Kakšna je vloga glukoze v celičnem dihanju?

Življenje na Zemlji je izjemno raznoliko, od najmanjših bakterij, ki živijo v termičnih odprtinah, do čudovitih večtonskih slonov, ki so svoj dom postavili v Aziji. Toda vsi organizmi (živa bitja) imajo številne skupne skupne značilnosti, med njimi tudi potrebo po molekulah, iz katerih lahko pridobivajo energijo. Postopek pridobivanja energije iz zunanjih virov za rast, popravilo, vzdrževanje in razmnoževanje je znan kot presnovo.

Vsi organizmi so sestavljeni iz vsaj enega celica (vaše telo vključuje bilijone), kar je najmanjša nesvodljiva entiteta, ki vključuje vse lastnosti, pripisane življenju z običajnimi definicijami. Presnova je ena takih lastnosti, kot tudi sposobnost ponovitve ali drugačnega razmnoževanja. Vsaka celica na planetu to lahko in tudi izkoristi glukoza, brez katere življenje na Zemlji ne bi nikoli nastalo ali pa bi izgledalo zelo drugače.

Glukoza ima formulo C.₆H₁₂O₆, ki molekuli daje molekulsko maso 180 gramov na mol. (Vsi ogljikovi hidrati imajo splošno formulo C_nH_2nO_n.) Zaradi tega je glukoza približno enake velikosti kot največje aminokisline.

Glukoza v naravi obstaja kot šestatomski obroč, ki je v večini besedil upodobljen kot šesterokoten. Pet atomov ogljika je vključenih v obroč skupaj z enim od atomov kisika, medtem ko je šesti atom ogljika del hidroksimetilne skupine (-CH₂OH), pritrjen na enega od drugih ogljikov.

Aminokisline, tako kot glukoza, so pomembni monomeri v biokemiji. Tako kot glikogen je sestavljen iz dolgih verig glukoze, beljakovine pa se sintetizirajo iz dolgih verig aminokislin. Čeprav obstaja 20 različnih aminokislin s številnimi skupnimi značilnostmi, glukoza prihaja v samo eni molekularni obliki. Tako je sestava glikogena v bistvu nespremenjena, medtem ko se beljakovine med seboj zelo razlikujejo.

Presnova glukoze daje energijo v obliki adenozin trifosfata (ATP) in CO₂ (ogljikov dioksid, odpadni produkt v tej enačbi) je znan kot celično dihanje. Prva od treh osnovnih stopenj celičnega dihanja je glikoliza, serija 10 reakcij, ki ne potrebujejo kisika, zadnji dve fazi pa sta Krebsov cikel (znan tudi kot cikel citronske kisline) in elektronska transportna veriga, ki resnično potrebujejo kisik. Skupaj sta ti zadnji dve stopnji znani kot aerobno dihanje.

Celično dihanje se skoraj v celoti pojavi v evkarionti (živali, rastline in glive). Prokarionti (večinoma enocelične domene, ki vključujejo bakterije in arheje) energijo pridobivajo iz glukoze, vendar skoraj vedno samo iz glikolize. Posledica tega je, da lahko prokariontske celice ustvarijo le približno desetino energije na molekulo glukoze kot evkariontske celice, kot je podrobneje opisano kasneje.

"Celično dihanje" in "aerobno dihanje" se pogosto uporabljata med seboj pri razpravi o presnovi evkariontskih celic. Razume se, da glikoliza, čeprav anaerobni proces, skoraj vedno nadaljuje do zadnjih dveh korakov celičnega dihanja. Ne glede na to, če povzamemo vlogo glukoze v celičnem dihanju: brez nje se dihanje ustavi in ​​sledi izguba življenja.

Encimi so kroglasti proteini, ki delujejo kot katalizatorji v kemijskih reakcijah. To pomeni, da te molekule pomagajo pospešiti reakcije, ki bi sicer še vedno potekale brez encimov, vendar veliko počasneje - včasih tudi za več kot tisočkrat. Ko encimi delujejo, se na koncu reakcije sami ne spremenijo, medtem ko se molekule, na katere delujejo, imenovane substrati, spremenijo po zasnovi, z reaktanti kot je glukoza, pretvorjena v izdelke, kot je CO₂.

Glukoza in ATP sta med seboj nekoliko kemično podobna, vendar z uporabo energije, shranjene v vezi prva molekula za pogon sinteze druge molekule zahteva precejšnje biokemične akrobacije celica. Skoraj vsako celično reakcijo katalizira določen encim, večina encimov pa je specifičnih za eno reakcijo in njene substrate. Glikoliza, Krebsov cikel in veriga prenosa elektronov skupaj vključujejo približno dva ducata reakcij in encimov.

Ko glukoza vstopi v celico z difuzijo skozi plazemsko membrano, se takoj veže na fosfatno (P) skupino, oz fosforiliran. Ta ujame glukozo v celici zaradi negativnega naboja P. Ta reakcija, ki tvori glukozo-6-fosfat (G6P), poteka pod vplivom encima heksokinaza. (Večina encimov se konča z "-ase", zaradi česar je dokaj enostavno vedeti, kdaj se ukvarjate z enim v svetu biologije.)

Od tam se G6P preuredi v fosforiliran tip sladkorja fruktoza, nato pa se doda še en P. Kmalu zatem se molekula šest ogljika razdeli na dve molekuli s tremi ogljiki, vsaka s fosfatno skupino; ti se kmalu razvrstijo v isto snov, gliceraldehid-3-fosfat (G-3-P).

Vsaka molekula G-3-P gre skozi vrsto korakov prerazporeditve, ki se pretvori v mokulo s tremi ogljiki piruvat, pri čemer v procesu nastaneta dve molekuli ATP in ena molekula visokoenergijskega elektronskega nosilca NADH (reduciranega iz nikotinamid adenin dinukleotida ali NAD +).

Prva polovica glikolize porabi 2 ATP v korakih fosforilacije, druga polovica pa skupno 2 piruvata, 2 NADH in 4 ATP. Kar zadeva neposredno proizvodnjo energije, glikoliza tako povzroči 2 ATP na molekulo glukoze. To za večino prokariontov predstavlja dejansko zgornjo mejo izkoristka glukoze. Pri evkariontih se razstava glukozno-celičnega dihanja šele začne.

Nato se molekule piruvata iz citoplazme celice premaknejo v notranjost imenovanih organelov mitohondrije, ki so zaprti z lastno dvojno plazemsko membrano. Tu se piruvat razdeli na CO₂ in acetat (CH₃COOH-) in acetat zgrabi spojina iz razreda vitaminov B, imenovana koencim A (CoA), da postane acetil CoA, pomemben dvoogljični intermediat v vrsti celičnih reakcij.

Za vstop v Krebsov cikel acetil CoA reagira s spojino s štirimi ogljiki oksaloacetat oblikovati citrat. Ker je oksaloacetat zadnja molekula, ustvarjena v Krebsovi reakciji, in tudi substrat v prvi reakciji, serija zasluži opis "cikel". Cikel vključuje skupno osem reakcij, ki šest-ogljikov citrat reducirajo v molekulo s petimi ogljiki in nato v vrsto intermediatov s štirimi ogljiki, preden spet prispejo na oksaloacetat.

Vsaka molekula piruvata, ki vstopi v Krebsov cikel, povzroči nastanek še dveh CO₂, 1 ATP, 3 NADH in ena molekula elektronskega nosilca, podobnega NADH flavin adenin dinukleotidali FADH₂.

• Krebsov cikel se lahko nadaljuje le, če veriga prenosa elektronov deluje navzdol za prevzem NADH in FADH₂ ustvarja. Če torej celici ni na voljo kisika, se Krebsov cikel ustavi.

NADH in FADH₂ za ta postopek se premaknite na notranjo mitohondrijsko membrano. Vloga verige je oksidativna fosforilacija molekul ADP, da postanejo ATP. Atomi vodika iz elektronskih nosilcev se uporabljajo za ustvarjanje elektrokemičnega gradienta čez mitohondrijsko membrano. Energija iz tega gradienta, ki je odvisen od kisika, da končno sprejme elektrone, je izkoriščena za pogon sinteze ATP.

Vsaka molekula glukoze s celičnim dihanjem prispeva od 36 do 38 ATP: 2 v glikolizi, 2 v Krebsovem ciklu in 32 do 34 (odvisno od tega, kako se to meri v laboratoriju) v elektronskem transportu veriga.