แหล่งพลังงานหลักของเซลล์คืออะไร?

คุณอาจเข้าใจตั้งแต่ยังเด็กว่าอาหารที่คุณกินจะต้องกลายเป็น "บางอย่าง" ที่เล็กกว่าอาหารนั้นมากสำหรับสิ่งที่ "อยู่ใน" อาหารเพื่อช่วยให้ร่างกายของคุณ เมื่อมันเกิดขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่ง โมเลกุลเดี่ยวของประเภท คาร์โบไฮเดรต จัดเป็น น้ำตาล เป็นแหล่งเชื้อเพลิงขั้นสุดท้ายในปฏิกิริยาเมตาบอลิซึมที่เกิดขึ้นในเซลล์ใด ๆ ได้ตลอดเวลา

โมเลกุลนั้นคือ กลูโคสซึ่งเป็นโมเลกุลคาร์บอน 6 ตัวที่มีลักษณะเป็นวงแหวนแหลมคม ในทุกเซลล์จะเข้าสู่ ไกลโคไลซิสและในเซลล์ที่ซับซ้อนมากขึ้น มันยังมีส่วนร่วมใน การหมัก การสังเคราะห์ด้วยแสง และ การหายใจระดับเซลล์ ในระดับต่าง ๆ ในสิ่งมีชีวิตที่แตกต่างกัน

แต่วิธีตอบคำถาม "เซลล์ใช้โมเลกุลอะไรเป็นแหล่งพลังงาน" กำลังตีความว่า "โมเลกุลอะไร โดยตรง ให้พลังแก่กระบวนการของเซลล์เองหรือ”

โมเลกุลที่ "ให้กำลัง" ซึ่งเหมือนกับกลูโคสนั้นทำงานในทุกเซลล์คือ ATP, หรือ อะดีโนซีน ไตรฟอสเฟตนิวคลีโอไทด์ที่มักเรียกว่า "สกุลเงินพลังงานของเซลล์" คุณควรนึกถึงโมเลกุลใด เมื่อคุณถามตัวเองว่า "โมเลกุลอะไรเป็นเชื้อเพลิงของทุกเซลล์" มันคือกลูโคสหรือเอทีพี?

การตอบคำถามนี้คล้ายกับการเข้าใจความแตกต่างระหว่างการพูดว่า "มนุษย์ได้เชื้อเพลิงฟอสซิลจากพื้นดิน" และ "มนุษย์ได้ฟอสซิล" พลังงานเชื้อเพลิงจากโรงไฟฟ้าถ่านหิน" ทั้งสองข้อความเป็นความจริง แต่กล่าวถึงขั้นตอนต่างๆ ในห่วงโซ่การแปลงพลังงานของเมตาบอลิซึม ปฏิกิริยา ในสิ่งมีชีวิต

สิ่งมีชีวิตทั้งหมดอยู่ในหนึ่งในสองประเภทกว้าง ๆ ได้แก่ โปรคาริโอตและยูคาริโอต โปรคาริโอตเป็นสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวของอนุกรมวิธาน โดเมน แบคทีเรียและอาร์เคีย ในขณะที่ยูคาริโอตทั้งหมดอยู่ในโดเมนยูคาริโอต ซึ่งรวมถึงสัตว์ พืช เชื้อรา และโปรติสต์

โปรคาริโอตมีขนาดเล็กและเรียบง่ายเมื่อเทียบกับยูคาริโอต เซลล์ของพวกมันซับซ้อนน้อยกว่าตามลำดับ ในกรณีส่วนใหญ่ เซลล์โปรคาริโอตก็เหมือนกับสิ่งมีชีวิตโปรคาริโอต และความต้องการพลังงานของแบคทีเรียนั้นต่ำกว่าเซลล์ยูคาริโอตมาก

เซลล์โปรคาริโอตมีองค์ประกอบสี่อย่างเหมือนกันที่พบในเซลล์ทั้งหมดในโลกธรรมชาติ ได้แก่ ดีเอ็นเอ เยื่อหุ้มเซลล์ ไซโตพลาสซึม และไรโบโซม ไซโตพลาสซึมของพวกมันมีเอ็นไซม์ทั้งหมดที่จำเป็นสำหรับไกลโคไลซิส แต่การไม่มีไมโตคอนเดรียและคลอโรพลาสต์หมายความว่าไกลโคไลซิสเป็นวิถีทางเมแทบอลิซึมทางเดียวที่มีอยู่สำหรับโปรคาริโอต

อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับความเหมือนและความแตกต่างระหว่างเซลล์โปรคาริโอตและยูคาริโอต

กลูโคสเป็นน้ำตาลหกคาร์บอนในรูปของวงแหวน แสดงในแผนภาพด้วยรูปทรงหกเหลี่ยม สูตรทางเคมีของมันคือ C₆โฮ₁₂อู๋₆ให้อัตราส่วน C/H/O 1:2:1; นี้เป็นความจริง อันที่จริง หรือชีวโมเลกุลทั้งหมดที่จัดเป็นคาร์โบไฮเดรต

กลูโคสถือเป็น a โมโนแซ็กคาไรด์ซึ่งหมายความว่าไม่สามารถลดลงเป็นน้ำตาลที่แตกต่างกันและมีขนาดเล็กลงได้โดยการทำลายพันธะไฮโดรเจนระหว่างส่วนประกอบต่างๆ ฟรุกโตสเป็นโมโนแซ็กคาไรด์อีกชนิดหนึ่ง ซูโครส (น้ำตาลโต๊ะ) ซึ่งทำโดยการรวมกลูโคสและฟรุกโตสเข้าด้วยกัน ถือเป็น ไดแซ็กคาไรด์.

กลูโคสเรียกอีกอย่างว่า "น้ำตาลในเลือด" เพราะเป็นสารประกอบที่มีการวัดความเข้มข้นในเลือดเมื่อคลินิกหรือห้องปฏิบัติการของโรงพยาบาลกำหนดสถานะการเผาผลาญของผู้ป่วย สามารถฉีดเข้ากระแสเลือดได้โดยตรงในสารละลายทางหลอดเลือดดำเพราะไม่ต้องมีการสลายก่อนเข้าสู่เซลล์ของร่างกาย

ATP เป็น นิวคลีโอไทด์ซึ่งหมายความว่าประกอบด้วยหนึ่งในห้าฐานไนโตรเจนที่แตกต่างกัน น้ำตาลคาร์บอนห้าชนิดที่เรียกว่าไรโบส และหมู่ฟอสเฟตหนึ่งถึงสาม เบสในนิวคลีโอไทด์สามารถเป็นได้ทั้ง adenine (A), cytosine (C), guanine (G), thymine (T) หรือ uracil (U) นิวคลีโอไทด์เป็นส่วนประกอบสำคัญของ DNA และ RNA ของกรดนิวคลีอิก A, C และ G พบได้ในกรดนิวคลีอิกทั้งสองในขณะที่ T พบได้เฉพาะใน DNA และ U เท่านั้นใน RNA

"TP" ใน ATP อย่างที่คุณเห็น ย่อมาจาก "triphosphate" และบ่งชี้ว่า ATP มีจำนวนฟอสเฟตสูงสุดที่นิวคลีโอไทด์สามารถมีได้ – สามกลุ่ม ATP ส่วนใหญ่เกิดจากการยึดติดของกลุ่มฟอสเฟตกับ ADP หรืออะดีโนซีนไดฟอสเฟต ซึ่งเป็นกระบวนการที่เรียกว่าฟอสโฟรีเลชัน

เอทีพีและอนุพันธ์ของเอทีพีมีการนำไปใช้อย่างกว้างขวางในด้านชีวเคมีและการแพทย์ ซึ่งส่วนใหญ่อยู่ในขั้นตอนการสำรวจเมื่อศตวรรษที่ 21 เข้าใกล้ทศวรรษที่สาม

การปล่อยพลังงานจากอาหารเกี่ยวข้องกับการทำลายพันธะเคมีในส่วนประกอบอาหาร และควบคุมพลังงานนี้เพื่อสังเคราะห์โมเลกุล ATP ตัวอย่างเช่น คาร์โบไฮเดรตล้วน ออกซิไดซ์ สุดท้ายกลายเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) และน้ำ (H₂อ.) ไขมันยังถูกออกซิไดซ์ด้วยโซ่กรดไขมันที่ให้โมเลกุลอะซิเตตซึ่งจะเข้าสู่การหายใจแบบใช้ออกซิเจนในไมโทคอนเดรียที่มียูคาริโอต

ผลิตภัณฑ์ที่สลายตัวของโปรตีนอุดมไปด้วยไนโตรเจนและใช้สำหรับสร้างโปรตีนและกรดนิวคลีอิกอื่นๆ แต่กรดอะมิโน 20 ชนิดที่สร้างจากโปรตีนสามารถปรับเปลี่ยนและเข้าสู่การเผาผลาญของเซลล์ที่ระดับการหายใจของเซลล์ (เช่น หลังจากไกลโคไลซิส)

สรุป:Glycolysis ผลิตโดยตรง 2 ATP สำหรับทุกโมเลกุลของกลูโคส มันให้ไพรูเวตและพาหะอิเล็กตรอนสำหรับกระบวนการเผาผลาญต่อไป

ไกลโคไลซิสเป็นชุดของปฏิกิริยาสิบอย่างซึ่งโมเลกุลของกลูโคสถูกเปลี่ยนเป็นสองโมเลกุลของไพรูเวตโมเลกุลคาร์บอนสามโมเลกุล โดยให้ผล 2 ATP ตลอดทาง ประกอบด้วยระยะ "การลงทุน" ในระยะเริ่มต้น ซึ่งใช้ 2 ATP เพื่อยึดกลุ่มฟอสเฟตกับโมเลกุลกลูโคสที่ขยับตัว และระยะ "กลับคืน" ในภายหลังใน ซึ่งอนุพันธ์ของกลูโคสที่แยกออกเป็นคู่ของสารประกอบกลางที่มีคาร์บอนสามตัวให้ผลผลิต 2 ATP ต่อสารประกอบสามคาร์บอนและ 4 นี้ โดยรวม

ซึ่งหมายความว่าผลสุทธิของไกลโคไลซิสคือการผลิต 2 ATP ต่อโมเลกุลกลูโคส เนื่องจากมีการใช้ 2 ATP ในขั้นตอนการลงทุน แต่จะมีการสร้าง ATP ทั้งหมด 4 ขั้นตอนในระยะผลตอบแทน

อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับไกลโคไลซิส

สรุป:การหมักเติมเต็ม NAD⁺ สำหรับไกลโคไลซิส; มันไม่ผลิต ATP โดยตรง

เมื่อมีออกซิเจนไม่เพียงพอเพื่อตอบสนองความต้องการด้านพลังงาน เช่น เมื่อคุณวิ่งอย่างหนักหรือยกน้ำหนักมาก ไกลโคลิซิสอาจเป็นกระบวนการเมแทบอลิซึมเดียวที่มี นี่คือจุดที่ "กรดแลคติกเผาไหม้" ที่คุณอาจเคยได้ยินมา หากไพรูเวตไม่สามารถเข้าสู่การหายใจแบบใช้ออกซิเจนตามที่อธิบายไว้ด้านล่าง ไพรูเวตจะถูกแปลงเป็นแลคเตตซึ่งตัวมันเอง ไม่ได้ช่วยอะไรมากแต่ทำให้มั่นใจได้ว่าไกลโคไลซิสสามารถดำเนินต่อไปได้โดยการจัดหาโมเลกุลตัวกลางที่สำคัญ เรียกว่า NAD⁺.

สรุป:วงจร Krebs ผลิต 1 ATP ต่อรอบของวัฏจักร (และเท่ากับ 2 ATP ต่อกลูโคส "ต้นน้ำ" เนื่องจากไพรูเวต 2 อันสามารถสร้างอะเซทิลโคเอได้ 2 อัน)

ภายใต้สภาวะปกติของออกซิเจนที่เพียงพอ ไพรูเวตเกือบทั้งหมดที่สร้างขึ้นในไกลโคไลซิสในยูคาริโอตจะเคลื่อนที่จาก ไซโตพลาสซึมไปเป็นออร์แกเนลล์ ("อวัยวะเล็กๆ") ที่รู้จักกันในชื่อไมโทคอนเดรีย ซึ่งจะเปลี่ยนเป็นโมเลกุลของคาร์บอนคู่ อะเซทิลโคเอ็นไซม์ A (acetyl CoA) โดยการลอกออกและปล่อย CO₂. โมเลกุลนี้รวมกับโมเลกุลสี่คาร์บอนที่เรียกว่าออกซาโลอะซีเตตเพื่อสร้างซิเตรต ซึ่งเป็นขั้นตอนแรกในสิ่งที่เรียกว่าวัฏจักร TCA หรือวัฏจักรกรดซิตริก

ในที่สุด "วงล้อ" ของปฏิกิริยานี้ลดซิเตรตกลับไปเป็นออกซาโลอะซีเตต และระหว่างทางจะเกิด ATP เดียวพร้อมกับตัวพาอิเล็กตรอนพลังงานสูงสี่ตัวที่เรียกว่า (NADH และ FADH)₂).

สรุป:ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนให้ผลตอบแทนประมาณ 32 ถึง 34 ATP ต่อโมเลกุลกลูโคส "ต้นน้ำ" ทำให้เป็นผู้สนับสนุนพลังงานเซลล์ที่ใหญ่ที่สุดในยูคาริโอต

ตัวพาอิเล็กตรอนจากวัฏจักร Krebs จะเคลื่อนจากด้านในของไมโตคอนเดรียไปยังเยื่อหุ้มชั้นในของออร์แกเนลล์ ซึ่งมีเอ็นไซม์พิเศษทุกประเภทที่เรียกว่าไซโตโครมที่พร้อมจะทำงาน กล่าวโดยสรุป เมื่ออิเล็กตรอนในรูปของอะตอมไฮโดรเจน ถูกดึงออกจากตัวพาของพวกมัน สิ่งนี้จะเพิ่มพลังให้ฟอสโฟรีเลชันของโมเลกุล ADP กลายเป็น ATP

ต้องมีออกซิเจนเป็นตัวรับอิเล็กตรอนตัวสุดท้ายในน้ำตกที่เกิดขึ้นข้ามเมมเบรนเพื่อให้เกิดปฏิกิริยาต่อเนื่องกัน หากไม่เป็นเช่นนั้น กระบวนการหายใจของเซลล์จะ "สำรอง" และวัฏจักรเครบส์ก็จะไม่เกิดขึ้นเช่นกัน