Glukoseoxidation ist ein chemischer Prozess, der einem Organismus Energie liefert, um alle seine erforderlichen Aktivitäten auszuführen. Dabei wird Glukose, ein einfaches Zuckermolekül, das aus der Nahrung gewonnen wird, in Kohlendioxid und Wasser zerlegt. Bei dieser Reaktion wird Energie freigesetzt und in chemischer Form für die Zelle gespeichert. Es gibt drei verschiedene Stufen der Glucoseoxidation: die Glykolyse, den Zitronensäurezyklus und das Elektronentransportsystem.
Glucose
Glukosemoleküle werden verwendet, um komplexere Kohlenhydrate wie Stärke und Zellulose aufzubauen. Die chemische Formel für dieses Molekül ist C6H12O6, was bedeutet, dass es aus sechs Kohlenstoffatomen, 12 Wasserstoffatomen und sechs Sauerstoffatomen besteht. Glukose kommt in Pflanzen und vielen Nahrungsmitteln vor und wird während der Verdauung in den Blutkreislauf aufgenommen.
Oxidation
Die Glucoseoxidation ist ein aerobes Verfahren, eine chemische Reaktion, die Sauerstoff benötigt. Der Begriff „Oxidation“ bezieht sich in der Tat auf jede Reaktion, bei der Sauerstoff mit einem anderen Molekül kombiniert wird, das dann oxidiert wird. Während des Prozesses verbindet sich ein Glukosemolekül mit sechs Sauerstoffmolekülen, um sechs Kohlendioxidmoleküle, sechs Wassermoleküle und Adenosintriphosphat (ATP) zu produzieren, ein Molekül, das Zellen zum Speichern oder Übertragen von Energie verwenden.
Glykolyse
Der erste Schritt des Oxidationsprozesses ist die Glykolyse, die im Zytoplasma einer Zelle stattfindet, der gelartigen Substanz, die die Zelle ausfüllt und die anderen Zellorgane umgibt. In dieser Phase wird das Glukosemolekül in zwei Moleküle Pyruvat zerlegt, eine organische Säure, die Zellen mit Energie versorgen kann. Dieser Abbau setzt auch Energie frei, die verwendet wird, um ein Phosphation zu Adenosindiphosphat (ADP) hinzuzufügen, um ATP zu erzeugen. ADP wiederum wird gebildet, wobei ATP abgebaut wird, um seine Energie freizusetzen.
Die Glykolyse eines einzelnen Glucosemoleküls verbraucht zwei ATP-Moleküle und produziert insgesamt vier, was zu einem Nettoenergiegewinn von zwei ATP führt. Die Energie aus dem Prozess wird auch verwendet, um zwei NADH zu produzieren, eine Form eines Enzyms, das verwendet wird, um Elektronen zu übertragen, um zelluläre chemische Reaktionen anzutreiben.
Der Zitronensäurezyklus
Um den Zitronensäure-Zyklus, auch Krebs-Zyklus genannt, zu beginnen, werden durch die Glykolyse produzierte Pyruvatmoleküle zu den Mitochondrien transportiert, einem zellulären Organ, das an Stoffwechselprozessen beteiligt ist. Dort werden die Moleküle in Acetyl-CoA umgewandelt, das Molekül, das den Zitronensäurezyklus antreibt. Acetyl-CoA besteht aus Kohlenstoff aus dem Pyruvat und Coenzym A, einem Molekül, das biologische Prozesse unterstützt. Der Umwandlungsprozess produziert ein NADH.
Acetyl-CoA setzt den Kohlenstoffanteil des Moleküls in den Zitronensäurezyklus frei, der ständig abläuft und ATP, hochenergetische Elektronen und Kohlendioxid produziert. Der größte Teil der erzeugten Energie wird in Form von hochenergetischen Elektronen gespeichert, und eine Umdrehung des Zyklus führt zu drei NADH und einem FADH2. Wie NADH speichert FADH2 die eingefangenen Elektronen. Der Zyklus produziert auch zwei ATP und gibt den Rest der Energie als Wärme ab.
Das Elektronentransportsystem
Die letzte Stufe der Glukoseoxidation findet auch in den Mitochondrien statt, wo eine Gruppe von Proteinen, das sogenannte Elektronentransportsystem, dazu beiträgt, die Energie der von NADH und FADH2 eingefangenen Elektronen in ATP umzuwandeln. Dieser Prozess wird durch die chemiosmotische Theorie modelliert, die beschreibt, wie diese Elektronen das Transportsystem durchlaufen und dabei Energie freisetzen.
Die freigesetzte Energie wird verwendet, um positiv geladene Wasserstoffionen über die Membran, die zwei Teile der Mitochondrien trennt, hin und her zu bewegen. Die Energie dieser Bewegung wird in ATP gespeichert. Dieser Prozess wird als oxidative Phosphorylierung bezeichnet, da für den letzten Schritt Sauerstoff erforderlich ist, der Elektronen und Wasserstoffatome aufnimmt, um zu H2O oder Wasser zu werden. Die Energieausbeute dieser Stufe beträgt 26 bis 28 ATP.
Energie gewonnen
Wenn ein einzelnes Glucosemolekül oxidiert wird, gewinnt die Zelle etwa 30 bis 32 ATP. Diese Zahl kann variieren, da ein Mitochondrium oft nicht mit voller Kapazität arbeitet. Ein Teil der Energie kann verloren gehen, wenn die bei der Glykolyse gebildeten NADH-Moleküle ihre Elektronen durch die Membran übertragen, die die Mitochondrien und das Zytoplasma trennt.
ATP
ATP kommt in allen lebenden Organismen vor und spielt eine entscheidende Rolle im Zellstoffwechsel, da es die wichtigste Art und Weise ist, wie Zellen Energie speichern und übertragen. Pflanzen produzieren es durch Photophosphorylierung, einen Prozess, der Sonnenlicht in Energie umwandelt. ATP kann auch in einem anaeroben Prozess hergestellt werden, einer Reaktion, die keinen Sauerstoff benötigt. Die Fermentation kann zum Beispiel ohne Sauerstoff stattfinden, aber dieser und andere anaerobe Stoffwechselprozesse sind in der Regel viel weniger effizient, um dieses Molekül herzustellen.
Viele zelluläre Funktionen benötigen ATP. Die Zelle zerlegt diese Moleküle in ADP und Phosphationen und gibt die gespeicherte Energie frei. Diese Energie wird dann verwendet, um beispielsweise große Moleküle in die Zelle hinein und aus ihr heraus zu bewegen oder um bei der Bildung von Proteinen, DNA und RNA zu helfen. ATP ist auch an der Muskelbewegung beteiligt und ist wichtig für die Aufrechterhaltung des Zytoskeletts der Zelle, der Struktur im Zytoplasma, die die Zelle stützt und zusammenhält.