Co wykonuje glikolizę?

Glikoliza jest procesem uniwersalnym wśród form życia na planecie Ziemia. Od najprostszych jednokomórkowych bakterii po największe wieloryby w morzu, wszystkie organizmy – a dokładniej każda z ich komórek – wykorzystują sześciowęglową cząsteczkę cukru glukoza jako źródło energii.

Glikoliza to zestaw 10 reakcji biochemicznych, który służy jako wstępny krok w kierunku całkowitego rozkładu glukozy. W wielu organizmach jest to również ostatni, a więc jedyny krok.

Glikoliza jest pierwszym z trzech etapów oddychania komórkowego w dziedzinie taksonomicznej (tj. klasyfikacji życia) Eukariota (lub eukarionty), które obejmują zwierzęta, rośliny, protisty i grzyby.

W domenach Bakterie i Archaea, które razem tworzą w większości jednokomórkowe organizmy zwane prokariota, glikoliza jest jedynym zjawiskiem metabolicznym w mieście, ponieważ ich komórkom brakuje maszynerii do przeprowadzenia oddychania komórkowego aż do jego zakończenia.

Pełna reakcja objęta poszczególnymi etapami glikolizy to:

do₆H₁₂O₆ + 2 NAD⁺ + 2 ADP + 2 P_ja → 2 CH₃(C=O)COOH + 2 ATP + 2 NADH + 4 H⁺ + 2 godz₂O

Słowem oznacza to, że glukoza, nośnik elektronów dinukleotyd nikotynamidoadeninowy, difosforan adenozyny i fosforan nieorganiczny (P_ja) łączą się tworząc pirogronian, adenozynotrifosforan, zredukowana forma dinukleotydu nikotynamidoadeninowego i jonów wodorowych (które można uznać za elektrony).

Zauważ, że tlen nie występuje w tym równaniu, ponieważ glikoliza może przebiegać bez O₂. Może to być powodem do nieporozumień, ponieważ glikoliza jest niezbędnym prekursorem segmentów tlenowych oddychanie komórkowe u eukariontów („aerobowe” oznacza „z tlenem”), często jest błędnie postrzegane jako tlenowe proces.

Glukoza jest węglowodanem, co oznacza, że ​​jej wzór zakłada stosunek dwóch atomów wodoru na każdy atom węgla i tlenu: C_nieH_2nO_nie. Jest to cukier, a konkretnie monosacharyd, co oznacza, że ​​nie można go podzielić na inne cukry, podobnie jak disacharydy sacharoza i galaktoza. Obejmuje on sześcioatomowy kształt pierścienia, z których pięć atomów to węgiel, a jeden to tlen.

Glukoza może być magazynowana w organizmie jako polimer zwany glikogen, czyli nic innego jak długie łańcuchy lub arkusze pojedynczych cząsteczek glukozy połączonych wiązaniami wodorowymi. Glikogen magazynowany jest głównie w wątrobie i mięśniach.

Sportowcy, którzy preferencyjnie wykorzystują określone mięśnie (np. maratończycy, którzy polegają na mięśniu czworogłowym i łydce mięśnie) dostosowują się poprzez trening do przechowywania niezwykle dużych ilości glukozy, często nazywanej „ładowaniem węglowodanów”.

Trójfosforan adenozyny (ATP) jest „walutą energetyczną” wszystkich żywych komórek. Oznacza to, że kiedy jedzenie jest spożywane i rozkładane na glukozę przed wejściem do komórek, ostatecznym celem metabolizmu glukozy jest: synteza ATP, proces napędzany energią uwalnianą podczas przemiany wiązań w glukozie i cząsteczkach w glikolizie i oddychanie aerobowe są rozbite.

ATP generowane w wyniku tych reakcji jest wykorzystywane do podstawowych, codziennych potrzeb organizmu, takich jak wzrost i naprawa tkanek oraz ćwiczenia fizyczne. Wraz ze wzrostem intensywności ćwiczeń organizm odchodzi od spalania tłuszczów lub trójglicerydów (poprzez utlenianie kwasów tłuszczowych) do spalania glukozy, ponieważ ten ostatni proces powoduje powstanie większej ilości ATP na cząsteczkę paliwo.

Praktycznie wszystkie reakcje biochemiczne opierają się na pomocy wyspecjalizowanych cząsteczek białkowych zwanych enzymy kontynuować.

Enzymy są katalizatory, co oznacza, że ​​przyspieszają reakcje – czasami milion lub więcej razy – bez zmiany w reakcji. Są one zwykle nazywane od cząsteczek, na które działają, i mają na końcu „-azę”, taką jak „izomeraza fosfoglukozy”, która przekształca atomy w glukozo-6-fosforanie do fruktozo-6-fosforanu.

(Izomery to związki zawierające te same atomy, ale różne struktury, analogiczne do anagramów w świecie słów.)

Większość enzymy w reakcjach ludzkich są zgodne z zasadą „jeden do jednego”, co oznacza, że ​​każdy enzym katalizuje określoną reakcję i odwrotnie, że każda reakcja może być katalizowana tylko przez jeden enzym. Ten poziom specyficzności pomaga komórkom ściśle regulować szybkość reakcji, a co za tym idzie, ilość różnych produktów wytwarzanych w komórce w dowolnym momencie.

Kiedy glukoza dostaje się do komórki, pierwszą rzeczą, która się dzieje, jest to, że jest fosforylowana – to znaczy, że cząsteczka fosforanu jest przyłączona do jednego z atomów węgla w glukozie. Nadaje to cząsteczce ładunek ujemny, skutecznie zatrzymując ją w komórce. To glukozo-6-fosforan jest następnie izomeryzowany, jak opisano powyżej, do fruktozo-6-fosforan, który następnie przechodzi kolejny etap fosforylacji, aby stać się fruktozo-1,6-bisfosforan.

Każdy z etapów fosforylacji obejmuje usunięcie fosforanu z ATP, pozostawiając difosforan adenozyny (ADP) za. Oznacza to, że chociaż celem glikolizy jest wytworzenie ATP do wykorzystania przez komórkę, wiąże się ona z „kosztem uruchomienia” wynoszącym 2 ATP na cząsteczkę glukozy wchodzącą w cykl.

Fruktozo-1,6-bisfosforan jest następnie dzielony na dwie trójwęglowe cząsteczki, z których każda ma dołączony własny fosforan. Jeden z tych, fosforan dihydroksyacetonu (DHAP), jest krótkotrwały, ponieważ szybko przekształca się w inny, 3-fosforan aldehydu glicerynowego. Tak więc od tego momentu każda wymieniona reakcja w rzeczywistości zachodzi dwukrotnie dla każdej cząsteczki glukozy wchodzącej w glikolizę.

3-fosforan gliceraldehydu jest przekształcany w 1,3-difosfoglicerynian przez dodanie fosforanu do cząsteczki. Zamiast być pochodną ATP, fosforan ten istnieje jako wolny lub nieorganiczny (tj. pozbawiony wiązania z węglem) fosforan. W tym samym czasie NAD⁺ jest konwertowany na NADH.

W kolejnych krokach dwa fosforany są usuwane z szeregu trójwęglowych cząsteczek i dołączane do ADP w celu wytworzenia ATP. Ponieważ dzieje się to dwa razy na oryginalną cząsteczkę glukozy, w tej fazie „wypłaty” powstają łącznie 4 ATP. Ponieważ faza „inwestycji” wymagała wprowadzenia 2 ATP, całkowity przyrost ATP na cząsteczkę glukozy wynosi 2 ATP.

Dla porównania, po 1,3-difosfoglicerynie cząsteczki w reakcji są 3-fosfoglicerynian, 3-fosfoglicerynian, fosfoenolopirogronian i w końcu pirogronian.

U eukariontów pirogronian może następnie przejść do jednej z dwóch ścieżek po glikolizie, w zależności od tego, czy obecna jest wystarczająca ilość tlenu, aby umożliwić kontynuowanie oddychania tlenowego. Jeśli tak jest, co zwykle ma miejsce, gdy organizm rodzicielski odpoczywa lub lekko ćwiczy, pirogronian jest transportowany z cytoplazmy, gdzie glikoliza zachodzi do organelli („małych organów”) nazywa mitochondria.

Jeśli komórka należy do prokariota lub bardzo pracowitego eukarionta – powiedzmy, człowieka, który biegnie prawie pół mili lub intensywnie podnosi ciężary – pirogronian przekształca się w mleczan. Podczas gdy w większości komórek sam mleczan nie może być wykorzystany jako paliwo, ta reakcja tworzy NAD⁺ z NADH, umożliwiając w ten sposób kontynuację glikolizy „w górę” poprzez dostarczanie krytycznego źródła NAD⁺.

Ten proces jest znany jako fermentacja kwasu mlekowego.

Aerobowe fazy oddychania komórkowego zachodzące w mitochondriach nazywane są are cykl Krebsa i łańcuch transportu elektronów, a te występują w tej kolejności. cykl Krebsa (często nazywany cyklem kwasu cytrynowego lub cyklem kwasu trikarboksylowego) rozwija się w środku mitochondriów, podczas gdy łańcuch transportu elektronów ma miejsce na błonie mitochondriów, która tworzy jej granicę z cytoplazmą.

Reakcja netto oddychania komórkowego, w tym glikolizy, to:

do₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 godz₂O + 38 ATP

Cykl Krebsa dodaje 2 ATP, a łańcuch transportu elektronów aż 34 ATP, co daje w sumie 38 ATP na cząsteczkę glukozy całkowicie zużytą (2 + 2 + 34) w trzech procesach metabolicznych.