จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อกลูโคสเข้าสู่เซลล์?

กลูโคสคือ สุดยอดแหล่งเชื้อเพลิงเซลลูลาร์ สำหรับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด โดยพลังงานในพันธะเคมีของมันถูกใช้เพื่อสังเคราะห์ อะดีโนซีน ไตรฟอสเฟต (ATP) ในลักษณะที่เชื่อมต่อถึงกันและพึ่งพาอาศัยกัน เมื่อโมเลกุลของน้ำตาล 6 คาร์บอน (เช่น เฮกโซส) ผ่านเยื่อหุ้มพลาสมาของเซลล์จากภายนอกเข้าสู่ไซโตพลาสซึม ทันที phosphorylated – กล่าวคือ หมู่ฟอสเฟตซึ่งมีประจุไฟฟ้าเป็นลบ ติดอยู่กับส่วนหนึ่งของโมเลกุลกลูโคส ส่งผลให้มีประจุลบสุทธิในสิ่งที่กลายเป็น a กลูโคส-6-ฟอสเฟต โมเลกุลซึ่งป้องกันไม่ให้ออกจากเซลล์

โปรคาริโอตซึ่งรวมถึงโดเมนของแบคทีเรียและอาร์เคียไม่มีออร์แกเนลล์ที่จับกับเมมเบรนรวมถึง ไมโตคอนเดรีย ที่ใน ยูคาริโอต เป็นเจ้าภาพวงจร Krebs และห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนที่ขึ้นกับออกซิเจน เป็นผลให้โปรคาริโอตไม่มีส่วนร่วมในการหายใจแบบแอโรบิก ("ด้วยออกซิเจน") แทนที่จะได้รับพลังงานเกือบทั้งหมด จาก glycolysis ซึ่งเป็นกระบวนการแบบไม่ใช้ออกซิเจนที่ทำงานล่วงหน้าของการหายใจแบบใช้ออกซิเจนในเซลล์ยูคาริโอต

เนื่องจากกลูโคสเป็นหนึ่งในโมเลกุลที่สำคัญที่สุดในชีวเคมี และอาจเป็นจุดเริ่มต้นของชุดที่สำคัญที่สุดของ ปฏิกิริยาในพงศาวดารของชีวิตบนดาวเคราะห์โลก การอภิปรายสั้น ๆ เกี่ยวกับโครงสร้างและพฤติกรรมของโมเลกุลนี้อยู่ใน ใบสั่ง.

ยังเป็นที่รู้จักกันในนาม เดกซ์โทรส (โดยปกติอ้างอิงถึงระบบที่ไม่ใช่ชีวภาพ เช่น กลูโคสที่ทำจากข้าวโพด) และ น้ำตาลในเลือด (อ้างอิงระบบชีวภาพ เช่น ในบริบททางการแพทย์) กลูโคสเป็นโมเลกุลคาร์บอน 6 ตัวที่มีสูตรทางเคมี ค₆โฮ₁₂โอ₆. ในเลือดมนุษย์ ความเข้มข้นปกติของกลูโคสอยู่ที่ประมาณ 100 มก./เดซิลิตร 100 มก. คือหนึ่งในสิบของกรัม ในขณะที่ dL คือหนึ่งในสิบของลิตร ซึ่งคิดเป็นกรัมต่อลิตร และเนื่องจากคนทั่วไปมีเลือดประมาณ 4 ลิตร ส่วนใหญ่ ผู้คนมีกลูโคสประมาณ 4 กรัมในกระแสเลือดเมื่อใดก็ได้ – เพียงประมาณหนึ่งในเจ็ดของ an ออนซ์.

อะตอมของคาร์บอน (C) ห้าในหกอะตอมในกลูโคสอยู่ใน แหวนหกอะตอม รูปแบบที่โมเลกุลถือว่า 99.98 เปอร์เซ็นต์ของเวลาในธรรมชาติ อะตอมของวงแหวนที่หกคือออกซิเจน (O) โดยที่ C ตัวที่หกติดอยู่กับวงแหวน C อันใดอันหนึ่งซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของ ไฮดรอกซีเมทิล (-CH₂โอ้) กลุ่ม. อยู่ที่หมู่ไฮดรอกซิล (-OH) ที่ ฟอสเฟตอนินทรีย์ (Pi) ติดอยู่ระหว่างกระบวนการฟอสโฟรีเลชั่นที่ดักจับโมเลกุลในไซโตพลาสซึมของเซลล์

โปรคาริโอตมีขนาดเล็ก (ส่วนใหญ่เป็นเซลล์เดียว) และเรียบง่าย (เซลล์เดียวส่วนใหญ่ไม่มีนิวเคลียสและออร์แกเนลล์ที่จับกับเมมเบรน) สิ่งนี้อาจทำให้พวกมันดูไม่สง่างามและน่าสนใจในลักษณะส่วนใหญ่เหมือนกับยูคาริโอต แต่ก็ยังทำให้ความต้องการเชื้อเพลิงของพวกมันค่อนข้างต่ำอีกด้วย

ทั้งในโปรคาริโอตและยูคาริโอต glycolysis เป็นขั้นตอนแรกในการเผาผลาญกลูโคส. ฟอสโฟรีเลชั่นของกลูโคสเมื่อเข้าสู่เซลล์โดยการแพร่กระจายผ่านเยื่อหุ้มพลาสมาเป็นขั้นตอนแรกในไกลโคไลซิส ซึ่งจะอธิบายรายละเอียดในตอนต่อไป

• แบคทีเรียบางชนิดสามารถเผาผลาญน้ำตาลนอกเหนือจากหรือนอกเหนือจากกลูโคส เช่น ซูโครส แลคโตส หรือมอลโทส น้ำตาลเหล่านี้เป็นไดแซ็กคาไรด์ ซึ่งมาจากภาษากรีกว่า "น้ำตาลสองชนิด" ประกอบด้วยโมโนเมอร์ของกลูโคส เช่น ฟรุกโตส โมโนแซ็กคาไรด์ เป็นหนึ่งในสองหน่วยย่อยของพวกมัน

ในตอนท้ายของ glycolysis โมเลกุลของกลูโคสถูกใช้เพื่อสร้างโมเลกุลไพรูเวตสามคาร์บอนสองโมเลกุลสองโมเลกุล ของสารพาอิเล็กตรอนที่มีพลังงานสูงที่เรียกว่า nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) และการเพิ่มสุทธิของโมเลกุล ATP สองโมเลกุล

ณ จุดนี้ ในโปรคาริโอต ไพรูเวตมักจะเข้าสู่กระบวนการหมัก ซึ่งเป็นกระบวนการที่ไม่ใช้ออกซิเจนซึ่งมีรูปแบบต่างๆ มากมายที่จะมีการสำรวจในไม่ช้า แต่แบคทีเรียบางชนิดได้พัฒนาความสามารถในการหายใจแบบใช้ออกซิเจนในระดับหนึ่งและเรียกว่า and ไม่ใช้ออกซิเจนแบบคณะ. แบคทีเรียที่ได้รับพลังงานจากไกลโคไลซิสเท่านั้นเรียกว่า บังคับ anaerobesและสิ่งเหล่านี้จำนวนมากถูกฆ่าโดยออกซิเจน มีแบคทีเรียจำนวนจำกัดเท่าๆ กัน บังคับ aerobesซึ่งหมายความว่า เช่นเดียวกับคุณ พวกเขาต้องการออกซิเจนอย่างแท้จริง เนื่องจากแบคทีเรียมีเวลา 3.5 พันล้านปีในการปรับตัวให้เข้ากับความต้องการของโลกที่เปลี่ยนไป สิ่งแวดล้อมก็ไม่น่าแปลกใจที่พวกเขาได้รับคำสั่งช่วงของการอยู่รอดของการเผาผลาญขั้นพื้นฐาน กลยุทธ์

ไกลโคไลซิส รวม 10 ปฏิกิริยาซึ่งเป็นตัวเลขกลมๆ ที่ดี แต่คุณไม่จำเป็นต้องจำผลิตภัณฑ์ ตัวกลาง และเอนไซม์ทั้งหมดในขั้นตอนเหล่านี้ทั้งหมด แม้ว่าเรื่องเล็กน้อยนี้บางเรื่องจะสนุกและมีประโยชน์ที่จะรู้ แต่การได้รับความรู้สึกนั้นสำคัญกว่า อะไร เกิดขึ้นใน glycolysis โดยรวมและ ทำไม มันเกิดขึ้น (ทั้งในแง่ของฟิสิกส์พื้นฐานและความต้องการของเซลล์)

Glycolysis ถูกจับในปฏิกิริยาต่อไปนี้ ซึ่งเป็นผลรวมของปฏิกิริยาแต่ละ 10 ปฏิกิริยา:

ค₆โฮ₁₂โอ₆ → 2 C₃โฮ₄โอ₃ + 2 ATP + 2 NADH

ในภาษาอังกฤษแบบธรรมดา ใน glycolysis โมเลกุลกลูโคสเดี่ยวถูกแยกออกเป็นสองโมเลกุลไพรูเวต และระหว่างทาง โมเลกุลของเชื้อเพลิงสองสามตัวและโมเลกุล "ก่อนเชื้อเพลิง" หนึ่งคู่ก็ถูกสร้างขึ้น ATP เป็นสกุลเงินเกือบสากลสำหรับพลังงานในกระบวนการเซลล์ ในขณะที่ NADH ซึ่งเป็นรูปแบบรีดิวซ์ของ NAD+ หรือนิโคตินาไมด์ อะดีนีน ไดนิวคลีโอไทด์ ทำหน้าที่เป็นตัวพาอิเล็กตรอนที่มีพลังงานสูงซึ่งในที่สุดจะบริจาคอิเล็กตรอนเหล่านั้น ในรูปของไฮโดรเจนไอออน (H+) ให้กับโมเลกุลออกซิเจนในตอนท้าย ของ ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน ใน เมแทบอลิซึมของแอโรบิก, ส่งผลให้มี ATP มากกว่าไกลโคไลซิสเพียงอย่างเดียวที่สามารถจัดหาได้

ฟอสโฟรีเลชั่นของกลูโคสหลังจากเข้าสู่ไซโตพลาสซึมส่งผลให้เกิดกลูโคส-6-ฟอสเฟต (G-6-P) ฟอสเฟตมาจาก ATP และรวมตัวกันเป็นใบกลูโคส อะดีโนซีนไดฟอสเฟต (ADP) ด้านหลัง. ดังที่ระบุไว้ สิ่งนี้จะดักจับกลูโคสภายในเซลล์

ต่อไป G-6-P จะถูกแปลงเป็น ฟรุกโตส-6-ฟอสเฟต (F-6-P). นี่คือ ไอโซเมอไรเซชัน ปฏิกิริยา เนื่องจากสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์เป็นไอโซเมอร์ของกันและกัน - โมเลกุลที่มีจำนวนอะตอมแต่ละชนิดเท่ากัน แต่มีการจัดพื้นที่ต่างกัน ในกรณีนี้ วงแหวนของฟรุกโตสมีเพียงห้าอะตอมเท่านั้น เอนไซม์ที่ทำหน้าที่เล่นกลของอะตอมที่เรียกว่า ฟอสโฟกลูโคส ไอโซเมอเรส. (ชื่อเอนไซม์ส่วนใหญ่ แม้ว่ามักจะยุ่งยาก อย่างน้อยก็สมเหตุสมผลดี)

ในปฏิกิริยาที่สามของไกลโคไลซิส F-6-P จะถูกแปลงเป็น ฟรุกโตส-1,6-บิสฟอสเฟต (F-1,6-BP). ในขั้นตอนของฟอสโฟรีเลชันนี้ ฟอสเฟตจะมาจาก ATP อีกครั้ง แต่คราวนี้จะเพิ่มไปยังอะตอมของคาร์บอนอื่น เอนไซม์ที่รับผิดชอบคือ ฟอสโฟฟรุกโตไคเนส (พีเอฟเค).

• ในปฏิกิริยาฟอสโฟรีเลชันจำนวนมาก หมู่ฟอสเฟตจะถูกเติมลงในจุดสิ้นสุดอิสระของกลุ่มฟอสเฟตที่มีอยู่ แต่ไม่ใช่ในกรณีนี้ ดังนั้น "_bis_phosphate" แทนที่จะเป็น "_di_phosphate"

ในปฏิกิริยาที่สี่ของไกลโคไลซิส โมเลกุล F-1,6-BP ซึ่งค่อนข้างไม่เสถียรเนื่องจากปริมาณฟอสเฟตในปริมาณสองเท่าจะถูกแยกออกโดยเอนไซม์ อัลโดเลส ไปเป็นโมเลกุลพาหะของคาร์บอนเดี่ยวที่มีหมู่ฟอสเฟต กลีเซอรอลดีไฮด์ 3-ฟอสเฟต (GAP) และ ไดไฮดรอกซีอะซิโตน ฟอสเฟต (ดีเอชเอพี). เหล่านี้คือไอโซเมอร์ และ DHAP จะถูกแปลงเป็น GAP อย่างรวดเร็วในขั้นตอนที่ห้าของไกลโคไลซิสโดยใช้แรงกดจากเอนไซม์ ไตรโอส ฟอสเฟต ไอโซเมอเรส (ทิม).

ในขั้นตอนนี้ โมเลกุลกลูโคสดั้งเดิมได้กลายเป็นโมเลกุลที่มีฟอสโฟรีเลตที่มีคาร์บอนสามตัวที่เหมือนกันสองโมเลกุลที่เหมือนกัน โดยมีราคาเท่ากับ 2 ATP จากจุดนี้เป็นต้นไป แต่ละปฏิกิริยาที่อธิบายไว้ของไกลโคไลซิสจะเกิดขึ้นสองครั้งสำหรับทุกโมเลกุลของกลูโคสที่ทำปฏิกิริยาไกลโคไลซิส

ในปฏิกิริยาที่หกของไกลโคไลซิส GAP จะถูกแปลงเป็น 1,3-bisphosphoglycerate (1,3-BPG) ภายใต้อิทธิพลของ กลีซาลดีไฮด์ 3-ฟอสเฟต ดีไฮโดรจีเนส. เอนไซม์ดีไฮโดรจีเนสกำจัดอะตอมของไฮโดรเจน (เช่น โปรตอน) ไฮโดรเจนที่เป็นอิสระจาก GAP จะถูกยึดติดกับโมเลกุล NAD+ ทำให้เกิด NADH เนื่องจากโมเลกุลเริ่มต้นของกลูโคสต้นน้ำทำให้เกิด สอง โมเลกุลของ GAP หลังจากเกิดปฏิกิริยานี้ สอง โมเลกุลของ NADH ถูกสร้างขึ้น

ในปฏิกิริยาไกลโคไลซิสที่เจ็ด หนึ่งในปฏิกิริยาฟอสโฟรีเลชันของไกลโคไลซิสในระยะแรกจะกลับกัน เมื่อเอนไซม์ ฟอสโฟกลีเซอเรต ไคเนส กำจัดหมู่ฟอสเฟตออกจาก 1,3-BPG ผลลัพธ์คือ 3-phosphoglycerate (3-PG). ฟอสเฟตที่ถูกดึงออกจากโมเลกุล 1,3-BPG สองตัวจะถูกต่อท้าย ADP เพื่อสร้าง ATP สองตัว ซึ่งหมายความว่าทั้งสอง ATP "ยืม" ในขั้นตอนที่หนึ่งและสามจะ "ส่งคืน" ในปฏิกิริยาที่เจ็ด

ในขั้นตอนที่แปด 3-PG จะถูกแปลงเป็น 2-phosphoglycerate (2-PG) โดย ฟอสโฟกลีเซอเรตมิวเตสซึ่งส่งผ่านกลุ่มฟอสเฟตที่เหลือหนึ่งกลุ่มไปยังอะตอมของคาร์บอนที่ต่างกัน มิวเตสแตกต่างจากไอโซเมอเรสตรงที่มันใช้งานหนักน้อยกว่า แทนที่จะจัดเรียงโครงสร้างของโมเลกุลใหม่ พวกเขาเพียงแค่เปลี่ยนกลุ่มด้านข้างของมันไปยังจุดใหม่ โดยปล่อยให้กระดูกสันหลัง วงแหวน ฯลฯ โดยรวม อย่างที่มันเป็น

ในปฏิกิริยาที่เก้าของไกลโคไลซิส 2-PG จะถูกแปลงเป็น ฟอสโฟฟีนอลไพรูเวต (PEP) ภายใต้การกระทำของ อีโนเลส. อีนอลเป็นสารประกอบที่มีพันธะคู่ของคาร์บอน-คาร์บอน ซึ่งคาร์บอนตัวใดตัวหนึ่งจับกับหมู่ไฮดรอกซิลด้วย

ในที่สุด ปฏิกิริยาที่สิบและครั้งสุดท้ายของไกลโคไลซิส PEP จะถูกเปลี่ยนเป็นไพรูเวตด้วยเอ็นไซม์ ไพรูเวท ไคเนส. หมู่ฟอสเฟตที่ถูกกำจัดออกจาก PEP ทั้งสองจะเกาะติดกับโมเลกุล ADP โดยได้ ATP สองตัวและไพรูเวตสองตัว ซึ่งมีสูตรคือ ( ค₃โฮ₄โอ₃) หรือ (CH₃)CO(COOH). ดังนั้นในขั้นต้น การประมวลผลแบบไม่ใช้ออกซิเจนของโมเลกุลเดี่ยวของกลูโคสจะให้ผลเป็นไพรูเวต 2 โมเลกุล เอทีพี 2 ตัว และ NADH สองโมเลกุล

ไพรูเวตที่เกิดขึ้นในที่สุดโดยการป้อนกลูโคสเข้าสู่เซลล์สามารถใช้หนึ่งในสองเส้นทาง ถ้าเซลล์เป็นโปรคาริโอต หรือถ้าเซลล์เป็นยูคาริโอตแต่ต้องการเชื้อเพลิงชั่วคราวมากกว่าการหายใจแบบใช้ออกซิเจนเพียงอย่างเดียว (เช่นในเซลล์กล้ามเนื้อระหว่างการออกกำลังกายอย่างหนักเช่นการวิ่งหรือยกน้ำหนัก) ไพรูเวตเข้าสู่การหมัก เส้นทาง. ถ้าเซลล์เป็นยูคาริโอตและต้องการพลังงานตามปกติ มันจะเคลื่อนไพรูเวตเข้าไปภายในไมโตคอนเดรียและมีส่วนร่วมใน เครบส์ ไซเคิล:

• การหมัก: การหมักมักใช้สลับกับ "การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน" แต่ในความเป็นจริง สิ่งนี้ทำให้เข้าใจผิดเพราะ ไกลโคไลซิส ซึ่งมาก่อนการหมัก ยังเป็นแบบไม่ใช้ออกซิเจน แม้ว่าโดยทั่วไปจะไม่ถือว่าเป็นส่วนหนึ่งของการหายใจตาม เซ
• การหมักจะสร้าง NAD+ ขึ้นใหม่เพื่อใช้ในไกลโคไลซิสโดยเปลี่ยนไพรูเวตเป็น แลคเตท. จุดประสงค์ทั้งหมดนี้คือเพื่อให้ glycolysis ดำเนินต่อไปโดยไม่มีออกซิเจนเพียงพอ การขาดแคลน NAD+ ในพื้นที่จะจำกัดกระบวนการแม้ว่าจะมีสารตั้งต้นในปริมาณที่เพียงพอ
• การหายใจแบบแอโรบิก: ซึ่งรวมถึง เครบส์ ไซเคิล และ ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน.
• วงจร Krebs: ที่นี่ไพรูเวตถูกแปลงเป็น อะเซทิลโคเอ็นไซม์ A (acetyl CoA) และคาร์บอนไดออกไซด์ (CO .)₂). สองคาร์บอนอะซิติล CoA รวมกับสี่คาร์บอน ออกซาโลอะซิเตต เพื่อสร้างซิเตรต ซึ่งเป็นโมเลกุลของคาร์บอน 6 ตัวที่ดำเนินการผ่าน "วงล้อ" (วัฏจักร) ของปฏิกิริยา 6 ประการที่ทำให้เกิด CO₂, ATP หนึ่งตัว, NADH สามตัวและ flavin adenine dinucleotide หนึ่งตัว (FADH₂).
• ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน: ที่นี่โปรตอน (H⁺ อะตอม) ของ NADH และ FADH_₂_ จากวงจร Krebs ถูกใช้เพื่อสร้างการไล่ระดับไฟฟ้าเคมีที่ขับเคลื่อนการสังเคราะห์โมเลกุล ATP จำนวน 34 (หรือมากกว่านั้น) บนเยื่อหุ้มไมโตคอนเดรีย ออกซิเจนทำหน้าที่เป็นตัวรับอิเล็กตรอนขั้นสุดท้ายที่ "หก" จากสารประกอบหนึ่งไปยังอีกสารหนึ่ง โดยเริ่มจากสายโซ่ของสารประกอบด้วยกลูโคส