Hvordan metabolisere glukose for å lage ATP

Innhold

• Hva er glukose?
• Hva er ATP?
• Cellular Respiration
• Tidlig glykolyse
• Senere glykolyse
• Krebs-syklusen
• Elektrontransportkjeden

Glukose, et seks-karbon sukker, er det grunnleggende "input" i ligningen som styrker hele livet. Energi fra utsiden konverteres på noen måte til energi for cellen. Hver organisme som er i live, fra din beste venn til den laveste bakterien, har celler som forbrenner glukose for drivstoff på rotmetabolsk nivå.

Organismer skiller seg i hvilken grad cellene deres kan hente ut energi fra glukose. I alle celler er denne energien i form av adenosintrifosfat (ATP).

Derfor en ting alle levende celler til felles er at de metaboliserer glukose for å lage ATP. Et gitt glukosemolekyl som kommer inn i en celle kunne begynt som en biffmiddag, som byttet til et vilt dyr, som plantestoff eller som noe annet.

Uansett har forskjellige fordøyelses- og biokjemiske prosesser brutt ned alle multikarbonmolekylene i hvilke stoffer organismen inntar for næring til monosakkaridsukkeret som kommer inn i cellulære metabolske veier.

Hva er glukose?

Kjemisk er glukose a heksoseok sukker, hex å være det greske prefikset for "seks", antall karbonatomer i glukose. Dens molekylformel er C₆H₁₂O₆som gir den en molekylvekt på 180 gram per mol.

Glukose er også en monosakkarid i det er et sukker som bare inneholder en grunnleggende enhet, eller monomer. fruktose er et annet eksempel på et monosakkarid sukrose, eller bordsukker (fruktose pluss glukose), laktose (glukose pluss galaktose) og maltose (glukose pluss glukose) er disakkarider.

Merk at forholdet mellom karbon, hydrogen og oksygenatomer i glukose er 1: 2: 1. Alle karbohydrater viser faktisk det samme forholdet, og deres molekylformler er alle av formen C_nH_2nO_n.

Hva er ATP?

ATP er en nukleosid, i dette tilfellet adenosin, med tre fosfatgrupper festet til det. Dette gjør det faktisk til en nukleotid, som et nukleosid er a pentosefosfateveien sukker (enten ribose eller deoksyribose) kombinert med en nitrogenholdig base (dvs. adenin, cytosin, guanin, timin eller uracil), mens et nukleotid er et nukleosid med en eller flere fosfatgrupper festet. Men terminologi til side, det viktige å vite om ATP er at det inneholder adenin, ribose og en kjede med tre fosfatgrupper.

ATP lages via fosforylering av adenosindifosfat (ADP), og omvendt når den terminale fosfatbindingen i ATP er hydrolysert, ADP og P_Jeg (uorganisk fosfat) er produktene. ATP regnes som cellens "energivaluta" ettersom dette ekstraordinære molekylet brukes til å drive nesten hver metabolsk prosess.

Cellular Respiration

Cellulær respirasjon er settet av metabolske veier i eukaryote organismer som omdanner glukose til ATP og karbondioksid i nærvær av oksygen, avgir vann og produserer et vell av ATP (36 til 38 molekyler per glukosemolekyl investert) i prosessen.

Den balanserte kjemiske formelen for den totale nettoreaksjonen, unntatt elektronbærere og energimolekyler, er:

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O

Cellulær respirasjon inkluderer faktisk tre distinkte og sekvensielle veier:

De to siste av disse stadiene er oksygenavhengige og utgjør sammen aerobisk respirasjon. I diskusjoner om eukaryotisk metabolisme anses imidlertid ofte glykolyse, selv om den ikke er avhengig av oksygen, som en del av "aerob respirasjon" fordi nesten hele hovedproduktet, pyruvat, fortsetter å gå inn i de to andre stiene.

Tidlig glykolyse

Ved glykolyse omdannes glukose i en serie på 10 reaksjoner til molekylet pyruvat, med en netto gevinst for to molekyler ATP og to molekyler av "elektronbæreren" nikotinamid adenindinukleotid (NADH). For hvert molekyl glukose som kommer inn i prosessen produseres to molekyler med pyruvat, da pyruvat har tre karbonatomer til glukoser seks.

I det første trinnet fosforyleres glukose til å bli glukose-6-fosfat (G6P). Dette forplikter glukosen til å metaboliseres i stedet for å renne ut gjennom cellemembranen, fordi fosfatgruppen gir G6P en negativ ladning. I løpet av de neste trinnene omorganiseres molekylet til et annet sukkerderivat og fosforyleres deretter en gang til fruktose-1,6-bisfosfat.

Disse tidlige trinnene med glykolyse krever en investering av to ATP fordi dette er kilden til fosfatgruppene i fosforyleringsreaksjonene.

Senere glykolyse

Fruktose-1,6-bisfosfat deles opp i to forskjellige tre-karbonmolekyler, som hver har sin egen fosfatgruppe; nesten alle disse ene blir raskt konvertert til den andre, glyseraldehyd-3-fosfat (G3p). Fra dette tidspunkt og fremover blir alt duplisert fordi det er to G3P ​​for hver glukose "oppstrøms."

Fra dette punktet fosforyleres G3P i et trinn som også produserer NADH fra oksidert form NAD +, og deretter blir de to fosfatgruppene gitt opp til ADP-molekyler i etterfølgende omorganiseringstrinn for å produsere to ATP-molekyler sammen med sluttkarbonproduktet av glykolyse, pyruvat.

Siden dette skjer to ganger per glukosemolekyl, produserer andre halvdel av glykolysen fire ATP for a nett gevinst ved glykolyse av to ATP (siden to var påkrevd tidlig i prosessen) og to NADH.

Krebs-syklusen

I forberedende reaksjonetter at pyruvat generert i glykolyse finner veien fra cytoplasmaet inn i mitokondriell matriks, blir det først omdannet til acetat (CH)₃COOH-) og CO₂ (et avfallsprodukt i dette scenariet) og deretter til en forbindelse som heter acetylkoenzym A, eller acetyl CoA. I denne reaksjonen genereres en NADH. Dette setter scenen for Krebs-syklusen.

Denne serien med åtte reaksjoner er så kalt fordi en av reaktantene i første trinn, oxaloacetate, er også produktet i siste trinn. Jobben med Krebs-syklusen er en leverandør i stedet for en produsent: Den genererer bare to ATP per glukosemolekyl, men bidrar med seks flere NADH og to av FADH₂, en annen elektronisk transportør og en nær slektning av NADH.

(Merk at dette betyr én ATP, tre NADH og en FADH₂ per syklus. For hver glukose som går inn i glykolyse, kommer to molekyler med acetyl CoA inn i Krebs-syklusen.)

Elektrontransportkjeden

Per glukosebasis er energien til dette punktet fire ATP (to fra glykolyse og to fra Krebs-syklusen), 10 NADH (to fra glykolyse, to fra den forberedende reaksjon og seks fra Krebs-syklusen) og to FADH₂ fra Krebs-syklusen. Mens karbonforbindelsene i Krebs-syklusen fortsetter å snurre rundt oppstrøms, beveger elektronbærerne seg fra mitokondriell matrise til mitokondriell membran.

Når NADH og FADH₂ frigjør elektronene sine, disse brukes til å lage en elektrokjemisk gradient over mitokondriell membran. Denne gradienten brukes til å drive tilknytningen av fosfatgrupper til ADP for å lage ATP i en prosess som heter oksidativ fosforylering, så navngitt fordi den endelige akseptoren for elektronene som faller fra elektronbærer til elektronbærer i kjeden, er oksygen (O₂).

Fordi hver NADH gir tre ATP og hver FADH₂ gir to ATP i oksidativ fosforylering, dette tilfører (10) (3) + (2) (2) = 34 ATP til blandingen. Og dermed ett molekyl glukose kan gi opptil 38 ATP i eukaryote organismer.