5.1: Вступ

Last updated
Save as PDF

Page ID: 6550

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Файл:Глюкоза Фішер до Haworth.gif

Глюкоза є кращим вуглеводом клітин. У розчині він може змінюватися від лінійного ланцюга до кільця.

Енергія зберігається в зв'язках вуглеводів. Розрив цих зв'язків вивільняє цю енергію. Дроблення кристалів цукру створює крихітні електричні поля, які виділяють невидиме ультрафіолетове світло. Зимова хімічна речовина (метилсаліцилат) збуджується цими збудженими електронами та флуоресценціями на видимій синій довжині хвилі. Це явище називається триболюмінесценцією.

гліколіз

Глюкоза є кращим вуглеводом клітин. Гліколіз (гліко - цукор; лізис - розщеплення) є універсальним процесом всіх клітин, що відбувається в цитозолі, в результаті чого глюкоза (6-вуглецевий цукор) розщеплюється на дві молекули піруватів (3-вуглецевої молекули), щоб генерувати АТФ і знижувати NADH. АТФ (аденозинтрифосфат) - це енергетична валюта клітини, яка зберігає хімічну енергію в 3 високоенергетичних фосфатних зв'язках. NADH (знижений нікотинамід-аденіндинуклеотид) - це високоенергетичний носій електронів, який діє як коензим в реакціях і як своєрідна акумуляторна батарея. Незаряджений стан, що не несе електрони високої енергії, називається NAD ⁺.

гіколіз

Гліколіз - це розщеплення глюкози на 2 молекули пірувату з утворенням 2 молекул NADH та 2ATP.

АТФ містить 3 високоенергетичних фосфати і діє як клітинна енергетична валюта.

NADH - це зменшена форма NAD +. Електрони високої енергії, пов'язані з відновленою формою, надходять з атомом водню.

Бродіння

За відсутності кисню клітини можуть вирішити використовувати піруват від гліколізу, щоб швидко генерувати додаткові молекули АТФ у процесі, який називається ферментацією. Бродіння - це анаеробний процес відновлення пірувату для утворення АТФ. Цей процес використовує NADH, що утворюється в результаті гліколізу, як відновники. Бродіння - це звичний процес, який відбувається в дріжджах з утворенням етанолу. В інших організмах, як і у людини, бродіння призводить до вироблення молочної кислоти. І молочна кислота, і етанол токсичні, але це допомагає клітинам виробляти АТФ, коли енергія потрібна швидко. Ферментація також генерує CO ₂ як молекулу відходів, оскільки піруват розщеплюється на 2-вуглецеву сполуку.

Бродіння в дріжджах генерує АТФ при відсутності кисню, але дає мало АТФ за рахунок зниженого NADH. Кредит: Девід Кармак (CC-BY-SA)

Підготовча реакція

При наявності О ₂ аеробні організми будуть використовувати реакцію декарбоксилювання пірувату в цитозолі. Ця реакція генерує молекулу ацетил-КоА з коензиму А, який може потрапити в мітохондрії.

Виробництво ацетил-КоА з КоА

Коензим А (CoA) заряджається ацетильної групою (2 вуглецевої сполуки) для отримання ацетил-КоА та СО ₂.

Коли спостерігається надлишок вуглеводів, ацетил-КоА використовується як відправна точка для тривалого зберігання енергії при синтезі ліпідів.

Мітохондрії

Мітохондрії є електростанцією еукаріотичних клітин. Вони походять від процесу, описаного ендосимбіотичною теорією, за допомогою якої аеробні прокаріоти були охоплені протоеукаріот. У цьому взаємному розташуванні прокаріот детоксикував смертельний газ O ₂ у навколишньому середовищі і використовував його для повного розщеплення глюкози, щоб отримати багато молекул АТФ. Докази цієї теорії походять від незалежної реплікації мітохондрій, бактеріально-подібної мітохондріальної ДНК, бактеріально-подібних мітохондріальних рибосом, бактеріальних ліпідів, виявлених у внутрішній мембрані, та еукаріотичної природи зовнішньої мембрани. Мітохондрії геномно схожі на бактерії загону Rickettsiales. Деякі бактерії цього порядку все ще вільно живуть, а деякі є внутрішньоклітинними збудниками.

Кредит: Кельвінсонг (CC-BY- SA 3.0)

Аеробне дихання

Клітинне дихання. Ліва сторона - гліколіз (анаеробний). Права сторона - це те, що відбувається в присутності кисню в еукаріотів. Аеробні реакції відбуваються всередині мітохондрій після подачі молекул ацетил-КоА з цитоплазматичної підготовчої реакції. Кредит: РегісФрей (CC-BY-SA 3.0)

Ацетил-КоА потрапляє в мітохондріальну матрицю, де він використовується в циклі Кребса (він же цикл трикарбонової кислоти (TCA), він же цикл лимонної кислоти). Для кожного пірувату існує 2 витка циклу, де генеруються додатковий NADH та інший високоенергетичний носій електронів FADH ₂ (флавін аденін-динуклеотид). Електрони, що зберігаються NADH і FADH ₂, передаються білкам, званим цитохромами, які мають металеві центри для проведення цих електронів. У процесі переміщення цих електронів цитохроми в цих електронно-транспортних ланцюгах (ETC) живлять рух протонів у міжмембранний простір. Кінцевою частиною цих електронів є молекула O ₂, яка зменшується в 1/2 Н ₂ O молекули. Цей видимий рух молекул води з хімічного синтезу називається хеміосмосом. Канал в мембрані під назвою АТФ-синтаза діє як шлюз для H ⁺ назад в матрицю, але використовуйте цей рух для перетворення ADP в АТФ.

Ланцюг транспорту електронів

Крупним планом ланцюга транспорту електронів (ETC), що відбувається на внутрішній мембрані мітохондрій. Тут кисень використовується як кінцевий акцептор електронів. Зменшення 1/2 O ₂ призводить до утворення молекули води (хеміосмосу). Кредит: Джеремі Сето (CC-BY-NC-SA 3.0)

Метаболічний басейн

Catabolic шляхи беруть участь в гліколіз і цикл Кребса складають метаболічний басейн, який постачає будівельні блоки для інших анаболічних реакцій в клітині. Надлишок вуглеводів може призвести до накопичення молекул ацетил-КоА. Якщо існує великий надлишок ацетил-КоА, ацетильні групи можуть бути спрямовані на синтез жирних кислот для тривалого зберігання енергії. Гліколітичні продукти також можуть бути відправною точкою для синтезу амінокислот. 3-фосфогліцерит може бути використаний для синтезу гліцину, цистеїну та серину. Піруват може бути використаний для генерації аланіну, валіну та лейцину. Оксалоацетат з циклу Кребса може бути використаний як відправна точка для аспартату, лізину, аспарагіну, метіоніну, треоніну та ізолейцину. Глютамат і глютамін синтезуються з α-кетоглутарату, що утворюється під час циклу Кребса. Хоча більшість з 20 амінокислот можуть бути синтезовані de novo, є 9 незамінних амінокислот у людини, які не можуть бути синтезовані в достатній кількості і тому повинні бути отримані з дієти. Ці незамінні амінокислоти включають гістидин, ізолейцин, лейцин, лізин, метіонін, фенілаланін, треонін, триптофан та валін.