Glycolysis ทำหน้าที่อะไร?

Glycolysis เป็นกระบวนการสากลระหว่างรูปแบบชีวิตบนดาวเคราะห์โลก ตั้งแต่แบคทีเรียเซลล์เดียวที่ง่ายที่สุดไปจนถึงวาฬที่ใหญ่ที่สุดในทะเล สิ่งมีชีวิตทั้งหมด (หรือโดยเฉพาะอย่างยิ่ง เซลล์ของพวกมัน) ใช้โมเลกุลน้ำตาลคาร์บอน 6 ตัว ตั้งแต่แบคทีเรียเซลล์เดียวที่ง่ายที่สุดไปจนถึงวาฬที่ใหญ่ที่สุดในทะเล กลูโคส เป็นแหล่งพลังงาน

ไกลโคไลซิส เป็นชุดของปฏิกิริยาทางชีวเคมี 10 ประการที่ทำหน้าที่เป็นขั้นตอนแรกสู่การสลายกลูโคสอย่างสมบูรณ์ ในสิ่งมีชีวิตจำนวนมาก ยังเป็นขั้นตอนสุดท้ายและดังนั้นจึงเป็นเพียงขั้นตอนเท่านั้น

Glycolysis เป็นครั้งแรกในสามขั้นตอนของ การหายใจระดับเซลล์ ในโดเมนอนุกรมวิธาน (เช่น การจำแนกชีวิต) ยูคาริโอต (หรือ ยูคาริโอต) ซึ่งรวมถึงสัตว์ พืช โพรทิสต์ และเชื้อรา

ในโดเมนแบคทีเรียและอาร์เคียซึ่งรวมกันเป็นสิ่งมีชีวิตที่มีเซลล์เดียวส่วนใหญ่เรียกว่า โปรคาริโอต, glycolysis เป็นการแสดงเมตาบอลิซึมเพียงแห่งเดียวในเมือง เนื่องจากเซลล์ของพวกมันขาดกลไกในการหายใจระดับเซลล์จนเสร็จสมบูรณ์

ปฏิกิริยาที่สมบูรณ์ซึ่งครอบคลุมโดยแต่ละขั้นตอนของไกลโคไลซิสคือ:

ค₆โฮ₁₂โอ₆ + 2 NAD⁺ + 2 ADP + 2 P_ผม → 2 CH₃(C=O)COOH + 2 ATP + 2 NADH + 4 H⁺ + 2 ชั่วโมง₂โอ

กล่าวคือ กลูโคส สารพาอิเล็กตรอน นิโคตินาไมด์ อะดีนีน ไดนิวคลีโอไทด์ อะดีโนซีน ไดฟอสเฟต และอนินทรีย์ฟอสเฟต (P_ผม) รวมกันเป็นไพรูเวต อะดีโนซีน ไตรฟอสเฟตซึ่งเป็นรูปแบบรีดิวซ์ของนิโคตินาไมด์อะดีนีนไดนิวคลีโอไทด์และไฮโดรเจนไอออน (ซึ่งถือได้ว่าเป็นอิเล็กตรอน)

โปรดทราบว่าออกซิเจนไม่ปรากฏในสมการนี้เพราะ glycolysis สามารถดำเนินต่อไปได้โดยไม่ต้องใช้ O₂. นี่อาจเป็นจุดของความสับสน เพราะเนื่องจากไกลโคไลซิสเป็นสารตั้งต้นที่จำเป็นต่อส่วนแอโรบิกของ การหายใจระดับเซลล์ในยูคาริโอต ("แอโรบิก" หมายถึง "มีออกซิเจน") มักถูกมองว่าเป็นแอโรบิกอย่างผิดพลาด กระบวนการ.

กลูโคสเป็นคาร์โบไฮเดรต ซึ่งหมายความว่าสูตรจะถือว่าอัตราส่วนของไฮโดรเจนสองอะตอมต่ออะตอมของคาร์บอนและออกซิเจนทั้งหมด: C_นโฮ_2nโอ_น. มันคือน้ำตาล และโดยเฉพาะ a โมโนแซ็กคาไรด์ซึ่งหมายความว่าไม่สามารถแยกออกเป็นน้ำตาลอื่น ๆ ได้เช่นเดียวกับ ไดแซ็กคาไรด์ ซูโครสและกาแลคโตส ประกอบด้วยรูปทรงวงแหวนหกอะตอม ห้าอะตอมเป็นคาร์บอน และหนึ่งในนั้นคือออกซิเจน

กลูโคสสามารถสะสมในร่างกายเป็นพอลิเมอร์ที่เรียกว่า ไกลโคเจนซึ่งไม่มีอะไรมากไปกว่าสายโซ่ยาวหรือแผ่นของโมเลกุลกลูโคสแต่ละตัวที่เชื่อมกันด้วยพันธะไฮโดรเจน ไกลโคเจน ถูกเก็บไว้ในตับและกล้ามเนื้อเป็นหลัก

นักกีฬาที่ชอบใช้กล้ามเนื้อบางอย่างเป็นพิเศษ (เช่น นักวิ่งมาราธอนที่ต้องอาศัยกล้ามเนื้อสี่ส่วนและน่อง กล้ามเนื้อ) ปรับผ่านการฝึกเพื่อเก็บกลูโคสในปริมาณที่สูงผิดปกติ ซึ่งมักเรียกว่า "คาร์โบโหลด"

Adenosine triphosphate (ATP) เป็น "สกุลเงินพลังงาน" ของเซลล์ที่มีชีวิตทั้งหมด ซึ่งหมายความว่าเมื่อรับประทานอาหารและย่อยสลายเป็นกลูโคสก่อนเข้าสู่เซลล์ เป้าหมายสูงสุดของการเผาผลาญกลูโคสคือ การสังเคราะห์ ATP ซึ่งเป็นกระบวนการที่ขับเคลื่อนโดยพลังงานที่ปล่อยออกมาเมื่อพันธะในกลูโคสและโมเลกุลที่มันถูกเปลี่ยนเป็นไกลโคไลซิส และ การหายใจแบบแอโรบิก จะแตกออกจากกัน

เอทีพีที่สร้างขึ้นจากปฏิกิริยาเหล่านี้จะใช้สำหรับความต้องการขั้นพื้นฐานในชีวิตประจำวันของร่างกาย เช่น การเจริญเติบโตและการซ่อมแซมเนื้อเยื่อ ตลอดจนการออกกำลังกาย เมื่อความเข้มข้นของการออกกำลังกายเพิ่มขึ้น ร่างกายจะเปลี่ยนไปจากการเผาผลาญไขมันหรือไตรกลีเซอไรด์ (ผ่านกระบวนการออกซิเดชัน ของกรดไขมัน) ไปสู่การเผาผลาญกลูโคส เนื่องจากกระบวนการหลังส่งผลให้มีการสร้าง ATP ต่อโมเลกุลมากขึ้น เชื้อเพลิง

ปฏิกิริยาทางชีวเคมีแทบทั้งหมดอาศัยความช่วยเหลือจากโมเลกุลโปรตีนพิเศษที่เรียกว่า เอนไซม์ เพื่อดำเนินการต่อ.

เอนไซม์คือ ตัวเร่งปฏิกิริยาซึ่งหมายความว่าพวกมันเร่งปฏิกิริยา - บางครั้งอาจเป็นล้านหรือมากกว่า - โดยที่ปฏิกิริยาไม่เปลี่ยนแปลง พวกมันมักจะตั้งชื่อตามโมเลกุลที่พวกมันทำหน้าที่และมี "-ase" ต่อท้าย เช่น "phosphoglucose isomerase" ซึ่งจัดเรียงอะตอมใหม่ใน

(ไอโซเมอร์เป็นสารประกอบที่มีอะตอมเหมือนกัน แต่มีโครงสร้างต่างกัน คล้ายกับแอนนาแกรมในโลกของคำ)

ส่วนใหญ่ เอนไซม์ ในปฏิกิริยาของมนุษย์เป็นไปตามกฎ "หนึ่งต่อหนึ่ง" ซึ่งหมายความว่าเอนไซม์แต่ละตัวกระตุ้นปฏิกิริยาเฉพาะ และในทางกลับกัน ปฏิกิริยาแต่ละอย่างสามารถกระตุ้นด้วยเอนไซม์เดียวเท่านั้น ระดับความจำเพาะนี้ช่วยให้เซลล์ควบคุมความเร็วของปฏิกิริยาได้อย่างแน่นหนา และโดยการขยายปริมาณของผลิตภัณฑ์ต่างๆ ที่ผลิตในเซลล์เมื่อใดก็ได้

เมื่อกลูโคสเข้าสู่เซลล์ สิ่งแรกที่เกิดขึ้นคือ ฟอสโฟรีเลต นั่นคือ โมเลกุลของฟอสเฟตติดอยู่กับคาร์บอนหนึ่งในกลูโคส สิ่งนี้ทำให้เกิดประจุลบบนโมเลกุล ดักจับมันในเซลล์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ นี้ กลูโคส-6-ฟอสเฟต จะถูกไอโซเมอไรซ์ตามที่อธิบายไว้ข้างต้นเป็น ฟรุกโตส-6-ฟอสเฟตซึ่งผ่านขั้นตอนฟอสโฟรีเลชั่นอีกขั้นจึงกลายเป็น ฟรุกโตส-1,6-บิสฟอสเฟต.

แต่ละขั้นตอนของฟอสโฟรีเลชั่นเกี่ยวข้องกับการกำจัดฟอสเฟตออกจาก ATP ทิ้งไว้ อะดีโนซีนไดฟอสเฟต (ADP) ข้างหลัง. ซึ่งหมายความว่าแม้ว่าเป้าหมายของไกลโคไลซิสคือการผลิตเอทีพีสำหรับการใช้งานของเซลล์ แต่ก็เกี่ยวข้องกับ "ต้นทุนเริ่มต้น" ที่ 2 เอทีพีต่อโมเลกุลกลูโคสที่เข้าสู่วัฏจักร

จากนั้นฟรุกโตส-1,6-บิสฟอสเฟตจะถูกแยกออกเป็นสองโมเลกุลของคาร์บอนสามตัว โดยแต่ละตัวมีฟอสเฟตของตัวเองติดอยู่ หนึ่งในนั้น ไดไฮดรอกซีอะซิโตน ฟอสเฟต (DHAP) มีอายุสั้นเนื่องจากถูกแปรสภาพเป็นอย่างอื่นอย่างรวดเร็ว กลีซาลดีไฮด์-3-ฟอสเฟต. จากจุดนี้เป็นต้นไป ปฏิกิริยาทุกรายการที่เกิดขึ้นจริงเกิดขึ้นสองครั้งสำหรับทุกโมเลกุลกลูโคสเข้าสู่ไกลโคไลซิส

กลีเซอรอลดีไฮด์-3-ฟอสเฟตจะถูกแปลงเป็น 1,3-ไดฟอสโฟกลีเซอเรต โดยการเพิ่มฟอสเฟตให้กับโมเลกุล แทนที่จะได้มาจาก ATP ฟอสเฟตนี้มีอยู่ในรูปของฟอสเฟตอิสระหรืออนินทรีย์ (กล่าวคือ ไม่มีพันธะกับคาร์บอน) ในขณะเดียวกัน NAD⁺ จะถูกแปลงเป็น NADH

ในขั้นตอนต่อไป ฟอสเฟตทั้งสองจะถูกดึงออกจากชุดของโมเลกุลคาร์บอนสามตัวและผนวกเข้ากับ ADP เพื่อสร้าง ATP เนื่องจากสิ่งนี้เกิดขึ้นสองครั้งต่อโมเลกุลกลูโคสดั้งเดิม จึงมีการสร้าง ATP ทั้งหมด 4 ตัวในช่วง "ผลตอบแทน" นี้ เนื่องจากเฟส "การลงทุน" ต้องการอินพุต 2 ATP การเพิ่มโดยรวมใน ATP ต่อโมเลกุลกลูโคสคือ 2 ATP

สำหรับการอ้างอิง หลังจาก 1,3-ไดฟอสโฟกลีเซอเรต โมเลกุลในปฏิกิริยาจะเป็น 3-phosphoglycerate, 3-phosphoglycerate, ฟอสโฟฟีนอลไพรูเวต และในที่สุดก็ ไพรูเวต.

ในยูคาริโอต ไพรูเวตอาจไปยังหนึ่งในสองเส้นทางหลังไกลโคไลซิส ขึ้นอยู่กับว่ามีออกซิเจนเพียงพอหรือไม่เพื่อให้การหายใจแบบใช้ออกซิเจนดำเนินไป ถ้าเป็นเช่นนั้น ซึ่งโดยปกติเมื่อร่างกายของพ่อแม่กำลังพักผ่อนหรือออกกำลังกายเบา ๆ ไพรูเวตถูกส่งจากไซโตพลาสซึมซึ่งไกลโคไลซิสเกิดเป็นออร์แกเนลล์ ("อวัยวะเล็กๆ") เรียกว่า ไมโตคอนเดรีย.

หากเซลล์เป็นของโปรคาริโอตหรือยูคาริโอตที่ทำงานหนักมาก เช่น มนุษย์ที่วิ่งเต็มระยะทางครึ่งไมล์หรือยกน้ำหนักอย่างเข้มข้น ไพรูเวตจะถูกแปลงเป็นแลคเตท แม้ว่าในเซลล์ส่วนใหญ่แลคเตทจะไม่สามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงได้ แต่ปฏิกิริยานี้จะสร้าง NAD⁺ จาก NADH จึงทำให้ไกลโคไลซิสดำเนินต่อไป "ต้นน้ำ" โดยการจัดหาแหล่งสำคัญของ NAD⁺.

กระบวนการนี้เรียกว่า การหมักกรดแลคติก.

ระยะแอโรบิกของการหายใจระดับเซลล์ที่เกิดขึ้นในไมโตคอนเดรียเรียกว่า เครบส์ ไซเคิล และ ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนและสิ่งเหล่านี้เกิดขึ้นตามลำดับ เครบส์ ไซเคิล (มักเรียกว่าวัฏจักรกรดซิตริกหรือวัฏจักรกรดไตรคาร์บอกซิลิก) แผ่ออกตรงกลางไมโตคอนเดรียในขณะที่ ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน เกิดขึ้นบนเมมเบรนของไมโตคอนเดรียที่สร้างขอบเขตกับไซโตพลาสซึม

ปฏิกิริยาสุทธิของการหายใจระดับเซลล์ ซึ่งรวมถึงไกลโคไลซิส คือ:

ค₆โฮ₁₂โอ₆ + 6 ออน₂ → 6 CO₂ + 6 ชั่วโมง₂O + 38 ATP

วงจร Krebs เพิ่ม 2 ATP และห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนมี 34 ATP มหันต์รวม 38 ATP ต่อโมเลกุลของกลูโคสที่บริโภคอย่างสมบูรณ์ (2 + 2 + 34) ในกระบวนการเผาผลาญทั้งสาม