, ma non è necessario memorizzare tutti i prodotti, gli intermedi e gli enzimi in tutti questi passaggi. Invece, mentre alcune di queste minuzie sono divertenti e utili da conoscere, è più importante acquisire un senso di che cosa avviene nella glicolisi in generale, e perché accade (in termini sia di fisica di base che di bisogni della cellula).

La glicolisi viene catturata nella seguente reazione, che è la somma delle sue 10 singole reazioni:

C₆H₁₂oh₆ → 2 C₃H₄oh₃ + 2 ATP + 2 NADH

In parole povere, nella glicolisi, una singola molecola di glucosio viene scomposta in due molecole di piruvato e, lungo il percorso, vengono prodotte un paio di molecole di combustibile e una coppia di molecole "pre-combustibile". L'ATP è la valuta quasi universale per l'energia nei processi cellulari, mentre NADH, la forma ridotta di NAD+ o nicotinammide adenina dinucleotide, funziona come un vettore di elettroni ad alta energia che alla fine dona quegli elettroni, sotto forma di ioni idrogeno (H+), alle molecole di ossigeno alla fine del catena di trasporto degli elettroni nel metabolismo aerobico, risultando in molto più ATP di quanto la sola glicolisi possa fornire.

La fosforilazione del glucosio dopo il suo ingresso nel citoplasma si traduce in glucosio-6-fosfato (G-6-P). Il fosfato proviene dall'ATP e dalla sua incorporazione nelle foglie di glucosio adenosina difosfato (ADP) dietro. Come notato, questo intrappola il glucosio all'interno della cellula.

Successivamente, G-6-P viene convertito in fruttosio-6-fosfato (F-6-P). Questo è un isomerizzazione reazione, perché il reagente e il prodotto sono isomeri l'uno dell'altro - molecole con lo stesso numero di ciascun tipo di atomo, ma con disposizioni spaziali diverse. In questo caso, l'anello del fruttosio ha solo cinque atomi. L'enzima responsabile di questa sorta di atto di giocoleria atomica si chiama fosfoglucosio isomerasi. (La maggior parte dei nomi di enzimi, sebbene spesso ingombranti, almeno hanno perfettamente senso.)

Nella terza reazione della glicolisi, F-6-P viene convertito in fruttosio-1,6-bisfosfato (F-1,6-BP). In questa fase di fosforilazione, il fosfato proviene ancora dall'ATP, ma questa volta viene aggiunto a un atomo di carbonio diverso. L'enzima responsabile è fosfofruttochinasi (PFK).

• In molte reazioni di fosforilazione, i gruppi fosfato vengono aggiunti all'estremità libera di un gruppo fosfato esistente, ma non in questo caso, quindi "_bis_fosfato" anziché "_di_fosfato".

Nella quarta reazione di glicolisi, la molecola F-1,6-BP, abbastanza instabile a causa della sua doppia dose di gruppi fosfato, viene scissa dall'enzima aldolasi nelle molecole a tre atomi di carbonio, portatrici di un singolo gruppo fosfato gliceraldeide 3-fosfato (GAP) e diidrossiacetone fosfato (DHAP). Questi sono isomeri e il DHAP viene rapidamente convertito in GAP nella quinta fase della glicolisi usando una spinta dall'enzima trioso fosfato isomerasi (TIM).

In questa fase, la molecola di glucosio originale è diventata due molecole identiche a tre atomi di carbonio, singolarmente fosforilate, al costo di due ATP. Da questo punto in poi, ogni reazione descritta di glicolisi si verifica due volte per ogni molecola di glucosio sottoposta a glicolisi.

Nella sesta reazione della glicolisi, GAP viene convertito in 1,3-bisfosfoglicerato (1,3-BPG) sotto l'influenza di gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi. Gli enzimi deidrogenasi rimuovono gli atomi di idrogeno (cioè i protoni). L'idrogeno liberato dal GAP si attacca alla molecola NAD+, producendo NADH. Perché la molecola iniziale di glucosio a monte ha dato origine a Due molecole di GAP, dopo questa reazione, Due sono state create molecole di NADH.

Nella settima reazione di glicolisi, una delle reazioni di fosforilazione della glicolisi precoce è, in effetti, invertita. Quando l'enzima fosfoglicerato chinasi rimuove un gruppo fosfato da 1,3-BPG, il risultato è 3-fosfoglicerato (3-PG). I fosfati che sono stati rimossi dalle due molecole 1,3-BPG vengono aggiunti a un ADP per formare due ATP. Ciò significa che i due ATP "presi in prestito" nei passaggi uno e tre vengono "restituiti" nella settima reazione.

Nel passaggio otto, 3-PG viene convertito in 2-fosfoglicerato (2-PG) di fosfoglicerato mutasi, che trasporta l'unico gruppo fosfato rimanente in un diverso atomo di carbonio. Una mutasi differisce da un'isomerasi in quanto è meno pesante nella sua azione; invece di riorganizzare la struttura di una molecola, spostano semplicemente uno dei suoi gruppi laterali in un nuovo punto, lasciando la spina dorsale, l'anello, ecc. com'era.

Nella nona reazione della glicolisi, il 2-PG viene convertito in fosfoenolpiruvato (PEP) sotto l'azione di enolasi. Un enolo è un composto con un doppio legame carbonio-carbonio in cui uno degli atomi di carbonio è anche legato a un gruppo ossidrile.

Infine, la decima e ultima reazione della glicolisi, la PEP si trasforma in piruvato grazie all'enzima piruvato chinasi. I gruppi fosfato rimossi dai due PEP sono attaccati alle molecole di ADP, producendo due ATP e due piruvato, la cui formula è ( C₃H₄oh₃) o (CH₃)CO(COOH). Quindi l'elaborazione anaerobica iniziale di una singola molecola di glucosio produce due molecole di piruvato, due di ATP e due di NADH.

Il piruvato generato alla fine dall'ingresso del glucosio nelle cellule può prendere una delle due strade. Se la cellula è procariotica, o se la cellula è eucariotica ma richiede temporaneamente più carburante di quanto la sola respirazione aerobica possa fornire (come, ad esempio, nelle cellule muscolari durante un duro esercizio fisico come lo sprint o il sollevamento pesi), il piruvato entra nella fermentazione sentiero. Se la cellula è eucariotica e il suo fabbisogno energetico è tipico, sposta il piruvato all'interno dei mitocondri e partecipa alla ciclo di Krebs:

• Fermentazione: La fermentazione è spesso usata in modo intercambiabile con la "respirazione anaerobica", ma in verità questo è fuorviante perché Anche la glicolisi, che precede la fermentazione, è anaerobica, sebbene non sia generalmente considerata parte della respirazione per se.
• La fermentazione rigenera il NAD+ per l'uso nella glicolisi convertendo il piruvato in lattato. L'intero scopo di questo è quello di consentire alla glicolisi di continuare in assenza di ossigeno adeguato; una carenza di NAD+ localmente limiterebbe il processo anche in presenza di adeguate quantità di substrato.
• Respirazione aerobica: Questo include il ciclo di Krebs e il catena di trasporto degli elettroni.
• Il ciclo di Krebs: Qui, il piruvato viene convertito in acetil coenzima A (acetil CoA) e anidride carbonica (CO₂). L'acetil CoA a due atomi di carbonio si combina con il quattro carbonio ossalacetato per formare citrato, una molecola di sei atomi di carbonio che procede poi attraverso una "ruota" (ciclo) di sei reazioni che risultano in due CO₂, un ATP, tre NADH e un flavin adenin dinucleotide ridotto (FADH₂).
• La catena di trasporto degli elettroni: Qui, i protoni (H⁺ atomi) di NADH e FADH_₂_ dal ciclo di Krebs vengono utilizzati per creare un gradiente elettrochimico che guida la sintesi di 34 (circa) molecole di ATP sulla membrana mitocondriale interna. L'ossigeno funge da accettore finale degli elettroni che "si riversano" da un composto all'altro, partendo dal glucosio lungo tutta la catena dei composti.