Kako presnavljati glukozo, da dobimo ATP

Glukoza, šestogljični sladkor, je temeljni "vložek" v enačbi, ki poganja vse življenje. Energija od zunaj se na nek način pretvori v energijo celice. Vsak živ organizem, od vašega najboljšega prijatelja do najnižje bakterije, ima celice, ki gorijo glukozo za gorivo na koreninski presnovni ravni.

Organizmi se razlikujejo po obsegu, v katerem lahko njihove celice črpajo energijo iz glukoze. V vseh celicah je ta energija v obliki adenozin trifosfat (ATP).

Zato ena stvar vsem živim celicam je skupno to, da presnavljajo glukozo, da tvorijo ATP. Dana molekula glukoze, ki vstopa v celico, bi se lahko začela kot večerja z zrezki, kot plen divjih živali, kot rastlinska snov ali kot kaj drugega.

Ne glede na to so različni prebavni in biokemični procesi razgradili vse molekule z več ogljikom v katerekoli snovi organizem zaužije za hrano monosaharidnemu sladkorju, ki vstopi v celični presnovni sistem poti.

Kemično, glukoza je heksoza sladkor, hex je grška predpona za "šest", število atomov ogljika v glukozi. Njegova molekulska formula je

Tudi glukoza je monosaharid v tem je sladkor, ki vključuje samo eno temeljno enoto, ali monomer.Fruktoza je še en primer monosaharida, medtem ko saharozaali namizni sladkor (fruktoza in glukoza), laktoza (glukoza in galaktoza) in maltoza (glukoza plus glukoza) so disaharidi.

Upoštevajte, da je razmerje atomov ogljika, vodika in kisika v glukozi 1: 2: 1. Vsi ogljikovi hidrati dejansko kažejo enako razmerje, njihove molekulske formule pa so v obliki C_nH_2nO_n.

ATP je a nukleozidv tem primeru adenozin, na katerega so pritrjene tri fosfatne skupine. Zaradi tega je dejansko nukleotid, saj je nukleozid a pentoza sladkor (bodisi riboza ali deoksiriboza) v kombinaciji z dušikovo bazo (tj. adenin, citozin, gvanin, timin ali uracil), medtem ko je nukleotid nukleozid z eno ali več pritrjenimi fosfatnimi skupinami. Toda na stran terminologija, kar je pomembno vedeti ATP je, da vsebuje adenin, ribozo in verigo treh fosfatnih (P) skupin.

ATP je narejen prek fosforilacija od adenozin difosfat (ADP)in obratno, kadar je končna fosfatna vez v ATP hidroliziran, ADP in P_jaz (anorganski fosfat) so proizvodi. ATP velja za "energijsko valuto" celic, saj se ta izredna molekula uporablja za pogon skoraj vseh presnovnih procesov.

Celično dihanje je nabor presnovnih poti v evkariontskih organizmih, ki v prisotnosti pretvori glukozo v ATP in ogljikov dioksid kisika, ki oddaja vodo in proizvaja veliko ATP (36 do 38 molekul na vloženo molekulo glukoze) v proces.

Uravnotežena kemijska formula za celotno neto reakcijo, brez elektronskih nosilcev in molekul energije, je:

C₆H₁₂O₆ + 6 O.₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O

Celično dihanje dejansko vključuje tri ločene in zaporedne poti:

• Glikoliza, ki se pojavi v vseh celicah in poteka v citoplazmi ter je vedno prvi korak presnove glukoze (in pri večini prokariontov tudi zadnji korak).
  
• The Krebsov cikel, imenovan tudi cikel trikarboksilne kisline (TCA) ali cikel citronske kisline, ki se odvija v matriki mitohondrijev.
• The elektronska transportna veriga, ki poteka na notranji mitohondrijski membrani in tvori večino ATP, proizvedenega v celičnem dihanju.

Slednji dve od teh stopenj sta odvisni od kisika in skupaj sestavljata aerobno dihanje. Pogosto pa v razpravah o evkariontskem metabolizmu velja, da je glikoliza, čeprav ni odvisna od kisika, del "aerobno dihanje"ker skoraj ves njen glavni izdelek, piruvat, vstopi na drugi dve poti.

Pri glikolizi se glukoza v seriji 10 reakcij pretvori v molekulo piruvat z a neto dobiček dveh molekul ATP in dve molekuli "nosilca elektrona" nikotinamid adenin dinukleotid (NADH). Za vsako molekulo glukoze, ki vstopi v proces, nastaneta dve molekuli piruvata, saj ima piruvat tri ogljikove atome do šest glukoznih.

V prvem koraku se glukoza fosforilira, da postane glukoza-6-fosfat (G6P). To povzroči, da se glukoza presnovi, namesto da bi se odplaknila nazaj skozi celična membrana, ker fosfatna skupina daje G6P negativni naboj. V naslednjih nekaj korakih se molekula preuredi v drug derivat sladkorja in nato drugič fosforilira, da postane fruktoza-1,6-bisfosfat.

Ti zgodnji koraki glikolize zahtevajo naložbo dveh ATP, ker je to vir fosfatnih skupin v reakcijah fosforilacije.

Fruktoza-1,6-bisfosfat se razcepi na dve različni molekuli treh ogljikov, od katerih ima vsaka svojo fosfatno skupino; skoraj eno od teh se hitro pretvori v drugo, gliceraldehid-3-fosfat (G3P). Od te točke naprej se torej vse podvaja, ker obstajata dva G3P za vsako glukozo "gorvodno".

Od tega trenutka se G3P fosforilira v koraku, ki proizvaja tudi NADH iz oksidirane oblike NAD +, nato pa se dve fosfatni skupini dani molekulam ADP v nadaljnjih korakih prerazporeditve, da dobimo dve molekuli ATP skupaj s končnim produktom ogljika glikolize, piruvat.

Ker se to zgodi dvakrat na molekulo glukoze, druga polovica glikolize proizvede štiri ATP za a mreža dobiček iz glikolize dveh ATP (ker sta bila dva potrebna v začetku procesa) in dveh NADH.

V pripravljalna reakcija, potem ko piruvat, ustvarjen v glikolizi, najde pot iz citoplazme v mitohondrijski matriks, se najprej pretvori v acetat (CH₃COOH-) in CO₂ (odpadni produkt v tem primeru) in nato v spojino, imenovano acetil koencim A, ali acetil CoA. V tej reakciji nastane NADH. To postavlja temelje za Krebsov cikel.

Ta serija osmih reakcij je tako poimenovana, ker je eden od reaktantov v prvem koraku, oksaloacetat, je tudi izdelek v zadnjem koraku. Naloga Krebsovega cikla je bolj dobavitelj kot proizvajalec: ustvari le dva ATP na molekulo glukoze, prispeva pa še šest NADH in dva FADH₂, drug nosilec elektrona in bližnji sorodnik NADH.

(Upoštevajte, da to pomeni en ATP, tri NADH in en FADH₂na zavoj cikla. Za vsako glukozo, ki vstopi v glikolizo, v Krebsov cikel vstopita dve molekuli acetil CoA.)

Na osnovi glukoze je energija do te točke štiri ATP (dva iz glikolize in dva iz Krebsa cikla), 10 NADH (dva iz glikolize, dva iz pripravljalne reakcije in šest iz Krebsovega cikla) ​​in dva FADH₂ iz Krebsovega cikla. Medtem ko se ogljikove spojine v Krebsovem ciklu še naprej vrtijo navzgor, se nosilci elektronov iz mitohondrijske matrike premaknejo v mitohondrijska membrana.

Ko NADH in FADH₂ sprostijo svoje elektrone, ti se uporabljajo za ustvarjanje elektrokemičnega gradienta čez mitohondrijsko membrano. Ta gradient se uporablja za povezovanje fosfatnih skupin z ADP za ustvarjanje ATP v postopku, imenovanem oksidativna fosforilacija, imenovan tako, ker je končni akceptor elektronov, ki se kaskadirajo od nosilca elektrona do nosilca elektrona v verigi, kisik (O₂).

Ker vsak NADH daje tri ATP in vsak FADH₂ v oksidativni fosforilaciji dobimo dva ATP, kar mešanici doda (10) (3) + (2) (2) = 34 ATP. Tako ena molekula glukoze lahko tvori do 38 ATP v evkariontski organizmi.