Wat gebeurt er als glucose een cel binnenkomt?

Glucose is de ultieme bron van cellulaire brandstof voor alle levende wezens, waarbij de energie in zijn chemische bindingen wordt gebruikt om te synthetiseren adenosine trifosfaat (ATP) op verschillende onderling verbonden en onderling afhankelijke manieren. Wanneer een molecuul van deze suiker met zes koolstofatomen (d.w.z. hexose) het plasmamembraan van een cel van buitenaf passeert om het cytoplasma binnen te gaan, wordt het onmiddellijk gefosforyleerd - dat wil zeggen, een fosfaatgroep, die een negatieve elektrische lading draagt, is gehecht aan een deel van het glucosemolecuul. Dit resulteert in een netto negatieve lading op wat dan een glucose-6-fosfaat molecuul, waardoor het de cel niet kan verlaten.

prokaryoten, die de Bacteria- en Archaea-domeinen omvatten, hebben geen membraangebonden organellen, inclusief de mitochondriën dat in eukaryoten gastheer van de Krebs-cyclus en de zuurstofafhankelijke elektronentransportketen. Dientengevolge nemen prokaryoten niet deel aan aërobe ("met zuurstof") ademhaling, in plaats daarvan ontlenen ze bijna al hun energie van glycolyse, het anaërobe proces dat ook voorafgaat aan de aerobe ademhaling die in eukaryote cellen wordt uitgevoerd.

Aangezien glucose een van de meest vitale moleculen in de biochemie is, en het startpunt is van misschien wel de meest vitale reeks reacties in de annalen van het leven op planeet Aarde, een korte bespreking van de structuur en het gedrag van dit molecuul is in bestellen.

Ook gekend als dextrose (meestal met betrekking tot niet-biologische systemen, zoals glucose gemaakt van maïs) en bloed suiker (met betrekking tot biologische systemen, bijvoorbeeld in medische contexten), glucose is een zes-koolstofmolecuul met de chemische formule C₆H₁₂O₆. In menselijk bloed is de normale glucoseconcentratie ongeveer 100 mg/dL. 100 mg is een tiende van een gram, terwijl een dL een tiende van een liter is; dit komt neer op een gram per liter, en aangezien de gemiddelde persoon ongeveer 4 liter bloed heeft, zijn de meeste mensen hebben op elk moment ongeveer 4 g glucose in hun bloedbaan - slechts ongeveer een zevende van een ons.

Vijf van de zes koolstofatomen (C) in glucose zitten in de zes-atoom ring vorm dat het molecuul 99,98 procent van de tijd in de natuur inneemt. Het zesde ringatoom is een zuurstof (O), met de zesde C bevestigd aan een van de ring C's als onderdeel van a hydroxymethyl (-CH₂OH) groep. Het is aan de hydroxyl (-OH) groep die anorganisch fosfaat (Pi) wordt gehecht tijdens het fosforyleringsproces dat het molecuul in het celcytoplasma opsluit.

Prokaryoten zijn klein (de overgrote meerderheid is eencellig) en eenvoudig (de ene cel die de meeste wel hebben heeft geen kern en andere membraangebonden organellen). Dit kan ervoor zorgen dat ze in de meeste opzichten niet zo elegant en interessant zijn als eukaryoten, maar het houdt ook hun brandstofbehoefte relatief laag.

Bij zowel prokaryoten als eukaryoten is glycolyse de eerste stap in het metabolisme van glucose. De fosforylering van glucose bij binnenkomst in een cel door diffusie over het plasmamembraan is de eerste stap in glycolyse, die in een volgende sectie in detail wordt beschreven.

• Sommige bacteriën kunnen andere suikers dan of naast glucose metaboliseren, zoals sucrose, lactose of maltose. Deze suikers zijn disachariden, wat uit het Grieks komt voor 'twee suikers'. Ze omvatten een monomeer van glucose, zoals fructose, een monosacharide, als een van hun twee subeenheden.

Aan het einde van de glycolyse is het glucosemolecuul gebruikt om twee pyruvaatmoleculen met drie koolstofatomen te genereren, twee moleculen van de zogenaamde hoogenergetische elektronendrager nicotinamide adenine dinucleotide (NADH), en een nettowinst van twee ATP-moleculen.

Op dit punt, in prokaryoten, gaat het pyruvaat meestal in fermentatie, een anaëroob proces met een aantal verschillende variaties die binnenkort zullen worden onderzocht. Maar sommige bacteriën hebben tot op zekere hoogte het vermogen ontwikkeld om aërobe ademhaling uit te voeren en worden facultatieve anaëroben. Bacteriën die alleen energie kunnen halen uit glycolyse worden genoemd obligate anaëroben, en veel van deze worden zelfs gedood door zuurstof. Een beperkt aantal bacteriën is zelfs verplichte aeroben, wat betekent dat ze, net als jij, een absolute behoefte aan zuurstof hebben. Aangezien bacteriën ongeveer 3,5 miljard jaar de tijd hebben gehad om zich aan te passen aan de eisen van de aardverschuiving omgeving, zou het niet verwonderlijk moeten zijn dat ze een reeks basale metabolische overleving hebben geboden strategieën.

Glycolyse inclusief 10 reacties, wat een mooi, rond getal is, maar je hoeft niet per se alle producten, tussenproducten en enzymen in al deze stappen te onthouden. In plaats daarvan, hoewel sommige van deze details leuk en nuttig zijn om te weten, is het belangrijker om een ​​idee te krijgen van: wat gebeurt in het algemeen in glycolyse, en waarom het gebeurt (zowel in de basisfysica als in de behoeften van de cel).

Glycolyse wordt vastgelegd in de volgende reactie, die de som is van de 10 afzonderlijke reacties:

C₆H₁₂O₆ → 2 C₃H₄O₃ + 2 ATP + 2 NADH

In gewoon Engels, bij glycolyse, wordt een enkel glucosemolecuul uit elkaar gehaald in twee pyruvaatmoleculen, en onderweg worden een paar brandstofmoleculen en een paar "pre-fuel" moleculen gemaakt. ATP is de bijna universele valuta voor energie in cellulaire processen, terwijl NADH, de gereduceerde vorm van NAD+ of nicotinamide-adenine-dinucleotide, functioneert als een hoogenergetische elektronendrager die die elektronen uiteindelijk in de vorm van waterstofionen (H+) aan zuurstofmoleculen doneert van de elektronentransportketen in aerobe stofwisseling, wat resulteert in veel meer ATP dan glycolyse alleen kan leveren.

De fosforylering van glucose na binnenkomst in het cytoplasma resulteert in glucose-6-fosfaat (G-6-P). Het fosfaat is afkomstig van ATP en de opname ervan in glucosebladeren adenosinedifosfaat (ADP) achter. Zoals opgemerkt, houdt dit glucose vast in de cel.

Vervolgens wordt G-6-P geconverteerd naar fructose-6-fosfaat (F-6-P). Dit is een isomerisatie reactie, omdat de reactant en het product isomeren van elkaar zijn - moleculen met hetzelfde aantal van elk type atoom, maar met verschillende ruimtelijke rangschikkingen. In dit geval heeft de ring van fructose slechts vijf atomen. Het enzym dat verantwoordelijk is voor deze atomaire jongleeract wordt genoemd: fosfoglucose-isomerase. (De meeste enzymnamen, hoewel vaak omslachtig, zijn op zijn minst volkomen logisch.)

In de derde reactie van glycolyse wordt F-6-P omgezet in fructose-1,6-bisfosfaat (F-1,6-BP). In deze fosforyleringsstap is het fosfaat weer afkomstig van ATP, maar dit keer wordt het toegevoegd aan een ander koolstofatoom. Het verantwoordelijke enzym is fosfofructokinase (PFK).

• Bij veel fosforyleringsreacties worden fosfaatgroepen toegevoegd aan het vrije uiteinde van een bestaande fosfaatgroep, maar in dit geval niet - vandaar "_bis_fosfaat" in plaats van "_di_fosfaat".

In de vierde reactie van glycolyse wordt het F-1,6-BP-molecuul, dat vrij onstabiel is vanwege zijn dubbele dosis fosfaatgroepen, gesplitst door het enzym aldolase in de drie-koolstof, enkele-fosfaatgroep-dragende moleculen glyceraldehyde 3-fosfaat (GAP) en dihydroxyacetonfosfaat (DHAP). Dit zijn isomeren en de DHAP wordt snel omgezet in GAP in de vijfde stap van glycolyse met behulp van een duw van het enzym triose fosfaat isomerase (TIM).

In dit stadium is het oorspronkelijke glucosemolecuul twee identieke, enkelvoudig gefosforyleerde moleculen met drie koolstofatomen geworden, ten koste van twee ATP. Vanaf dit punt vindt elke beschreven reactie van glycolyse twee keer plaats voor elk glucosemolecuul dat glycolyse ondergaat.

In de zesde reactie van glycolyse wordt GAP omgezet in 1,3-bisfosfoglyceraat (1,3-BPG) onder invloed van glyceraldehyde 3-fosfaatdehydrogenase. Dehydrogenase-enzymen verwijderen waterstofatomen (d.w.z. protonen). De waterstof die vrijkomt van GAP wordt gehecht aan het NAD+-molecuul, wat NADH oplevert. Omdat het aanvankelijke glucosemolecuul stroomopwaarts aanleiding heeft gegeven tot: twee moleculen van GAP, na deze reactie, twee moleculen van NADH zijn gemaakt.

In de zevende glycolysereactie wordt een van de fosforyleringsreacties van vroege glycolyse in feite omgekeerd. Wanneer het enzym fosfoglyceraatkinase verwijdert een fosfaatgroep uit 1,3-BPG, het resultaat is: 3-fosfoglyceraat (3-PG). De fosfaten die van de twee 1,3-BPG-moleculen zijn gestript, worden aan een ADP toegevoegd om twee ATP te vormen. Dit betekent dat de twee ATP's die zijn "geleend" in stap één en drie worden "teruggegeven" in de zevende reactie.

In stap acht wordt 3-PG geconverteerd naar 2-fosfoglyceraat (2-PG) door fosfoglyceraatmutase, die de ene overgebleven fosfaatgroep naar een ander koolstofatoom pendelt. Een mutase verschilt van een isomerase doordat het minder hardhandig is in zijn werking; in plaats van de structuur van een molecuul te herschikken, verplaatsen ze slechts een van zijn zijgroepen naar een nieuwe plek, waardoor de algehele ruggengraat, ring, enz. zoals het was.

In de negende reactie van glycolyse wordt 2-PG omgezet in fosfoenolpyruvaat (PEP) onder de actie van enolase. Een enol is een verbinding met een dubbele koolstof-koolstofbinding waarin een van de koolstoffen ook is gebonden aan een hydroxylgroep.

Ten slotte, de tiende en laatste reactie van glycolyse, wordt PEP dankzij het enzym omgezet in pyruvaat pyruvaatkinase. De fosfaatgroepen die uit de twee PEP's worden verwijderd, zijn gehecht aan ADP-moleculen, wat twee ATP en twee pyruvaat oplevert, waarvan de formule is ( C₃H₄O₃) of (CH₃)CO(COOH). Dus de initiële, anaërobe verwerking van een enkel glucosemolecuul levert twee pyruvaat-, twee ATP- en twee NADH-moleculen op.

Het pyruvaat dat uiteindelijk wordt gegenereerd door het binnendringen van glucose in cellen, kan een van twee paden volgen. Als de cel prokaryotisch is, of als de cel eukaryoot is maar tijdelijk meer brandstof nodig heeft dan aerobe ademhaling alleen kan leveren (zoals in bijvoorbeeld spiercellen tijdens zware lichamelijke inspanning zoals sprinten of gewichtheffen), komt pyruvaat in de fermentatie pad. Als de cel eukaryoot is en zijn energiebehoefte typisch is, verplaatst hij het pyruvaat naar de mitochondriën en neemt het deel aan de citroenzuurcyclus:

• Fermentatie: Fermentatie wordt vaak door elkaar gebruikt met "anaërobe ademhaling", maar in werkelijkheid is dit misleidend omdat: glycolyse, die aan fermentatie voorafgaat, is ook anaëroob, hoewel het over het algemeen niet wordt beschouwd als onderdeel van de ademhaling zie.
• Fermentatie regenereert NAD+ voor gebruik bij glycolyse door pyruvaat om te zetten in melk geven. Het hele doel hiervan is om de glycolyse door te laten gaan in afwezigheid van voldoende zuurstof; een lokaal tekort aan NAD+ zou het proces beperken, zelfs als er voldoende substraat aanwezig is.
• Aërobe ademhaling: Dit omvat de citroenzuurcyclus en de elektronentransportketen.
• De Krebs-cyclus: Hier wordt pyruvaat omgezet in acetyl co-enzym A (acetyl CoA) en koolstofdioxide (CO₂). De twee-koolstof acetyl CoA combineert met de vier-koolstof oxaalacetaat om citraat te vormen, een molecuul met zes koolstofatomen dat vervolgens door een "wiel" (cyclus) van zes reacties gaat die resulteren in twee CO₂, één ATP, drie NADH en één gereduceerd flavine-adenine-dinucleotide (FADH₂).
• De Electron transportketen: Hier zijn de protonen (H⁺ atomen) van NADH en FADH_₂_ uit de Krebs-cyclus worden gebruikt om een ​​elektrochemische gradiënt te creëren die de synthese van 34 (of meer) ATP-moleculen op het binnenste mitochondriale membraan aanstuurt. Zuurstof dient als de uiteindelijke acceptor van de elektronen die van de ene verbinding naar de andere "vloeien", helemaal beginnend in de keten van verbindingen met glucose.