Kaj se zgodi, ko glukoza vstopi v celico?

Vsebina

• Glukoza: Opredelitev
• Glukoza, tipi celic in presnova
• Postopek glikolize
• Zgodnja glikoliza
• Kasneje glikoliza
• Poglikolizni procesi

Glukoza je najboljša ultimativni vir celičnega goriva za vse živo, z energijo v kemijskih vezicah, ki se uporablja za sintezo adenozin trifosfat (ATP) na različne medsebojno povezane in soodvisne načine. Ko molekula tega šest-ogljikovega (tj. Heksoznega) sladkorja prečka plazemsko membrano celice od zunaj, da vstopi v citoplazmo, je takoj fosforiliran - to je fosfatna skupina, ki nosi negativni električni naboj, na del molekule glukoze. To ima za posledico neto negativni znesek za tisto, kar je nato postalo glukoza-6-fosfat molekulo, ki preprečuje, da bi zapustil celico.

Prokarioti, ki vključujejo domeni bakterij in arheje, nimata membrana vezanih organelov, vključno s mitohondrije da v evkarioti gostijo Krebsov cikel in transportno verigo elektronov, odvisnih od kisika. Posledično prokarioti ne sodelujejo pri aerobnem ("s kisikom") dihanju, namesto da črpajo skoraj vso svojo energijo iz glikolize, anaerobnega procesa, ki deluje tudi pred aerobnim dihanjem, ki se izvaja v evkariontskih celicah.

Glukoza: Opredelitev

Ker je glukoza med najpomembnejšimi molekulami v biokemiji in je izhodišče morda najbolj vitalnega niza reakcij v analih življenja na planetu Zemlja, je na vrsti kratek pogovor o zgradbi in obnašanju te molekule.

Poznan tudi kot dekstroza (običajno v zvezi z nebiološkimi sistemi, kot je glukoza iz koruze) in krvni sladkor (v zvezi z biološkimi sistemi, npr. v medicinskih izdelkih) je glukoza molekula s šestimi ogljiki s kemijsko formulo C₆H₁₂O₆. V človeški krvi je normalna koncentracija glukoze približno 100 mg / dL. 100 mg je desetina grama, dL pa desetina litra; to uspe na gram na liter, in ker ima povprečen človek približno 4 litre krvi, ima večina ljudi v svojem krvnem obtoku kadar koli približno 4 g glukoze - le približno eno sedmo unče.

Pet od šestih atomov ogljika (C) v glukozi sedi v šest atomski obroč tvorijo, da molekula v naravi zavzema 99,98 odstotka časa. Šesti obročni atom je kisik (O), s šestim C je pritrjen na enega od obročev Cs kot del a hidroksimetil (-CH₂OH) skupina. To je skupina iz hidroksilne skupine (-OH) anorganski fosfat (Pi) je vezan med postopkom fosforilacije, ki molekul lovi v citoplazmi celice.

Glukoza, tipi celic in presnova

Prokarioti so majhni (velika večina je enoceličnih) in preprosti (ena celica, ki jo ima večina, nima jedra in druge membranske vezane organele). To jim lahko prepreči, da bi bili tako elegantni in zanimivi na večini načinov kot evkarionti, hkrati pa tudi ohranjajo potrebe po gorivu sorazmerno nizke.

Tako prokarioti kot evkarioti so glikoliza prvi korak v presnovi glukoze. Fosforilacija glukoze ob vstopu v celico z razprševanjem po plazemski membrani je prvi korak glikolize, ki je podrobno opisan v naslednjem poglavju.

Na koncu glikolize smo molekulo glukoze uporabili za ustvarjanje dveh molekul tri ogljikovega piruvata, dveh molekul tako imenovanega visokoenergijskega nosilca elektrona nikotinamida adeninu dinukleotida (NADH) in neto dobiček dveh molekul ATP.

V tem trenutku v prokariotih piruvat običajno vstopi v fermentacijo, anaerobni postopek s številnimi različnimi različicami, ki jih bomo kmalu raziskali. Toda nekatere bakterije so do neke mere razvile sposobnost izvajanja aerobnega dihanja in so tako imenovane fakultativni anaerob. Imenujejo se bakterije, ki lahko pridobivajo energijo samo iz glikolize obligacijski anaerobin mnoge od njih dejansko ubijejo kisik. Omejenih nekaj bakterij je enakomerno obvezni aerobi, kar pomeni, da imajo tako kot ti absolutno potrebo po kisiku. Glede na to, da so imele bakterije približno 3,5 milijarde let, da so se prilagodile zahtevam spreminjajočega se okolja na Zemlji, ne bi smelo biti presenetljivo, da so ukazale vrsto osnovnih strategij presnove preživetja.

Postopek glikolize

Glikoliza vključuje 10 reakcije, kar je lepa, okrogla številka, vendar si vseh izdelkov, vmesnih izdelkov in encimov ne morate nujno zapomniti v vseh teh korakih. Namesto tega, čeprav je nekaj teh detajlov zabavno in koristno vedeti, je bolj pomembno, da pridobite občutek kaj se zgodi pri glikolizi na splošno in zakaj se zgodi (tako glede osnovne fizike kot potreb celice).

Glikoliza je zajeta v naslednji reakciji, ki je vsota njegovih 10 posameznih reakcij:

C₆H₁₂O₆ → 2 C₃H₄O₃ + 2 ATP + 2 NADH

V navadni angleščini se pri glikolizi ločena molekula glukoze razdeli na dve molekuli piruvata, na poti pa se naredi par molekul goriva in par molekul pred gorivom. ATP je skoraj univerzalna valuta energije v celičnih procesih, medtem ko NADH, zmanjšana oblika NAD + ali nikotinamid adenin dinukleotida deluje kot visokoenergijski nosilec elektronov, ki te elektrone na koncu podari v obliki vodikovih ionov (H +), do molekul kisika na koncu elektronska transportna veriga v aerobni metabolizem, kar ima za posledico veliko več ATP-ja, kot ga lahko zagotovi sama glikoliza.

Zgodnja glikoliza

Fosforilacija glukoze po vstopu v citoplazmo povzroči glukozo-6-fosfat (G-6-P). Fosfat izvira iz ATP in njegove vgradnje v liste glukoze adenozin-difosfat (ADP) zadaj. Kot je navedeno, ta lovi glukozo v celici.

Nato se G-6-P pretvori v fruktoza-6-fosfat (F-6-P). To je izomerizacija ker sta reaktant in produkt med seboj izomere - molekule z enakim številom vsake vrste atoma, vendar z različnimi prostorskimi ureditvami. V tem primeru ima obroč fruktoze le pet atomov. Encim, odgovoren za tovrstno atomsko žongliranje, se imenuje fosfoglukozna izomeraza. (Večina imen encimov je, čeprav pogosto okorna, vsaj ima popoln smisel.)

V tretji reakciji glikolize se F-6-P pretvori v fruktoza-1,6-bisfosfat (F-1,6-BP). V tem koraku fosforilacije fosfat spet prihaja iz ATP-ja, tokrat pa se doda k drugemu ogljikovemu atomu. Odgovorni encim je foshofruktokinaza (PFK).

V četrti reakciji glikolize se molekula F-1,6-BP, ki je zaradi svojega dvojnega odmerka fosfatnih skupin precej nestabilna, razdeli na encim aldolaza v molekule, ki vsebujejo tri ogljika, z eno fosfatno skupino gliceraldehid 3-fosfat (GAP) in dihidroksiaceton fosfat (DHAP). To so izomeri in DHAP se v petem koraku glikolize hitro pretvori v GAP s pritiskom encima triozna fosfatna izomeraza (TIM).

Na tej stopnji so prvotne molekule glukoze postale dve enaki tri-ogljikovi, posamično fosforilirani molekuli, za ceno dveh ATP. Od tega trenutka naprej se vsaka opisana reakcija glikolize pojavi dvakrat za vsako molekulo glukoze, ki je podvržena glikolizi.

Kasneje glikoliza

V šesti reakciji glikolize se GAP pretvori v 1,3-bisfosfoglicerat (1,3-BPG) pod vplivom gliceraldehid 3-fosfat dehidrogenaza. Encimi dehidrogenaze odstranjujejo vodikove atome (t.j. protoni). Vodik, osvobojen iz GAP, se veže na molekulo NAD +, tako da nastane NADH. Ker je začetna molekula glukoze navzgor povzročila dva molekule GAP po tej reakciji, dva nastale so molekule NADH.

V sedmi reakciji glikolize je ena od reakcij fosforilacije zgodnje glikolize dejansko obratna. Ko encim fosfogliceratna kinaza odstrani fosfatno skupino iz 1,3-BPG, rezultat je 3-fosfoglicerat (3-PG). Fosfati, odvzeti iz dveh molekul 1,3-BPG, se dodajo v ADP in tvorijo dva ATP. To pomeni, da se dva ATP, "izposojena" v korakih ena in tri, "vrneta" v sedmi reakciji.

V 8. koraku se pretvori v 3-PG 2-fosfoglicerat (2-PG) fosfogliceratna mutaza, ki eno preostalo fosfatno skupino preusmeri na drug atom ogljika. Mutaza se od izomeraze razlikuje po tem, da je pri svojem delovanju manj težka; namesto da bi preuredili strukturo molekule, eno od svojih stranskih skupin samo preusmerili na novo mesto in tako pustili celotno hrbtenico, obroč itd.

V deveti reakciji glikolize se 2-PG pretvori v fosfoenolpiruvat (PEP) v okviru akcije enolaza. Enol je spojina z dvojno vezjo ogljik-ogljik, v kateri je eden izmed ogljikov prav tako vezan na hidroksilno skupino.

Končno se deseta in zadnja reakcija glikolize PEP zaradi encima spremeni v piruvat piruvat kinaza. Fosfatne skupine, odstranjene iz dveh PEP, se pritrdijo na molekule ADP, pri čemer dobita dva ATP in dva piruvata, katerih formula je (C₃H₄O₃) ali (CH₃) CO (COOH). Tako začetna, anaerobna predelava posamezne molekule glukoze povzroči dve piruvat, dve molekuli ATP in dve molekuli NADH.

Poglikolizni procesi

Piruvat, ki se na koncu ustvari z vnosom glukoze v celice, lahko poteka po eni od dveh poti. Če je celica prokariotska ali če je celica evkariontska, vendar začasno potrebuje več goriva, kot jo lahko zagotovi samo aerobno dihanje (kot na primer mišične celice med napornimi fizičnimi vajami, kot sta petje ali dvigovanje uteži), piruvat vstopi v fermentacijsko pot. Če je celica evkariontska in so njene energijske potrebe značilne, premika piruvat znotraj mitohondrijev in sodeluje pri Krebsov cikel: