Oksidacija glukoze je kemijski proces koji daje energiju organizmu za obavljanje svih njegovih potrebnih aktivnosti. Tijekom tog procesa, glukoza, jednostavna molekula šećera dobivena hranom, razgrađuje se na ugljični dioksid i vodu. Ova reakcija oslobađa energiju i pohranjuje je u kemijskom obliku za upotrebu u stanici. Postoje tri odvojena stupnja oksidacije glukoze: glikoliza, ciklus limunske kiseline i sustav prijenosa elektrona.
Glukoza
Molekule glukoze koriste se za izgradnju složenijih ugljikohidrata, poput škroba i celuloze. Kemijska formula ove molekule je C6H12O6, što znači da se sastoji od šest atoma ugljika, 12 atoma vodika i šest atoma kisika. Pronađena u biljkama i mnogim vrstama hrane, glukoza se apsorbira u krvotok tijekom probave.
Oksidacija
Oksidacija glukoze je aerobni proces, kemijska reakcija koja zahtijeva kisik. Pojam “oksidacija”, zapravo, odnosi se na bilo koju reakciju u kojoj se kisik kombinira s drugom molekulom, za koju se tada kaže da je oksidirana. Tijekom procesa, jedna molekula glukoze se kombinira sa šest molekula kisika kako bi se proizvelo šest molekula ugljičnog dioksida, šest molekula vode i adenozin trifosfat (ATP), molekula koju stanice koriste za pohranu ili prijenos energije.
glikoliza
Prvi korak u procesu oksidacije je glikoliza, koja se odvija unutar citoplazme stanice, gelaste tvari koja ispunjava stanicu i okružuje ostale stanične organe. Tijekom ove faze, molekula glukoze se razgrađuje na dvije molekule piruvata, organske kiseline koja može opskrbiti stanice energijom. Ova razgradnja također oslobađa energiju koja se koristi za dodavanje fosfatnog iona adenozin difosfatu (ADP) za stvaranje ATP-a. ADP, zauzvrat, nastaje s ATP se razgrađuje kako bi se oslobodila njegova energija.
Glikoliza jedne molekule glukoze troši dvije molekule ATP-a, a proizvodi ukupno četiri, što dovodi do neto dobitka energije od dva ATP-a. Energija iz procesa također se koristi za proizvodnju dva NADH, oblika enzima koji se koristi za prijenos elektrona za pokretanje staničnih kemijskih reakcija.
Ciklus limunske kiseline
Za početak ciklusa limunske kiseline, koji se također naziva Krebsov ciklus, molekule piruvata proizvedene glikolizom premještaju se u mitohondrije, stanični organ uključen u metaboličke procese. Jednom tamo, molekule se pretvaraju u acetil CoA, molekulu koja pokreće ciklus limunske kiseline. Acetil CoA se sastoji od ugljika iz piruvata i koenzima A, molekule koja pomaže u biološkim procesima. Proces pretvorbe proizvodi jedan NADH.
Acetil CoA oslobađa ugljični dio molekule u ciklus limunske kiseline, koji neprestano radi, proizvodeći ATP, elektrone visoke energije i ugljični dioksid. Većina proizvedene energije pohranjuje se u obliku elektrona visoke energije, a jedan okret ciklusa rezultirat će tri NADH i jednim FADH2. Poput NADH, FADH2 pohranjuje zarobljene elektrone. Ciklus također proizvodi dva ATP-a, a ostatak energije daje kao toplinu.
Sustav prijenosa elektrona
Posljednja faza oksidacije glukoze također se odvija unutar mitohondrija, gdje skupina proteina, nazvana sustavom za transport elektrona, pomaže transformirati energiju elektrona zarobljenih od NADH i FADH2 u ATP. Taj je proces modeliran kemiosmotskom teorijom, koja opisuje način na koji ti elektroni prolaze kroz transportni sustav, oslobađajući energiju dok se kreću.
Oslobođena energija koristi se za pomicanje pozitivno nabijenih vodikovih iona naprijed-natrag preko membrane koja odvaja dva dijela mitohondrija. Energija iz ovog kretanja pohranjuje se u ATP. Taj se proces naziva oksidativna fosforilacija, jer je kisik neophodan za posljednji korak, prihvaćanje elektrona i atoma vodika da postanu H2O ili voda. Energetski prinos iz ove faze je 26 do 28 ATP.
Dobivena energija
Kada se jedna molekula glukoze oksidira, stanica dobiva oko 30 do 32 ATP. Taj broj može varirati, jer često mitohondrij ne radi punim kapacitetom. Dio energije može se izgubiti jer NADH molekule nastale u glikolizi prenose svoje elektrone kroz membranu koja odvaja mitohondrije i citoplazmu.
ATP
ATP je prisutan u svim živim organizmima i igra ključnu ulogu u staničnom metabolizmu, jer je to glavni način na koji stanice pohranjuju i prenose energiju. Biljke ga proizvode fotofosforilacijom, procesom koji pretvara sunčevu svjetlost u energiju. ATP se također može proizvesti u anaerobnom procesu, reakciji koja ne zahtijeva kisik. Fermentacija se, na primjer, može odvijati bez prisustva kisika, ali ovaj i drugi anaerobni metabolički procesi obično su mnogo manje učinkoviti načini stvaranja ove molekule.
Veliki broj staničnih funkcija zahtijeva ATP. Stanica razgrađuje te molekule na ADP i fosfatne ione, oslobađajući pohranjenu energiju. Ta se energija zatim koristi za stvari poput pomicanja velikih molekula u i iz stanice ili za pomoć u stvaranju proteina, DNK i RNA. ATP je također uključen u kretanje mišića i neophodan je za održavanje citoskeleta stanice, strukture unutar citoplazme koja podržava stanicu i drži je zajedno.