Cum se metabolizează glucoza pentru a produce ATP

Glucoza, un zahăr cu șase atomi de carbon, este „intrarea” fundamentală în ecuația care alimentează toată viața. Energia din exterior este, prin unele mijloace, convertită în energie pentru celulă. Fiecare organism viu, de la cel mai bun prieten al tău până la cea mai joasă bacterie, are celule care ard glucoză pentru combustibil la nivelul metabolismului rădăcinii.

Organismele diferă în măsura în care celulele lor pot extrage energie din glucoză. În toate celulele, această energie este sub formă de adenozin trifosfat (ATP).

Prin urmare, un lucru toate celulele vii au în comun faptul că metabolizează glucoza pentru a produce ATP. O anumită moleculă de glucoză care pătrunde într-o celulă ar fi putut începe ca o cină de friptură, ca pradă a unui animal sălbatic, ca materie vegetală sau ca altceva.

Indiferent, diverse procese digestive și biochimice au descompus toate moleculele multi-carbon din indiferent de substanțele pe care organismul le ingerează pentru hrana zahărului monozaharid care intră în celulele metabolice căi.

Chimic, glucoză este un hexoză zahăr, hex fiind prefixul grecesc pentru „șase”, numărul de atomi de carbon din glucoză. Formula sa moleculară este C₆H₁₂O₆, conferindu-i o greutate moleculară de 180 de grame pe mol.

Glucoza este, de asemenea, o monozaharidă în care este este un zahăr care include o singură unitate fundamentală sau monomer.Fructoză este un alt exemplu de monozaharidă, în timp ce zaharozăsau zahăr de masă (fructoză plus glucoză), lactoză (glucoză plus galactoză) și maltoză (glucoza plus glucoza) sunt dizaharide.

Rețineți că raportul dintre atomii de carbon, hidrogen și oxigen din glucoză este 1: 2: 1. De fapt, toți carbohidrații prezintă același raport, iar formulele lor moleculare sunt toate de forma C_nH_2nO_n.

ATP este un nucleozidă, în acest caz adenozină, cu trei grupe fosfat atașate la aceasta. Acest lucru îl face de fapt un nucleotidă, deoarece un nucleozid este un pentoză zahăr (fie riboză sau dezoxiriboză) combinat cu o bază azotată (adică, adenină, citozină, guanină, timină sau uracil), în timp ce o nucleotidă este o nucleozidă cu una sau mai multe grupări fosfat atașate. Dar, deoparte, terminologia, este important să știți ATP este că conține adenină, riboză și un lanț de trei grupări fosfat (P).

ATP se face prin intermediul fosforilarea de adenozin difosfat (ADP)și invers, când legătura fosfat terminală în ATP este hidrolizat, ADP și P_eu (fosfatul anorganic) sunt produsele. ATP este considerat „moneda energetică” a celulelor, deoarece această moleculă extraordinară este utilizată pentru a alimenta aproape fiecare proces metabolic.

Respirație celulară este ansamblul căilor metabolice din organismele eucariote care transformă glucoza în ATP și dioxid de carbon în prezență de oxigen, emanând apă și producând o bogăție de ATP (36 până la 38 de molecule pe moleculă de glucoză investită) în proces.

Formula chimică echilibrată pentru reacția netă generală, excluzând purtătorii de electroni și moleculele de energie, este:

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O

Respirația celulară include de fapt trei căi distincte și secvențiale:

• Glicoliza, care apare în toate celulele și are loc în citoplasmă și este întotdeauna primul pas al metabolismului glucozei (și în majoritatea procariotelor, de asemenea, ultimul pas).
  
• Ciclul Krebs, numit și ciclul acidului tricarboxilic (TCA) sau ciclul acidului citric, care se desfășoară în matricea mitocondrială.
• lanțul de transport al electronilor, care are loc pe membrana mitocondrială internă și generează cea mai mare parte a ATP produsă în respirația celulară.

Ultimele două dintre aceste etape sunt dependente de oxigen și formează împreună respirație aerobică. Cu toate acestea, adesea, în discuțiile despre metabolismul eucariot, glicoliza, deși nu depinde de oxigen, este considerată a fi parte "respirație aerobică„pentru că aproape toate produsele sale principale, piruvat, continuă să intre în celelalte două căi.

În glicoliză, glucoza este transformată într-o serie de 10 reacții în molecula piruvat, cu a câștig net de două molecule de ATP și două molecule ale „purtătorului de electroni” nicotinamidă adenină dinucleotidă (NADH). Pentru fiecare moleculă de glucoză care intră în proces, se produc două molecule de piruvat, deoarece piruvatul are trei atomi de carbon la cei șase ai glucozei.

În primul pas, glucoza este fosforilată pentru a deveni glucoză-6-fosfat (G6P). Acest lucru determină glucoza să fie metabolizată mai degrabă decât să se deplaseze înapoi prin membrana celulara, deoarece grupul fosfat conferă G6P o sarcină negativă. În următorii pași, molecula este rearanjată într-un derivat diferit de zahăr și apoi fosforilată a doua oară pentru a deveni fructoză-1,6-bifosfat.

Aceste etape timpurii ale glicolizei necesită o investiție de două ATP, deoarece aceasta este sursa grupărilor fosfat în reacțiile de fosforilare.

Fructoza-1,6-bisfosfatul se împarte în două molecule diferite de trei carbon, fiecare având propriul grup fosfat; aproape toate dintre acestea, se transformă rapid în celălalt, gliceraldehidă-3-fosfat (G3P). Astfel, din acest moment înainte, totul este duplicat, deoarece există două G3P pentru fiecare glucoză „în amonte”.

Din acest moment, G3P este fosforilat într-o etapă care produce și NADH din forma oxidată NAD +, iar apoi cele două grupări fosfat sunt renunțat la moleculele ADP în etapele ulterioare de rearanjare pentru a produce două molecule ATP împreună cu produsul final de carbon al glicolizei, piruvat.

Deoarece acest lucru se întâmplă de două ori pe moleculă de glucoză, a doua jumătate a glicolizei produce patru ATP pentru o net câștig din glicoliză a două ATP (deoarece două au fost necesare la începutul procesului) și două NADH.

În reacție pregătitoare, după ce piruvatul generat în glicoliză își găsește drumul din citoplasmă în matricea mitocondrială, este transformat mai întâi în acetat (CH₃COOH-) și CO₂ (un produs rezidual în acest scenariu) și apoi la un compus numit acetil coenzima A, sau acetil CoA. În această reacție, se generează un NADH. Aceasta stabilește scena pentru ciclul Krebs.

Această serie de opt reacții este numită astfel deoarece unul dintre reactanții din primul pas, oxaloacetat, este, de asemenea, produsul din ultimul pas. Sarcina ciclului Krebs este cea a unui furnizor, mai degrabă decât a unui producător: generează doar două ATP pe moleculă de glucoză, dar contribuie cu încă șase NADH și două din FADH.₂, un alt purtător de electroni și o rudă apropiată a NADH.

(Rețineți că acest lucru înseamnă un ATP, trei NADH și un FADH₂pe rândul ciclului. Pentru fiecare glucoză care intră în glicoliză, două molecule de acetil CoA intră în ciclul Krebs.)

Pe bază de glucoză, valoarea energetică până în acest punct este de patru ATP (două din glicoliză și două din Krebs ciclu), 10 NADH (două din glicoliză, două din reacția pregătitoare și șase din ciclul Krebs) și două FADH₂ din ciclul Krebs. În timp ce compușii de carbon din ciclul Krebs continuă să se rotească în amonte, purtătorii de electroni se deplasează de la matricea mitocondrială la membrana mitocondrială.

Când NADH și FADH₂ își eliberează electronii, aceștia sunt folosiți pentru a crea un gradient electrochimic de-a lungul membranei mitocondriale. Acest gradient este utilizat pentru a alimenta atașarea grupelor fosfat la ADP pentru a crea ATP într-un proces numit fosforilarea oxidativă, denumit astfel pentru că acceptorul final al electronilor în cascadă de la purtătorul de electroni la purtătorul de electroni din lanț este oxigenul (O₂).

Deoarece fiecare NADH produce trei ATP și fiecare FADH₂ produce doi ATP în fosforilare oxidativă, acest lucru adaugă (10) (3) + (2) (2) = 34 ATP la amestec. Prin urmare o moleculă de glucoză poate produce până la 38 ATP în organisme eucariote.