Živa bitja, ki so sestavljena iz ene ali več posameznih celic, lahko razdelimo na prokarionti in evkarionti.
Skoraj vse celice se zanašajo nanje glukoza za njihove presnovne potrebe, prvi korak v razgradnji te molekule pa je vrsta reakcij, ki se imenujejo glikoliza (dobesedno, "delitev glukoze"). Pri glikolizi posamezna molekula glukoze opravi vrsto reakcij, da dobi par molekul piruvata in skromno količino energije v obliki adenozin trifosfat (ATP).
Končno ravnanje s temi izdelki pa se razlikuje od vrste celice do vrste celice. Prokariontski organizmi ne sodelujejo aerobno dihanje. To pomeni, da prokarionti ne morejo uporabljati molekularnega kisika (O2). Namesto tega se piruvat podvrže fermentacija (anaerobno dihanje).
Nekateri viri vključujejo glikolizo v procesu "celičnega dihanja" pri evkariontih, ker je neposredno pred aerobna dihanje (tj Krebsov cikel in oksidativno fosforilacijo v elektronska transportna veriga). Natančneje, glikoliza sama po sebi ni aerobni postopek zgolj zato, ker se ne zanaša na kisik in se pojavi, ne glede na to, ali2 je prisoten.
Ker pa je glikoliza a predpogoj aerobnega dihanja, saj oskrbuje piruvat za njegove reakcije, je naravno, da se hkrati naučimo obeh konceptov.
Kaj točno je glukoza?
Glukoza je šest-ogljikov sladkor, ki je najpomembnejši posamezni ogljikov hidrat v človeški biokemiji. Ogljikovi hidrati poleg kisika vsebujejo ogljik (C) in vodik (H), razmerje med C in H v teh spojinah pa je vedno 1: 2.
Sladkorji so manjši od ostalih ogljikovih hidratov, vključno s škrobom in celulozo. Pravzaprav je glukoza pogosto ponavljajoča se podenota, oz monomerv teh bolj zapletenih molekulah. Sama glukoza ni sestavljena iz monomerov in kot taka velja za monosaharid ("en sladkor").
Formula za glukozo je C6H12O6. Glavni del molekule je sestavljen iz šesterokotnega obroča, ki vsebuje pet atomov C in enega od atomov O. Šesti in zadnji atom C obstaja v stranski verigi z metilno skupino, ki vsebuje hidroksil (-CH2OH).
Pot glikolize
Proces glikoliza, ki poteka v celici citoplazmi, je sestavljen iz 10 posameznih reakcij.
Običajno si ni treba zapomniti imen vseh vmesnih proizvodov in encimov. Ampak, če imamo trden občutek za celotno sliko, je koristno. To ni samo zato, ker je glikoliza morda najpomembnejša reakcija v zgodovini življenja na Zemlji, ampak tudi zato, ker so koraki lepo ponazarjajo številne pogoste dogodke v celicah, vključno z delovanjem encimov med eksotermijo (energijsko ugodno) reakcije.
Ko glukoza vstopi v celico, nanjo vpliva encim heksokinaza in se fosforilira (to je fosfatna skupina, ki ji pogosto pišejo Pi). Ta ujame molekulo znotraj celice, tako da jo obdari z negativnim elektrostatičnim nabojem.
Ta molekula se preuredi v fosforilirano obliko fruktoze, ki nato opravi še en korak fosforilacije in postane fruktoza-1,6-bisfosfat. Nato se ta molekula razdeli na dve podobni molekuli s tremi ogljiki, od katerih se ena hitro pretvori v drugo, da dobimo dve molekuli gliceraldehid-3-fosfata.
Ta snov se preuredi v drugo dvojno fosforilirano molekulo, preden se zgodnji dodatek fosfatnih skupin obrne v zaporednih korakih. V vsakem od teh korakov je molekula adenozin difosfat (ADP) zgodi se z encimsko-substratnim kompleksom (ime za strukturo, ki jo tvori ne glede na molekulo, ki reagira, in encim, ki sproži reakcijo proti zaključku).
Ta ADP sprejema fosfat iz vsake prisotne molekule treh ogljikov. Sčasoma v citoplazmi sedita dve molekuli piruvata, ki sta pripravljeni na razporeditev na katero koli pot, ki jo celica zahteva, da vstopi ali jo lahko gosti.
Povzetek glikolize: vložki in izhodi
Edini pravi reagent glikolize je molekula glukoze. Med serijo reakcij se vneseta po dve molekuli ATP in NAD + (nikotinamid adenin dinukleotid, nosilec elektrona).
Pogosto boste videli celoten postopek celičnega dihanja, ki vsebuje glukozo in kisik kot reaktanta ter ogljikov dioksid in vodo kot produkta, skupaj s 36 (ali 38) ATP. Toda glikoliza je le prva serija reakcij, ki na koncu doseže vrhunec v aerobnem pridobivanju toliko energije iz glukoze.
Skupaj štiri molekule ATP nastanejo v reakcijah, ki vključujejo tri ogljikove komponente glikolize - dve med pretvorbo para molekul 1,3-bisfosfoglicerata v dve molekule 3-fosfoglicerata in dve med pretvorbo para molekul fosfoenolpiruvata v dve molekuli piruvata, ki predstavljata konec glikoliza. Vsi se sintetizirajo s fosforilacijo na ravni substrata, kar pomeni, da ATP prihaja iz neposrednega dodajanje anorganskega fosfata (Pi) ADP, namesto da bi nastalo kot posledica nekaterih drugih proces.
V zgodnji fazi glikolize sta potrebna dva ATP, najprej ko se glukoza fosforilira v glukoza-6-fosfat, nato pa dva koraka kasneje, ko se fruktoza-6-fosfat fosforilira v fruktoza-1,6-bisfosfat. Tako je neto dobiček ATP pri glikolizi kot rezultat ene molekule glukoze v postopku dve molekuli, ki si jo je enostavno zapomniti, če jo povežete s številom molekul piruvata ustvarjena.
Poleg tega se med pretvorbo gliceraldehid-3-fosfata v 1,3-bisfosfoglicerat dve molekuli NAD + zmanjšata na dve molekuli NADH, pri čemer slednji služi kot posredni vir energije, ker med drugim sodeluje v reakcijah aerobnih dihanje.
Skratka, neto donos glikolize je torej 2 ATP, 2 piruvata in 2 NADH. To je komaj dvajseta količina ATP, proizvedenega v aerobnem dihanju, ker pa so prokarionti praviloma veliko manjši in manj zapleteni kot evkarionti, z manjšimi presnovnimi zahtevami, da se ujemajo, kljub tej manj kot idealni zmožnosti shemo.
(Drug način za razumevanje tega je seveda pomanjkanje aerobno dihanje v bakterijah jim preprečuje, da bi se razvili v večja, raznolika bitja, kar je pomembno.)
Usoda izdelkov glikolize
Pri prokariontih je organizem, ko je pot glikolize končana, igral skoraj vsako presnovno karto, ki jo ima. Piruvat se lahko dalje presnovi v laktat fermentacijaali anaerobno dihanje. Namen fermentacije ni tvorjenje laktata, temveč regeneracija NAD + iz NADH, da se lahko uporablja pri glikolizi.
(Upoštevajte, da se to razlikuje od alkoholno vrenje, v katerem se etanol izdeluje iz piruvata pod delovanjem kvasa.)
Pri evkariontih večina piruvata vstopi v prvi sklop aerobnega dihanja: Krebsov cikel, imenovan tudi cikel trikarboksilne kisline (TCA) ali cikel citronske kisline. To se zgodi znotraj mitohondrije, kjer se piruvat pretvori v dvoogljično spojino acetil koencim A (CoA) in ogljikov dioksid (CO2).
Vloga tega osemstopenjskega cikla je ustvariti več visokoenergijskih elektronskih nosilcev za nadaljnje reakcije - 3 NADH, en FADH2 (zmanjšan flavin adenin dinukleotid) in en GTP (gvanozin trifosfat).
Ko ti vstopijo v verigo prenosa elektronov na mitohondrijski membrani, postopek, imenovan oksidativna fosforilacija, premakne elektrone iz teh visokoenergijski nosilci molekul kisika, končni rezultat pa je proizvodnja 36 (ali morda 38) molekul ATP na molekulo glukoze "gorvodno".
Precej večja učinkovitost in izkoristek aerobne presnove pojasnjujeta v bistvu vse osnovne razlike danes med prokarionti in evkarionti, pri čemer je nekdanji prejšnji in za katerega se domneva, da je povzročil slednje.