Kas nutinka, kai gliukozė patenka į ląstelę?

Gliukozė yra pagrindinis korinio kuro šaltinis visoms gyvosioms būtybėms, sintezei panaudojant energiją cheminiuose ryšiuose adenozino trifosfatas (ATP) įvairiais tarpusavyje susijusiais ir priklausomais būdais. Kai šio šešių anglių (t. Y. Heksozės) cukraus molekulė kerta ląstelės plazmos membraną iš išorės ir patenka į citoplazmą, ji nedelsiant fosforilintas - tai yra fosfatų grupė, turinti neigiamą elektrinį krūvį, yra prijungta prie dalies gliukozės molekulės. Dėl to grynasis neigiamas mokestis už tai, kas tada tapo a gliukozės-6-fosfatas molekulę, kuri neleidžia jai išeiti iš ląstelės.

Prokariotai, kurie apima bakterijų ir archajų domenus, neturi su membrana susijusių organelių, įskaitant mitochondrijos kad į eukariotai vyksta Krebso ciklas ir nuo deguonies priklausanti elektronų perdavimo grandinė. Todėl prokariotai nedalyvauja aerobiniame („su deguonimi“) kvėpavime, o gauna beveik visą savo energiją nuo glikolizės - anaerobinio proceso, kuris taip pat veikia prieš eukariotų ląstelėse atliekamą aerobinį kvėpavimą.

Kadangi gliukozė yra viena iš gyvybiškai svarbiausių biochemijos molekulių ir yra bene gyvybiškai svarbiausio junginio atspirties taškas reakcijos Žemės planetos metraštyje, trumpai aptariama šios molekulės struktūra ir elgsena įsakymas.

Taip pat žinomas kaip dekstrozė (paprastai kalbant apie ne biologines sistemas, tokias kaip iš kukurūzų pagaminta gliukozė) ir cukraus kiekis kraujyje (kalbant apie biologines sistemas, pvz., medicinoje), gliukozė yra šešių anglies molekulių, kurių cheminė formulė C₆H₁₂O₆. Žmogaus kraujyje normali gliukozės koncentracija yra apie 100 mg / dL. 100 mg yra dešimtoji gramo, tuo tarpu dL yra dešimtoji litro; tai išeina iki gramo litre, o kadangi vidutinis žmogus turi apie 4 litrus kraujo, daugiausia žmonių kraujyje bet kuriuo metu yra apie 4 g gliukozės - tik maždaug septintoji dalis uncija.

Penki iš šešių anglies (C) atomų gliukozėje sėdi šešių atomų žiedas forma, kad molekulė gamtoje laiko 99,98 proc. Šeštasis žiedo atomas yra deguonis (O), o šeštasis C yra prijungtas prie vieno iš žiedo Cs kaip a dalis hidroksimetilas (-CH₂OI) grupė. Tai yra hidroksilo (-OH) grupėje neorganinis fosfatas (Pi) yra prijungtas fosforilinimo proceso metu, kuris sulaiko molekulę ląstelės citoplazmoje.

Prokariotai yra maži (didžioji dauguma yra vienaląsčiai) ir paprasti (vienoje ląstelėje trūksta branduolio ir kitų su membrana susijusių organelių). Tai gali neleisti, kad jie būtų tokie elegantiški ir įdomūs, kaip eukariotai, tačiau jų degalų poreikis taip pat yra palyginti mažas.

Tiek prokariotuose, tiek eukariotuose glikolizė yra pirmasis gliukozės metabolizmo žingsnis. Gliukozės fosforilinimas patekus į ląstelę difunduodamasis per plazmos membraną yra pirmasis glikolizės žingsnis, kuris išsamiai aprašytas tolesniame skyriuje.

• Kai kurios bakterijos gali metabolizuoti ne tik gliukozę, bet ir be jos cukrų, pvz., Sacharozę, laktozę ar maltozę. Šie cukrūs yra disacharidai, kurie iš graikų kalbos reiškia „du cukrūs“. Jie apima vieną iš dviejų subvienetų gliukozės monomerą, pvz., Fruktozę, monosacharidą.

Glikolizės pabaigoje gliukozės molekulė buvo naudojama dviem trijų anglies piruvato molekulėms, dviem vadinamojo didelės energijos elektronų nešiklio nikotinamido adenino dinukleotido (NADH) ir dviejų ATP molekulių grynasis pelnas.

Šiuo metu prokariotuose piruvatas paprastai patenka į fermentaciją - anaerobinį procesą su daugybe skirtingų variantų, kurie netrukus bus ištirti. Tačiau kai kurios bakterijos sugebėjo tam tikru mastu atlikti aerobinį kvėpavimą ir yra vadinamos fakultatyviniai anaerobai. Vadinamos bakterijos, kurios gali gauti energijos tik glikolizės būdu įpareigoti anaerobus, ir daugelį jų iš tikrųjų sunaikina deguonis. Ribotos kelios bakterijos yra net įpareigoti aerobus, tai reiškia, kad jiems, kaip ir jums, yra būtinas deguonies reikalavimas. Atsižvelgiant į tai, kad bakterijos turėjo apie 3,5 milijardo metų, kad galėtų prisitaikyti prie Žemės pokyčių poreikių aplinkoje, nenuostabu, kad jiems pavyko išgyventi daugelį medžiagų apykaitos strategijas.

Glikolizė apima 10 reakcijos, kuris yra gražus, apvalus skaičius, tačiau nebūtinai turite įsiminti visus produktus, tarpinius produktus ir fermentus atlikdami visus šiuos veiksmus. Vietoj to, nors kai kuriuos iš šių smulkmenų yra įdomu ir naudinga žinoti, svarbiau įgyti jų jausmą ką apskritai vyksta glikolizėje ir kodėl tai atsitinka (kalbant tiek apie pagrindinę fiziką, tiek apie ląstelės poreikius).

Glikolizė užfiksuota šioje reakcijoje, kuri yra jos 10 atskirų reakcijų suma:

C₆H₁₂O₆ → 2 C₃H₄O₃ + 2 ATP + 2 NADH

Kalbant paprastai, glikolizės metu viena gliukozės molekulė yra suskaidyta į dvi piruvato molekules, o pakeliui pagaminama pora kuro molekulių ir pora „prieš degalus“ molekulių. ATP yra beveik universali energijos valiuta ląstelių procesuose, tuo tarpu NADH, redukuota NAD + arba nikotinamido adenino dinukleotido forma, veikia kaip didelės energijos elektronų nešėjas, kuris galiausiai tuos elektronus vandenilio jonų (H +) pavidalu paaukoja deguonies molekulėms iš elektronų perdavimo grandinė į aerobinis metabolizmas, dėl to gaunama daug daugiau ATP, nei gali suteikti vien glikolizė.

Fosforilinant gliukozę patekus į citoplazmą, gaunamas gliukozės-6-fosfatas (G-6-P). Fosfatas gaunamas iš ATP ir jo įterpimo į gliukozės lapus adenozino difosfatas (ADP) už nugaros. Kaip pažymėta, tai sulaiko gliukozę ląstelėje.

Tada G-6-P paverčiamas į fruktozės-6-fosfatas (F-6-P). Tai yra izomerizacija reakcija, nes reagentas ir produktas yra vienas kito izomerai - molekulės, turinčios vienodą kiekvienos atomo rūšies skaičių, tačiau skirtingai išdėstytos erdvėje. Šiuo atveju fruktozės žiedas turi tik penkis atomus. Fermentas, atsakingas už šį atominį žongliravimą, yra vadinamas fosfogliukozės izomerazė. (Dauguma fermentų pavadinimų, nors ir dažnai sudėtingi, bent jau visiškai suprantami.)

Trečioje glikolizės reakcijoje F-6-P virsta fruktozė-1,6-bisfosfatas (F-1,6-BP). Šiame fosforilinimo etape fosfatas vėl gaunamas iš ATP, tačiau šį kartą jis pridedamas prie kito anglies atomo. Fermentas yra atsakingas fosfofruktokinazė (PFK).

• Daugelio fosforilinimo reakcijų metu fosfatų grupės pridedamos prie esamos fosfatų grupės laisvo galo, bet ne šiuo atveju - taigi „_bis_phosphate“, o ne „_di_phosphate“.

Ketvirtojoje glikolizės reakcijoje fermentas padalija F-1,6-BP molekulę, kuri yra gana nestabili dėl dvigubos fosfatų grupių dozės. aldolazė į trijų anglies, vienos fosfato grupę turinčias molekules gliceraldehido 3-fosfatas (GAP) ir dihidroksiacetono fosfatas (DHAP). Tai yra izomerai, o DHAP penktame glikolizės etape greitai paverčiamas GAP, naudojant fermento pastūmimą. triozės fosfato izomerazė (TIM).

Šiame etape pradinė gliukozės molekulė tapo dviem vienodomis trijų anglies, atskirai fosforilintomis molekulėmis, kainuojančiomis dvi ATP. Nuo šio momento kiekviena aprašyta glikolizės reakcija vyksta du kartus kiekvienai gliukozės molekulei, kuriai atliekama glikolizė.

Šeštojoje glikolizės reakcijoje GAP virsta 1,3-bisfosfogliceratas (1,3-BPG) veikiamas gliceraldehido 3-fosfato dehidrogenazė. Dehidrogenazės fermentai pašalina vandenilio atomus (t. Y. Protonus). Iš GAP išsivadavęs vandenilis prisijungia prie NAD + molekulės, gaunamas NADH. Nes pradinė gliukozės molekulė prieš srovę davė pradžią du GAP molekulės po šios reakcijos du buvo sukurtos NADH molekulės.

Septintojoje glikolizės reakcijoje viena iš ankstyvosios glikolizės fosforilinimo reakcijų iš tikrųjų yra atvirkštinė. Kai fermentas fosfoglicerato kinazė pašalina fosfatų grupę iš 1,3-BPG, rezultatas yra 3-fosfogliceratas (3-PG). Iš dviejų 1,3-BPG molekulių pašalinti fosfatai pridedami prie ADP, kad susidarytų dvi ATP. Tai reiškia, kad du ATP, pasiskolinti pirmame ir trečiame žingsnyje, „grąžinami“ septintojoje reakcijoje.

Aštuntame žingsnyje 3-PG paverčiamas į 2-fosfogliceratas (2-PG) fosfoglicerato mutazė, kuris perkelia likusias fosfatų grupes į kitą anglies atomą. Mutazė skiriasi nuo izomerazės tuo, kad veikdama yra mažiau sunki; užuot pertvarkę molekulės struktūrą, jie tik perkelia vieną iš jos šoninių grupių į naują vietą, palikdami bendrą stuburą, žiedą ir kt. kaip tai buvo.

Devintojoje glikolizės reakcijoje 2-PG virsta fosfoenolpiruvatas (PEP) pagal veiksmą enolase. Enolis yra junginys, turintis anglies-anglies dvigubą jungtį, kuriame vienas iš anglies junginių taip pat yra susijęs su hidroksilo grupe.

Galiausiai, dešimtoji ir paskutinė glikolizės reakcija, PEP fermento dėka virsta piruvatu piruvato kinazė. Iš dviejų PEP pašalintos fosfatų grupės yra prijungtos prie ADP molekulių, gaunant du ATP ir du piruvatus, kurių formulė yra (C₃H₄O₃) arba (CH₃) CO (COOH). Taigi pradinis anaerobinis vienos gliukozės molekulės apdorojimas duoda dvi piruvato, dvi ATP ir dvi NADH molekules.

Piruvatas, kuris galiausiai susidaro patekus gliukozei į ląsteles, gali eiti vienu iš dviejų kelių. Jei ląstelė yra prokariotinė arba jei ląstelė yra eukariotinė, tačiau laikinai reikia daugiau degalų, nei gali suteikti vien aerobinis kvėpavimas (kaip, pavyzdžiui, raumenų ląstelėse sunkių fizinių pratimų metu, pvz., sprinto ar sunkumų kilnojimo metu), piruvatas patenka į fermentaciją kelias. Jei ląstelė yra eukariotinė ir jos energijos poreikiai yra tipiški, ji judina piruvatą mitochondrijų viduje ir dalyvauja Krebso ciklas:

• Fermentacija: Fermentacija dažnai naudojama kaip „anaerobinis kvėpavimas“, bet iš tikrųjų tai yra klaidinanti, nes glikolizė, kuri vyksta prieš fermentaciją, taip pat yra anaerobinė, nors ji paprastai nelaikoma kvėpavimo dalimi se.
• Fermentacija regeneruoja NAD +, skirtą naudoti glikolizėje, paverčiant piruvatą į laktatas. Visas to tikslas - leisti tęsti glikolizę, kai nėra pakankamo deguonies kiekio; NAD + trūkumas vietoje apribotų procesą net tada, kai yra pakankamas substrato kiekis.
• Aerobinis kvėpavimas: Tai apima Krebso ciklas ir elektronų perdavimo grandinė.
• Krebso ciklas: Čia piruvatas virsta acetilo kofermentas A (acetil CoA) ir anglies dioksidas (CO₂). Dviejų anglies acetilo CoA jungiasi su keturių anglių oksaloacetatas susidaryti citratui - šešių anglies molekulių, kurios eina per šešių reakcijų „ratą“ (ciklą), dėl kurių susidaro dvi CO₂, vienas ATP, trys NADH ir vienas redukuotas flavino adenino dinukleotidas (FADH₂).
• Elektronų transportavimo grandinė: Čia protonai (H⁺ atomai) NADH ir FADH_₂_ iš Krebso ciklo yra naudojami elektrocheminiam gradientui sukurti, kuris skatina 34 (arba tiek) ATP molekulių sintezę vidinėje mitochondrijų membranoje. Deguonis yra galutinis elektronų, kurie „išsilieja“ iš vieno junginio į kitą, priėmėjas, pradedant gliukozės junginių grandine.