Jaka jest rola glukozy w oddychaniu komórkowym?

Życie na Ziemi jest niezwykle zróżnicowane, od najmniejszych bakterii żyjących w kominach termicznych po okazałe, wielotonowe słonie, które zadomowiły się w Azji. Ale wszystkie organizmy (rzeczy żywe) mają kilka wspólnych cech, między innymi potrzebę molekuł, z których mogą czerpać energię. Proces pozyskiwania energii ze źródeł zewnętrznych do wzrostu, naprawy, konserwacji i reprodukcji jest znany jako metabolizm.

Wszystkie organizmy składają się z co najmniej jednego komórka (Twoje własne ciało zawiera biliony), który jest najmniejszym nieredukowalnym bytem, ​​który zawiera wszystkie właściwości przypisywane życiu przy użyciu konwencjonalnych definicji. Jedną z takich właściwości jest metabolizm, podobnie jak zdolność do replikacji lub w inny sposób reprodukcji. Każda komórka na planecie może i korzysta z glukoza, bez którego życie na Ziemi albo nigdy by nie powstało, albo wyglądałoby zupełnie inaczej.

Glukoza ma wzór C₆H₁₂O₆, co daje cząsteczce masę cząsteczkową 180 gramów na mol. (Wszystkie węglowodany mają wzór ogólny C

Glukoza w przyrodzie występuje w postaci sześcioatomowego pierścienia, przedstawianego w większości tekstów jako sześciokątny. Pięć atomów węgla jest zawartych w pierścieniu wraz z jednym z atomów tlenu, podczas gdy szósty atom węgla jest częścią grupy hydroksymetylowej (-CH₂OH) przyłączony do jednego z pozostałych węgli.

Aminokwasy, podobnie jak glukoza, są ważnymi monomerami w biochemii. Tak jak glikogen składa się z długich łańcuchów glukozy, białka są syntetyzowane z długich łańcuchów aminokwasów. Chociaż istnieje 20 różnych aminokwasów o wielu wspólnych cechach, glukoza występuje tylko w jednej postaci molekularnej. Tak więc skład glikogenu jest zasadniczo niezmienny, podczas gdy białka różnią się znacznie między sobą.

Metabolizm glukozy do energii w postaci adenozynotrójfosforanu (ATP) i CO₂ (dwutlenek węgla, produkt odpadowy w tym równaniu) jest znany jako oddychania komórkowego. Pierwszym z trzech podstawowych etapów oddychania komórkowego jest glikoliza, seria 10 reakcji, które nie wymagają tlenu, podczas gdy dwa ostatnie etapy to cykl Krebsa (znany również jako cykl kwasu cytrynowego) i łańcuch transportu elektronów, które wymagają tlenu. Razem te dwa ostatnie etapy są znane jako oddychanie aerobowe.

Oddychanie komórkowe zachodzi prawie w całości w eukarionty (zwierzęta, rośliny i grzyby). Prokariota (głównie domeny jednokomórkowe, które obejmują bakterie i archeony) czerpią energię z glukozy, ale praktycznie zawsze z samej glikolizy. Wynika z tego, że komórki prokariotyczne mogą generować tylko około jednej dziesiątej energii na cząsteczkę glukozy, tak jak komórki eukariotyczne, jak to opisano szczegółowo w dalszej części.

„Oddychanie komórkowe” i „oddychanie tlenowe” są często używane zamiennie przy omawianiu metabolizmu komórek eukariotycznych. Wiadomo, że glikoliza, chociaż jest procesem beztlenowym, prawie zawsze przechodzi do ostatnich dwóch etapów oddychania komórkowego. Niezależnie od tego, podsumowując rolę glukozy w oddychaniu komórkowym: bez niej oddychanie ustaje i następuje utrata życia.

Enzymy są białkami globularnymi, które działają jak katalizatory w reakcjach chemicznych. Oznacza to, że cząsteczki te pomagają przyspieszyć reakcje, które w przeciwnym razie nadal przebiegałyby bez enzymów, ale znacznie wolniej – czasami znacznie ponad tysiąc razy. Kiedy enzymy działają, nie zmieniają się same pod koniec reakcji, podczas gdy cząsteczki, na które działają, zwane substratami, są zmieniane zgodnie z projektem, z reagenty takie jak glukoza przekształcona w produkty takie jak CO₂.

Glukoza i ATP wykazują pewne podobieństwo chemiczne do siebie, ale wykorzystują energię zmagazynowaną w wiązaniach pierwsza cząsteczka do zasilania syntezy drugiej wymaga znacznych akrobacji biochemicznych w poprzek komórka. Niemal każda reakcja komórkowa jest katalizowana przez określony enzym, a większość enzymów jest specyficzna dla jednej reakcji i jej substratów. Glikoliza, cykl Krebsa i łańcuch transportu elektronów łącznie charakteryzują około dwudziestu reakcji i enzymów.

Gdy glukoza dostanie się do komórki poprzez dyfuzję przez błonę plazmatyczną, jest natychmiast przyłączana do grupy fosforanowej (P), lub fosforylowany. To zatrzymuje glukozę w komórce dzięki ujemnemu ładunkowi P. Ta reakcja, w wyniku której powstaje glukozo-6-fosforan (G6P), zachodzi pod wpływem enzymu heksokinaza. (Większość enzymów kończy się na „-aza”, co sprawia, że ​​dość łatwo jest zorientować się, kiedy masz do czynienia z jednym z nich w świecie biologii.)

Stamtąd G6P jest przekształcany w fosforylowany typ cukru fruktoza, a następnie dodawane jest kolejne P. Wkrótce potem sześciowęglowa cząsteczka zostaje podzielona na dwie trzywęglowe cząsteczki, każda z grupą fosforanową; te wkrótce układają się w tę samą substancję, gliceraldehydo-3-fosforan (G-3-P).

Każda cząsteczka G-3-P przechodzi szereg etapów przegrupowania, aby przekształcić się w trójwęglową cząsteczkę pirogronian, wytwarzając w tym procesie dwie cząsteczki ATP i jedną cząsteczkę wysokoenergetycznego nośnika elektronów NADH (zredukowanego z dinukleotydu nikotynamidoadeninowego lub NAD+).

Pierwsza połowa glikolizy zużywa 2 ATP w etapach fosforylacji, podczas gdy druga połowa daje łącznie 2 pirogronian, 2 NADH i 4 ATP. W zakresie bezpośredniej produkcji energii, glikoliza powoduje zatem 2 ATP na cząsteczkę glukozy. Dla większości prokariotów reprezentuje to efektywny pułap wykorzystania glukozy. U eukariontów pokaz oddychania glukozowo-komórkowego dopiero się rozpoczął.

Cząsteczki pirogronianu przemieszczają się następnie z cytoplazmy komórki do wnętrza organelli zwanych mitochondria, które są otoczone własną podwójną błoną plazmatyczną. Tutaj pirogronian dzieli się na CO₂ i octan (CH₃COOH-), a octan jest przechwytywany przez związek z klasy witamin B, zwany koenzymem A (CoA), aby stać się acetylo-CoA, ważny dwuwęglowy związek pośredni w szeregu reakcji komórkowych.

Aby wejść w cykl Krebsa, acetylo-CoA reaguje ze związkiem czterowęglowym szczawiooctan kształtować cytrynian. Ponieważ szczawiooctan jest ostatnią cząsteczką utworzoną w reakcji Krebsa, a także substratem w pierwszej reakcji, seria zyskuje określenie „cykl”. Cykl obejmuje w sumie osiem reakcji, które redukują sześciowęglowy cytrynian do cząsteczki pięciowęglowej, a następnie do serii czterowęglowych związków pośrednich przed ponownym dotarciem do szczawiooctan.

Każda cząsteczka pirogronianu wchodząca w cykl Krebsa powoduje wytworzenie dwóch dodatkowych CO more₂, 1 ATP, 3 NADH i jedna cząsteczka nośnika elektronów podobnego do NADH o nazwie dinukleotyd flawinoadeninowylub FADH₂.

• Cykl Krebsa może przebiegać tylko wtedy, gdy łańcuch transportu elektronów działa w dół, aby podnieść NADH i FADH₂ generuje. Tak więc, jeśli komórka nie ma dostępu do tlenu, cykl Krebsa zatrzymuje się.

NADH i FADH₂ przenieść się do wewnętrznej błony mitochondrialnej w tym procesie. Rolą łańcucha jest fosforylacja oksydacyjna cząsteczek ADP, aby stać się ATP. Atomy wodoru z nośników elektronów są wykorzystywane do tworzenia gradientu elektrochemicznego przez błonę mitochondrialną. Energia z tego gradientu, który w ostatecznym rozrachunku opiera się na tlenie, jest wykorzystywana do zasilania syntezy ATP.

Każda cząsteczka glukozy wnosi od 36 do 38 ATP poprzez oddychanie komórkowe: 2 w glikolizie, 2 w cyklu Krebsa i 32 do 34 (w zależności od sposobu pomiaru w laboratorium) w transporcie elektronów łańcuch.