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Warum wird in einigen Zellen GTP im Zitronensäurezyklus und in einigen ATP gebildet?

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Bei vielen Tieren wird GTP im Zitronensäurezyklus produziert. Während in Pflanzen, Bakterien und einigen Tieren ATP produziert wird. Warum ist das so ? Was ist der Vorteil?


Dieser Schritt wird durch Succinyl-CoA-Synthase katalysiert, die zwei verschiedene Isoformen aufweist – eine produziert GTP, während die andere ATP produziert. Aus dieser Studie geht hervor, dass überwiegend anabole Gewebe die GTP-produzierende Form bevorzugen, während die überwiegend katabolen Gewebe die ATP-produzierende Form verwenden. In derselben Arbeit diskutieren sie, dass GTP für die Proteinsynthese wichtig ist und auch an der Produktion von Phospho-Enolpyruvat durch PEP-Carboxykinase in Mitochondrien beteiligt ist; spielt daher eine wichtige Rolle bei anabolen Prozessen.


Warum wird in einigen Zellen GTP im Zitronensäurezyklus und in einigen ATP gebildet? - Biologie

Warum der Körper Nahrung braucht

Ihr Stoffwechsel ist die Ansammlung chemischer Reaktionen, die in Ihren Zellen ablaufen, um das Leben zu erhalten. Einige dieser Reaktionen verwenden gespeicherte Energie, um Dinge aufzubauen, die wir Anabolismus nennen, während andere Reaktionen Dinge abbauen und Energie freisetzen, die für den zukünftigen Gebrauch gespeichert werden kann, und dies wird Katabolismus genannt. Stellen Sie sich vor, der Hamburger, den Sie zu Abend essen, besteht aus Proteinen, Fetten und Kohlenhydraten und ist eine Sammlung von Legoblöcken in verschiedenen Farben und Formen. Es hat viel Energie gekostet, diese Blöcke in diese komplexe Struktur zu organisieren, und das Aufbrechen der Blöcke setzt diese Energie frei und befreit die Blöcke, damit sie wieder zu neuen Dingen aufgebaut werden können. Ihr Körper tut genau das, wenn Sie Ihre Nahrung zu sich nehmen. Hier ist ein kurzer Videovortrag, der dieses Konzept zusammenfasst.

Lebewesen zerlegen die drei Hauptkategorien von Lebensmitteln (Proteine, Fette und Kohlenhydrate) aus zwei Gründen in ihre Bestandteile, die einzelnen Lego-Blöcke. 1) Sobald die Nahrungsatome und Atomgruppen (Moleküle) abgebaut sind, können sie wieder in die spezifischen Arten von Dingen eingebaut werden, die der Organismus braucht, wie Knochen, Muskeln, Haut, Haare, Federn, Fell, Rinde, Blätter, usw. 2) Beim Abbau der Nahrungsmoleküle wird die Energie freigesetzt, die sie zusammenhält, und diese freigesetzte Energie wird von der Zelle vorübergehend für den Wiederaufbauprozess gespeichert. Jede dieser Nahrungsarten erfordert einen anderen Abbauprozess, und wir werden uns diese später ansehen, aber das Ziel ist dasselbe – die Energie, die diese Nahrungsmoleküle zusammenhält, zu nehmen und sie freizusetzen, damit sie in einer Form gespeichert werden kann, die die Zelle kann später verwenden, um zu bauen, was sie braucht. Die Zelle hat eine spezielle Art von Molekül zur Speicherung dieser Energie, und es heißt ATP.

ATP (Adenosintriphosphat) ist ein wichtiges Molekül, das in allen Lebewesen vorkommt. Betrachten Sie es als die „Energiewährung“ der Zelle. Wenn eine Zelle Energie aufwenden muss, um eine Aufgabe zu erfüllen, spaltet das ATP-Molekül eines seiner drei Phosphate ab und wird zu ADP (Adenosindiphosphat) + Phosphat. Die Energie, die dieses Phosphatmolekül enthält, wird nun freigesetzt und steht der Zelle zur Verfügung, um Arbeit zu verrichten. Wenn die Zelle über zusätzliche Energie verfügt (die durch den Abbau von aufgenommener Nahrung oder im Fall von Pflanzen durch Photosynthese gewonnen wird), speichert sie diese Energie, indem sie ein freies Phosphatmolekül wieder an ADP anlagert und es wieder in ATP umwandelt. Das ATP-Molekül ist wie eine wiederaufladbare Batterie. Wenn es vollständig aufgeladen ist, ist es ATP. Wenn es heruntergekommen ist, ist es ADP. Der Akku wird jedoch nicht weggeworfen, wenn er leer ist, sondern wird einfach wieder aufgeladen.

So sieht es chemisch aus. Jedes Phosphat ist ein PO4 (Sauerstoff hat eine Ladung von -2 und es gibt 4 davon, also insgesamt -8, und P hat eine Ladung von +5, also ist die Nettoladung der Phosphatgruppe -3. Wenn freie H-Atome, die +1, werden zu den O-Atomen hinzugefügt, die nicht an zwei Dinge gebunden sind, dann ist die Nettoladung Null.)

Es gibt Zeiten, in denen die Zelle noch mehr Energie benötigt und ein weiteres Phosphat abspaltet, so dass es von ADP, Adenosiddiphosphat, zu AMP, Adenosinmonophosphat, übergeht.

ATP ß à ADP + P + Energie ß à AMP + P + Energie

Es gibt andere Energiespeichermoleküle in der Zelle, wie NAD und FAD, aber das ATP-System ist das häufigste und wichtigste. Stellen Sie sich die anderen als wiederaufladbare Batterien unterschiedlicher Marken vor, die dieselbe Aufgabe erfüllen. Als nächstes werden wir einige der Wege untersuchen, die der Körper nutzt, um verschiedene Arten von Nahrungsmitteln abzubauen.

Was ist mit Sauerstoff? Warum brauchen wir das? Was passiert, wenn Sie ein Glas über eine Kerze stellen? Sie verhungern dem Feuer Sauerstoff und die Flamme erlischt. Wenn eine Stoffwechselreaktion aerob ist, benötigt sie Sauerstoff. Kaufen warum? Hier ist eine Analogie. Denken Sie darüber nach, ein Lagerfeuer anzuzünden. Was brauchst du? Sie brauchen Brennstoff (das Holz), Sie brauchen Wärme (es ist schwieriger, ein Feuer zu entfachen, wenn es kalt ist) und Sie brauchen Sauerstoff (denn ein anderes Wort für Verbrennung ist "oxidierend" und wie Sie sich vorstellen können, kann dies nur in Gegenwart von Sauerstoff). Wenn etwas oxidiert wird, verliert es Elektronen, was bedeutet, dass Energie (die Elektronen) freigesetzt wird, wenn Sie einen Brennstoff oxidieren oder verbrennen. Ihr Essen ist Ihr Treibstoff. Sie verbrennen den Brennstoff für Energie. Sie brauchen den Sauerstoff, um den Kraftstoff zu verbrennen. Dies geschieht in den Mitochondrien.


Rezensionsfragen

Welche der folgenden Aussagen ist kein Beispiel für eine Energiewende?

A. Abendessen in der Mikrowelle aufwärmen
B. Sonnenkollektoren bei der Arbeit
C. Bildung statischer Elektrizität
D. Nichts des oben Genannten

Welche der folgenden Aussagen zu Enzymen trifft nicht zu?

A. Sie werden durch die Reaktionen verbraucht, die sie katalysieren.
B. Sie bestehen normalerweise aus Aminosäuren.
C. Sie senken die Aktivierungsenergie chemischer Reaktionen.
D. Jedes ist spezifisch für das/die spezielle(n) Substrat(e), an das/die es bindet.


Kohlenhydrate, Proteine ​​und Fette

Der Zitronensäure-Zyklus, auch bekannt als Tricarbonsäure-Zyklus oder Krebs-Zyklus, beginnt, nachdem die zwei Moleküle des bei der Glykolyse produzierten Zuckers mit drei Kohlenstoffatomen in eine etwas andere Verbindung (Acetyl-CoA) umgewandelt wurden. Es ist der Prozess, der es uns ermöglicht, die in Kohlenhydraten, Proteinen und Fetten enthaltene Energie zu nutzen. Obwohl der Zitronensäurezyklus Sauerstoff nicht direkt verwendet, funktioniert er nur, wenn Sauerstoff vorhanden ist. Dieser Zyklus findet in der Matrix der Zellmitochondrien statt. Durch eine Reihe von Zwischenschritten werden neben zwei ATP-Molekülen mehrere Verbindungen hergestellt, die "hochenergetische" Elektronen speichern können. Diese als Nicotinamidadenindinukleotid (NAD) und Flavinadenindinukleotid (FAD) bekannten Verbindungen werden dabei reduziert. Die reduzierten Formen (NADH und FADH2) tragen die "hochenergetischen" Elektronen zur nächsten Stufe.


Schritte des Krebszyklus

Der Krebs-Zyklus hat 9 Hauptreaktionen, die schnell hintereinander ablaufen. Das Bild unten zeigt diese Reaktionen.

Beachten Sie, dass Citrat das erste Molekül ist, das nach der Zugabe von Acetyl-CoA entsteht. Aus diesem Grund wird der Krebs-Zyklus auch als Zitronensäure-Zyklus bezeichnet. Die Produkte des Zyklus sind im Bild oben. Dieser Vorgang wird als „Zyklus“ bezeichnet, da er immer am Oxalacetat die mit einem neuen Acetyl-CoA kombiniert werden kann, um für jeden Zyklus ein neues Citratmolekül zu produzieren.


Die Energiemenge (als ATP), die aus dem Glukosekatabolismus gewonnen wird, variiert je nach Spezies und hängt von anderen verwandten zellulären Prozessen ab.

LERNZIELE

Beschreiben Sie die Ursachen der Variabilität der ATP-Menge, die pro verbrauchtem Glukosemolekül produziert wird

DIE ZENTRALEN THESEN

Wichtige Punkte

  • Während der Glukosekatabolismus immer Energie produziert, kann die produzierte Energiemenge (in Form von ATP-Äquivalenten) insbesondere zwischen verschiedenen Spezies variieren.
  • Die Anzahl der Wasserstoffionen, die die Elektronentransportkettenkomplexe durch die Membran pumpen können, variiert zwischen den Spezies.
  • NAD + liefert mehr ATP als FAD + in der Elektronentransportkette und kann zu Abweichungen in der ATP-Produktion führen.
  • Die Verwendung von Zwischenprodukten aus dem Glukosekatabolismus in anderen Biosynthesewegen, wie der Aminosäuresynthese, kann die Ausbeute an ATP verringern.

Schlüsselbegriffe

  • Katabolismus: Destruktiver Stoffwechsel, der in der Regel die Freisetzung von Energie und den Abbau von Stoffen beinhaltet.

ATP-Ausbeute

In einer eukaryontischen Zelle kann der Prozess der Zellatmung ein Glukosemolekül in 30 bis 32 ATP umwandeln. Der Prozess der Glykolyse produziert nur zwei ATP, während der Rest während der Elektronentransportkette produziert wird. Die Elektronentransportkette ist eindeutig effizienter, kann aber nur in Gegenwart von Sauerstoff durchgeführt werden.

Abbildung (PageIndex<1>): Zellatmung in einer eukaryontischen Zelle: Die Glykolyse im linken Teil dieser Abbildung ergibt 2 ATP-Moleküle, während der Elektronentransportketten-Teil oben rechts die verbleibenden 30-32 ATP-Moleküle in Gegenwart von Sauerstoff ergibt.

Die Anzahl der ATP-Moleküle, die über den Glukosekatabolismus erzeugt werden, kann erheblich variieren. Zum Beispiel variiert die Anzahl der Wasserstoffionen, die die Elektronentransportkettenkomplexe durch die Membran pumpen können, zwischen den Spezies. Eine weitere Varianzquelle tritt während des Elektronentransports durch die Membranen der Mitochondrien auf. Das aus der Glykolyse erzeugte NADH kann nicht leicht in die Mitochondrien eindringen. Somit werden Elektronen im Inneren der Mitochondrien entweder von NAD + oder FAD + aufgenommen. Diese FAD + -Moleküle können folglich weniger Ionen transportieren, weniger ATP-Moleküle werden erzeugt, wenn FAD + als Träger fungiert. NAD + wird als Elektronentransporter in der Leber verwendet und FAD + wirkt im Gehirn.

Abbildung (PageIndex<1>): Adenosintriphosphat: ATP ist die Hauptenergiequelle vieler lebender Organismen.

Ein weiterer Faktor, der die Ausbeute an aus Glucose erzeugten ATP-Molekülen beeinflusst, ist die Tatsache, dass Zwischenverbindungen in diesen Stoffwechselwegen für andere Zwecke verwendet werden. Der Glukosekatabolismus ist mit den Wegen verbunden, die alle anderen biochemischen Verbindungen in Zellen aufbauen oder abbauen, aber das Ergebnis ist nicht immer ideal. Zum Beispiel werden andere Zucker als Glucose in den glykolytischen Weg zur Energiegewinnung eingespeist. Darüber hinaus werden die Fünf-Kohlenstoff-Zucker, die Nukleinsäuren bilden, aus Zwischenprodukten der Glykolyse hergestellt. Bestimmte nichtessentielle Aminosäuren können aus Zwischenprodukten sowohl der Glykolyse als auch des Zitronensäurezyklus hergestellt werden. Lipide wie Cholesterin und Triglyceride werden ebenfalls aus Zwischenprodukten dieser Stoffwechselwege hergestellt, und sowohl Aminosäuren als auch Triglyceride werden durch diese Stoffwechselwege zu Energie abgebaut. Insgesamt entziehen diese Stoffwechselwege des Glukosekatabolismus in lebenden Systemen etwa 34 Prozent der in Glukose enthaltenen Energie.


Beide Prozesse produzieren ATP aus Substraten, aber der Krebs-Zyklus produziert viel mehr ATP-Moleküle als die Glykolyse! Jede Stufe in jedem Prozess wird von einem bestimmten Enzym katalysiert. Bei der aeroben Atmung sind sowohl die Glykolyse als auch der Krebs-Zyklus beteiligt, während bei der anaeroben Atmung nur die Glykolyse stattfindet.

Das Flussdiagramm zeigt, dass jedes Mal, wenn eine Stufe zwei Wasserstoffatome produziert, in Gegenwart von Sauerstoff drei ATP-Moleküle produziert werden. Die Rolle dieser Wasserstoffatome wird im Elektronenträgersystem gezeigt.

Elektronenträgersystem

Das Hauptmerkmal des Elektronenträger- oder Elektronentransportsystems besteht darin, dass jedes Mal, wenn 2H-Atome transportiert werden, drei ATPs produziert werden. Es findet in den Mitochondrien statt.

ALLE REAKTIONEN BEI DER GLYKOLYSE TRETEN IM ZELLCYTOPLASM (AUSSERHALB DES MITOCHONDRION) AB.

  • Glukose ist ein stabiles Molekül mit 6 Kohlenstoffatomen
  • Glucose enthält viele C-H-Bindungen und enthält erhebliche Energie
  • Während der GLYKOLYSE wird ein Glucosemolekül in zwei PYRUVAT-Moleküle gespalten.
  • Jedes PYRUVATE-Molekül enthält drei Kohlenstoffatome

  • Da Glukose ein stabiles Molekül ist, muss es zuerst in ein weniger stabiles FRUCTOSE-BISPHOSPHAT-Molekül umgewandelt werden, bevor es abgebaut werden kann. Dies erfordert den Einsatz von Energie
  • (2 x ATP)
  • FRUCTOSE BISPHOSPHAT wird in zwei TRIOSE PHOSPHATE Moleküle gespalten
  • Die beiden TRIOSE PHOSPHATE-Moleküle werden in zwei GP-Moleküle umgewandelt, wodurch Energie (2 x ATP) und Wasserstoff freigesetzt werden. Wasserstoff wird von NAD aufgenommen, um reduziertes NAD (redNAD) zu bilden. Der Wasserstoff wird zu den Mitochochondrien transportiert, wo er zur Erzeugung von . verwendet wird
  • ATP durch OXIDATIVE PHOSPHORYLIERUNG
  • 2GPs werden in zwei PYRUVATE-Moleküle umgewandelt, die Energie freisetzen (2 x ATP).

Somit hat sich am Ende der GLYCOLYSIS ein Glukosemolekül gebildet

  • 2 Pyruvatmoleküle (zur LINK REACTION)
  • 2 ATP-Moleküle (2 Eingänge, 4 Ausgänge)
  • 2 rote NAD-Moleküle (zur OXIDATIVEN PHOSPHORYLIERUNG)
  • KEIN CO2 wird durch Glykolyse hergestellt
  • Pyruvat aus der Glykolyse wird umgewandelt in Acetyl-Coenzym A (Acetyl-CoA), das in den Krebs-Zyklus eintritt
  • Nein ATP wird erzeugt
  • H wird produziert reduziertes NAD zur oxidativen Phosphorylierung
  • CO2 es ist veröffentlicht worden

Die LINK REAKTION Schritt für Schritt

Pyruvat(X2) wird im Zytoplasma durch Glykolyse hergestellt

Es wird bewegt von aktiven Transport in die Mitochondriale Matrix

Es treten eine Reihe chemischer Veränderungen auf:

Decarboxylierung (CO2 entfernt) durch Pyruvat-Decarboxylase

Dehydrierung (H entfernt) durch Pyruvatdehydrogenase

Ein Acetyl Gruppe (2C) entsteht, die mit Coenzym A reagiert, um zu bilden Acetyl-CoA

Acetyl-CoA ist das Endprodukt der Link-Reaktion und wird für die nächste Stufe der Zellatmung benötigt: Krebs Zyklus (auch genannt die Zitronensäure Kreislauf)

Beachten Sie, dass das Coenzym A im Krebs-Zyklus nicht verbraucht wird, sondern in die Link-Reaktion zurückgeführt wird, um ein weiteres Acetyl-CoA-Molekül herzustellen - somit fungiert Coenzym A als Träger für das Acetylmolekül


Zusammenfassung

Zellatmung ist der Prozess, bei dem Nahrungsmoleküle oxidiert und Energie für andere zelluläre Prozesse freigesetzt wird. Zwei Arten der Zellatmung sind die aerobe Atmung und die anaerobe Atmung.

Glykolyse ist sowohl bei der aeroben als auch bei der anaeroben Atmung üblich. Dabei wird ein Glukosemolekül ohne Sauerstoff in zwei Pyruvatmoleküle zerlegt. Außerdem werden zwei ATP und zwei NADH produziert.

Aerobe Atmung beinhaltet die vollständige Oxidation von Pyruvatmolekülen in Gegenwart von Sauerstoff.

  • Pyruvat wird zuerst durch das Pyruvat-Dehydrogenase-Enzym in Acetyl-CoA umgewandelt.
  • Acetyl-CoA tritt in den Zitronensäurezyklus ein und wird vollständig zu Kohlendioxid oxidiert.
  • Es kommt in fast allen eukaryotischen Zellen vor, die Mitochondrien und aerobe Bakterien aufweisen.
  • Dabei werden aus einem Glucosemolekül insgesamt 36 ATP-Moleküle gewonnen.

Die anaerobe Atmung erfolgt in Abwesenheit von Sauerstoff.

  • Das Pyruvat wird entweder in Laktat (Milchsäuregärung) oder Ethanol (Alkoholgärung) umgewandelt.
  • Die Reduktionskraft wird von NADH-Molekülen bereitgestellt.
  • Es kommt in anaeroben Organismen oder Zellen vor, denen Mitochondrien fehlen.
  • Auch Muskelzellen verlagern sich bei schlechter Sauerstoffversorgung auf diese Art der Atmung.
  • Aus einem Glucosemolekül werden nur zwei ATP-Moleküle gewonnen.

Kate's Abitur in Biologie

ATP (Adenosintriphosphat) ist ein phosphoryliertes Makromolekül aus Adenin, Ribose und einer Kette von drei Phosphatgruppen. In den Bindungen zwischen den Phosphatgruppen dieses Moleküls wird Energie gespeichert, die Bindungen zwischen den Phosphatgruppen sind instabil und benötigen nur sehr wenig Energie zum Aufbrechen, aber wenn sie gebrochen werden, setzen sie viel Energie frei. Die Bindung zwischen der zweiten und letzten Phosphatgruppe ist eine hochenergetische Bindung, und 30,5 kJ Energie werden freigesetzt, wenn sie gebrochen wird. Das Molekül würde dann ADP (Adenosindiphosphat) heißen. Bei dieser Reaktion wird Wasser verwendet, daher handelt es sich um eine Hydrolysereaktion. ATP-Hydrolase ist ein Enzym, das verwendet werden kann, um diese Reaktion zu katalysieren.

Alle Lebewesen benötigen Energie zum Leben, daher spielt ATP eine wichtige Rolle für das Überleben aller Lebewesen. ATP ist eine wichtige Energiequelle, um viele Prozesse in Lebewesen durchzuführen, zum Beispiel: Muskelkontraktion, aktiver Transport, Synthese usw.

Lebewesen haben Kreatinspeicher, die anorganische Phosphate speichern, das bedeutet, dass ein anorganisches Phosphat zu ADP hinzugefügt werden kann, um ein wiederaufgeladenes ATP herzustellen. Während dieser Reaktion wird Wasser entfernt, daher handelt es sich um eine Kondensationsreaktion. Das Enzym ATP-Synthase kann verwendet werden, um diese Reaktion zu katalysieren. Die Umwandlung von ADP in ADP ist daher eine reversible Reaktion, da der eine Weg eine Kondensationsreaktion und der andere eine Hydrolysereaktion ist.

Die Zellatmung kann verwendet werden, um ATP zusammen mit Kohlendioxid und Wasser aus der Reaktion von Glukose und Sauerstoff zu produzieren. Die Zellatmung ist jedoch eine Reihe von Reaktionen, die auf drei „Wegen“ ablaufen. Der erste „Weg“ wird als Glykolyse bezeichnet, die im Zytoplasma einer eukaryotischen Zelle stattfindet, die die Glukosemoleküle spaltet, um Elektronen zu extrahieren. Der zweite ist der Zitronensäurezyklus, der in den Mitochondrien einer eukaryontischen Zelle stattfindet, wodurch noch mehr extrahierte Elektronen erzeugt werden. Dann ist der letzte „Weg“ die oxidative Phosphorylierung, die auch in den Mitochondrien stattfindet. Diese Reaktion nutzt all diese Elektronen, um die Produktion von ATP anzutreiben. Die Substratphosphorylierung ist eine Art metabolischer Reaktion, die ATP durch die physikalische Addition einer Phosphatgruppe an ADP bildet.

Tiere und Pflanzen sind beide in der Lage, ADP in ATP umzuwandeln, um Energie zu erzeugen. Einige Pflanzenzellen, die Chlorophyll enthalten, verwenden Photosynthese, um diese Reaktion durchzuführen. Sowohl tierische als auch pflanzliche Zellen können diese Reaktion durch Atmung und durch Übertragung von Phosphatgruppen von anderen Molekülen auf ADP auslösen.

ATP ist kein zuverlässiger Langzeit-Energiespeicher, da es schnell Energie freisetzt und instabil ist, aber es eignet sich perfekt als sofortige Energiequelle. Zellen benötigen keine großen ATP-Vorräte, da es für die Langzeitlagerung nicht praktikabel ist und mit ADP leicht wiederhergestellt werden kann. ATP setzt überschaubare Energiemengen frei, die viel geringer sind als bei Reaktionen mit Glukose, außerdem ist die Hydrolyse von ATP eine schnelle und einfache Reaktion, die im Gegensatz zum viel längeren Abbau von Glukose zur Energiegewinnung sofortige Energie liefert. Daher ist ATP viel besser, wenn der lebende Organismus sofort Energie benötigt.

ATP wird in vielen Prozessen verwendet, die Energie benötigen, wie zum Beispiel beim aktiven Transport, bei dem ATP Energie liefert, um die Form der Trägerproteine ​​in Plasmamembranen zu verändern, damit Moleküle gegen den Konzentrationsgradienten bewegt werden können.

ATP ist auch für die Bewegung sehr nützlich, da es Energie für die Muskelkontraktion liefert. Zuerst bindet das ATP an das Myosin, jetzt befindet es sich in einem hohen Energiezustand. Die Hydrolyse wandelt dann ATP in ADP um, die Energie daraus ändert die Form des Myosinsubstrats in das aktive Zentrum des Aktins. Dann bricht es die Myosin-Aktin-Brücke ab und gibt das Myosin für die nächste Kontraktion frei. Die ATP-Hydrolyse senkt die für enzymkatalysierte Reaktionen erforderliche Aktivierungsenergie, so dass sie auch für die Aktivierung von Molekülen nützlich ist.


Biologie 171

Am Ende dieses Abschnitts können Sie Folgendes tun:

  • Beschreiben Sie das Gesamtergebnis in Form von Molekülen, die beim chemischen Abbau von Glukose durch Glykolyse entstehen
  • Vergleichen Sie die Leistung der Glykolyse in Bezug auf die produzierten ATP-Moleküle und NADH-Moleküle

Wie Sie gelesen haben, kommt fast die gesamte von lebenden Zellen verbrauchte Energie in den Bindungen des Zuckers Glukose zu ihnen. Die Glykolyse ist der erste Schritt beim Abbau von Glukose, um Energie für den Zellstoffwechsel zu gewinnen. Tatsächlich führen fast alle lebenden Organismen im Rahmen ihres Stoffwechsels Glykolyse durch. Das Verfahren verwendet keinen Sauerstoff direkt und wird daher als anaerob bezeichnet. Die Glykolyse findet im Zytoplasma sowohl von prokaryontischen als auch von eukaryontischen Zellen statt. Glucose dringt auf zwei Wegen in heterotrophe Zellen ein. Eine Methode ist der sekundäre aktive Transport, bei dem der Transport gegen den Glucosekonzentrationsgradienten erfolgt. Der andere Mechanismus verwendet eine Gruppe von integralen Proteinen, die GLUT-Proteine ​​genannt werden, auch bekannt als Glukosetransporterproteine. Diese Transporter unterstützen die erleichterte Diffusion von Glukose.

Die Glykolyse beginnt mit der ringförmigen Struktur eines einzelnen Glukosemoleküls mit sechs Kohlenstoffatomen und endet mit zwei Molekülen eines Zuckers mit drei Kohlenstoffatomen namens Pyruvat. Die Glykolyse besteht aus zwei unterschiedlichen Phasen. Der erste Teil des Glykolysewegs fängt das Glukosemolekül in der Zelle ein und verwendet Energie, um es so zu modifizieren, dass das Zuckermolekül mit sechs Kohlenstoffatomen gleichmäßig in die beiden Moleküle mit drei Kohlenstoffatomen aufgespalten werden kann. Der zweite Teil der Glykolyse entzieht den Molekülen Energie und speichert sie in Form von ATP und NADH – denken Sie daran: Dies ist die reduzierte Form von NAD.

Erste Hälfte der Glykolyse (energieverbrauchende Schritte)

Schritt 1. Der erste Schritt der Glykolyse ((Abbildung)) wird durch Hexokinase katalysiert, ein Enzym mit breiter Spezifität, das die Phosphorylierung von Zuckern mit sechs Kohlenstoffatomen katalysiert. Hexokinase phosphoryliert Glucose unter Verwendung von ATP als Phosphatquelle und produziert Glucose-6-phosphat, eine reaktivere Form von Glucose. Diese Reaktion verhindert, dass das phosphorylierte Glukosemolekül weiterhin mit den GLUT-Proteinen wechselwirkt, und es kann die Zelle nicht mehr verlassen, da das negativ geladene Phosphat es nicht erlaubt, das hydrophobe Innere der Plasmamembran zu passieren.

Schritt 2. Im zweiten Schritt der Glykolyse wandelt eine Isomerase Glucose-6-Phosphat in eines seiner Isomere, Fructose-6-Phosphat um (dieses Isomer hat ein Phosphat an der Stelle des sechsten Kohlenstoffatoms des Rings). Eine Isomerase ist ein Enzym, das die Umwandlung eines Moleküls in eines seiner Isomere katalysiert. (Dieser Wechsel von Phosphoglucose zu Phosphofructose ermöglicht die letztendliche Aufspaltung des Zuckers in zwei Drei-Kohlenstoff-Moleküle.)

Schritt 3. Der dritte Schritt ist die Phosphorylierung von Fructose-6-Phosphat, katalysiert durch das Enzym Phosphofructokinase. Ein zweites ATP-Molekül spendet ein energiereiches Phosphat an Fructose-6-Phosphat und produziert Fructose-1,6-BiSphosphat. Bei diesem Stoffwechselweg ist Phosphofructokinase ein geschwindigkeitsbestimmendes Enzym. Es ist aktiv, wenn die ADP-Konzentration hoch ist. Es ist weniger aktiv, wenn die ADP-Spiegel niedrig und die ATP-Konzentration hoch ist. Wenn also „ausreichend“ ATP im System vorhanden ist, verlangsamt sich der Weg. Dies ist eine Art Endprodukthemmung, da ATP das Endprodukt des Glukosekatabolismus ist.

Schritt 4. Die neu hinzugefügten energiereichen Phosphate destabilisieren Fructose-1,6-bisphosphat weiter. Der vierte Schritt der Glykolyse verwendet ein Enzym, Aldolase, um Fructose-1,6-bisphosphat in zwei Drei-Kohlenstoff-Isomere zu spalten: Dihydroxyacetonphosphat und Glyceraldehyd-3-phosphat.

Schritt 5. Im fünften Schritt wandelt eine Isomerase das Dihydroxyaceton-Phosphat in sein Isomer Glyceraldehyd-3-Phosphat um. Somit wird der Weg mit zwei Molekülen eines Glyceraldehyd-3-phosphats fortgesetzt. An diesem Punkt des Stoffwechselwegs wird Energie von zwei ATP-Molekülen netto in den Abbau eines Glucosemoleküls investiert.


Zweite Hälfte der Glykolyse (Energiefreisetzungsschritte)

Bisher hat die Glykolyse die Zelle zwei ATP-Moleküle gekostet und zwei kleine Zuckermoleküle mit drei Kohlenstoffatomen produziert. Beide Moleküle durchlaufen die zweite Hälfte des Weges, und es wird genügend Energie extrahiert, um die beiden ATP-Moleküle, die als Anfangsinvestition verwendet wurden, zurückzuzahlen und einen Gewinn für die Zelle von zwei zusätzlichen ATP-Molekülen und zwei noch energiereicheren zu erzielen NADH-Moleküle.

Schritt 6. Der sechste Schritt der Glykolyse ((Abbildung)) oxidiert den Zucker (Glycerinaldehyd-3-phosphat) und extrahiert hochenergetische Elektronen, die vom Elektronenträger NAD + aufgenommen werden, wodurch NADH entsteht. Der Zucker wird dann durch Zugabe einer zweiten Phosphatgruppe phosphoryliert, wodurch 1,3-Bisphosphoglycerat entsteht. Beachten Sie, dass die zweite Phosphatgruppe kein weiteres ATP-Molekül benötigt.


Auch hier ist ein potenziell limitierender Faktor für diesen Weg. Die Fortsetzung der Reaktion hängt von der Verfügbarkeit der oxidierten Form des Elektronenträgers NAD + ab. Daher muss NADH kontinuierlich zu NAD + zurückoxidiert werden, um diesen Schritt am Laufen zu halten. Wenn NAD + nicht verfügbar ist, verlangsamt sich die zweite Hälfte der Glykolyse oder stoppt. Wenn Sauerstoff im System vorhanden ist, wird das NADH leicht, wenn auch indirekt, oxidiert und die hochenergetischen Elektronen aus dem dabei freigesetzten Wasserstoff werden zur Herstellung von ATP verwendet. In einer Umgebung ohne Sauerstoff kann ein alternativer Weg (Fermentation) die Oxidation von NADH zu NAD + bereitstellen.

Schritt 7. Im siebten Schritt, katalysiert durch Phosphoglycerat-Kinase (ein Enzym, das nach der Umkehrreaktion benannt ist), spendet 1,3-Bisphosphoglycerat ein energiereiches Phosphat an ADP, wodurch ein Molekül ATP gebildet wird. (Dies ist ein Beispiel für eine Phosphorylierung auf Substratebene.) Eine Carbonylgruppe am 1,3-Bisphosphoglycerat wird zu einer Carboxylgruppe oxidiert und 3-Phosphoglycerat wird gebildet.

Schritt 8. Im achten Schritt wandert die verbleibende Phosphatgruppe in 3-Phosphoglycerat vom dritten Kohlenstoff zum zweiten Kohlenstoff, wodurch 2-Phosphoglycerat (ein Isomer von 3-Phosphoglycerat) entsteht. Das Enzym, das diesen Schritt katalysiert, ist eine Mutase (Isomerase).

Schritt 9. Enolase katalysiert den neunten Schritt. Dieses Enzym bewirkt, dass 2-Phosphoglycerat Wasser aus seiner Struktur verliert. Dies ist eine Dehydratisierungsreaktion, die zur Bildung einer Doppelbindung führt, die die potentielle Energie in der verbleibenden Phosphatbindung erhöht und Phosphoenolpyruvat (PEP) produziert.

Schritt 10. Der letzte Schritt der Glykolyse wird durch das Enzym Pyruvatkinase katalysiert (das Enzym ist in diesem Fall nach der Umkehrreaktion der Umwandlung von Pyruvat in PEP benannt) und führt zur Produktion eines zweiten ATP-Moleküls durch Phosphorylierung auf Substratebene und der Verbindung Brenztraubensäure (oder seine Salzform Pyruvat). Viele Enzyme in enzymatischen Stoffwechselwegen werden nach den Umkehrreaktionen benannt, da das Enzym sowohl Vorwärts- als auch Rückwärtsreaktionen katalysieren kann (diese wurden möglicherweise ursprünglich durch die in vitro unter unphysiologischen Bedingungen ablaufende Rückwärtsreaktion beschrieben).

Erhalten Sie ein besseres Verständnis des Abbaus von Glukose durch Glykolyse, indem Sie Glykolyse: Ein Überblick (Video) besuchen, um den Prozess in Aktion zu sehen.

Ergebnisse der Glykolyse

Die Glykolyse beginnt mit Glucose und produziert zwei Pyruvatmoleküle, vier neue ATP-Moleküle und zwei NADH-Moleküle. (Hinweis: In der ersten Hälfte des Stoffwechselwegs werden zwei ATP-Moleküle verwendet, um den Sechs-Kohlenstoff-Ring für die Spaltung vorzubereiten, sodass die Zelle Nettogewinn von zwei ATP-Molekülen und zwei NADH-Moleküle für seine Verwendung). Wenn die Zelle die Pyruvatmoleküle nicht weiter abbauen kann, wird sie nur zwei ATP-Moleküle aus einem Glukosemolekül gewinnen. Reife rote Blutkörperchen von Säugetieren haben keine Mitochondrien und sind daher nicht in der Lage, aerob zu atmen – den Prozess, bei dem Organismen Energie in Gegenwart von Sauerstoff umwandeln – und die Glykolyse ist ihre einzige Quelle für ATP. Wenn die Glykolyse unterbrochen wird, verlieren diese Zellen ihre Fähigkeit, ihre Natrium-Kalium-Pumpen aufrechtzuerhalten, und sterben schließlich ab.

Der letzte Schritt der Glykolyse entfällt, wenn die Pyruvatkinase, das Enzym, das die Pyruvatbildung katalysiert, nicht in ausreichender Menge zur Verfügung steht. In dieser Situation läuft der gesamte Glykolyseweg ab, aber in der zweiten Hälfte werden nur zwei ATP-Moleküle hergestellt. Somit ist Pyruvatkinase ein geschwindigkeitsbestimmendes Enzym für die Glykolyse.

Abschnittszusammenfassung

Die Glykolyse ist der erste Weg im Zytoplasma, der beim Abbau von Glukose zur Gewinnung von Energie verwendet wird. Es war wahrscheinlich einer der frühesten Stoffwechselwege, die sich entwickelt haben und wird von fast allen Organismen auf der Erde genutzt. Die Glykolyse besteht aus zwei Teilen: Der erste Teil bereitet den Sechs-Kohlenstoff-Ring der Glucose auf die Spaltung in zwei Drei-Kohlenstoff-Zucker vor. Während dieser Hälfte wird ATP in den Prozess investiert, um die Trennung zu aktivieren. Die zweite Hälfte der Glykolyse extrahiert ATP und hochenergetische Elektronen aus Wasserstoffatomen und bindet sie an NAD + . In der ersten Hälfte werden zwei ATP-Moleküle investiert und in der zweiten Hälfte werden durch Substratphosphorylierung vier ATP-Moleküle gebildet. Dies führt zu einem Nettogewinn von zwei ATP- und zwei NADH-Molekülen für die Zelle.

Freie Antwort

Fast alle Organismen auf der Erde führen irgendeine Form der Glykolyse durch. Inwiefern unterstützt diese Tatsache die Behauptung, dass die Glykolyse einer der ältesten Stoffwechselwege ist, oder nicht?

Wenn sich die Glykolyse relativ spät entwickelt hätte, wäre sie wahrscheinlich nicht so universell in Organismen wie sie ist. Es entwickelte sich wahrscheinlich in sehr primitiven Organismen und blieb bestehen, mit der Hinzufügung anderer Wege des Kohlenhydratstoffwechsels, die sich später entwickelten.

Da rote Blutkörperchen während der Entwicklung ihre Mitochondrien verlieren, können sie jedoch keine aerobe Atmung durchführen, sie führen jedoch eine Glykolyse im Zytoplasma durch. Warum brauchen alle Zellen eine Energiequelle und was würde passieren, wenn die Glykolyse in einem roten Blutkörperchen blockiert wäre?

Alle Zellen müssen Energie verbrauchen, um grundlegende Funktionen wie das Pumpen von Ionen durch Membranen auszuführen. Ein rotes Blutkörperchen würde sein Membranpotential verlieren, wenn die Glykolyse blockiert würde, und es würde schließlich sterben.

Glossar