Как метаболизировать глюкозу с образованием АТФ

Глюкоза, шестиуглеродный сахар, является основным «входом» в уравнение, которое питает всю жизнь. Энергия извне каким-то образом преобразуется в энергию клетки. В каждом живом организме, от вашего лучшего друга до самой простой бактерии, есть клетки, которые сжигают глюкозу в качестве топлива на уровне корневого метаболизма.

Организмы различаются по степени способности их клеток извлекать энергию из глюкозы. Во всех клетках эта энергия находится в виде аденозинтрифосфат (АТФ).

Поэтому одно Все живые клетки объединяет то, что они метаболизируют глюкозу с образованием АТФ.. Данная молекула глюкозы, попавшая в клетку, могла начаться как стейк-ужин, как добыча дикого животного, как растительное вещество или что-то еще.

Несмотря на это, различные пищеварительные и биохимические процессы разрушили все многоуглеродные молекулы в какие бы вещества ни потреблялись организмом для питания моносахаридного сахара, который вступает в клеточный метаболизм пути.

Химически, глюкоза это гексоза

Глюкоза также моносахарид это сахар, который включает только одну фундаментальную единицу, или мономер.Фруктоза еще один пример моносахарида, в то время как сахароза, или столовый сахар (фруктоза плюс глюкоза), лактоза (глюкоза плюс галактоза) и мальтоза (глюкоза плюс глюкоза) являются дисахариды.

Обратите внимание, что соотношение атомов углерода, водорода и кислорода в глюкозе составляет 1: 2: 1. Фактически, все углеводы демонстрируют такое же соотношение, а их молекулярные формулы имеют вид C_пЧАС_2nО_п.

АТФ - это нуклеозидв данном случае аденозин с присоединенными к нему тремя фосфатными группами. Это фактически делает его нуклеотид, поскольку нуклеозид представляет собой пентоза сахар (либо рибоза или же дезоксирибоза) в сочетании с азотистым основанием (то есть аденином, цитозином, гуанином, тимином или урацилом), тогда как нуклеотид представляет собой нуклеозид с одной или несколькими присоединенными фосфатными группами. Но если оставить в стороне терминологию, важно знать о АТФ состоит в том, что он содержит аденин, рибозу и цепь из трех фосфатных (P) групп.

АТФ производится через фосфорилирование из аденозиндифосфат (АДФ), и наоборот, когда терминальная фосфатная связь в АТФ гидролизованный, ADP и P_я (неорганический фосфат) являются продуктами. АТФ считается «энергетической валютой» клеток, поскольку эта необычная молекула используется для питания почти всех метаболических процессов.

Клеточное дыхание представляет собой набор метаболических путей в эукариотических организмах, которые превращают глюкозу в АТФ и углекислый газ в присутствии кислорода, выделяя воду и производя большое количество АТФ (от 36 до 38 молекул на вложенную молекулу глюкозы) в процесс.

Сбалансированная химическая формула общей чистой реакции без учета переносчиков электронов и молекул энергии:

C₆ЧАС₁₂О₆ + 6 O₂ → 6 СО₂ + 6 часов₂О

Клеточное дыхание фактически включает три различных и последовательных пути:

• Гликолиз, который происходит во всех клетках и в цитоплазме, и всегда является первым этапом метаболизма глюкозы (а у большинства прокариот также и последним этапом).
  
• В Цикл Кребса, также называемый циклом трикарбоновой кислоты (ТСА) или циклом лимонной кислоты, который разворачивается в митохондриальном матриксе.
• В электронная транспортная цепь, который происходит на внутренней митохондриальной мембране и генерирует большую часть АТФ, производимого в клеточном дыхании.

Последние две из этих стадий зависят от кислорода и вместе составляют аэробного дыхания. Однако часто при обсуждении метаболизма эукариот гликолиз, хотя он не зависит от кислорода, считается его частью »аэробного дыхания"потому что почти весь его основной продукт, пируват, переходит на два других пути.

При гликолизе глюкоза превращается в серии из 10 реакций в молекулу пирувата с чистый прирост двух молекул АТФ и две молекулы «переносчика электронов» никотинамид аденин динуклеотид (НАДН). На каждую молекулу глюкозы, вступающую в процесс, образуется две молекулы пирувата, так как пируват имеет три атома углерода против шести у глюкозы.

На первом этапе глюкоза фосфорилируется, чтобы стать глюкозо-6-фосфат (G6P). Это заставляет глюкозу метаболизироваться, а не возвращаться обратно через клеточная мембрана, потому что фосфатная группа придает G6P отрицательный заряд. В течение следующих нескольких шагов молекула перестраивается в другое производное сахара, а затем фосфорилируется во второй раз, чтобы стать фруктозо-1,6-бисфосфат.

Эти ранние стадии гликолиза требуют вложения двух АТФ, потому что это источник фосфатных групп в реакциях фосфорилирования.

Фруктозо-1,6-бисфосфат расщепляется на две разные трехуглеродные молекулы, каждая из которых несет свою собственную фосфатную группу; почти все одно из них быстро преобразуется в другое, глицеральдегид-3-фосфат (G3P). Таким образом, с этого момента все дублируется, потому что есть два G3P для каждой глюкозы «вверх по течению».

С этого момента G3P фосфорилируется на стадии, на которой также образуется NADH из окисленной формы NAD +, а затем две фосфатные группы передается молекулам АДФ на последующих этапах перегруппировки с образованием двух молекул АТФ вместе с конечным углеродным продуктом гликолиза, пируват.

Поскольку это происходит дважды на молекулу глюкозы, вторая половина гликолиза производит четыре АТФ для сеть выгода от гликолиза двух АТФ (так как два потребовались в начале процесса) и двух НАДН.

в подготовительная реакция, после того, как пируват, образующийся при гликолизе, попадает из цитоплазмы в митохондриальный матрикс, он сначала превращается в ацетат (CH₃COOH-) и CO₂ (отходы в этом сценарии), а затем в соединение, называемое ацетилкофермент А, или же ацетил-КоА. В этой реакции образуется НАДН. Это создает основу для цикла Кребса.

Эта серия из восьми реакций названа так потому, что один из реагентов на первой стадии, оксалоацетат, также является продуктом на последнем этапе. Цикл Кребса выполняет роль поставщика, а не производителя: он генерирует только два АТФ на молекулу глюкозы, но вносит еще шесть НАДН и два - ФАДН.₂, еще один переносчик электронов и близкий родственник НАДН.

(Обратите внимание, что это означает один АТФ, три НАДН и один ФАДН.₂за оборот цикла. На каждую глюкозу, которая вступает в гликолиз, две молекулы ацетил-КоА входят в цикл Кребса.)

В пересчете на глюкозу энергия до этого момента составляет четыре АТФ (два от гликолиза и два от Кребса). цикл), 10 НАДН (два из гликолиза, два из подготовительной реакции и шесть из цикла Кребса) и два FADH₂ из цикла Кребса. В то время как углеродные соединения в цикле Кребса продолжают вращаться вверх по потоку, переносчики электронов перемещаются из митохондриального матрикса в митохондриальная мембрана.

Когда НАДН и ФАД₂ высвобождая свои электроны, они используются для создания электрохимического градиента через митохондриальную мембрану. Этот градиент используется для присоединения фосфатных групп к АДФ для создания АТФ в процессе, называемом окислительного фосфорилирования, названный так потому, что конечным акцептором электронов, каскадно переходящих от электронного носителя к электронному носителю в цепи, является кислород (O₂).

Поскольку каждый НАДН дает три АТФ и каждый ФАДН₂ дает два АТФ при окислительном фосфорилировании, это добавляет к смеси (10) (3) + (2) (2) = 34 АТФ. Таким образом одна молекула глюкозы может давать до 38 АТФ в эукариотические организмы.