Aká je úloha glukózy v bunkovom dýchaní?

Život na Zemi je mimoriadne rozmanitý, od najmenších baktérií žijúcich v termálnych prieduchoch až po honosné niekoľkotonové slony, ktoré žijú v Ázii. Ale všetky organizmy (živé bytosti) majú spoločné niekoľko základných charakteristík, medzi nimi napríklad potreba molekúl, z ktorých je možné odvodiť energiu. Proces získavania energie z externých zdrojov na rast, opravy, údržbu a reprodukciu je známy ako metabolizmus.

Všetky organizmy pozostávajú najmenej z jedného bunka (vaše vlastné telo obsahuje bilióny), čo je najmenšia neredukovateľná entita, ktorá zahŕňa všetky vlastnosti pripísané životu pomocou konvenčných definícií. Metabolizmus je jednou z takých vlastností, ako je schopnosť replikovať sa alebo sa inak reprodukovať. Každá bunka na planéte môže a môže využívať glukóza, bez ktorého by život na Zemi buď nikdy nevznikol, alebo by vyzeral úplne inak.

Glukóza má vzorec C.₆H₁₂O₆, čím molekula získala molekulovú hmotnosť 180 gramov na mol. (Všetky sacharidy majú všeobecný vzorec C._nH_2nO_n.) Vďaka tomu má glukóza zhruba rovnakú veľkosť ako najväčšie aminokyseliny.

Glukóza v prírode existuje ako šesťatómový kruh, ktorý je vo väčšine textov zobrazený ako šesťhranný. Päť z atómov uhlíka je zahrnutých v kruhu spolu s jedným z atómov kyslíka, zatiaľ čo šiesty atóm uhlíka je súčasťou hydroxymetylovej skupiny (-CH₂OH) pripojený k jednému z ďalších uhlíkov.

Aminokyseliny, ako napríklad glukóza, sú významnými monomérmi v biochémii. Len ako glykogén je zostavený z dlhých reťazcov glukózy, proteíny sú syntetizované z dlhých reťazcov aminokyselín. Aj keď existuje 20 odlišných aminokyselín s mnohými spoločnými znakmi, glukóza má iba jednu molekulárnu formu. Zloženie glykogénu je teda v podstate nemenné, zatiaľ čo proteíny sa od jedného k druhému veľmi líšia.

Metabolizmus glukózy za vzniku energie vo forme adenozíntrifosfátu (ATP) a CO₂ (oxid uhličitý, odpadový produkt v tejto rovnici) je známy ako bunkové dýchanie. Prvý z troch základných stupňov bunkového dýchania je glykolýza, séria 10 reakcií, ktoré nevyžadujú kyslík, zatiaľ čo posledné dva stupne sú Krebsov cyklus (tiež známy ako cyklus kyseliny citrónovej) a reťazec transportu elektrónov, ktoré vyžadujú kyslík. Spoločne sú tieto posledné dve etapy známe ako aeróbne dýchanie.

Bunkové dýchanie sa vyskytuje takmer úplne v eukaryoty (zvieratá, rastliny a huby). Prokaryotes (väčšinou jednobunkové domény, ktoré zahŕňajú baktérie a archea), získavajú energiu z glukózy, ale prakticky vždy iba zo samotnej glykolýzy. Z toho vyplýva, že prokaryotické bunky môžu generovať iba asi jednu desatinu energie na molekulu glukózy tak, ako to môžu eukaryotické bunky, ako je podrobne uvedené ďalej.

„Bunkové dýchanie“ a „aeróbne dýchanie“ sa často používajú zameniteľné pri diskusiách o metabolizme eukaryotických buniek. Rozumie sa, že glykolýza, aj keď je anaeróbnym procesom, takmer vždy pokračuje k posledným dvom krokom bunkového dýchania. Bez ohľadu na to, zhrnúť úlohu glukózy v bunkovom dýchaní: Bez nej sa dýchanie zastaví a nasledujú straty na životoch.

Enzýmy sú globulárne proteíny, ktoré pôsobia ako katalyzátory pri chemických reakciách. To znamená, že tieto molekuly pomáhajú urýchľovať reakcie, ktoré by inak stále prebiehali bez enzýmov, ale oveľa pomalšie - niekedy až o viac ako tisíc. Ak enzýmy pôsobia, na konci reakcie sa samy nezmenia, zatiaľ čo molekuly, na ktoré pôsobia, nazývané substráty, sa menia zámerne, s reaktanty ako je glukóza transformovaná na produkty ako CO₂.

Glukóza a ATP sa navzájom chemicky podobajú, ale využívajú energiu uloženú vo väzbách prvá molekula na zabezpečenie syntézy druhej molekuly vyžaduje značnú biochemickú akrobaciu bunka. Takmer každá bunková reakcia je katalyzovaná špecifickým enzýmom a väčšina enzýmov je špecifická pre jednu reakciu a jej substráty. Kombinovaná glykolýza, Krebsov cyklus a elektrónový transportný reťazec obsahujú asi dve desiatky reakcií a enzýmov.

Keď glukóza vstupuje do bunky difúziou cez plazmatickú membránu, je okamžite pripojená k fosfátovej (P) skupine, príp fosforylovaný. Toto zachytáva glukózu v bunke v dôsledku negatívneho náboja P. Táto reakcia, pri ktorej vzniká glukóza-6-fosfát (G6P), nastáva pod vplyvom enzýmu hexokináza. (Väčšina enzýmov končí na „-áza“, vďaka čomu je celkom ľahké vedieť, keď máte čo do činenia s jedným z biologických svetov.)

Odtiaľ je G6P preskupený do fosforylovaného typu cukru fruktóza, a potom sa pridá ďalšie P. Krátko nato sa šesťuhlíková molekula rozdelí na dve trojuhlíkové molekuly, každá s fosfátovou skupinou; tieto sa čoskoro pripravia na rovnakú látku, glyceraldehyd-3-fosfát (G-3-P).

Každá molekula G-3-P prechádza radom krokov preskupenia, aby sa mohla premeniť na trojuhlíkovú molekulu pyruvát, pričom sa v tomto procese vyrobia dve molekuly ATP a jedna molekula vysokoenergetického elektrónového nosiča NADH (redukovaného z nikotínamidadeníndinukleotidu alebo NAD +).

Prvá polovica glykolýzy spotrebuje v krokoch fosforylácie 2 ATP, zatiaľ čo druhá polovica poskytne celkovo 2 pyruvát, 2 NADH a 4 ATP. Pokiaľ ide o priamu výrobu energie, glykolýza teda vedie k 2 ATP na molekulu glukózy. To pre väčšinu prokaryotov predstavuje efektívny strop využitia glukózy. U eukaryotov sa glukózo-bunková respiračná šou iba začala.

Molekuly pyruvátu sa potom pohybujú z cytoplazmy bunky do vnútra nazývaných organely mitochondrie, ktoré sú uzavreté vlastnou dvojitou plazmatickou membránou. Tu sa pyruvát štiepi na CO₂ a acetát (CH₃COOH-) a acetát je zachytený zlúčeninou z triedy vitamínov B nazývanou koenzým A (CoA), aby sa z neho stal acetyl CoA, dôležitý dvojuhlíkový medziprodukt v rade bunkových reakcií.

Na vstup do Krebsovho cyklu reaguje acetyl CoA so štvoruhlíkovou zlúčeninou oxaloacetát formovať citrát. Pretože oxaloacetát je posledná molekula vytvorená v Krebsovej reakcii, ako aj substrát v prvej reakcii, séria získava popis „cyklus“. Cyklus zahŕňa celkom osem reakcií, ktoré redukujú šesťuhlíkový citrát na päťuhlíkovú molekulu a potom na sériu štvoruhlíkových medziproduktov pred ďalším príchodom na oxaloacetát.

Každá molekula pyruvátu vstupujúca do Krebsovho cyklu vedie k produkcii ďalších dvoch CO₂, 1 ATP, 3 NADH a jedna molekula elektrónového nosiča podobného NADH nazývaná flavín adenín dinukleotidalebo FADH₂.

• Krebsov cyklus môže pokračovať, iba ak reťazec transportu elektrónov pracuje v smere toku a zachytáva NADH a FADH₂ generuje. Ak teda bunka nemá k dispozícii kyslík, Krebsov cyklus sa zastaví.

NADH a FADH₂ presunúť na tento proces do vnútornej mitochondriálnej membrány. Úlohou reťazca je Oxidačná fosforylácia molekúl ADP, aby sa z nich stal ATP. Atómy vodíka z elektrónových nosičov sa používajú na vytvorenie elektrochemického gradientu cez mitochondriálnu membránu. Energia z tohto gradientu, ktorá sa spolieha na to, že kyslík nakoniec prijme elektróny, je využitá na napájanie syntézy ATP.

Každá molekula glukózy prispieva kdekoľvek od 36 do 38 ATP bunkovým dýchaním: 2 pri glykolýze, 2 v Krebsovom cykle a 32 až 34 (v závislosti od toho, ako sa to meria v laboratóriu) v transporte elektrónov reťaz.