Hoe glucose te metaboliseren om ATP te maken

Glucose, een suiker met zes koolstofatomen, is de fundamentele "input" in de vergelijking die al het leven aandrijft. Energie van buitenaf wordt op de een of andere manier omgezet in energie voor de cel. Elk organisme dat leeft, van je beste vriend tot de laagste bacterie, heeft cellen die glucose verbranden als brandstof op het metabolische niveau van de wortel.

Organismen verschillen in de mate waarin hun cellen energie uit glucose kunnen halen. In alle cellen is deze energie in de vorm van adenosine trifosfaat (ATP).

Daarom één ding: alle levende cellen hebben gemeen dat ze glucose metaboliseren om ATP. te maken. Een bepaald glucosemolecuul dat een cel binnenkomt, kan zijn begonnen als een biefstukdiner, als prooi van een wild dier, als plantaardig materiaal of als iets anders.

Hoe dan ook, verschillende spijsverterings- en biochemische processen hebben alle multi-koolstofmoleculen afgebroken welke stoffen het organisme ook opneemt voor voeding tot de monosacharidesuiker die de celstofwisseling binnengaat paden.

chemisch, glucose is een hexose suiker, hex zijnde het Griekse voorvoegsel voor "zes", het aantal koolstofatomen in glucose. De molecuulformule is C₆H₁₂O₆, waardoor het een molecuulgewicht heeft van 180 gram per mol.

Glucose is ook een monosacharide in dat is een suiker die slechts één fundamentele eenheid bevat, of monomeer.fructose is een ander voorbeeld van een monosacharide, terwijl sacharose, of tafelsuiker (fructose plus glucose), lactose (glucose plus galactose) en maltose (glucose plus glucose) zijn disachariden.

Merk op dat de verhouding van koolstof-, waterstof- en zuurstofatomen in glucose 1:2:1 is. Alle koolhydraten vertonen in feite dezelfde verhouding, en hun molecuulformules hebben allemaal de vorm C_neeH_2nO_nee.

ATP is een nucleoside, in dit geval adenosine, met drie fosfaatgroepen eraan. Dit maakt het eigenlijk een nucleotide, aangezien een nucleoside een is pentose suiker (ofwel ribose of deoxyribose) gecombineerd met een stikstofbase (d.w.z. adenine, cytosine, guanine, thymine of uracil), terwijl een nucleotide een nucleoside is waaraan een of meer fosfaatgroepen zijn gehecht. Maar terminologie terzijde, het belangrijkste om te weten: ATP is dat het adenine, ribose en een keten van drie fosfaat (P) groepen bevat.

ATP wordt gemaakt via de fosforylering van adenosinedifosfaat (ADP), en omgekeerd, wanneer de terminale fosfaatbinding in ATP is gehydrolyseerd, ADP en P_ik (anorganisch fosfaat) zijn de producten. ATP wordt beschouwd als de "energievaluta" van cellen, omdat dit buitengewone molecuul wordt gebruikt om bijna elk metabolisch proces aan te drijven.

Cellulaire ademhaling is de set van metabole routes in eukaryote organismen die glucose in ATP en koolstofdioxide omzetten in aanwezigheid zuurstof afgeven, water afgeven en een schat aan ATP produceren (36 tot 38 moleculen per geïnvesteerd glucosemolecuul) in de werkwijze.

De uitgebalanceerde chemische formule voor de totale nettoreactie, exclusief elektronendragers en energiemoleculen, is:

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O

Cellulaire ademhaling omvat eigenlijk drie verschillende en opeenvolgende routes:

• Glycolyse, die in alle cellen voorkomt en plaatsvindt in het cytoplasma, en altijd de eerste stap is van het glucosemetabolisme (en bij de meeste prokaryoten ook de laatste stap).
  
• De citroenzuurcyclus, ook wel de tricarbonzuur (TCA) cyclus of de citroenzuurcyclus genoemd, die zich ontvouwt in de mitochondriale matrix.
• De elektronentransportketen, die plaatsvindt op het binnenste mitochondriale membraan en het meeste ATP genereert dat wordt geproduceerd bij cellulaire ademhaling.

De laatste twee van deze fasen zijn zuurstofafhankelijk en vormen samen together aërobe ademhaling. Vaak wordt echter in discussies over eukaryoot metabolisme, glycolyse, hoewel het niet afhankelijk is van zuurstof, als onderdeel beschouwd "aërobe ademhaling" omdat bijna al zijn hoofdproduct, pyruvaat, gaat verder met het betreden van de andere twee paden.

Bij glycolyse wordt glucose in een reeks van 10 reacties omgezet in het molecuul pyruvaat, met a netto winst van twee moleculen ATP en twee moleculen van de "elektronendrager" nicotinamide adenine dinucleotide (NADH). Voor elk molecuul glucose dat het proces binnenkomt, worden twee moleculen pyruvaat geproduceerd, aangezien pyruvaat drie koolstofatomen heeft tot glucose zes.

In de eerste stap wordt glucose gefosforyleerd om glucose-6-fosfaat (G6P). Dit zorgt ervoor dat de glucose wordt gemetaboliseerd in plaats van terug te drijven door de celmembraan, omdat de fosfaatgroep G6P een negatieve lading geeft. In de volgende paar stappen wordt het molecuul herschikt in een ander suikerderivaat en vervolgens een tweede keer gefosforyleerd om te worden fructose-1,6-bisfosfaat.

Deze vroege stappen van glycolyse vereisen een investering van twee ATP omdat dit de bron is van de fosfaatgroepen in de fosforyleringsreacties.

Het fructose-1,6-bisfosfaat splitst zich in twee verschillende drie-koolstofmoleculen, die elk hun eigen fosfaatgroep dragen; bijna alle van deze, wordt snel omgezet in de andere, glyceraldehyde-3-fosfaat (G3P). Dus vanaf dit punt wordt alles gedupliceerd omdat er twee G3P's zijn voor elke "stroomopwaartse" glucose.

Vanaf dit punt wordt G3P gefosforyleerd in een stap die ook NADH produceert uit de geoxideerde vorm NAD+, en vervolgens worden de twee fosfaatgroepen gegeven aan ADP-moleculen in daaropvolgende herschikkingsstappen om twee ATP-moleculen te produceren samen met het eindproduct koolstof van glycolyse, pyruvaat.

Aangezien dit twee keer per glucosemolecuul gebeurt, produceert de tweede helft van de glycolyse vier ATP voor a netto- winst uit glycolyse van twee ATP (omdat er vroeg in het proces twee nodig waren) en twee NADH.

In de voorbereidende reactie, nadat het bij glycolyse gegenereerde pyruvaat zijn weg vindt van het cytoplasma naar de mitochondriale matrix, wordt het eerst omgezet in acetaat (CH₃COOH-) en CO₂ (een afvalproduct in dit scenario) en vervolgens naar een verbinding genaamd acetyl co-enzym A, of acetyl COA. Bij deze reactie wordt een NADH gegenereerd. Dit vormt de basis voor de Krebs-cyclus.

Deze reeks van acht reacties wordt zo genoemd omdat een van de reactanten in de eerste stap, oxaalacetaat, is ook het product in de laatste stap. De taak van de Krebs-cyclus is die van een leverancier in plaats van een fabrikant: het genereert slechts twee ATP per glucosemolecuul, maar draagt ​​zes extra NADH en twee FADH bij.₂, een andere elektronendrager en een naaste verwant van NADH.

(Merk op dat dit betekent één ATP, drie NADH en één FADH₂per omwenteling van de cyclus. Voor elke glucose die in de glycolyse terechtkomt, komen twee moleculen acetyl-CoA in de Krebs-cyclus.)

Op een per-glucosebasis is de energietelling tot nu toe vier ATP (twee van glycolyse en twee van de Krebs cyclus), 10 NADH (twee uit glycolyse, twee uit de voorbereidende reactie en zes uit de Krebs-cyclus) en twee FADH₂ uit de Krebs-cyclus. Terwijl de koolstofverbindingen in de Krebs-cyclus stroomopwaarts blijven ronddraaien, verplaatsen de elektronendragers zich van de mitochondriale matrix naar de mitochondriaal membraan.

Wanneer NADH en FADH₂ hun elektronen vrijgeven, worden deze gebruikt om een ​​elektrochemische gradiënt over het mitochondriale membraan te creëren. Deze gradiënt wordt gebruikt om de aanhechting van fosfaatgroepen aan ADP te stimuleren om ATP te creëren in een proces genaamd oxidatieve fosforylering, zo genoemd omdat de uiteindelijke acceptor van de elektronen die van elektronendrager naar elektronendrager in de keten vallen, zuurstof is (O₂).

Omdat elke NADH drie ATP oplevert en elke FADH₂ levert twee ATP op bij oxidatieve fosforylering, dit voegt (10) (3) + (2) (2) = 34 ATP toe aan de mix. Dus één molecuul glucose kan tot 38 ATP. opleveren in eukaryote organismen.