Inhalt
- Was genau ist Glukose?
- Der Glykolyse-Weg
- Zusammenfassung der Glykolyse: Inputs und Outputs
- Das Schicksal der Glykolyseprodukte
Lebewesen, die alle aus einer oder mehreren einzelnen Zellen bestehen, können in Prokaryoten und Eukaryoten unterteilt werden.
Praktisch alle Zellen verlassen sich darauf Glucose Für ihren Stoffwechselbedarf und den ersten Schritt bei der Zersetzung dieses Moleküls ist die Reihe der genannten Reaktionen Glykolyse (wörtlich "Glukosesplitting"). Bei der Glykolyse durchläuft ein einzelnes Glucosemolekül eine Reihe von Reaktionen, wobei ein Pyruvatmolekülpaar und eine geringe Energiemenge in Form von Adenosintriphosphat (ATP) erhalten werden.
Die endgültige Handhabung dieser Produkte variiert jedoch von Zelltyp zu Zelltyp. Prokaryontische Organismen nehmen nicht an aerobe Atmung. Dies bedeutet, dass Prokaryoten keinen molekularen Sauerstoff (O2). Stattdessen erfährt das Pyruvat Fermentation (anaerobe Atmung).
Einige Quellen schließen die Glykolyse im Prozess der "Zellatmung" bei Eukaryoten ein, da sie direkt vorangeht Aerobic Atmung (d. h. Krebszyklus und oxidative Phosphorylierung in der Elektronentransportkette). Streng genommen ist die Glykolyse selbst kein aerober Prozess, nur weil sie nicht auf Sauerstoff beruht und unabhängig davon stattfindet, ob O vorliegt oder nicht2 ist anwesend.
Da jedoch die Glykolyse a Voraussetzung Für die aerobe Atmung ist es selbstverständlich, beide Konzepte gleichzeitig zu lernen, da sie Pyruvat für ihre Reaktionen liefert.
Was genau ist Glukose?
Glucose ist ein Zucker mit sechs Kohlenstoffen, der als wichtigstes Einzelkohlenhydrat in der menschlichen Biochemie dient. Kohlenhydrate enthalten neben Sauerstoff auch Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H), und das Verhältnis von C zu H in diesen Verbindungen beträgt immer 1: 2.
Zucker sind kleiner als andere Kohlenhydrate, einschließlich Stärke und Cellulose. In der Tat ist Glucose oft eine sich wiederholende Untereinheit oder Monomerin diesen komplexeren Molekülen. Glucose selbst besteht nicht aus Monomeren und wird als solches als Monosaccharid ("ein Zucker") angesehen.
Die Formel für Glucose lautet C6H12O6. Der Hauptteil des Moleküls besteht aus einem hexagonalen Ring, der fünf der C-Atome und eines der O-Atome enthält. Das sechste und letzte C-Atom liegt in einer Seitenkette mit einer hydroxylgruppenhaltigen Methylgruppe (-CH2OH).
Der Glykolyse-Weg
Der im Zellzytoplasma ablaufende Prozess der Glykolyse besteht aus 10 Einzelreaktionen.
Es ist normalerweise nicht notwendig, sich die Namen aller Zwischenprodukte und Enzyme zu merken. Es ist jedoch nützlich, einen genauen Überblick über das Gesamtbild zu haben. Dies liegt nicht nur daran, dass die Glykolyse möglicherweise die relevanteste Reaktion in der Geschichte des Lebens auf der Erde ist, sondern auch daran, dass die einzelnen Schritte eine Reihe häufiger Ereignisse in Zellen veranschaulichen, einschließlich der Wirkung von Enzymen bei exothermen (energetisch günstigen) Reaktionen.
Wenn Glucose in eine Zelle eindringt, wird sie durch das Enzym Hexokinase angereichert und phosphoryliert (das heißt, eine Phosphatgruppe, die oft als Pi bezeichnet wird, wird daran angehängt). Dies fängt das Molekül in der Zelle ein, indem es mit einer negativen elektrostatischen Ladung versehen wird.
Dieses Molekül wandelt sich in eine phosphorylierte Form von Fructose um, die dann einen weiteren Phosphorylierungsschritt durchläuft und zu Fructose-1,6-bisphosphat wird. Dieses Molekül wird dann in zwei ähnliche Moleküle mit drei Kohlenstoffatomen gespalten, von denen eines schnell in das andere umgewandelt wird, um zwei Moleküle Glycerinaldehyd-3-phosphat zu ergeben.
Diese Substanz wird in ein anderes doppelt phosphoryliertes Molekül umgelagert, bevor die frühe Addition von Phosphatgruppen in nicht aufeinanderfolgenden Schritten umgekehrt wird. In jedem dieser Schritte passiert ein Molekül Adenosindiphosphat (ADP) durch den Enzym-Substrat-Komplex (der Name für die Struktur, die von dem jeweiligen Molekül gebildet wird, das reagiert, und dem Enzym, das die Reaktion zur Vervollständigung vorantreibt).
Dieses ADP nimmt ein Phosphat von jedem der drei vorhandenen Kohlenstoffmoleküle auf. Schließlich sitzen zwei Pyruvatmoleküle im Zytoplasma und können auf jedem Weg eingesetzt werden, den die Zelle zum Eindringen benötigt oder in der Lage ist, aufzunehmen.
Zusammenfassung der Glykolyse: Inputs und Outputs
Der einzig wahre Reaktant der Glykolyse ist ein Glucosemolekül. Jeweils zwei Moleküle ATP und NAD + (Nicotinamidadenindinukleotid, ein Elektronenträger) werden während der Reaktionsreihe eingeführt.
Sie werden oft den vollständigen Prozess der Zellatmung mit Glukose und Sauerstoff als Reaktanten und Kohlendioxid und Wasser als Produkt zusammen mit 36 (oder 38) ATP sehen. Die Glykolyse ist jedoch nur die erste Reihe von Reaktionen, die letztendlich zur aeroben Gewinnung dieser Energie aus Glukose führen.
Insgesamt vier ATP-Moleküle entstehen bei den Reaktionen, an denen die drei Kohlenstoffkomponenten der Glykolyse beteiligt sind - zwei bei der Umwandlung des 1,3-Bisphosphoglycerat-Molekülpaars in zwei 3-Phosphoglycerat-Moleküle und zwei bei der Umwandlung eines Phosphoenolpyruvat-Molekülpaars in zwei Pyruvatmoleküle, die das Ende der Glykolyse darstellen. Diese werden alle durch Phosphorylierung auf Substratebene synthetisiert, was bedeutet, dass das ATP aus der direkten Addition von anorganischem Phosphat (Pi) an ADP stammt und nicht als Folge eines anderen Prozesses gebildet wird.
Zwei ATP werden zu Beginn der Glykolyse benötigt, zuerst, wenn Glucose zu Glucose-6-phosphat phosphoryliert wird, und dann zwei Schritte später, wenn Fructose-6-phosphat zu Fructose-1,6-bisphosphat phosphoryliert wird. Der Nettogewinn an ATP bei der Glykolyse durch ein Glucosemolekül beträgt somit zwei Moleküle. Dies ist leicht zu merken, wenn Sie es mit der Anzahl der erzeugten Pyruvatmoleküle in Verbindung bringen.
Außerdem werden bei der Umwandlung von Glycerinaldehyd-3-phosphat zu 1,3-Bisphosphoglycerat zwei Moleküle NAD + zu zwei Molekülen NADH reduziert, wobei letztere als indirekte Energiequelle dienen, da sie an den Reaktionen von unter anderem beteiligt sind andere Prozesse, aerobe Atmung.
Kurz gesagt ist die Nettoglykolyse-Ausbeute daher 2 ATP, 2 Pyruvat und 2 NADH. Dies ist kaum ein Zwanzigstel der ATP-Menge, die bei der aeroben Atmung produziert wird. Da Prokaryoten jedoch in der Regel viel kleiner und weniger komplex als Eukaryoten sind und geringere metabolische Anforderungen erfüllen müssen, kommen sie trotz dieser geringeren Belastung aus -ideal Schema.
(Eine andere Sichtweise ist natürlich, dass der Mangel an aerober Atmung in Bakterien verhindert hat, dass sie sich zu größeren, vielfältigeren Kreaturen entwickeln, für was es wichtig ist.)
Das Schicksal der Glykolyseprodukte
Bei Prokaryoten hat der Organismus nach Beendigung des Glykolysepfades fast jede seiner Stoffwechselkarten gespielt. Das Pyruvat kann über weiter zu Laktat metabolisiert werden Fermentationoder anaerobe Atmung. Der Zweck der Fermentation besteht nicht darin, Laktat zu produzieren, sondern NAD + aus NADH zu regenerieren, damit es bei der Glykolyse verwendet werden kann.
(Beachten Sie, dass dies von der Alkoholgärung verschieden ist, bei der Ethanol aus Pyruvat unter Einwirkung von Hefe hergestellt wird.)
Bei Eukaryoten tritt der größte Teil des Pyruvats in die ersten Schritte der aeroben Atmung ein: den Krebs-Zyklus, auch Tricarbonsäure-Zyklus (TCA-Zyklus) oder Zitronensäure-Zyklus genannt. Dies geschieht in den Mitochondrien, wo das Pyruvat in die Zweikohlenstoffverbindung Acetyl-Coenzym A (CoA) und Kohlendioxid (CO) umgewandelt wird2).
Die Rolle dieses achtstufigen Zyklus besteht darin, mehr energiereiche Elektronenträger für nachfolgende Reaktionen herzustellen - 3 NADH, ein FADH2 (reduziertes Flavinadenindinukleotid) und ein GTP (Guanosintriphosphat).
Wenn diese in die Elektronentransportkette auf der Mitochondrienmembran eintreten, verschiebt ein als oxidative Phosphorylierung bezeichneter Prozess die Elektronen von diesen hochenergetischen Trägern zu Sauerstoffmolekülen. Das Endergebnis ist die Produktion von 36 (oder möglicherweise 38) ATP-Molekülen pro Glucosemolekül. stromaufwärts. "
Die weitaus größere Effizienz und Ausbeute des aeroben Stoffwechsels erklärt im Wesentlichen alle grundlegenden Unterschiede zwischen Prokaryoten und Eukaryoten, wobei die ersteren den letzteren vorausgingen und vermutlich zu diesen geführt haben.