Kako presnavljamo glukozo, da naredimo ATP

Vsebina

• Kaj je glukoza?
• Kaj je ATP?
• Celično dihanje
• Zgodnja glikoliza
• Kasneje glikoliza
• Krebsov cikel
• Transportna veriga elektronov

Glukoza, šest-ogljikov sladkor, je temeljni "vložek" v enačbo, ki deluje vse življenje. Energija od zunaj se na nek način pretvori v energijo za celico. Vsak živ organizem, od vašega najboljšega prijatelja do najnižje bakterije, ima celice, ki na presnovni stopnji korenin kurijo glukozo za gorivo.

Organizmi se razlikujejo v obsegu, v katerem njihove celice lahko črpajo energijo iz glukoze. V vseh celicah je ta energija v obliki adenozin trifosfat (ATP).

Zato ena stvar vsem živim celicam je skupno to, da presnavljajo glukozo in tvorijo ATP. Dana molekula glukoze, ki vstopi v celico, bi se lahko začela kot večerja z zrezki, kot plen divje živali, kot rastlinske snovi ali kot kaj drugega.

Ne glede na to so različni prebavni in biokemični procesi razgradili vse molekule več ogljika v ne glede na to, katere snovi organizem zaužije za prehrano do monosaharidnega sladkorja, ki vstopi v celične presnovne poti.

Kaj je glukoza?

Kemično je glukoza a heksoza sladkor, šesterokotni je grška predpona za "šest", število ogljikovih atomov v glukozi. Njena molekularna formula je C₆H₁₂O₆, kar mu daje molekulsko maso 180 gramov na mol.

Glukoza je tudi a monosaharid je sladkor, ki vključuje samo eno temeljno enoto, ali monomera. Fruktoza je še en primer monosaharida, medtem ko saharozeali namizni sladkor (fruktoza in glukoza), laktoza (glukoza in galaktoza) in maltoza (glukoza in glukoza) so disaharidi.

Upoštevajte, da je razmerje ogljikovih, vodikovih in kisikovih atomov v glukozi 1: 2: 1. Vsi ogljikovi hidrati pravzaprav kažejo enako razmerje, njihove molekularne formule pa so v obliki C_nH_2nO_n.

Kaj je ATP?

ATP je a nukleozid, v tem primeru adenozin s tremi fosfatnimi skupinami. To dejansko pomeni, da nukleotid, kot je nukleozid a pentoza sladkor (bodisi riboza ali deoksiriboza) v kombinaciji z dušikovo bazo (t.j. adenin, citozin, gvanin, timin ali uracil), medtem ko je nukleotid nukleozid z eno ali več fosfatnih skupin. Toda glede terminologije je pri ATP-ju pomembno vedeti, da vsebuje adenin, ribozo in verigo treh fosfatnih (P) skupin.

ATP se izvede prek fosforilacija adenozin-difosfata (ADP) in obratno, kadar je končna fosfatna vez v ATP hidroliziran, ADP in P_jaz (anorganski fosfat) so proizvodi. ATP velja za "energijsko valuto" celic, saj se ta izjemna molekula uporablja za napajanje skoraj vsakega presnovnega procesa.

Celično dihanje

Celično dihanje je niz metaboličnih poti v evkariontskih organizmih, ki pretvorijo glukozo v ATP in ogljikov dioksid v prisotnosti kisika, pri čemer oddajajo vodo in ustvarijo bogastvo ATP (36 do 38 molekul na vložene molekule glukoze) v procesu.

Uravnotežena kemijska formula za celotno neto reakcijo, razen elektronskih nosilcev in energijskih molekul, je:

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O

Celično dihanje dejansko vključuje tri različne in zaporedne poti:

Zadnja dva od teh stopenj sta odvisna od kisika in skupaj tvorita aerobno dihanje. Vendar pogosto v razpravah o evkariontski presnovi glikoliza, čeprav ni odvisna od kisika, velja za del "aerobnega dihanja", ker je skoraj ves njegov glavni izdelek oz. piruvat, nadaljuje za vstop na drugi dve poti.

Zgodnja glikoliza

Pri glikolizi se glukoza v 10-ih reakcijah pretvori v molekulski piruvat z a čisti dobiček dveh molekul ATP in dve molekuli "nosilca elektronov" nikotinamid adenin dinukleotid (NADH). Za vsako molekulo glukoze, ki vstopi v postopek, nastaneta dve molekuli piruvata, saj ima piruvat tri ogljikove atome, glukoze pa šest.

V prvem koraku se glukoza fosforilira, da postane glukoza-6-fosfat (G6P). To povzroči, da se glukoza presnavlja, namesto da bi odtekla nazaj skozi celično membrano, ker fosfatna skupina daje G6P negativni naboj. V naslednjih korakih se molekula preuredi v drugačen sladkorni derivat in nato drugič fosforilira, da postane fruktoza-1,6-bisfosfat.

Te zgodnje faze glikolize zahtevajo naložbo dveh ATP, ker je to vir fosfatnih skupin v reakcijah fosforilacije.

Kasneje glikoliza

Fruktoza-1,6-bisfosfat se razdeli na dve različni molekuli s tremi ogljiki, vsaka pa ima svojo fosfatno skupino; skoraj vse od teh se hitro pretvori v drugo, gliceraldehid-3-fosfat (G3P). Tako se od tega trenutka naprej podvaja vse, ker obstajata dva G3P za vsako glukozo "navzgor".

Od tega trenutka se G3P fosforilira v koraku, ki tvori tudi NADH iz oksidirane oblike NAD +, nato pa se dve fosfatni skupini v naslednjih korakih preureditve dodeli molekulom ADP, da nastaneta dve molekuli ATP, skupaj s končnim ogljikovim produktom glikolize oz. piruvat.

Ker se to zgodi dvakrat na molekulo glukoze, druga polovica glikolize proizvede štiri ATP za a mreža dobiček iz glikolize dveh ATP (ker sta bila predčasno potrebna dva) in dveh NADH.

Krebsov cikel

V pripravljalna reakcija, potem ko se pruvat, ustvarjen v glikolizi, preide iz citoplazme v mitohondrijski matriks, se najprej pretvori v acetat (CH₃COOH-) in CO₂ (odpadni proizvod v tem scenariju) in nato v spojino, imenovano acetilni koencim Aali acetil CoA. V tej reakciji nastane NADH. To postavlja oder za Krebsov cikel.

Ta niz osmih reakcij je tako imenovan, ker je eden od reaktantov v prvem koraku oz. oksaloacetat, je tudi izdelek v zadnjem koraku. Naloga Krebsovega cikla je dobavitelj in ne proizvajalec: ustvari samo dva ATP na molekulo glukoze, prispeva pa še šest NADH in dva FADH₂, še en nosilec elektronov in bližnji sorodnik NADH.

(Upoštevajte, da to pomeni en ATP, tri NADH in en FADH₂ na obrat cikla. Za vsako glukozo, ki vstopi v glikolizo, v Krebsov cikel vstopata dve molekuli acetil CoA.)

Transportna veriga elektronov

Na osnovi glukoze porabimo energijo do te točke štiri ATP (dva iz glikolize in dva iz Krebsovega cikla), 10 NADH (dva iz glikolize, dva iz pripravljalne reakcije in šest iz Krebsovega cikla) ​​in dva FADH₂ iz Krebsovega cikla. Medtem ko se ogljikove spojine v Krebsovem ciklu še naprej vrtijo navzgor proti toku, se nosilci elektronov premikajo od mitohondrijskega matriksa do mitohondrijske membrane.

Ko NADH in FADH₂ sprostijo svoje elektrone, ti se uporabljajo za ustvarjanje elektrokemičnega gradienta skozi mitohondrijsko membrano. Ta gradient se uporablja za napajanje pritrditve fosfatnih skupin na ADP, da se ustvari ATP v procesu, imenovanem oksidativno fosforilacijo, ki so ga poimenovali zato, ker je končni sprejemnik elektronov, ki kaskadijo od nosilca elektrona do nosilca elektrona v verigi, kisik (O₂).

Ker vsak NADH prinese tri ATP in vsak FADH₂ v oksidativni fosforilaciji dobimo dva ATP, kar mešanici doda (10) (3) + (2) (2) = 34 ATP. Tako ena molekula glukoze lahko proizvede do 38 ATP v evkariontskih organizmih.