Жизнь на Земле необычайно разнообразна: от мельчайших бактерий, обитающих в термальных источниках, до величественных многотонных слонов, обитающих в Азии. Но все организмы (живые существа) имеют ряд общих характеристик, в том числе потребность в молекулах для получения энергии. Процесс извлечения энергии из внешних источников для роста, ремонта, обслуживания и воспроизводства известен как метаболизм.
Все организмы состоят по крайней мере из одной клетки (ваше собственное тело включает триллионы), которая является наименьшей несводимой сущностью, которая включает в себя все свойства, приписываемые жизни с использованием общепринятых определений. Метаболизм - одно из таких свойств, как и способность воспроизводиться или иным образом воспроизводиться. Каждая клетка на планете может и использует глюкозу, без которой жизнь на Земле либо никогда бы не возникла, либо выглядела бы совсем иначе.
Глюкоза имеет формулу C6H12O6, что дает молекуле молекулярную массу 180 грамм на моль. (Все углеводы имеют общую формулу CnH2nOn). Это делает глюкозу примерно того же размера, что и самые большие аминокислоты.
Глюкоза в природе существует в виде кольца из шести атомов, которое в большинстве текстов изображается как гексагональное. Пять атомов углерода включены в кольцо вместе с одним из атомов кислорода, в то время как шестой атом углерода является частью гидроксиметильной группы (-CH2OH), присоединенной к одному из других атомов углерода.
Аминокислоты, такие как глюкоза, являются важными мономерами в биохимии. Так же, как гликоген собирается из длинных цепочек глюкозы, белки синтезируются из длинных цепочек аминокислот. Хотя существует 20 различных аминокислот с множеством общих черт, глюкоза имеет только одну молекулярную форму. Таким образом, состав гликогена практически неизменен, тогда как белки сильно различаются от одного к другому.
Метаболизм глюкозы с получением энергии в форме аденозинтрифосфата (АТФ) и CO2 (углекислый газ, отходы в этом уравнении) известен как клеточное дыхание. Первой из трех основных стадий клеточного дыхания является гликолиз, серия из 10 реакций, не требующих кислорода, в то время как последние две стадии - это цикл Кребса (также известный как цикл лимонной кислоты) и цепь переноса электронов, которые требуется кислород. Вместе эти последние две стадии известны как аэробное дыхании.
Клеточное дыхание почти полностью происходит у эукариот (животных, растений и грибов). Прокариоты (в основном одноклеточные домены, которые включают бактерии и археи) получают энергию из глюкозы, но практически всегда только за счет гликолиза. Подразумевается, что прокариотические клетки могут генерировать только одну десятую энергии на молекулу глюкозы, чем эукариотические клетки.
Клеточное дыхание» и «аэробное дыхание» часто используются как синонимы при обсуждении метаболизма эукариотических клеток. Понятно, что гликолиз, хотя и является анаэробным процессом, почти всегда продолжается до двух последних этапов клеточного дыхания. Тем не менее, подведем итоги роли глюкозы в клеточном дыхании: без нее дыхание останавливается и следует смерть.
Ферменты - это глобулярные белки, которые действуют как катализаторы химических реакций. Это означает, что эти молекулы помогают ускорить реакции, которые в противном случае продолжались бы без ферментов, но гораздо медленнее - иногда более чем в тысячу раз. Когда ферменты действуют, они не изменяются сами по себе в конце реакции, тогда как молекулы, на которые они действуют, называемые субстратами, изменяются намеренно, при этом такие реагенты, как глюкоза, превращаются в такие продукты, как CO2. Глюкоза и АТФ имеют некоторое химическое сходство друг с другом, но использование энергии, хранящейся в связях первой молекулы, для синтеза второй молекулы требует значительных биохимических акробатических действий в клетке. Почти каждая клеточная реакция катализируется определенным ферментом, и большинство ферментов специфичны для одной реакции и ее субстратов. Гликолиз, цикл Кребса и цепь переноса электронов, вместе взятые, включают около двух десятков реакций и ферментов.
Когда глюкоза проникает в клетку, диффундируя через плазматическую мембрану, она немедленно присоединяется к фосфатной (P) группе или фосфорилируется. Это задерживает глюкозу в клетке из-за отрицательного заряда P. Эта реакция, которая производит глюкозо-6-фосфат (G6P), происходит под влиянием фермента гексокиназы. (Большинство ферментов оканчиваются на «-азу», что позволяет довольно легко узнать, когда вы имеете дело с одним из них в мире биологии.) Оттуда G6P перестраивается в сахар фруктозы фосфорилированного типа, а затем добавляется еще один P. Вскоре после этого шестиуглеродная молекула расщепляется на две трехуглеродные молекулы, каждая с фосфатной группой; они вскоре объединяются в одно и то же вещество, глицеральдегид-3-фосфат (G-3-P).
Каждая молекула G-3-P проходит через серию стадий перегруппировки, чтобы превратиться в трехуглеродный молокульный пируват с образованием двух молекул АТФ и одной молекулы носителя высокоэнергетических электронов НАДН (восстановленного из никотинамидадениндинуклеотида или NAD +) в процессе. Первая половина гликолиза потребляет 2 АТФ на стадиях фосфорилирования, а вторая половина дает всего 2 пирувата, 2 НАДН и 4 АТФ. Таким образом, с точки зрения прямого производства энергии, гликолиз приводит к образованию 2 АТФ на молекулу глюкозы. Это для большинства прокариот представляет собой эффективный предел использования глюкозы. У эукариот шоу глюкозно-клеточного дыхания только начинается.
Затем молекулы пирувата перемещаются из цитоплазмы клетки внутрь органелл, называемых митохондриями, которые окружены собственной двойной плазматической мембраной. Здесь пируват расщепляется на CO2 и ацетат (CH3COOH-), а ацетат захватывается соединением из класса витаминов B, называемым коферментом A (CoA), чтобы стать ацетил-CoA, важным двухуглеродным промежуточным продуктом в диапазоне клеточные реакции. Чтобы войти в цикл Кребса, ацетил-КоА реагирует с четырехуглеродным соединением оксалоацетатом с образованием цитрата. Поскольку оксалоацетат является последней молекулой, образованной в реакции Кребса, а также субстратом в первой реакции, серия заслуживает описания «цикл». Цикл включает в общей сложности восемь реакций, которые восстанавливают шестиуглеродный цитрат до пятиуглеродной молекулы, а затем до серии четырехуглеродных промежуточных продуктов, прежде чем снова прийти к оксалоацетату.
Каждая молекула пирувата, входящая в цикл Кребса, приводит к производству еще двух CO2, 1 АТФ, 3 НАДН и одной молекулы электронного переносчика, подобного НАДН, называемого флавинадениндинуклеотидом или FADH2.
NADH и FADH2 перемещаются во внутреннюю митохондриальную мембрану для этого процесса. Роль цепи заключается в окислительном фосфорилировании молекул АДФ в АТФ. Атомы водорода переносчиков электронов используются для создания электрохимического градиента через митохондриальную мембрану. Энергия этого градиента, которая зависит от кислорода для приема электронов, используется для синтеза АТФ. Каждая молекула глюкозы вносит от 36 до 38 АТФ через клеточное дыхание: 2 в гликолизе, 2 в цикле Кребса и от 32 до 34 (в зависимости от того, как это измеряется в лаборатории) в цепи переноса электронов.
© digitrode.ru