แหล่งพลังงานหลักของเซลล์คืออะไร?

เนื้อหา

• สารอาหารกับเชื้อเพลิง
• Prokaryotic Cells vs. Eukaryotic Cells
• กลูโคสคืออะไร
• ATP คืออะไร
• ชีววิทยาพลังงานเซลล์
• glycolysis
• การหมัก
• รอบ Krebs
• ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน

คุณอาจเคยเข้าใจมาตั้งแต่ยังเด็กว่าอาหารที่คุณกินจะต้องกลายเป็น "บางสิ่ง" เล็กกว่าอาหารสำหรับสิ่งที่อยู่ใน "อาหาร" เพื่อช่วยให้ร่างกายของคุณ เมื่อมันเกิดขึ้นโดยเฉพาะอย่างยิ่งโมเลกุลเดี่ยวชนิดหนึ่ง คาร์โบไฮเดรต จัดเป็น น้ำตาล เป็นแหล่งเชื้อเพลิงขั้นสุดท้ายในปฏิกิริยาเมแทบอลิซึมที่เกิดขึ้นในเซลล์ทุกเวลา

โมเลกุลนั่นคือ กลูโคสโมเลกุลหกคาร์บอนในรูปแบบของแหวนแหลมคม ในทุกเซลล์มันจะเข้าสู่ glycolysisและในเซลล์ที่ซับซ้อนยิ่งขึ้นก็มีส่วนร่วมเช่นกัน การหมักด้วยแสง และ การหายใจของเซลล์ ถึงองศาที่แตกต่างกันในสิ่งมีชีวิตที่แตกต่างกัน

แต่วิธีที่แตกต่างในการตอบคำถาม "เซลล์ใดที่โมเลกุลใช้เป็นแหล่งพลังงาน?" แปลว่ามันเป็น "โมเลกุลอะไร โดยตรง เพิ่มพลังให้เซลล์กระบวนการของตัวเอง? "

สารอาหารกับเชื้อเพลิง

นั่นคือโมเลกุล "กำลัง" ซึ่งเหมือนกลูโคสที่ทำงานอยู่ในเซลล์ทั้งหมดคือ เอทีพี, หรือ อะดีโนซีนไตรฟอสเฟตนิวคลีโอไทด์มักเรียกว่า "สกุลพลังงานของเซลล์" คุณคิดว่าโมเลกุลตัวไหนเมื่อคุณถามตัวเองว่า "โมเลกุลอะไรเป็นเชื้อเพลิงสำหรับทุกเซลล์" มันคือกลูโคสหรือ ATP?

การตอบคำถามนี้คล้ายกับการทำความเข้าใจความแตกต่างระหว่างการพูดว่า "มนุษย์ได้รับเชื้อเพลิงฟอสซิลจากพื้นดิน" และ "มนุษย์ได้รับพลังงานเชื้อเพลิงฟอสซิลจากโรงไฟฟ้าที่ใช้พลังงานจากถ่านหิน" ข้อความทั้งสองเป็นจริง แต่กล่าวถึงขั้นตอนต่าง ๆ ในห่วงโซ่การแปลงพลังงานของปฏิกิริยาเมตาบอลิ ในสิ่งมีชีวิต กลูโคสเป็นพื้นฐาน สารอาหารแต่ ATP เป็นพื้นฐาน เชื้อเพลิง.

Prokaryotic Cells vs. Eukaryotic Cells

สิ่งมีชีวิตทั้งหมดเป็นของหนึ่งในสองหมวดกว้าง: โปรคาริโอตและยูคาริโอต Prokaryotes เป็นสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวของอนุกรมวิธาน โดเมน แบคทีเรียและอาร์เคียในขณะที่ยูคาริโอตทั้งหมดตกอยู่ในโดเมนยูคาริโอต้าซึ่งรวมถึงสัตว์พืชเชื้อราและผู้ประท้วง

Prokaryotes มีขนาดเล็กและเรียบง่ายเมื่อเทียบกับยูคาริโอต เซลล์ของพวกเขามีความซับซ้อนน้อยลงตามลําดับ ในกรณีส่วนใหญ่เซลล์โปรคาริโอตก็เหมือนกับสิ่งมีชีวิตแบบโปรคาริโอตและความต้องการพลังงานของแบคทีเรียนั้นต่ำกว่าเซลล์ยูคาริโอตใด ๆ

เซลล์ Prokaryotic มีองค์ประกอบสี่อย่างที่พบได้ในทุกเซลล์ในโลกธรรมชาติ: DNA, เยื่อหุ้มเซลล์, ไซโตพลาสซึมและไรโบโซม พลาสซึมของพวกเขาประกอบด้วยเอนไซม์ทั้งหมดที่จำเป็นสำหรับไกลโคไลซิส แต่ไม่มีไมโตคอนเดรียและคลอโรพลาสต์หมายความว่าไกลโคไลซิสเป็นเส้นทางเมแทบอลิซึมเพียงทางเดียวสำหรับโปรคาริโอต

อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับความเหมือนและความแตกต่างระหว่างเซลล์โปรคาริโอตและยูคาริโอต

กลูโคสคืออะไร

กลูโคสเป็นน้ำตาลหกคาร์บอนในรูปแบบของแหวนแสดงในรูปแบบหกเหลี่ยม สูตรทางเคมีของมันคือ C₆H₁₂O₆โดยให้อัตราส่วน C / H / O เท่ากับ 1: 2: 1 นี่เป็นเรื่องจริงในความเป็นจริงหรือโมเลกุลชีวภาพทั้งหมดที่จำแนกเป็นคาร์โบไฮเดรต

กลูโคสถือว่าเป็น โมโนแซ็กคาไรด์ซึ่งหมายความว่าไม่สามารถลดลงเป็นน้ำตาลขนาดเล็กที่แตกต่างกันได้โดยการทำลายพันธะไฮโดรเจนระหว่างส่วนประกอบต่าง ๆ ฟรักโทสเป็นโมโนแซคคาไรด์อีกชนิดหนึ่ง ซูโครส (น้ำตาลทรายแดง) ซึ่งทำโดยการเข้าร่วมกลูโคสและฟรุกโตสถือว่าเป็น ไดแซ็กคาไรด์.

กลูโคสเรียกอีกอย่างว่า "น้ำตาลในเลือด" เพราะเป็นสารประกอบที่มีความเข้มข้นในเลือดเมื่อคลินิกหรือห้องปฏิบัติการโรงพยาบาลกำหนดสถานะการเผาผลาญของผู้ป่วย มันสามารถถูกฉีดเข้าไปในกระแสเลือดโดยตรงในการแก้ปัญหาทางหลอดเลือดดำเพราะมันไม่จำเป็นต้องสลายก่อนที่จะเข้าสู่เซลล์ของร่างกาย

ATP คืออะไร

ATP คือ เบื่อหน่ายซึ่งหมายความว่ามันประกอบด้วยหนึ่งในห้าฐานไนโตรเจนที่แตกต่างกันน้ำตาลห้าคาร์บอนเรียกว่าน้ำตาลและกลุ่มฟอสเฟตหนึ่งถึงสาม ฐานในนิวคลีโอไทด์สามารถเป็น adenine (A), cytosine (C), guanine (G), thymine (T) หรือ uracil (U) นิวคลีโอไทด์เป็นหน่วยการสร้างของกรดนิวคลีอิก DNA และ RNA A, C และ G พบได้ในกรดนิวคลีอิกทั้งสองในขณะที่ T พบเฉพาะใน DNA และ U เท่านั้นใน RNA

"TP" ใน ATP อย่างที่คุณเห็นนั้นย่อมาจาก "triphosphate" และบ่งชี้ว่า ATP มีกลุ่มฟอสเฟตจำนวนสูงสุดที่นิวคลีโอไทด์สามารถมีได้ - สาม ATP ส่วนใหญ่ทำโดยการแนบของกลุ่มฟอสเฟตกับ ADP หรือ adenosine diphosphate กระบวนการที่เรียกว่า phosphorylation

ATP และอนุพันธ์มีแอปพลิเคชันที่หลากหลายในด้านชีวเคมีและการแพทย์ซึ่งส่วนใหญ่อยู่ในขั้นตอนการสำรวจเนื่องจากศตวรรษที่ 21 ใกล้ถึงทศวรรษที่สาม

ชีววิทยาพลังงานเซลล์

การปลดปล่อยพลังงานจากอาหารเกี่ยวข้องกับการทำลายพันธะเคมีในส่วนประกอบอาหารและควบคุมพลังงานนี้เพื่อการสังเคราะห์โมเลกุล ATP ตัวอย่างเช่นคาร์โบไฮเดรตทั้งหมด ออกซิไดซ์ ในที่สุดถึงก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) และน้ำ (H₂O) ไขมันยังถูกออกซิไดซ์ด้วยโซ่กรดไขมันของพวกเขาที่มีโมเลกุลอะซิเตทซึ่งจะเข้าสู่การหายใจแบบใช้ออกซิเจนในยูคาริโอตไมโตคอนเดรีย

ผลิตภัณฑ์แยกย่อยของโปรตีนอุดมไปด้วยไนโตรเจนและใช้สำหรับการสร้างโปรตีนและกรดนิวคลีอิกอื่น ๆ แต่กรดอะมิโน 20 ชนิดที่สร้างขึ้นจากโปรตีนสามารถปรับเปลี่ยนและเข้าสู่กระบวนการเมตาบอลิซึมของเซลล์ในระดับการหายใจของเซลล์ (เช่นหลังจาก glycolysis)

glycolysis

สรุป: Glycolysis ผลิตโดยตรง 2 ATP สำหรับกลูโคสทุกโมเลกุล มันให้ผู้ให้บริการ pyruvate และอิเล็กตรอนสำหรับกระบวนการเผาผลาญต่อไป

Glycolysis เป็นชุดของปฏิกิริยาสิบประการที่โมเลกุลของกลูโคสจะถูกเปลี่ยนเป็นสองโมเลกุลของโมเลกุลสามคาร์บอนไพรีวาเนตซึ่งให้ผล 2 ATP ตลอดทาง มันประกอบไปด้วยการ "ลงทุน" ในระยะแรกซึ่ง 2 ATP ถูกใช้เพื่อเชื่อมต่อกลุ่มฟอสเฟตกับโมเลกุลกลูโคสที่เคลื่อนที่และต่อมา "กลับ" ขั้นตอนที่อนุพันธ์น้ำตาลกลูโคสถูกแบ่งออกเป็นคู่ของสารประกอบกลางคาร์บอนสามตัว ให้ผลผลิต 2 ATP ต่อสารประกอบคาร์บอนสามตัวและโดยรวม 4 ตัวนี้

ซึ่งหมายความว่าผลสุทธิของ glycolysis คือการผลิต 2 ATP ต่อโมเลกุลกลูโคสเนื่องจาก 2 ATP ถูกใช้ในขั้นตอนการลงทุน แต่ทั้งหมด 4 ATP จะถูกสร้างขึ้นในขั้นตอนการจ่ายผลตอบแทน

อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับ glycolysis

การหมัก

สรุป: การหมักเสริมกำลัง NAD⁺ สำหรับ glycolysis มันไม่สร้าง ATP โดยตรง

เมื่อมีออกซิเจนไม่เพียงพอเพื่อตอบสนองความต้องการพลังงานเช่นเมื่อคุณทำงานหนักมากหรือยกน้ำหนักอย่างหนักไกลโคเจนอาจเป็นเพียงกระบวนการเผาผลาญเท่านั้น นี่คือสิ่งที่ "กรดแลคติกเผาไหม้" ที่คุณอาจเคยได้ยินมาถ้าไพรูเวตไม่สามารถป้อนการหายใจแบบแอโรบิคตามที่อธิบายไว้ด้านล่างมันจะถูกแปลงเป็นแลคเตทซึ่งตัวมันเองก็ไม่ได้ทำอะไรดีมาก โมเลกุลกลางที่สำคัญเรียกว่า NAD⁺.

รอบ Krebs

สรุป: วงจร Krebs ผลิต 1 ATP ต่อเทิร์นของรอบ (และ 2 ATP ต่อกลูโคส "ต้นน้ำ" เนื่องจากไพรีวาเต 2 สามารถทำให้ 2 อะเซทิล CoA)

ภายใต้สภาวะปกติของออกซิเจนที่เพียงพอเกือบทั้งหมดของ pyruvate ที่สร้างขึ้นใน glycolysis ในยูคาริโอตย้ายจากไซโตพลาสซึมไปสู่ออร์แกเนลล์ ("อวัยวะเล็ก ๆ ") ที่รู้จักในชื่อไมโตคอนเดรียซึ่งเปลี่ยนเป็นโมเลกุลคาร์บอนสองก้อน acetyl โคเอนไซม์ (acetyl CoA) โดยการถอดและปล่อย CO₂. โมเลกุลนี้รวมกับโมเลกุลสี่คาร์บอนที่เรียกว่า oxaloacetate เพื่อสร้างซิเตรตขั้นตอนแรกในสิ่งที่เรียกว่าวัฏจักร TCA หรือวัฏจักรกรดซิตริก

ปฏิกิริยา "วงล้อ" นี้ในที่สุดก็ลดซิเตรตกลับไปเป็น oxaloacetate และตามวิธีที่ ATP เดี่ยวถูกสร้างขึ้นพร้อมกับพาหะอิเล็กตรอนพลังงานสูงสี่ตัว (NADH และ FADH)₂).

ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน

สรุป: ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนให้ผลผลิตประมาณ ATP 32 ถึง 34 ต่อโมเลกุลของกลูโคสในขั้นต้นทำให้ผู้สนับสนุนที่ใหญ่ที่สุดในด้านพลังงานของเซลล์ในยูคาริโอต

พาหะของอิเลคตรอนจากวงจร Krebs ย้ายจากด้านในของไมโทคอนเดรียไปยังเยื่อหุ้มด้านในของออร์แกเนลล์ซึ่งมีเอ็นไซม์พิเศษทุกชนิดที่เรียกว่าไซโตโครมพร้อมที่จะทำงาน ในระยะสั้นเมื่ออิเล็กตรอนในรูปของอะตอมไฮโดรเจนถูกพาออกจากพาหะนี่จะช่วยเพิ่มพลังการสะสมฟอสโฟรีเลชั่นของโมเลกุล ADP ให้กลายเป็น ATP

ต้องมีออกซิเจนเป็นตัวรับอิเล็กตรอนสุดท้ายในน้ำตกที่เกิดขึ้นทั่วทั้งเมมเบรนสำหรับปฏิกิริยาลูกโซ่ที่จะเกิดขึ้น หากไม่เป็นเช่นนั้นกระบวนการในการหายใจของเซลล์ "สำรอง" และวงจร Krebs ก็ไม่สามารถเกิดขึ้นได้เช่นกัน