Що відбувається, коли глюкоза потрапляє в клітину?

Глюкоза - це остаточне джерело клітинного палива для всього живого, енергія в його хімічних зв’язках використовується для синтезу аденозинтрифосфат (ATP) різними взаємопов’язаними та взаємозалежними способами. Коли молекула цього шестивуглецевого (тобто гексозного) цукру перетинає плазматичну мембрану клітини ззовні, щоб потрапити в цитоплазму, вона негайно фосфорильований - тобто фосфатна група, яка несе негативний електричний заряд, приєднана до частини молекули глюкози. Це призводить до чистого негативного заряду на тому, що потім стало глюкоза-6-фосфат молекула, яка не дає їй покинути клітину.

Прокаріоти, які включають домени Бактерії та Археї, не мають органел, пов'язаних з мембраною, включаючи мітохондрії що в еукаріоти приймають цикл Кребса і киснево-залежний електронно-транспортний ланцюг. Як результат, прокаріоти не беруть участі в аеробному (з киснем) диханні, натомість отримуючи майже всю свою енергію від гліколізу - анаеробний процес, який також діє до аеробного дихання, проведеного в клітинах еукаріотів.

Оскільки глюкоза є однією з найбільш життєво важливих молекул у біохімії, і є відправною точкою, мабуть, найважливішого набору реакцій в літописах життя на планеті Земля, коротке обговорення будови і поведінки цієї молекули порядок.

Також відомий як декстроза (як правило, стосовно небіологічних систем, таких як глюкоза, виготовлена ​​з кукурудзи) та цукор в крові (стосовно біологічних систем, наприклад, у медичному контексті), глюкоза - це шестивуглецева молекула з хімічною формулою C.₆H₁₂О₆. У крові людини нормальна концентрація глюкози становить близько 100 мг / дл. 100 мг - це десята частина грама, тоді як dL - це десята частина літра; це виходить до грама на літр, а оскільки у середньої людини близько 4 літрів крові, більшість люди мають у крові приблизно 4 г глюкози в будь-який час - лише близько однієї сьомої частини унція.

П'ять з шести атомів вуглецю (С) у глюкозі сидять у шестиатомне кільце форму, що молекула займає 99,98 відсотків часу в природі. Шостий кільцевий атом - це кисень (O), при цьому шостий C приєднаний до одного з кільця Cs як частина a гідроксиметил (-CH₂ОН) групи. Саме у гідроксильній (-ОН) групі неорганічний фосфат (Pi) приєднується під час процесу фосфорилювання, що затримує молекулу в клітинній цитоплазмі.

Прокаріоти малі (переважна більшість - одноклітинні) і прості (у однієї клітини, яка у більшості з них бракує ядра та інших органел, пов’язаних з мембраною). Це може заважати їм бути такими ж елегантними та цікавими в більшості випадків, як еукаріоти, але також підтримує порівняно низькі потреби в паливі.

Як у прокаріотів, так і в еукаріотів гліколіз є першим кроком у метаболізмі глюкози. Фосфорилювання глюкози при попаданні в клітину шляхом дифузії через плазматичну мембрану є першим кроком гліколізу, який докладно описаний у наступному розділі.

• Деякі бактерії можуть метаболізувати цукру, крім глюкози або на додаток до неї, наприклад сахарозу, лактозу або мальтозу. Ці цукри - це дисахариди, що походить від грецької, що означає "два цукру". Вони включають мономер глюкози, такий як фруктоза, моносахарид, як одну з двох їх субодиниць.

В кінці гліколізу молекула глюкози була використана для отримання двох молекул пірувату з трьох вуглеців, двох молекул так званого високоенергетичного електронного носія нікотинаміду адениндинуклеотиду (NADH) та чистого приросту двох молекул АТФ.

У цей момент у прокаріотів піруват зазвичай вступає у ферментацію - анаеробний процес із низкою різних варіацій, які будуть досліджені найближчим часом. Але деякі бактерії певною мірою розвинули здатність здійснювати аеробне дихання і називаються факультативні анаероби. Бактерії, які можуть отримувати енергію лише завдяки гліколізу, називаються облігатні анаероби, і багато з них насправді вбиваються киснем. Обмежена кількість бактерій є парними облігатні аероби, що означає, що вони, як і ви, мають абсолютну потребу в кисні. Враховуючи, що бактеріям довелося близько 3,5 мільярда років, щоб адаптуватися до вимог земних змін навколишнього середовища, не дивно, що вони призначили ряд основних метаболічних виживань стратегії.

Гліколіз включає 10 реакції, що є приємним, круглим числом, але вам не обов’язково потрібно запам’ятовувати всі продукти, проміжні продукти та ферменти на всіх цих етапах. Натомість, хоча деякі з цих дрібниць цікаві та корисні для знання, важливіше набути відчуття що трапляється при гліколізі в цілому, і чому це трапляється (з точки зору як основної фізики, так і потреб клітини).

Гліколіз фіксується в такій реакції, яка є сумою 10 її індивідуальних реакцій:

C.₆H₁₂О₆ → 2 С₃H₄О₃ + 2 ATP + 2 NADH

Якщо говорити простою мовою, то при гліколізі одна молекула глюкози розпадається на дві молекули пірувату, і попутно утворюється пара молекул палива та пара молекул «попереднього палива». АТФ є майже універсальною валютою для енергії в клітинних процесах, тоді як NADH, відновлена ​​форма NAD + або нікотинамід аденіндинуклеотид, функціонує як високоенергетичний електронний носій, який в кінцевому підсумку віддає ці електрони у вигляді іонів водню (Н +) молекулам кисню в кінці з електронно-транспортний ланцюг в аеробний обмін речовин, що призводить до набагато більше АТФ, ніж може забезпечити лише гліколіз.

Фосфорилювання глюкози після її потрапляння в цитоплазму призводить до утворення глюкозо-6-фосфату (G-6-P). Фосфат походить від АТФ і його включення в листя глюкози аденозиндифосфат (ADP) позаду. Як зазначалося, це затримує глюкозу всередині клітини.

Далі G-6-P перетворюється на фруктоза-6-фосфат (F-6-P). Це ізомеризація реакції, оскільки реагент і продукт є ізомерами один одного - молекулами з однаковим числом кожного типу атомів, але з різним просторовим розташуванням. У цьому випадку кільце фруктози має лише п’ять атомів. Називається фермент, відповідальний за цей атомний жонглюючий акт фосфоглюкоза ізомераза. (Більшість назв ферментів, хоча часто і громіздкі, принаймні мають цілковитий сенс)

Під час третьої реакції гліколізу F-6-P перетворюється на фруктоза-1,6-бісфосфат (F-1,6-BP). На цьому етапі фосфорилювання фосфат знову надходить з АТФ, але цього разу він додається до іншого атома вуглецю. Відповідальним ферментом є фосфофруктокіназа (PFK).

• У багатьох реакціях фосфорилювання фосфатні групи додаються до вільного кінця існуючої фосфатної групи, але не в цьому випадку - звідси "_bis_phosphate", а не "_di_phosphate".

У четвертій реакції гліколізу молекула F-1,6-BP, яка є досить нестабільною через подвійну дозу фосфатних груп, розщеплюється ферментом альдолаза в тривуглецеві однофосфатні групи, що несуть молекули гліцеральдегід 3-фосфат (GAP) та дигідроксиацетонфосфат (DHAP). Це ізомери, і DHAP швидко перетворюється на GAP на п’ятому етапі гліколізу, використовуючи натиск ферменту триоза фосфат ізомераза (TIM).

На цьому етапі вихідна молекула глюкози перетворилася на дві однакові тривуглецеві, поодинокі фосфорильовані молекули, ціною двох АТФ. З цього моменту кожна описана реакція гліколізу відбувається двічі для кожної молекули глюкози, що зазнає гліколізу.

У шостій реакції гліколізу GAP перетворюється на 1,3-бісфосфогліцерат (1,3-BPG) під впливом гліцеральдегід 3-фосфатдегідрогеназа. Ферменти дегідрогенази видаляють атоми водню (тобто протони). Водень, звільнений від GAP, приєднується до молекули NAD +, отримуючи NADH. Тому що початкова молекула глюкози вгору за течією породила два молекули GAP, після цієї реакції, два були створені молекули NADH.

У сьомій реакції гліколізу одна з реакцій фосфорилювання раннього гліколізу фактично зворотна. Коли фермент фосфогліцерат-кіназа видаляє фосфатну групу з 1,3-BPG, результат є 3-фосфогліцерат (3-PG). Фосфати, відібрані з двох молекул 1,3-BPG, додаються до АДФ, утворюючи два АТФ. Це означає, що два АТФ, "запозичені" на першому та третьому етапах, "повертаються" в сьомій реакції.

На восьмому етапі 3-PG перетворюється на 2-фосфогліцерат (2-PG) від мутаза фосфогліцерату, який переміщує одну залишкову фосфатну групу до іншого атома вуглецю. Мутаза відрізняється від ізомерази тим, що вона менш важка у своїй дії; замість того, щоб переставляти структуру молекули, вони просто переносять одну з її бічних груп на нове місце, залишаючи загальний хребет, кільце тощо. так як це було.

У дев'ятій реакції гліколізу 2-ПГ перетворюється на фосфоенолпіруват (PEP) під дією енолаза. Енол - це сполука з подвійним зв’язком вуглець-вуглець, у якій один із вуглеців також зв’язаний з гідроксильною групою.

Нарешті, десята і остання реакція гліколізу, PEP перетворюється на піруват завдяки ферменту піруваткіназа. Фосфатні групи, вилучені з двох ПЕП, приєднуються до молекул АДФ, отримуючи два АТФ і два пірувату, формула яких (C₃H₄О₃) або (СН₃) CO (COOH). Таким чином, первинна, анаеробна обробка однієї молекули глюкози дає дві піруват, дві АТФ і дві молекули NADH.

Піруват, який у кінцевому підсумку утворюється при надходженні глюкози в клітини, може пройти один із двох шляхів. Якщо клітина є прокаріотичною, або якщо клітина є еукаріотичною, але тимчасово потребує більше палива, ніж може забезпечити лише аеробне дихання (як, наприклад, у м’язових клітинах під час важких фізичних вправ, таких як спринт або підняття тягарів), піруват потрапляє у бродіння шлях. Якщо клітина еукаріотична і її енергетичні потреби типові, вона переміщує піруват всередину мітохондрій і бере участь у Цикл Кребса:

• Бродіння: Ферментація часто використовується як взаємозамінна з "анаеробним диханням", але насправді це вводить в оману, оскільки гліколіз, що передує ферментації, також є анаеробним, хоча він, як правило, не вважається частиною дихання на se.
• Ферментація регенерує НАД + для використання при гліколізі шляхом перетворення пірувату в лактат. Повна мета цього - дозволити гликолізу продовжуватись за відсутності достатньої кількості кисню; дефіцит NAD + локально обмежує процес, навіть якщо є достатня кількість субстрату.
• Аеробне дихання: Сюди входить Цикл Кребса та електронно-транспортний ланцюг.
• Цикл Кребса: Тут піруват перетворюється на ацетиловий кофермент А (ацетил CoA) та вуглекислий газ (CO₂). Двовуглецевий ацетил-КоА поєднується з чотири-вуглецевим оксалоацетат утворюючи цитрат, молекулу з шістьма вуглецями, яка потім протікає через "колесо" (цикл) із шести реакцій, що призводять до двох СО₂, один АТФ, три NADH і один відновлений флавін-аденин-динуклеотид (FADH₂).
• Транспортний ланцюг Електрон: Тут протони (H⁺ атоми) NADH і FADH_₂_ з циклу Кребса використовуються для створення електрохімічного градієнта, який рухає синтез 34 (або близько того) молекул АТФ на внутрішній мітохондріальній мембрані. Кисень служить кінцевим акцептором електронів, які «переливаються» від однієї сполуки до наступної, починаючи весь шлях по ланцюгу сполук з глюкозою.