תוֹכֶן
כל האורגניזמים משתמשים במולקולה הנקראת גלוקוזה ותהליך שנקרא גליקוליזה כדי לענות על חלק או מכל צרכי האנרגיה שלהם. עבור אורגניזמים פרוקריוטים חד תאיים, כמו חיידקים, זהו התהליך היחיד הקיים לייצור ATP (אדנוזין טריפוספט, "מטבע האנרגיה" של התאים).
אורגניזמים אוקריוטים (בעלי חיים, צמחים ופטריות) הם בעלי מכונות סלולריות מתוחכמות יותר ויכולים להפיק הרבה יותר ממולקולת גלוקוז - למעשה, פי חמישה עשר יותר ATP. הסיבה לכך היא שתאים אלה מפעילים נשימה תאית, שבשלמה היא גליקוליזה בתוספת נשימה אירובית.
תגובה הכרוכה בכך חמצון decarboxylation בנשימה סלולרית הנקראת תגובת גשר משמש כמרכז עיבוד בין התגובות האנאירוביות הקפדניות של הגליקוליזה לשני השלבים של הנשימה אירובית המתרחשים במיטוכונדריה. שלב גשר זה, הנקרא באופן רשמי יותר חמצון פירובט, הוא חיוני אפוא.
מתקרב לגשר: גליקוליזה
ב גליקוליזה, סדרה של עשר תגובות בציטופלסמה של התא, ממירה את מולקולת ששת הפחמן גלוקוז לשתי מולקולות של פירובט, תרכובת של שלוש פחמן, תוך שהיא מייצרת בסך הכל שתי מולקולות ATP. בחלק הראשון של הגליקוליזה, המכונה שלב ההשקעה, נדרשים למעשה שני ATP כדי להעביר את התגובות, ואילו בחלק השני, שלב ההחזרה, זה יותר מפיצוי על ידי סינתזה של ארבע מולקולות ATP.
שלב השקעה: לגלוקוזה יש קבוצת פוספט המחוברת ואז היא מסודרת מחדש למולקולת פרוקטוזה. למולקולה זו מצורפת קבוצת פוספטים והתוצאה היא מולקולת פרוקטוזה זרחנית כפליים. לאחר מכן מפוצלת מולקולה זו והופכת לשתי מולקולות שלוש-פחמן זהות, שלכל אחת מהן קבוצת פוספט משלה.
שלב החזרה: לכל אחת משתי מולקולות תלת-הפחמן יש את אותו גורל: יש לה קבוצת פוספט אחרת המחוברת, וכל אחת מאלה משמשת לייצור ATP מ- ADP (אדנוזין דיפוספט) תוך כדי סידור מחדש למולקולת פירובט. שלב זה מייצר גם מולקולה של NADH ממולקולה של NAD+.
תפוקת האנרגיה נטו היא אפוא 2 ATP לגלוקוז.
תגובת הגשר
תגובת הגשר, המכונה גם תגובת מעבר, מורכב משני שלבים. הראשון הוא decarboxylation של פירובט, והשני הוא ההתקשרות של מה שנותר למולקולה הנקראת קו אנזים א.
הסוף של מולקולת הפירובט הוא פחמן שקושר כפולה אטום חמצן וקשור יחיד לקבוצה הידרוקסיל (-OH). בפועל, אטום H בקבוצת ההידרוקסיל מתנתק מאטום O, כך שניתן לחשוב על חלק זה של פירובאט כבעל אטום C אחד ושני אטומי O. ב decarboxylation, זה מוסר כ CO2, או פחמן דו חמצני.
לאחר מכן, השארית של מולקולת פירובט, המכונה קבוצת אצטיל ובעלת הנוסחה CH3C (= O), מתחבר לקואנזים A בנקודה שכבשה בעבר על ידי קבוצת הקרבוקסיל של פירובאט. בתהליך, NAD+ מצטמצם ל- NADH. לפי מולקולה של גלוקוז, תגובת הגשר היא:
2 CH3C (= O) C (O) O- + 2 CoA + 2 NAD+ → 2 CH3C (= O) CoA + 2 NADH
אחרי הגשר: הנשמה אירובית
מחזור קרבס: מיקום מחזור קרבס נמצא במטריקס המיטוכונדריאלי (החומר שבתוך הממברנות). כאן, אצטיל CoA משלב מולקולת ארבע פחמן הנקראת אוקסלואצטט ליצירת מולקולת שש פחמן, ציטראט. מולקולה זו מורכבת חזרה לאוקסלואצטט בסדרה של צעדים, מתחילים את המחזור מחדש.
התוצאה היא 2 ATP יחד עם 8 NADH ו- 2 FADH2 (נשאי אלקטרונים) לשלב הבא.
שרשרת העברת אלקטרונים: תגובות אלו מתרחשות לאורך הממברנה הפנימית של המיטוכונדריה, בהן מוטבעות ארבע קבוצות קו-אנזים מיוחד, הנקראות קומפלקס I עד IV. אלה משתמשים באנרגיה באלקטרונים ב- NADH ו- FADH2 בכדי להניע את סינתזת ATP, כאשר חמצן הוא המקבל האלקטרוני הסופי.
התוצאה היא 32 עד 34 ATP, מה שמציב את תפוקת האנרגיה הכוללת של הנשימה התאית על 36-38 ATP למולקולה של גלוקוז.