Kāda ir glikozes loma šūnu elpošanā?

Dzīve uz Zemes ir ārkārtīgi daudzveidīga, sākot no vissīkākajām baktērijām, kas dzīvo siltuma ventilācijas atverēs, līdz pat lieliskiem, daudzu tonnu ziloņiem, kas dzīvo Āzijā. Bet visiem organismiem (dzīvajām būtnēm) ir kopīgas vairākas pamatīpašības, tostarp vajadzība pēc molekulām, no kurām iegūt enerģiju. Enerģijas iegūšanas process no ārējiem avotiem izaugsmei, remontam, apkopei un reproducēšanai ir pazīstams kā vielmaiņa.

Visi organismi sastāv no vismaz viena šūna (jūsu pašu ķermenis ietver triljonus), kas ir mazākā nereducējamā vienība, kas ietver visas dzīvībai piedēvētās īpašības, izmantojot parastās definīcijas. Metabolisms ir viena no šādām īpašībām, tāpat kā spēja pavairot vai citādi pavairot. Katra šūna uz planētas var to izmantot un tiešām to izmanto glikoze, bez kuras dzīvība uz Zemes vai nu nekad nebūtu izveidojusies, vai arī tā izskatītos pavisam citādi.

Glikozei ir formula C₆H₁₂O₆, dodot molekulai molekulmasu 180 gramus uz vienu molu. (Visiem ogļhidrātiem ir vispārīgā formula C

Glikoze dabā pastāv kā sešu atomu gredzens, lielākajā daļā tekstu attēlots kā sešstūrains. Pieci no oglekļa atomiem ir iekļauti gredzenā kopā ar vienu no skābekļa atomiem, bet sestais oglekļa atoms ir daļa no hidroksimetilgrupas (-CH₂OH), kas piestiprināts pie viena no citiem oglekļiem.

Aminoskābes, tāpat kā glikoze, bioķīmijā ir nozīmīgi monomēri. Gluži kā glikogēns ir salikts no garām glikozes ķēdēm, proteīni tiek sintezēti no garām aminoskābju ķēdēm. Lai gan ir 20 atšķirīgas aminoskābes ar daudzām kopīgām pazīmēm, glikoze ir tikai vienā molekulārā formā. Tādējādi glikogēna sastāvs būtībā ir nemainīgs, turpretī olbaltumvielas katrā no tām ir ļoti atšķirīgas.

Glikozes vielmaiņa, lai iegūtu enerģiju adenozīna trifosfāta (ATP) un CO formā₂ (oglekļa dioksīds, atkritumu produkts šajā vienādojumā) ir pazīstams kā šūnu elpošana. Pirmais no trim šūnu elpošanas pamatposmiem ir glikolīze, 10 reakciju sērija, kurai nav nepieciešams skābeklis, bet pēdējie divi posmi ir Krebsa cikls (pazīstams arī kā citronskābes cikls) un elektronu transporta ķēde, kuriem nepieciešams skābeklis. Šie abi pēdējie posmi kopā ir pazīstami kā aerobā elpošana.

Šūnu elpošana gandrīz pilnībā notiek eikarioti (dzīvnieki, augi un sēnes). Prokarioti (galvenokārt vienšūnas domēni, kas ietver baktērijas un arhejas), enerģiju iegūst no glikozes, bet praktiski vienmēr tikai no glikolīzes. Tas nozīmē, ka prokariotu šūnas var radīt tikai aptuveni desmito daļu enerģijas uz vienu glikozes molekulu, kā to var izdarīt eikariotu šūnas, kā tas ir detalizēts vēlāk.

Apspriežot eikariotu šūnu metabolismu, "šūnu elpošana" un "aerobā elpošana" bieži tiek aizstāti. Ir saprotams, ka glikolīze, kaut arī anaerobs process, gandrīz vienmēr notiek pēdējos divos šūnu elpošanas soļos. Neatkarīgi no tā, apkopojot glikozes lomu šūnu elpošanā: bez tās elpošana apstājas un seko dzīvības zaudēšana.

Fermenti ir lodveida proteīni, kas darbojas kā katalizatori ķīmiskās reakcijās. Tas nozīmē, ka šīs molekulas palīdz paātrināt reakcijas, kas citādi norisinātos bez fermentiem, bet daudz lēnāk - dažreiz ar koeficientu, kas krietni pārsniedz tūkstoti. Kad fermenti darbojas, reakcijas beigās tie paši netiek mainīti, turpretī molekulas, uz kurām tie iedarbojas, ko sauc par substrātiem, pēc konstrukcijas maina reaģenti piemēram, glikoze, kas pārveidota tādos produktos kā CO₂.

Glikozei un ATP ir zināma ķīmiska līdzība, bet izmantojot enerģiju, kas uzkrāta Bijušajai molekulai, lai darbinātu otrās molekulas sintēzi, ir vajadzīga ievērojama bioķīmiskā akrobātika šūna. Gandrīz katru šūnu reakciju katalizē specifisks ferments, un lielākā daļa enzīmu ir specifiski vienai reakcijai un tās substrātiem. Glikolīzei, Krebsa ciklam un elektronu transporta ķēdei kopā ir aptuveni divi desmiti reakciju un fermentu.

Kad glikoze iekļūst šūnā, difundējot caur plazmas membrānu, tā nekavējoties tiek piesaistīta fosfātu (P) grupai vai fosforilēts. Tas aiztur glikozi šūnā, pateicoties P. negatīvajam lādiņam. Šī reakcija, kas ražo glikozes-6-fosfātu (G6P), notiek fermenta ietekmē heksokināze. (Lielākā daļa fermentu beidzas ar "-āzi", tāpēc to ir diezgan viegli uzzināt, kad jums ir darīšana ar vienu bioloģijas pasaulē.)

No turienes G6P tiek pārkārtots par fosforilētu cukura veidu fruktoze, un pēc tam tiek pievienots vēl viens P. Drīz pēc tam sešu oglekļa molekula tiek sadalīta divās trīs oglekļa molekulās, katrai no tām ir fosfātu grupa; tie drīz sakārto sevi vienā un tajā pašā vielā - gliceraldehīda-3-fosfātā (G-3-P).

Katra G-3-P molekula iziet virkni pārkārtošanās posmu, kas jāpārvērš trīs oglekļa molokulā piruvāts, kas procesā ražo divas ATP molekulas un vienu augstas enerģijas elektronu nesēja NADH molekulu (reducētu no nikotīnamīda adenīna dinukleotīda vai NAD +).

Glikolīzes pirmā puse fosforilēšanas posmos patērē 2 ATP, bet otrajā pusē kopā iegūst 2 piruvātus, 2 NADH un 4 ATP. Attiecībā uz tiešo enerģijas ražošanu glikolīzes rezultātā uz vienu glikozes molekulu rodas 2 ATP. Tas lielākajai daļai prokariotu ir efektīvie glikozes izmantošanas griesti. Eikariotos glikozes-šūnu elpošanas šovs ir tikai sācies.

Pēc tam piruvāta molekulas pārvietojas no šūnas citoplazmas uz saucamo organellu iekšpusi mitohondrijos, kurus norobežo viņu pašu dubultā plazmas membrāna. Šeit piruvāts tiek sadalīts CO₂ un acetāts (CH₃COOH-), un acetātu satver B vitamīnu klases savienojums, ko sauc par koenzīmu A (CoA), lai tas kļūtu acetil CoA, svarīgs divu oglekļa starpprodukts šūnu reakciju diapazonā.

Lai iekļūtu Krebsa ciklā, acetil CoA reaģē ar četru oglekļa savienojumu oksaloacetāts lai veidojas citrāts. Tā kā oksaloacetāts ir pēdējā molekula, kas izveidota Krebsa reakcijā, kā arī substrāts pirmajā reakcijā, sērija nopelna aprakstu "cikls". Cikls ietver kopumā astoņas reakcijas, kas sešu oglekļa citrātu reducē par piecu oglekļa molekulu un pēc tam uz četru oglekļa starpproduktu sēriju, pirms atkal nonāk pie oksaloacetāts.

Katra piruvāta molekula, kas nonāk Krebsa ciklā, rada vēl divus CO₂, 1 ATP, 3 NADH un viena NADH līdzīga elektronu nesēja molekula flavīna adenīna dinukleotīdsvai FADH₂.

• Krebsa cikls var turpināties tikai tad, ja elektronu transporta ķēde darbojas pa straumi, lai uzņemtu NADH un FADH₂ tas ģenerē. Tādējādi, ja šūnai nav pieejams skābeklis, Krebsa cikls apstājas.

NADH un FADH₂ šim procesam pāriet uz iekšējo mitohondriju membrānu. Ķēdes loma ir oksidatīvā fosforilēšana no ADP molekulām, lai kļūtu par ATP. Ūdeņraža atomus no elektronu nesējiem izmanto, lai izveidotu elektroķīmisko gradientu pāri mitohondriju membrānai. Šī gradienta enerģija, kas balstās uz skābekli, lai galu galā saņemtu elektronus, tiek izmantota ATP sintēzes nodrošināšanai.

Katra glikozes molekula ar šūnu elpošanu veicina no 36 līdz 38 ATP: 2 glikolīzē, 2 Krebsa ciklā un no 32 līdz 34 (atkarībā no tā, kā to mēra laboratorijā) elektronu transportā ķēde.