Wat is de rol van glucose bij cellulaire ademhaling?

Het leven op aarde is buitengewoon divers, van de kleinste bacteriën die in thermische ventilatieopeningen leven tot de statige olifanten van meerdere ton die hun thuis in Azië maken. Maar alle organismen (levende wezens) hebben een aantal basiskenmerken gemeen, waaronder de behoefte aan moleculen om energie uit te halen. Het proces van het onttrekken van energie aan externe bronnen voor groei, reparatie, onderhoud en reproductie staat bekend als: metabolisme.

Alle organismen bestaan ​​uit minstens één cel (je eigen lichaam omvat biljoenen), wat de kleinste onherleidbare entiteit is die alle eigenschappen omvat die aan het leven worden toegeschreven met behulp van conventionele definities. Metabolisme is zo'n eigenschap, evenals het vermogen om te repliceren of anderszins te reproduceren. Elke cel op de planeet kan en maakt gebruik van glucose, zonder welke het leven op aarde ofwel nooit zou zijn ontstaan ​​of er heel anders uit zou zien.

Glucose heeft de formule C₆H₁₂

Glucose bestaat in de natuur als een ring met zes atomen, die in de meeste teksten als zeshoekig wordt weergegeven. Vijf van de koolstofatomen zijn opgenomen in de ring samen met een van de zuurstofatomen, terwijl het zesde koolstofatoom deel uitmaakt van een hydroxymethylgroep (-CH₂OH) gehecht aan een van de andere koolstoffen.

Aminozuren, zoals glucose, zijn prominente monomeren in de biochemie. Net als glycogeen is samengesteld uit lange ketens van glucose, eiwitten worden gesynthetiseerd uit lange ketens van aminozuren. Hoewel er 20 verschillende aminozuren zijn met veel gemeenschappelijke kenmerken, komt glucose slechts in één moleculaire vorm voor. De samenstelling van glycogeen is dus in wezen onveranderlijk, terwijl eiwitten van de ene tot de andere sterk verschillen.

Het metabolisme van glucose om energie op te leveren in de vorm van adenosinetrifosfaat (ATP) en CO₂ (kooldioxide, een afvalproduct in deze vergelijking) staat bekend als: cellulaire ademhaling. De eerste van de drie basisstadia van cellulaire ademhaling is: glycolyse, een reeks van 10 reacties waarvoor geen zuurstof nodig is, terwijl de laatste twee fasen de citroenzuurcyclus (ook bekend als de citroenzuur cyclus) en de elektronentransportketen, die wel zuurstof nodig hebben. Samen staan ​​deze laatste twee fasen bekend als: aërobe ademhaling.

Cellulaire ademhaling vindt bijna volledig plaats in eukaryoten (dieren, planten en schimmels). prokaryoten (de voornamelijk eencellige domeinen die bacteriën en archaea omvatten) ontlenen energie aan glucose, maar vrijwel altijd aan alleen glycolyse. De implicatie is dat prokaryotische cellen slechts ongeveer een tiende van de energie per molecuul glucose kunnen genereren als eukaryote cellen, zoals later wordt beschreven.

"Cellulaire ademhaling" en "aërobe ademhaling" worden vaak door elkaar gebruikt bij het bespreken van het metabolisme van eukaryote cellen. Het is duidelijk dat glycolyse, hoewel een anaëroob proces, bijna altijd doorgaat tot de laatste twee cellulaire ademhalingsstappen. Hoe dan ook, om de rol van glucose bij cellulaire ademhaling samen te vatten: zonder dit stopt de ademhaling en volgt verlies van leven.

Enzymen zijn bolvormige eiwitten die fungeren als katalysatoren bij chemische reacties. Dit betekent dat deze moleculen helpen bij het versnellen van reacties die anders zonder de enzymen nog steeds zouden verlopen, maar veel langzamer - soms met een factor meer dan duizend. Wanneer enzymen werken, worden ze aan het einde van de reactie niet zelf veranderd, terwijl de moleculen waarop ze inwerken, substraten genoemd, door hun ontwerp worden veranderd, met reactanten zoals glucose omgezet in producten zoals CO₂.

Glucose en ATP vertonen enige chemische gelijkenis met elkaar, maar gebruiken de energie die is opgeslagen in de bindingen van de het voormalige molecuul om de synthese van het laatste molecuul aan te drijven, vereist aanzienlijke biochemische acrobatiek de cel. Bijna elke cellulaire reactie wordt gekatalyseerd door een specifiek enzym, en de meeste enzymen zijn specifiek voor één reactie en zijn substraten. Glycolyse, de Krebs-cyclus en de elektronentransportketen, gecombineerd, bevatten ongeveer twee dozijn reacties en enzymen.

Wanneer glucose een cel binnenkomt door door het plasmamembraan te diffunderen, wordt het onmiddellijk gehecht aan een fosfaatgroep (P), of gefosforyleerd. Dit houdt glucose vast in de cel vanwege de negatieve lading van de P. Deze reactie, die glucose-6-fosfaat (G6P) produceert, vindt plaats onder invloed van het enzym hexokinase. (De meeste enzymen eindigen op "-ase", waardoor het vrij gemakkelijk is om te weten wanneer je er in de biologiewereld mee te maken hebt.)

Van daaruit wordt G6P herschikt in een gefosforyleerd type suiker fructose, en dan wordt nog een P toegevoegd. Kort daarna wordt het zes-koolstofmolecuul gesplitst in twee drie-koolstofmoleculen, elk met een fosfaatgroep; deze ordenen zich al snel in dezelfde stof, glyceraldehyde-3-fosfaat (G-3-P).

Elk molecuul van G-3-P doorloopt een reeks herschikkingsstappen om te worden omgezet in de molocule met drie koolstofatomen pyruvaat, waarbij twee moleculen ATP en één molecuul van de hoogenergetische elektronendrager NADH (gereduceerd uit nicotinamide-adenine-dinucleotide of NAD+) worden geproduceerd.

De eerste helft van de glycolyse verbruikt 2 ATP in de fosforyleringsstappen, terwijl de tweede helft in totaal 2 pyruvaat, 2 NADH en 4 ATP oplevert. Wat de directe energieproductie betreft, glycolyse resulteert dus in 2 ATP per glucosemolecuul. Dit vertegenwoordigt voor de meeste prokaryoten het effectieve plafond van glucosegebruik. Bij eukaryoten is de glucose-cellulaire ademhalingsshow pas begonnen.

De pyruvaatmoleculen verplaatsen zich vervolgens van het cytoplasma van de cel naar de binnenkant van de organellen genaamd mitochondriën, die worden omsloten door hun eigen dubbele plasmamembraan. Hier wordt het pyruvaat gesplitst in CO₂ en acetaat (CH₃COOH-), en het acetaat wordt gegrepen door een verbinding uit de B-vitamineklasse genaamd co-enzym A (CoA) om acetyl COA, een belangrijk tussenproduct met twee koolstofatomen in een reeks cellulaire reacties.

Om de Krebs-cyclus in te gaan, reageert de acetyl-CoA met de vier-koolstofverbinding oxaalacetaat vormen citraat. Omdat oxaalacetaat het laatste molecuul is dat in de Krebs-reactie is gemaakt, evenals een substraat in de eerste reactie, verdient de serie de beschrijving 'cyclus'. De cyclus omvat in totaal acht reacties, die het citraat met zes koolstofatomen reduceren tot een molecuul met vijf koolstofatomen en vervolgens tot een reeks van tussenproducten met vier koolstofatomen voordat het weer bij oxaalacetaat.

Elk molecuul pyruvaat dat de Krebs-cyclus binnengaat, resulteert in de productie van nog twee CO₂, 1 ATP, 3 NADH en één molecuul van een elektronendrager vergelijkbaar met NADH genaamd flavine adenine dinucleotide, of FADH₂.

• De Krebs-cyclus kan alleen doorgaan als de elektronentransportketen stroomafwaarts werkt om de NADH en FADH. op te pikken₂ het genereert. Dus als er geen zuurstof beschikbaar is voor de cel, stopt de Krebs-cyclus.

De NADH en FADH₂ verplaatsen naar het binnenste mitochondriale membraan voor dit proces. De rol van de keten is de oxidatieve fosforylering van ADP-moleculen om ATP te worden. De waterstofatomen van de elektronendragers worden gebruikt om een ​​elektrochemische gradiënt over het mitochondriale membraan te creëren. De energie van deze gradiënt, die afhankelijk is van zuurstof om uiteindelijk de elektronen te ontvangen, wordt gebruikt om de ATP-synthese aan te drijven.

Elk glucosemolecuul draagt ​​ergens tussen 36 en 38 ATP bij via cellulaire ademhaling: 2 bij glycolyse, 2 in de Krebs-cyclus en 32 tot 34 (afhankelijk van hoe dit in het lab wordt gemeten) in het elektronentransport ketting.