Čo sa stane, keď glukóza vstúpi do bunky?

Glukóza je konečný zdroj bunkového paliva pre všetko živé, pričom energia v jej chemických väzbách sa používa na syntézu adenosintrifosfátu (ATP) rôznymi vzájomne prepojenými a vzájomne závislými spôsobmi. Keď molekula tohto šesťuhlíkového (tj. Hexózového) cukru prechádza zvonka cez plazmatickú membránu bunky a vstupuje do cytoplazmy, je okamžite fosforylovaný - to znamená, že fosfátová skupina, ktorá nesie negatívny elektrický náboj, je pripojená k časti molekuly glukózy. To má za následok čistý záporný náboj toho, čo sa potom stalo glukóza-6-fosfát molekula, ktorá mu bráni opustiť bunku.

Prokaryotes, ktoré zahŕňajú domény Bacteria a Archaea, nemajú na membránu viazané organely, vrátane mitochondrie že v eukaryoty sú hostiteľom Krebsovho cyklu a reťazca transportu elektrónov závislého od kyslíka. Výsledkom je, že prokaryoty sa nezúčastňujú aeróbneho („s kyslíkom“) dýchania, namiesto toho odvádzajú takmer všetku svoju energiu z glykolýzy, anaeróbneho procesu, ktorý tiež funguje pred aeróbnym dýchaním uskutočňovaným v eukaryotických bunkách.

Pretože glukóza patrí medzi najdôležitejšie molekuly v biochémii, je východiskovým bodom pravdepodobne najdôležitejšej skupiny reakciách v análoch života na planéte Zem, je krátka diskusia o štruktúre a správaní sa tejto molekuly objednať.

Taktiež známy ako dextróza (zvyčajne vo vzťahu k nebiologickým systémom, ako je glukóza vyrobená z kukurice) a krvný cukor (v súvislosti s biologickými systémami, napr. v lekárskych kontextoch) je glukóza šesťuhlíková molekula s chemickým vzorcom C.₆H₁₂O₆. V ľudskej krvi je normálna koncentrácia glukózy asi 100 mg / dl. 100 mg je desatina gramu, zatiaľ čo dl je desatina litra; to vyjde na gram na liter a keďže priemerný človek má asi 4 litre krvi, najviac ľudia majú v krvi kedykoľvek asi 4 g glukózy - iba asi jednu sedminu unca.

Päť zo šiestich atómov uhlíka (C) v glukóze sedí v šesťatómový kruh forme, ktorá molekula predpokladá 99,98 percenta času v prírode. Šiestym atómom kruhu je kyslík (O), pričom šiesty C je pripojený k jednému z kruhov Cs ako súčasť hydroxymetyl (-CH₂OH) skupina. Je to na hydroxylovej (-OH) skupine anorganický fosfát (Pi) je pripojený počas procesu fosforylácie, ktorý zachytáva molekulu v bunkovej cytoplazme.

Prokaryoty sú malé (drvivá väčšina sú jednobunkové) a jednoduché (v jednej bunke väčšina z nich nemá jadro a ďalšie organely viazané na membránu). To im môže brániť v tom, aby boli rovnako elegantné a zaujímavé vo väčšine spôsobov ako eukaryoti, ale tiež udržuje relatívne nízku potrebu paliva.

U prokaryotov aj eukaryotov je glykolýza prvým krokom v metabolizme glukózy. Fosforylácia glukózy po jej vstupe do bunky difúziou cez plazmatickú membránu je prvým stupňom glykolýzy, ktorý je podrobne opísaný v nasledujúcej časti.

• Niektoré baktérie môžu metabolizovať cukry iné ako alebo okrem glukózy, ako je napríklad sacharóza, laktóza alebo maltóza. Tieto cukry sú disacharidy, ktoré pochádzajú z gréčtiny pre „dva cukry“. Zahŕňajú monomér glukózy, ako je fruktóza, monosacharid, ako jedna z ich dvoch podjednotiek.

Na konci glykolýzy sa molekula glukózy použila na generovanie dvoch molekúl pyruvátu s tromi uhlíkmi, dvoch molekúl takzvaného vysokoenergetického nosiča elektrónov nikotínamidadeníndinukleotidu (NADH) a čistý zisk dvoch molekúl ATP.

V tomto okamihu, u prokaryotov, pyruvát zvyčajne vstupuje do fermentácie, anaeróbneho procesu s množstvom rôznych variácií, ktoré budú čoskoro preskúmané. Ale u niektorých baktérií sa do istej miery vyvinula schopnosť vykonávať aeróbne dýchanie a tzv fakultatívne anaeróby. Baktérie, ktoré môžu získavať energiu iba z glykolýzy, sa nazývajú povinné anaeróby, a veľa z nich je skutočne zabitých kyslíkom. Len málo baktérií je párnych povinné aeróby, čo znamená, že rovnako ako vy, majú absolútnu potrebu kyslíka. Vzhľadom na to, že baktériám trvalo asi 3,5 miliardy rokov, aby sa prispôsobili požiadavkám na posun Zeme prostredia, nemalo by sa čudovať, že velili rozsahu základného metabolického prežitia stratégie.

Glykolýza obsahuje 10 reakcie, čo je pekné, okrúhle číslo, ale vo všetkých týchto krokoch si nemusíte nevyhnutne pamätať všetky produkty, medziprodukty a enzýmy. Namiesto toho sú niektoré z týchto podrobností zábavné a užitočné vedieť, je však dôležitejšie získať ich zmysel čo - sa vyskytuje celkovo pri glykolýze a - prečo deje sa (z hľadiska základnej fyziky aj z hľadiska potrieb bunky).

Glykolýza je zachytená v nasledujúcej reakcii, ktorá je súčtom jej 10 jednotlivých reakcií:

C.₆H₁₂O₆ → 2 ° C₃H₄O₃ + 2 ATP + 2 NADH

V jednoduchej angličtine sa pri glykolýze jedna molekula glukózy rozdelí na dve molekuly pyruvátu a popri tom sa vytvorí pár molekúl paliva a pár molekúl „pred palivom“. ATP je takmer univerzálna mena pre energiu v bunkových procesoch, zatiaľ čo NADH, redukovaná forma NAD + alebo nikotínamidadeníndinukleotid, funguje ako vysokoenergetický nosič elektrónov, ktorý nakoniec daruje tieto elektróny vo forme iónov vodíka (H +) molekulám kyslíka na konci z reťazec transportu elektrónov v aeróbny metabolizmus, výsledkom je oveľa viac ATP, ako dokáže dodať samotná glykolýza.

Výsledkom fosforylácie glukózy po jej vstupe do cytoplazmy je glukóza-6-fosfát (G-6-P). Fosfát pochádza z ATP a jeho zabudovania do listov glukózy adenozíndifosfát (ADP) vzadu. Ako bolo uvedené, toto zachytáva glukózu v bunke.

Ďalej sa G-6-P prevedie na fruktóza-6-fosfát (F-6-P). Toto je izomerizácia reakcia, pretože reaktant a produkt sú navzájom izoméry - molekuly s rovnakým počtom každého typu atómu, ale s iným priestorovým usporiadaním. V tomto prípade má kruh fruktózy iba päť atómov. Enzým zodpovedný za tento druh atómového žonglovania sa nazýva fosfoglukózaizomeráza. (Väčšina názvov enzýmov, aj keď je často ťažkopádna, má aspoň dokonalý zmysel.)

V tretej reakcii glykolýzy sa F-6-P prevedie na fruktóza-1,6-bisfosfát (F-1,6-BP). V tomto fosforylačnom kroku fosfát opäť pochádza z ATP, ale tentokrát sa pridáva k inému atómu uhlíka. Zodpovedný enzým je fosfofruktokináza (PFK).

• V mnohých fosforylačných reakciách sa fosfátové skupiny pridávajú na voľný koniec existujúcej fosfátovej skupiny, ale nie v tomto prípade - teda skôr „_bis_fosfát“ ako „_di_fosfát“.

Vo štvrtej reakcii glykolýzy je molekula F-1,6-BP, ktorá je dosť nestabilná vďaka svojej dvojnásobnej dávke fosfátových skupín, rozdelená enzýmom aldoláza do molekúl nesúcich tri uhlíky a jednu fosfátovú skupinu glyceraldehyd 3-fosfát (GAP) a dihydroxyacetónfosfát (DHAP). Toto sú izoméry a DHAP sa rýchlo prevedie na GAP v piatom kroku glykolýzy pomocou tlaku z enzýmu trióza fosfát izomeráza (TIM).

V tomto štádiu sa z pôvodnej molekuly glukózy stali dve identické trojuhlíkové, jednotlivo fosforylované molekuly, za cenu dvoch ATP. Od tohto okamihu ku každej opísanej reakcii glykolýzy dochádza dvakrát pre každú molekulu glukózy, ktorá prechádza glykolýzou.

V šiestej reakcii glykolýzy sa GAP prevádza na 1,3-bisfosfoglycerát (1,3-BPG) pod vplyvom glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenáza. Dehydrogenázové enzýmy odstraňujú atómy vodíka (t.j. protóny). Vodík zbavený GAP sa pripojí k molekule NAD +, čím sa získa NADH. Pretože pôvodná molekula glukózy proti prúdu dala vzniknúť dva molekuly GAP, po tejto reakcii dva boli vytvorené molekuly NADH.

V siedmej glykolýznej reakcii je jedna z fosforylačných reakcií skorej glykolýzy v skutočnosti obrátená. Keď sa enzým fosfoglycerátkináza odstráni fosfátovú skupinu z 1,3-BPG, výsledkom je 3-fosfoglycerát (3-PG). Fosfáty, ktoré boli stripované z dvoch molekúl 1,3-BPG, sú pripojené k ADP za vzniku dvoch ATP. To znamená, že dva ATP „požičané“ v krokoch jedna a tri sú „vrátené“ v siedmej reakcii.

V kroku osem sa 3-PG prevedie na 2-fosfoglycerát (2-PG) podľa fosfoglycerát mutáza, ktorý dopravuje jednu zostávajúcu fosfátovú skupinu na iný atóm uhlíka. Mutáza sa líši od izomerázy tým, že je svojou činnosťou menej náročná; namiesto toho, aby usporiadali štruktúru molekuly, iba presunú jednu z jej bočných skupín na nové miesto a ponechajú celkovú chrbticu, kruh atď. ako to bolo.

V deviatej reakcii glykolýzy sa 2-PG prevedie na fosfoenolpyruvát (PEP) v rámci akcie enoláza. Enol je zlúčenina s dvojnou väzbou uhlík-uhlík, v ktorej je jeden z uhlíkov tiež viazaný na hydroxylovú skupinu.

Nakoniec, desiata a posledná reakcia glykolýzy, sa PEP transformuje vďaka enzýmu na pyruvát pyruvátkináza. Fosfátové skupiny odstránené z dvoch PEP sú pripojené k molekulám ADP za vzniku dvoch ATP a dvoch pyruvátov, ktorých vzorec je (C.₃H₄O₃) alebo (CH₃) CO (COOH). Počiatočné anaeróbne spracovanie jednej molekuly glukózy teda vedie k získaniu dvoch molekúl pyruvátu, dvoch ATP a dvoch NADH.

Pyruvát nakoniec vytvorený vstupom glukózy do buniek môže mať jednu z dvoch ciest. Ak je bunka prokaryotická alebo je bunka eukaryotická, ale dočasne vyžaduje viac paliva, ako môže poskytnúť samotné aeróbne dýchanie (ako napríklad vo svalových bunkách počas náročných fyzických cvičení, ako je šprint alebo zdvíhanie závažia), pyruvát vstupuje do fermentácie cesta. Ak je bunka eukaryotická a jej energetické požiadavky sú typické, pohybuje pyruvátom vnútri mitochondrií a zúčastňuje sa na Krebsov cyklus:

• Kvasenie: Fermentácia sa často používa ako synonymum pre „anaeróbne dýchanie“, ale v skutočnosti je to zavádzajúce, pretože glykolýza, ktorá predchádza fermentácii, je tiež anaeróbna, aj keď sa všeobecne nepovažuje za súčasť dýchania podľa se.
• Fermentáciou sa regeneruje NAD + na použitie v glykolýze premenou pyruvátu na laktát. Celým účelom tohto postupu je umožniť, aby glykolýza pokračovala v neprítomnosti dostatočného množstva kyslíka; lokálny nedostatok NAD + by proces obmedzil, aj keď je prítomné dostatočné množstvo substrátu.
• Aeróbne dýchanie: Patria sem: Krebsov cyklus a reťazec transportu elektrónov.
• Krebsov cyklus: Tu sa pyruvát prevedie na acetyl koenzým A (acetyl CoA) a oxid uhličitý (CO₂). Acetyl CoA s dvoma atómami uhlíka sa kombinuje so štvoruhlíkom oxaloacetát za vzniku citrátu, šesťuhlíkovej molekuly, ktorá potom postupuje cez „kolo“ (cyklu) šiestich reakcií, ktoré vedú k dvom CO₂jeden ATP, tri NADH a jeden redukovaný flavín adenín dinukleotid (FADH₂).
• Elektrónový transportný reťazec: Tu sú protóny (H.⁺ atómy) NADH a FADH_₂_ z Krebsovho cyklu sa používajú na vytvorenie elektrochemického gradientu, ktorý riadi syntézu 34 (alebo tak) molekúl ATP na vnútornej mitochondriálnej membráne. Kyslík slúži ako konečný akceptor elektrónov, ktoré sa „rozlejú“ z jednej zlúčeniny na druhú, začínajúc celým reťazcom zlúčenín s glukózou.