Hvordan metabolisere glukose for å lage ATP

Glukose, et seks-karbon sukker, er den grunnleggende "input" i ligningen som driver hele livet. Energi fra utsiden omdannes på noen måter til energi for cellen. Hver organisme som lever, fra din beste venn til den laveste bakterien, har celler som brenner glukose for drivstoff på rotmetabolsk nivå.

Organismer skiller seg ut i hvor stor grad cellene deres kan utvinne energi fra glukose. I alle celler er denne energien i form av adenosintrifosfat (ATP).

Derfor en ting alle levende celler har det til felles at de metaboliserer glukose for å lage ATP. Et gitt glukosemolekyl inn i en celle kunne ha begynt som en biffmiddag, som et villdyrs bytte, som plantemateriale eller som noe annet.

Uansett har forskjellige fordøyelses- og biokjemiske prosesser brutt ned alle multikarbonmolekylene i uansett hvilke stoffer organismen inntar for næring til monosakkaridsukkeret som kommer inn i cellulær metabolsk stier.

Kjemisk, glukose er en heksose sukker, hex er det greske prefikset for "seks", antall karbonatomer i glukose. Molekylformelen er

Glukose er også en monosakkarid i det er et sukker som bare inneholder en grunnleggende enhet, eller monomer.Fruktose er et annet eksempel på et monosakkarid, mens sukroseeller bordsukker (fruktose pluss glukose), laktose (glukose pluss galaktose) og maltose (glukose pluss glukose) er disakkarider.

Merk at forholdet mellom karbon, hydrogen og oksygenatomer i glukose er 1: 2: 1. Faktisk viser alle karbohydrater det samme forholdet, og deres molekylformler har alle formen C_nH_2nO_n.

ATP er en nukleosid, i dette tilfellet adenosin, med tre fosfatgrupper festet til det. Dette gjør det faktisk til en nukleotid, som et nukleosid er en pentose sukker (enten ribose eller deoksyribose) kombinert med en nitrogenholdig base (dvs. adenin, cytosin, guanin, tymin eller uracil), mens et nukleotid er et nukleosid med en eller flere fosfatgrupper festet. Men terminologi til side, det viktige å vite om ATP er at den inneholder adenin, ribose og en kjede av tre fosfat (P) grupper.

ATP lages via fosforylering av adenosindifosfat (ADP)og omvendt når den terminale fosfatbindingen i ATP er hydrolysert, ADP og P_Jeg (uorganisk fosfat) er produktene. ATP betraktes som "energivaluta" for celler, da dette ekstraordinære molekylet brukes til å drive nesten alle metabolske prosesser.

Cellular respirasjon er settet med metabolske veier i eukaryote organismer som omdanner glukose til ATP og karbondioksid i nærvær oksygen, avgir vann og produserer et vell av ATP (36 til 38 molekyler per investert glukosemolekyl) prosess.

Den balanserte kjemiske formelen for den totale nettoreaksjonen, unntatt elektronbærere og energimolekyler, er:

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O

Cellular respirasjon inkluderer faktisk tre forskjellige og sekvensielle veier:

• Glykolyse, som forekommer i alle celler og foregår i cytoplasmaet, og er alltid det første trinnet i glukosemetabolismen (og i de fleste prokaryoter, også det siste trinnet).
  
• De Krebs sykler, også kalt trikarboksylsyresyklusen (TCA) eller sitronsyresyklusen, som utfolder seg i mitokondrie-matrisen.
• De elektrontransportkjede, som finner sted på den indre mitokondrielle membranen og genererer mesteparten av ATP produsert i cellulær respirasjon.

De to sistnevnte av disse trinnene er oksygenavhengige og utgjør sammen aerobisk respirasjon. Ofte, i diskusjoner om eukaryot metabolisme, anses glykolyse, selv om det ikke er avhengig av oksygen, å være en del "aerobisk respirasjon"fordi nesten hele hovedproduktet, pyruvatfortsetter med å gå inn på de to andre banene.

I glykolyse omdannes glukose i en serie på 10 reaksjoner til molekylet pyruvat, med en nettovinst på to molekyler ATP og to molekyler av "elektronbæreren" nikotinamid-adenindinukleotid (NADH). For hvert molekyl glukose som kommer inn i prosessen, produseres to molekyler av pyruvat, ettersom pyruvat har tre karbonatomer til glukosens seks.

I det første trinnet fosforyleres glukose til å bli glukose-6-fosfat (G6P). Dette forplikter glukosen til å metaboliseres i stedet for å drive tilbake ut gjennom cellemembran, fordi fosfatgruppen gir G6P en negativ ladning. I løpet av de neste trinnene omorganiseres molekylet til et annet sukkerderivat og deretter fosforyleres det for andre gang fruktose-1,6-bisfosfat.

Disse tidlige trinnene av glykolyse krever en investering på to ATP fordi dette er kilden til fosfatgruppene i fosforyleringsreaksjonene.

Fruktose-1,6-bisfosfat deler seg i to forskjellige tre-karbonmolekyler, hver med sin egen fosfatgruppe; nesten alle disse, blir raskt konvertert til den andre, glyseraldehyd-3-fosfat (G3P). Fra dette punktet fremover blir alt duplisert fordi det er to G3P ​​for hver glukose "oppstrøms".

Fra dette punktet fosforyleres G3P i et trinn som også produserer NADH fra den oksyderte formen NAD +, og deretter blir de to fosfatgruppene gitt opp til ADP-molekyler i påfølgende trinn for omlegging for å produsere to ATP-molekyler sammen med sluttkarbonproduktet fra glykolyse, pyruvat.

Siden dette skjer to ganger per glukosemolekyl, produserer andre halvdel av glykolyse fire ATP for a nett gevinst ved glykolyse av to ATP (siden to var påkrevd tidlig i prosessen) og to NADH.

I forberedende reaksjon, etter at pyruvatet generert i glykolyse finner veien fra cytoplasmaet inn i mitokondriematrisen, blir det først omdannet til acetat (CH₃COOH-) og CO₂ (et avfallsprodukt i dette scenariet) og deretter til en forbindelse som heter acetylkoenzym A, eller acetyl CoA. I denne reaksjonen genereres en NADH. Dette setter scenen for Krebs-syklusen.

Denne serien med åtte reaksjoner heter så fordi en av reaktantene i første trinn, oksaloacetat, er også produktet i siste trinn. Jobben til Krebs-syklusen er hos en leverandør i stedet for en produsent: Den genererer bare to ATP per glukosemolekyl, men bidrar med seks NADH til og to av FADH₂, en annen elektronbærer og en nær slektning av NADH.

(Merk at dette betyr en ATP, tre NADH og en FADH₂per omgang av syklusen. For hver glukose som kommer inn i glykolyse, kommer to molekyler av acetyl CoA inn i Krebs-syklusen.)

Per glukose er energitallet til dette punktet fire ATP (to fra glykolyse og to fra Krebs syklus), 10 NADH (to fra glykolyse, to fra den forberedende reaksjonen og seks fra Krebs-syklusen) og to FADH₂ fra Krebs-syklusen. Mens karbonforbindelsene i Krebs-syklusen fortsetter å spinne rundt oppstrøms, beveger elektronbærerne seg fra mitokondriell matrise til mitokondriell membran.

Når NADH og FADH₂ frigjør elektronene sine, disse brukes til å skape en elektrokjemisk gradient over mitokondriell membran. Denne gradienten brukes til å drive feste av fosfatgrupper til ADP for å lage ATP i en prosess som kalles oksidativ fosforylering, så kalt fordi den ultimate akseptoren for elektronene som faller fra elektronbærer til elektronbærer i kjeden er oksygen (O₂).

Fordi hver NADH gir tre ATP og hver FADH₂ gir to ATP i oksidativ fosforylering, dette tilfører (10) (3) + (2) (2) = 34 ATP til blandingen. Og dermed ett molekyl glukose kan gi opptil 38 ATP i eukaryote organismer.