Inhalt
- Glukose: Definition
- Glukose, Zelltypen und Stoffwechsel
- Der Prozess der Glykolyse
- Frühe Glykolyse
- Später Glykolyse
- Post-Glycolysis-Prozesse
Glukose ist die ultimative Quelle für Zellkraftstoff für alle Lebewesen, wobei die Energie in ihren chemischen Bindungen zur Synthese verwendet wird Adenosintriphosphat (ATP) auf verschiedene miteinander verbundene und voneinander abhängige Arten. Wenn ein Molekül dieses Zuckers mit sechs Kohlenstoffatomen (d. H. Hexose) die Plasmamembran einer Zelle von außen durchquert, um in das Zytoplasma einzutreten, tritt es sofort ein phosphoryliert - Das heißt, eine Phosphatgruppe, die eine negative elektrische Ladung trägt, ist an einen Teil des Glucosemoleküls gebunden. Daraus ergibt sich eine negative Nettoladung für das, was dann a geworden ist Glucose-6-phosphat Molekül, das es daran hindert, die Zelle zu verlassen.
Prokaryoten, zu denen die Domänen Bacteria und Archaea gehören, haben keine membrangebundenen Organellen, einschließlich der Mitochondrien das in Eukaryoten Wirt des Krebszyklus und der sauerstoffabhängigen Elektronentransportkette. Infolgedessen sind Prokaryoten nicht an der aeroben Atmung ("mit Sauerstoff") beteiligt, sondern beziehen fast ihre gesamte Energie aus der Glykolyse, dem anaeroben Prozess, der auch vor der in eukaryotischen Zellen durchgeführten aeroben Atmung abläuft.
Glukose: Definition
Da Glukose zu den wichtigsten Molekülen in der Biochemie gehört und der Ausgangspunkt der vielleicht wichtigsten Reaktionen in den Annalen des Lebens auf dem Planeten Erde ist, ist eine kurze Erörterung der Struktur und des Verhaltens dieses Moleküls angebracht.
Auch bekannt als Traubenzucker (in der Regel in Bezug auf nicht-biologische Systeme wie Glukose aus Mais) und Blutzucker (in Bezug auf biologische Systeme, z. B. in der Medizin), ist Glucose ein Molekül mit sechs Kohlenstoffatomen mit der chemischen Formel C6H12O6. Im menschlichen Blut liegt die normale Glucosekonzentration bei etwa 100 mg / dl. 100 mg sind ein Zehntel Gramm, während ein dL ein Zehntel Liter ist; Das entspricht einem Gramm pro Liter, und da die durchschnittliche Person ungefähr 4 Liter Blut hat, haben die meisten Menschen zu jeder Zeit ungefähr 4 g Glukose in ihrem Blutkreislauf - nur ungefähr eine Siebtel Unze.
Fünf der sechs C - Atome in Glucose sitzen in der Sechs-Atom-Ring bilden, dass das Molekül 99,98 Prozent der Zeit in der Natur annimmt. Das sechste Ringatom ist ein Sauerstoff (O), wobei das sechste C an eines der Ring-Cs als Teil von a gebunden ist Hydroxymethyl (-CH2OH) Gruppe. Es ist an der Hydroxylgruppe (-OH) anorganisches Phosphat (Pi) wird während des Phosphorylierungsprozesses gebunden, der das Molekül im Zellzytoplasma einfängt.
Glukose, Zelltypen und Stoffwechsel
Prokaryoten sind klein (die überwiegende Mehrheit ist einzellig) und einfach (in der einen Zelle fehlen ihnen ein Zellkern und andere membrangebundene Organellen). Dies mag sie davon abhalten, in den meisten Hinsichten so elegant und interessant zu sein wie Eukaryoten, aber es hält auch ihren Treibstoffbedarf vergleichsweise niedrig.
Sowohl bei Prokaryonten als auch bei Eukaryonten ist die Glykolyse der erste Schritt im Metabolismus von Glukose. Die Phosphorylierung von Glucose beim Eintritt in eine Zelle durch Diffusion über die Plasmamembran ist der erste Schritt der Glykolyse, der in einem nachfolgenden Abschnitt ausführlich beschrieben wird.
Am Ende der Glykolyse wurden aus dem Glucosemolekül zwei Pyruvatmoleküle mit drei Kohlenstoffatomen, zwei Moleküle des sogenannten hochenergetischen Elektronenträgers Nicotinamidadenindinukleotid (NADH) und ein Nettogewinn von zwei ATP-Molekülen erzeugt.
Zu diesem Zeitpunkt geht das Pyruvat bei Prokaryoten normalerweise in die Fermentation über, ein anaerober Prozess mit einer Reihe von verschiedenen Variationen, die in Kürze untersucht werden. Einige Bakterien haben jedoch die Fähigkeit entwickelt, in gewissem Maße aerobe Atmung durchzuführen, und werden als solche bezeichnet fakultative Anaerobier. Als Bakterien werden Bakterien bezeichnet, die nur aus der Glykolyse Energie gewinnen können obligate Anaerobierund viele von ihnen werden tatsächlich durch Sauerstoff getötet. Nur wenige Bakterien sind gleichmäßig obligate aerobesDies bedeutet, dass sie wie Sie einen absoluten Sauerstoffbedarf haben. Angesichts der Tatsache, dass sich Bakterien in etwa 3,5 Milliarden Jahren an die Anforderungen der sich wandelnden Umwelt der Erde anpassen mussten, sollte es nicht überraschen, dass sie eine Reihe grundlegender Strategien für das metabolische Überleben festgelegt haben.
Der Prozess der Glykolyse
Die Glykolyse umfasst 10 Reaktionen, das ist eine nette, runde Zahl, aber Sie müssen sich nicht unbedingt alle Produkte, Zwischenprodukte und Enzyme in all diesen Schritten merken. Während es Spaß macht und nützlich ist, einige dieser Details zu kennen, ist es wichtiger, ein Gefühl dafür zu entwickeln Was geschieht in der Glykolyse insgesamt und Warum es passiert (sowohl in Bezug auf die Grundphysik als auch auf die Bedürfnisse der Zelle).
Die Glykolyse wird in der folgenden Reaktion erfasst, die die Summe ihrer 10 Einzelreaktionen ist:
C6H12O6 → 2 C3H4O3 + 2 ATP + 2 NADH
Im Klartext wird bei der Glykolyse ein einzelnes Glucosemolekül in zwei Pyruvatmoleküle zerlegt, und dabei werden ein paar Brennstoffmoleküle und ein Paar "Vorbrennstoff" -Moleküle hergestellt. ATP ist die nahezu universelle Währung für Energie in zellulären Prozessen, während NADH, die reduzierte Form von NAD + oder Nicotinamidadenindinukleotid, als energiereicher Elektronenträger fungiert, der letztendlich diese Elektronen in Form von Wasserstoffionen (H +) abgibt. zu Sauerstoffmolekülen am Ende der Elektronentransportkette im aerober Stoffwechsel, Dies führt zu viel mehr ATP, als die Glykolyse allein liefern kann.
Frühe Glykolyse
Die Phosphorylierung von Glucose nach ihrem Eintritt in das Zytoplasma führt zu Glucose-6-phosphat (G-6-P). Das Phosphat stammt von ATP und dessen Einlagerung in Glukoseblätter Adenosindiphosphat (ADP) hinten. Wie bereits erwähnt, fängt dies die Glukose in der Zelle ein.
Als nächstes wird G-6-P in konvertiert Fructose-6-phosphat (F-6-P). Das ist ein Isomerisierung Reaktion, weil der Reaktant und das Produkt Isomere voneinander sind - Moleküle mit der gleichen Anzahl von jedem Typ von Atom, aber mit unterschiedlichen räumlichen Anordnungen. In diesem Fall hat der Fructosering nur fünf Atome. Das Enzym, das für diese Art von Atom-Jonglage verantwortlich ist, heißt Phosphoglucose-Isomerase. (Die meisten Enzymnamen sind zwar oft umständlich, ergeben aber zumindest einen Sinn.)
Bei der dritten Reaktion der Glykolyse wird F-6-P in umgewandelt Fructose-1,6-bisphosphat (F-1,6-BP). In diesem Phosphorylierungsschritt stammt das Phosphat wieder von ATP, diesmal wird es jedoch an ein anderes Kohlenstoffatom gebunden. Das verantwortliche Enzym ist Phosphofructokinase (PFK).
Bei der vierten Reaktion der Glykolyse wird das F-1,6-BP-Molekül, das aufgrund seiner doppelten Dosis an Phosphatgruppen ziemlich instabil ist, durch das Enzym gespalten Aldolase in die drei Kohlenstoffatome aufweisenden Moleküle mit einer Phosphatgruppe Glycerinaldehyd-3-phosphat (GAP) und Dihydroxyacetonphosphat (DHAP). Dies sind Isomere, und das DHAP wird im fünften Schritt der Glykolyse unter Verwendung eines Stoßes des Enzyms schnell in GAP umgewandelt Triose-Phosphat-Isomerase (TIM).
In diesem Stadium ist das ursprüngliche Glucosemolekül zu zwei identischen, einfach phosphorylierten Molekülen mit drei Kohlenstoffatomen auf Kosten von zwei ATP geworden. Von diesem Punkt an tritt jede beschriebene Reaktion der Glykolyse zweimal für jedes Glucosemolekül auf, das der Glykolyse unterzogen wird.
Später Glykolyse
Bei der sechsten Reaktion der Glykolyse wird GAP in umgewandelt 1,3-Bisphosphoglycerat (1,3-BPG) unter dem Einfluss von Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase. Dehydrogenaseenzyme entfernen Wasserstoffatome (d. H. Protonen). Der von GAP befreite Wasserstoff wird an das NAD + -Molekül gebunden und ergibt NADH. Denn das Ausgangsmolekül Glucose hat stromaufwärts Anlass gegeben zwei Moleküle von GAP, nach dieser Reaktion, zwei Moleküle von NADH wurden erzeugt.
Bei der siebten Glykolyse-Reaktion ist eine der Phosphorylierungsreaktionen der frühen Glykolyse tatsächlich umgekehrt. Wenn das Enzym Phosphoglyceratkinase Entfernt man eine Phosphatgruppe von 1,3-BPG, so ergibt sich 3-Phosphoglycerat (3-PG). Die Phosphate, die von den beiden 1,3-BPG-Molekülen abgezogen wurden, werden an ein ADP angehängt, um zwei ATP zu bilden. Dies bedeutet, dass die beiden in den Schritten eins und drei "geliehenen" ATP in der siebten Reaktion "zurückgegeben" werden.
In Schritt acht wird 3-PG in konvertiert 2-Phosphoglycerat (2-PG) von Phosphoglycerat-Mutase, der die eine verbleibende Phosphatgruppe zu einem anderen Kohlenstoffatom pendelt. Eine Mutase unterscheidet sich von einer Isomerase dadurch, dass sie in ihrer Wirkung weniger hartnäckig ist; Anstatt die Struktur eines Moleküls neu zu ordnen, verschieben sie lediglich eine seiner Seitengruppen an einen neuen Ort, wobei das gesamte Rückgrat, der Ring usw. unverändert bleiben.
Bei der neunten Reaktion der Glykolyse wird 2-PG in umgewandelt Phosphoenolpyruvat (PEP) unter der Handlung von Enolase. Ein Enol ist eine Verbindung mit einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung, bei der einer der Kohlenstoffatome auch an eine Hydroxylgruppe gebunden ist.
Schließlich, die zehnte und letzte Reaktion der Glykolyse, wird PEP dank des Enzyms in Pyruvat umgewandelt Pyruvatkinase. Die Phosphatgruppen, die von den beiden PEP entfernt wurden, sind an ADP-Moleküle gebunden und ergeben zwei ATP- und zwei Pyruvatgruppen, deren Formel lautet (C3H4O3) oder (CH3) CO (COOH). Somit ergibt die anfängliche anaerobe Verarbeitung eines einzelnen Glucosemoleküls zwei Pyruvat-, zwei ATP- und zwei NADH-Moleküle.
Post-Glycolysis-Prozesse
Das Pyruvat, das letztendlich durch den Eintritt von Glucose in Zellen erzeugt wird, kann einen von zwei Wegen einschlagen. Wenn die Zelle prokaryotisch ist oder wenn die Zelle eukaryotisch ist, aber vorübergehend mehr Kraftstoff benötigt, als die aerobe Atmung allein (wie zum Beispiel bei Muskelzellen während harter körperlicher Betätigung wie Singen oder Heben von Gewichten) bereitstellen kann, tritt Pyruvat in den Fermentationsweg ein. Wenn die Zelle eukaryotisch ist und einen typischen Energiebedarf hat, bewegt sie das Pyruvat in den Mitochondrien und beteiligt sich an der Krebs Zyklus: