Vad är rollen av glukos i cellulär andning?

Livet på jorden är utomordentligt varierande, från de minsta bakterierna som lever i termiska ventilationsöppningar till de ståtliga, flertoniga elefanterna som gör sitt hem i Asien. Men alla organismer (levande saker) har ett antal grundläggande egenskaper gemensamt, bland annat behovet av molekyler som de kan ta energi från. Processen med att utvinna energi från externa källor för tillväxt, reparation, underhåll och reproduktion är känd som ämnesomsättning.

Alla organismer består av minst en cell (din egen kropp inkluderar biljoner), som är den minsta oreducerbara enhet som innehåller alla de egenskaper som tillskrivs livet med konventionella definitioner. Metabolism är en sådan egenskap, liksom förmågan att replikera eller på annat sätt reproducera. Varje cell på planeten kan och använder sig av glukos, utan vilket livet på jorden antingen aldrig skulle ha skapats eller skulle se väldigt annorlunda ut.

Glukos har formeln C₆H₁₂O₆vilket ger molekylen en molekylvikt på 180 gram per mol. (Alla kolhydrater har den allmänna formeln C

Glukos i naturen finns som en sexatomsring, som avbildas som sexkantig i de flesta texter. Fem av kolatomerna ingår i ringen tillsammans med en av syreatomerna, medan den sjätte kolatomen är en del av en hydroximetylgrupp (-CH₂OH) fäst vid ett av de andra kolerna.

Aminosyror, som glukos, är framstående monomerer inom biokemi. Precis som glykogen är sammansatt från långa kedjor av glukos, proteiner syntetiseras från långa kedjor av aminosyror. Även om det finns 20 distinkta aminosyror med många gemensamma funktioner, kommer glukos endast i en molekylär form. Således är kompositionen av glykogen väsentligen invariant, medan proteiner varierar kraftigt från en till en annan.

Metabolismen av glukos för att ge energi i form av adenosintrifosfat (ATP) och CO₂ (koldioxid, en avfallsprodukt i denna ekvation) är känd som cellandningen. Det första av de tre grundläggande stadierna av cellulär andning är glykolys, en serie av 10 reaktioner som inte kräver syre, medan de två sista stegen är Krebs cyklar (även känd som citronsyracykel) och den elektron transport kedja, som kräver syre. Tillsammans är de två sista stadierna kända som aerob andning.

Cellandning sker nästan helt i eukaryoter (djur, växter och svampar). Prokaryoter (de mest unicellulära domänerna som inkluderar bakterier och archaea) hämtar energi från glukos, men nästan alltid från glykolys ensam. Implikationen är att prokaryota celler bara kan generera ungefär en tiondel av energin per molekyl glukos som eukaryota celler kan, vilket kommer att beskrivas senare.

"Cellandning" och "aerob andning" används ofta omväxlande när man diskuterar metabolismen av eukaryota celler. Det är underförstått att glykolys, även om det är en anaerob process, nästan alltid går vidare till de två sista cellulära andningsstegen. Oavsett, för att sammanfatta glukosens roll i cellulär andning: Utan det slutar andningen och förlust av liv följer.

Enzymer är globulära proteiner som fungerar som katalysatorer i kemiska reaktioner. Detta innebär att dessa molekyler hjälper till att påskynda reaktioner som annars fortfarande skulle fortsätta utan enzymerna, men långsammare - ibland med en faktor på väl över tusen. När enzymer verkar ändras de inte själva i slutet av reaktionen, medan molekylerna de verkar på, kallade substrat, ändras genom design, med reaktanter såsom glukos omvandlad till produkter som CO₂.

Glukos och ATP har en viss kemisk likhet med varandra, men använder den energi som lagras i bindningarna av tidigare molekyl för att driva syntesen av den senare molekylen kräver avsevärd biokemisk akrobatik över Cellen. Nästan varje cellulär reaktion katalyseras av ett specifikt enzym, och de flesta enzymer är specifika för en reaktion och dess substrat. Glykolys, Krebs-cykeln och elektrontransportkedjan, kombinerade, har cirka två dussin reaktioner och enzymer.

När glukos kommer in i en cell genom diffusion genom plasmamembranet, fästs den omedelbart till en fosfatgrupp (P) eller fosforylerad. Detta fångar glukos i cellen på grund av den negativa laddningen av P. Denna reaktion, som producerar glukos-6-fosfat (G6P), sker under påverkan av enzymet hexokinas. (De flesta enzymer slutar med "-as", vilket gör det ganska lätt att veta när du har att göra med en i biologivärlden.)

Därifrån ordnas G6P om till en fosforylerad typ av socker fruktosoch sedan läggs ytterligare en P till. Strax därefter delas sexkolmolekylen i två trekolmolekyler, var och en med en fosfatgrupp; dessa ordnar sig snart i samma substans, glyceraldehyd-3-fosfat (G-3-P).

Varje molekyl av G-3-P går igenom en serie omstruktureringssteg för att omvandlas till trekolmolokylen pyruvat, producerar två ATP-molekyler och en molekyl av högenergi-elektronbäraren NADH (reducerad från nikotinamidadenindinukleotid, eller NAD +) i processen.

Den första halvan av glykolys förbrukar 2 ATP i fosforyleringsstegen, medan den andra halvan ger totalt 2 pyruvat, 2 NADH och 4 ATP. När det gäller direkt energiproduktion, glykolys resulterar således i 2 ATP per glukosmolekyl. Detta, för de flesta prokaryoter, representerar det effektiva taket för glukosanvändning. I eukaryoter har glukos-cellulär andningsshow bara börjat.

Pyruvatmolekylerna rör sig sedan från cellens cytoplasma till insidan av de organeller som kallas mitokondrier, som är inneslutna av sitt eget dubbla plasmamembran. Här delas pyruvat upp i CO₂ och acetat (CH₃COOH-) och acetatet fångas av en förening från B-vitaminklassen som kallas coenzym A (CoA) för att bli acetyl CoA, en viktig tvåkolmellanprodukt i ett antal cellulära reaktioner.

För att komma in i Krebs-cykeln reagerar acetyl CoA med fyrkolföreningen oxaloacetat att forma citrat. Eftersom oxaloacetat är den sista molekylen som skapades i Krebs-reaktionen såväl som ett substrat i den första reaktionen, tjänar serien beskrivningen "cykel". Cykeln omfattar totalt åtta reaktioner, som reducerar sexkolcitratet till en femkolmolekyl och sedan till en serie med fyra kolmellanprodukter innan de åter anländer till oxaloacetat.

Varje molekyl av pyruvat som kommer in i Krebs-cykeln resulterar i produktion av ytterligare två CO₂, 1 ATP, 3 NADH och en molekyl av en elektronbärare som liknar NADH anropad flavin-adenindinukleotideller FADH₂.

• Krebs-cykeln kan bara fortsätta om elektrontransportkedjan arbetar nedströms för att plocka upp NADH och FADH₂ det genererar. Således om inget syre är tillgängligt för cellen, upphör Krebs-cykeln.

NADH och FADH₂ flytta till det inre mitokondriella membranet för denna process. Kedjans roll är oxidativ fosforylering av ADP-molekyler för att bli ATP. Väteatomerna från elektronbärarna används för att skapa en elektrokemisk gradient över mitokondriellt membran. Energin från denna gradient, som är beroende av syre för att slutligen ta emot elektronerna, utnyttjas för att driva ATP-syntes.

Varje molekyl glukos bidrar var som helst från 36 till 38 ATP genom cellulär andning: 2 i glykolys, 2 i Krebs-cykeln och 32 till 34 (beroende på hur detta mäts i labbet) i elektrontransporten kedja.