Jakie jest główne źródło energii komórkowej?

Prawdopodobnie zrozumiałeś, odkąd byłeś młody, że jedzenie, które jesz, musi stać się „czymś” znacznie mniejszym niż to jedzenie, aby wszystko, co jest „w” jedzeniu, mogło pomóc twojemu ciału. Jak to się dzieje, a dokładniej pojedyncza cząsteczka typu węglowodan sklasyfikowany jako cukier jest ostatecznym źródłem paliwa w każdej reakcji metabolicznej zachodzącej w dowolnej komórce w dowolnym momencie.

Ta cząsteczka jest glukoza, sześciowęglowa cząsteczka w formie kolczastego pierścienia. We wszystkich komórkach wchodzi w glikoliza, a w bardziej złożonych komórkach uczestniczy również w fermentacja, fotosynteza i oddychania komórkowego w różnym stopniu w różnych organizmach.

Ale inny sposób odpowiedzi na pytanie „Która cząsteczka jest wykorzystywana przez komórki jako źródło energii?” interpretuje to jako „Jaka cząsteczka bezpośrednio zasila własne procesy komórki?”

Ta „zasilająca” cząsteczka, która podobnie jak glukoza jest aktywna we wszystkich komórkach, to: ATP

Odpowiedź na to pytanie jest podobna do zrozumienia różnicy między powiedzeniem „Ludzie czerpią paliwa kopalne z ziemi” a „Ludzie czerpią paliwa kopalne paliwo energii z elektrowni węglowych”. Oba stwierdzenia są prawdziwe, ale odnoszą się do różnych etapów metabolicznego łańcucha przemiany energii reakcje. W żywych istotach glukoza jest podstawą odżywka, ale ATP to podstawa paliwo.

Wszystkie żywe istoty należą do jednej z dwóch szerokich kategorii: prokariontów i eukariontów. Prokariota to jednokomórkowe organizmy taksonomiczne domeny Bakterie i Archaea, podczas gdy wszystkie eukarionty należą do domeny Eukariota, która obejmuje zwierzęta, rośliny, grzyby i protisty.

Prokarionty są małe i proste w porównaniu do eukariontów; ich komórki są odpowiednio mniej złożone. W większości przypadków komórka prokariotyczna jest tym samym, co organizm prokariotyczny, a potrzeby energetyczne bakterii są znacznie niższe niż jakiejkolwiek komórki eukariotycznej.

Komórki prokariotyczne mają te same cztery składniki, które znajdują się we wszystkich komórkach w naturalnym świecie: DNA, błonę komórkową, cytoplazmę i rybosomy. Ich cytoplazma zawiera wszystkie enzymy potrzebne do glikolizy, ale brak mitochondriów i chloroplastów oznacza, że ​​glikoliza jest tak naprawdę jedyną ścieżką metaboliczną dostępną dla prokariotów.

Przeczytaj więcej o podobieństwach i różnicach między komórkami prokariotycznymi i eukariotycznymi.

Glukoza to sześciowęglowy cukier w postaci pierścienia, reprezentowanego na diagramach przez sześciokątny kształt. Jego wzór chemiczny to C₆H₁₂O₆, co daje stosunek C/H/O 1:2:1; to prawda, w rzeczywistości, lub wszystkie biomolekuły klasyfikowane jako węglowodany.

Glukoza jest uważana za monosacharyd, co oznacza, że ​​nie można go zredukować do różnych, mniejszych cukrów poprzez zerwanie wiązań wodorowych między różnymi składnikami. Fruktoza to kolejny monosacharyd; sacharoza (cukier stołowy), która powstaje z połączenia glukozy i fruktozy, jest uważana za disacharyd.

Glukoza jest również nazywana „cukrem we krwi”, ponieważ jest to związek, którego stężenie jest mierzone we krwi, gdy klinika lub laboratorium szpitalne określa stan metaboliczny pacjenta. Może być podawany bezpośrednio do krwi w roztworach dożylnych, ponieważ nie wymaga rozpadu przed dostaniem się do komórek organizmu.

ATP jest nukleotyd, co oznacza, że ​​składa się z jednej z pięciu różnych zasad azotowych, pięciowęglowego cukru zwanego rybozą i jednej do trzech grup fosforanowych. Zasady w nukleotydach mogą być albo adeniną (A), cytozyną (C), guaniną (G), tyminą (T) lub uracylem (U). Nukleotydy są budulcem kwasu nukleinowego DNA i RNA; A, C i G znajdują się w obu kwasach nukleinowych, podczas gdy T występuje tylko w DNA, a U tylko w RNA.

„TP” w ATP, jak widzieliście, oznacza „trifosforan” i wskazuje, że ATP ma maksymalną liczbę grup fosforanowych, jaką może mieć nukleotyd – trzy. Większość ATP powstaje przez przyłączenie grupy fosforanowej do ADP lub difosforanu adenozyny, proces znany jako fosforylacja.

ATP i jego pochodne mają szeroki zakres zastosowań w biochemii i medycynie, z których wiele znajduje się w fazie badawczej, gdy XXI wiek zbliża się do trzeciej dekady.

Uwalnianie energii z pożywienia polega na rozrywaniu wiązań chemicznych w składnikach pożywienia i wykorzystaniu tej energii do syntezy cząsteczek ATP. Na przykład wszystkie węglowodany utleniony w końcu do dwutlenku węgla (CO₂) i wody (H₂O). Tłuszcze są również utleniane, a ich łańcuchy kwasów tłuszczowych wytwarzają cząsteczki octanu, które następnie wchodzą do oddychania tlenowego w mitochondriach eukariotycznych.

Produkty rozpadu białek są bogate w azot i są wykorzystywane do budowy innych białek i kwasów nukleinowych. Ale niektóre z 20 aminokwasów, z których zbudowane są białka, mogą zostać zmodyfikowane i wejść do metabolizmu komórkowego na poziomie oddychania komórkowego (np. po glikolizie)

Streszczenie:Bezpośrednio wytwarza glikoliza 2 ATP dla każdej cząsteczki glukozy; dostarcza pirogronian i nośniki elektronów do dalszych procesów metabolicznych.

Glikoliza to seria dziesięciu reakcji, w których cząsteczka glukozy jest przekształcana w dwie cząsteczki trójwęglowej cząsteczki pirogronianu, dając po drodze 2 ATP. Składa się z wczesnej fazy „inwestycji”, w której 2 ATP są wykorzystywane do przyłączenia grup fosforanowych do przesuwającej się cząsteczki glukozy, oraz późniejszej fazy „powrotu” w pochodna glukozy, po rozszczepieniu na parę trójwęglowych związków pośrednich, daje 2 ATP na związki trójwęglowe, a to 4 ogólnie.

Oznacza to, że efektem netto glikolizy jest wytworzenie 2 ATP na cząsteczkę glukozy, ponieważ 2 ATP są zużywane w fazie inwestycji, ale łącznie 4 ATP są wytwarzane w fazie wypłaty.

Przeczytaj więcej o glikolizie.

Streszczenie:Fermentacja uzupełnia NAD⁺ do glikolizy; nie wytwarza bezpośrednio ATP.

Gdy występuje niewystarczająca ilość tlenu, aby zaspokoić zapotrzebowanie na energię, na przykład podczas bardzo intensywnego biegania lub intensywnego podnoszenia ciężarów, glikoliza może być jedynym dostępnym procesem metabolicznym. Tutaj pojawia się „oparzenie kwasem mlekowym”, o którym mogłeś słyszeć. Jeśli pirogronian nie może wejść w oddychanie tlenowe, jak opisano poniżej, jest przekształcany w mleczan, który sam nie robi wiele dobrego, ale zapewnia kontynuację glikolizy poprzez dostarczenie kluczowej cząsteczki pośredniej zwany NAD⁺.

Streszczenie:Cykl Krebsa produkuje 1 ATP na obrót cyklu (a więc 2 ATP na glukozę „w górę”, ponieważ 2 pirogroniany mogą wytworzyć 2 acetylo-CoA).

W normalnych warunkach odpowiedniego tlenu prawie cały pirogronian wytwarzany w glikolizie u eukariontów przemieszcza się z cytoplazma w organelle („małe narządy”) znane jako mitochondria, gdzie przekształca się w dwuwęglową cząsteczkę acetylokoenzym A (acetylo-CoA) poprzez odpędzanie i uwalnianie CO₂. Ta cząsteczka łączy się z czterowęglową cząsteczką zwaną szczawiooctanem, tworząc cytrynian, pierwszy etap tak zwanego cyklu TCA lub cyklu kwasu cytrynowego.

To „koło” reakcji ostatecznie zredukowało cytrynian z powrotem do szczawiooctanu, a po drodze generowany jest pojedynczy ATP wraz z czterema tak zwanymi nośnikami elektronów o wysokiej energii (NADH i FADH₂).

Streszczenie:Łańcuch transportu elektronów daje około 32 do 34 ATP na "upstream" cząsteczkę glukozy, co czyni ją zdecydowanie największym wkładem w energię komórkową u eukariontów.

Nośniki elektronów z cyklu Krebsa przemieszczają się z wnętrza mitochondriów do wewnętrznej błony organelli, w której znajdują się wszelkiego rodzaju wyspecjalizowane enzymy zwane cytochromami gotowe do działania. Krótko mówiąc, kiedy elektrony w postaci atomów wodoru są usuwane ze swoich nośników, napędza to fosforylację cząsteczek ADP do dużej ilości ATP.

Tlen musi być obecny jako końcowy akceptor elektronów w kaskadzie zachodzącej w poprzek błony, aby ten łańcuch reakcji mógł zajść. Jeśli tak nie jest, proces oddychania komórkowego „cofa się”, a cykl Krebsa również nie może wystąpić.