Что является основным источником клеточной энергии?

Вы, вероятно, понимали с юных лет, что пища, которую вы едите, должна стать «чем-то» намного меньшим, чем эта еда, чтобы все, что есть «в» пище, могло помочь вашему телу. Как это бывает, если точнее, одна молекула типа углевод классифицируется как сахар является основным источником энергии для любой метаболической реакции, происходящей в любой клетке в любое время.

Эта молекула глюкоза, шестиуглеродная молекула в форме остроконечного кольца. Во всех клетках входит в гликолиз, а в более сложных клетках он также участвует в ферментация, фотосинтез а также клеточное дыхание в разной степени у разных организмов.

Но другой способ ответить на вопрос «Какая молекула используется клетками в качестве источника энергии?» интерпретирует это как "Какая молекула напрямую управляет собственными процессами клетки? "

Эта «энергетическая» молекула, которая, как и глюкоза, активна во всех клетках, является АТФ, или же аденозинтрифосфат, нуклеотид, который часто называют «энергетической валютой клеток». О какой молекуле вам следует подумать, когда вы спросите себя: «Какая молекула является топливом для всех клеток?» Это глюкоза или АТФ?

Ответ на этот вопрос аналогичен пониманию разницы между высказываниями «Люди получают ископаемое топливо из земли» и «Люди получают ископаемое. топливная энергия от угольных электростанций ". Оба утверждения верны, но относятся к различным этапам в цепочке преобразования энергии в метаболических процессах. реакции. В живых существах, глюкоза - основа питательное вещество, но АТФ является основным топливо.

Все живые существа относятся к одной из двух широких категорий: прокариоты и эукариоты. Прокариоты - одноклеточные организмы таксономической домены Бактерии и археи, тогда как все эукариоты попадают в домен Eukaryota, который включает животных, растения, грибы и простейших.

Прокариоты крошечные и простые по сравнению с эукариотами; соответственно их клетки менее сложны. В большинстве случаев прокариотическая клетка - это то же самое, что и прокариотический организм, а энергетические потребности бактерий намного ниже, чем потребности любой эукариотической клетки.

Прокариотические клетки имеют те же четыре компонента, что и все клетки в мире природы: ДНК, клеточную мембрану, цитоплазму и рибосомы. Их цитоплазма содержит все ферменты, необходимые для гликолиза, но отсутствие митохондрий и хлоропластов означает, что гликолиз действительно является единственным метаболическим путем, доступным прокариотам.

Узнайте больше о сходствах и различиях между прокариотическими и эукариотическими клетками.

Глюкоза - это шестиуглеродный сахар в форме кольца, представленный на схемах гексагональной формой. Его химическая формула - C₆ЧАС₁₂О₆с соотношением C / H / O 1: 2: 1; это правда, по сути, или все биомолекулы, классифицируемые как углеводы.

Глюкоза считается моносахаридЭто означает, что он не может быть преобразован в другие, более мелкие сахара путем разрыва водородных связей между различными компонентами. Фруктоза - еще один моносахарид; сахароза (столовый сахар), которая образуется путем соединения глюкозы и фруктозы, считается дисахарид.

Глюкозу также называют «сахаром в крови», потому что это соединение, концентрация которого измеряется в крови, когда клиника или больничная лаборатория определяют метаболический статус пациента. Его можно вводить непосредственно в кровоток в виде растворов для внутривенного введения, поскольку он не требует расщепления перед попаданием в клетки организма.

АТФ - это нуклеотид, что означает, что он состоит из одного из пяти различных азотистых оснований, пятиуглеродного сахара, называемого рибозой, и от одной до трех фосфатных групп. Основания в нуклеотидах могут быть аденином (A), цитозином (C), гуанином (G), тимином (T) или урацилом (U). Нуклеотиды являются строительными блоками нуклеиновых кислот ДНК и РНК; A, C и G обнаруживаются в обеих нуклеиновых кислотах, тогда как T обнаруживается только в ДНК, а U - только в РНК.

«ТР» в АТФ, как вы видели, означает «трифосфат» и указывает, что АТФ имеет максимальное количество фосфатных групп, которое может иметь нуклеотид - три. Большая часть АТФ образуется путем присоединения фосфатной группы к АДФ или аденозиндифосфату, процесс, известный как фосфорилирование.

АТФ и его производные находят широкое применение в биохимии и медицине, многие из которых находятся на стадии исследования, поскольку 21 век приближается к своему третьему десятилетию.

Высвобождение энергии из пищи включает разрыв химических связей в компонентах пищи и использование этой энергии для синтеза молекул АТФ. Например, углеводы - это все окисленный в конечном итоге до углекислого газа (CO₂) и вода (H₂О). Жиры также окисляются, и их цепи жирных кислот дают молекулы ацетата, которые затем участвуют в аэробном дыхании в митохондриях эукариот.

Продукты распада белков богаты азотом и используются для создания других белков и нуклеиновых кислот. Но некоторые из 20 аминокислот, из которых построены белки, могут быть модифицированы и вступать в клеточный метаболизм на уровне клеточного дыхания (например, после гликолиза).

Резюме:Гликолиз непосредственно производит 2 АТФ на каждую молекулу глюкозы; он поставляет пируват и переносчики электронов для дальнейших метаболических процессов.

Гликолиз - это серия из десяти реакций, в которых молекула глюкозы превращается в две молекулы трехуглеродной молекулы пирувата, давая по пути 2 АТФ. Он состоит из ранней фазы «инвестиций», в которой 2 АТФ используются для присоединения фосфатных групп к сдвигающейся молекуле глюкозы, и более поздней фазы «возврата» в производное глюкозы, разделенное на пару трехуглеродных промежуточных соединений, дает 2 АТФ на трехуглеродные соединения, и это 4 общий.

Это означает, что чистым эффектом гликолиза является производство 2 АТФ на молекулу глюкозы, поскольку 2 АТФ потребляются в фазе инвестирования, но в общей сложности производится 4 АТФ в фазе выплаты.

Подробнее о гликолизе.

Резюме:Ферментация восполняет НАД⁺ для гликолиза; он напрямую не производит АТФ.

Когда кислорода недостаточно для удовлетворения энергетических потребностей, например, когда вы очень интенсивно бегаете или поднимаете тяжести, гликолиз может быть единственным доступным метаболическим процессом. Здесь и проявляется «ожог молочной кислотой», о котором вы, возможно, слышали. Если пируват не может попасть в аэробное дыхание, как описано ниже, он превращается в лактат, который сам по себе не приносит много пользы, но гарантирует, что гликолиз может продолжаться, поставляя ключевую промежуточную молекулу называется НАД⁺.

Резюме:Цикл Кребса производит 1 АТФ на оборот цикла (и, таким образом, 2 АТФ на глюкозу «вверх по течению», поскольку 2 пирувата могут образовывать 2 ацетил-КоА).

В нормальных условиях достаточного количества кислорода почти весь пируват, образующийся при гликолизе у эукариот, перемещается из цитоплазма превращается в органеллы («маленькие органы»), известные как митохондрии, где она превращается в двухуглеродную молекулу. ацетилкофермент А (ацетил-КоА), отделяя и высвобождая CO₂. Эта молекула объединяется с четырехуглеродной молекулой, называемой оксалоацетатом, для создания цитрата, первого шага в том, что также называется циклом TCA или циклом лимонной кислоты.

Это «колесо» реакций в конечном итоге восстановило цитрат обратно до оксалоацетата, и на этом пути образуется один АТФ вместе с четырьмя так называемыми высокоэнергетическими переносчиками электронов (НАДН и ФАДН.₂).

Резюме:Цепь переноса электронов дает около От 32 до 34 АТФ на молекулу глюкозы, расположенную выше по течению, что делает ее самым крупным источником клеточной энергии у эукариот.

Переносчики электронов из цикла Кребса перемещаются изнутри митохондрий на внутреннюю мембрану органеллы, которая имеет все виды специализированных ферментов, называемых цитохромами, готовыми к работе. Короче говоря, когда электроны в форме атомов водорода снимаются со своих носителей, это приводит к фосфорилированию молекул АДФ в большое количество АТФ.

Кислород должен присутствовать в качестве конечного акцептора электронов в каскаде, проходящем через мембрану, чтобы эта цепочка реакций произошла. Если это не так, процесс клеточного дыхания «дублируется», и цикл Кребса также не может возникнуть.