Какова роль глюкозы в клеточном дыхании?

Жизнь на Земле необычайно разнообразна: от мельчайших бактерий, обитающих в термальных источниках, до величественных многотонных слонов, обитающих в Азии. Но все организмы (живые существа) имеют ряд общих характеристик, в том числе потребность в молекулах для получения энергии. Процесс извлечения энергии из внешних источников для роста, ремонта, обслуживания и воспроизводства известен как метаболизм.

Все организмы состоят как минимум из одного клетка (ваше собственное тело включает триллионы), что является наименьшей несводимой сущностью, которая включает в себя все свойства, приписываемые жизни с использованием общепринятых определений. Метаболизм - одно из таких свойств, как и способность воспроизводиться или иным образом воспроизводиться. Каждая клетка на планете может и использует глюкоза, без которых жизнь на Земле либо никогда бы не возникла, либо выглядела бы совсем иначе.

Глюкоза имеет формулу C₆ЧАС₁₂О₆, что дает молекуле молекулярную массу 180 грамм на моль. (Все углеводы имеют общую формулу C

Глюкоза в природе существует в виде кольца из шести атомов, которое в большинстве текстов изображается как гексагональное. Пять атомов углерода включены в кольцо вместе с одним из атомов кислорода, в то время как шестой атом углерода является частью гидроксиметильной группы (-CH₂ОН), присоединенный к одному из других атомов углерода.

Аминокислоты, такие как глюкоза, являются важными мономерами в биохимии. Как только гликоген собирается из длинных цепочек глюкозы, белки синтезируются из длинных цепочек аминокислот. Хотя существует 20 различных аминокислот с множеством общих черт, глюкоза имеет только одну молекулярную форму. Таким образом, состав гликогена практически неизменен, тогда как белки сильно различаются от одного к другому.

Метаболизм глюкозы с выделением энергии в форме аденозинтрифосфата (АТФ) и CO₂ (углекислый газ, отходы в этом уравнении) известен как клеточное дыхание. Первый из трех основных этапов клеточного дыхания - это гликолиз, серия из 10 реакций, не требующих кислорода, а последние две стадии - это Цикл Кребса (также известный как цикл лимонной кислоты) и электронная транспортная цепь, которым действительно нужен кислород. Вместе эти последние две стадии известны как аэробного дыхания.

Клеточное дыхание почти полностью происходит в эукариоты (животные, растения и грибы). Прокариоты (в основном одноклеточные домены, которые включают бактерии и археи) получают энергию из глюкозы, но практически всегда только за счет гликолиза. Подразумевается, что прокариотические клетки могут генерировать только одну десятую энергии на молекулу глюкозы, чем эукариотические клетки, как будет подробно описано ниже.

«Клеточное дыхание» и «аэробное дыхание» часто используются как синонимы при обсуждении метаболизма эукариотических клеток. Понятно, что гликолиз, хотя и является анаэробным процессом, почти всегда продолжается до двух последних стадий клеточного дыхания. Тем не менее, подведем итог роли глюкозы в клеточном дыхании: без нее дыхание останавливается и следует смерть.

Ферменты глобулярные белки, которые действуют как катализаторы в химических реакциях. Это означает, что эти молекулы помогают ускорить реакции, которые в противном случае продолжались бы без ферментов, но гораздо медленнее - иногда более чем в тысячу раз. Когда ферменты действуют, они не изменяются сами по себе в конце реакции, тогда как молекулы, на которые они действуют, называемые субстратами, изменяются намеренно, с реагенты такие как глюкоза, превращенная в такие продукты, как CO₂.

Глюкоза и АТФ имеют некоторое химическое сходство друг с другом, но используют энергию, хранящуюся в связях первая молекула для синтеза второй молекулы требует значительных биохимических акробатических навыков сотовый. Почти каждая клеточная реакция катализируется определенным ферментом, и большинство ферментов специфичны для одной реакции и ее субстратов. Гликолиз, цикл Кребса и цепь переноса электронов, вместе взятые, включают около двух десятков реакций и ферментов.

Когда глюкоза проникает в клетку, диффундируя через плазматическую мембрану, она немедленно присоединяется к фосфатной (P) группе или фосфорилированный. Это задерживает глюкозу в клетке из-за отрицательного заряда P. Эта реакция, в результате которой образуется глюкозо-6-фосфат (G6P), происходит под действием фермента гексокиназа. (Большинство ферментов оканчиваются на «-азу», что позволяет легко узнать, когда вы имеете дело с одним из них в мире биологии.)

Оттуда G6P перестраивается в сахар фосфорилированного типа. фруктоза, а затем добавляется еще один P. Вскоре после этого шестиуглеродная молекула расщепляется на две трехуглеродные молекулы, каждая с фосфатной группой; они вскоре объединяются в одно и то же вещество, глицеральдегид-3-фосфат (G-3-P).

Каждая молекула G-3-P проходит ряд стадий перегруппировки, чтобы превратиться в трехуглеродную молокулу. пируват, производя две молекулы АТФ и одну молекулу носителя высокоэнергетических электронов НАДН (восстановленного из никотинамидадениндинуклеотида, или НАД +).

Первая половина гликолиза потребляет 2 АТФ на стадиях фосфорилирования, тогда как вторая половина дает всего 2 пирувата, 2 НАДН и 4 АТФ. Что касается прямого производства энергии, гликолиз, таким образом, приводит к 2 АТФ на молекулу глюкозы. Это для большинства прокариот представляет собой эффективный предел использования глюкозы. У эукариот шоу глюкозно-клеточного дыхания только начинается.

Затем молекулы пирувата перемещаются из цитоплазмы клетки внутрь органелл, называемых митохондрии, которые окружены собственной двойной плазматической мембраной. Здесь пируват расщепляется на CO₂ и ацетат (CH₃COOH-), а ацетат захватывается соединением из класса витаминов B, называемым коферментом A (CoA), чтобы стать ацетил-КоА, важный двухуглеродный промежуточный продукт в ряде клеточных реакций.

Чтобы войти в цикл Кребса, ацетил-КоА вступает в реакцию с четырехуглеродным соединением. оксалоацетат формировать цитрат. Поскольку оксалоацетат является последней молекулой, образованной в реакции Кребса, а также субстратом в первой реакции, серия заслуживает описания «цикл». Цикл включает в общей сложности восемь реакций, которые восстанавливают шестиуглеродный цитрат до пятиуглеродной молекулы, а затем до серии четырехуглеродных промежуточных продуктов, прежде чем снова прийти к оксалоацетат.

Каждая молекула пирувата, входящая в цикл Кребса, приводит к образованию еще двух CO.₂, 1 АТФ, 3 НАДН и одна молекула электронного переносчика, подобного НАДН, называемого флавинаденин динуклеотид, или FADH₂.

• Цикл Кребса может продолжаться только в том случае, если цепь переноса электронов работает ниже по потоку, чтобы забрать НАДН и ФАДН.₂ он порождает. Таким образом, если кислород недоступен для клетки, цикл Кребса останавливается.

НАДХ и ФАДХ₂ переходят на внутреннюю митохондриальную мембрану для этого процесса. Роль цепочки - это окислительного фосфорилирования молекул АДФ, чтобы стать АТФ. Атомы водорода переносчиков электронов используются для создания электрохимического градиента через митохондриальную мембрану. Энергия этого градиента, которая зависит от кислорода для приема электронов, используется для синтеза АТФ.

Каждая молекула глюкозы вносит от 36 до 38 АТФ через клеточное дыхание: 2 в гликолизе, 2 в цикле Кребса и от 32 до 34 (в зависимости от того, как это измеряется в лаборатории) в переносе электронов. цепь.