Wszystkie organizmy wykorzystują cząsteczkę zwaną glukoza i proces zwany glikoliza aby zaspokoić niektóre lub wszystkie ich potrzeby energetyczne. W przypadku jednokomórkowych organizmów prokariotycznych, takich jak bakterie, jest to jedyny dostępny proces generowania ATP (adenozynotrójfosforanu, „waluta energetyczna” komórek).
Organizmy eukariotyczne (zwierzęta, rośliny i grzyby) mają bardziej wyrafinowaną maszynerię komórkową i mogą uzyskać znacznie więcej z cząsteczki glukozy – w rzeczywistości ponad piętnaście razy więcej ATP. Dzieje się tak, ponieważ komórki te wykorzystują oddychanie komórkowe, które w całości składa się z glikolizy i oddychania tlenowego.
Reakcja obejmująca dekarboksylacja oksydacyjna w oddychaniu komórkowym zwanym reakcja mostkowa służy jako centrum przetwarzania między ściśle beztlenowymi reakcjami glikolizy a dwoma etapami oddychania tlenowego zachodzącymi w mitochondriach. Ten etap pomostowy, bardziej formalnie nazywany utlenianiem pirogronianu, jest zatem niezbędny.
Zbliżanie się do mostu: glikoliza
W glikolizie seria dziesięciu reakcji w cytoplazmie komórki przekształca sześciowęglową cząsteczkę cukru glukoza na dwie cząsteczki pirogronianu, związek trzywęglowy, wytwarzając w sumie dwa ATP molekuły. W pierwszej części glikolizy, zwanej fazą inwestycji, dwa ATP są faktycznie potrzebne do poruszania reakcji podczas gdy w drugiej części, faza powrotna, jest to z nawiązką kompensowane przez syntezę czterech ATP molekuły.
Faza inwestycji: Glukoza ma przyłączoną grupę fosforanową, a następnie jest przekształcana w cząsteczkę fruktozy. Ta cząsteczka z kolei ma dodaną grupę fosforanową, w wyniku czego powstaje podwójnie fosforylowana cząsteczka fruktozy. Ta cząsteczka jest następnie dzielona i staje się dwiema identycznymi trójwęglowymi cząsteczkami, każda z własną grupą fosforanową.
Faza powrotu: Każda z dwóch trójwęglowych cząsteczek ma ten sam los: ma przyłączoną inną grupę fosforanową, a każda z nich z nich jest używany do wytwarzania ATP z ADP (adenozynodifosforanu) podczas przekształcenia w pirogronian cząsteczka. Ta faza generuje również cząsteczkę NADH z cząsteczki NAD+.
Wydajność energetyczna netto wynosi zatem 2 ATP na glukozę.
Reakcja mostowa
Reakcja mostkowa, zwana także reakcja przejściowa, składa się z dwóch kroków. Pierwszym z nich jest dekarboksylacja pirogronianu, a drugim jest przyłączenie tego, co pozostało, do cząsteczki zwanej koenzym A.
Koniec cząsteczki pirogronianu to węgiel podwójnie związany z atomem tlenu i pojedynczy z grupą hydroksylową (-OH). W praktyce atom H w grupie hydroksylowej jest oddzielony od atomu O, więc ta część pirogronianu może być uważana za zawierającą jeden atom C i dwa atomy O. W dekarboksylacji usuwa się go jako CO2, lub dwutlenek węgla.
Następnie pozostałość cząsteczki pirogronianu, zwana grupą acetylową i mającą wzór CH3C(=O), przyłącza się do koenzymu A w miejscu wcześniej zajmowanym przez grupę karboksylową pirogronianu. W procesie NAD+ redukuje się do NADH. Na cząsteczkę glukozy reakcja mostkowa to:
2 CH3C(=O)C(O)O- + 2 CoA + 2 NAD+ → 2 CH3C(=O)CoA + 2 NADH
Po moście: oddychanie aerobowe
Cykl Krebsa: Lokalizacja cyklu Krebsa znajduje się w macierzy mitochondrialnej (materiał wewnątrz błon). Tutaj acetylo-CoA łączy się z czterowęglową cząsteczką zwaną szczawiooctanem, tworząc sześciowęglową cząsteczkę cytrynian. Ta cząsteczka jest redukowana z powrotem do szczawiooctanu w serii etapów, rozpoczynając cykl od nowa.
Wynik to 2 ATP wraz z 8 NADH i 2 FADH2 (nośniki elektronów) do następnego kroku.
Łańcuch transportu elektronów: Reakcje te zachodzą wzdłuż wewnętrznej błony mitochondrialnej, w której osadzone są cztery wyspecjalizowane grupy koenzymów, zwane kompleksami od I do IV. Wykorzystują one energię w elektronach NADH i FADH2 do napędzania syntezy ATP, przy czym ostatecznym akceptorem elektronów jest tlen.
Wynik wynosi od 32 do 34 ATP, co daje całkowitą wydajność energetyczną oddychania komórkowego na poziomie 36 do 38 ATP na cząsteczkę glukozy.