ما هو المصدر الرئيسي لطاقة الخلية؟

ربما تكون قد فهمت منذ أن كنت صغيرًا أن الطعام الذي تتناوله يجب أن يصبح "شيئًا" أصغر بكثير من ذلك الطعام لكل ما هو "في" الطعام حتى تتمكن من مساعدة جسمك. كما يحدث ، بشكل أكثر تحديدًا ، جزيء واحد من نوع الكربوهيدرات مصنفة على أنها السكر هو المصدر النهائي للوقود في أي تفاعل استقلابي يحدث في أي خلية في أي وقت.

هذا الجزيء الجلوكوز، جزيء من ستة كربون على شكل حلقة شائكة. في جميع الخلايا ، يدخل تحلل السكر، وفي الخلايا الأكثر تعقيدًا يشارك أيضًا في التخمير ، التمثيل الضوئي و التنفس الخلوي بدرجات متفاوتة في الكائنات الحية المختلفة.

لكن طريقة مختلفة للإجابة على السؤال "ما الجزيء الذي تستخدمه الخلايا كمصدر للطاقة؟" يفسرها على أنها "ما جزيء مباشرة تشغّل عمليات الخلية نفسها؟ "

هذا الجزيء "القوي" ، الذي ينشط مثل الجلوكوز في جميع الخلايا ، هو ATP، أو أدينوسين ثلاثي الفوسفات، وهو نيوكليوتيد يُطلق عليه غالبًا "عملة طاقة الخلايا". ما الجزيء الذي يجب أن تفكر فيه ، إذن ، عندما تسأل نفسك ، "ما الجزيء هو الوقود لجميع الخلايا؟" هل هو الجلوكوز أم ATP؟

تشبه الإجابة عن هذا السؤال فهم الفرق بين قول "يحصل البشر على الوقود الأحفوري من الأرض" و "يحصل البشر على الوقود الأحفوري وقود الطاقة من محطات تعمل بالفحم. "كلا العبارتين صحيحان ، لكنهما يعالجان مراحل مختلفة في سلسلة تحويل الطاقة في التمثيل الغذائي تفاعلات. في الكائنات الحية ،

تنتمي جميع الكائنات الحية إلى فئتين عريضتين: بدائيات النوى وحقيقيات النوى. بدائيات النوى هي كائنات وحيدة الخلية في التصنيف المجالات البكتيريا والعتائق ، في حين أن حقيقيات النوى تقع جميعها في مجال Eukaryota ، والذي يشمل الحيوانات والنباتات والفطريات والطلائعيات.

بدائيات النوى صغيرة وبسيطة مقارنة بحقيقيات النوى ؛ خلاياهم هي في المقابل أقل تعقيدًا. في معظم الحالات ، تكون الخلية بدائية النواة هي نفسها الكائن بدائية النواة ، واحتياجات الطاقة للبكتيريا أقل بكثير من احتياجات أي خلية حقيقية النواة.

تحتوي الخلايا بدائية النواة على نفس المكونات الأربعة الموجودة في جميع الخلايا في العالم الطبيعي: الحمض النووي ، وغشاء الخلية ، والسيتوبلازم ، والريبوزومات. يحتوي السيتوبلازم الخاص بهم على جميع الإنزيمات اللازمة لتحلل السكر ، لكن غياب الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء يعني أن تحلل السكر هو بالفعل المسار الأيضي الوحيد المتاح لدائيات النوى.

اقرأ المزيد عن أوجه التشابه والاختلاف بين الخلايا بدائية النواة وخلايا حقيقية النواة.

الجلوكوز عبارة عن سكر من ستة كربون على شكل حلقة ، يتم تمثيله في الرسوم البيانية بشكل سداسي. صيغته الكيميائية هي C₆ح₁₂ا₆، مما يعطيها نسبة C / H / O تبلغ 1: 2: 1 ؛ هذا صحيح ، في الواقع ، أو كل الجزيئات الحيوية المصنفة على أنها كربوهيدرات.

يعتبر الجلوكوز أحادي السكاريد، مما يعني أنه لا يمكن اختزاله إلى سكريات مختلفة أصغر عن طريق كسر الروابط الهيدروجينية بين المكونات المختلفة. الفركتوز هو أحادي السكاريد. السكروز (سكر المائدة) ، الذي يتم تصنيعه عن طريق الجمع بين الجلوكوز والفركتوز ، يعتبر من سكر ثنائي.

يُطلق على الجلوكوز أيضًا اسم "سكر الدم" ، لأنه يتم قياس تركيزه في الدم عندما تحدد العيادة أو مختبر المستشفى حالة التمثيل الغذائي للمريض. يمكن ضخه مباشرة في مجرى الدم في محاليل وريدية لأنه لا يتطلب أي انهيار قبل دخول خلايا الجسم.

ATP هو النوكليوتيدات، وهذا يعني أنه يتكون من واحدة من خمس قواعد نيتروجينية مختلفة ، وخمس كربون سكر يسمى الريبوز ومجموعة واحدة إلى ثلاث مجموعات فوسفاتية. يمكن أن تكون القواعد في النيوكليوتيدات إما الأدينين (A) أو السيتوزين (C) أو الجوانين (G) أو الثايمين (T) أو اليوراسيل (U). النيوكليوتيدات هي اللبنات الأساسية للأحماض النووية DNA و RNA. تم العثور على A و C و G في كل من الأحماض النووية ، بينما يوجد T فقط في DNA و U فقط في RNA.

يرمز "TP" في ATP ، كما رأيت ، إلى "ثلاثي الفوسفات" ويشير إلى أن ATP يحتوي على أكبر عدد من مجموعة الفوسفات التي يمكن أن يحتويها النيوكليوتيد - ثلاثة. يتم إجراء معظم ATP عن طريق ربط مجموعة فوسفات بـ ADP ، أو ثنائي فوسفات الأدينوزين ، وهي عملية تُعرف باسم الفسفرة.

لدى ATP ومشتقاته مجموعة واسعة من التطبيقات في الكيمياء الحيوية والطب ، والعديد منها في المراحل الاستكشافية مع اقتراب القرن الحادي والعشرين من عقده الثالث.

يتضمن إطلاق الطاقة من الطعام كسر الروابط الكيميائية في مكونات الغذاء وتسخير هذه الطاقة لتخليق جزيئات ATP. على سبيل المثال ، الكربوهيدرات كلها مؤكسد في نهاية ثاني أكسيد الكربون (CO₂) والماء (H₂س). تتأكسد الدهون أيضًا ، حيث تنتج سلاسل الأحماض الدهنية جزيئات الأسيتات التي تدخل بعد ذلك التنفس الهوائي في الميتوكوندريا حقيقية النواة.

نواتج تكسير البروتينات غنية بالنيتروجين وتستخدم لبناء البروتينات والأحماض النووية الأخرى. لكن بعض الأحماض الأمينية العشرين التي تُبنى منها البروتينات يمكن تعديلها والدخول في عملية التمثيل الغذائي الخلوي على مستوى التنفس الخلوي (على سبيل المثال ، بعد تحلل السكر)

ملخص:ينتج تحلل السكر مباشرة 2 ATP لكل جزيء من الجلوكوز. يزود حاملات البيروفات والإلكترون لمزيد من عمليات التمثيل الغذائي.

التحلل السكري عبارة عن سلسلة من عشرة تفاعلات يتم فيها تحويل جزيء الجلوكوز إلى جزيئين من جزيء البيروفات ثلاثي الكربون ، مما ينتج عنه 2 ATP على طول الطريق. وهو يتألف من مرحلة "استثمار" مبكرة حيث يتم استخدام 2 ATP لربط مجموعات الفوسفات بجزيء الجلوكوز المتحرك ، ومرحلة "عودة" لاحقة في حيث أن مشتق الجلوكوز ، بعد أن تم تقسيمه إلى زوج من المركبات الوسيطة ثلاثية الكربون ، ينتج 2 ATP لكل مركبات ثلاثية الكربون وهذا 4 شاملة.

هذا يعني أن التأثير الصافي لتحلل السكر هو إنتاج 2 ATP لكل جزيء جلوكوز ، حيث يتم استهلاك 2 ATP في مرحلة الاستثمار ولكن يتم إجراء ما مجموعه 4 ATP في مرحلة الدفع.

اقرأ المزيد عن تحلل السكر.

ملخص:التخمير يجدد NAD⁺ لتحلل السكر. لا ينتج ATP مباشرة.

عند وجود كمية غير كافية من الأكسجين لتلبية متطلبات الطاقة ، كما هو الحال عند الجري بقوة أو رفع الأثقال بقوة ، قد يكون تحلل السكر هو عملية التمثيل الغذائي الوحيدة المتاحة. هذا هو المكان الذي يأتي فيه "حرق حمض اللاكتيك" الذي ربما سمعت عنه. إذا لم يتمكن البيروفات من دخول التنفس الهوائي كما هو موضح أدناه ، فإنه يتحول إلى لاكتات ، وهو نفسه لا يقدم الكثير من الفوائد ولكنه يضمن استمرار تحلل السكر من خلال توفير جزيء وسيط رئيسي تسمى NAD⁺.

ملخص:تنتج دورة كريبس 1 ATP في كل دورة من الدورة (وبالتالي 2 ATP لكل جلوكوز "في الاتجاه المعاكس" ، نظرًا لأن 2 بيروفات يمكن أن ينتج 2 أسيتيل CoA).

في ظل الظروف العادية للأكسجين الكافي ، ينتقل تقريبًا كل البيروفات المتولد في تحلل السكر في حقيقيات النوى من السيتوبلازم إلى عضيات ("أعضاء صغيرة") تُعرف باسم الميتوكوندريا ، حيث تتحول إلى جزيء ثنائي الكربون أسيتيل أنزيم أ (acetyl CoA) عن طريق نزع وإطلاق ثاني أكسيد الكربون₂. يتحد هذا الجزيء مع جزيء رباعي الكربون يسمى oxaloacetate لتكوين السترات ، وهي الخطوة الأولى فيما يسمى أيضًا بدورة TCA أو دورة حمض الستريك.

أدت "عجلة التفاعلات" هذه في النهاية إلى خفض السترات إلى أوكسالو أسيتات ، وعلى طول الطريق يتم إنشاء ATP واحد مع أربعة ما يسمى ناقلات الإلكترون عالية الطاقة (NADH و FADH₂).

ملخص:تنتج سلسلة نقل الإلكترون حوالي 32 إلى 34 ATP لكل جزيء جلوكوز "المنبع" ، مما يجعله إلى حد بعيد أكبر مساهم في الطاقة الخلوية في حقيقيات النوى.

تنتقل ناقلات الإلكترون من دورة كريبس من داخل الميتوكوندريا إلى الغشاء الداخلي للعضية ، والذي يحتوي على جميع أنواع الإنزيمات المتخصصة التي تسمى السيتوكرومات الجاهزة للعمل. باختصار ، عندما يتم نزع الإلكترونات ، في شكل ذرات الهيدروجين ، من ناقلاتها ، فإن هذا يدفع الفسفرة لجزيئات ADP إلى قدر كبير من ATP.

يجب أن يكون الأكسجين موجودًا كمستقبل نهائي للإلكترون في السلسلة التي تحدث عبر الغشاء حتى تحدث هذه السلسلة من التفاعلات. إذا لم يكن الأمر كذلك ، فإن عملية التنفس الخلوي "تعود" ، ولا يمكن أن تحدث دورة كريبس أيضًا.