ما هو دور الجلوكوز في التنفس الخلوي؟

الحياة على الأرض متنوعة بشكل غير عادي ، من أصغر أنواع البكتيريا التي تعيش في الفتحات الحرارية إلى الأفيال الفخمة التي تزن عدة أطنان والتي تشكل موطنها في آسيا. لكن جميع الكائنات الحية (الكائنات الحية) لها عدد من الخصائص الأساسية المشتركة ، من بينها الحاجة إلى الجزيئات التي تستمد منها الطاقة. تُعرف عملية استخراج الطاقة من المصادر الخارجية للنمو والإصلاح والصيانة والتكاثر باسم التمثيل الغذائي.

تتكون جميع الكائنات الحية من واحد على الأقل زنزانة (يتضمن جسدك التريليونات) ، وهو أصغر كيان غير قابل للاختزال يتضمن جميع الخصائص المنسوبة إلى الحياة باستخدام التعريفات التقليدية. الأيض هو أحد هذه الخصائص ، مثل القدرة على التكاثر أو التكاثر بطريقة أخرى. يمكن لكل خلية على هذا الكوكب الاستفادة منها الجلوكوز، والتي بدونها لم تكن الحياة على الأرض لتظهر أبدًا أو ستبدو مختلفة تمامًا.

يحتوي الجلوكوز على الصيغة C₆ح₁₂ا₆، مما يعطي الجزيء كتلة جزيئية مقدارها 180 جرامًا لكل مول. (جميع الكربوهيدرات لها الصيغة العامة C_نح_{2 ن}ا_ن.) هذا يجعل الجلوكوز بنفس حجم أكبر الأحماض الأمينية تقريبًا.

يوجد الجلوكوز في الطبيعة على شكل حلقة من ست ذرات ، يتم تصويرها على أنها سداسية في معظم النصوص. يتم تضمين خمس من ذرات الكربون في الحلقة مع إحدى ذرات الأكسجين ، بينما تكون ذرة الكربون السادسة جزءًا من مجموعة هيدروكسي ميثيل (-CH

الأحماض الأمينية ، مثل الجلوكوز ، هي مونومرات بارزة في الكيمياء الحيوية. نحن فقط الجليكوجين يتم تجميعها من سلاسل طويلة من الجلوكوز ، ويتم تصنيع البروتينات من سلاسل طويلة من الأحماض الأمينية. في حين أن هناك 20 حمضًا أمينيًا متميزًا مع العديد من السمات المشتركة ، فإن الجلوكوز يأتي في شكل جزيئي واحد فقط. وبالتالي فإن تركيبة الجليكوجين ثابتة بشكل أساسي ، بينما تختلف البروتينات اختلافًا كبيرًا من واحد إلى آخر.

استقلاب الجلوكوز لإنتاج الطاقة على شكل أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) وثاني أكسيد الكربون₂ يُعرف (ثاني أكسيد الكربون ، منتج النفايات في هذه المعادلة) باسم التنفس الخلوي. المرحلة الأولى من المراحل الأساسية الثلاثة للتنفس الخلوي هي تحلل السكر، سلسلة من 10 تفاعلات لا تتطلب أكسجين ، في حين أن المرحلتين الأخيرتين هما دورة كريبس (المعروف أيضًا باسم دورة حمض الستريك) و ال سلسلة نقل الإلكترونالتي تتطلب الأكسجين. تُعرف هاتان المرحلتان الأخيرتان معًا باسم التنفس الهوائي.

يحدث التنفس الخلوي بالكامل تقريبًا في حقيقيات النواة (الحيوانات والنباتات والفطريات). بدائيات النوى تستمد (المجالات أحادية الخلية في الغالب التي تشمل البكتيريا والعتائق) الطاقة من الجلوكوز ، ولكن دائمًا تقريبًا من تحلل الجلوكوز وحده. المعنى الضمني هو أن الخلايا بدائية النواة يمكن أن تولد فقط حوالي عُشر الطاقة لكل جزيء من الجلوكوز كما يمكن للخلايا حقيقية النواة ، كما هو موضح لاحقًا.

غالبًا ما يتم استخدام "التنفس الخلوي" و "التنفس الهوائي" بالتبادل عند مناقشة عملية التمثيل الغذائي للخلايا حقيقية النواة. من المفهوم أن تحلل السكر ، على الرغم من كونه عملية لا هوائية ، يستمر بشكل شبه دائم في آخر خطوتين للتنفس الخلوي. بغض النظر ، لتلخيص دور الجلوكوز في التنفس الخلوي: بدونه يتوقف التنفس ويتبع ذلك فقدان للحياة.

الانزيمات هي بروتينات كروية تعمل المحفزات في التفاعلات الكيميائية. وهذا يعني أن هذه الجزيئات تساعد في تسريع التفاعلات التي من شأنها أن تستمر بدون الإنزيمات ، ولكن بشكل أبطأ بكثير - أحيانًا بعامل يزيد عن ألف. عندما تعمل الإنزيمات ، فإنها لا تتغير في نهاية التفاعل ، في حين أن الجزيئات التي تعمل عليها ، والتي تسمى الركائز ، تتغير حسب التصميم ، باستخدام المتفاعلات مثل تحويل الجلوكوز إلى منتجات مثل ثاني أكسيد الكربون₂.

يحمل الجلوكوز و ATP بعض التشابه الكيميائي مع بعضهما البعض ، ولكن باستخدام الطاقة المخزنة في روابط يتطلب الجزيء السابق لتوليد الطاقة لتركيب الجزيء الأخير الكثير من الألعاب البهلوانية البيوكيميائية عبره الخلية. يتم تحفيز كل تفاعل خلوي تقريبًا بواسطة إنزيم معين ، وتكون معظم الإنزيمات خاصة بتفاعل واحد وركائزه. يتميز تحلل السكر ودورة كريبس وسلسلة نقل الإلكترون مجتمعة بحوالي عشرين تفاعلًا وإنزيمات.

عندما يدخل الجلوكوز خلية عن طريق الانتشار عبر غشاء البلازما ، فإنه يتم توصيله على الفور بمجموعة الفوسفات (P) ، أو فسفرة. هذا يحبس الجلوكوز في الخلية بسبب الشحنة السالبة لـ P. يحدث هذا التفاعل ، الذي ينتج جلوكوز 6 فوسفات (G6P) ، تحت تأثير الإنزيم هيكسوكيناز. (تنتهي معظم الإنزيمات بـ "-ase" ، مما يجعل من السهل إلى حد ما معرفة متى تتعامل مع واحد في عالم الأحياء.)

من هناك ، يتم إعادة ترتيب G6P إلى نوع فسفري من السكر الفركتوز، ثم يضاف P آخر. بعد ذلك بوقت قصير ، ينقسم جزيء ستة كربون إلى جزئين من ثلاثة كربون ، يحتوي كل منهما على مجموعة فوسفات ؛ سرعان ما يتم ترتيب أنفسهم في نفس المادة ، glyceraldehyde-3-phosphate (G-3-P).

يمر كل جزيء من G-3-P بسلسلة من خطوات إعادة الترتيب ليتم تحويله إلى جزيء ثلاثي الكربون البيروفات، ينتج جزيئين من ATP وجزيء واحد من ناقل الإلكترون عالي الطاقة NADH (المختزل من نيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد ، أو NAD +) في هذه العملية.

يستهلك النصف الأول من تحلل السكر 2 ATP في خطوات الفسفرة ، بينما ينتج النصف الثاني إجمالي 2 بيروفات و 2 NADH و 4 ATP. من حيث إنتاج الطاقة المباشر ، وبالتالي ينتج عن تحلل السكر 2 ATP لكل جزيء جلوكوز. يمثل هذا ، بالنسبة لمعظم بدائيات النوى ، السقف الفعال لاستخدام الجلوكوز. في حقيقيات النوى ، بدأ عرض التنفس الخلوي الجلوكوز فقط.

ثم تنتقل جزيئات البيروفات من سيتوبلازم الخلية إلى داخل العضيات المسماة الميتوكوندريا، والتي يحيط بها غشاء بلازما مزدوج خاص بها. هنا ، ينقسم البيروفات إلى ثاني أكسيد الكربون₂ وخلات (CH₃COOH-) ، ويتم التقاط الأسيتات بواسطة مركب من فئة فيتامين ب يسمى الإنزيم المساعد A (CoA) ليصبح أسيتيل CoA، وسيط مهم ثنائي الكربون في مجموعة من التفاعلات الخلوية.

لدخول دورة كريبس ، يتفاعل الأسيتيل CoA مع مركب رباعي الكربون أوكسالو أسيتات لتشكيل سترات. نظرًا لأن oxaloacetate هو آخر جزيء تم إنشاؤه في تفاعل كريبس بالإضافة إلى ركيزة في التفاعل الأول ، فإن السلسلة تكتسب وصف "الدورة". الدورة يتضمن ما مجموعه ثمانية تفاعلات ، والتي تقلل من سيترات الكربون الستة إلى جزيء من خمسة كربون ثم إلى سلسلة من أربع مركبات وسيطة قبل الوصول مرة أخرى إلى أوكسالو أسيتات.

ينتج عن كل جزيء من البيروفات يدخل في دورة كريبس إنتاج اثنين آخرين من ثاني أكسيد الكربون₂، 1 ATP ، 3 NADH وجزيء واحد من حامل إلكترون مشابه لـ NADH يسمى فلافين الأدينين ثنائي النوكليوتيد، أو FADH₂.

• لا يمكن أن تستمر دورة كريبس إلا إذا كانت سلسلة نقل الإلكترون تعمل في اتجاه مجرى النهر لالتقاط NADH و FADH₂ يولد. وبالتالي إذا لم يتوفر الأكسجين للخلية ، تتوقف دورة كريبس.

NADH و FADH₂ الانتقال إلى غشاء الميتوكوندريا الداخلي لهذه العملية. دور السلسلة هو الفسفرة التأكسدية من جزيئات ADP لتصبح ATP. تُستخدم ذرات الهيدروجين من ناقلات الإلكترون لإنشاء تدرج كهروكيميائي عبر غشاء الميتوكوندريا. الطاقة من هذا التدرج ، الذي يعتمد على الأكسجين لاستقبال الإلكترونات في نهاية المطاف ، يتم تسخيرها لتشغيل تخليق ATP.

يساهم كل جزيء من الجلوكوز في أي مكان من 36 إلى 38 ATP من خلال التنفس الخلوي: 2 في تحلل السكر ، 2 في دورة كريبس و 32 إلى 34 (اعتمادًا على كيفية قياس ذلك في المختبر) في نقل الإلكترون سلسلة.