Qual è la principale fonte di energia cellulare?

Probabilmente hai capito fin da quando eri giovane che il cibo che mangi deve diventare "qualcosa" di molto più piccolo di quel cibo perché tutto ciò che è "nel" cibo possa aiutare il tuo corpo. Come accade, più specificamente, una singola molecola di un tipo di carboidrato classificato come a zucchero è l'ultima fonte di carburante in qualsiasi reazione metabolica che si verifica in qualsiasi cellula in qualsiasi momento.

Quella molecola è glucosio, una molecola a sei atomi di carbonio a forma di anello appuntito. In tutte le cellule, entra in glicolisi, e nelle cellule più complesse partecipa anche a fermentazione, fotosintesi e respirazione cellulare a vari livelli nei diversi organismi.

Ma un modo diverso di rispondere alla domanda "Quale molecola viene utilizzata dalle cellule come fonte di energia?" lo sta interpretando come "Quale molecola? direttamente alimenta i processi della cellula?"

Quella molecola "potenziante", che come il glucosio è attiva in tutte le cellule, è

Rispondere a questa domanda è simile a comprendere la differenza tra dire "Gli umani ottengono combustibili fossili dal suolo" e "Gli umani ottengono combustibili fossili". alimentare l'energia dalle centrali a carbone." Entrambe le affermazioni sono vere, ma affrontano diverse fasi nella catena di conversione dell'energia del metabolismo reazioni. Negli esseri viventi, il glucosio è il fondamentale nutriente, ma l'ATP è la base carburante.

Tutti gli esseri viventi appartengono a una delle due grandi categorie: procarioti ed eucarioti. I procarioti sono gli organismi unicellulari della tassonomia domini Batteri e Archaea, mentre gli eucarioti rientrano tutti nel dominio Eukaryota, che comprende animali, piante, funghi e protisti.

I procarioti sono piccoli e semplici rispetto agli eucarioti; le loro cellule sono corrispondentemente meno complesse. Nella maggior parte dei casi, una cellula procariota è la stessa cosa di un organismo procariota e il fabbisogno energetico di un batterio è molto inferiore a quello di qualsiasi cellula eucariotica.

Le cellule procariotiche hanno gli stessi quattro componenti che si trovano in tutte le cellule del mondo naturale: DNA, una membrana cellulare, citoplasma e ribosomi. Il loro citoplasma contiene tutti gli enzimi necessari per la glicolisi, ma l'assenza di mitocondri e cloroplasti significa che la glicolisi è davvero l'unica via metabolica disponibile per i procarioti.

Leggi di più sulle somiglianze e le differenze tra le cellule procariotiche ed eucariotiche.

Il glucosio è uno zucchero a sei atomi di carbonio a forma di anello, rappresentato nei diagrammi da una forma esagonale. La sua formula chimica è C₆H₁₂oh₆, dandogli un rapporto C/H/O di 1:2:1; questo è vero, infatti, per tutte le biomolecole classificate come carboidrati.

Il glucosio è considerato a monosaccaride, il che significa che non può essere ridotto in zuccheri diversi e più piccoli rompendo i legami idrogeno tra i diversi componenti. Il fruttosio è un altro monosaccaride; il saccarosio (zucchero da tavola), che si ottiene unendo glucosio e fruttosio, è considerato un disaccaride.

Il glucosio è anche chiamato "zucchero nel sangue", perché è questo composto la cui concentrazione viene misurata nel sangue quando una clinica o un laboratorio ospedaliero determina lo stato metabolico di un paziente. Può essere infuso direttamente nel flusso sanguigno in soluzioni endovenose perché non richiede scomposizione prima di entrare nelle cellule del corpo.

L'ATP è un nucleotide, il che significa che è costituito da una delle cinque diverse basi azotate, uno zucchero a cinque atomi di carbonio chiamato ribosio e da uno a tre gruppi fosfato. Le basi nei nucleotidi possono essere adenina (A), citosina (C), guanina (G), timina (T) o uracile (U). I nucleotidi sono gli elementi costitutivi degli acidi nucleici DNA e RNA; A, C e G si trovano in entrambi gli acidi nucleici, mentre T si trova solo nel DNA e U solo nell'RNA.

Il "TP" in ATP, come hai visto, sta per "trifosfato" e indica che l'ATP ha il numero massimo di gruppi fosfato che un nucleotide può avere - tre. La maggior parte dell'ATP è prodotta dall'attaccamento di un gruppo fosfato all'ADP, o adenosina difosfato, un processo noto come fosforilazione.

L'ATP ei suoi derivati ​​hanno un'ampia gamma di applicazioni in biochimica e medicina, molte delle quali sono in fase esplorativa mentre il 21° secolo si avvicina al suo terzo decennio.

Il rilascio di energia dal cibo comporta la rottura dei legami chimici nei componenti del cibo e lo sfruttamento di questa energia per la sintesi delle molecole di ATP. Ad esempio, i carboidrati sono tutti ossidato infine ad anidride carbonica (CO₂) e acqua (H₂O). Anche i grassi vengono ossidati, con le loro catene di acidi grassi che producono molecole di acetato che poi entrano nella respirazione aerobica nei mitocondri eucariotici.

I prodotti di degradazione delle proteine ​​sono ricchi di azoto e vengono utilizzati per la costruzione di altre proteine ​​e acidi nucleici. Ma alcuni dei 20 amminoacidi da cui sono costruite le proteine ​​possono essere modificati ed entrare nel metabolismo cellulare a livello della respirazione cellulare (ad esempio, dopo la glicolisi)

Sommario:La glicolisi produce direttamente 2 ATP per ogni molecola di glucosio; fornisce piruvato e trasportatori di elettroni per ulteriori processi metabolici.

La glicolisi è una serie di dieci reazioni in cui una molecola di glucosio viene trasformata in due molecole della molecola a tre atomi di carbonio piruvato, producendo 2 ATP lungo il percorso. Consiste in una prima fase di "investimento" in cui vengono utilizzati 2 ATP per attaccare i gruppi fosfato alla molecola di glucosio in movimento, e una successiva fase di "ritorno" in quale il derivato del glucosio, essendo stato suddiviso in una coppia di composti intermedi a tre atomi di carbonio, produce 2 ATP per composto a tre atomi di carbonio e questo 4 complessivamente.

Ciò significa che l'effetto netto della glicolisi è di produrre 2 ATP per molecola di glucosio, poiché 2 ATP vengono consumati nella fase di investimento ma un totale di 4 ATP viene prodotto nella fase di vincita.

Leggi di più sulla glicolisi.

Sommario:La fermentazione reintegra il NAD⁺ per la glicolisi; non produce direttamente ATP.

Quando è presente una quantità di ossigeno insufficiente per soddisfare le richieste energetiche, come quando si corre molto duramente o si sollevano pesi strenuamente, la glicolisi può essere l'unico processo metabolico disponibile. È qui che entra in gioco la "bruciatura di acido lattico" di cui potresti aver sentito parlare. Se il piruvato non può entrare nella respirazione aerobica come descritto di seguito, viene convertito in lattato, che a sua volta non fa molto bene ma assicura che la glicolisi possa continuare fornendo una molecola intermedia chiave key chiamato NAD⁺.

Sommario:Il ciclo di Krebs produce 1 ATP per giro del ciclo (e quindi 2 ATP per glucosio "a monte", poiché 2 piruvato possono produrre 2 acetil CoA).

In condizioni normali di ossigeno adeguato quasi tutto il piruvato generato nella glicolisi negli eucarioti si muove da il citoplasma in organelli ("piccoli organi") noti come mitocondri, dove si converte nella molecola a due atomi di carbonio acetil coenzima A (acetil CoA) mediante strippaggio e rilascio di CO₂. Questa molecola si combina con una molecola a quattro atomi di carbonio chiamata ossalacetato per creare citrato, il primo passo in quello che viene anche chiamato ciclo TCA o ciclo dell'acido citrico.

Questa "ruota" di reazioni alla fine ha ridotto il citrato a ossalacetato, e lungo il percorso viene generato un singolo ATP insieme a quattro cosiddetti portatori di elettroni ad alta energia (NADH e FADH₂).

Sommario:La catena di trasporto degli elettroni produce circa 32-34 ATP per molecola di glucosio "a monte", che lo rende di gran lunga il più grande contributore all'energia cellulare negli eucarioti.

I trasportatori di elettroni del ciclo di Krebs si spostano dall'interno dei mitocondri alla membrana interna dell'organello, che ha tutti i tipi di enzimi specializzati chiamati citocromi pronti a funzionare. In breve, quando gli elettroni, sotto forma di atomi di idrogeno, vengono tolti dai loro portatori, questo alimenta la fosforilazione delle molecole di ADP in una grande quantità di ATP.

L'ossigeno deve essere presente come accettore di elettroni finale nella cascata che si verifica attraverso la membrana affinché questa catena di reazioni si verifichi. Se non lo è, il processo di respirazione cellulare "fa il backup" e non può nemmeno verificarsi il ciclo di Krebs.