Hva utfører glykolyse?

Glykolyse er en universell prosess blant livsformer på planeten Jorden. Fra de enkleste encellede bakteriene til de største hvalene i sjøen, bruker alle organismer - eller nærmere bestemt hver av cellene - seks-karbon sukkermolekylet glukose som energikilde.

Glykolyse er settet med 10 biokjemiske reaksjoner som fungerer som det første trinnet mot fullstendig nedbrytning av glukose. I mange organismer er det også det siste trinnet.

Glykolyse er den første av tre stadier av cellulær respirasjon i det taksonomiske domenet (dvs. livsklassifisering) Eukaryota (eller eukaryoter), som inkluderer dyr, planter, protister og sopp.

I domenene Bakterier og Archaea, som sammen utgjør de mest encellulære organismer som kalles prokaryoterer glykolyse det eneste metabolske showet i byen, ettersom cellene deres mangler maskiner for å utføre cellulær respirasjon til den er ferdig.

Den komplette reaksjonen som omfattes av de enkelte trinnene i glykolyse er:

C₆H₁₂O₆ + 2 NAD⁺ + 2 ADP + 2 P_Jeg → 2 CH₃(C = O) COOH + 2 ATP + 2 NADH + 4 H⁺ + 2 H₂O

Med ord betyr dette at glukose, elektronbæreren nikotinamid-adenin-dinukleotid, adenosindifosfat og uorganisk fosfat (P_Jeg) kombiner for å danne pyruvat, adenosintrifosfat, den reduserte formen av nikotinamidadenindinukleotid og hydrogenioner (som kan betraktes som elektroner).

Merk at oksygen ikke vises i denne ligningen, fordi glykolyse kan fortsette uten O₂. Dette kan være et forvirringspunkt, fordi glykolyse er en nødvendig forløper for de aerobe segmentene av cellulær respirasjon i eukaryoter ("aerob" betyr "med oksygen"), blir det ofte feilaktig sett på som en aerob prosess.

Glukose er et karbohydrat, noe som betyr at formelen antar forholdet mellom to hydrogenatomer for hvert karbon- og oksygenatom: C_nH_2nO_n. Det er et sukker, og spesielt et monosakkarid, noe som betyr at det ikke kan deles i andre sukkerarter, som det kan disakkarider sukrose og galaktose. Den inkluderer en seksatomers ringform, hvorav fem atomer er karbon og den ene er oksygen.

Glukose kan lagres i kroppen som en polymer som kalles glykogen, som ikke er noe mer enn lange kjeder eller ark av individuelle glukosemolekyler forbundet med hydrogenbindinger. Glykogen lagres primært i leveren og i muskler.

Idrettsutøvere som fortrinnsvis bruker visse muskler (f.eks. Maratonløpere som stoler på quadriceps og kalv muskler) tilpasser seg gjennom trening for å lagre uvanlig store mengder glukose, ofte kalt "karbo-lasting".

Adenosintrifosfat (ATP) er "energivalutaen" til alle levende celler. Dette betyr at når maten spises og brytes ned til glukose før den kommer inn i celler, er det endelige målet med metabolismen av glukose syntesen av ATP, en prosess drevet av energien som frigjøres når bindingen i glukose og molekylene den blir omgjort til i glykolyse og aerobisk respirasjon er brutt fra hverandre.

ATP som genereres gjennom disse reaksjonene, brukes til kroppens grunnleggende, hverdagslige behov, slik som vevsvekst og reparasjon, samt fysisk trening. Når treningsintensiteten øker, skifter kroppen bort fra forbrenning av fett eller triglyserider (via oksidasjonen av fettsyrer) til forbrenning av glukose fordi sistnevnte prosess resulterer i mer ATP opprettet per molekyl brensel.

Nesten alle biokjemiske reaksjoner er avhengige av hjelp fra spesialiserte proteinmolekyler som kalles enzymer å fortsette.

Enzymer er katalysatorer, noe som betyr at de fremskynder reaksjonene - noen ganger med en faktor på en million eller mer - uten at de selv blir endret i reaksjonen. De er vanligvis oppkalt etter molekylene de virker på og har "-ase" på slutten, slik som "fosfoglukose-isomerase", som omorganiserer atomene i glukose-6-fosfat til fruktose-6-fosfat.

(Isomerer er forbindelser med de samme atomer, men forskjellige strukturer, analoge med anagrammer i ordverdenen.)

Mest enzymer i menneskelige reaksjoner samsvarer med en "en til en" -regel, noe som betyr at hvert enzym katalyserer en bestemt reaksjon, og omvendt at hver reaksjon bare kan katalyseres av ett enzym. Dette spesifisitetsnivået hjelper celler med å regulere hastigheten på reaksjonene, og i forlengelse, mengden av forskjellige produkter som produseres i cellen når som helst.

Når glukose kommer inn i en celle, er det første som skjer at den er fosforyleres - det vil si at et fosfatmolekyl er festet til et av karbonene i glukose. Dette gir en negativ ladning på molekylet, og fanger den effektivt i cellen. Dette glukose-6-fosfat blir deretter isomerisert som beskrevet ovenfor til fruktose-6-fosfat, som deretter gjennomgår et nytt fosforyleringstrinn for å bli fruktose-1,6-bisfosfat.

Hvert av fosforyleringstrinnene innebærer fjerning av et fosfat fra ATP og forlater adenosindifosfat (ADP) bak. Dette betyr at selv om målet med glykolyse er å produsere ATP for cellens bruk, innebærer det en "oppstartkostnad" på 2 ATP per glukosemolekyl som går inn i syklusen.

Fruktose-1,6-bisfosfat blir deretter delt i to tre-karbonmolekyler, hver med sitt eget fosfat festet. En av disse, dihydroksyacetonfosfat (DHAP), er kortvarig, da den raskt blir omgjort til den andre, glyseraldehyd-3-fosfat. Fra dette punktet og fremover skjer hver reaksjon som er oppført faktisk to ganger for hvert glukosemolekyl som går inn i glykolyse.

Glyseraldehyd-3-fosfat omdannes til 1,3-difosfoglyserat ved tilsetning av et fosfat til molekylet. I stedet for å være avledet fra ATP, eksisterer dette fosfat som et fritt eller uorganisk (dvs. mangler en binding til karbon) fosfat. Samtidig NAD⁺ blir konvertert til NADH.

I de neste trinnene blir de to fosfatene fjernet fra en serie med tre-karbonmolekyler og lagt til ADP for å generere ATP. Fordi dette skjer to ganger per originalt glukosemolekyl, opprettes totalt 4 ATP i denne "utbetalingsfasen". Fordi "investeringsfasen" krevde en inngang på 2 ATP, er den totale gevinsten i ATP per glukosemolekyl 2 ATP.

For referanse er molekylene i reaksjonen etter 1,3-difosfoglyserat 3-fosfoglyserat, 3-fosfoglyserat, fosfoenolpyruvat og endelig pyruvat.

I eukaryoter kan pyruvat deretter gå videre til en av to postglykolyseveier, avhengig av om nok oksygen er tilstede for å tillate aerob respirasjon å fortsette. Hvis det er, noe som vanligvis er tilfelle når foreldreorganismen hviler eller trener lett, pyruvat skysses fra cytoplasmaet der glykolyse forekommer i organeller ("små organer") kalt mitokondrier.

Hvis cellen tilhører en prokaryot eller en veldig hardtarbeidende eukaryot - si et menneske som kjører en hel mil eller løfter vekter intenst - blir pyruvat omgjort til laktat. Mens laktat i seg selv ikke kan brukes som drivstoff i de fleste celler, skaper denne reaksjonen NAD⁺ fra NADH, og tillater derved glykolyse å fortsette "oppstrøms" ved å levere en kritisk kilde til NAD⁺.

Denne prosessen er kjent som melkesyregjæring.

De aerobe fasene av cellulær respirasjon som finner sted i mitokondrier kalles Krebs sykler og elektrontransportkjede, og disse forekommer i den rekkefølgen. De Krebs sykler (ofte kalt sitronsyresyklusen eller trikarboksylsyresyklusen) utfolder seg midt i mitokondriene, mens elektrontransportkjede tar plass på membranen til mitokondriene som danner sin grense med cytoplasmaet.

Nettoreaksjonen av cellulær respirasjon, inkludert glykolyse, er:

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + 38 ATP

Krebs-syklusen tilfører 2 ATP, og elektrontransportkjeden er hele 34 ATP for totalt 38 ATP per molekyl glukose fullstendig forbrukt (2 + 2 + 34) i de tre metabolske prosessene.