Kaip metabolizuoti gliukozę, kad susidarytų ATP

Gliukozė, šešių anglių cukrus, yra pagrindinis „įvestis“ lygtyje, valdančioje visą gyvenimą. Iš išorės gaunama energija tam tikra prasme yra paverčiama ląstelės energija. Kiekvienas gyvas organizmas, pradedant geriausiu draugu ir baigiant mažiausia bakterija, turi ląsteles, kurios degina gliukozę kurui šaknų metabolizmo lygmenyje.

Organizmai skiriasi tuo, kiek jų ląstelės gali išgauti energiją iš gliukozės. Visose ląstelėse ši energija yra adenozino trifosfatas (ATP).

Todėl vienas dalykas visos gyvos ląstelės turi tai, kad jos metabolizuoja gliukozę, kad gautų ATP. Duota gliukozės molekulė, patekusi į ląstelę, galėjo prasidėti kaip kepsnio vakarienė, kaip laukinio gyvūno grobis, kaip augalinė medžiaga ar kaip kažkas kita.

Nepaisant to, įvairūs virškinimo ir biocheminiai procesai suskaidė visas daug anglies turinčias molekules kad ir kokias medžiagas organizmas pasisavintų monosacharidiniu cukrumi, kuris patenka į ląstelių metabolizmą kelius.

Chemiškai, gliukozės yra heksozė

Gliukozė taip pat yra a monosacharidas tai yra cukrus, kuris apima tik vieną pagrindinį vienetą, arba monomeras.Fruktozė yra dar vienas monosacharido pavyzdys, o sacharozėarba stalo cukrus (fruktozė ir gliukozė), laktozė (gliukozė plius galaktozė) ir maltozė (gliukozė plius gliukozė) yra disacharidai.

Atkreipkite dėmesį, kad anglies, vandenilio ir deguonies atomų santykis gliukozėje yra 1: 2: 1. Visi angliavandeniai iš tikrųjų rodo tą patį santykį, o jų molekulinės formulės yra visos C formos_nH_2nO_n.

ATP yra a nukleozidas, šiuo atveju - adenozinas, prie kurio prijungtos trys fosfatų grupės. Tai iš tikrųjų daro tai nukleotidas, nes nukleozidas yra a pentozė cukraus (arba ribozė arba dezoksiribozė) kartu su azoto baze (t. y. adeninu, citozinu, guaninu, timinu ar uracilu), tuo tarpu nukleotidas yra nukleozidas su viena ar daugiau fosfatų grupių. Nepaisant terminologijos, svarbu žinoti apie tai ATP yra tai, kad jame yra adenino, ribozės ir trijų fosfatų (P) grupių grandinė.

ATP atliekamas per fosforilinimas apie adenozino difosfatas (ADP)ir atvirkščiai, kai galutinis fosfato ryšys ATP yra hidrolizuotas, ADP ir P_i (neorganinis fosfatas) yra produktai. ATP laikoma ląstelių „energijos valiuta“, nes ši nepaprasta molekulė naudojama beveik kiekvienam medžiagų apykaitos procesui valdyti.

Ląstelinis kvėpavimas yra eukariotinių organizmų metabolizmo būdų rinkinys, kuris esant gliukozei paverčia ATP ir anglies dioksidu deguonies, išskiriant vandenį ir gaminant daug ATP (36–38 molekulės vienai investuotai gliukozės molekulei) procesą.

Subalansuota bendros grynosios reakcijos cheminė formulė, išskyrus elektronų nešiklius ir energijos molekules, yra:

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O

Ląstelių kvėpavimas iš tikrųjų apima tris skirtingus ir nuoseklius kelius:

• Glikolizė, kuris vyksta visose ląstelėse ir vyksta citoplazmoje, ir visada yra pirmasis gliukozės metabolizmo žingsnis (o daugumoje prokariotų - ir paskutinis).
  
• The Krebso ciklas, dar vadinamas trikarboksirūgšties (TCA) ciklu arba citrinos rūgšties ciklu, kuris atsiskleidžia mitochondrijų matricoje.
• The elektronų perdavimo grandinė, kuris vyksta ant vidinės mitochondrijų membranos ir generuoja didžiąją dalį ląstelių kvėpavimo metu gaminamo ATP.

Pastarieji du iš šių etapų priklauso nuo deguonies ir kartu sudaro aerobinis kvėpavimas. Tačiau dažnai diskusijose apie eukariotinę apykaitą glikolizė, nors ir nepriklauso nuo deguonies, laikoma dalimi "aerobinis kvėpavimas„nes beveik visas pagrindinis produktas, piruvatas, toliau eina į kitus du kelius.

Vykdant glikolizę, gliukozė virsta 10 reakcijų serija į molekulę piruvatą su a dviejų ATP molekulių grynasis pelnas ir dvi „elektronų nešėjo“ molekulės nikotinamido adenino dinukleotidas (NADH). Kiekvienai į procesą patenkančiai gliukozės molekulei gaminamos dvi piruvato molekulės, nes piruvatas turi tris anglies atomus iki šešių gliukozės atomų.

Pirmajame etape gliukozė fosforilinama, kad taptų gliukozės-6-fosfatas (G6P). Tai įpareigoja gliukozę metabolizuoti, o ne dreifuoti atgal per ląstelės membrana, nes fosfatų grupė suteikia G6P neigiamą krūvį. Per kelis kitus žingsnius molekulė pertvarkoma į kitą cukraus darinį ir antrą kartą fosforilinama, kad taptų fruktozė-1,6-bisfosfatas.

Šiems ankstyviems glikolizės etapams reikia dviejų ATP investicijų, nes tai yra fosforilinimo grupių šaltinis fosforilinimo reakcijose.

Fruktozė-1,6-bisfosfatas skyla į dvi skirtingas trijų anglies molekules, kurių kiekviena turi savo fosfatų grupę; beveik visi šie, greitai paverčiami kitais, gliceraldehido-3-fosfatas (G3P). Taigi nuo šio taško viskas kartojasi, nes kiekvienam gliukozės „aukštupiui“ yra du G3P.

Nuo šio momento G3P ​​fosforilinamas tokiu etapu, kuris taip pat gamina NADH iš oksiduotos formos NAD +, tada dvi fosfatų grupės yra atiduota ADP molekulėms vėlesniais pertvarkymo etapais, kad būtų gautos dvi ATP molekulės kartu su galutiniu anglies glikolizės produktu, piruvatas.

Kadangi tai vyksta du kartus vienoje gliukozės molekulėje, antroji glikolizės pusė gamina keturis ATP neto padidėjimas glikolizuojant du ATP (nes du buvo reikalingi proceso pradžioje) ir du NADH.

Viduje konors parengiamoji reakcija, po to, kai glikolizėje susidaręs piruvatas patenka iš citoplazmos į mitochondrijų matricą, jis pirmiausia virsta acetatu (CH₃COOH-) ir CO₂ (atliekų produktas šiame scenarijuje) ir tada į junginį, vadinamą acetilo kofermentas Aarba acetilo CoA. Šios reakcijos metu susidaro NADH. Tai nustato Krebso ciklo etapą.

Ši aštuonių reakcijų serija taip pavadinta todėl, kad vienas iš pirmojo etapo reagentų, oksaloacetatas, taip pat yra paskutinio žingsnio produktas. Krebso ciklo darbas yra tiekėjo, o ne gamintojo darbas: jis sukuria tik du ATP vienai gliukozės molekulei, bet prisideda dar šešiais NADH ir dviem FADH₂, dar vienas elektronų nešėjas ir artimas NADH giminaitis.

(Atkreipkite dėmesį, kad tai reiškia vieną ATP, tris NADH ir vieną FADH₂vienam ciklo posūkiui. Kiekvienai gliukozei, kuri patenka į glikolizę, dvi acetilo CoA molekulės patenka į Krebso ciklą.)

Pagal gliukozės kiekį energijos suvartojimas iki šio taško yra keturi ATP (du iš glikolizės ir du iš Krebso ciklo), 10 NADH (du iš glikolizės, du iš paruošiamosios reakcijos ir šeši iš Krebso ciklo) ir du FADH₂ iš Krebso ciklo. Nors anglies junginiai Krebso cikle toliau sukasi prieš srovę, elektronų nešėjai juda iš mitochondrijų matricos į mitochondrijų membrana.

Kai NADH ir FADH₂ išlaisvinti savo elektronus, jie naudojami elektrocheminiam gradientui visoje mitochondrijų membranoje sukurti. Šis gradientas naudojamas fosfatų grupių prijungimui prie ADP, siekiant sukurti ATP procese, vadinamame oksidacinis fosforilinimas, taip pavadintas todėl, kad galutinis elektronų, einančių iš elektronų nešiklio į elektronų nešėją, grandinės grandis yra deguonis (O₂).

Nes kiekvienas NADH duoda tris ATP ir kiekvienas FADH₂ duoda du ATP oksidaciniame fosforilinant, tai mišiniui prideda (10) (3) + (2) (2) = 34 ATP. Taigi viena gliukozės molekulė gali duoti iki 38 ATP į eukariotiniai organizmai.