Vad är den viktigaste källan till cellenergi?

Du har antagligen förstått sedan du var ung att maten du äter måste bli "något" mycket mindre än den maten för vad som helst "i" mat för att kunna hjälpa din kropp. När det händer, mer specifikt, en enda molekyl av en typ av kolhydrat klassificeras som en socker är den ultimata källan till bränsle i någon metabolisk reaktion som inträffar i någon cell när som helst.

Den molekylen är glukos, en sexkolmolekyl i form av en taggig ring. I alla celler träder det in glykolysoch i mer komplexa celler deltar den också i jäsning, fotosyntes och cellandningen i varierande grad i olika organismer.

Men ett annat sätt att svara på frågan "Vilken molekyl används av celler som energikälla?" tolkar det som, "Vilken molekyl direkt driver cellens egna processer? "

Den "drivande" molekylen, som liksom glukos är aktiv i alla celler, är ATP, eller adenosintrifosfat, en nukleotid som ofta kallas "energin valuta av celler." Vilken molekyl ska du tänka på när du frågar dig själv: "Vilken molekyl är bränslet för alla celler?" Är det glukos eller ATP?

Att svara på denna fråga liknar att förstå skillnaden mellan att säga "Människor får fossila bränslen från marken" och "Människor blir fossila bränslenergi från koldrivna anläggningar. ”Båda uttalandena är sanna, men tar upp olika steg i metabolismens energiomvandlingskedja reaktioner. I levande saker, glukos är det grundläggande näringsämne, men ATP är grundläggande bränsle.

Alla levande saker tillhör en av två breda kategorier: prokaryoter och eukaryoter. Prokaryoter är de encelliga organismerna i det taxonomiska domäner Bakterier och Archaea, medan eukaryoter alla faller inom domänen Eukaryota, som inkluderar djur, växter, svampar och protister.

Prokaryoter är små och enkla jämfört med eukaryoter; deras celler är motsvarande mindre komplexa. I de flesta fall är en prokaryot cell samma sak som en prokaryot organism, och energibehovet hos en bakterie är mycket lägre än de för någon eukaryot cell.

Prokaryota celler har samma fyra komponenter som finns i alla celler i den naturliga världen: DNA, ett cellmembran, cytoplasma och ribosomer. Deras cytoplasma innehåller alla enzymer som behövs för glykolys, men frånvaron av mitokondrier och kloroplaster innebär att glykolys egentligen är den enda metaboliska vägen för prokaryoter.

Läs mer om likheter och skillnader mellan prokaryota och eukaryota celler.

Glukos är ett sex-kolsocker i form av en ring, representerad i diagram med en sexkantig form. Dess kemiska formel är C₆H₁₂O₆vilket ger det ett C / H / O-förhållande av 1: 2: 1; detta är faktiskt sant, eller alla biomolekyler klassificerade som kolhydrater.

Glukos anses vara en monosackarid, vilket innebär att det inte kan reduceras till olika, mindre sockerarter genom att bryta vätebindningar mellan olika komponenter. Fruktos är en annan monosackarid; sackaros (bordssocker), som framställs genom sammanfogning av glukos och fruktos, anses vara en disackarid.

Glukos kallas också "blodsocker", eftersom det är denna förening vars koncentration mäts i blodet när en klinik eller ett sjukhuslaboratorium bestämmer en patients metaboliska status. Det kan infunderas direkt i blodomloppet i intravenösa lösningar eftersom det inte kräver någon nedbrytning innan det kommer in i kroppsceller.

ATP är en nukleotid, vilket betyder att den består av en av fem olika kvävebaser, ett kolsocker som kallas ribos och en till tre fosfatgrupper. Baserna i nukleotider kan vara antingen adenin (A), cytosin (C), guanin (G), tymin (T) eller uracil (U). Nukleotider är byggstenarna för nukleinsyrorna DNA och RNA; A, C och G finns i båda nukleinsyrorna, medan T endast finns i DNA och U endast i RNA.

"TP" i ATP står, som du har sett, för "trifosfat" och indikerar att ATP har det maximala antalet fosfatgrupper som en nukleotid kan ha - tre. Det mesta ATP tillverkas genom att en fosfatgrupp fästs vid ADP eller adenosindifosfat, en process som kallas fosforylering.

ATP och dess derivat har ett brett spektrum av tillämpningar inom biokemi och medicin, varav många befinner sig i utforskande stadier när 2000-talet närmar sig sitt tredje decennium.

Frisättningen av energi från mat innebär att bryta de kemiska bindningarna i livsmedelskomponenter och utnyttja denna energi för syntes av ATP-molekyler. Till exempel är kolhydrater alla oxiderad i slutändan till koldioxid (CO₂) och vatten (H₂O). Fetter oxideras också, med deras fettsyrakedjor som ger acetatmolekyler som sedan kommer in i aerob andning i eukaryota mitokondrier.

Nedbrytningsprodukterna av proteiner är rika på kväve och används för att bygga andra proteiner och nukleinsyror. Men några av de 20 aminosyror som proteiner är byggda från kan modifieras och komma in i cellulär metabolism på nivån av cellulär andning (t.ex. efter glykolys)

Sammanfattning:Glykolys producerar direkt 2 ATP för varje molekyl glukos; det levererar pyruvat- och elektronbärare för ytterligare metaboliska processer.

Glykolys är en serie av tio reaktioner där en glukemolekyl transformeras till två molekyler av trekolmolekylen pyruvat, vilket ger 2 ATP under vägen. Den består av en tidig "investeringsfas" där 2 ATP används för att fästa fosfatgrupper till den glidande glukosmolekylen, och en senare "retur" -fas i som glukosderivatet, efter att ha delats upp i ett par tre-kol-mellanföreningar, ger 2 ATP per tre-kolföreningar och detta 4 övergripande.

Detta innebär att nettoeffekten av glykolys är att producera 2 ATP per glukosmolekyl, eftersom 2 ATP konsumeras i investeringsfasen men totalt 4 ATP görs i utdelningsfasen.

Läs mer om glykolys.

Sammanfattning:Jäsning fyller på NAD⁺ för glykolys; det producerar inget ATP direkt.

När det inte finns tillräckligt med syre för att tillfredsställa energibehovet, som när du kör väldigt hårt eller lyfter vikter på ett ansträngande sätt, kan glykolys vara den enda tillgängliga metaboliska processen. Det är här den "mjölksyraförbränning" du kanske har hört talas om kommer in. Om pyruvat inte kan komma in i aerob andning enligt beskrivningen nedan, omvandlas det till laktat, vilket i sig gör inte mycket bra men ser till att glykolys kan fortsätta genom att leverera en nyckelmellanmolekyl heter NAD⁺.

Sammanfattning:Krebs-cykeln producerar 1 ATP per cykelvarv (och därmed 2 ATP per glukos "uppströms", eftersom 2 pyruvat kan göra 2 acetyl CoA).

Under normala förhållanden med tillräckligt syre rör sig nästan allt pyruvat som genereras vid glykolys i eukaryoter från cytoplasman i organeller ("små organ") som kallas mitokondrier, där den omvandlas till tvåkolmolekylen acetylkoenzym A (acetyl CoA) genom att avlägsna och släppa CO₂. Denna molekyl kombineras med en fyra-kolmolekyl som kallas oxaloacetat för att skapa citrat, det första steget i vad som också kallas TCA-cykeln eller citronsyracykeln.

Detta "reaktionshjul" reducerade så småningom citratet tillbaka till oxaloacetat, och längs vägen genereras en enda ATP tillsammans med fyra så kallade högenergi-elektronbärare (NADH och FADH₂).

Sammanfattning:Elektrontransportkedjan ger cirka 32 till 34 ATP per "uppströms" glukosmolekyl, vilket gör den till den överlägset största bidragsgivaren till cellulär energi i eukaryoter.

Elektronbärarna från Krebs-cykeln rör sig från insidan av mitokondrier till organellens inre membran, som har alla möjliga specialiserade enzymer som kallas cytokromer redo att fungera. Kort sagt, när elektronerna, i form av väteatomer, tas bort från sina bärare, driver detta fosforyleringen av ADP-molekyler till en hel del ATP.

Syre måste vara närvarande som den slutliga elektronacceptorn i kaskaden som förekommer över membranet för att denna reaktionskedja ska kunna inträffa. Om det inte är fallet, "backar" processen med cellulär andning, och Krebs-cykeln kan inte heller inträffa.