ماذا ينتج تحلل السكر؟

يمكن تقسيم الكائنات الحية ، التي تتكون جميعها من خلية فردية واحدة أو أكثر ، إلى بدائيات النوى و حقيقيات النواة.

تعتمد جميع الخلايا تقريبًا على الجلوكوز لاحتياجاتهم الأيضية ، والخطوة الأولى في انهيار هذا الجزيء هي سلسلة من التفاعلات تسمى تحلل السكر (حرفيا ، "تقسيم الجلوكوز"). في تحلل السكر ، يخضع جزيء جلوكوز واحد لسلسلة من التفاعلات لإنتاج زوج من جزيئات البيروفات وكمية متواضعة من الطاقة في شكل ثلاثي فوسفات الأدينوزين (ATP).

ومع ذلك ، فإن المعالجة النهائية لهذه المنتجات تختلف من نوع خلية إلى نوع خلية. الكائنات بدائية النواة لا تشارك في التنفس الهوائي. هذا يعني أن بدائيات النوى لا يمكنها الاستفادة من الأكسجين الجزيئي (O₂). بدلاً من ذلك ، يخضع البيروفات التخمير (التنفس اللاهوائي).

تتضمن بعض المصادر تحلل الجلوكوز في عملية "التنفس الخلوي" في حقيقيات النوى ، لأنه يسبق مباشرة الهوائية التنفس (أي دورة كريبس والفسفرة المؤكسدة في سلسلة نقل الإلكترون). وبشكل أكثر صرامة ، فإن تحلل السكر في حد ذاته ليس عملية هوائية لأنه ببساطة لا يعتمد على الأكسجين ويحدث سواء أكان O أم لا.₂ حاضر.

ومع ذلك ، نظرًا لأن تحلل السكر هو أ

الجلوكوز عبارة عن سكر مكون من ستة كربون والذي يعد أهم كربوهيدرات منفرد في الكيمياء الحيوية البشرية. تحتوي الكربوهيدرات على الكربون (C) والهيدروجين (H) بالإضافة إلى الأكسجين ، ونسبة C إلى H في هذه المركبات هي دائمًا 1: 2.

السكريات أصغر من الكربوهيدرات الأخرى ، بما في ذلك النشويات والسليلوز. في الواقع ، غالبًا ما يكون الجلوكوز وحدة فرعية متكررة ، أو أحادي المعدن، في هذه الجزيئات الأكثر تعقيدًا. لا يتكون الجلوكوز في حد ذاته من مونومرات ، وعلى هذا النحو يعتبر أحادي السكاريد ("سكر واحد").

صيغة الجلوكوز هي C₆ح₁₂ا₆. يتكون الجزء الرئيسي من الجزيء من حلقة سداسية تحتوي على خمس ذرات C وواحدة من ذرات O. توجد ذرة C السادسة والأخيرة في سلسلة جانبية مع مجموعة ميثيل تحتوي على الهيدروكسيل (-CH₂أوه).

عملية تحلل السكر، الذي يحدث في الخلية السيتوبلازم، يتكون من 10 ردود أفعال فردية.

عادة ليس من الضروري تذكر أسماء جميع المنتجات والإنزيمات الوسيطة. ولكن من المفيد وجود إحساس راسخ بالصورة العامة. هذا ليس فقط لأن تحلل السكر ربما يكون التفاعل الوحيد الأكثر صلة في تاريخ الحياة على الأرض ، ولكن أيضًا لأن الخطوات توضيح عدد من الأحداث الشائعة داخل الخلايا ، بما في ذلك عمل الإنزيمات أثناء الطارد للحرارة (مواتية بقوة) تفاعلات.

عندما يدخل الجلوكوز إلى خلية ، يتم تغطيته بواسطة إنزيم هكسوكيناز وتفسفر (أي ، يتم إلحاق مجموعة فوسفات ، غالبًا ما تكون مكتوبة Pi ، بها). هذا يحبس الجزيء داخل الخلية عن طريق منحها شحنة كهروستاتيكية سالبة.

يعيد هذا الجزيء ترتيب نفسه في شكل فسفرة من الفركتوز ، والذي يخضع بعد ذلك لخطوة فسفرة أخرى ويصبح فركتوز -1،6-بيسفوسفات. ينقسم هذا الجزيء بعد ذلك إلى جزئين متشابهين من ثلاثة كربون ، أحدهما يتحول بسرعة إلى الآخر لإنتاج جزيئين من جلسيرالديهيد -3 فوسفات.

يتم إعادة ترتيب هذه المادة في جزيء فوسفوري آخر مزدوج قبل عكس الإضافة المبكرة لمجموعات الفوسفات في خطوات غير متتالية. في كل خطوة من هذه الخطوات ، يكون جزيء ثنائي فوسفات الأدينوزين (ADP) يحدث بواسطة مركب الركيزة الإنزيمية (اسم الهيكل الذي يتكون من أي جزيء يتفاعل والإنزيم الذي يدفع التفاعل نحو الاكتمال).

يقبل ADP هذا الفوسفات من كل جزيء من جزيئات الكربون الثلاثة الموجودة. في النهاية ، يوجد جزيءان من البيروفات في السيتوبلازم ، ويكونان جاهزين للانتشار في أي مسار تتطلبه الخلية للدخول أو القدرة على الاستضافة.

المتفاعل الحقيقي الوحيد لتحلل السكر هو جزيء الجلوكوز. يتم إدخال جزيئين من كل من ATP و NAD + (نيكوتيناميد أدينين ثنائي النوكليوتيد ، حامل إلكترون) خلال سلسلة من التفاعلات.

غالبًا ما سترى العملية الكاملة للتنفس الخلوي مدرجة مع الجلوكوز والأكسجين كمواد متفاعلة وثاني أكسيد الكربون والماء كمنتجات ، إلى جانب 36 (أو 38) ATP. لكن تحلل السكر ليس سوى السلسلة الأولى من التفاعلات التي تبلغ ذروتها في النهاية في الاستخراج الهوائي لهذه الطاقة من الجلوكوز.

ما مجموعه أربعة جزيئات ATP يتم إنتاجها في التفاعلات التي تنطوي على مكونات ثلاثية الكربون لتحلل السكر - اثنان أثناء تحويل زوج من جزيئات 1،3-bisphosphoglycerate إلى جزئين جزيئات 3-phosphoglycerate ، واثنان أثناء تحويل زوج من جزيئات phosphoenolpyruvate إلى جزيئي البيروفات اللذين يمثلان نهاية تحلل السكر. يتم تصنيعها جميعًا عبر الفسفرة على مستوى الركيزة ، مما يعني أن ATP يأتي من إضافة الفوسفات غير العضوي (Pi) إلى ADP بدلاً من تكوينه نتيجة لبعض الأنواع الأخرى عملية.

هناك حاجة إلى اثنين من ATP في وقت مبكر من تحلل السكر ، أولاً عندما يتم فسفرة الجلوكوز إلى جلوكوز 6 فوسفات ، ثم بعد خطوتين عندما يتم فسفرة الفركتوز 6 فوسفات إلى الفركتوز -1،6-ثنائي الفوسفات. وبالتالي ، فإن الربح الصافي في ATP في تحلل السكر نتيجة لجزيء واحد من الجلوكوز يخضع لهذه العملية هو جزيئين يسهل تذكرهما إذا قمت بربطه بعدد جزيئات البيروفات خلقت.

بالإضافة إلى ذلك ، أثناء تحويل glyceraldehyde-3-phosphate إلى 1،3-bisphosphoglycerate ، يتم تقليل جزيئين من NAD + إلى جزيئين من NADH ، حيث يعمل الأخير كمصدر غير مباشر للطاقة لأنهم يشاركون في تفاعلات ، من بين العمليات الأخرى ، الهوائية التنفس.

باختصار ، فإن العائد الصافي لتحلل السكر هو بالتالي 2 ATP ، 2 بيروفات و 2 NADH. هذا هو بالكاد واحد على عشرين كمية ATP المنتجة في التنفس الهوائي ، ولكن لأن بدائيات النوى هي كقاعدة أصغر بكثير و أقل تعقيدًا من حقيقيات النوى ، مع متطلبات استقلابية أصغر لمطابقة ، فهي قادرة على العيش على الرغم من هذا غير المثالي مخطط.

(طريقة أخرى للنظر إلى هذا ، بالطبع ، هي أن نقص التنفس الهوائي في البكتيريا منعهم من التطور إلى كائنات أكبر وأكثر تنوعًا ، لما يهم.)

في بدائيات النوى ، بمجرد اكتمال مسار تحلل السكر ، يلعب الكائن الحي تقريبًا كل بطاقة استقلاب لديه. يمكن استقلاب البيروفات بشكل أكبر إلى اللاكتات عن طريق التخمير، أو التنفس اللاهوائي. الغرض من التخمير ليس إنتاج اللاكتات ، ولكن تجديد NAD + من NADH بحيث يمكن استخدامه في تحلل السكر.

(لاحظ أن هذا يختلف عن تخمير الكحول، حيث يتم إنتاج الإيثانول من البيروفات تحت تأثير الخميرة.)

في حقيقيات النوى ، يدخل معظم البيروفات المجموعة الأولى من خطوات التنفس الهوائي: دورة كريبس ، وتسمى أيضًا دورة حمض الكربوكسيل (TCA) أو دورة حمض الستريك. يحدث هذا داخل الميتوكوندريا، حيث يتم تحويل البيروفات إلى مركب ثنائي الكربون أسيتيل أنزيم A (CoA) وثاني أكسيد الكربون (CO)₂).

يتمثل دور هذه الدورة المكونة من ثماني خطوات في إنتاج المزيد من ناقلات الإلكترون عالية الطاقة للتفاعلات اللاحقة - 3 NADH ، واحد FADH₂ (انخفاض فلافين الأدينين ثنائي النوكليوتيد) و GTP واحد (غوانوزين ثلاثي الفوسفات).

عندما تدخل هذه في سلسلة نقل الإلكترون على غشاء الميتوكوندريا ، فإن عملية تسمى الفسفرة المؤكسدة تنقل الإلكترونات من هذه ناقلات عالية الطاقة لجزيئات الأكسجين ، والنتيجة النهائية هي إنتاج 36 (أو ربما 38) جزيء ATP لكل جزيء جلوكوز "المنبع".

تفسر الكفاءة والعائد الأكبر لعملية التمثيل الغذائي الهوائي بشكل أساسي جميع الاختلافات الأساسية اليوم بين بدائيات النوى وحقيقيات النوى ، مع السابقة ، ويعتقد أنها أدت إلى ، أخير.