מה תפקיד הגלוקוז בנשימה תאית?

החיים על פני כדור הארץ הם מגוונים במיוחד, החל מהחיידקים הזעירים ביותר החיים בפתחי אוורור תרמיים וכלה בפילים המפוארים, המרובי-טונות, שמכינים את ביתם באסיה. אך לכל האורגניזמים (היצורים החיים) יש מספר מאפיינים בסיסיים משותפים, ביניהם הצורך במולקולות שמהן ניתן להפיק אנרגיה. תהליך הפקת אנרגיה ממקורות חיצוניים לצמיחה, תיקון, תחזוקה ורבייה מכונה חילוף חומרים.

כל האורגניזמים מורכבים לפחות מאחד תָא (הגוף שלך כולל טריליונים), שהיא הישות הקטנה ביותר שניתן להפחית הכוללת את כל המאפיינים המיוחסים לחיים באמצעות הגדרות קונבנציונליות. מטבוליזם הוא מאפיין כזה, כמו גם היכולת לשכפל או להתרבות אחרת. כל תא על הפלנטה יכול לעשות שימוש גלוקוז, שבלעדיו החיים על פני כדור הארץ לעולם לא היו מתהווים או נראים שונה מאוד.

לגלוקוז יש את הנוסחה C₆ה₁₂או₆, המקנה למולקולה מסה מולקולרית של 180 גרם לשומה. (לכל הפחמימות הנוסחה הכללית C_נה_2nאו_נ.) זה הופך את הגלוקוז לגודל זהה לחומצות האמינו הגדולות ביותר.

הגלוקוז בטבע קיים כטבעת של שישה אטומים, המתוארת כמשושה ברוב הטקסטים. חמישה מאטומי הפחמן נכללים בטבעת יחד עם אחד מאטומי החמצן, ואילו אטום הפחמן השישי הוא חלק מקבוצת הידרוקסימתיל (-CH

חומצות אמינו, כמו גלוקוז, הן מונומרים בולטים בביוכימיה. בדיוק כמו גליקוגן מורכב משרשראות ארוכות של גלוקוז, חלבונים מסונתזים משרשראות ארוכות של חומצות אמינו. בעוד שישנן 20 חומצות אמינו מובחנות עם תכונות רבות במשותף, הגלוקוז מגיע רק בצורה מולקולרית אחת. לפיכך הרכב הגליקוגן אינו משתנה במהותו, ואילו חלבונים משתנים מאוד מאחד למשנהו.

חילוף החומרים של גלוקוז להפקת אנרגיה בצורה של אדנוזין טריפוספט (ATP) ו- CO₂ (פחמן דו חמצני, מוצר פסולת במשוואה זו) מכונה נשימה תאית. הראשון משלושת השלבים הבסיסיים של נשימה תאית הוא גליקוליזה, סדרה של 10 תגובות שאינן דורשות חמצן, בעוד ששני השלבים האחרונים הם ה- מחזור קרבס (ידוע גם בשם מעגל החומצה הציטרית) וה שרשרת העברת אלקטרונים, אשר אכן דורשים חמצן. יחד, שני השלבים האחרונים הללו ידועים בשם נשימה אירובית.

נשימה תאית מתרחשת כמעט כולה ב אקריוטים (בעלי חיים, צמחים ופטריות). פרוקריוטים (התחומים החד תאיים בעיקר הכוללים חיידקים וארכיא) שואבים אנרגיה מגלוקוז, אך כמעט תמיד מגליקוליזה בלבד. המשמעות היא שתאים פרוקריוטים יכולים לייצר רק כעשירית מהאנרגיה למולקולת גלוקוז כפי שתאים אוקריוטים יכולים, כפי שיפורט בהמשך.

"נשימה תאית" ו"נשימה אירובית "משמשים לעתים קרובות לסירוגין כאשר דנים בחילוף החומרים של תאים אוקריוטים. מובן כי גליקוליזה, אם כי תהליך אנאירובי, כמעט תמיד ממשיך לשני שלבי הנשימה התאיים האחרונים. בלי קשר, לסיכום תפקיד גלוקוז בנשימה תאית: בלעדיו הנשימה נעצרת ואובדן חיים בא בעקבותיה.

אנזימים הם חלבונים כדוריים הפועלים כמו זרזים בתגובות כימיות. המשמעות היא שמולקולות אלה מסייעות להאיץ בתגובות שאחרת עדיין היו ממשיכות ללא האנזימים, אך לאט הרבה יותר - לפעמים בגורם של יותר מאלף. כאשר אנזימים פועלים, הם לא משתנים בעצמם בסוף התגובה, ואילו המולקולות עליהן הם פועלים, הנקראים מצעים, משתנים לפי תכנון, עם מגיבים כגון גלוקוז שהוסב למוצרים כגון CO₂.

גלוקוז ו- ATP דומים כימיים זה לזה, אך משתמשים באנרגיה המאוחסנת בקשרים של מולקולה לשעבר כדי להניע את הסינתזה של המולקולה השנייה דורשת אקרובטיקה ביוכימית ניכרת התא. כמעט כל תגובה תאית מזרזת אנזים ספציפי, ורוב האנזימים ספציפיים לתגובה אחת ולמצעים שלה. גליקוליזה, מחזור קרבס ושרשרת הובלת האלקטרונים, יחד, כוללים כשני תריסר תגובות ואנזימים.

כאשר גלוקוז נכנס לתא באמצעות פיזור דרך קרום הפלזמה, הוא מחובר מיד לקבוצת פוספט (P), או זרחן. זה לוכד גלוקוז בתא בגלל המטען השלילי של ה- P. תגובה זו, המייצרת גלוקוז -6 פוספט (G6P), מתרחשת בהשפעת האנזים הקסוקינאז. (רוב האנזימים מסתיימים ב- "-ase", מה שמקל על די לדעת מתי אתה מתמודד עם אחד בעולם הביולוגיה.)

משם, ה- G6P מסודר מחדש לסוג זרחני של הסוכר פרוקטוזואז נוסף P נוסף. זמן קצר לאחר מכן המולקולה שש פחמן מחולקת לשתי מולקולות שלוש פחמן, כל אחת עם קבוצת פוספט; אלה מסדרים את עצמם במהרה לאותו חומר, גליצראלדהיד-3-פוספט (G-3-P).

כל מולקולה של G-3-P עוברת סדרה של שלבי סידור מחדש כדי להמיר למולוקולה שלוש פחמן פירובט, המייצרת שתי מולקולות של ATP ומולקולה אחת של נושאת האלקטרונים הגבוהה NADH (מופחת מניקוטינאמיד אדנין דינוקליאוטיד, או NAD +) בתהליך.

המחצית הראשונה של הגליקוליזה צורכת 2 ATP בשלבי הזרחון, ואילו המחצית השנייה מניבה סך של 2 פירובט, 2 NADH ו -4 ATP. מבחינת ייצור אנרגיה ישיר, כך גורמת לגליקוליזה 2 ATP למולקולת גלוקוז. זה, עבור רוב הפרוקריוטים, מייצג את התקרה היעילה של ניצול הגלוקוז. באיקריוטים, מופע הנשימה הגלוקוזי-תאי רק החל.

מולקולות פירובט עוברות אז מהציטופלזמה של התא לחלק הפנימי של האברונים הנקראים מיטוכונדריה, אשר מוקפים על ידי קרום פלזמה כפול משלהם. כאן, פירובט מחולק ל- CO₂ ואצטט (CH₃COOH-), ואת האצטט תופס תרכובת ממעמד ויטמין B הנקראת קואנזים A (CoA) כדי להפוך אצטיל CoA, חומר ביניים חשוב בעל שני פחמן במגוון של תגובות תאיות.

כדי להיכנס למחזור קרבס, אצטיל CoA מגיב עם תרכובת ארבע פחמן oxaloacetate כדי ליצור ציטראט. מכיוון ש- oxaloacetate היא המולקולה האחרונה שנוצרה בתגובת קרבס כמו גם מצע בתגובה הראשונה, הסדרה זוכה לתיאור "מחזור". האופניים כולל בסך הכל שמונה תגובות, המפחיתות את ציטראט ששת הפחמן למולקולת של חמש פחמן ואז לסדרה של ארבעה בינוניים לפני שהם מגיעים שוב ל oxaloacetate.

כל מולקולה של פירובט הנכנסת למחזור קרבס מביאה לייצור שני CO נוספים₂, 1 ATP, 3 NADH ומולקולה אחת של נשא אלקטרונים הדומה ל- NADH הנקראת פלואין אדנין דינוקליאוטיד, או FADH₂.

• מחזור קרבס יכול להמשיך רק אם שרשרת הובלת האלקטרונים פועלת במורד הזרם לאיסוף NADH ו- FADH₂ זה מייצר. לפיכך אם אין חמצן זמין לתא, מחזור קרבס נעצר.

ה- NADH וה- FADH₂ לעבור לקרום המיטוכונדריה הפנימי לתהליך זה. תפקידה של הרשת הוא זרחון חמצוני של מולקולות ADP להיות ATP. אטומי המימן ממובילי האלקטרונים משמשים ליצירת שיפוע אלקטרוכימי על פני קרום המיטוכונדריה. האנרגיה משיפוע זה, הנשען על חמצן כדי לקבל בסופו של דבר את האלקטרונים, נרתמת להפעלת סינתזת ATP.

כל מולקולה של גלוקוז תורמת בין 36 ל -38 ATP באמצעות נשימה תאית: 2 בגליקוליזה, 2 במחזור קרבס ו -32 עד 34 (תלוי איך זה נמדד במעבדה) בהובלת האלקטרונים שַׁרשֶׁרֶת.