Яка роль глюкози в клітинному диханні?

Життя на Землі надзвичайно різноманітне - від найдрібніших бактерій, що мешкають у термальних вентиляційних отворах, до величезних багатотонних слонів, які оселяються в Азії. Але всі організми (живі істоти) мають ряд спільних основних характеристик, серед яких необхідність у молекулах, з яких можна отримувати енергію. Процес вилучення енергії із зовнішніх джерел для росту, ремонту, обслуговування та відтворення відомий як обмін речовин.

Всі організми складаються принаймні з одного клітинку (ваше власне тіло включає трильйони), що є найменшим незводимим об'єктом, що включає всі властивості, приписувані життю за допомогою загальноприйнятих визначень. Метаболізм є однією з таких властивостей, як і здатність до розмноження або іншим способом відтворення. Кожна клітина на планеті може цим скористатися і робить глюкоза, без якого життя на Землі ніколи б не виникло, або виглядало б зовсім інакше.

Глюкоза має формулу С₆H₁₂О₆, даючи молекулі молекулярну масу 180 грамів на моль. (Усі вуглеводи мають загальну формулу С

Глюкоза в природі існує у вигляді шестиатомного кільця, зображеного як гексагональне в більшості текстів. П'ять атомів вуглецю включені в кільце разом з одним з атомів кисню, тоді як шостий атом вуглецю є частиною гідроксиметильної групи (-CH₂OH), приєднаний до одного з інших вуглеводнів.

Амінокислоти, як і глюкоза, є видатними мономерами в біохімії. Так як глікоген збирається з довгих ланцюгів глюкози, білки синтезуються з довгих ланцюгів амінокислот. Хоча існує 20 різних амінокислот із багатьма спільними ознаками, глюкоза поставляється лише в одній молекулярній формі. Таким чином, склад глікогену по суті незмінний, тоді як білки сильно варіюються від одного до іншого.

Метаболізм глюкози дає енергію у вигляді аденозинтрифосфату (АТФ) та CO₂ (вуглекислий газ, відхідний продукт у цьому рівнянні) відомий як клітинне дихання. Першим із трьох основних етапів клітинного дихання є гліколіз, серія з 10 реакцій, які не потребують кисню, тоді як останні два етапи є Цикл Кребса (також відомий як цикл лимонної кислоти) та електронно-транспортний ланцюг, які дійсно потребують кисню. Разом ці два останні етапи відомі як аеробне дихання.

Клітинне дихання відбувається майже повністю в Росії еукаріоти (тварини, рослини та гриби). Прокаріоти (переважно одноклітинні домени, які включають бактерії та археї) отримують енергію з глюкози, але практично завжди лише з гліколізу. Наслідком є ​​те, що прокаріотичні клітини можуть генерувати лише приблизно одну десяту енергії на молекулу глюкози, як можуть це робити еукаріотичні клітини, як це детально описано далі.

«Клітинне дихання» та «аеробне дихання» часто використовуються як взаємозамінні при обговоренні метаболізму еукаріотичних клітин. Зрозуміло, що гліколіз, хоча і є анаеробним процесом, майже незмінно переходить до останніх двох етапів клітинного дихання. Незважаючи на це, підсумовуючи роль глюкози в клітинному диханні: Без нього дихання зупиняється і настає втрата життя.

Ферменти є глобулярними білками, які діють як каталізатори в хімічних реакціях. Це означає, що ці молекули сприяють прискоренню реакцій, які в іншому випадку все-таки протікали б без ферментів, але набагато повільніше - іноді приблизно в тисячу разів. Коли ферменти діють, вони не змінюються самі в кінці реакції, тоді як молекули, на які вони діють, звані субстратами, змінюються за проектом, з реагенти такі як глюкоза, перетворена на продукти, такі як CO₂.

Глюкоза та АТФ мають деяку хімічну схожість між собою, але використовуючи енергію, що зберігається в зв'язках Перша молекула для синтезу останньої молекули вимагає значної біохімічної акробатики осередку. Майже кожна клітинна реакція каталізується певним ферментом, і більшість ферментів специфічні для однієї реакції та її субстратів. Гліколіз, цикл Кребса та ланцюг переносу електронів у сукупності мають близько двох десятків реакцій та ферментів.

Коли глюкоза потрапляє в клітину шляхом дифузії через плазматичну мембрану, вона негайно приєднується до фосфатної (Р) групи, або фосфорильований. Це затримує глюкозу в клітині через негативний заряд P. Ця реакція, яка утворює глюкозо-6-фосфат (G6P), відбувається під впливом ферменту гексокіназа. (Більшість ферментів закінчуються на "-ase", що робить його досить легким для знання, коли ви маєте справу з ним у світі біології.)

Звідти G6P перетворюється у фосфорильований тип цукру фруктоза, а потім додається ще один Р. Незабаром після цього шестивуглецева молекула розпадається на дві тривуглецеві молекули, кожна з яких має фосфатну групу; незабаром вони перетворюються на одну і ту ж речовину, гліцеральдегід-3-фосфат (G-3-P).

Кожна молекула G-3-P проходить ряд етапів перебудови, які перетворюються в тривуглецеву молекулу піруват, виробляючи дві молекули АТФ і одну молекулу високоенергетичного електронного носія NADH (відновленого з нікотинаміду адениндинуклеотиду або NAD +) в процесі.

Перша половина гліколізу споживає 2 АТФ на етапах фосфорилювання, тоді як друга половина дає загалом 2 пірувату, 2 НАДН і 4 АТФ. Що стосується безпосереднього виробництва енергії, Таким чином, гліколіз дає 2 АТФ на молекулу глюкози. Для більшості прокаріотів це є ефективною границею використання глюкози. У еукаріотів показ глюкозо-клітинного дихання лише розпочався.

Потім молекули пірувату переміщуються з цитоплазми клітини до внутрішньої частини називаних органел мітохондрії, які укладені власною подвійною плазматичною мембраною. Тут піруват розщеплюється на CO₂ і ацетат (СН₃COOH-), а ацетат захоплюється сполукою з класу B-вітаміну, яка називається коферментом A (CoA), і стає ацетил КоА, важливий двовуглецевий проміжний продукт у ряді клітинних реакцій.

Щоб увійти в цикл Кребса, ацетил КоА реагує з чотиривуглецевою сполукою оксалоацетат формувати цитрат. Оскільки оксалоацетат є останньою молекулою, створеною в реакції Кребса, а також субстратом у першій реакції, серія отримує опис "цикл". Цикл включає загалом вісім реакцій, які відновлюють шість вуглецевих цитратів до п'ятивуглецевої молекули, а потім до серії чотиривуглецевих проміжних продуктів, перш ніж прийти знову оксалоацетат.

Кожна молекула пірувату, що надходить у цикл Кребса, призводить до утворення ще двох СО₂, 1 АТФ, 3 НАДН і одна молекула електронного носія, схожа на НАДН флавін аденін динуклеотид, або FADH₂.

• Цикл Кребса може продовжуватися лише в тому випадку, якщо ланцюг транспорту електронів працює нижче за течією, щоб забрати NADH і FADH₂ це породжує. Таким чином, якщо клітині немає кисню, цикл Кребса зупиняється.

NADH та FADH₂ рухатися до внутрішньої мітохондріальної мембрани для цього процесу. Роль ланцюжка полягає в окисне фосфорилювання молекул АДФ, щоб стати АТФ. Атоми водню з електронних носіїв використовуються для створення електрохімічного градієнта через мембрану мітохондрій. Енергія цього градієнта, який покладається на кисень для остаточного отримання електронів, використовується для синтезу АТФ.

Кожна молекула глюкози вносить від 36 до 38 АТФ через клітинне дихання: 2 в гліколіз, 2 в циклі Кребса і 32 - 34 (залежно від того, як це вимірюється в лабораторії) в електроносі ланцюжок.