Care este rolul glucozei în respirația celulară?

Viața pe Pământ este extraordinar de diversă, de la cele mai mici bacterii care trăiesc în orificiile termice până la elefanții impunători de mai multe tone care își fac casa în Asia. Dar toate organismele (viețuitoarele) au în comun o serie de caracteristici de bază, printre care nevoia de molecule din care să obțină energie. Procesul de extragere a energiei din surse externe pentru creștere, reparare, întreținere și reproducere este cunoscut sub numele de metabolism.

Toate organismele sunt formate din cel puțin unul celulă (propriul corp include trilioane), care este cea mai mică entitate ireductibilă care include toate proprietățile atribuite vieții folosind definiții convenționale. Metabolismul este una dintre aceste proprietăți, la fel și capacitatea de a reproduce sau de a reproduce în alt mod. Fiecare celulă de pe planetă poate și face uz de ele glucoză, fără de care viața pe Pământ fie nu ar fi apărut niciodată sau ar arăta foarte diferit.

Glucoza are formula C₆H₁₂O

Glucoza în natură există ca un inel cu șase atomi, descris ca fiind hexagonal în majoritatea textelor. Cinci dintre atomii de carbon sunt incluși în inel împreună cu unul dintre atomii de oxigen, în timp ce al șaselea atom de carbon face parte dintr-o grupare hidroximetil (-CH₂OH) atașat la unul dintre ceilalți atomi de carbon.

Aminoacizii, precum glucoza, sunt monomeri proeminenți în biochimie. Doar noi glicogen este asamblat din lanțuri lungi de glucoză, proteinele sunt sintetizate din lanțuri lungi de aminoacizi. În timp ce există 20 de aminoacizi distincti cu numeroase caracteristici comune, glucoza se prezintă sub o singură formă moleculară. Astfel, compoziția glicogenului este în esență invariantă, în timp ce proteinele variază foarte mult de la una la alta.

Metabolizarea glucozei pentru a produce energie sub formă de adenozin trifosfat (ATP) și CO₂ (dioxid de carbon, un produs rezidual în această ecuație) este cunoscut sub numele de respirație celulară. Prima dintre cele trei etape de bază ale respirației celulare este glicoliză, o serie de 10 reacții care nu necesită oxigen, în timp ce ultimele două etape sunt Ciclul Krebs (cunoscut și sub numele de ciclul acidului citric) si lanțul de transport al electronilor, care necesită oxigen. Împreună, aceste două ultime etape sunt cunoscute sub numele de respirație aerobică.

Respirația celulară are loc aproape în întregime în eucariote (animale, plante și ciuperci). Procariote (cele mai multe domenii unicelulare care includ bacterii și arhee) derivă energie din glucoză, dar practic întotdeauna numai din glicoliză. Implicația este că celulele procariote pot genera doar aproximativ o zecime din energia pe moleculă de glucoză, așa cum o pot face celulele eucariote, așa cum se detaliază mai târziu.

„Respirația celulară” și „respirația aerobă” sunt adesea folosite interschimbabil atunci când se discută despre metabolismul celulelor eucariote. Se înțelege că glicoliza, deși este un proces anaerob, procedează aproape invariabil la ultimele două etape de respirație celulară. Indiferent, pentru a rezuma rolul glucozei în respirația celulară: Fără ea, respirația se oprește și urmează pierderea vieții.

Enzime sunt proteine ​​globulare care acționează ca catalizatori în reacțiile chimice. Aceasta înseamnă că aceste molecule ajută la accelerarea reacțiilor care altfel ar continua fără enzime, dar mult mai încet - uneori cu un factor de peste o mie. Când enzimele acționează, ele nu se schimbă singure la sfârșitul reacției, în timp ce moleculele asupra cărora acționează, numite substraturi, sunt schimbate prin design, cu reactanți precum glucoza transformată în produse precum CO₂.

Glucoza și ATP au o asemănare chimică între ele, dar folosind energia stocată în legăturile fosta moleculă pentru a alimenta sinteza celei din urmă molecule necesită o acrobație biochimică considerabilă celula. Aproape fiecare reacție celulară este catalizată de o anumită enzimă, iar majoritatea enzimelor sunt specifice pentru o reacție și substraturile acesteia. Glicoliza, ciclul Krebs și lanțul de transport al electronilor, combinate, prezintă aproximativ două duzini de reacții și enzime.

Când glucoza intră într-o celulă prin difuzarea prin membrana plasmatică, aceasta este atașată imediat la o grupare fosfat (P) sau fosforilat. Aceasta captează glucoza din celulă datorită sarcinii negative a P. Această reacție, care produce glucoză-6-fosfat (G6P), are loc sub influența enzimei hexokinaza. (Majoritatea enzimelor se termină cu „-ază”, ceea ce face destul de ușor de știut când aveți de-a face cu unul din lumea biologiei.)

De acolo, G6P este rearanjat într-un tip de zahăr fosforilat fructoză, și apoi se adaugă un alt P. La scurt timp după aceea, molecula cu șase carbon este împărțită în două molecule cu trei carbon, fiecare cu o grupare fosfat; acestea se aranjează curând în aceeași substanță, gliceraldehidă-3-fosfat (G-3-P).

Fiecare moleculă de G-3-P trece printr-o serie de pași de rearanjare pentru a fi transformată în molocula cu trei carbon piruvat, producând două molecule de ATP și o moleculă de purtător de electroni cu energie ridicată NADH (redusă din nicotinamidă adenină dinucleotidă sau NAD +) în acest proces.

Prima jumătate a glicolizei consumă 2 ATP în etapele de fosforilare, în timp ce a doua jumătate produce un total de 2 piruvat, 2 NADH și 4 ATP. În ceea ce privește producția directă de energie, glicoliza rezultă astfel în 2 ATP pe moleculă de glucoză. Aceasta, pentru majoritatea procariotelor, reprezintă plafonul eficient al utilizării glucozei. În eucariote, spectacolul de respirație celulară glucoză a început doar.

Moleculele piruvatului se deplasează apoi din citoplasma celulei în interiorul organelor numite mitocondrii, care sunt închise de propria lor membrană plasmatică dublă. Aici, piruvatul este împărțit în CO₂ și acetat (CH₃COOH-), iar acetatul este apucat de un compus din clasa vitaminelor B numită coenzima A (CoA) pentru a deveni acetil CoA, un intermediar important cu doi carbon într-o serie de reacții celulare.

Pentru a intra în ciclul Krebs, acetil CoA reacționează cu compusul cu patru carboni oxaloacetat a forma citrat. Deoarece oxaloacetatul este ultima moleculă creată în reacția Krebs, precum și un substrat în prima reacție, seria câștigă descrierea „ciclu”. Ciclul include un total de opt reacții, care reduc citratul de șase carbon la o moleculă de cinci carbon și apoi la o serie de intermediari de patru carbon înainte de a ajunge din nou la oxaloacetat.

Fiecare moleculă de piruvat care intră în ciclul Krebs are ca rezultat producerea a încă două CO₂, 1 ATP, 3 NADH și o moleculă a unui purtător de electroni similar cu NADH numită flavin adenin dinucleotid, sau FADH₂.

• Ciclul Krebs poate continua doar dacă lanțul de transport al electronilor funcționează în aval pentru a prelua NADH și FADH₂ generează. Astfel, dacă nu este disponibil oxigen pentru celulă, ciclul Krebs se oprește.

NADH și FADH₂ treceți la membrana mitocondrială internă pentru acest proces. Rolul lanțului este fosforilarea oxidativă a moleculelor ADP pentru a deveni ATP. Atomii de hidrogen de la purtătorii de electroni sunt utilizați pentru a crea un gradient electrochimic pe membrana mitocondrială. Energia din acest gradient, care se bazează pe oxigen pentru a primi în cele din urmă electronii, este valorificată pentru a alimenta sinteza ATP.

Fiecare moleculă de glucoză contribuie de la 36 la 38 ATP prin respirația celulară: 2 în glicoliză, 2 în ciclul Krebs și 32 - 34 (în funcție de modul în care se măsoară acest lucru în laborator) în transportul de electroni lanţ.