Koks yra gliukozės vaidmuo ląstelių kvėpavime?

Gyvenimas Žemėje yra nepaprastai įvairus, pradedant nuo mažiausių bakterijų, gyvenančių šiluminėse angose, iki didingų, kelių tonų dramblių, kurie gyvena Azijoje. Tačiau visi organizmai (gyvi daiktai) turi keletą bendrų savybių, tarp jų - molekulių, iš kurių gaunama energija, poreikį. Energijos ištraukimo iš išorinių šaltinių procesas augimui, remontui, priežiūrai ir reprodukcijai yra žinomas kaip medžiagų apykaita.

Visi organizmai susideda iš bent vieno ląstelė (tavo paties kūnas apima trilijonus), kuris yra mažiausias neredukuojamas darinys, apimantis visas gyvenimui priskiriamas savybes, naudojant įprastus apibrėžimus. Metabolizmas yra viena iš tokių savybių, kaip ir gebėjimas daugintis ar kitaip daugintis. Kiekviena planetos ląstelė gali ja pasinaudoti gliukozės, be kurio gyvybė Žemėje arba niekada nebūtų atsiradusi, arba atrodytų visai kitaip.

Gliukozė turi formulę C₆H₁₂O₆, suteikiant molekulės molekulinę masę 180 g / mol. (Visi angliavandeniai turi bendrą formulę C_nH_2nO_n.) Dėl to gliukozė yra maždaug tokio pat dydžio kaip didžiausių aminorūgščių.

Gliukozė gamtoje egzistuoja kaip šešių atomų žiedas, daugumoje tekstų pavaizduotas kaip šešiakampis. Penki iš anglies atomų yra įtraukti į žiedą kartu su vienu iš deguonies atomų, o šeštasis anglies atomas yra hidroksimetilo grupės dalis (-CH₂OH) pritvirtintas prie vieno iš kitų anglies atomų.

Aminorūgštys, kaip ir gliukozė, yra svarbūs biochemijos monomerai. Lygiai taip glikogenas yra surenkamas iš ilgų gliukozės grandinių, baltymai sintetinami iš ilgų aminorūgščių grandinių. Nors yra 20 skirtingų amino rūgščių, turinčių daug bendrų bruožų, gliukozė yra tik vienos molekulinės formos. Taigi glikogeno sudėtis iš esmės yra nekintanti, o baltymai labai skiriasi.

Gliukozės metabolizmas, gaunamas energija adenozino trifosfato (ATP) ir CO pavidalu₂ (anglies dioksidas, šios lygties atliekos) yra žinomas kaip ląstelinis kvėpavimas. Pirmasis iš trijų pagrindinių korinio kvėpavimo etapų yra glikolizė, 10 reakcijų, kurioms nereikia deguonies, serija, o paskutiniai du etapai yra Krebso ciklas (taip pat žinomas kaip citrinos rūgšties ciklas) ir elektronų perdavimo grandinė, kuriems reikalingas deguonis. Šie du paskutiniai etapai kartu yra žinomi kaip aerobinis kvėpavimas.

Ląstelinis kvėpavimas vyksta beveik visiškai eukariotai (gyvūnai, augalai ir grybai). Prokariotai (daugiausia vienaląsčiai domenai, kuriuose yra bakterijos ir archėjos) energiją gauna iš gliukozės, tačiau praktiškai visada vien iš glikolizės. Tai reiškia, kad prokariotinės ląstelės gali pagaminti tik maždaug dešimtadalį energijos vienoje gliukozės molekulėje, kaip gali eukariotinės ląstelės, kaip detalizuota vėliau.

Aptariant eukariotinių ląstelių apykaitą, „korinis kvėpavimas“ ir „aerobinis kvėpavimas“ dažnai vartojami pakaitomis. Suprantama, kad glikolizė, nors ir anaerobinis procesas, beveik visada vyksta dviem paskutiniais korinio kvėpavimo etapais. Nepaisant to, apibendrinant gliukozės vaidmenį ląstelių kvėpavime: be jos kvėpavimas sustoja ir gyvybė prarandama.

Fermentai yra rutuliški baltymai, kurie veikia kaip katalizatoriai cheminėse reakcijose. Tai reiškia, kad šios molekulės padeda paspartinti reakcijas, kurios vis tiek vyktų be fermentų, tačiau daug lėčiau - kartais daug daugiau nei tūkstantis. Kai fermentai veikia, reakcijos pabaigoje jie patys nekeičiami, o molekulės, kurias jie veikia, vadinamos substratais, keičiamos pagal konstrukciją, reagentai pavyzdžiui, gliukozė, transformuota į tokius produktus kaip CO₂.

Gliukozė ir ATP turi tam tikrą cheminį panašumą, tačiau naudojant energiją, sukauptą Pirmosios molekulės sintezei užtikrinti reikia daug biocheminės akrobatikos ląstelė. Beveik kiekvieną ląstelių reakciją katalizuoja specifinis fermentas, o dauguma fermentų yra būdingi vienai reakcijai ir jos substratams. Glikolizė, Krebso ciklas ir elektronų pernešimo grandinė kartu sudaro apie dvi dešimtis reakcijų ir fermentų.

Kai gliukozė patenka į ląstelę difuziškai per plazmos membraną, ji iškart prisijungia prie fosfatų (P) grupės arba fosforilintas. Tai sulaiko gliukozę ląstelėje dėl neigiamo P krūvio. Ši reakcija, kuri gamina gliukozės-6-fosfatą (G6P), vyksta veikiant fermentui heksokinazė. (Dauguma fermentų baigiasi „-ase“, todėl gana lengva sužinoti, kai susiduriate su vienu iš jų biologijos pasaulyje.)

Iš ten G6P pertvarkomas į fosforilintą cukraus tipą fruktozėir tada pridedamas dar vienas P. Netrukus po to šešių anglių molekulė padalijama į dvi trijų anglių molekules, kurių kiekviena turi fosfato grupę; jie netrukus pasiskirsto į tą pačią medžiagą - gliceraldehido-3-fosfatą (G-3-P).

Kiekviena G-3-P molekulė pereina keletą pertvarkymo žingsnių, kad būtų paversta trijų anglies molokule. piruvatas, procese gaminant dvi ATP molekules ir vieną didelės energijos elektronų nešiklio NADH (redukuoto iš nikotinamido adenino dinukleotido arba NAD +) molekulę.

Pirmoji glikolizės pusė fosforilinimo etapuose sunaudoja 2 ATP, o antroji pusė iš viso duoda 2 piruvatą, 2 NADH ir 4 ATP. Kalbant apie tiesioginę energijos gamybą, glikolizės metu gaunama 2 ATP vienoje gliukozės molekulėje. Tai daugumai prokariotų reiškia veiksmingą gliukozės panaudojimo viršutinę ribą. Eukariotuose gliukozės-ląstelių kvėpavimo šou tik prasidėjo.

Tada piruvato molekulės juda iš ląstelės citoplazmos į vadinamųjų organelių vidų mitochondrijos, kurie yra uždaryti savo dviguba plazmos membrana. Čia piruvatas yra padalintas į CO₂ ir acetatas (CH₃COOH-), o acetatą sugriebia B grupės vitaminų junginys, vadinamas kofermentu A (CoA), kad jis taptų acetilo CoA, svarbus dviejų anglies tarpinis junginys ląstelių reakcijų diapazone.

Norėdamas patekti į Krebso ciklą, acetilo CoA reaguoja su keturių anglių junginiu oksaloacetatas suformuoti citratas. Kadangi oksaloacetatas yra paskutinė Krebso reakcijos metu sukurta molekulė, taip pat substratas pirmojoje reakcijoje, serija gauna „ciklo“ apibūdinimą. Ciklas apima iš viso aštuonias reakcijas, kurios redukuoja šešių anglių citratą iki penkių anglies molekulių ir po to į keturių anglies tarpinių junginių seriją, kol vėl pasiekia oksaloacetatas.

Kiekviena piruvato molekulė, patekusi į Krebso ciklą, gamina dar du CO₂, Vadinamas 1 ATP, 3 NADH ir viena elektronų nešiklio molekulė, panaši į NADH flavino adenino dinukleotidasarba FADH₂.

• Krebso ciklas gali vykti tik tuo atveju, jei elektronų perdavimo grandinė veikia pasroviui paimti NADH ir FADH₂ tai generuoja. Taigi, jei ląstelei nėra deguonies, Krebso ciklas sustoja.

NADH ir FADH₂ šiam procesui pereiti prie vidinės mitochondrijų membranos. Grandinės vaidmuo yra oksidacinis fosforilinimas ADP molekulių, kad taptų ATP. Elektronų nešiklių vandenilio atomai naudojami elektrocheminiam gradientui per mitochondrijų membraną sukurti. Šio gradiento energija, kuri priklauso nuo deguonies, kad galiausiai priimtų elektronus, naudojama ATP sintezei valdyti.

Kiekviena gliukozės molekulė per ląstelių kvėpavimą prisideda nuo 36 iki 38 ATP: 2 - glikolizėje, 2 Krebso cikle ir nuo 32 iki 34 (priklausomai nuo to, kaip tai matuojama laboratorijoje) - elektronų pernešime grandinė.