Kaj se zgodi, ko glukoza vstopi v celico?

Glukoza je končni vir celičnega goriva za vsa živa bitja, pri čemer se energija v njenih kemijskih vezah uporablja za sintezo adenozin trifosfat (ATP) na različne medsebojno povezane in soodvisne načine. Ko molekula tega šest-ogljikovega (tj. Heksoze) sladkorja prečka plazemsko membrano celice od zunaj, da vstopi v citoplazmo, je takoj fosforiliran - to pomeni, da je na del molekule glukoze pritrjena fosfatna skupina, ki nosi negativni električni naboj. Posledica tega je neto negativni naboj tistega, kar je nato postalo a glukoza-6-fosfat molekula, ki ji preprečuje, da bi zapustil celico.

Prokarionti, ki vključujejo domeni Bakterije in Arheje, nimajo membransko vezanih organelov, vključno z mitohondrije da v evkarionti gostitelj Krebsovega cikla in od kisika odvisne verige prenosa elektronov. Posledično prokarionti ne sodelujejo pri aerobnem (s kisikom) dihanju, temveč iz njih izvabijo skoraj vso svojo energijo od glikolize, anaerobni proces, ki deluje tudi pred aerobnim dihanjem v evkariontskih celicah.

Ker je glukoza med najpomembnejšimi molekulami v biokemiji in je izhodišče morda najbolj vitalnega sklopa reakcij v analih življenja na planetu Zemlja, je v kratki razpravi o strukturi in vedenju te molekule naročilo.

Poznan tudi kot dekstroza (običajno glede na nebiološke sisteme, kot je glukoza iz koruze) in krvni sladkor (glede na biološke sisteme, npr. v medicinskem kontekstu) je glukoza molekula s šestimi ogljiki s kemično formulo C₆H₁₂O₆. V človeški krvi je normalna koncentracija glukoze približno 100 mg / dl. 100 mg je desetina grama, dl pa desetina litra; to znaša do grama na liter in ker ima povprečen človek približno 4 litre krvi, večina ljudje imajo kadar koli v krvnem obtoku približno 4 g glukoze - le približno sedmino unčo.

Pet od šestih atomov ogljika (C) v glukozi sedi v šestatomski obroč obliki, ki ji molekula zasede 99,98 odstotkov časa v naravi. Šesti obročni atom je kisik (O), pri čemer je šesti C pritrjen na enega od obročnih Cs kot del a hidroksimetil (-CH₂OH) skupino. Pri hidroksilni (-OH) skupini je ta anorganski fosfat (Pi) je pritrjen med postopkom fosforilacije, ki ujame molekulo v celično plazmo.

Prokarionti so majhni (velika večina je enoceličnih) in preprosti (ena celica, ki jih ima večina, nima jedra in drugih organelov, vezanih na membrano). To jim morda preprečuje, da bi bili v večini način tako elegantni in zanimivi kot evkarionti, hkrati pa ohranja njihove potrebe po gorivu razmeroma nizke.

Tako pri prokariontih kot pri evkariontih je glikoliza prvi korak v presnovi glukoze. Fosforilacija glukoze ob vstopu v celico z difuzijo po plazemski membrani je prvi korak v glikolizi, ki je podrobno opisan v naslednjem poglavju.

• Nekatere bakterije lahko presnavljajo sladkorje, razen glukoze ali poleg nje, kot so saharoza, laktoza ali maltoza. Ti sladkorji so disaharidi, kar iz grščine pomeni "dva sladkorja". Vključujejo monomer glukoze, kot je fruktoza, monosaharid, kot ena od obeh podenot.

Na koncu glikolize smo molekulo glukoze uporabili za tvorbo dveh molekul tri-ogljikovega piruvata, dve molekuli tako imenovanega visokoenergijskega elektronskega nosilca nikotinamid adenin dinukleotida (NADH) in neto dobiček dveh molekul ATP.

Na tej točki pri prokariontih piruvat običajno vstopi v fermentacijo, anaerobni postopek s številnimi različicami, ki jih bomo kmalu raziskali. Toda nekatere bakterije so do neke mere razvile sposobnost aerobnega dihanja in jih imenujemo fakultativni anaerobi. Kličemo bakterije, ki lahko energijo pridobivajo samo iz glikolize obvezni anaerobiin mnoge od njih kisik dejansko ubije. Omejenih nekaj bakterij je celo obvezni aerobi, kar pomeni, da imajo tako kot vi absolutno potrebo po kisiku. Glede na to, da so imele bakterije približno 3,5 milijarde let časa, da se prilagodijo spremembam Zemlje ne preseneča, da so zapovedali vrsto osnovnih presnovnih preživetja strategije.

Glikoliza vključuje 10 reakcije, kar je lepa, okrogla številka, vendar vam ni treba nujno zapomniti vseh izdelkov, intermediatov in encimov v vseh teh korakih. Namesto tega, čeprav je nekaj teh detajlov zabavno in koristno vedeti, je bolj pomembno, da si pridobite občutek kaj se zgodi pri glikolizi na splošno in zakaj to se zgodi (tako v smislu osnovne fizike kot tudi potreb celice).

Glikoliza je zajeta v naslednji reakciji, kar je vsota njenih 10 posameznih reakcij:

C₆H₁₂O₆ → 2 C₃H₄O₃ + 2 ATP + 2 NADH

Preprosto angleško se pri glikolizi ena molekula glukoze razdeli na dve molekuli piruvata, na poti pa nastane nekaj molekul goriva in par molekul "pred gorivom". ATP je skoraj univerzalna valuta za energijo v celičnih procesih, medtem ko NADH, zmanjšana oblika NAD + ali nikotinamid adenin dinukleotid, deluje kot visokoenergijski elektronski nosilec, ki na koncu te elektrone v obliki vodikovih ionov (H +) donira molekulam kisika na koncu od elektronska transportna veriga v aerobna presnova, kar ima za posledico veliko več ATP, kot ga lahko zagotovi samo glikoliza.

Fosforilacija glukoze po vstopu v citoplazmo povzroči glukoza-6-fosfat (G-6-P). Fosfat prihaja iz ATP in njegova vključitev v glukozne liste adenozin difosfat (ADP) zadaj. Kot smo že omenili, to ujame glukozo v celico.

Nato se G-6-P pretvori v fruktoza-6-fosfat (F-6-P). To je izomerizacija reakcija, ker sta reaktant in produkt medsebojna izomera - molekuli z enakim številom vsake vrste atomov, vendar z različnimi prostorskimi ureditvami. V tem primeru ima obroček fruktoze le pet atomov. Imenuje se encim, ki je odgovoren za tovrstno atomsko žongliranje fosfoglukoza izomeraza. (Večina imen encimov, čeprav so pogosto okorna, ima vsaj popoln smisel.)

V tretji reakciji glikolize se F-6-P pretvori v fruktoza-1,6-bisfosfat (F-1,6-BP). V tem koraku fosforilacije fosfat spet prihaja iz ATP, vendar je tokrat dodan drugemu ogljikovemu atomu. Odgovorni encim je fosfofruktokinaza (PFK).

• V mnogih reakcijah fosforilacije se fosfatne skupine dodajo na prosti konec obstoječe fosfatne skupine, vendar ne v tem primeru - torej "_bis_fosfat" in ne "_di_fosfat".

V četrti reakciji glikolize encim razcepi molekulo F-1,6-BP, ki je zaradi dvojnega odmerka fosfatnih skupin precej nestabilna. aldolaze v molekule, ki prenašajo eno fosfatno skupino s tremi ogljiki gliceraldehid 3-fosfat (GAP) in dihidroksiaceton fosfat (DHAP). To so izomeri in DHAP se s potiskom encima hitro pretvori v GAP v petem koraku glikolize. trioza fosfat izomeraza (TIM).

Na tej stopnji je prvotna molekula glukoze postala enaka tri ogljikova, enojno fosforilirana molekula, za ceno dveh ATP. Od te točke naprej se vsaka opisana reakcija glikolize dvakrat zgodi za vsako molekulo glukoze, ki je podvržena glikolizi.

V šesti reakciji glikolize se GAP pretvori v 1,3-bisfosfoglicerat (1,3-BPG) pod vplivom gliceraldehid 3-fosfat dehidrogenaza. Encimi dehidrogenaze odstranjujejo vodikove atome (tj. Protone). Vodik, ki se sprosti iz GAP, se veže na molekulo NAD + in daje NADH. Ker je začetna molekula glukoze gorvodno povzročila dva molekule GAP, po tej reakciji, dva so bile ustvarjene molekule NADH.

V sedmi reakciji glikolize je ena od reakcij fosforilacije zgodnje glikolize pravzaprav obrnjena. Ko encim fosfoglicerat kinaza odstrani fosfatno skupino iz 1,3-BPG, rezultat je 3-fosfoglicerat (3-PG). Fosfati, ki so bili odstranjeni iz dveh molekul 1,3-BPG, se dodajo v ADP in tvorijo dva ATP. To pomeni, da sta dva ATP "izposojena" v prvem in tretjem koraku "vrnjena" v sedmi reakciji.

V osmem koraku se 3-PG pretvori v 2-fosfoglicerat (2-PG) avtor fosfoglicerat mutaza, ki eno preostalo fosfatno skupino preusmeri na drug atom ogljika. Mutaza se od izomeraze razlikuje po tem, da je manj težka pri svojem delovanju; namesto da bi preuredili strukturo molekule, le premaknejo eno od njenih stranskih skupin na novo mesto, pri čemer ostane celotna hrbtenica, obroč itd. kot je bilo.

V deveti reakciji glikolize se 2-PG pretvori v fosfoenolpiruvat (PEP) pod akcijo enolaza. Enol je spojina z dvojno vezjo ogljik-ogljik, v kateri je eden izmed ogljikov vezan tudi na hidroksilno skupino.

Končno, deseta in zadnja reakcija glikolize, se PEP po zaslugi encima spremeni v piruvat piruvat kinaza. Fosfatne skupine, odstranjene iz dveh PEP, so vezane na molekule ADP, pri čemer dobimo dva ATP in dva piruvata, katerih formula je (C₃H₄O₃) ali (CH₃) CO (COOH). Tako pri začetni anaerobni obdelavi ene molekule glukoze dobimo dve molekuli piruvata, dve ATP in dve NADH.

Piruvat, ki na koncu nastane z vstopom glukoze v celice, ima lahko eno od dveh poti. Če je celica prokariontska ali če je celica evkariontska, vendar začasno potrebuje več goriva, kot jo lahko zagotovi samo aerobno dihanje (tako kot na primer v mišičnih celicah med težko fizično vadbo, kot je sprint ali dvigovanje uteži), piruvat vstopi v fermentacijo pot. Če je celica evkariontska in so njene energijske potrebe značilne, premakne piruvat v mitohondrije in sodeluje pri Krebsov cikel:

• Fermentacija: Fermentacija se pogosto uporablja zamenljivo z "anaerobnim dihanjem", v resnici pa je to zavajajoče, ker glikoliza, ki je pred fermentacijo, je tudi anaerobna, čeprav se na splošno ne šteje za del se.
• Fermentacija regenerira NAD + za uporabo pri glikolizi s pretvorbo piruvata v laktat. Celoten namen tega je omogočiti nadaljevanje glikolize brez pomanjkanja kisika; lokalno pomanjkanje NAD + bi omejilo postopek, tudi če so prisotne ustrezne količine substrata.
• Aerobno dihanje: To vključuje Krebsov cikel in elektronska transportna veriga.
• Krebsov cikel: Tu se piruvat pretvori v acetil koencim A (acetil CoA) in ogljikov dioksid (CO₂). Dvoogljični acetil CoA se kombinira s štirimi ogljiki oksaloacetat da tvori citrat, molekulo s šestimi ogljiki, ki nato poteka skozi "kolo" (cikel) šestih reakcij, ki povzročijo dve CO₂, en ATP, tri NADH in en reducirani flavin adenin dinukleotid (FADH₂).
• Transportna veriga Electron: Tu so protoni (H⁺ atomi) NADH in FADH_₂_ iz Krebsovega cikla se uporabljajo za ustvarjanje elektrokemičnega gradienta, ki poganja sintezo 34 (ali tako) molekul ATP na notranji mitohondrijski membrani. Kisik služi kot končni akceptor elektronov, ki se "prelijejo" iz ene spojine v drugo in začnejo v verigi spojin z glukozo navzgor.