วิธีการเผาผลาญกลูโคสเพื่อสร้าง ATP

กลูโคส ซึ่งเป็นน้ำตาล 6 คาร์บอน เป็น "ปัจจัยป้อนเข้า" พื้นฐานในสมการที่ขับเคลื่อนทุกชีวิต พลังงานจากภายนอกถูกแปลงเป็นพลังงานสำหรับเซลล์ด้วยวิธีบางอย่าง ทุกสิ่งมีชีวิตที่ยังมีชีวิตอยู่ ตั้งแต่เพื่อนที่ดีที่สุดของคุณไปจนถึงแบคทีเรียที่ต่ำที่สุด มีเซลล์ที่เผาผลาญกลูโคสเพื่อเป็นเชื้อเพลิงที่ระดับการเผาผลาญของราก

สิ่งมีชีวิตต่างกันในระดับที่เซลล์ของพวกมันสามารถดึงพลังงานจากกลูโคสได้ ในทุกเซลล์พลังงานนี้อยู่ในรูปของ อะดีโนซีน ไตรฟอสเฟต (เอทีพี).

ดังนั้นสิ่งหนึ่ง เซลล์ที่มีชีวิตทั้งหมดมีเหมือนกันคือ พวกมันเผาผลาญกลูโคสเพื่อสร้าง ATP. โมเลกุลกลูโคสที่เข้าสู่เซลล์อาจเริ่มด้วยการรับประทานสเต็ก อาหารสัตว์ หรืออย่างอื่น

กระบวนการย่อยอาหารและทางชีวเคมีต่างๆ ได้แยกย่อยโมเลกุลคาร์บอนหลายตัวทั้งหมดลงใน สารใดก็ตามที่สิ่งมีชีวิตกินเข้าไปเพื่อหล่อเลี้ยงน้ำตาลโมโนแซ็กคาไรด์ที่เข้าสู่การเผาผลาญของเซลล์ ทางเดิน

ทางเคมี กลูโคส คือ hexose น้ำตาล, เลขฐานสิบหก เป็นคำนำหน้าภาษากรีกสำหรับ "หก" จำนวนอะตอมของคาร์บอนในกลูโคส สูตรโมเลกุลของมันคือ ค₆โฮ₁₂โอ₆โดยให้น้ำหนักโมเลกุลเท่ากับ 180 กรัมต่อโมล

กลูโคสยังเป็น a

โปรดทราบว่าอัตราส่วนของอะตอมของคาร์บอน ไฮโดรเจน และออกซิเจนในกลูโคสคือ 1:2:1 คาร์โบไฮเดรตทั้งหมด อันที่จริง แสดงอัตราส่วนนี้ และสูตรโมเลกุลของพวกมันทั้งหมดอยู่ในรูปแบบ C_นโฮ_2nโอ_น.

ATP เป็น นิวคลีโอไซด์ในกรณีนี้ อะดีโนซีน ซึ่งมีกลุ่มฟอสเฟตสามกลุ่มติดอยู่ สิ่งนี้ทำให้ actually นิวคลีโอไทด์เนื่องจากนิวคลีโอไซด์คือ a เพนโตส น้ำตาล (อย่างใดอย่างหนึ่ง ไรโบส หรือ ดีออกซีไรโบส) รวมกับฐานไนโตรเจน (เช่น อะดีนีน ไซโตซีน กัวนีน ไทมีน หรือยูราซิล) ในขณะที่นิวคลีโอไทด์คือนิวคลีโอไซด์ที่มีหมู่ฟอสเฟตหนึ่งกลุ่มหรือมากกว่าติดอยู่ แต่ศัพท์เฉพาะ สิ่งสำคัญที่ควรรู้ ATP คือประกอบด้วยอะดีนีน ไรโบส และสายโซ่ของฟอสเฟต (P) สามกลุ่ม

ATP ทำผ่าน ฟอสโฟรีเลชั่น ของ อะดีโนซีนไดฟอสเฟต (ADP)และในทางกลับกัน เมื่อพันธะเทอร์มินอลฟอสเฟตใน ATP เป็น ไฮโดรไลซ์, ADP และ P_ผม (อนินทรีย์ฟอสเฟต) เป็นผลิตภัณฑ์ เอทีพีถือเป็น "สกุลเงินพลังงาน" ของเซลล์ เนื่องจากโมเลกุลที่ไม่ธรรมดานี้ถูกใช้เพื่อให้พลังงานแก่กระบวนการเผาผลาญเกือบทุกขั้นตอน

การหายใจระดับเซลล์ เป็นชุดของวิถีเมแทบอลิซึมในสิ่งมีชีวิตที่มียูคาริโอตที่เปลี่ยนกลูโคสเป็น ATP และคาร์บอนไดออกไซด์ต่อหน้า ของออกซิเจน ปล่อยน้ำและสร้างความมั่งคั่งของ ATP (36 ถึง 38 โมเลกุลต่อโมเลกุลกลูโคสที่ลงทุน) ใน กระบวนการ.

สูตรเคมีที่สมดุลสำหรับปฏิกิริยาสุทธิโดยรวม ไม่รวมตัวพาอิเล็กตรอนและโมเลกุลพลังงาน คือ:

ค₆โฮ₁₂โอ₆ + 6 ออน₂ → 6 CO₂ + 6 ชั่วโมง₂โอ

การหายใจระดับเซลล์ประกอบด้วยเส้นทางที่แตกต่างกันสามเส้นทาง:

• ไกลโคไลซิสซึ่งเกิดขึ้นในทุกเซลล์และเกิดขึ้นในไซโตพลาสซึม และเป็นขั้นตอนแรกของการเผาผลาญกลูโคสเสมอ (และในโปรคาริโอตส่วนใหญ่ก็เป็นขั้นตอนสุดท้ายเช่นกัน)
  
• เครบส์ ไซเคิลเรียกอีกอย่างว่าวัฏจักรกรดไตรคาร์บอกซิลิก (TCA) หรือวัฏจักรกรดซิตริก ซึ่งแผ่ออกมาในเมทริกซ์ของไมโตคอนเดรีย
• ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนซึ่งเกิดขึ้นที่เยื่อหุ้มไมโตคอนเดรียชั้นใน และสร้าง ATP ส่วนใหญ่ที่ผลิตขึ้นในการหายใจระดับเซลล์

สองขั้นตอนหลังนี้ขึ้นอยู่กับออกซิเจนและรวมกันเป็นส่วนประกอบ การหายใจแบบแอโรบิก. อย่างไรก็ตามบ่อยครั้งในการอภิปรายเกี่ยวกับการเผาผลาญของยูคาริโอต glycolysis แม้ว่าจะไม่ได้ขึ้นอยู่กับออกซิเจนก็ถือว่าเป็นส่วนหนึ่ง "การหายใจแบบแอโรบิก" เพราะผลิตภัณฑ์หลักเกือบทั้งหมด ไพรูเวต, เข้าไปอีกสองทาง.

ใน glycolysis กลูโคสจะถูกแปลงเป็นปฏิกิริยา 10 แบบเป็นโมเลกุลไพรูเวตด้วย a กำไรสุทธิของสองโมเลกุลของ ATP และสองโมเลกุลของ "ตัวพาอิเล็กตรอน" นิโคตินาไมด์ อะดีนีน ไดนิวคลีโอไทด์ (NADH). สำหรับทุกโมเลกุลของกลูโคสที่เข้าสู่กระบวนการ ไพรูเวตสองโมเลกุลจะถูกสร้างขึ้น เนื่องจากไพรูเวตมีอะตอมของคาร์บอนสามอะตอมถึงหกของกลูโคส

ในขั้นตอนแรก กลูโคสจะถูกฟอสโฟรีเลตกลายเป็น กลูโคส-6-ฟอสเฟต (G6P). สิ่งนี้ทำให้กลูโคสถูกเผาผลาญแทนที่จะลอยกลับผ่าน เยื่อหุ้มเซลล์เนื่องจากหมู่ฟอสเฟตทำให้ G6P มีประจุเป็นลบ ในไม่กี่ขั้นตอนถัดไป โมเลกุลจะถูกจัดเรียงใหม่เป็นอนุพันธ์ของน้ำตาลที่แตกต่างกัน จากนั้นจึงถูกฟอสโฟรีเลตเป็นครั้งที่สอง ฟรุกโตส-1,6-บิสฟอสเฟต.

ขั้นตอนแรกๆ ของไกลโคไลซิสเหล่านี้ต้องการการลงทุนของเอทีพีสองตัวเพราะนี่คือที่มาของกลุ่มฟอสเฟตในปฏิกิริยาฟอสโฟรีเลชัน

ฟรุกโตส-1,6-บิสฟอสเฟตแยกออกเป็นสองโมเลกุลของคาร์บอนสามตัวที่แตกต่างกัน แต่ละโมเลกุลมีกลุ่มฟอสเฟตของตัวเอง สิ่งเหล่านี้เกือบทั้งหมดถูกแปลงเป็นอีกอันหนึ่งอย่างรวดเร็ว กลีเซอรอลดีไฮด์-3-ฟอสเฟต (G3P). จากจุดนี้เป็นต้นไป ทุกอย่างจะถูกทำซ้ำเพราะมี G3P สองตัวสำหรับกลูโคส "ต้นน้ำ" ทุกตัว

จากจุดนี้ G3P จะถูกฟอสโฟรีเลตในขั้นตอนที่ผลิต NADH จากรูปแบบออกซิไดซ์ NAD+ จากนั้นกลุ่มฟอสเฟตทั้งสองคือ มอบให้กับโมเลกุล ADP ในขั้นตอนของการจัดเรียงใหม่ภายหลังเพื่อผลิตโมเลกุล ATP สองโมเลกุลพร้อมกับผลิตภัณฑ์คาร์บอนสุดท้ายของไกลโคไลซิส ไพรูเวต

เนื่องจากสิ่งนี้เกิดขึ้นสองครั้งต่อโมเลกุลของกลูโคส ครึ่งหลังของไกลโคไลซิสจะสร้าง ATP สี่ตัวสำหรับ a สุทธิ ได้มาจากไกลโคไลซิสของ ATP สองตัว (เนื่องจากต้องใช้สองตัวในช่วงต้นของกระบวนการ) และ NADH สองตัว

ใน ปฏิกิริยาเตรียมการหลังจากที่ไพรูเวตที่สร้างขึ้นในไกลโคไลซิสหาทางจากไซโตพลาสซึมไปยังเมทริกซ์ของไมโตคอนเดรีย จะถูกแปลงเป็นอะซิเตทก่อน₃COOH-) และ CO₂ (ของเสียในสถานการณ์นี้) แล้วจึงต่อสารประกอบที่เรียกว่า อะเซทิลโคเอ็นไซม์ A, หรือ อะเซทิลโคเอ. ในปฏิกิริยานี้ NADH จะถูกสร้างขึ้น สิ่งนี้กำหนดขั้นตอนสำหรับวงจร Krebs

ปฏิกิริยาแปดชุดนี้มีชื่อเรียกเช่นนั้น เนื่องจากหนึ่งในสารตั้งต้นในขั้นตอนแรก ออกซาโลอะซิเตตยังเป็นผลิตภัณฑ์ในขั้นตอนสุดท้าย งานของวงจร Krebs คืองานของซัพพลายเออร์มากกว่าผู้ผลิต: สร้าง ATP เพียงสอง ATP ต่อโมเลกุลของกลูโคส แต่ก่อให้เกิด NADH อีกหกตัวและ FADH สองแห่ง₂ซึ่งเป็นพาหะอิเล็กตรอนอีกตัวหนึ่งและเป็นญาติสนิทของ NADH

(โปรดทราบว่านี่หมายถึงหนึ่ง ATP, สาม NADH และหนึ่ง FADH₂ต่อรอบของวงจร. สำหรับทุกกลูโคสที่เข้าสู่ไกลโคไลซิส สองโมเลกุลของ acetyl CoA จะเข้าสู่วัฏจักรเครบส์)

ตามระดับน้ำตาลต่อกลูโคส การนับพลังงานถึงจุดนี้คือ ATP สี่ (สองจากไกลโคไลซิสและสองจากเครบส์ รอบ), 10 NADH (สองจากไกลโคไลซิส, สองจากปฏิกิริยาเตรียมและหกจากวงจรเครบส์) และสอง FADH₂ จากวัฏจักรเครบส์ ในขณะที่สารประกอบคาร์บอนในวัฏจักรเครบส์ยังคงหมุนรอบต้นน้ำ ตัวพาอิเล็กตรอนจะย้ายจากเมทริกซ์ของไมโตคอนเดรียไปยัง เยื่อหุ้มไมโตคอนเดรีย.

เมื่อ NADH และ FADH₂ ปล่อยอิเลคตรอน สิ่งเหล่านี้ถูกใช้เพื่อสร้างการไล่ระดับเคมีไฟฟ้าผ่านเยื่อหุ้มไมโตคอนเดรีย เกรเดียนต์นี้ใช้เพื่อเสริมพลังการยึดติดของกลุ่มฟอสเฟตกับ ADP เพื่อสร้าง ATP ในกระบวนการที่เรียกว่า ออกซิเดชันฟอสโฟรีเลชั่นตั้งชื่อตามนี้เพราะตัวรับอิเล็กตรอนที่เรียงต่อกันจากตัวพาอิเล็กตรอนไปยังตัวพาอิเล็กตรอนในสายโซ่คือออกซิเจน (O₂).

เนื่องจาก NADH แต่ละตัวให้ ATP สามตัวและ FADH. แต่ละตัว₂ ให้ ATP สองอันในปฏิกิริยาออกซิเดชันฟอสโฟรีเลชั่น ซึ่งจะบวก (10)(3) + (2)(2) = 34 ATP ให้กับส่วนผสม ดังนั้น กลูโคสหนึ่งโมเลกุลสามารถให้ผลผลิตได้ถึง 38 ATP ใน สิ่งมีชีวิตยูคาริโอต.