Hvad sker der, når glukose kommer ind i en celle?

Indhold

• Glukose: Definition
• Glukose, celletyper og metabolisme
• Processen med glykolyse
• Tidlig glykolyse
• Senere glycolyse
• Post-glykolyseprocesser

Glukose er den ultimative kilde til cellulært brændstof for alle levende ting, hvor energien i dens kemiske bindinger bruges til at syntetisere Adenosintrifosfat (ATP) på forskellige sammenhængende og indbyrdes afhængige måder. Når et molekyle af dette seks-carbon (dvs. hexose) sukker krydser plasmamembranen fra en celle udefra for at komme ind i cytoplasmaet, er det øjeblikkeligt fosforyleret - det vil sige, at en fosfatgruppe, der bærer en negativ elektrisk ladning, er knyttet til en del af glukosemolekylet. Dette resulterer i en negativ negativ ladning på det, der derefter er blevet til glucose-6-phosphat molekyle, som forhindrer det i at forlade cellen.

prokaryoter, der inkluderer bakterier og Archaea-domænerne, har ikke membranbundne organeller, inklusive mitokondrier det i eukaryoter vært for Krebs-cyklus og den iltafhængige elektrontransportkæde. Som et resultat deltager prokaryoter ikke i aerob respiration ("med ilt"), men stammer næsten al deres energi fra glykolyse, den anaerobe proces, der også fungerer inden den aerobe respiration, der udføres i eukaryote celler.

Glukose: Definition

Da glukose er blandt de mest vitale molekyler i biokemi, og er udgangspunktet for måske det mest vitale sæt reaktioner i livets annaler på planeten Jorden, er en kort drøftelse af strukturen og opførslen af ​​dette molekyle i orden.

Også kendt som dextrose (normalt med henvisning til ikke-biologiske systemer, såsom glukose fremstillet af majs) og blodsukker (med henvisning til biologiske systemer, fx til medicinske ulemper), er glukose et seks-carbon molekyle med den kemiske formel C₆H₁₂O₆. I humant blod er den normale koncentration af glukose ca. 100 mg / dL. 100 mg er en tiendedel af et gram, mens en dL er en tiendedel af en liter; dette fungerer til et gram pr. liter, og da den gennemsnitlige person har omkring 4 liter blod, har de fleste mennesker ca. 4 g glukose i deres blodbane til enhver tid - kun ca. en syvendedel af en ounce.

Fem af de seks carbon (C) atomer i glukose sidder i seks-atomring form at molekylet antager 99,98 procent af tiden i naturen. Det sjette ringatom er et ilt (O) med det sjette C knyttet til en af ​​ringen Cs som en del af a hydroxymethyl (CH₂OH) gruppe. Det er i hydroxylgruppen (-OH), der uorganisk phosphat (Pi) er bundet under fosforyleringsprocessen, der fælder molekylet i cellecytoplasma.

Glukose, celletyper og metabolisme

Prokaryoter er små (det overvældende flertal er encellede) og enkle (den ene celle, de fleste af dem har, mangler en kerne og andre membranbundne organeller). Dette forhindrer dem muligvis i at være så elegante og interessante på de fleste måder som eukaryoter, men det holder også deres brændstofbehov relativt lavt.

I både prokaryoter og eukaryoter er glycolyse det første trin i metabolismen af ​​glukose. Fosforylering af glukose, når den kommer ind i en celle ved at diffundere over plasmamembranen, er det første trin i glykolyse, som er beskrevet detaljeret i et efterfølgende afsnit.

Ved afslutningen af ​​glykolysen er glukosemolekylet blevet brugt til at generere to tre-carbon-pyruvatmolekyler, to molekyler af det såkaldte højenergi-elektronbærer-nicotinamid-adenindinucleotid (NADH) og en nettogevinst på to ATP-molekyler.

På dette tidspunkt, i prokaryoter, går pyruvat normalt i fermentering, en anaerob proces med et antal forskellige variationer, som vil blive undersøgt inden for kort tid. Men nogle bakterier har udviklet evnen til at udføre aerob respiration til en vis grad og kaldes fakultative anaerober. Bakterier, der kun kan hente energi fra glykolyse, kaldes forpligtelse til anaerober, og mange af disse dræbes faktisk af ilt. Et begrænset antal bakterier er lige forpligte aerobes, hvilket betyder, at de, som dig, har et absolut krav til ilt. I betragtning af at bakterier har haft omkring 3,5 milliarder år til at tilpasse sig kravene fra jordens skiftende miljø, burde det ikke være overraskende, at de har befalet en række grundlæggende metaboliske overlevelsesstrategier.

Processen med glykolyse

Glykolyse inkluderer 10 reaktioner, hvilket er et dejligt, rundt antal, men du behøver ikke nødvendigvis at huske alle produkter, mellemprodukter og enzymer i alle disse trin. I stedet for, mens nogle af disse detaljer er sjove og nyttige at vide, er det vigtigere at få en fornemmelse af hvad sker generelt i glykolyse, og hvorfor det sker (med hensyn til både grundlæggende fysik og cellens behov).

Glykolyse fanges i den følgende reaktion, som er summen af ​​dens 10 individuelle reaktioner:

C₆H₁₂O₆ → 2 C.₃H₄O₃ + 2 ATP + 2 NADH

På almindeligt engelsk, i glykolyse, brydes et enkelt glukosemolekyle op i to pyruvatmolekyler, og undervejs fremstilles et par brændstofmolekyler og et par "forbrændstof" -molekyler. ATP er den næsten universelle valuta for energi i cellulære processer, hvorimod NADH, den reducerede form af NAD + eller nicotinamid-adenindinucleotid, fungerer som en højenergi-elektronbærer, der i sidste ende donerer disse elektroner i form af brintioner (H +), til iltmolekyler i slutningen af elektrontransportkæde i aerob metabolisme hvilket resulterer i meget mere ATP end glycolyse alene kan levere.

Tidlig glykolyse

Fosforylering af glukose efter dens indtræden i cytoplasmaet resulterer i glucose-6-phosphat (G-6-P). Fosfatet kommer fra ATP og dets inkorporering i glukoseblade adenosindiphosphat (ADP) bag. Som bemærket fælder dette glukose inde i cellen.

Dernæst konverteres G-6-P til fructose-6-phosphat (F-6-P). Dette er en isomerisering reaktion, fordi reaktanten og produktet er isomerer af hinanden - molekyler med det samme antal af hver type atom, men med forskellige rumlige arrangementer. I dette tilfælde har ringen af ​​fruktose kun fem atomer. Det enzym, der er ansvarligt for denne atomiske jongleringshandling, kaldes phosphoglucoseisomerase. (De fleste enzymnavn, selvom de ofte er besværlige, giver i det mindste perfekt mening.)

I den tredje glycolysereaktion omdannes F-6-P til fructose-1,6-bisphosphat (F-1,6-BP). I dette phosphoryleringstrin kommer fosfatet igen fra ATP, men denne gang føjes det til et andet carbonatom. Det ansvarlige enzym er phosphofructokinase (PFK).

I den fjerde reaktion med glycolyse opdeles F-1,6-BP-molekylet, som er ret ustabilt på grund af dets dobbelte dosis fosfatgrupper, med enzymet aldolase ind i de tre-carbon-molekyler med en enkelt-phosphatgruppe glyceraldehyd 3-phosphat (GAP) og dihydroxyacetonphosphat (DHAP). Dette er isomerer, og DHAP omdannes hurtigt til GAP i det femte trin i glykolyse ved hjælp af et skub fra enzymet triose-phosphatisomerase (TIM).

På dette trin er det originale glukosemolekyle blevet to identiske tre-carbon, enkeltvist fosforylerede molekyler på bekostning af to ATP. Fra dette tidspunkt forekommer hver beskrevet reaktion med glycolyse to gange for hvert glukosemolekyle, der gennemgår glycolyse.

Senere glycolyse

I den sjette glycolysereaktion omdannes GAP til 1,3-bisphosphoglycerate (1,3-BPG) under påvirkning af glyceraldehyd 3-phosphatdehydrogenase. Dehydrogenaseenzymer fjerner hydrogenatomer (dvs. protoner). Brintet frigivet fra GAP bliver bundet til NAD + -molekylet, hvilket giver NADH. Fordi det oprindelige glukosemolekyle opstrøms har givet anledning til to molekyler af GAP, efter denne reaktion, to molekyler af NADH er blevet oprettet.

I den syvende glycolysereaktion er en af ​​phosphoryleringsreaktionerne ved tidlig glycolyse faktisk vendt. Når enzymet phosphoglyceratkinase fjerner en phosphatgruppe fra 1,3-BPG, resultatet er 3-phosphoglycerat (3-PG). De fosfater, der er blevet strippet fra de to 1,3-BPG-molekyler, tilføjes en ADP til dannelse af to ATP. Dette betyder, at de to ATP "lånte" i trin et og tre "returneres" i den syvende reaktion.

I trin otte konverteres 3-PG til 2-phosphoglycerat (2-PG) af phosphoglyceratmutase, der skifter den resterende fosfatgruppe til et andet carbonatom. En mutase adskiller sig fra en isomerase, idet den er mindre kraftig i sin handling; snarere end at omorganisere strukturen af ​​et molekyle, flytter de blot en af ​​dets sidegrupper til et nyt sted, hvilket efterlader den samlede rygrad, ring osv. som den var.

I den niende reaktion med glycolyse omdannes 2-PG til phosphoenolpyruvat (PEP) under handlingen af enolase. En enol er en forbindelse med en carbon-carbon-dobbeltbinding, hvor en af ​​kulstoferne også er bundet til en hydroxylgruppe.

Endelig den tiende og sidste reaktion af glycolyse, PEP omdannes til pyruvat takket være enzymet pyruvat kinase. Fosfatgrupperne fjernet fra de to PEP er bundet til ADP-molekyler, hvilket giver to ATP og to pyruvat, hvis formel er (C₃H₄O₃) eller (CH₃) CO (COOH). Således giver den indledende, anaerobe behandling af et enkelt molekyle glucose to pyruvat, to ATP og to NADH-molekyler.

Post-glykolyseprocesser

Pyruvatet, der til sidst genereres ved tilførsel af glukose i celler, kan tage en af ​​to veje. Hvis cellen er prokaryot, eller hvis cellen er eukaryot, men midlertidigt kræver mere brændstof, end aerob respiration alene kan tilvejebringe (som i f.eks. Muskelceller under hård fysisk træning, såsom at synge eller løfte vægte), går pyruvat ind i fermenteringsvejen. Hvis cellen er eukaryot, og dens energibehov er typiske, bevæger den pyruvat inde i mitokondrier og deltager i Krebs cyklus: