Co się dzieje, gdy glukoza dostanie się do komórki?

Glukoza jest ostateczne źródło paliwa komórkowego dla wszystkich żywych istot, z energią w jej wiązaniach chemicznych, która jest wykorzystywana do syntezy adenozynotrifosforan (ATP) na różne wzajemnie powiązane i współzależne sposoby. Kiedy cząsteczka tego sześciowęglowego (tj. heksozy) cukru przechodzi przez błonę komórkową komórki z zewnątrz, aby dostać się do cytoplazmy, natychmiast fosforylowany – to znaczy grupa fosforanowa, która przenosi ujemny ładunek elektryczny, jest przyłączona do części cząsteczki glukozy. Skutkuje to ujemnym ładunkiem netto tego, co następnie stało się a glukozo-6-fosforan cząsteczka, która uniemożliwia jej opuszczenie komórki.

Prokariota, które obejmują domeny bakterii i archeonów, nie mają organelli związanych z błoną, w tym mitochondria to w eukarionty gospodarzem cyklu Krebsa i zależnego od tlenu łańcucha transportu elektronów. W rezultacie prokariota nie uczestniczą w oddychaniu tlenowym („z tlenem”), zamiast tego czerpią prawie całą swoją energię z glikolizy, procesu beztlenowego, który działa również przed oddychaniem tlenowym zachodzącym w komórkach eukariotycznych.

Ponieważ glukoza jest jedną z najważniejszych cząsteczek w biochemii i jest punktem wyjścia prawdopodobnie najważniejszego zestawu reakcje w annałach życia na planecie Ziemia, krótkie omówienie struktury i zachowania tej molekuły znajduje się w zamówienie.

Znany również jako glukoza (zwykle w odniesieniu do systemów niebiologicznych, takich jak glukoza z kukurydzy) i cukier we krwi (w odniesieniu do układów biologicznych, np. w kontekście medycznym), glukoza jest sześciowęglową cząsteczką o wzorze chemicznym do₆H₁₂O₆. W ludzkiej krwi normalne stężenie glukozy wynosi około 100 mg/dl. 100 mg to jedna dziesiąta grama, a dL to jedna dziesiąta litra; przekłada się to na gram na litr, a ponieważ przeciętna osoba ma około 4 litry krwi, większość ludzie mają w swoim krwiobiegu około 4 g glukozy w dowolnym momencie – tylko około jednej siódmej an uncja.

Pięć z sześciu atomów węgla (C) w glukozie znajduje się w pierścień sześcioatomowy forma, że ​​cząsteczka zajmuje 99,98 procent czasu w naturze. Szósty atom pierścienia to tlen (O), przy czym szósty C jest przyłączony do jednego z pierścieni Cs jako część hydroksymetyl (-CH₂O) Grupa. To właśnie na grupie hydroksylowej (-OH) fosforan nieorganiczny (Pi) jest przyłączany podczas procesu fosforylacji, który zatrzymuje cząsteczkę w cytoplazmie komórki.

Prokariota są małe (w przeważającej większości są jednokomórkowe) i proste (jedna komórka, którą większość z nich ma, nie ma jądra i innych organelli związanych z błoną). To może sprawić, że nie będą tak eleganckie i interesujące pod wieloma względami jak eukarionty, ale także sprawi, że ich zapotrzebowanie na paliwo będzie stosunkowo niskie.

Zarówno u prokariontów, jak i eukariontów glikoliza jest pierwszym etapem metabolizmu glukozy. Fosforylacja glukozy po jej wejściu do komórki przez dyfuzję przez błonę plazmatyczną jest pierwszym etapem glikolizy, który jest szczegółowo opisany w kolejnej sekcji.

• Niektóre bakterie mogą metabolizować cukry inne niż lub oprócz glukozy, takie jak sacharoza, laktoza lub maltoza. Te cukry są disacharydami, co pochodzi od greckiego słowa „dwa cukry”. Zawierają monomer glukozy, taki jak fruktoza, monosacharyd, jako jedną z ich dwóch podjednostek.

Pod koniec glikolizy cząsteczka glukozy została wykorzystana do wygenerowania dwóch trójwęglowych cząsteczek pirogronianu, dwóch cząsteczek wysokoenergetycznego nośnika elektronów dinukleotydu nikotynamidoadeninowego (NADH) oraz zysk netto dwóch cząsteczek ATP.

W tym momencie u prokariontów pirogronian zwykle przechodzi fermentację, proces beztlenowy z wieloma różnymi odmianami, które zostaną wkrótce zbadane. Ale niektóre bakterie wyewoluowały w pewnym stopniu zdolność do wykonywania oddychania tlenowego i są nazywane fakultatywne beztlenowce. Bakterie, które mogą czerpać energię tylko z glikolizy, nazywane są beztlenowe beztlenowce,, a wiele z nich jest faktycznie zabijanych przez tlen. Ograniczona liczba bakterii jest nawet obowiązkowe aeroby, co oznacza, że ​​podobnie jak ty mają absolutne zapotrzebowanie na tlen. Biorąc pod uwagę, że bakterie miały około 3,5 miliarda lat na przystosowanie się do wymagań zmian na Ziemi w środowisku, nie powinno dziwić, że mają one szereg podstawowych zasad przetrwania metabolicznego strategie.

Glikoliza zawiera 10 reakcje, co jest ładną, okrągłą liczbą, ale niekoniecznie musisz zapamiętywać wszystkie produkty, półprodukty i enzymy we wszystkich tych krokach. Zamiast tego, chociaż niektóre z tych drobiazgów są zabawne i przydatne do poznania, ważniejsze jest uzyskanie wyczucia co dzieje się ogólnie w glikolizie i dlaczego tak się dzieje (zarówno w zakresie fizyki podstawowej, jak i potrzeb komórki).

Glikoliza jest wychwytywana w następującej reakcji, która jest sumą jej 10 poszczególnych reakcji:

do₆H₁₂O₆ → 2 C₃H₄O₃ + 2 ATP + 2 NADH

Mówiąc prościej, w glikolizie pojedyncza cząsteczka glukozy jest rozbijana na dwie cząsteczki pirogronianu, a po drodze powstaje kilka cząsteczek paliwa i para cząsteczek „wstępnego paliwa”. ATP jest prawie uniwersalną walutą dla energii w procesach komórkowych, podczas gdy NADH, zredukowana forma NAD+ lub dinukleotyd nikotynamidoadeninowy, działa jako nośnik elektronów o wysokiej energii, który ostatecznie przekazuje te elektrony, w postaci jonów wodorowych (H+), cząsteczkom tlenu na końcu z łańcuch transportu elektronów w metabolizm tlenowy, co skutkuje znacznie większą ilością ATP niż sama glikoliza może dostarczyć.

Fosforylacja glukozy po jej wejściu do cytoplazmy powoduje powstanie glukozo-6-fosforanu (G-6-P). Fosfor pochodzi z ATP i jego włączenie do liści glukozy difosforan adenozyny (ADP) z tyłu. Jak zauważono, to zatrzymuje glukozę w komórce.

Następnie G-6-P jest konwertowane na fruktozo-6-fosforan (F-6-P). To jest izomeryzacja reakcji, ponieważ reagent i produkt są względem siebie izomerami – cząsteczkami o tej samej liczbie każdego typu atomu, ale o różnych układach przestrzennych. W tym przypadku pierścień fruktozy ma tylko pięć atomów. Enzym odpowiedzialny za ten rodzaj żonglowania atomami nazywa się izomeraza fosfoglukozy. (Większość nazw enzymów, choć często nieporęczna, przynajmniej ma sens.)

W trzeciej reakcji glikolizy F-6-P przekształca się w fruktozo-1,6-bisfosforan (F-1,6-BP). W tym etapie fosforylacji fosforan ponownie pochodzi z ATP, ale tym razem jest dodawany do innego atomu węgla. Odpowiedzialnym enzymem jest fosfofruktokinaza (PFK).

• W wielu reakcjach fosforylacji grupy fosforanowe są dodawane do wolnego końca istniejącej grupy fosforanowej, ale nie w tym przypadku – stąd „_bis_fosforan” zamiast „_di_fosforan”.

W czwartej reakcji glikolizy cząsteczka F-1,6-BP, dość niestabilna dzięki podwójnej dawce grup fosforanowych, zostaje rozszczepiona przez enzym aldolaza do trójwęglowych, pojedynczych cząsteczek przenoszących grupy fosforanowe 3-fosforan aldehydu glicerynowego (przerwa) i fosforan dihydroksyacetonu (DHAP). Są to izomery, a DHAP jest szybko przekształcany w GAP w piątym etapie glikolizy za pomocą wypychania enzymu izomeraza fosforanu triozy (TIM).

Na tym etapie pierwotna cząsteczka glukozy stała się dwiema identycznymi trójwęglowymi, pojedynczo fosforylowanymi cząsteczkami, kosztem dwóch ATP. Od tego momentu każda opisana reakcja glikolizy zachodzi dwukrotnie dla każdej cząsteczki glukozy przechodzącej glikolizę.

W szóstej reakcji glikolizy GAP przekształca się w 1,3-bisfosfoglicerynian (1,3-BPG) pod wpływem dehydrogenaza 3-fosforanu aldehydu glicerynowego. Enzymy dehydrogenazy usuwają atomy wodoru (tj. protony). Wodór uwolniony z GAP przyłącza się do cząsteczki NAD+, dając NADH. Ponieważ początkowa cząsteczka glukozy w górę dała początek dwa cząsteczki GAP, po tej reakcji, dwa powstały cząsteczki NADH.

W siódmej reakcji glikolizy jedna z reakcji fosforylacji wczesnej glikolizy zostaje w efekcie odwrócona. Kiedy enzym kinaza fosfoglicerynianowa usuwa grupę fosforanową z 1,3-BPG, wynikiem jest 3-fosfoglicerynian (3-PG). Fosforany, które zostały usunięte z dwóch cząsteczek 1,3-BPG, są przyłączane do ADP, tworząc dwa ATP. Oznacza to, że dwa ATP „pożyczone” w kroku pierwszym i trzecim są „zwracane” w siódmej reakcji.

W kroku ósmym 3-PG jest konwertowane na 2-fosfoglicerynian (2-PG) przez mutaza fosfoglicerynianowa, który przenosi pozostałą grupę fosforanową na inny atom węgla. Mutaza różni się od izomerazy tym, że jest mniej ciężka w swoim działaniu; zamiast zmieniać strukturę cząsteczki, po prostu przesuwają jedną z jej grup bocznych w nowe miejsce, pozostawiając cały szkielet, pierścień itp. tak jak było.

W dziewiątej reakcji glikolizy 2-PG przekształca się w fosfoenolopirogronian (PEP) w ramach działania enolaza. Enol jest związkiem z podwójnym wiązaniem węgiel-węgiel, w którym jeden z atomów węgla jest również związany z grupą hydroksylową.

Wreszcie, dziesiąta i ostatnia reakcja glikolizy, PEP przekształca się w pirogronian dzięki enzymowi kinaza pirogronianowa. Grupy fosforanowe usunięte z dwóch PEP są przyłączone do cząsteczek ADP, dając dwa ATP i dwa pirogronian, których formuła jest ( C₃H₄O₃) lub (CH₃)CO(COOH). Tak więc wstępne, beztlenowe przetwarzanie pojedynczej cząsteczki glukozy daje dwie cząsteczki pirogronianu, dwie ATP i dwie cząsteczki NADH.

Pirogronian ostatecznie generowany przez wnikanie glukozy do komórek może obrać jedną z dwóch ścieżek. Jeśli komórka jest prokariotyczna lub jeśli komórka jest eukariotyczna, ale tymczasowo wymaga więcej paliwa niż samo oddychanie tlenowe (jak np. w komórkach mięśniowych podczas ciężkiego wysiłku fizycznego, takiego jak sprint czy podnoszenie ciężarów), pirogronian wchodzi w fermentację ścieżka. Jeśli komórka jest eukariotyczna i jej wymagania energetyczne są typowe, przemieszcza ona pirogronian do wnętrza mitochondriów i bierze udział w cykl Krebsa:

• Fermentacja: Fermentacja jest często używana zamiennie z „oddychaniem beztlenowym”, ale w rzeczywistości jest to mylące, ponieważ glikoliza, która poprzedza fermentację, jest również beztlenowa, chociaż ogólnie nie jest uważana za część oddychania na se.
• Fermentacja regeneruje NAD+ do zastosowania w glikolizie poprzez konwersję pirogronianu do mleczan. Całym celem tego jest umożliwienie kontynuowania glikolizy przy braku odpowiedniego tlenu; lokalny niedobór NAD+ ograniczyłby proces, nawet gdy obecne są odpowiednie ilości substratu.
• Oddychanie aerobowe: Obejmuje to cykl Krebsa i łańcuch transportu elektronów.
• Cykl Krebsa: Tutaj pirogronian jest przekształcany w acetylokoenzym A (acetyl CoA) i dwutlenek węgla (CO₂). Dwuwęglowy acetylo-CoA łączy się z czterowęglowym szczawiooctan aby utworzyć cytrynian, sześciowęglową cząsteczkę, która następnie przechodzi przez „koło” (cykl) sześciu reakcji, w wyniku których powstają dwa CO₂, jeden ATP, trzy NADH i jeden zredukowany dinukleotyd flawinoadeninowy (FADH₂).
• Łańcuch transportowy elektronów: Tutaj protony (H⁺ atomów) NADH i FADH_₂_ z cyklu Krebsa są wykorzystywane do tworzenia gradientu elektrochemicznego, który napędza syntezę 34 (około) cząsteczek ATP na wewnętrznej błonie mitochondrialnej. Tlen służy jako ostateczny akceptor elektronów, które „rozlewają się” od jednego związku do drugiego, zaczynając od łańcucha związków z glukozą.