Vad händer när glukos kommer in i en cell?

Glukos är ultimata källan till cellulärt bränsle för alla levande saker, med energin i dess kemiska bindningar som används för att syntetisera adenosintrifosfat (ATP) på olika sammankopplade och ömsesidigt beroende sätt. När en molekyl av detta sexkolos (dvs. hexos) socker passerar plasmamembranet i en cell från utsidan för att komma in i cytoplasman, är det omedelbart fosforylerad - det vill säga en fosfatgrupp, som bär en negativ elektrisk laddning, är bunden till en del av glukosmolekylen. Detta resulterar i en negativ nettoladdning på vad som sedan har blivit a glukos-6-fosfat molekyl, vilket förhindrar att den lämnar cellen.

Prokaryoter, som inkluderar Bakterier och Archaea-domänerna, har inte membranbundna organeller, inklusive mitokondrier det i eukaryoter värd Krebs-cykeln och den syreberoende elektrontransportkedjan. Som ett resultat deltar inte prokaryoter i aerob ("med syre") andning, utan i stället hämtar all sin energi från glykolys, den anaeroba processen som också fungerar före den aeroba andningen som utförs i eukaryota celler.

Eftersom glukos är bland de viktigaste molekylerna inom biokemi, och är utgångspunkten för den kanske viktigaste uppsättningen reaktioner i livets annaler på planeten Jorden, finns en kort diskussion om strukturen och beteendet hos denna molekyl ordning.

Också känd som glukos (vanligtvis med hänvisning till icke-biologiska system, såsom glukos tillverkad av majs) och blodsocker (med hänvisning till biologiska system, t ex i medicinska sammanhang), är glukos en sexkolmolekyl med den kemiska formeln C₆H₁₂O₆. I humant blod är den normala koncentrationen av glukos cirka 100 mg / dL. 100 mg är en tiondels gram, medan en dL är en tiondels liter; detta går upp till ett gram per liter, och eftersom den genomsnittliga personen har cirka 4 liter blod, mest människor har ungefär 4 g glukos i blodomloppet när som helst - bara ungefär en sjundedel av en uns.

Fem av sex kolatomer (C) i glukos sitter i sex-atom ring form att molekylen tar 99,98 procent av tiden i naturen. Den sjätte ringatomen är ett syre (O), med den sjätte C fäst vid en av ringen Cs som en del av en hydroximetyl (-CH₂ÅH) grupp. Det är vid hydroxyl- (-OH) -gruppen som oorganiskt fosfat (Pi) är fäst under fosforyleringsprocessen som fångar molekylen i cellcytoplasman.

Prokaryoter är små (den överväldigande majoriteten är encelliga) och enkla (den enda cellen som de flesta har saknar kärna och andra membranbundna organeller). Detta kan hindra dem från att vara lika eleganta och intressanta på de flesta sätt som eukaryoter, men det håller också deras bränslebehov relativt låga.

I både prokaryoter och eukaryoter är glykolys det första steget i metabolismen av glukos. Fosforyleringen av glukos vid dess inträde i en cell genom diffusion över plasmamembranet är det första steget i glykolys, vilket beskrivs i detalj i ett efterföljande avsnitt.

• Vissa bakterier kan metabolisera andra sockerarter än eller i tillägg till glukos, såsom sackaros, laktos eller maltos. Dessa sockerarter är disackarider, som kommer från grekiska för "två sockerarter." De inkluderar en monomer av glukos, som fruktos, en monosackarid, som en av deras två underenheter.

I slutet av glykolys har glukosmolekylen använts för att generera två tre-kol-pyruvatmolekyler, två molekyler av den så kallade högenergi-elektronbäraren nikotinamid-adenindinukleotid (NADH), och en nettovinst på två ATP-molekyler.

Vid denna punkt, i prokaryoter, går pyruvat vanligtvis i jäsning, en anaerob process med ett antal olika variationer som kommer att undersökas inom kort. Men vissa bakterier har utvecklat förmågan att utföra aerob andning i viss utsträckning och kallas fakultativa anaerober. Bakterier som endast kan hämta energi från glykolys kallas obligatoriska anaeroberoch många av dessa dödas faktiskt av syre. Ett fåtal bakterier är jämna obligatoriska aerober, vilket betyder att de, precis som du, har ett absolut krav på syre. Med tanke på att bakterier har haft cirka 3,5 miljarder år att anpassa sig till kraven på jordens skiftning miljö, bör det inte vara förvånande att de har befalt en rad grundläggande metabolisk överlevnad strategier.

Glykolys inkluderar 10 reaktioner, vilket är ett trevligt, runt nummer, men du behöver inte nödvändigtvis memorera alla produkter, mellanprodukter och enzymer i alla dessa steg. Istället, medan en del av denna minutia är rolig och användbar att veta, är det viktigare att få en känsla av Vad händer i glykolys överlag, och Varför det händer (både i grundläggande fysik och cellens behov).

Glykolys fångas upp i följande reaktion, som är summan av dess tio individuella reaktioner:

C₆H₁₂O₆ → 2 C₃H₄O₃ + 2 ATP + 2 NADH

På vanlig engelska, i glykolys, bryts en enda glukosmolekyl i två pyruvatmolekyler, och längs vägen tillverkas ett par bränslemolekyler och ett par "pre-fuel" -molekyler. ATP är den nästan universella valutan för energi i cellulära processer, medan NADH, den reducerade formen av NAD + eller nikotinamidadenindinukleotid, fungerar som en högenergi-elektronbärare som slutligen donerar dessa elektroner, i form av vätejoner (H +), till syremolekyler i slutet av elektron transport kedja i aerob metabolism, vilket resulterar i mycket mer ATP än glykolys ensam kan ge.

Fosforyleringen av glukos efter inträde i cytoplasman resulterar i glukos-6-fosfat (G-6-P). Fosfatet kommer från ATP och införlivas i glukosblad adenosindifosfat (ADP) bakom. Som nämnts fångar detta glukos i cellen.

Därefter omvandlas G-6-P till fruktos-6-fosfat (F-6-P). Detta är en isomerisering reaktion, eftersom reaktanten och produkten är isomerer av varandra - molekyler med samma antal av varje atomtyp, men med olika rumsliga arrangemang. I det här fallet har fruktosringen bara fem atomer. Enzymet som är ansvarigt för denna slags atomiska jongleringshandling kallas fosfoglukosisomeras. (De flesta enzymnamn, även om de ofta är besvärliga, är åtminstone perfekta.)

I den tredje reaktionen av glykolys omvandlas F-6-P till fruktos-1,6-bisfosfat (F-1,6-BP). I detta fosforyleringssteg kommer fosfatet igen från ATP, men den här gången tillsätts det till en annan kolatom. Det ansvariga enzymet är fosfofruktokinas (PFK).

• I många fosforyleringsreaktioner läggs fosfatgrupper till den fria änden av en befintlig fosfatgrupp, men inte i detta fall - därav "_bis_fosfat" snarare än "_di_fosfat."

I den fjärde reaktionen av glykolys delas F-1,6-BP-molekylen, som är ganska instabil på grund av dess dubbla dos av fosfatgrupper, av enzymet aldolas i de tre-kol, enda fosfat-gruppbärande molekylerna glyceraldehyd 3-fosfat (GAP) och dihydroxiacetonfosfat (DHAP). Dessa är isomerer, och DHAP omvandlas snabbt till GAP i det femte steget av glykolys med hjälp av ett tryck från enzymet triosfosfatisomeras (TIM).

I detta skede har den ursprungliga glukosmolekylen blivit två identiska tre-kol, enbart fosforylerade molekyler, till priset av två ATP. Från denna punkt framåt inträffar varje beskriven glykolysreaktion två gånger för varje glukosmolekyl som genomgår glykolys.

I den sjätte reaktionen av glykolys omvandlas GAP till 1,3-bisfosfoglycerat (1,3-BPG) under påverkan av glyceraldehyd 3-fosfatdehydrogenas. Dehydrogenasenzymer avlägsnar väteatomer (dvs. protoner). Vätet som frigörs från GAP fästs vid NAD + -molekylen, vilket ger NADH. Eftersom den första molekylen glukos uppströms har gett upphov till två molekyler av GAP, efter denna reaktion, två molekyler av NADH har skapats.

I den sjunde glykolysreaktionen är en av fosforyleringsreaktionerna vid tidig glykolys i själva verket omvänd. När enzymet fosfoglyceratkinas avlägsnar en fosfatgrupp från 1,3-BPG, resultatet är 3-fosfoglycerat (3-PG). De fosfater som har avlägsnats från de två 1,3-BPG-molekylerna är fästa vid en ADP för att bilda två ATP. Detta innebär att de två ATP "lånade" i steg ett och tre "returneras" i den sjunde reaktionen.

I steg åtta omvandlas 3-PG till 2-fosfoglycerat (2-PG) av fosfoglyceratmutas, som pendlar den återstående fosfatgruppen till en annan kolatom. Ett mutas skiljer sig från ett isomeras genom att det är mindre tungt i sin handling; snarare än att omorganisera strukturen för en molekyl, flyttar de bara en av dess sidogrupper till en ny plats och lämnar den totala ryggraden, ringen etc. som det var.

I den nionde reaktionen av glykolys omvandlas 2-PG till fosfoenolpyruvat (PEP) under åtgärd av enolas. En enol är en förening med en kol-kol-dubbelbindning i vilken ett av kolen också är bunden till en hydroxylgrupp.

Slutligen, den tionde och sista reaktionen av glykolys, omvandlas PEP till pyruvat tack vare enzymet pyruvatkinas. Fosfatgrupperna som avlägsnats från de två PEP är bundna till ADP-molekyler, vilket ger två ATP och två pyruvat, vars formel är (C₃H₄O₃) eller (CH₃) CO (COOH). Således ger den initiala, anaeroba behandlingen av en enda molekyl glukos två pyruvat, två ATP och två NADH-molekyler.

Pyruvatet som slutligen genereras genom inträde av glukos i celler kan ta en av två vägar. Om cellen är prokaryot, eller om cellen är eukaryot men tillfälligt kräver mer bränsle än aerob andning ensam kan ge (som till exempel i muskelceller under hård fysisk träning som sprintning eller lyftning av vikter), kommer pyruvat in i jäsning väg. Om cellen är eukaryot och dess energibehov är typiska, flyttar den pyruvat inuti mitokondrier och deltar i Krebs cyklar:

• Jäsning: Jäsning används ofta omväxlande med "anaerob andning", men i sanning är detta missvisande eftersom glykolys, som föregår jäsning, är också anaerob, även om den i allmänhet inte anses vara en del av andningen per se.
• Jäsning regenererar NAD + för användning i glykolys genom att omvandla pyruvat till laktat. Hela syftet med detta är att låta glykolys fortsätta i frånvaro av tillräckligt syre; en brist på NAD + lokalt skulle begränsa processen även när tillräckliga mängder substrat är närvarande.
• Aerob andning: Detta inkluderar Krebs cyklar och den elektron transport kedja.
• Krebs-cykeln: Här omvandlas pyruvat till acetylkoenzym A (acetyl CoA) och koldioxid (CO₂). Två-kolacetyl CoA kombineras med fyrkolet oxaloacetat för att bilda citrat, en sexkolmolekyl som sedan fortsätter genom ett "hjul" (cykel) med sex reaktioner som resulterar i två CO₂, en ATP, tre NADH och en reducerad flavinadenindinukleotid (FADH₂).
• Electron-transportkedjan: Här protonerna (H⁺ atomer) av NADH och FADH_₂_ från Krebs-cykeln används för att skapa en elektrokemisk gradient som driver syntesen av 34 (eller så) molekyler av ATP på det inre mitokondriella membranet. Syre fungerar som den slutliga acceptorn för elektronerna som "spill" från en förening till en annan, börjar hela vägen uppför kedjan av föreningar med glukos.