Каква је улога глукозе у ћелијском дисању?

Живот на Земљи је изузетно разнолик, од најситнијих бактерија које живе у термалним вентилационим вентилацијама до дивних вишетонских слонова који свој дом чине у Азији. Али сви организми (жива бића) имају низ заједничких основних карактеристика, међу којима је и потреба за молекулима из којих могу да добију енергију. Процес извлачења енергије из спољних извора за раст, поправку, одржавање и репродукцију познат је као метаболизма.

Сви организми се састоје од најмање једног ћелија (ваше тело укључује билијуне), што је најмањи несводиви ентитет који укључује сва својства приписана животу користећи конвенционалне дефиниције. Метаболизам је једно такво својство, као и способност реплицирања или репродукције на други начин. Свака ћелија на планети може и користи се глукоза, без којих живот на Земљи или никада не би настао или би изгледао сасвим другачије.

Глукоза има формулу Ц.₆Х.₁₂О.₆, дајући молекулу молекулску масу од 180 грама по молу. (Сви угљени хидрати имају општу формулу Ц._нХ._2нО._н.) То чини глукозу отприлике исте величине као и највеће аминокиселине.

Глукоза у природи постоји као прстен са шест атома, који је у већини текстова приказан као хексагонални. Пет атома угљеника је укључено у прстен заједно са једним од атома кисеоника, док је шести атом угљеника део хидроксиметилне групе (-ЦХ₂ОХ) везан за један од осталих угљеника.

Аминокиселине, попут глукозе, су истакнути мономери у биохемији. Баш као гликоген се саставља из дугих ланаца глукозе, протеини се синтетишу из дугих ланаца аминокиселина. Иако постоји 20 различитих аминокиселина са бројним заједничким особинама, глукоза долази у само једном молекуларном облику. Стога је састав гликогена у основи непроменљив, док се протеини увелико разликују од једног до другог.

Метаболизам глукозе даје енергију у облику аденозин трифосфата (АТП) и ЦО₂ (угљен-диоксид, отпадни производ у овој једначини) познат је као ћелијско дисање. Прва од три основне фазе ћелијског дисања је гликолиза, серија од 10 реакција којима није потребан кисеоник, док су последње две фазе Кребсов циклус (такође познат као циклус лимунске киселине) и ланац за транспорт електрона, којима је потребан кисеоник. Ове две последње фазе су заједно познате као аеробик дисање.

Ћелијско дисање се готово у потпуности јавља у еукариоти (животиње, биљке и гљиве). Прокариоти (углавном једноћелијски домени који укључују бактерије и археје) енергију добијају из глукозе, али практично увек само из гликолизе. Импликација је да прокарионтске ћелије могу да генеришу само око једне десетине енергије по молекулу глукозе као што то могу еукариотске ћелије, као што је касније детаљно објашњено.

„Ћелијско дисање“ и „аеробно дисање“ често се користе наизменично када се расправља о метаболизму еукариотских ћелија. Разуме се да гликолиза, иако анаеробни процес, готово увек прелази на последња два корака ћелијског дисања. Без обзира на то, да сумирамо улогу глукозе у ћелијском дисању: Без ње дисање престаје и следи губитак живота.

Ензими су глобуларни протеини који делују као катализатори у хемијским реакцијама. То значи да ови молекули помажу убрзавању реакција које би се и даље одвијале без ензима, али много спорије - понекад и преко хиљаду пута. Када ензими делују, они се сами не мењају на крају реакције, док се молекули на које делују, названи супстрати, мењају дизајном, са реактанти као што је глукоза трансформисана у производе као што је ЦО₂.

Глукоза и АТП имају неку хемијску сличност, али користећи енергију ускладиштену у везама претходни молекул за покретање синтезе другог молекула захтева значајне биохемијске акробације Ћелија. Готово сваку ћелијску реакцију катализује одређени ензим, а већина ензима је специфична за једну реакцију и њене супстрате. Гликолиза, Кребсов циклус и ланац транспорта електрона, комбиновани, садрже око два десетина реакција и ензима.

Када глукоза уђе у ћелију дифузијом кроз плаземску мембрану, она се одмах веже за фосфатну (П) групу, или фосфорилирани. Ово заробљава глукозу у ћелији због негативног наелектрисања П. Ова реакција, која производи глукоза-6-фосфат (Г6П), јавља се под утицајем ензима хексокиназа. (Већина ензима завршава са „-асе“, чинећи прилично једноставним да се сазна када имате посла са неким у биолошком свету.)

Одатле се Г6П преуређује у фосфорилирани тип шећера фруктоза, а затим се додаје још један П. Убрзо након тога молекул од шест угљеника се дели на два молекула са три угљеника, сваки са фосфатном групом; они се убрзо распоређују у исту супстанцу, глицералдехид-3-фосфат (Г-3-П).

Сваки молекул Г-3-П пролази низ корака преуређивања да би се претворио у молукулу од три угљеника пируват, производећи два молекула АТП и један молекул високоенергетског носача електрона НАДХ (редукованог из никотинамид аденин динуклеотида или НАД +) у процесу.

Прва половина гликолизе троши 2 АТП у фазама фосфорилације, док друга половина даје укупно 2 пирувата, 2 НАДХ и 4 АТП. У погледу директне производње енергије, гликолиза тако резултира 2 АТП по молекулу глукозе. Ово за већину прокариота представља ефективни горњи ниво употребе глукозе. Код еукариота емисија глукозно-ћелијског дисања тек је започела.

Молекули пирувата се затим крећу из цитоплазме ћелије у унутрашњост тзв митохондрије, који су затворени сопственом двоструком плазма мембраном. Овде се пируват дели на ЦО₂ и ацетат (ЦХ₃ЦООХ-), а ацетат граби једињење из класе Б-витамина звано коензим А (ЦоА) да би постало ацетил ЦоА, важан међу угљеник међупродукт у низу ћелијских реакција.

Да би ушао у Кребсов циклус, ацетил ЦоА реагује са једињењем од четири угљеника оксалоацетат да се формира цитрат. Будући да је оксалоацетат последњи молекул створен у Кребсовој реакцији, као и супстрат у првој реакцији, серија доноси опис „циклус“. Циклус укључује укупно осам реакција које редукују шестокарбонски цитрат у молекул са пет угљеника, а затим у серију интермедијера од четири угљеника пре него што поново дођу у оксалоацетат.

Сваки молекул пирувата који улази у Кребсов циклус резултира производњом још два ЦО₂, 1 АТП, 3 НАДХ и један молекул носача електрона сличан НАДХ флавин аденин динуклеотид, или ФАДХ₂.

• Кребсов циклус може да се настави само ако ланац транспорта електрона делује низводно да покупи НАДХ и ФАДХ₂ генерише. Дакле, ако ћелији није доступан кисеоник, Кребсов циклус се зауставља.

НАДХ и ФАДХ₂ пређите на унутрашњу мембрану митохондрија за овај процес. Улога ланца је оксидативне фосфорилације молекула АДП да постану АТП. Атоми водоника из носача електрона користе се за стварање електрохемијског градијента преко митохондријске мембране. Енергија из овог градијента, који се ослања на кисеоник да би на крају примио електроне, искоришћена је за покретање синтезе АТП.

Сваки молекул глукозе доприноси од 36 до 38 АТП ћелијским дисањем: 2 у гликолизи, 2 у Кребсовом циклусу и 32 до 34 (у зависности од тога како се ово мери у лабораторији) у транспорту електрона ланац.