Hur man metaboliserar glukos för att göra ATP

Glukos, ett sex-kolsocker, är den grundläggande "input" i ekvationen som driver hela livet. Energi från utsidan omvandlas på något sätt till energi för cellen. Varje organism som lever, från din bästa vän till den lägsta bakterien, har celler som bränner glukos för bränsle på rotmetabolisk nivå.

Organismer skiljer sig åt i vilken utsträckning deras celler kan extrahera energi från glukos. I alla celler är denna energi i form av adenosintrifosfat (ATP).

Därför en sak alla levande celler har gemensamt är att de metaboliserar glukos för att göra ATP. En given glukosmolekyl som går in i en cell kan ha börjat som en biffmiddag, som ett vilddjurs byte, som växtmaterial eller som något annat.

Oavsett har olika matsmältnings- och biokemiska processer brutit ner alla multikolmolekyler i oavsett ämnen som organismen tar för näring till monosackaridsockret som kommer in i cellulärt metaboliskt ämne vägar.

Kemiskt, glukos är en hexos socker, hex är det grekiska prefixet för "sex", antalet kolatomer i glukos. Dess molekylformel är

Glukos är också en monosackarid i det är ett socker som endast innehåller en grundläggande enhet, eller monomer.Fruktos är ett annat exempel på en monosackarid, medan sackaroseller bordssocker (fruktos plus glukos), laktos (glukos plus galaktos) och maltos (glukos plus glukos) är disackarider.

Observera att förhållandet mellan kol, väte och syreatomer i glukos är 1: 2: 1. Alla kolhydrater visar faktiskt samma förhållande, och deras molekylformler är alla av formen C_nH_2nO_n.

ATP är en nukleosid, i detta fall adenosin, med tre fosfatgrupper fästa vid det. Detta gör det faktiskt en nukleotid, som en nukleosid är en pentos socker (antingen ribos eller deoxiribosKombinerad med en kvävebas (dvs. adenin, cytosin, guanin, tymin eller uracil), medan en nukleotid är en nukleosid med en eller flera fosfatgrupper bundna. Men terminologi åt sidan, det viktiga att veta om ATP är att den innehåller adenin, ribos och en kedja av tre fosfat (P) -grupper.

ATP görs via fosforylering av adenosindifosfat (ADP)och omvänt, när den terminala fosfatbindningen i ATP är hydrolyseradADP och P_i (oorganiskt fosfat) är produkterna. ATP betraktas som "energivaluta" för celler eftersom denna extraordinära molekyl används för att driva nästan varje metabolisk process.

Cellandningen är en uppsättning metaboliska vägar i eukaryota organismer som omvandlar glukos till ATP och koldioxid i närvaro syre, som avger vatten och producerar en mängd ATP (36 till 38 molekyler per investerad glukosmolekyl) bearbeta.

Den balanserade kemiska formeln för den totala nettoreaktionen, exklusive elektronbärare och energimolekyler, är:

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O

Cellandning inkluderar faktiskt tre distinkta och sekventiella vägar:

• Glykolys, som förekommer i alla celler och äger rum i cytoplasman och alltid är det första steget av glukosmetabolism (och i de flesta prokaryoter också det sista steget).
  
• De Krebs cyklar, även kallad tricarboxylsyra (TCA) cykel eller citronsyracykel, som utvecklas i mitokondriell matris.
• De elektron transport kedja, som äger rum på det inre mitokondriella membranet och genererar det mesta av ATP som produceras i cellulär andning.

De två senare av dessa steg är syreberoende och utgör tillsammans aerob andning. I diskussioner om eukaryot metabolism anses emellertid ofta glykolys, även om det inte beror på syre, vara en del "aerob andning"eftersom nästan hela dess huvudprodukt, pyruvatfortsätter med att gå in på de andra två vägarna.

Vid glykolys omvandlas glukos i en serie av 10 reaktioner till molekylen pyruvat, med en nettovinst av två ATP-molekyler och två molekyler av "elektronbäraren" nikotinamidadenindinukleotid (NADH). För varje glukemolekyl som kommer in i processen produceras två pyruvatmolekyler, eftersom pyruvat har tre kolatomer till glukos sex.

I det första steget fosforyleras glukos för att bli glukos-6-fosfat (G6P). Detta förbinder glukosen att metaboliseras snarare än att driva tillbaka ut genom cellmembranet, eftersom fosfatgruppen ger G6P en negativ laddning. Under de närmaste stegen ordnas molekylen om till ett annat sockerderivat och fosforyleras sedan en andra gång för att bli fruktos-1,6-bisfosfat.

Dessa tidiga steg av glykolys kräver en investering av två ATP eftersom detta är källan till fosfatgrupperna i fosforyleringsreaktionerna.

Fruktos-1,6-bisfosfat delas i två olika trekolmolekyler, som var och en bär sin egen fosfatgrupp; nästan alla dessa omvandlas snabbt till den andra, glyceraldehyd-3-fosfat (G3P). Från och med nu dupliceras allt eftersom det finns två G3P för varje glukos "uppströms".

Från denna punkt fosforyleras G3P i ett steg som också producerar NADH från den oxiderade formen NAD +, och sedan är de två fosfatgrupperna gett upp till ADP-molekyler i efterföljande omläggningssteg för att producera två ATP-molekyler tillsammans med slutkolprodukten av glykolys, pyruvat.

Eftersom detta händer två gånger per glukosmolekyl, producerar den andra halvan av glykolys fyra ATP för a netto vinst från glykolys av två ATP (eftersom två krävdes tidigt i processen) och två NADH.

I förberedande reaktion, efter att pyruvat genererat i glykolys hittar sin väg från cytoplasman in i mitokondriell matris, omvandlas det först till acetat (CH2)₃COOH-) och CO₂ (en avfallsprodukt i detta scenario) och sedan till en förening som kallas acetylkoenzym A, eller acetyl CoA. I denna reaktion genereras en NADH. Detta sätter scenen för Krebs-cykeln.

Denna serie med åtta reaktioner heter så eftersom en av reaktanterna i första steget, oxaloacetat, är också produkten i det sista steget. Krebs-cykelns uppgift är en leverantör snarare än en tillverkare: Den genererar bara två ATP per glukosmolekyl, men bidrar med ytterligare sex NADH och två av FADH₂, en annan elektronbärare och en nära släkting till NADH.

(Observera att detta betyder en ATP, tre NADH och en FADH₂per cykelvarv. För varje glukos som kommer in i glykolys kommer två molekyler av acetyl CoA in i Krebs-cykeln.)

Per glukos är energiförhållandet till denna punkt fyra ATP (två från glykolys och två från Krebs cykel), 10 NADH (två från glykolys, två från den förberedande reaktionen och sex från Krebs-cykeln) och två FADH₂ från Krebs-cykeln. Medan kolföreningarna i Krebs-cykeln fortsätter att snurra runt uppströms rör sig elektronbärarna från mitokondriell matris till mitokondriellt membran.

När NADH och FADH₂ frigöra sina elektroner, dessa används för att skapa en elektrokemisk gradient över mitokondriellt membran. Denna lutning används för att driva kopplingen av fosfatgrupper till ADP för att skapa ATP i en process som kallas oxidativ fosforylering, så benämnt eftersom den ultimata acceptorn för elektronerna som faller från elektronbärare till elektronbärare i kedjan är syre (O₂).

Eftersom varje NADH ger tre ATP och varje FADH₂ ger två ATP i oxidativ fosforylering, detta tillför (10) (3) + (2) (2) = 34 ATP till blandningen. Således en molekyl glukos kan ge upp till 38 ATP i eukaryota organismer.