Η οξείδωση της γλυκόζης είναι μια χημική διαδικασία που παρέχει ενέργεια σε έναν οργανισμό για να πραγματοποιήσει όλες τις απαιτούμενες δραστηριότητές του. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, η γλυκόζη, ένα απλό μόριο σακχάρου που λαμβάνεται από τα τρόφιμα, διασπάται σε διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Αυτή η αντίδραση απελευθερώνει ενέργεια και την αποθηκεύει σε χημική μορφή για να τη χρησιμοποιήσει το κύτταρο. Υπάρχουν τρία ξεχωριστά στάδια οξείδωσης της γλυκόζης: η γλυκόλυση, ο κύκλος του κιτρικού οξέος και το σύστημα μεταφοράς ηλεκτρονίων.
Γλυκόζη
Τα μόρια της γλυκόζης χρησιμοποιούνται για την κατασκευή πιο σύνθετων υδατανθράκων, όπως το άμυλο και η κυτταρίνη. Ο χημικός τύπος για αυτό το μόριο είναι C6H12O6, που σημαίνει ότι αποτελείται από έξι άτομα άνθρακα, 12 άτομα υδρογόνου και έξι άτομα οξυγόνου. Η γλυκόζη που βρίσκεται στα φυτά και σε πολλά είδη τροφίμων απορροφάται στην κυκλοφορία του αίματος κατά την πέψη.
Οξείδωση
Η οξείδωση της γλυκόζης είναι μια αερόβια διαδικασία, μια χημική αντίδραση που απαιτεί οξυγόνο. Ο όρος «οξείδωση», στην πραγματικότητα, αναφέρεται σε οποιαδήποτε αντίδραση όπου το οξυγόνο συνδυάζεται με ένα άλλο μόριο, το οποίο στη συνέχεια λέγεται ότι οξειδώνεται. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας, ένα μόριο γλυκόζης συνδυάζεται με έξι μόρια οξυγόνου για να παράγει έξι μόρια διοξειδίου του άνθρακα, έξι μόρια νερού και τριφωσφορική αδενοσίνη (ATP), ένα μόριο που χρησιμοποιούν τα κύτταρα για να αποθηκεύσουν ή να μεταφέρουν ενέργεια.
Γλυκόλυση
Το πρώτο βήμα στη διαδικασία οξείδωσης είναι η γλυκόλυση, η οποία λαμβάνει χώρα μέσα στο κυτταρόπλασμα ενός κυττάρου, την ουσία που μοιάζει με γέλη που γεμίζει το κύτταρο και περιβάλλει τα άλλα κυτταρικά όργανα. Κατά τη διάρκεια αυτού του σταδίου, το μόριο της γλυκόζης διασπάται σε δύο μόρια πυροσταφυλικού, ενός οργανικού οξέος που μπορεί να τροφοδοτήσει τα κύτταρα με ενέργεια. Αυτή η διάσπαση απελευθερώνει επίσης ενέργεια, η οποία χρησιμοποιείται για την προσθήκη ενός φωσφορικού ιόντος στη διφωσφορική αδενοσίνη (ADP) για τη δημιουργία ATP. Το ADP, με τη σειρά του, σχηματίζεται με το ATP που διασπάται για να απελευθερώσει την ενέργειά του.
Η γλυκόλυση ενός μόνο μορίου γλυκόζης καταναλώνει δύο μόρια ATP και παράγει τέσσερα συνολικά, οδηγώντας σε καθαρό ενεργειακό κέρδος δύο ΑΤΡ. Η ενέργεια από τη διαδικασία χρησιμοποιείται επίσης για την παραγωγή δύο NADH, μιας μορφής ενζύμου που χρησιμοποιείται για τη μεταφορά ηλεκτρονίων για την τροφοδότηση κυτταρικών χημικών αντιδράσεων.
Ο κύκλος του κιτρικού οξέος
Για να ξεκινήσει ο κύκλος του κιτρικού οξέος, που ονομάζεται επίσης κύκλος του Krebs, τα μόρια πυροσταφυλικού που παράγονται από τη γλυκόλυση μετακινούνται στα μιτοχόνδρια, ένα κυτταρικό όργανο που εμπλέκεται στις μεταβολικές διεργασίες. Μόλις εκεί, τα μόρια μετατρέπονται σε ακετυλ CoA, το μόριο που τροφοδοτεί τον κύκλο του κιτρικού οξέος. Το ακετύλιο CoA αποτελείται από άνθρακα από το πυροσταφυλικό και το συνένζυμο Α, ένα μόριο που βοηθά σε βιολογικές διεργασίες. Η διαδικασία μετατροπής παράγει ένα NADH.
Το ακετυλικό CoA απελευθερώνει το τμήμα άνθρακα του μορίου στον κύκλο του κιτρικού οξέος, ο οποίος λειτουργεί συνεχώς, παράγοντας ATP, ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας και διοξείδιο του άνθρακα. Το μεγαλύτερο μέρος της παραγόμενης ενέργειας αποθηκεύεται με τη μορφή ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας και μια στροφή του κύκλου θα οδηγήσει σε τρία NADH και ένα FADH2. Όπως το NADH, το FADH2 αποθηκεύει τα συλλαμβανόμενα ηλεκτρόνια. Ο κύκλος παράγει επίσης δύο ATP και εκπέμπει την υπόλοιπη ενέργεια ως θερμότητα.
Το σύστημα μεταφοράς ηλεκτρονίων
Το τελικό στάδιο της οξείδωσης της γλυκόζης λαμβάνει χώρα επίσης μέσα στα μιτοχόνδρια, όπου μια ομάδα πρωτεϊνών, που ονομάζεται σύστημα μεταφοράς ηλεκτρονίων, βοηθά στη μετατροπή της ενέργειας των ηλεκτρονίων που συλλαμβάνονται από το NADH και το FADH2 σε ATP. Αυτή η διαδικασία μοντελοποιείται από τη χημειοσμωτική θεωρία, η οποία περιγράφει τον τρόπο με τον οποίο αυτά τα ηλεκτρόνια περνούν κατά μήκος του συστήματος μεταφοράς, απελευθερώνοντας ενέργεια καθώς κινούνται.
Η απελευθερωμένη ενέργεια χρησιμοποιείται για τη μετακίνηση θετικά φορτισμένων ιόντων υδρογόνου εμπρός και πίσω κατά μήκος της μεμβράνης που χωρίζει δύο μέρη των μιτοχονδρίων. Η ενέργεια από αυτή την κίνηση αποθηκεύεται στο ATP. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται οξειδωτική φωσφορυλίωση, επειδή το οξυγόνο είναι απαραίτητο για το τελικό στάδιο, την αποδοχή ηλεκτρονίων και ατόμων υδρογόνου για να γίνουν H2O ή νερό. Η ενεργειακή απόδοση από αυτό το στάδιο είναι 26 έως 28 ATP.
Ενέργεια που αποκτήθηκε
Όταν ένα μόνο μόριο γλυκόζης οξειδώνεται, το κύτταρο κερδίζει περίπου 30 έως 32 ATP. Αυτός ο αριθμός μπορεί να ποικίλλει, επειδή συχνά ένα μιτοχόνδριο δεν λειτουργεί με πλήρη χωρητικότητα. Κάποια ποσότητα ενέργειας μπορεί να χαθεί καθώς τα μόρια NADH που σχηματίζονται στη γλυκόλυση μεταφέρουν τα ηλεκτρόνια τους μέσω της μεμβράνης που χωρίζει τα μιτοχόνδρια και το κυτταρόπλασμα.
ΑΤΡ
Το ATP υπάρχει σε όλους τους ζωντανούς οργανισμούς και παίζει κρίσιμο ρόλο στον κυτταρικό μεταβολισμό, καθώς είναι ο κύριος τρόπος αποθήκευσης και μεταφοράς ενέργειας των κυττάρων. Τα φυτά το παράγουν με φωτοφωσφορυλίωση, μια διαδικασία που μετατρέπει το ηλιακό φως σε ενέργεια. Το ATP μπορεί επίσης να παραχθεί σε μια αναερόβια διαδικασία, μια αντίδραση που δεν απαιτεί οξυγόνο. Η ζύμωση, για παράδειγμα, μπορεί να λάβει χώρα χωρίς παρουσία οξυγόνου, αλλά αυτή και άλλες αναερόβιες μεταβολικές διεργασίες τείνουν να είναι πολύ λιγότερο αποτελεσματικοί τρόποι δημιουργίας αυτού του μορίου.
Ένας μεγάλος αριθμός κυτταρικών λειτουργιών απαιτούν ATP. Το κύτταρο διασπά αυτά τα μόρια σε ADP και φωσφορικά ιόντα, απελευθερώνοντας την αποθηκευμένη ενέργεια. Αυτή η ενέργεια χρησιμοποιείται στη συνέχεια για να κάνει πράγματα όπως η μετακίνηση μεγάλων μορίων μέσα και έξω από το κύτταρο ή για να βοηθήσει στη δημιουργία πρωτεϊνών, DNA και RNA. Το ATP εμπλέκεται επίσης στην κίνηση των μυών και είναι απαραίτητο για τη διατήρηση του κυτταροσκελετού του κυττάρου, της δομής μέσα στο κυτταρόπλασμα που υποστηρίζει το κύτταρο και το συγκρατεί.