Hoe glucose te metaboliseren om ATP te maken

Inhoud

• Wat is glucose?
• Wat is ATP?
• Cellulaire ademhaling
• Vroege glycolyse
• Later glycolyse
• De Krebs-cyclus
• De elektronen transportketen

Glucose, een zes-koolstof suiker, is de fundamentele "input" in de vergelijking die het hele leven aandrijft. Energie van buitenaf wordt op een bepaalde manier omgezet in energie voor de cel. Elk levend organisme, van je beste vriend tot de laagste bacterie, heeft cellen die glucose verbranden voor brandstof op het metabole niveau.

Organismen verschillen in de mate waarin hun cellen energie uit glucose kunnen extraheren. In alle cellen heeft deze energie de vorm van adenosine trifosfaat (ATP).

Daarom één ding alle levende cellen hebben gemeen dat ze glucose metaboliseren om ATP te maken. Een bepaald glucosemolecuul dat een cel binnenkomt, kan zijn begonnen als een biefstukdiner, als prooi van een wild dier, als plantmateriaal of als iets anders.

Hoe dan ook, verschillende spijsverterings- en biochemische processen hebben alle multikoolstofmoleculen afgebroken in alle stoffen die het organisme opneemt voor voeding aan de monosaccharidesuiker die cellulaire metabole routes binnengaat.

Wat is glucose?

Chemisch gezien is glucose een hexose suiker, hex zijnde het Griekse voorvoegsel voor "zes", het aantal koolstofatomen in glucose. De moleculaire formule is C₆H₁₂O₆, waardoor het een molecuulgewicht van 180 gram per mol heeft.

Glucose is ook een monosaccharide dat is een suiker die slechts één fundamentele eenheid omvat, of monomeer. fructose is een ander voorbeeld van een monosacharide, terwijl sucroseof tafelsuiker (fructose plus glucose), lactose (glucose plus galactose) en maltose (glucose plus glucose) zijn disacchariden.

Merk op dat de verhouding koolstof-, waterstof- en zuurstofatomen in glucose 1: 2: 1 is. Alle koolhydraten vertonen in feite dezelfde verhouding en hun moleculaire formules hebben allemaal de vorm C_nH_2nO_n.

Wat is ATP?

ATP is een nucleoside, in dit geval adenosine, waaraan drie fosfaatgroepen zijn bevestigd. Dit maakt het eigenlijk een nucleotide, zoals een nucleoside een is pentose suiker (ook niet ribose of deoxyribose) gecombineerd met een stikstofbase (d.w.z. adenine, cytosine, guanine, thymine of uracil), terwijl een nucleotide een nucleoside is waaraan een of meer fosfaatgroepen zijn bevestigd. Maar afgezien van terminologie, is het belangrijke ding om te weten over ATP dat het adenine, ribose en een keten van drie fosfaat (P) groepen bevat.

ATP wordt gemaakt via de fosforylering van adenosinedifosfaat (ADP), en omgekeerd, wanneer de terminale fosfaatbinding in ATP is gehydrolyseerde, ADP en P_ik (anorganisch fosfaat) zijn de producten. ATP wordt beschouwd als de "energievaluta" van cellen, omdat dit buitengewone molecuul wordt gebruikt om bijna elk metabolisch proces aan te drijven.

Cellulaire ademhaling

Cellulaire ademhaling is de verzameling metabole routes in eukaryote organismen die glucose in ATP en koolstofdioxide omzet in aanwezigheid van zuurstof, water afgeeft en een rijkdom aan ATP produceert (36 tot 38 moleculen per geïnvesteerde glucosemolecule) in het proces.

De uitgebalanceerde chemische formule voor de totale netto reactie, exclusief elektronendragers en energiemoleculen, is:

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O

Cellulaire ademhaling omvat eigenlijk drie verschillende en opeenvolgende routes:

De laatste twee van deze fasen zijn zuurstofafhankelijk en vormen samen aërobe ademhaling. Vaak wordt echter in discussies over eukaryotisch metabolisme, hoewel het niet afhankelijk is van zuurstof, beschouwd als onderdeel van "aerobe ademhaling" omdat bijna al zijn hoofdproducten, pyruvaat, gaat verder met het invoeren van de andere twee paden.

Vroege glycolyse

Bij glycolyse wordt glucose omgezet in een reeks van 10 reacties in het molecuul pyruvaat, met een netto winst van twee moleculen ATP en twee moleculen van de "elektronendrager" nicotinamide adenine dinucleotide (NADH). Voor elke molecule glucose die het proces binnenkomt, worden twee moleculen pyruvaat geproduceerd, aangezien pyruvaat drie koolstofatomen heeft om zes glucosen te vormen.

In de eerste stap wordt glucose gefosforyleerd om te worden glucose-6-fosfaat (G6P). Dit zorgt ervoor dat de glucose wordt gemetaboliseerd in plaats van terug te drijven door het celmembraan, omdat de fosfaatgroep G6P een negatieve lading geeft. In de volgende paar stappen wordt het molecuul herschikt in een ander suikerderivaat en vervolgens een tweede keer gefosforyleerd om te worden fructose-1,6-bisfosfaat.

Deze vroege stappen van glycolyse vereisen een investering van twee ATP omdat dit de bron is van de fosfaatgroepen in de fosforyleringsreacties.

Later glycolyse

Het fructose-1,6-bisfosfaat splitst in twee verschillende drie-koolstofmoleculen, die elk hun eigen fosfaatgroep dragen; bijna al deze wordt snel omgezet in de andere, glyceraldehyde-3-fosfaat (G3P). Dus vanaf dit punt wordt alles gedupliceerd omdat er twee G3P zijn voor elke glucose "stroomopwaarts".

Vanaf dit punt wordt G3P gefosforyleerd in een stap die ook NADH produceert uit de geoxideerde vorm NAD +, en vervolgens worden de twee fosfaatgroepen overgegeven aan ADP-moleculen in daaropvolgende herschikkingsstappen om twee ATP-moleculen te produceren samen met het eindkoolstofproduct van glycolyse, pyruvaat.

Omdat dit twee keer per glucosemolecuul gebeurt, produceert de tweede helft van glycolyse vier ATP voor een netto winst uit glycolyse van twee ATP (aangezien twee vroeg in het proces nodig waren) en twee NADH.

De Krebs-cyclus

In de voorbereidende reactie, nadat het in glycolyse gegenereerde pyruvaat zijn weg vindt van het cytoplasma naar de mitochondriale matrix, wordt het eerst omgezet in acetaat (CH₃COOH-) en CO₂ (een afvalproduct in dit scenario) en vervolgens naar een verbinding genaamd acetylco-enzym Aof acetyl COA. In deze reactie wordt een NADH gegenereerd. Hiermee wordt de weg vrijgemaakt voor de Krebs-cyclus.

Deze reeks van acht reacties is zo genoemd omdat een van de reactanten in de eerste stap, oxaalacetaat, is ook het product in de laatste stap. De taak van de Krebs-cyclus is die van een leverancier in plaats van een fabrikant: het genereert slechts twee ATP per glucosemolecuul, maar draagt ​​nog zes NADH en twee van FADH bij₂, een andere elektronendrager en een naaste verwant van NADH.

(Merk op dat dit één ATP, drie NADH en één FADH betekent₂ per draai van de cyclus. Voor elke glucose die glycolyse binnengaat, komen twee moleculen acetyl CoA in de Krebs-cyclus.)

De elektronen transportketen

Op basis van glucose is de energietelling tot dit punt vier ATP (twee uit glycolyse en twee uit de Krebs-cyclus), 10 NADH (twee uit glycolyse, twee uit de voorbereidende reactie en zes uit de Krebs-cyclus) en twee FADH₂ uit de Krebs-cyclus. Terwijl de koolstofverbindingen in de Krebs-cyclus stroomopwaarts blijven ronddraaien, bewegen de elektronendragers van de mitochondriale matrix naar het mitochondriale membraan.

Wanneer NADH en FADH₂ laten hun elektronen vrij, deze worden gebruikt om een ​​elektrochemische gradiënt over het mitochondriale membraan te creëren. Deze gradiënt wordt gebruikt om de hechting van fosfaatgroepen aan ADP aan te drijven om ATP te creëren in een proces dat wordt genoemd oxidatieve fosforylering, zo genoemd omdat de ultieme acceptor van de elektronen die van elektrondrager naar elektrondrager in de keten stromen, zuurstof is (O₂).

Omdat elke NADH drie ATP en elke FADH oplevert₂ levert twee ATP op in oxidatieve fosforylering, dit voegt (10) (3) + (2) (2) = 34 ATP aan het mengsel toe. Dus één molecuul glucose kan tot 38 ATP opleveren in eukaryotische organismen.