ما الذي يقوم به تحلل السكر؟

تحلل السكر هو عملية عالمية بين أشكال الحياة على كوكب الأرض. من أبسط بكتيريا وحيدة الخلية إلى أكبر حيتان في البحر ، تستخدم جميع الكائنات الحية - أو بشكل أكثر تحديدًا ، كل خلية من خلاياها - جزيء السكر المكون من ستة كربون الجلوكوز كمصدر للطاقة.

تحلل السكر هي مجموعة من 10 تفاعلات كيميائية حيوية تعمل كخطوة أولية نحو الانهيار الكامل للجلوكوز. في كثير من الكائنات الحية ، هي أيضًا الخطوة النهائية ، وبالتالي الوحيدة.

التحلل السكري هو المرحلة الأولى من ثلاث مراحل من التنفس الخلوي في المجال التصنيفي (أي تصنيف الحياة) حقيقيات النوى (أو حقيقيات النواة) ، والتي تشمل الحيوانات والنباتات والطلائعيات والفطريات.

في المجالات البكتيريا والعتائق ، والتي تشكل معًا في الغالب الكائنات الحية أحادية الخلية التي تسمى بدائيات النوى، تحلل السكر هو العرض الأيضي الوحيد في المدينة ، حيث تفتقر خلاياهم إلى آلية إجراء التنفس الخلوي حتى اكتماله.

رد الفعل الكامل الذي يشمله الخطوات الفردية لتحلل السكر هو:

ج₆ح₁₂ا₆ + 2 NAD⁺ + 2 ADP + 2 ص_أنا → 2 CH₃(C = O) COOH + 2 ATP + 2 NADH + 4 H.⁺ + 2 ح₂ا

بالكلمات ، هذا يعني أن الجلوكوز ، وحامل الإلكترون نيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد ، وثنائي فوسفات الأدينوزين والفوسفات غير العضوي (P

لاحظ أن الأكسجين لا يظهر في هذه المعادلة لأن يمكن أن يستمر تحلل السكر بدون O₂. يمكن أن يكون هذا نقطة ارتباك ، لأن التحلل السكري هو مقدمة ضرورية للقطاعات الهوائية من التنفس الخلوي في حقيقيات النوى ("الهوائية" تعني "بالأكسجين") ، غالبًا ما يُنظر إليه عن طريق الخطأ على أنه هوائي عملية.

الجلوكوز هو كربوهيدرات ، مما يعني أن صيغته تفترض نسبة ذرتين من الهيدروجين لكل ذرة كربون وأكسجين: C_نح_{2 ن}ا_ن. إنه سكر ، وعلى وجه التحديد أ أحادي السكاريد، مما يعني أنه لا يمكن تقسيمه إلى سكريات أخرى ، كما يفعل السكريات السكروز والجلاكتوز. يشتمل على شكل حلقة من ست ذرات ، خمس ذرات منها كربون وواحدة منها أكسجين.

يمكن تخزين الجلوكوز في الجسم على شكل بوليمر يسمى الجليكوجين، وهي ليست أكثر من سلاسل طويلة أو صفائح من جزيئات الجلوكوز الفردية المرتبطة بروابط هيدروجينية. الجليكوجين يتم تخزينه في المقام الأول في الكبد والعضلات.

الرياضيون الذين يفضلون استخدام عضلات معينة (على سبيل المثال ، عدو الماراثون الذين يعتمدون على عضلات الفخذ وربلة الساق العضلات) تتكيف من خلال التدريب لتخزين كميات عالية غير معتادة من الجلوكوز ، وغالبًا ما يطلق عليها "تحميل الكربوهيدرات".

ثلاثي فوسفات الأدينوزين (ATP) هو "عملة الطاقة" لجميع الخلايا الحية. هذا يعني أنه عندما يتم تناول الطعام وتقسيمه إلى جلوكوز قبل دخول الخلايا ، فإن الهدف النهائي لعملية التمثيل الغذائي للجلوكوز هو تخليق ATP ، وهي عملية مدفوعة بالطاقة المنبعثة عندما تتحول الروابط الموجودة في الجلوكوز والجزيئات إلى تحلل السكر. و التنفس الهوائي مكسورة.

يتم استخدام ATP الناتج عن هذه التفاعلات لتلبية الاحتياجات الأساسية اليومية للجسم ، مثل نمو الأنسجة وإصلاحها بالإضافة إلى التمارين البدنية. مع زيادة شدة التمرين ، يتحول الجسم بعيدًا عن حرق الدهون أو الدهون الثلاثية (عن طريق الأكسدة من الأحماض الدهنية) إلى حرق الجلوكوز لأن العملية الأخيرة تؤدي إلى إنتاج المزيد من ATP لكل جزيء من وقود.

تعتمد جميع التفاعلات الكيميائية الحيوية تقريبًا على المساعدة من جزيئات بروتينية متخصصة تسمى الانزيمات المضي قدما.

الانزيمات المحفزات، مما يعني أنها تسرع ردود الفعل - أحيانًا بمعامل مليون أو أكثر - دون أن تتغير في رد الفعل. عادة ما يتم تسميتها بالجزيئات التي تعمل عليها ولها "-ase" في نهايتها ، مثل "إيزوميراز الفوسفوجلوكوز" ، الذي يعيد ترتيب الذرات في الجلوكوز 6 فوسفات إلى الفركتوز 6 فوسفات.

(الأيزومرات عبارة عن مركبات لها نفس الذرات ولكن هياكل مختلفة ، تشبه الجناس الناقصة في عالم الكلمات.)

معظم الانزيمات في ردود الفعل البشرية يتوافق مع قاعدة "واحد لواحد" ، مما يعني أن كل إنزيم يحفز تفاعلًا معينًا ، وعلى العكس من ذلك ، لا يمكن تحفيز كل تفاعل إلا بواسطة إنزيم واحد. يساعد هذا المستوى من الخصوصية الخلايا على تنظيم سرعة التفاعلات بإحكام ، وبالتالي كميات المنتجات المختلفة التي يتم إنتاجها في الخلية في أي وقت.

عندما يدخل الجلوكوز إلى الخلية ، فإن أول ما يحدث هو أنه يتم فسفرته - أي أن جزيء الفوسفات مرتبط بأحد الكربون في الجلوكوز. هذا يضفي شحنة سالبة على الجزيء ، مما يجعله محاصرًا في الخلية. هذا جلوكوز 6 فوسفات يتم بعد ذلك متماكبًا كما هو موضح أعلاه في فركتوز 6 فوسفات، والتي تخضع بعد ذلك لخطوة فسفرة أخرى لتصبح الفركتوز -1،6-ثنائي الفوسفات.

تتضمن كل خطوة من خطوات الفسفرة إزالة الفوسفات من ATP ، وترك ثنائي فوسفات الأدينوزين (ADP) وراء. هذا يعني أنه على الرغم من أن الهدف من تحلل السكر هو إنتاج ATP لاستخدام الخلية ، فإنه ينطوي على "تكلفة بدء" قدرها 2 ATP لكل جزيء جلوكوز يدخل الدورة.

يتم بعد ذلك تقسيم الفركتوز -1،6-ثنائي الفوسفات إلى جزيئين من ثلاثة كربون ، كل منهما مع الفوسفات الخاص به. واحدة من هذه، فوسفات ثنائي هيدروكسي أسيتون (DHAP) ، قصير العمر ، حيث يتحول بسرعة إلى الآخر ، جليسيرالديهيد -3 فوسفات. وبالتالي من هذه النقطة فصاعدًا ، يحدث كل تفاعل مدرج في الواقع مرتين لكل جزيء جلوكوز يدخل في تحلل السكر.

يتم تحويل Glyceraldehyde-3-phosphate إلى 1،3-ثنائي فسفوغليسيرات عن طريق إضافة الفوسفات إلى الجزيء. بدلاً من أن يتم اشتقاقه من ATP ، يوجد هذا الفوسفات على شكل فوسفات حر أو غير عضوي (أي يفتقر إلى الارتباط بالكربون). في نفس الوقت ، NAD⁺ تم تحويله إلى NADH.

في الخطوات التالية ، يتم تجريد الفوسفاتين من سلسلة من جزيئات ثلاثية الكربون وإلحاقهما بـ ADP لتوليد ATP. نظرًا لأن هذا يحدث مرتين لكل جزيء جلوكوز أصلي ، يتم إنشاء ما مجموعه 4 ATP في مرحلة "المكافأة" هذه. نظرًا لأن مرحلة "الاستثمار" تتطلب إدخال 2 ATP ، فإن الكسب الإجمالي في ATP لكل جزيء جلوكوز هو 2 ATP.

للإشارة ، بعد 1.3-diphosphoglycerate ، تكون الجزيئات في التفاعل 3-فوسفوجليسيرات, 3-فوسفوجليسيرات, فسفوينول بيروفات وأخيرا البيروفات.

في حقيقيات النوى ، قد ينتقل البيروفات بعد ذلك إلى أحد مسارين بعد تحلل السكر ، اعتمادًا على ما إذا كان هناك ما يكفي من الأكسجين للسماح بمواصلة التنفس الهوائي. إذا كان الأمر كذلك ، وهو ما يحدث عادةً عندما يستريح الكائن الأصلي أو يمارس الرياضة بشكل خفيف ، فإن ينتقل البيروفات من السيتوبلازم حيث يحدث تحلل السكر في العضيات ("الأعضاء الصغيرة") اتصل الميتوكوندريا.

إذا كانت الخلية تنتمي إلى بدائيات النوى أو إلى حقيقيات نواة مجتهدة جدًا - على سبيل المثال ، إنسان يركض نصف ميل كامل أو يرفع أوزانًا بشكل مكثف - يتم تحويل البيروفات إلى لاكتات. بينما في معظم الخلايا لا يمكن استخدام اللاكتات كوقود ، فإن هذا التفاعل ينتج NAD⁺ من NADH ، مما يسمح لتحلل السكر بمواصلة "المنبع" من خلال توفير مصدر مهم لـ NAD⁺.

تُعرف هذه العملية باسم تخمير حمض اللاكتيك.

تسمى المراحل الهوائية للتنفس الخلوي التي تحدث في الميتوكوندريا بـ دورة كريبس و ال سلسلة نقل الإلكترون، وتحدث بهذا الترتيب. ال دورة كريبس (تسمى غالبًا دورة حمض الستريك أو دورة حمض الكربوكسيل) تتكشف في منتصف الميتوكوندريا ، في حين أن سلسلة نقل الإلكترون يأخذ أماكن على غشاء الميتوكوندريا الذي يشكل حدوده مع السيتوبلازم.

التفاعل الصافي للتنفس الخلوي ، بما في ذلك تحلل السكر ، هو:

ج₆ح₁₂ا₆ + 6 س₂ → 6 كو₂ + 6 ح₂O + 38 ATP

تضيف دورة كريبس 2 ATP ، وتضيف سلسلة نقل الإلكترون 34 ATP لإجمالي 38 ATP لكل جزيء من الجلوكوز يتم استهلاكه بالكامل (2 + 2 + 34) في عمليات التمثيل الغذائي الثلاث.