Ποια είναι η κύρια πηγή ενέργειας κυττάρων;

Περιεχόμενο

• Θρεπτικά συστατικά έναντι καυσίμων
• Προκαρυωτικά κύτταρα έναντι ευκαρυωτικών κυττάρων
• Τι είναι η γλυκόζη;
• Τι είναι το ATP;
• Βιολογία κυτταρικής ενέργειας
• Γλυκόλυση
• Ζύμωση
• Κύκλος Krebs
• Ηλεκτρονική αλυσίδα μεταφοράς

Έχετε πιθανώς καταλάβει από τότε που ήσασταν νέοι ότι το φαγητό που τρώτε πρέπει να γίνει "κάτι" πολύ μικρότερο από αυτό το φαγητό για ό, τι είναι "σε" τρόφιμα για να μπορέσετε να βοηθήσετε το σώμα σας. Όπως συμβαίνει, πιο συγκεκριμένα, ένα μόνο μόριο ενός τύπου υδατάνθρακας ταξινομημένο ως α ζάχαρη είναι η τελική πηγή καυσίμου σε οποιαδήποτε μεταβολική αντίδραση που εμφανίζεται σε οποιοδήποτε κύτταρο ανά πάσα στιγμή.

Αυτό το μόριο είναι γλυκόζη, ένα μόριο έξι ατόμων άνθρακα με τη μορφή ενός αγκαθωτού δακτυλίου. Σε όλα τα κύτταρα, εισέρχεται γλυκόλυση, και σε πιο πολύπλοκα κύτταρα συμμετέχει επίσης ζύμωση, φωτοσύνθεση και κυτταρική αναπνοή σε ποικίλους βαθμούς σε διαφορετικούς οργανισμούς.

Αλλά ένας διαφορετικός τρόπος απάντησης στην ερώτηση "Ποιο μόριο χρησιμοποιείται από τα κύτταρα ως πηγή ενέργειας;" την ερμηνεύει ως "Ποιο μόριο κατευθείαν εξουσιοδοτεί τις διαδικασίες των κυττάρων; "

Θρεπτικά συστατικά έναντι καυσίμων

Αυτό το μόριο "τροφοδοσίας", το οποίο όπως η γλυκόζη είναι ενεργό σε όλα τα κύτταρα, είναι ATP, ή τριφωσφορική αδενοσίνη, ένα νουκλεοτίδιο που ονομάζεται συχνά "το ενεργειακό νόμισμα των κυττάρων". Σε ποιο μόριο πρέπει να σκεφτείτε, τότε, όταν ρωτάτε τον εαυτό σας: "Ποιο μόριο είναι το καύσιμο για όλα τα κύτταρα;" Είναι γλυκόζη ή ΑΤΡ;

Η απάντηση σε αυτή την ερώτηση είναι παρόμοια με την κατανόηση της διαφοράς μεταξύ της δήλωσης "Οι άνθρωποι παίρνουν τα ορυκτά καύσιμα από το έδαφος" και "Οι άνθρωποι λαμβάνουν ενέργεια από ορυκτά καύσιμα από ανθρακούχα φυτά". Και οι δύο δηλώσεις είναι αληθινές, αλλά αντιμετωπίζουν διαφορετικά στάδια στην αλυσίδα μετατροπής ενέργειας των μεταβολικών αντιδράσεων. Στα ζωντανά πράγματα, η γλυκόζη είναι το θεμελιώδες θρεπτικός, αλλά το ΑΤΡ είναι το βασικό καύσιμα.

Προκαρυωτικά κύτταρα έναντι ευκαρυωτικών κυττάρων

Όλα τα ζωντανά αντικείμενα ανήκουν σε μία από τις δύο ευρείες κατηγορίες: τους προκαρυώτες και τους ευκαρυώτες. Οι προκαρυώτες είναι οι μονοκύτταροι οργανισμοί της ταξινομικής τομείς Βακτήρια και Αρχαία, ενώ οι ευκαρυωτικοί όλοι εμπίπτουν στον τομέα Ευκαρυώτα, που περιλαμβάνει ζώα, φυτά, μύκητες και αντιστάσεις.

Οι προκαρυώτες είναι μικροσκοπικοί και απλοί σε σύγκριση με τους ευκαρυώτες. τα κύτταρα τους είναι αντίστοιχα λιγότερο περίπλοκα. Στις περισσότερες περιπτώσεις, ένα προκαρυωτικό κύτταρο είναι το ίδιο με ένα προκαρυωτικό οργανισμό και οι ενεργειακές ανάγκες ενός βακτηρίου είναι πολύ χαμηλότερες από αυτές σε οποιοδήποτε ευκαρυωτικό κύτταρο.

Τα προκαρυωτικά κύτταρα έχουν τα ίδια τέσσερα συστατικά που βρίσκονται σε όλα τα κύτταρα του φυσικού κόσμου: DNA, κυτταρική μεμβράνη, κυτταρόπλασμα και ριβοσώματα. Το κυτταρόπλασμα τους περιέχει όλα τα ένζυμα που χρειάζονται για τη γλυκόλυση, αλλά η απουσία μιτοχονδρίων και χλωροπλαστών σημαίνει ότι η γλυκόλυση είναι πραγματικά ο μόνος μεταβολικός δρόμος που διατίθεται στους προκαρυώτες.

Διαβάστε περισσότερα σχετικά με τις ομοιότητες και τις διαφορές μεταξύ προκαρυωτικών και ευκαρυωτικών κυττάρων.

Τι είναι η γλυκόζη;

Η γλυκόζη είναι ένα ζάχαρο έξι-άνθρακα με τη μορφή ενός δακτυλίου, που αντιπροσωπεύεται στα διαγράμματα με ένα εξαγωνικό σχήμα. Ο χημικός τύπος του είναι C₆H₁₂Ο₆, δίνοντάς της αναλογία C / Η / Ο 1: 2: 1. αυτό είναι αλήθεια, στην πραγματικότητα, ή όλα τα βιομόρια που ταξινομούνται ως υδατάνθρακες.

Η γλυκόζη θεωρείται α μονοσακχαρίτη, που σημαίνει ότι δεν μπορεί να μειωθεί σε διαφορετικά, μικρότερα σάκχαρα με το σπάσιμο δεσμών υδρογόνου μεταξύ διαφορετικών συστατικών. Η φρουκτόζη είναι ένας άλλος μονοσακχαρίτης. η σακχαρόζη (επιτραπέζια ζάχαρη), η οποία παρασκευάζεται με τη σύνδεση της γλυκόζης και της φρουκτόζης, θεωρείται α δισακχαρίτη.

Η γλυκόζη ονομάζεται επίσης "ζάχαρη αίματος", επειδή είναι αυτή η ένωση της οποίας η συγκέντρωση μετριέται στο αίμα όταν μια κλινική ή εργαστήριο νοσοκομείων καθορίζει την μεταβολική κατάσταση των ασθενών. Μπορεί να εγχυθεί άμεσα στη ροή του αίματος σε ενδοφλέβια διαλύματα, επειδή δεν απαιτεί διάσπαση πριν εισέλθει σε κύτταρα του σώματος.

Τι είναι το ATP;

Το ATP είναι a νουκλεοτίδιο, που σημαίνει ότι αποτελείται από μία από πέντε διαφορετικές αζωτούχες βάσεις, ένα ζάχαρο πέντε ανθράκων που ονομάζεται ριβόζη και μία έως τρεις φωσφορικές ομάδες. Οι βάσεις σε νουκλεοτίδια μπορεί να είναι είτε αδενίνη (Α), κυτοσίνη (C), γουανίνη (G), θυμίνη (Τ) ή ουρακίλη (U). Τα νουκλεοτίδια είναι τα δομικά στοιχεία του DNA και του RNA των νουκλεϊνικών οξέων. Τα Α, C και G βρίσκονται και στα δύο νουκλεϊνικά οξέα, ενώ το Τ βρίσκεται μόνο σε ϋΝΑ και U μόνο στο RNA.

Το "TP" στο ATP, όπως είδατε, σημαίνει "τριφωσφορική" και δείχνει ότι το ATP έχει τον μέγιστο αριθμό φωσφορικών ομάδων που μπορεί να έχει ένα νουκλεοτίδιο - τρία. Η πλειονότητα του ΑΤΡ παράγεται με την πρόσδεση μίας φωσφορικής ομάδας στο ADP ή διφωσφορική αδενοσίνη, μια διαδικασία γνωστή ως φωσφορυλίωση.

Το ATP και τα παράγωγά του έχουν ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών στη βιοχημεία και την ιατρική, πολλά από τα οποία βρίσκονται σε εξερευνητικά στάδια καθώς ο 21ος αιώνας πλησιάζει την τρίτη δεκαετία.

Βιολογία κυτταρικής ενέργειας

Η απελευθέρωση ενέργειας από τα τρόφιμα περιλαμβάνει τη διάσπαση των χημικών δεσμών στα συστατικά τροφίμων και την αξιοποίηση αυτής της ενέργειας για τη σύνθεση των μορίων ΑΤΡ. Για παράδειγμα, οι υδατάνθρακες είναι όλοι οξειδωμένο στο τέλος του διοξειδίου του άνθρακα (CO₂) και νερό (Η₂Ο). Τα λίπη επίσης οξειδώνονται, με τις αλυσίδες τους λιπαρών οξέων να αποδίδουν οξικά μόρια τα οποία στη συνέχεια εισέρχονται σε αερόβια αναπνοή σε ευκαρυωτικά μιτοχόνδρια.

Τα προϊόντα διάσπασης των πρωτεϊνών είναι πλούσια σε άζωτο και χρησιμοποιούνται για την κατασκευή άλλων πρωτεϊνών και νουκλεϊνικών οξέων. Αλλά μερικά από τα 20 αμινοξέα που κατασκευάζονται από τις πρωτεΐνες μπορούν να τροποποιηθούν και να εισέλθουν στον κυτταρικό μεταβολισμό στο επίπεδο της κυτταρικής αναπνοής (π.χ. μετά από γλυκολίωση)

Γλυκόλυση

Περίληψη: Η γλυκόλυση παράγει άμεσα 2 ATP για κάθε μόριο γλυκόζης. Παρέχει πυροσταφυλικούς και ηλεκτρονικούς φορείς για περαιτέρω μεταβολικές διεργασίες.

Η γλυκόλυση είναι μια σειρά δέκα αντιδράσεων στις οποίες ένα μόριο γλυκόζης μετασχηματίζεται σε δύο μόρια του πυροσταφυλικού μορίου τριών ατόμων άνθρακα, αποδίδοντας 2 ΑΤΡ κατά μήκος του δρόμου. Αποτελείται από μια πρώιμη φάση "επένδυσης" στην οποία χρησιμοποιούνται 2 ATP για την προσάρτηση των φωσφορικών ομάδων στο μεταβαλλόμενο μόριο γλυκόζης και μια μεταγενέστερη φάση "επιστροφής" στην οποία το παράγωγο γλυκόζης έχει διαχωριστεί σε ένα ζεύγος ενδιάμεσων ενώσεων τριών ατόμων άνθρακα , αποδίδει 2 ΑΤΡ ανά ενώσεις τριών ατόμων άνθρακα και αυτό συνολικά 4.

Αυτό σημαίνει ότι η καθαρή επίδραση της γλυκόλυσης είναι να παράγει 2 ΑΤΡ ανά μόριο γλυκόζης, καθώς 2 ΑΤΡ καταναλώνονται στην επενδυτική φάση, αλλά συνολικά 4 ΑΤΡ γίνονται στη φάση πληρωμής.

Διαβάστε περισσότερα για τη γλυκόλυση.

Ζύμωση

Περίληψη: Η ζύμωση αναπληρώνει το NAD⁺ για γλυκόλυση. δεν παράγει απευθείας ΑΤΡ.

Όταν δεν υπάρχει επαρκές οξυγόνο για την ικανοποίηση των ενεργειακών απαιτήσεων, όπως όταν τρέχετε πολύ σκληρά ή ανυψώσετε τα βάρη με έντονο τρόπο, η γλυκόλυση μπορεί να είναι η μόνη διαθέσιμη μεταβολική διαδικασία. Αυτός είναι ο τόπος όπου μπορεί να έχετε ακούσει το "κάψιμο του γαλακτικού οξέος". Εάν το πυροσταφυλικό δεν μπορεί να εισέλθει σε αερόβια αναπνοή όπως περιγράφεται παρακάτω, μετατρέπεται σε γαλακτικό, το οποίο το ίδιο δεν κάνει πολλά καλά αλλά εξασφαλίζει ότι η γλυκόλυση μπορεί να συνεχιστεί παρέχοντας βασικό ενδιάμεσο μόριο που ονομάζεται NAD⁺.

Κύκλος Krebs

Περίληψη: Ο κύκλος του Krebs παράγει 1 ATP ανά περιστροφή του κύκλου (και επομένως 2 ΑΤΡ ανά γλυκόζη "ανάντη", δεδομένου ότι το 2 πυροσταφυλικό μπορεί να κάνει 2 ακετύλιο CoA).

Υπό κανονικές συνθήκες επαρκούς οξυγόνου, σχεδόν όλο το πυροσταφυλικό που παράγεται στη γλυκόλυση σε ευκαρυωτικά κινείται από το κυτταρόπλασμα σε οργανίδια ("μικρά όργανα") γνωστά ως μιτοχόνδρια, όπου μετατρέπονται στο μόριο δύο ατόμων άνθρακα ακετυλο-συνένζυμο Α (ακετυλ CoA) με απομάκρυνση και απελευθέρωση CO₂. Αυτό το μόριο συνδυάζεται με ένα μόριο τεσσάρων ατόμων άνθρακα που ονομάζεται οξαλοξεικός για να δημιουργήσει κιτρικό άλας, το πρώτο βήμα σε αυτό που ονομάζεται επίσης κύκλος TCA ή κύκλος κιτρικού οξέος.

Αυτός ο «τροχός» των αντιδράσεων μείωσε τελικά το κιτρικό άλας στο οξαλοξεικό και κατά μήκος του δρόμου παράγεται ένα μόνο ΑΤΡ μαζί με τέσσερις λεγόμενους φορείς υψηλής ενέργειας (NADH και FADH₂).

Ηλεκτρονική αλυσίδα μεταφοράς

Περίληψη: Η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων αποδίδει περίπου 32 έως 34 ΑΤΡ ανά "ανάντη" μόριο γλυκόζης, καθιστώντας τη μακράν τη μεγαλύτερη συνεισφορά στην κυτταρική ενέργεια στα ευκαρυωτικά.

Οι φορείς ηλεκτρονίων από τον κύκλο Krebs κινούνται από το εσωτερικό των μιτοχονδρίων στην εσωτερική μεμβράνη organelles, η οποία έχει όλα τα είδη εξειδικευμένων ενζύμων που ονομάζονται cytochromes έτοιμα να λειτουργήσουν. Εν ολίγοις, όταν τα ηλεκτρόνια, με τη μορφή ατόμων υδρογόνου, απομακρύνονται από τους φορείς τους, αυτό εξουσιάζει τη φωσφορυλίωση των μορίων ΑϋΡ σε μεγάλο μέρος του ΑΤΡ.

Το οξυγόνο πρέπει να υπάρχει ως ο τελικός αποδέκτης ηλεκτρονίων στον καταρράκτη που λαμβάνει χώρα κατά μήκος της μεμβράνης για να συμβεί αυτή η αλυσίδα αντιδράσεων. Εάν δεν συμβαίνει, η διαδικασία της κυτταρικής αναπνοής "υποστηρίζει" και ο κύκλος του Krebs δεν μπορεί να συμβεί.