Ako metabolizovať glukózu na ATP

Glukóza, šesťuhlíkový cukor, je základným „vstupom“ do rovnice, ktorá poháňa celý život. Energia zvonka sa nejakým spôsobom premieňa na energiu pre bunku. Každý živý organizmus, od svojho najlepšieho priateľa po najnižšiu baktériu, má bunky, ktoré spaľujú glukózu na palivo na koreňovej metabolickej úrovni.

Organizmy sa líšia v rozsahu, v akom môžu ich bunky získavať energiu z glukózy. Vo všetkých bunkách je táto energia vo forme adenosintrifosfátu (ATP).

Preto jedna vec všetky živé bunky majú spoločné to, že metabolizujú glukózu na ATP. Daná molekula glukózy vstupujúca do bunky sa mohla začať ako steaková večera, ako korisť divého zvieraťa, ako rastlinná hmota alebo ako niečo iné.

Bez ohľadu na to všetky tráviace a biochemické procesy rozložili všetky viacuhlíkové molekuly v akékoľvek látky, ktoré organizmus prijíma na výživu, monosacharidový cukor, ktorý vstupuje do bunkového metabolizmu cesty.

Chemicky, glukóza je a hexóza cukor, hex je grécka predpona pre „šesť“, počet atómov uhlíka v glukóze. Jeho molekulárny vzorec je

Glukóza je tiež a monosacharid v tom je cukor, ktorý obsahuje iba jednu základnú jednotku, alebo monomér.Fruktóza je ďalším príkladom monosacharidu, zatiaľ čo sacharózaalebo stolový cukor (fruktóza plus glukóza), laktóza (glukóza plus galaktóza) a maltóza (glukóza plus glukóza) sú disacharidy.

Upozorňujeme, že pomer atómov uhlíka, vodíka a kyslíka v glukóze je 1: 2: 1. Všetky sacharidy v skutočnosti vykazujú rovnaký pomer a ich molekulárne vzorce sú všetky vo forme C._nH_2nO_n.

ATP je a nukleozid, v tomto prípade adenozín, s tromi fosfátovými skupinami, ktoré sú k nemu pripojené. Týmto sa vlastne stáva nukleotid, pretože nukleozid je a pentóza cukor (buď ribóza alebo deoxyribóza) kombinované s dusíkatou zásadou (t.j. adenínom, cytozínom, guanínom, tymínom alebo uracilom), zatiaľ čo nukleotid je nukleozid s jednou alebo viacerými pripojenými fosfátovými skupinami. Ale terminológia stranou, dôležité je vedieť ATP spočíva v tom, že obsahuje adenín, ribózu a reťazec troch fosfátových (P) skupín.

ATP sa vyrába prostredníctvom fosforylácia z adenozíndifosfát (ADP), a naopak, keď je koncová fosfátová väzba v ATP hydrolyzovaný, ADP a P_i (anorganický fosfát) sú produkty. ATP sa považuje za „energetickú menu“ buniek, pretože táto mimoriadna molekula sa používa na napájanie takmer všetkých metabolických procesov.

Bunkové dýchanie je skupina metabolických dráh v eukaryotických organizmoch, ktorá za prítomnosti prevádza glukózu na ATP a oxid uhličitý kyslíka, ktorý vydáva vodu a produkuje veľké množstvo ATP (36 až 38 molekúl na jednu molekulu glukózy) v procesu.

Vyvážený chemický vzorec pre celkovú čistú reakciu, s výnimkou nosičov elektrónov a molekúl energie, je:

C.₆H₁₂O₆ + 6 O.₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O

Bunkové dýchanie v skutočnosti zahŕňa tri odlišné a postupné dráhy:

• Glykolýza, ktorý sa vyskytuje vo všetkých bunkách a prebieha v cytoplazme a je vždy prvým krokom metabolizmu glukózy (a u väčšiny prokaryotov aj posledným krokom).
  
• The Krebsov cyklus, nazývaný tiež cyklus trikarboxylovej kyseliny (TCA) alebo cyklus kyseliny citrónovej, ktorá sa odvíja v mitochondriálnej matrici.
• The reťazec transportu elektrónov, ktorý prebieha na vnútornej mitochondriálnej membráne a generuje väčšinu ATP produkovaného v bunkovom dýchaní.

Posledné dve z týchto fáz sú závislé od kyslíka a tvoria spolu aeróbne dýchanie. Často sa však v diskusiách o eukaryotickom metabolizme považuje glykolýza, aj keď nezávisí od kyslíka, za jej súčasť. ““aeróbne dýchanie„pretože takmer všetok jeho hlavný produkt, pyruvát, ďalej vstupuje do ďalších dvoch ciest.

Pri glykolýze sa glukóza prevádza v sérii 10 reakcií na molekulu pyruvát, s a čistý zisk dvoch molekúl ATP a dve molekuly „elektrónového nosiča“ nikotínamid adenín dinukleotid (NADH). Pre každú molekulu glukózy vstupujúcu do procesu sa vytvárajú dve molekuly pyruvátu, pretože pyruvát má tri atómy uhlíka na šesť glukózy.

V prvom kroku sa glukóza fosforyluje, aby sa stala glukóza-6-fosfát (G6P). Toto vedie k tomu, že sa glukóza skôr metabolizuje, než aby sa vracala späť cez bunková membrána, pretože fosfátová skupina dáva G6P záporný náboj. V priebehu niekoľkých nasledujúcich krokov sa molekula preusporiada na iný derivát cukru a potom sa druhýkrát fosforyluje, aby sa stala fruktóza-1,6-bisfosfát.

Tieto prvé kroky glykolýzy si vyžadujú investíciu dvoch ATP, pretože to je zdroj fosfátových skupín vo fosforylačných reakciách.

Fruktóza-1,6-bisfosfát sa rozdelí na dve rôzne molekuly s tromi uhlíkmi, z ktorých každá má svoju vlastnú fosfátovú skupinu; takmer všetky z nich sa rýchlo prevedú na druhé, glyceraldehyd-3-fosfát (G3P). Od tohto okamihu je teda všetko duplikované, pretože pre každú „upstream“ glukózu existujú dva G3P.

Od tohto bodu je G3P fosforylovaný v kroku, ktorý tiež produkuje NADH z oxidovanej formy NAD +, a potom sú tieto dve fosfátové skupiny dané molekulám ADP v následných preskupovacích krokoch za vzniku dvoch molekúl ATP spolu s koncovým uhlíkovým produktom glykolýzy, pyruvát.

Pretože sa to deje dvakrát na molekulu glukózy, druhá polovica glykolýzy produkuje štyri ATP pre a sieť zisk z glykolýzy dvoch ATP (pretože dva boli potrebné na začiatku procesu) a dvoch NADH.

V prípravná reakciapotom, čo si pyruvát generovaný pri glykolýze nájde cestu z cytoplazmy do mitochondriálnej matrice, prevedie sa najskôr na acetát (CH₃COOH-) a CO₂ (odpadový produkt v tomto scenári) a potom na zlúčeninu tzv acetyl koenzým Aalebo acetyl CoA. Pri tejto reakcii sa generuje NADH. Toto predstavuje predpoklad pre Krebsov cyklus.

Táto séria ôsmich reakcií je pomenovaná tak, že jeden z reaktantov v prvom kroku, oxaloacetát, je tiež produktom v poslednom kroku. Úlohou Krebsovho cyklu je skôr dodávateľ ako výrobca: Vytvára iba dva ATP na molekulu glukózy, ale prispieva šiestimi ďalšími NADH a dvoma FADH₂, ďalší nosič elektrónov a blízky príbuzný NADH.

(Upozorňujeme, že to znamená jeden ATP, tri NADH a jeden FADH₂na jedno otočenie cyklu. Pre každú glukózu, ktorá vstupuje do glykolýzy, vstupujú do Krebsovho cyklu dve molekuly acetyl CoA.)

Na základe glukózy je energia zhodná s týmto bodom štyri ATP (dva z glykolýzy a dva z Krebsovho testu). cyklu), 10 NADH (dva z glykolýzy, dva z prípravnej reakcie a šesť z Krebsovho cyklu) a dva FADH₂ z Krebsovho cyklu. Zatiaľ čo uhlíkové zlúčeniny v Krebsovom cykle naďalej rotujú proti prúdu, elektrónové nosiče sa pohybujú z mitochondriálnej matrice do mitochondriálna membrána.

Keď NADH a FADH₂ uvoľňujú svoje elektróny, používajú sa na vytvorenie elektrochemického gradientu cez mitochondriálnu membránu. Tento gradient sa používa na napájanie pripojenia fosfátových skupín k ADP, aby sa vytvoril ATP v procese zvanom Oxidačná fosforylácia, tak pomenovaný preto, lebo konečným akceptorom elektrónov kaskádových z elektrónového nosiča na elektrónový nosič v reťazci je kyslík (O₂).

Pretože každý NADH dáva tri ATP a každý FADH₂ poskytuje dva ATP pri oxidačnej fosforylácii, čo dodáva zmesi (10) (3) + (2) (2) = 34 ATP. Teda jedna molekula glukózy môže poskytnúť až 38 ATP v eukaryotické organizmy.