Wie man Glukose metabolisiert, um ATP zu bilden

Inhalt

• Was ist Glukose?
• Was ist ATP?
• Zellatmung
• Frühe Glykolyse
• Später Glykolyse
• Der Krebs-Zyklus
• Die Elektronentransportkette

Glukose, ein Zucker mit sechs Kohlenstoffen, ist der grundlegende "Input" in der Gleichung, die alles Leben antreibt. Energie von außen wird in gewisser Weise in Energie für die Zelle umgewandelt. Jeder lebende Organismus, von Ihrem besten Freund bis zum niedrigsten Bakterium, hat Zellen, die Glukose als Brennstoff auf der Ebene des Wurzelstoffwechsels verbrennen.

Organismen unterscheiden sich darin, inwieweit ihre Zellen Energie aus Glukose gewinnen können. In allen Zellen ist diese Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP).

Deshalb eine Sache Allen lebenden Zellen ist gemeinsam, dass sie Glukose zu ATP metabolisieren. Ein bestimmtes Glukosemolekül, das in eine Zelle gelangt, könnte als Steak-Dinner, als Beute eines wilden Tieres, als Pflanzenmaterial oder als etwas anderes begonnen haben.

Unabhängig davon haben verschiedene Verdauungs- und biochemische Prozesse alle Multikohlenstoffmoleküle in den Substanzen abgebaut, die der Organismus zur Versorgung des Monosaccharidzuckers aufnimmt, der in die zellulären Stoffwechselwege gelangt.

Was ist Glukose?

Chemisch gesehen ist Glucose a Hexose Zucker, verhexen wobei das griechische Präfix für "sechs" die Anzahl der Kohlenstoffatome in Glucose ist. Seine Summenformel lautet C₆H₁₂O₆Dies ergibt ein Molekulargewicht von 180 Gramm pro Mol.

Glukose ist auch ein Monosaccharid darin ist ein Zucker, der nur eine Grundeinheit enthält, oder Monomer. Fruchtzucker ist ein weiteres Beispiel für ein Monosaccharid, während Saccharoseoder Haushaltszucker (Fructose plus Glucose), Laktose (Glucose plus Galactose) und Maltose (Glucose plus Glucose) sind Disaccharide.

Es ist zu beachten, dass das Verhältnis von Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoffatomen in Glucose 1: 2: 1 beträgt. Tatsächlich weisen alle Kohlenhydrate dasselbe Verhältnis auf, und ihre Molekülformeln haben alle die Form C_nH_2nO_n.

Was ist ATP?

ATP ist a Nukleosidin diesem Fall Adenosin mit drei daran gebundenen Phosphatgruppen. Das macht es eigentlich zu einem Nukleotid, als Nukleosid ist a Pentose Zucker (entweder Ribose oder Desoxyribose) kombiniert mit einer stickstoffhaltigen Base (d. h. Adenin, Cytosin, Guanin, Thymin oder Uracil), wohingegen ein Nukleotid ein Nukleosid mit einer oder mehreren gebundenen Phosphatgruppen ist. Abgesehen von der Terminologie ist es wichtig zu wissen, dass ATP Adenin, Ribose und eine Kette von drei Phosphatgruppen (P) enthält.

ATP erfolgt über die Phosphorylierung von Adenosindiphosphat (ADP) und umgekehrt, wenn die terminale Phosphatbindung in ATP ist hydrolysiert, ADP und P_ich (anorganisches Phosphat) sind die Produkte. ATP gilt als "Energiewährung" der Zellen, da dieses außergewöhnliche Molekül fast jeden Stoffwechselprozess antreibt.

Zellatmung

Zellatmung ist der Satz von Stoffwechselwegen in eukaryotischen Organismen, der Glucose in Gegenwart von Sauerstoff in ATP und Kohlendioxid umwandelt, Wasser abgibt und eine Fülle von ATP (36 bis 38 Moleküle pro investiertem Glucosemolekül) erzeugt.

Die ausgewogene chemische Formel für die gesamte Nettoreaktion ohne Elektronenträger und Energiemoleküle lautet:

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 h₂O

Die Zellatmung umfasst tatsächlich drei verschiedene und aufeinanderfolgende Wege:

Die beiden letztgenannten Stufen sind sauerstoffabhängig und bilden zusammen aerobe Atmung. In Diskussionen über den eukaryotischen Metabolismus wird die Glykolyse jedoch häufig als Teil der "aeroben Atmung" betrachtet, obwohl sie nicht von Sauerstoff abhängt, da fast das gesamte Hauptprodukt der Glykolyse Pyruvatgeht weiter, um die beiden anderen Pfade zu betreten.

Frühe Glykolyse

Bei der Glykolyse wird Glucose in einer Reihe von 10 Reaktionen in das Molekül Pyruvat umgewandelt, mit a Nettogewinn von zwei ATP-Molekülen und zwei Moleküle des "Elektronenträgers" Nicotinamidadenindinukleotid (NADH). Für jedes Glukosemolekül, das in den Prozess eintritt, werden zwei Pyruvatmoleküle produziert, da Pyruvat drei Kohlenstoffatome aufweist, um sechs zu glukosieren.

Im ersten Schritt wird Glucose phosphoryliert, um zu werden Glucose-6-phosphat (G6P). Dies führt dazu, dass die Glukose metabolisiert wird und nicht durch die Zellmembran zurückdriftet, da die Phosphatgruppe G6P negativ auflädt. In den nächsten Schritten wird das Molekül in ein anderes Zuckerderivat umgelagert und dann ein zweites Mal phosphoryliert, um zu werden Fructose-1,6-bisphosphat.

Diese frühen Schritte der Glykolyse erfordern eine Investition von zwei ATP, da dies die Quelle der Phosphatgruppen in den Phosphorylierungsreaktionen ist.

Später Glykolyse

Das Fructose-1,6-bisphosphat spaltet sich in zwei verschiedene Moleküle mit drei Kohlenstoffatomen auf, die jeweils eine eigene Phosphatgruppe tragen. Fast alle von diesen wird schnell in die andere umgewandelt, Glycerinaldehyd-3-phosphat (G3P). Von diesem Punkt an wird also alles dupliziert, weil es zwei G3P für jede Glukose "stromaufwärts" gibt.

Von diesem Punkt an wird G3P in einem Schritt phosphoryliert, der auch NADH aus der oxidierten Form NAD + erzeugt, und dann werden die beiden Phosphatgruppen in nachfolgenden Umlagerungsschritten an ADP-Moleküle abgegeben, um zwei ATP-Moleküle zusammen mit dem Kohlenstoffendprodukt der Glykolyse zu erzeugen. Pyruvat.

Da dies zweimal pro Glucosemolekül geschieht, erzeugt die zweite Hälfte der Glykolyse vier ATP für a Netz Gewinn aus der Glykolyse von zwei ATP (da zwei zu Beginn des Prozesses benötigt wurden) und zwei NADH.

Der Krebs-Zyklus

In dem vorbereitende ReaktionNachdem das bei der Glykolyse entstehende Pyruvat vom Zytoplasma in die mitochondriale Matrix gelangt ist, wird es zunächst in Acetat (CH₃COOH-) und CO₂ (ein Abfallprodukt in diesem Szenario) und dann zu einer Verbindung namens Acetyl-Coenzym A, oder Acetyl-CoA. Bei dieser Reaktion wird ein NADH erzeugt. Dies bereitet die Bühne für den Krebs-Zyklus.

Diese Serie von acht Reaktionen wird so genannt, weil einer der Reaktanten im ersten Schritt Oxalacetatist auch das Produkt im letzten Schritt. Der Krebs-Zyklus hat eher die Aufgabe eines Lieferanten als eines Herstellers: Er erzeugt nur zwei ATP pro Glukosemolekül, trägt jedoch sechs weitere NADH und zwei weitere FADH bei₂, ein weiterer Elektronenträger und ein enger Verwandter von NADH.

(Beachten Sie, dass dies ein ATP, drei NADH und ein FADH bedeutet₂ pro Umdrehung des Zyklus. Für jede Glukose, die in die Glykolyse eintritt, treten zwei Moleküle Acetyl-CoA in den Krebs-Zyklus ein.)

Die Elektronentransportkette

Bezogen auf die Glukose beträgt die Energiestufe bis zu diesem Punkt vier ATP (zwei aus der Glykolyse und zwei aus dem Krebs-Zyklus), 10 NADH (zwei aus der Glykolyse, zwei aus der Vorbereitungsreaktion und sechs aus dem Krebs-Zyklus) und zwei FADH₂ aus dem Krebs-Zyklus. Während sich die Kohlenstoffverbindungen im Krebszyklus weiter stromaufwärts drehen, wandern die Elektronenträger von der Mitochondrienmatrix zur Mitochondrienmembran.

Wenn NADH und FADH₂ setzen ihre Elektronen frei, diese werden verwendet, um einen elektrochemischen Gradienten über die Mitochondrienmembran zu erzeugen. Dieser Gradient wird verwendet, um die Bindung von Phosphatgruppen an ADP zu fördern und in einem so genannten Prozess ATP zu erzeugen oxidative Phosphorylierung, so genannt, weil der ultimative Akzeptor der Elektronen, die in der Kette von Elektronenträger zu Elektronenträger kaskadieren, Sauerstoff (O₂).

Weil jede NADH drei ATP und jede FADH ergibt₂ ergibt zwei ATP bei der oxidativen Phosphorylierung, dies fügt (10) (3) + (2) (2) = 34 ATP zu der Mischung hinzu. Somit Ein Glucosemolekül kann bis zu 38 ATP ergeben in eukaryotischen Organismen.