كيفية استقلاب الجلوكوز لصنع ATP

الجلوكوز ، وهو سكر من ستة كربون ، هو "المدخل" الأساسي في المعادلة التي تمد الحياة كلها بالطاقة. يتم تحويل الطاقة من الخارج ، بطريقة ما ، إلى طاقة للخلية. كل كائن حي على قيد الحياة ، من أفضل صديق لك إلى أدنى نوع من البكتيريا ، لديه خلايا تحرق الجلوكوز للحصول على الطاقة على مستوى التمثيل الغذائي الجذري.

تختلف الكائنات الحية في المدى الذي يمكن لخلاياها استخلاص الطاقة من الجلوكوز. في جميع الخلايا ، تكون هذه الطاقة في شكل أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP).

لذلك ، شيء واحد تشترك جميع الخلايا الحية في أنها تستقلب الجلوكوز لإنتاج ATP. يمكن أن يبدأ جزيء جلوكوز معين يدخل خلية كعشاء شريحة لحم أو فريسة لحيوان بري أو مادة نباتية أو شيء آخر.

بغض النظر ، قامت العديد من العمليات الهضمية والكيميائية الحيوية بتفكيك جميع جزيئات الكربون المتعددة في مهما كانت المواد التي يتغذى عليها الكائن الحي لتغذية السكر أحادي السكاريد الذي يدخل في التمثيل الغذائي الخلوي المسارات.

كيميائيا ، الجلوكوز هو سداسي السكر، عرافة كونها البادئة اليونانية لـ "ستة" ، عدد ذرات الكربون في الجلوكوز. صيغته الجزيئية ج₆ح₁₂ا₆ويعطيها وزنًا جزيئيًا يبلغ 180 جرامًا لكل مول.

الجلوكوز هو أيضا أحادي السكاريد في هذا هو السكر الذي يحتوي على وحدة أساسية واحدة فقط ، أو أحادي المعدن.الفركتوز مثال آخر على أحادي السكاريد ، بينما السكروزأو سكر المائدة (الفركتوز بالإضافة إلى الجلوكوز) ، اللاكتوز (الجلوكوز بالإضافة إلى الجالاكتوز) و مالتوز (الجلوكوز بالإضافة إلى الجلوكوز) السكريات.

لاحظ أن نسبة ذرات الكربون والهيدروجين والأكسجين في الجلوكوز هي 1: 2: 1. جميع الكربوهيدرات ، في الواقع ، تظهر نفس النسبة ، وصيغها الجزيئية كلها على شكل C_نح_{2 ن}ا_ن.

ATP هو نوكليوزيد، في هذه الحالة الأدينوزين ، مع ثلاث مجموعات فوسفاتية ملحقة به. هذا في الواقع يجعله ملف النوكليوتيدات، لأن النوكليوسيد هو أ بنتوز السكر (إما ريبوز أو ديوكسيريبوز) مدمج مع قاعدة نيتروجينية (أي الأدينين أو السيتوزين أو الجوانين أو الثايمين أو اليوراسيل) ، في حين أن النيوكليوتيد عبارة عن نيوكليوسيد مع مجموعة أو أكثر من مجموعات الفوسفات المرفقة. لكن بغض النظر عن المصطلحات ، الشيء المهم الذي يجب معرفته ATP أنه يحتوي على الأدينين والريبوز وسلسلة من ثلاث مجموعات فوسفات (P).

يتكون ATP عبر الفسفرة من ثنائي فوسفات الأدينوزين (ADP)، وعلى العكس من ذلك ، عندما تكون رابطة الفوسفات النهائية في ATP هي متحللو ADP و P_أنا (الفوسفات غير العضوي) هي المنتجات. يعتبر ATP "عملة الطاقة" للخلايا حيث يتم استخدام هذا الجزيء غير العادي لتشغيل كل عملية التمثيل الغذائي تقريبًا.

التنفس الخلوي هي مجموعة من المسارات الأيضية في الكائنات حقيقية النواة التي تحول الجلوكوز إلى ATP وثاني أكسيد الكربون في الوجود من الأكسجين ، وإعطاء الماء وإنتاج ثروة من ATP (36 إلى 38 جزيء لكل جزيء جلوكوز مستثمر) في عملية.

الصيغة الكيميائية المتوازنة للتفاعل الصافي الكلي ، باستثناء ناقلات الإلكترون وجزيئات الطاقة ، هي:

ج₆ح₁₂ا₆ + 6 س₂ → 6 كو₂ + 6 ح₂ا

يتضمن التنفس الخلوي في الواقع ثلاثة مسارات متميزة ومتسلسلة:

• تحلل السكر، الذي يحدث في جميع الخلايا ويحدث في السيتوبلازم ، وهو دائمًا الخطوة الأولى في استقلاب الجلوكوز (وفي معظم بدائيات النوى ، أيضًا الخطوة الأخيرة).
  
• ال دورة كريبس، وتسمى أيضًا دورة حمض الكربوكسيل (TCA) أو دورة حمض الستريك ، والتي تتكشف في مصفوفة الميتوكوندريا.
• ال سلسلة نقل الإلكترون، والذي يحدث على الغشاء الداخلي للميتوكوندريا ويولد معظم ATP المنتج في التنفس الخلوي.

تعتمد المرحلتان الأخيرتان من هذه المراحل على الأكسجين وتتشكلان معًا التنفس الهوائي. ومع ذلك ، في كثير من الأحيان ، في المناقشات حول التمثيل الغذائي حقيقية النواة ، يعتبر تحلل السكر ، على الرغم من أنه لا يعتمد على الأكسجين ، جزءًا "التنفس الهوائي"لأن جميع منتجاتها الرئيسية تقريبًا ، البيروفات، للدخول إلى المسارين الآخرين.

في تحلل السكر ، يتم تحويل الجلوكوز في سلسلة من 10 تفاعلات إلى جزيء البيروفات ، مع مكاسب صافية لاثنين من جزيئات ATP وجزيئين من "حامل الإلكترون" نيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد (NADH). لكل جزيء من الجلوكوز يدخل العملية ، يتم إنتاج جزيئين من البيروفات ، حيث يحتوي البيروفات على ثلاث ذرات كربون مقابل ست ذرات جلوكوز.

في الخطوة الأولى ، يتم فسفرة الجلوكوز ليصبح جلوكوز 6 فوسفات (G6P). يؤدي هذا إلى إلزام الجلوكوز بعملية التمثيل الغذائي بدلاً من الانجراف للخارج من خلال غشاء الخلية، لأن مجموعة الفوسفات تعطي G6P شحنة سالبة. خلال الخطوات القليلة التالية ، يتم إعادة ترتيب الجزيء إلى مشتق سكر مختلف ثم تتم فسفرته مرة ثانية ليصبح الفركتوز -1،6-ثنائي الفوسفات.

تتطلب هذه الخطوات المبكرة لتحلل السكر استثمار اثنين من ATP لأن هذا هو مصدر مجموعات الفوسفات في تفاعلات الفسفرة.

ينقسم الفركتوز -1،6-ثنائي الفوسفات إلى جزيئين مختلفين من ثلاثة كربون ، يحمل كل منهما مجموعة الفوسفات الخاصة به ؛ تقريبًا كل واحد من هؤلاء ، يتم تحويله سريعًا إلى الآخر ، جليسيرالديهيد -3 فوسفات (G3P). وبالتالي من هذه النقطة فصاعدًا ، يتم تكرار كل شيء نظرًا لوجود نوعين من G3P لكل جلوكوز "منبع".

من هذه النقطة ، يتم فسفرة G3P في خطوة تنتج أيضًا NADH من الشكل المؤكسد NAD + ، ومن ثم تكون مجموعتي الفوسفات التخلي عن جزيئات ADP في خطوات إعادة الترتيب اللاحقة لإنتاج جزيئين من ATP جنبًا إلى جنب مع منتج الكربون النهائي لتحلل السكر ، البيروفات.

نظرًا لأن هذا يحدث مرتين لكل جزيء جلوكوز ، فإن النصف الثاني من تحلل السكر ينتج أربعة ATP من أجل a صافي كسب من تحلل السكر لاثنين من ATP (حيث كان هناك حاجة إلى اثنين في وقت مبكر من العملية) واثنين من NADH.

في ال رد فعل تحضيري، بعد أن يجد البيروفات المتولدة في تحلل السكر طريقه من السيتوبلازم إلى مصفوفة الميتوكوندريا ، يتم تحويله أولاً إلى أسيتات (CH₃COOH-) وشركاه₂ (منتج نفايات في هذا السيناريو) ثم إلى مركب يسمى أسيتيل أنزيم أ، أو أسيتيل CoA. في هذا التفاعل ، يتم إنشاء NADH. هذا يمهد الطريق لدورة كريبس.

سميت هذه السلسلة المكونة من ثمانية تفاعلات بهذا الاسم لأن أحد المواد المتفاعلة في الخطوة الأولى ، أوكسالو أسيتات، هو أيضًا المنتج في الخطوة الأخيرة. وظيفة دورة كريبس هي وظيفة المورد وليس الشركة المصنعة: فهي تولد اثنين فقط من ATP لكل جزيء جلوكوز ، ولكنها تساهم بستة NADH واثنين من FADH₂، حامل إلكترون آخر وأحد أقارب NADH.

(لاحظ أن هذا يعني ATP واحد ، وثلاثة NADH وواحد FADH₂في كل دورة من الدورة. لكل جلوكوز يدخل في تحلل السكر ، يدخل جزيئين من الأسيتيل CoA في دورة كريبس.)

على أساس كل الجلوكوز ، فإن مجموع الطاقة لهذه النقطة هو أربعة ATP (اثنان من تحلل السكر واثنان من كريبس دورة) ، 10 NADH (اثنان من تحلل السكر ، واثنان من التفاعل التحضيري وستة من دورة كريبس) واثنان FADH₂ من دورة كريبس. بينما تستمر مركبات الكربون في دورة كريبس في الدوران حول المنبع ، تنتقل ناقلات الإلكترون من مصفوفة الميتوكوندريا إلى غشاء الميتوكوندريا.

عندما NADH و FADH₂ يطلقون إلكتروناتهم ، وتستخدم هذه لإنشاء تدرج كهروكيميائي عبر غشاء الميتوكوندريا. يتم استخدام هذا التدرج اللوني لتشغيل ارتباط مجموعات الفوسفات بـ ADP لإنشاء ATP في عملية تسمى الفسفرة التأكسدية، سمي بهذا الاسم لأن المستقبِل النهائي للإلكترونات المتتالية من حامل الإلكترون إلى حامل الإلكترون في السلسلة هو الأكسجين (O₂).

لأن كل NADH ينتج ثلاثة ATP وكل FADH₂ ينتج اثنين من ATP في الفسفرة المؤكسدة ، وهذا يضيف (10) (3) + (2) (2) = 34 ATP إلى المزيج. هكذا يمكن أن ينتج جزيء واحد من الجلوكوز ما يصل إلى 38 ATP في الكائنات حقيقية النواة.