Kā metabolizēt glikozi, lai iegūtu ATP

Glikoze, sešu oglekļa dioksīda cukurs, ir pamata “ievads” vienādojumā, kas darbina visu dzīvi. Enerģija no ārpuses zināmā mērā tiek pārveidota par šūnas enerģiju. Katram dzīvam organismam, sākot no jūsu labākā drauga līdz zemākajai baktērijai, ir šūnas, kas sakņu vielmaiņas līmenī sadedzina glikozi.

Organismi atšķiras pēc tā, cik lielā mērā to šūnas var iegūt enerģiju no glikozes. Visās šūnās šī enerģija ir adenozīna trifosfāts (ATP).

Tāpēc viena lieta visām dzīvajām šūnām ir kopīgs tas, ka tās metabolizē glikozi, lai iegūtu ATP. Dotā glikozes molekula, kas nonāk šūnā, varēja sākties kā steiku vakariņas, kā savvaļas dzīvnieka upuris, kā augu viela vai kā kaut kas cits.

Neatkarīgi no tā, dažādi gremošanas un bioķīmiskie procesi ir sadalījuši visas daudzoglekļa molekulas neatkarīgi no tā, kādas vielas organisms uzņem barībā ar monosaharīdu cukuru, kas nonāk šūnu metabolismā ceļiem.

Ķīmiski glikoze ir heksoze cukurs, sešstūris ir grieķu prefikss "seši", oglekļa atomu skaits glikozē. Tās molekulārā formula ir C₆H₁₂O₆, piešķirot tam molekulmasu 180 gramus uz vienu molu.

Glikoze ir arī a monosaharīds tas ir cukurs, kas satur tikai vienu pamatvienību, vai monomērs.Fruktoze ir vēl viens monosaharīda piemērs, savukārt saharozevai galda cukurs (fruktoze plus glikoze), laktoze (glikoze plus galaktoze) un maltoze (glikoze plus glikoze) ir disaharīdi.

Ņemiet vērā, ka oglekļa, ūdeņraža un skābekļa atomu attiecība glikozē ir 1: 2: 1. Visi ogļhidrāti faktiski parāda šo pašu attiecību, un to molekulārās formulas ir visas C formā_nH_2nO_n.

ATP ir a nukleozīds, šajā gadījumā adenozīns, pie kura piestiprinātas trīs fosfātu grupas. Tas faktiski padara to nukleotīds, jo nukleozīds ir a pentoze cukurs (vai nu riboze vai dezoksiriboze) kombinācijā ar slāpekļa bāzi (t.i., adenīnu, citozīnu, guanīnu, timīnu vai uracilu), turpretī nukleotīds ir nukleozīds ar vienu vai vairākām fosfātu grupām. Bet, izņemot terminoloģiju, ir svarīgi zināt ATP ir tas, ka tas satur adenīnu, ribozi un trīs fosfātu (P) grupu ķēdi.

ATP tiek veikts caur fosforilēšana gada adenozīna difosfāts (ADP)un otrādi, kad galīgā fosfāta saite ATP ir hidrolizēts, ADP un P_i (neorganiskais fosfāts) ir produkti. ATP tiek uzskatīta par šūnu "enerģijas valūtu", jo šo ārkārtas molekulu izmanto, lai darbinātu gandrīz katru vielmaiņas procesu.

Šūnu elpošana ir vielmaiņas ceļu kopums eikariotu organismos, kas klātbūtnē pārveido glikozi par ATP un oglekļa dioksīdu skābekļa, izdalot ūdeni un ražojot daudz ATP (no 36 līdz 38 molekulām uz katru ieguldīto glikozes molekulu) process.

Sabalansētā kopējā reakcijas ķīmiskā formula, izņemot elektronu nesējus un enerģijas molekulas, ir:

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O

Šūnu elpošana faktiski ietver trīs atšķirīgus un secīgus ceļus:

• Glikolīze, kas notiek visās šūnās un notiek citoplazmā, un vienmēr ir pirmais glikozes metabolisma solis (un lielākajā daļā prokariotu arī pēdējais solis).
  
• The Krebsa cikls, ko sauc arī par trikarboksilskābes (TCA) ciklu vai citronskābes ciklu, kas izvēršas mitohondriju matricā.
• The elektronu transporta ķēde, kas notiek uz iekšējās mitohondriju membrānas un ģenerē lielāko daļu ATP, kas rodas šūnu elpošanā.

Pēdējie divi no šiem posmiem ir atkarīgi no skābekļa un kopā veido aerobā elpošana. Tomēr bieži diskusijās par eikariotu metabolismu glikolīze, kaut arī tā nav atkarīga no skābekļa, tiek uzskatīta par daļu "aerobā elpošana"jo gandrīz visu tā galveno produktu, piruvāts, turpina ievadīt abus pārējos ceļus.

Glikolīzē glikoze 10 reakciju virknē tiek pārveidota par piruvāta molekulu ar a divu ATP molekulu neto pieaugums un divas "elektronu nesēja" molekulas nikotīnamīda adenīna dinukleotīds (NADH). Katrai glikozes molekulai, kas nonāk procesā, tiek ražotas divas piruvāta molekulas, jo piruvātam ir trīs oglekļa atomi līdz sešiem glikozes atomiem.

Pirmajā posmā glikoze tiek fosforilēta, lai kļūtu glikoze-6-fosfāts (G6P). Tas apņemas glikozi metabolizēt, nevis novirzīties atpakaļ caur šūnu membrānu, jo fosfātu grupa dod G6P negatīvu lādiņu. Dažu nākamo darbību laikā molekula tiek pārkārtota citā cukura atvasinājumā un pēc tam otro reizi fosforilēta, lai kļūtu fruktoze-1,6-bifosfāts.

Šiem agrīnajiem glikolīzes posmiem ir nepieciešams ieguldīt divus ATP, jo tas ir fosfilgrupu avots fosforilēšanas reakcijās.

Fruktoze-1,6-bifosfāts sadalās divās dažādās trīs oglekļa molekulās, kurām katrai ir sava fosfāta grupa; gandrīz visi no šiem, tiek ātri pārveidoti par citiem, gliceraldehīd-3-fosfāts (G3P). Tādējādi no šī brīža viss tiek dublēts, jo katrai glikozei "augšpus" ir divi G3P.

No šī brīža G3P tiek fosforilēts solī, kas no oksidētās formas NAD + ražo arī NADH, un pēc tam abas fosfātu grupas tiek atdots ADP molekulām turpmākajos pārkārtošanās posmos, lai kopā ar glikolīzes gala oglekļa produktu iegūtu divas ATP molekulas, piruvāts.

Tā kā tas notiek divas reizes vienā glikozes molekulā, glikolīzes otrā puse rada četrus ATP tīkls ieguvums no divu ATP (jo divi bija nepieciešami procesa sākumā) un divu NADH glikolīzes rezultātā.

Iekš sagatavošanās reakcija, pēc tam, kad glikolīzē radītais piruvāts nokļūst no citoplazmas mitohondriju matricā, tas vispirms tiek pārveidots par acetātu (CH₃COOH-) un CO₂ (atkritumu produkts šajā scenārijā) un pēc tam uz savienojumu, ko sauc acetila koenzīms Avai acetil CoA. Šajā reakcijā tiek ģenerēts NADH. Tas nosaka Krebsa cikla posmu.

Šī astoņu reakciju sērija ir nosaukta tāpēc, ka viens no reaģentiem pirmajā posmā, oksaloacetāts, ir arī produkts pēdējā solī. Krebsa cikla uzdevums ir piegādātājs, nevis ražotājs: tas ģenerē tikai divus ATP uz vienu glikozes molekulu, bet dod vēl sešus NADH un divus FADH₂, vēl viens elektronu nesējs un NADH tuvs radinieks.

(Ņemiet vērā, ka tas nozīmē vienu ATP, trīs NADH un vienu FADH₂vienā cikla pagriezienā. Katrai glikozei, kas nonāk glikolīzē, Krebsa ciklā nonāk divas acetil CoA molekulas.)

Pamatojoties uz glikozes līmeni, enerģijas līdz šim punktam ir četri ATP (divi no glikolīzes un divi no Krebsa cikls), 10 NADH (divi no glikolīzes, divi no sagatavošanās reakcijas un seši no Krebsa cikla) ​​un divi FADH₂ no Krebsa cikla. Kamēr Krebsa ciklā esošie oglekļa savienojumi turpina griezties augšpus straumes, elektronu nesēji pārvietojas no mitohondriālās matricas uz mitohondriju membrāna.

Kad NADH un FADH₂ atbrīvot savus elektronus, tos izmanto, lai izveidotu elektroķīmisko gradientu pa mitohondriju membrānu. Šo gradientu izmanto, lai aktivizētu fosfātu grupu piesaisti ADP, lai izveidotu ATP procesā, ko sauc oksidatīvā fosforilēšana, tā nosaukts tāpēc, ka ķēdē no elektronu nesēja uz elektronu nesēju kaskādē esošo elektronu galīgais akceptors ir skābeklis (O₂).

Jo katrs NADH dod trīs ATP un katrs FADH₂ iegūst divus ATP oksidatīvā fosforilēšanā, tādējādi maisījumam pievieno (10) (3) + (2) (2) = 34 ATP. Tādējādi no vienas glikozes molekulas var iegūt līdz 38 ATP iekšā eikariotu organismi.