บทบาทของกลูโคสในการหายใจระดับเซลล์คืออะไร?

ชีวิตบนโลกมีความหลากหลายเป็นพิเศษ ตั้งแต่แบคทีเรียที่เล็กที่สุดที่อาศัยอยู่ในช่องระบายความร้อนไปจนถึงช้างโอฬารน้ำหนักหลายตันที่สร้างบ้านของพวกเขาในเอเชีย แต่สิ่งมีชีวิตทั้งหมด (สิ่งมีชีวิต) มีลักษณะพื้นฐานหลายอย่างที่เหมือนกัน ซึ่งในนั้นจำเป็นต้องมีโมเลกุลซึ่งจะได้รับพลังงาน กระบวนการสกัดพลังงานจากแหล่งภายนอกเพื่อการเจริญเติบโต การซ่อมแซม การบำรุงรักษา และการสืบพันธุ์ เรียกว่า เมแทบอลิซึม.

สิ่งมีชีวิตทั้งหมดประกอบด้วยอย่างน้อยหนึ่ง เซลล์ (ร่างกายของคุณประกอบด้วยล้านล้าน) ซึ่งเป็นเอนทิตีที่ลดทอนไม่ได้ที่เล็กที่สุดซึ่งรวมถึงคุณสมบัติทั้งหมดที่กำหนดชีวิตโดยใช้คำจำกัดความทั่วไป เมแทบอลิซึมเป็นคุณสมบัติอย่างหนึ่งเช่นเดียวกับความสามารถในการทำซ้ำหรือทำซ้ำ ทุกเซลล์บนโลกสามารถและใช้ประโยชน์จาก กลูโคสหากไม่มีสิ่งมีชีวิตใดบนโลกจะไม่มีวันเกิดขึ้นหรือจะดูแตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง

กลูโคสมีสูตร C₆โฮ₁₂อู๋₆ทำให้โมเลกุลมีมวลโมเลกุล 180 กรัมต่อโมล (คาร์โบไฮเดรตทั้งหมดมีสูตรทั่วไป C_นโฮ_2nอู๋_น.) ทำให้กลูโคสมีขนาดใกล้เคียงกับกรดอะมิโนที่ใหญ่ที่สุด

กลูโคสในธรรมชาติมีอยู่ในรูปวงแหวนหกอะตอม ซึ่งปรากฎเป็นรูปหกเหลี่ยมในตำราส่วนใหญ่ อะตอมของคาร์บอนห้าตัวรวมอยู่ในวงแหวนพร้อมกับอะตอมออกซิเจนหนึ่งตัว ในขณะที่อะตอมของคาร์บอนที่หกเป็นส่วนหนึ่งของกลุ่มไฮดรอกซีเมทิล (-CH

กรดอะมิโน เช่น กลูโคส เป็นโมโนเมอร์ที่โดดเด่นในชีวเคมี เช่นเดียวกับ ไกลโคเจน ประกอบขึ้นจากสายโซ่ยาวของกลูโคส โปรตีนสังเคราะห์จากกรดอะมิโนสายยาว แม้ว่าจะมีกรดอะมิโนที่แตกต่างกัน 20 ชนิดซึ่งมีคุณสมบัติหลายอย่างเหมือนกัน แต่กลูโคสมาในรูปแบบโมเลกุลเดียวเท่านั้น ดังนั้นองค์ประกอบของไกลโคเจนจึงไม่แปรผันโดยพื้นฐานแล้ว ในขณะที่โปรตีนแตกต่างกันอย่างมากจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง

เมแทบอลิซึมของกลูโคสให้พลังงานในรูปของอะดีโนซีน ไตรฟอสเฟต (ATP) และ CO₂ (ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ของเสียในสมการนี้) เรียกว่า การหายใจระดับเซลล์. ขั้นแรกของสามขั้นตอนพื้นฐานของการหายใจระดับเซลล์คือ ไกลโคไลซิสปฏิกิริยา 10 ชุดที่ไม่ต้องการออกซิเจน โดย 2 ระยะสุดท้ายคือ เครบส์ ไซเคิล (เรียกอีกอย่างว่า วงจรกรดซิตริก) และ ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนซึ่งต้องการออกซิเจน เมื่อรวมกันแล้ว สองขั้นตอนสุดท้ายนี้เรียกว่า การหายใจแบบแอโรบิก.

การหายใจระดับเซลล์เกิดขึ้นเกือบทั้งหมดใน ยูคาริโอต (สัตว์ พืช และเชื้อรา) โปรคาริโอต (โดเมนเซลล์เดียวส่วนใหญ่ที่รวมแบคทีเรียและอาร์เคีย) ได้พลังงานมาจากกลูโคส แต่แทบทุกครั้งมาจากไกลโคไลซิสเพียงอย่างเดียว ความหมายก็คือ เซลล์โปรคาริโอตสามารถสร้างพลังงานได้เพียงหนึ่งในสิบของพลังงานต่อโมเลกุลของกลูโคสตามที่เซลล์ยูคาริโอตสามารถทำได้ ดังรายละเอียดในภายหลัง

"การหายใจระดับเซลล์" และ "การหายใจแบบใช้ออกซิเจน" มักใช้สลับกันเมื่อพูดถึงการเผาผลาญของเซลล์ยูคาริโอต เป็นที่เข้าใจกันว่า glycolysis แม้ว่าจะเป็นกระบวนการที่ไม่ใช้ออกซิเจน แต่ก็มักจะดำเนินไปสู่ขั้นตอนการหายใจระดับเซลล์สองขั้นตอนสุดท้ายอย่างสม่ำเสมอ โดยไม่คำนึงถึง สรุปบทบาทของกลูโคสในการหายใจระดับเซลล์ หากไม่มี การหายใจจะหยุดและเสียชีวิตตามมา

เอนไซม์ เป็นโปรตีนทรงกลมที่ทำหน้าที่เป็น ตัวเร่งปฏิกิริยา ในปฏิกิริยาเคมี ซึ่งหมายความว่าโมเลกุลเหล่านี้ช่วยเร่งความเร็วตามปฏิกิริยาที่อาจยังคงดำเนินต่อไปโดยไม่มีเอ็นไซม์ แต่ช้ากว่ามาก - บางครั้งก็มากกว่าพันปัจจัย เมื่อเอ็นไซม์ออกฤทธิ์ พวกมันจะไม่เปลี่ยนแปลงตัวเองเมื่อสิ้นสุดปฏิกิริยา ในขณะที่โมเลกุลที่พวกมันกระทำ ซึ่งเรียกว่าซับสเตรต จะถูกเปลี่ยนโดยการออกแบบด้วย สารตั้งต้น เช่น กลูโคสที่แปรสภาพเป็นผลิตภัณฑ์ เช่น CO₂.

กลูโคสและเอทีพีมีความคล้ายคลึงกันทางเคมีบางอย่าง แต่ใช้พลังงานที่เก็บไว้ในพันธะของ โมเลกุลเดิมเพื่อขับเคลื่อนการสังเคราะห์โมเลกุลหลังต้องใช้กายกรรมทางชีวเคมีเป็นจำนวนมาก เซลล์ เกือบทุกปฏิกิริยาในเซลล์ถูกกระตุ้นโดยเอนไซม์ที่จำเพาะ และเอนไซม์ส่วนใหญ่มีความเฉพาะเจาะจงสำหรับปฏิกิริยาเดียวและสารตั้งต้นของมัน Glycolysis วัฏจักร Krebs และห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนรวมกันมีปฏิกิริยาและเอนไซม์ประมาณสองโหล

เมื่อกลูโคสเข้าสู่เซลล์โดยการแพร่กระจายผ่านเยื่อหุ้มพลาสมา กลูโคสจะเกาะติดกับกลุ่มฟอสเฟต (P) หรือ phosphorylated. สิ่งนี้ดักจับกลูโคสในเซลล์เนื่องจากประจุลบของ P. ปฏิกิริยานี้ซึ่งผลิตกลูโคส-6-ฟอสเฟต (G6P) เกิดขึ้นภายใต้อิทธิพลของเอนไซม์ เฮกโซไคเนส. (เอ็นไซม์ส่วนใหญ่ลงท้ายด้วย "-ase" ทำให้รู้ได้ง่ายเมื่อคุณต้องรับมือกับสิ่งนี้ในโลกชีววิทยา)

จากนั้น G6P จะถูกจัดเรียงใหม่เป็นน้ำตาลประเภทฟอสโฟรีเลต ฟรุกโตสจากนั้นเพิ่ม P อีกตัวหนึ่ง หลังจากนั้นไม่นาน โมเลกุลของคาร์บอน 6 ตัวก็ถูกแยกออกเป็นสองโมเลกุลของคาร์บอนสามตัว แต่ละโมเลกุลมีหมู่ฟอสเฟต ไม่นานเหล่านี้ก็จัดตัวเองเป็นสารเดียวกันคือ glyceraldehyde-3-phosphate (G-3-P)

แต่ละโมเลกุลของ G-3-P ต้องผ่านชุดของขั้นตอนการจัดเรียงใหม่เพื่อแปลงเป็นโมเลกุลสามคาร์บอน ไพรูเวตทำให้เกิด ATP สองโมเลกุลและหนึ่งโมเลกุลของ NADH ตัวพาอิเล็กตรอนที่มีพลังงานสูง (ลดลงจาก nicotinamide adenine dinucleotide หรือ NAD+) ในกระบวนการ

ครึ่งแรกของไกลโคไลซิสใช้ 2 ATP ในขั้นตอนฟอสโฟรีเลชั่น ในขณะที่ครึ่งหลังให้ผลรวมของไพรูเวต 2 อัน, NADH 2 อัน และ 4 เอทีพี ในแง่ของการผลิตพลังงานโดยตรง ไกลโคไลซิสจึงส่งผลให้ 2 ATP ต่อโมเลกุลกลูโคส glucose. สำหรับโปรคาริโอตส่วนใหญ่ แสดงถึงเพดานที่มีประสิทธิภาพของการใช้กลูโคส ในยูคาริโอต การแสดงการหายใจระดับน้ำตาลกลูโคสได้เริ่มต้นขึ้นเท่านั้น

จากนั้นโมเลกุลของไพรูเวตจะเคลื่อนจากไซโตพลาสซึมของเซลล์ไปยังด้านในของออร์แกเนลล์ที่เรียกว่า ไมโตคอนเดรียซึ่งล้อมรอบด้วยเมมเบรนพลาสม่าคู่ของตัวเอง ที่นี่ไพรูเวตแบ่งออกเป็นCO₂ และอะซิเตท (CH₃COOH-) และอะซิเตทถูกจับโดยสารประกอบจากคลาส B-vitamin ที่เรียกว่า coenzyme A (CoA) กลายเป็น อะเซทิลโคเอซึ่งเป็นสารตัวกลางสองคาร์บอนที่สำคัญในช่วงของปฏิกิริยาของเซลล์

เพื่อเข้าสู่วัฏจักรเครบส์ อะเซทิลโคเอจะทำปฏิกิริยากับสารประกอบสี่คาร์บอน ออกซาโลอะซิเตต แบบฟอร์ม ซิเตรต. เนื่องจากออกซาโลอะซิเตตเป็นโมเลกุลสุดท้ายที่สร้างขึ้นในปฏิกิริยาเครบส์เช่นเดียวกับสารตั้งต้นในปฏิกิริยาแรก ซีรีส์นี้จึงได้รับคำอธิบายว่า "วัฏจักร" วัฏจักร รวมปฏิกิริยาทั้งหมด 8 ปฏิกิริยา ซึ่งลด 6 คาร์บอนซิเตรตเป็นโมเลกุลคาร์บอน 5 โมเลกุล และจากนั้นไปเป็นชุดของตัวกลางคาร์บอน 4 ตัวก่อนที่จะมาถึงอีกครั้งที่ ออกซาโลอะซิเตต

แต่ละโมเลกุลของไพรูเวตเข้าสู่วัฏจักรเครบส์ส่งผลให้เกิดการผลิต CO. เพิ่มขึ้นอีกสอง₂, 1 ATP, 3 NADH และ 1 โมเลกุลของตัวพาอิเล็กตรอนที่คล้ายกับ NADH เรียกว่า ฟลาวิน อะดีนีน ไดนิวคลีโอไทด์หรือ FADH₂.

• วงจร Krebs สามารถดำเนินต่อไปได้ก็ต่อเมื่อห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนทำงานปลายน้ำเพื่อรับ NADH และ FADH₂ มันสร้าง ดังนั้นหากไม่มีออกซิเจนในเซลล์ วงจร Krebs จะหยุดลง

NADH และ FADH₂ ย้ายไปยังเยื่อหุ้มไมโตคอนเดรียชั้นในสำหรับกระบวนการนี้ บทบาทของห่วงโซ่คือ ออกซิเดชันฟอสโฟรีเลชั่น ของโมเลกุล ADP ให้กลายเป็น ATP อะตอมของไฮโดรเจนจากตัวพาอิเล็กตรอนถูกใช้เพื่อสร้างการไล่ระดับเคมีไฟฟ้าผ่านเยื่อหุ้มไมโตคอนเดรีย พลังงานจากการไล่ระดับนี้ ซึ่งอาศัยออกซิเจนเพื่อรับอิเล็กตรอนในท้ายที่สุด ถูกควบคุมเพื่อให้พลังงานในการสังเคราะห์เอทีพี

โมเลกุลของกลูโคสแต่ละโมเลกุลมีส่วนช่วยในที่ใดก็ได้ตั้งแต่ 36 ถึง 38 ATP ผ่านการหายใจระดับเซลล์: 2 ในไกลโคไลซิส 2 ในวงจร Krebs และ 32 ถึง 34 (ขึ้นอยู่กับวิธีการวัดในห้องปฏิบัติการ) ในการขนส่งอิเล็กตรอน เชื่อมต่อ.