Cosa succede quando il glucosio entra in una cellula?

Contenuto

• Glucosio: definizione
• Glucosio, tipi di cellule e metabolismo
• Il processo di glicolisi
• Glicolisi precoce
• Glicolisi successiva
• Processi post-glicolisi

Il glucosio è il ultima fonte di combustibile cellulare per tutti gli esseri viventi, con l'energia nei suoi legami chimici utilizzata per sintetizzare trifosfato di adenosina (ATP) in vari modi interconnessi e interdipendenti. Quando una molecola di questo zucchero a sei atomi di carbonio (cioè esoso) attraversa la membrana plasmatica di una cellula dall'esterno per entrare nel citoplasma, è immediatamente fosforilata - cioè, un gruppo fosfato, che porta una carica elettrica negativa, è attaccato a una parte della molecola di glucosio. Ciò si traduce in un onere negativo netto su ciò che è poi diventato un glucosio-6-fosfato molecola, che impedisce di lasciare la cellula.

I procarioti, che includono i domini dei batteri e degli archei, non hanno organelli legati alla membrana, incluso il mitocondri quello dentro eucarioti ospita il ciclo di Krebs e la catena di trasporto degli elettroni dipendente dall'ossigeno. Di conseguenza, i procarioti non partecipano alla respirazione aerobica ("con ossigeno"), invece derivano quasi tutta la loro energia dalla glicolisi, il processo anaerobico che opera anche prima della respirazione aerobica effettuata nelle cellule eucariotiche.

Glucosio: definizione

Poiché il glucosio è tra le molecole più vitali della biochimica ed è il punto di partenza forse della serie più vitale di reazioni negli annali della vita sul pianeta Terra, è necessaria una breve discussione sulla struttura e sul comportamento di questa molecola.

Conosciuto anche come destrosio (di solito in riferimento a sistemi non biologici, come il glucosio ottenuto dal mais) e glicemia (in riferimento a sistemi biologici, ad es. contro i medici), il glucosio è una molecola a sei atomi di carbonio con formula chimica C₆H₁₂O₆. Nel sangue umano, la normale concentrazione di glucosio è di circa 100 mg / dL. 100 mg è un decimo di grammo, mentre un dL è un decimo di litro; ciò equivale a un grammo per litro e poiché la persona media ha circa 4 litri di sangue, la maggior parte delle persone ha circa 4 g di glucosio nel sangue in qualsiasi momento - solo circa un settimo di oncia.

Cinque dei sei atomi di carbonio (C) contenuti nel glucosio si trovano nel anello a sei atomi forma che la molecola assume il 99,98 percento delle volte in natura. L'atomo del sesto anello è un ossigeno (O), con il sesto C attaccato a uno degli anelli C come parte di un idrossimetil (-CH₂OH) gruppo. È nel gruppo idrossile (-OH) che fosfato inorganico (Pi) è attaccato durante il processo di fosforilazione che intrappola la molecola nel citoplasma cellulare.

Glucosio, tipi di cellule e metabolismo

I procarioti sono piccoli (la stragrande maggioranza sono unicellulari) e semplici (l'unica cellula la maggior parte di essi ha un nucleo e altri organelli legati alla membrana). Ciò potrebbe impedire loro di essere eleganti e interessanti nella maggior parte dei modi degli eucarioti, ma mantiene anche relativamente bassi i loro requisiti di carburante.

Sia nei procarioti che negli eucarioti, la glicolisi è il primo passo nel metabolismo del glucosio. La fosforilazione del glucosio al suo ingresso in una cellula diffondendosi attraverso la membrana plasmatica è il primo passo della glicolisi, che verrà descritta in dettaglio in una sezione successiva.

Alla fine della glicolisi, la molecola di glucosio è stata utilizzata per generare due molecole di piruvato a tre atomi di carbonio, due molecole del cosiddetto nicotinamide adenina dinucleotide (NADH) del portatore di elettroni ad alta energia e un guadagno netto di due molecole di ATP.

A questo punto, nei procarioti, il piruvato di solito inizia la fermentazione, un processo anaerobico con una serie di diverse varianti che verranno esplorate a breve. Ma alcuni batteri hanno sviluppato la capacità di eseguire la respirazione aerobica in una certa misura e sono chiamati anaerobi facoltativi. Vengono chiamati batteri che possono derivare energia solo dalla glicolisi anaerobi obbligatie molti di questi vengono effettivamente uccisi dall'ossigeno. Un numero limitato di batteri è pari aerobi obbligati, nel senso che, come te, hanno un requisito assoluto per l'ossigeno. Dato che i batteri hanno avuto circa 3,5 miliardi di anni per adattarsi alle esigenze del mutevole ambiente terrestre, non dovrebbe sorprendere che abbiano comandato una serie di strategie di sopravvivenza metabolica di base.

Il processo di glicolisi

La glicolisi include 10 reazioni, che è un bel numero tondo, ma non è necessario memorizzare tutti i prodotti, i prodotti intermedi e gli enzimi in tutti questi passaggi. Invece, mentre alcune di queste minuzie sono divertenti e utili da sapere, è più importante farsi un'idea di che cosa accade nella glicolisi in generale, e perché succede (sia in termini di fisica di base che dei bisogni della cellula).

La glicolisi viene catturata nella seguente reazione, che è la somma delle sue 10 reazioni individuali:

C₆H₁₂O₆ → 2 C₃H₄O₃ + 2 ATP + 2 NADH

In parole povere, in glicolisi, una singola molecola di glucosio viene scomposta in due molecole di piruvato e lungo la strada vengono prodotte una coppia di molecole di combustibile e una coppia di molecole "pre-combustibile". L'ATP è la valuta quasi universale per l'energia nei processi cellulari, mentre NADH, la forma ridotta di NAD + o nicotinamide adenina dinucleotide, funziona come un trasportatore di elettroni ad alta energia che alla fine dona quegli elettroni, sotto forma di ioni idrogeno (H +), alle molecole di ossigeno alla fine del catena di trasporto degli elettroni nel metabolismo aerobico, con conseguente ATP molto più di quanto solo la glicolisi possa fornire.

Glicolisi precoce

La fosforilazione del glucosio dopo il suo ingresso nel citoplasma provoca glucosio-6-fosfato (G-6-P). Il fosfato proviene dall'ATP e dalla sua incorporazione nelle foglie di glucosio difosfato di adenosina (ADP) dietro. Come notato, questo intrappola il glucosio all'interno della cellula.

Successivamente, G-6-P viene convertito in fruttosio-6-fosfato (F-6-P). Questo è un isomerizzazione reazione, perché il reagente e il prodotto sono isomeri l'uno dell'altro - molecole con lo stesso numero di ciascun tipo di atomo, ma con differenti disposizioni spaziali. In questo caso, l'anello di fruttosio ha solo cinque atomi. Viene chiamato l'enzima responsabile di questo tipo di giocoleria atomica fosfoglucosio isomerasi. (La maggior parte dei nomi di enzimi, sebbene spesso ingombranti, almeno ha perfettamente senso.)

Nella terza reazione di glicolisi, F-6-P viene convertito in fruttosio-1,6-bisfosfato (F-1,6-BP). In questa fase di fosforilazione, il fosfato viene di nuovo dall'ATP, ma questa volta viene aggiunto a un diverso atomo di carbonio. L'enzima responsabile è fosfofruttochinasi (PFK).

Nella quarta reazione di glicolisi, la molecola F-1,6-BP, che è abbastanza instabile a causa della sua doppia dose di gruppi fosfato, è divisa dall'enzima aldolase nelle molecole che trasportano tre carboni monofosfato 3-fosfato di gliceraldeide (GAP) e diidrossiacetone fosfato (DHAP). Questi sono isomeri e il DHAP viene rapidamente convertito in GAP nella quinta fase della glicolisi usando una spinta dall'enzima isomerasi di fosfato trioso (TIM).

In questa fase, la molecola di glucosio originale è diventata due molecole identiche a tre atomi di carbonio, singolarmente fosforilate, al costo di due ATP. Da questo punto in poi, ogni reazione di glicolisi descritta si verifica due volte per ogni molecola di glucosio sottoposta a glicolisi.

Glicolisi successiva

Nella sesta reazione di glicolisi, GAP viene convertito in 1,3-bisphosphoglycerate (1,3-BPG) sotto l'influenza di gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi. Gli enzimi deidrogenasi rimuovono gli atomi di idrogeno (cioè i protoni). L'idrogeno liberato da GAP viene attaccato alla molecola NAD +, producendo NADH. Perché la molecola iniziale di glucosio a monte ha dato origine a Due molecole di GAP, dopo questa reazione, Due sono state create molecole di NADH.

Nella settima reazione di glicolisi, una delle reazioni di fosforilazione della glicolisi precoce è, in effetti, invertita. Quando l'enzima fosfoglicerato chinasi rimuove un gruppo fosfato da 1,3-BPG, il risultato è 3-fosfoglicerato (3-PG). I fosfati che sono stati rimossi dalle due molecole 1,3-BPG vengono aggiunti a un ADP per formare due ATP. Ciò significa che i due ATP "presi in prestito" nei passaggi uno e tre vengono "restituiti" nella settima reazione.

Nel passaggio otto, 3-PG viene convertito in 2-fosfoglicerato (2-PG) di fosfoglicerato mutasi, che sposta l'unico gruppo fosfato rimanente in un diverso atomo di carbonio. Una mutasi differisce da un'isomerasi in quanto è meno pesante nella sua azione; piuttosto che riorganizzare la struttura di una molecola, spostano semplicemente uno dei suoi gruppi laterali in un nuovo punto, lasciando così la spina dorsale, l'anello, ecc.

Nella nona reazione di glicolisi, il 2-PG viene convertito in fosfoenolpiruvato (PEP) sotto l'azione di enolasi. Un enol è un composto con un doppio legame carbonio-carbonio in cui uno dei carboni è anche legato a un gruppo ossidrilico.

Infine, la decima e ultima reazione di glicolisi, il PEP si trasforma in piruvato grazie all'enzima piruvato chinasi. I gruppi fosfato rimossi dai due PEP sono attaccati alle molecole ADP, producendo due ATP e due piruvati, la cui formula è (C₃H₄O₃) o (CH₃) CO (COOH). Pertanto, l'elaborazione iniziale anaerobica di una singola molecola di glucosio produce due molecole di piruvato, due ATP e due NADH.

Processi post-glicolisi

Il piruvato alla fine generato dall'ingresso del glucosio nelle cellule può assumere uno dei due percorsi. Se la cellula è procariotica, o se la cellula è eucariotica ma richiede temporaneamente più carburante di quello che la sola respirazione aerobica può fornire (come, ad esempio, nelle cellule muscolari durante un duro esercizio fisico come cantare o sollevare pesi), il piruvato entra nel percorso di fermentazione. Se la cellula è eucariotica e il suo fabbisogno energetico è tipico, sposta il piruvato all'interno dei mitocondri e partecipa al ciclo di Krebs: