Čo prináša glykolýza?

Živé veci, ktoré všetky pozostávajú z jednej alebo viacerých samostatných buniek, možno rozdeliť na prokaryoty a eukaryoty.

Spoliehajú sa prakticky na všetky bunky glukóza pre ich metabolické potreby a prvým krokom pri odbúraní tejto molekuly je séria reakcií tzv glykolýza (doslovne „štiepenie glukózy“). Pri glykolýze prechádza jedna molekula glukózy sériou reakcií, aby sa získala dvojica molekúl pyruvátu a mierne množstvo energie vo forme adenozíntrifosfát (ATP).

Konečné zaobchádzanie s týmito výrobkami sa však líši od typu bunky k typu bunky. Prokaryotické organizmy sa nezúčastňujú aeróbne dýchanie. To znamená, že prokaryoty nemôžu využívať molekulárny kyslík (O₂). Namiesto toho prechádza pyruvát kvasenie (anaeróbne dýchanie).

Niektoré zdroje zahŕňajú glykolýzu v procese „bunkového dýchania“ u eukaryotov, pretože priamo predchádza aeróbne dýchanie (t. j Krebsov cyklus a oxidačnú fosforyláciu v reťazec transportu elektrónov). Presnejšie povedané, samotná glykolýza nie je aeróbnym procesom jednoducho preto, že sa nespolieha na kyslík a prebieha bez ohľadu na to, či je alebo nie je

Pretože však glykolýza je a predpoklad aeróbneho dýchania v tom, že dodáva pyruvát na jeho reakcie, je prirodzené dozvedieť sa o oboch konceptoch naraz.

Glukóza je šesťuhlíkový cukor, ktorý slúži ako najdôležitejší jediný sacharid v ľudskej biochémii. Sacharidy obsahujú okrem kyslíka aj uhlík (C) a vodík (H) a pomer C k H v týchto zlúčeninách je vždy 1: 2.

Cukry sú menšie ako iné sacharidy, vrátane škrobov a celulózy. V skutočnosti je glukóza často opakujúcou sa podjednotkou, príp monomér, v týchto zložitejších molekulách. Samotná glukóza nepozostáva z monomérov, a preto sa považuje za monosacharid („jeden cukor“).

Vzorec pre glukózu je C₆H₁₂O₆. Hlavnú časť molekuly tvorí šesťuholníkový kruh obsahujúci päť atómov uhlíka a jeden z atómov kyslíka. Šiesty a posledný atóm C existuje v bočnom reťazci s metylovou skupinou obsahujúcou hydroxylovú skupinu (-CH₂OH).

Proces glykolýza, ktorá sa odohráva v bunke cytoplazma, pozostáva z 10 jednotlivých reakcií.

Spravidla si nie je potrebné pamätať názvy všetkých medziproduktov a enzýmov. Pevný pocit z celkového obrazu je však užitočný. Je to nielen preto, že glykolýza je možno najdôležitejšou reakciou v histórii života na Zemi, ale aj preto, lebo kroky pekne ilustruje rad bežných udalostí v bunkách, vrátane pôsobenia enzýmov počas exotermického (energeticky priaznivého) pôsobenia reakcie.

Keď glukóza vstúpi do bunky, je metabolizovaná enzýmom hexokináza a fosforylovaná (to znamená, že je k nej pripojená fosfátová skupina, často označovaná ako Pi). Toto zachytí molekulu vo vnútri bunky tak, že ju vybaví negatívnym elektrostatickým nábojom.

Táto molekula sa preusporiada na fosforylovanú formu fruktózy, ktorá potom podstúpi ďalší krok fosforylácie a stane sa z nej fruktóza-1,6-bisfosfát. Táto molekula sa potom rozdelí na dve podobné trojuhlíkové molekuly, z ktorých jedna sa rýchlo transformuje na druhú, čím sa získajú dve molekuly glyceraldehyd-3-fosfátu.

Táto látka sa preskupí do inej dvojnásobne fosforylovanej molekuly predtým, ako sa v nepriebežných krokoch zvráti skoré pridanie fosfátových skupín. V každom z týchto krokov molekula adenozíndifosfát (ADP) deje sa komplexom enzým-substrát (názov štruktúry tvorenej akoukoľvek molekulou, ktorá reaguje, a enzýmu, ktorý podnecuje reakciu k dokončeniu).

Tento ADP prijíma fosfát z každej z prítomných troch uhlíkových molekúl. Nakoniec dve molekuly pyruvátu sedia v cytoplazme pripravené na nasadenie na akúkoľvek cestu, do ktorej bunka vyžaduje, aby do nej vstúpila alebo je schopná ho prijať.

Jediným skutočným reaktantom glykolýzy je molekula glukózy. V priebehu série reakcií sa zavedú dve molekuly, každá z ATP a NAD + (nikotínamidadenín-dinukleotid, elektrónový nosič).

Často uvidíte celý proces bunkového dýchania, ktorý je uvedený ako glukóza a kyslík ako reaktanty a oxid uhličitý a voda ako produkty, spolu s 36 (alebo 38) ATP. Ale glykolýza je iba prvou sériou reakcií, ktorá nakoniec vrcholí aeróbnou extrakciou tohto množstva energie z glukózy.

Celkom štyri molekuly ATP sa produkujú pri reakciách zahŕňajúcich trojuhlíkové zložky glykolýzy - dve počas premeny dvojice molekúl 1,3-bisfosfoglycerátu na dve molekuly 3-fosfoglycerátu a dve počas premeny dvojice molekúl fosfoenolpyruvátu na dve molekuly pyruvátu predstavujúce koniec glykolýza. Všetky sú syntetizované fosforyláciou na úrovni substrátu, čo znamená, že ATP pochádza z priameho prenosu anorganického fosforečnanu (Pi) k ADP, skôr než aby vznikol v dôsledku niektorých ďalších procesu.

Na začiatku glykolýzy sú potrebné dva ATP, najskôr keď je glukóza fosforylovaná na glukóza-6-fosfát, a potom o dva kroky neskôr, keď je fruktóza-6-fosfát fosforylovaný na fruktóza-1,6-bisfosfát. Čistý zisk ATP v glykolýze teda je výsledkom jednej molekuly glukózy podrobenej procesu dve molekuly, ktoré si ľahko zapamätáte, ak si ich spojíte s počtom molekúl pyruvátu vytvorené.

Okrem toho sa počas premeny glyceraldehyd-3-fosfátu na 1,3-bisfosfoglycerát redukujú dve molekuly NAD + na dve molekuly NADH, pričom druhý slúži ako nepriamy zdroj energie, pretože sa podieľa na reakciách, okrem iných procesov, aeróbnych dýchanie.

Stručne povedané, čistý výnos z glykolýzy teda je 2 ATP, 2 pyruvát a 2 NADH. To je sotva dvadsiatina množstva ATP produkovaného v aeróbnom dýchaní, ale pretože prokaryoty sú spravidla oveľa menšie a menej zložité ako eukaryoty, s menšími metabolickými nárokmi na vyrovnanie sa, sú schopní sa obísť aj napriek tomuto menej ako ideálu schéma.

(Ďalším spôsobom, ako sa na to, samozrejme, pozrieť, je nedostatok aeróbne dýchanie v baktériách im bránil v tom, aby sa vyvinuli do väčších a rozmanitejších tvorov, kvôli tomu, na čom záleží.)

U prokaryotov, akonáhle je glykolýza dokončená, organizmus zahral takmer každú metabolickú kartu, ktorú má. Pyruvát sa môže ďalej metabolizovať na laktát prostredníctvom kvasenie, alebo anaeróbne dýchanie. Účelom fermentácie nie je výroba laktátu, ale regenerácia NAD + z NADH, aby sa mohla použiť pri glykolýze.

(Upozorňujeme, že sa to líši od alkoholové kvasenie, pri ktorom sa etanol z pyruvátu vyrába pôsobením kvasiniek.)

U eukaryotov vstupuje väčšina pyruvátu do prvého súboru krokov v aeróbnom dýchaní: Krebsov cyklus, nazývaný tiež cyklus trikarboxylových kyselín (TCA) alebo cyklus kyseliny citrónovej. K tomu dochádza v rámci mitochondrie, kde sa pyruvát premieňa na dvojuhlíkovú zlúčeninu acetyl koenzým A (CoA) a oxid uhličitý (CO₂).

Úlohou tohto osemstupňového cyklu je produkovať viac vysokoenergetických nosičov elektrónov pre následné reakcie - 3 NADH, jeden FADH₂ (redukovaný flavín adenín dinukleotid) a jeden GTP (guanozín trifosfát).

Keď tieto vstúpia do transportného reťazca elektrónov na mitochondriálnej membráne, proces nazývaný oxidačná fosforylácia posunie elektróny z týchto vysokoenergetické nosiče na molekuly kyslíka, pričom konečným výsledkom je produkcia 36 (alebo možno 38) molekúl ATP na molekulu glukózy „proti smeru“.

Oveľa vyššia účinnosť a výťažok aeróbneho metabolizmu vysvetľujú v podstate všetky základné rozdiely dnes medzi prokaryotami a eukaryotmi, z ktorých prvé predchádzali a predpokladá sa, že k nim došlo druhý.