معلومة

أكسدة بيروفات ودورة TCA * # - علم الأحياء

أكسدة بيروفات ودورة TCA * # - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

أكسدة البيروفات ودورة TCA

نظرة عامة على استقلاب البيروفات ودورة TCA

في ظل الظروف المناسبة ، يمكن أن يتأكسد البيروفات بدرجة أكبر. أحد أكثر تفاعلات الأكسدة التي تمت دراستها والتي تشتمل على البيروفات هو تفاعل من جزأين يتضمن NAD+ وجزيء يسمى الإنزيم المساعد A ، وغالبًا ما يتم اختصاره ببساطة باسم "CoA". يؤكسد هذا التفاعل البيروفات ، ويؤدي إلى فقدان واحد من الكربون عن طريق نزع الكربوكسيل ، ويخلق جزيءًا جديدًا يسمى أسيتيل CoA. يمكن أن تدخل acetyl-CoA الناتج عدة مسارات للتخليق الحيوي للجزيئات الأكبر أو يمكن توجيهها إلى مسار آخر من التمثيل الغذائي المركزي يسمى دورة حمض الستريك ، والتي تسمى أحيانًا دورة كريبس ، أو دورة حمض الكربوكسيل (TCA). هنا يمكن أن يتأكسد الكاربونان المتبقيان في مجموعة الأسيتيل أو يعملان مرة أخرى كسلائف لبناء جزيئات أخرى مختلفة. نناقش هذه السيناريوهات أدناه.

المصائر المختلفة للبيروفات والمنتجات النهائية الأخرى لتحلل السكر

توقفت وحدة تحلل السكر مع المنتجات النهائية لتحلل السكر: 2 جزيئات بيروفات ، 2 ATPs و 2 جزيئات NADH. ستستكشف هذه الوحدة والوحدة الخاصة بالتخمير ما يمكن أن تفعله الخلية الآن مع البيروفات ، و ATP ، و NADH التي تم إنشاؤها.

مصير ATP و NADH

بشكل عام ، يمكن استخدام ATP أو اقترانه بمجموعة متنوعة من الوظائف الخلوية بما في ذلك التخليق الحيوي والنقل والتكرار وما إلى ذلك. سنرى العديد من هذه الأمثلة طوال الدورة.

ومع ذلك ، فإن ما يجب فعله بـ NADH يعتمد على الظروف التي تنمو فيها الخلية. في بعض الحالات ، ستختار الخلية إعادة تدوير NADH بسرعة إلى NAD+. يحدث هذا من خلال عملية تسمى التخمير حيث يتم إرجاع الإلكترونات المأخوذة في البداية من مشتقات الجلوكوز إلى المزيد من المنتجات النهائية عبر عملية نقل الأكسدة والاختزال الأخرى (الموصوفة بمزيد من التفصيل في الوحدة النمطية عن التخمير). بدلاً من ذلك ، يمكن إعادة تدوير NADH مرة أخرى إلى NAD+ عن طريق التبرع بالإلكترونات لشيء يعرف باسم سلسلة نقل الإلكترون (وهذا مغطى في الوحدة الخاصة بالتنفس ونقل الإلكترون).

مصير البيروفات الخلوية

  • يمكن استخدام البيروفات كمستقبل طرفي للإلكترون (إما بشكل مباشر أو غير مباشر) في تفاعلات التخمير ، وتتم مناقشته في وحدة التخمير.
  • يمكن إفراز البيروفات من الخلية كمنتج نفايات.
  • يمكن زيادة أكسدة البيروفات لاستخراج المزيد من الطاقة المجانية من هذا الوقود.
  • يمكن أن يعمل البيروفات كمركب وسيط قيم يربط بعض مسارات التمثيل الغذائي الأساسية لمعالجة الكربون

مزيد من أكسدة البيروفات

في البكتيريا والعتائق التي تتنفس ، يتأكسد البيروفات في السيتوبلازم. في الخلايا حقيقية النواة التي تعمل بالتنفس الهوائي ، يتم نقل جزيئات البيروفات المنتجة في نهاية التحلل السكري إلى الميتوكوندريا ، وهي مواقع للتنفس الخلوي وسلاسل نقل إلكترونية تستهلك الأكسجين (ETC في وحدة على التنفس ونقل الإلكترون). تشترك الكائنات الحية من جميع مجالات الحياة الثلاثة في آليات مماثلة لزيادة أكسدة البيروفات إلى ثاني أكسيد الكربون2. البيروفات الأول منزوع الكربوكسيل ويرتبط تساهميًا الإنزيم المشترك أ عبر أ ثيويستر الارتباط لتشكيل الجزيء المعروف باسم أسيتيل CoA. بينما يمكن أن يغذي acetyl-CoA العديد من المسارات البيوكيميائية الأخرى ، فإننا نعتبر الآن دوره في تغذية المسار الدائري المعروف باسم دورة حمض الكربوكسيل، يشار إليها أيضًا باسم دورة TCA، ال دورة حمض الستريك أو ال دورة كريبس. هذه العملية مفصلة أدناه.

تحويل البيروفات إلى أسيتيل CoA

في تفاعل متعدد الخطوات يحفزه إنزيم نازعة هيدروجين البيروفات ، يتأكسد البيروفات بواسطة NAD+، منزوع الكربوكسيل ، ومرتبط تساهميًا بجزيء من الإنزيم المشترك A عبر رابطة thioester. تذكر: هناك اثنين يتم إنتاج جزيئات البيروفات في نهاية التحلل السكري لكل جزيء من الجلوكوز يتم استقلابه ؛ وبالتالي ، سيتم إزالة اثنين من الكربون الستة في نهاية كلتا الخطوتين. إن إطلاق ثاني أكسيد الكربون مهم هنا ، وغالبًا ما ينتج عن هذا التفاعل أ فقدان الكتلة من الخليةبصفته ثاني أكسيد الكربون2 سوف ينتشر أو يتم نقله خارج الخلية ويصبح منتجًا نفايات. بالإضافة إلى ذلك ، جزيء واحد من NAD+ إلى NADH خلال هذه العملية لكل جزيء من البيروفات المؤكسد.

اقترح مناقشة

لقد ناقشنا بالفعل تكوين رابطة thioester في وحدة ومحاضرة أخرى. أين كان هذا على وجه التحديد؟ ما هو المغزى النشط لهذه الرابطة؟ ما هي أوجه التشابه والاختلاف بين هذا المثال (تكوين thioester مع CoA) والمثال السابق لهذه الكيمياء؟

شكل 1. عند دخول مصفوفة الميتوكوندريا ، يحول مركب متعدد الإنزيمات البيروفات إلى أسيتيل CoA. في هذه العملية ، يتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون ويتم تكوين جزيء واحد من NADH.

اقترح مناقشة

وصف تدفق ونقل الطاقة في هذا التفاعل باستخدام مفردات جيدة - (على سبيل المثال ، مختزل ، مؤكسد ، أكسدة ، إندرجونيك ، طارد للطاقة ، ثيويستر ، إلخ). يمكنك تحرير الأقران - يمكن لشخص ما أن يبدأ وصفًا ، ويمكن لشخص آخر تحسينه ، ويمكن لشخص آخر تحسينه أكثر وما إلى ذلك.

بحضور مناسب متقبل الإلكترون الطرفي، يسلم acetyl CoA (يتبادل رابطة) مجموعة الأسيتيل الخاصة به إلى جزيء رباعي الكربون ، oxaloacetate ، لتكوين السترات (المعينة بالمركب الأول في الدورة). تسمى هذه الدورة بأسماء مختلفة: دورة حمض الستريك (للحامض الوسيط الأول - حامض الستريك ، أو السترات) ، فإن دورة TCA (بما أن حامض الستريك أو السترات والأيزوسترات عبارة عن أحماض ثلاثية الكربوكسيل) ، و دورة كريبس، بعد هانز كريبس ، الذي حدد لأول مرة خطوات المسار في ثلاثينيات القرن الماضي في عضلات طيران الحمام.

دورة حمض الكربوكسيل (TCA)

تحدث تفاعلات البكتيريا والعتائق في دورة TCA عادةً في العصارة الخلوية. في حقيقيات النوى ، تحدث دورة TCA في مصفوفة الميتوكوندريا. إن جميع إنزيمات دورة TCA تقريبًا (وليس كلها) قابلة للذوبان في الماء (وليس في الغشاء) ، باستثناء واحد من إنزيم نازع هيدروجين السكسينات ، والذي يكون مضمنًا في الغشاء الداخلي للميتوكوندريون (في حقيقيات النوى). على عكس تحلل السكر ، فإن دورة TCA عبارة عن حلقة مغلقة: الجزء الأخير من المسار يعيد توليد المركب المستخدم في الخطوة الأولى. الخطوات الثمانية للدورة عبارة عن سلسلة من تفاعلات الأكسدة والاختزال والجفاف والماء ونزع الكربوكسيل التي تنتج جزيئين من ثاني أكسيد الكربون ، أحدهما ATP ، وأشكال مخفضة من NADH و FADH2.

الشكل 2. في دورة TCA ، يتم ربط مجموعة الأسيتيل من الأسيتيل CoA بجزيء مكون من أربعة كربون من أوكسالو أسيتات لتكوين جزيء سيترات مكون من ستة كربون. من خلال سلسلة من الخطوات ، يتم أكسدة السترات ، مما يؤدي إلى إطلاق جزيئين من ثاني أكسيد الكربون لكل مجموعة أسيتيل يتم تغذيتها في الدورة. في هذه العملية ، ثلاثة NAD+ يتم تقليل الجزيئات إلى NADH ، يتم تقليل جزيء FAD إلى FADH2، ويتم إنتاج ATP أو GTP واحد (اعتمادًا على نوع الخلية) (عن طريق الفسفرة على مستوى الركيزة). نظرًا لأن المنتج النهائي لدورة TCA هو أيضًا المتفاعل الأول ، فإن الدورة تعمل باستمرار في وجود متفاعلات كافية.

الإسناد: "Yikrazuul" / ويكيميديا ​​كومنز (معدل)

خطوات دورة TCA

الخطوة 1:

تتمثل الخطوة الأولى من الدورة في تفاعل تكثيف يتضمن مجموعة أسيتيل ثنائية الكربون من أسيتيل CoA مع جزيء رباعي الكربون من أوكسالو أسيتات. نواتج هذا التفاعل هي سترات جزيء ستة كربون والإنزيم المساعد الحر أ. تعتبر هذه الخطوة غير قابلة للإلغاء لأنها شديدة الطاقة. علاوة على ذلك ، يتم التحكم في معدل هذا التفاعل من خلال ردود الفعل السلبية بواسطة ATP. إذا زادت مستويات ATP ، ينخفض ​​معدل هذا التفاعل. إذا كان لدى ATP نقص في العرض ، يزداد المعدل. إذا لم يكن الأمر كذلك بالفعل ، فسوف يتضح السبب قريبًا.

الخطوة 2:

في الخطوة الثانية ، يفقد السترات جزيء ماء ويكتسب آخر حيث يتم تحويل السترات إلى أيزوميرها ، أيزوسيترات.

الخطوه 3:

في الخطوة الثالثة ، يتأكسد أيزوسيترات بواسطة NAD+ و منزوعة الكربوكسيل. تتبع الكربون! هذا الكربون يترك الخلية الآن على الأرجح كنفايات ولم يعد متاحًا لبناء جزيئات حيوية جديدة. لذلك ينتج عن أكسدة isocitrate جزيء من خمسة كربون ، α-ketoglutarate ، وهو جزيء CO2 وخفض NADH. يتم تنظيم هذه الخطوة أيضًا من خلال ردود الفعل السلبية من ATP و NADH ، وتأثير إيجابي من ADP.

الخطوة الرابعة:

يتم تحفيز الخطوة 4 بواسطة إنزيم نازعة هيدروجين السكسينات. هنا ، يتأكسد α-ketoglutarate بواسطة NAD+. تؤدي هذه الأكسدة مرة أخرى إلى نزع الكربوكسيل وبالتالي فقدان كربون آخر كنفايات. حتى الآن دخل اثنان من الكربون في الدورة من acetyl-CoA وغادر اثنان مثل CO2. في هذه المرحلة ، لا يوجد مكسب صافٍ للكربون المستوعب من جزيئات الجلوكوز التي تتأكسد في هذه المرحلة من التمثيل الغذائي. على عكس الخطوة السابقة ، إلا أن نازعة هيدروجين السكسينات - مثل نازعة هيدروجين البيروفات قبله - يزاوج الطاقة الحرة لتفاعل الأكسدة والاختزال الناتج عن نزع الكربوكسيل لدفع تكوين رابطة ثيويستر بين الإنزيم المساعد للركيزة A والسكسينات (ما يتبقى بعد نزع الكربوكسيل) . ينظم هيدروجيناز السكسينات عن طريق تثبيط التغذية الراجعة لـ ATP و succinyl-CoA و NADH.

اقترح مناقشة

لقد رأينا عدة خطوات في هذا المسار وغيره من المسارات التي تنظمها آليات التغذية الراجعة الخيفية. هل هناك شيء (ق) مشترك حول ردود الفعل هذه؟ لماذا قد تكون هذه خطوات جيدة للتنظيم؟

اقترح مناقشة

عادت رابطة thioester إلى الظهور! استخدم المصطلحات التي تعلمناها (مثل الاختزال ، والأكسدة ، والاقتران ، والطارد ، و endergonic ، وما إلى ذلك) لوصف تكوين هذه الرابطة وتحت تحللها المائي.

الخطوة الخامسة:

في الخطوة الخامسة ، يوجد حدث الفسفرة على مستوى الركيزة ، حيث يكون الفوسفات غير العضوي (Pأنا) إلى الناتج المحلي الإجمالي أو ADP لتشكيل GTP (مكافئ ATP لأغراضنا) أو ATP. تأتي الطاقة التي تحرك حدث الفسفرة على مستوى الركيزة هذا من التحلل المائي لجزيء CoA من succinyl ~ CoA لتكوين السكسينات. لماذا يتم إنتاج GTP أو ATP؟ يوجد في الخلايا الحيوانية نوعان من الإنزيمات المتساوية (أشكال مختلفة من الإنزيم الذي ينفذ نفس التفاعل) ، في هذه الخطوة ، اعتمادًا على نوع النسيج الحيواني الذي توجد فيه. يوجد أحد الأشكال في الأنسجة التي تستخدم كميات كبيرة من ATP ، مثل القلب والعضلات الهيكلية. ينتج هذا النموذج ATP. يوجد الشكل الثاني من الإنزيم في الأنسجة التي تحتوي على عدد كبير من المسارات الابتنائية ، مثل الكبد. ينتج هذا النموذج GTP. GTP مكافئ من الناحية النشطة لـ ATP ؛ ومع ذلك ، فإن استخدامه مقيد أكثر. على وجه الخصوص ، تستخدم عملية تخليق البروتين بشكل أساسي GTP. تنتج معظم الأنظمة البكتيرية GTP في هذا التفاعل.

الخطوة السادسة:

الخطوة السادسة هي تفاعلات الأكسدة والاختزال التي يتأكسد فيها السكسينات بواسطة FAD+ في فومارات. يتم نقل ذرتين من الهيدروجين إلى FAD+، إنتاج FADH2. الفرق في إمكانية الاختزال بين فومارات / سكسينات و NAD+/ ردود فعل نصف NADH غير كافية لجعل NAD+ كاشف مناسب لأكسدة السكسينات مع NAD+ تحت الظروف الخلوية. ومع ذلك ، فإن الاختلاف في إمكانية الخفض مع FAD+/ FADH2 نصف التفاعل كافٍ لأكسدة السكسينات وتقليل FAD+. على عكس NAD+، موضة عابرة+ يبقى مرتبطًا بالإنزيم وينقل الإلكترونات إلى سلسلة نقل الإلكترون مباشرة. أصبحت هذه العملية ممكنة من خلال توطين الإنزيم الذي يحفز هذه الخطوة داخل الغشاء الداخلي للميتوكوندريا أو غشاء البلازما (اعتمادًا على ما إذا كان الكائن المعني حقيقي النواة أم لا).

الخطوة السابعة:

يضاف الماء إلى الفومارات خلال الخطوة السابعة ، ويتم إنتاج مالات. تقوم الخطوة الأخيرة في دورة حمض الستريك بتجديد أوكسالو أسيتات عن طريق أكسدة مالات مع NAD+. يتم إنتاج جزيء آخر من NADH في هذه العملية.

ملخص

لاحظ أن هذه العملية تؤكسد تمامًا جزيء واحد من البيروفات ، وهو حمض عضوي من 3 كربون ، إلى 3 جزيئات من ثاني أكسيد الكربون.2. خلال هذه العملية ، 4 جزيئات من NADH ، 1 جزيء من FADH2، ويتم إنتاج جزيء واحد من GTP (أو ATP). بالنسبة للكائنات التي تتنفس ، يعد هذا مصدرًا مهمًا للطاقة ، نظرًا لأن كل جزيء من NADH و FAD2 يمكن أن تتغذى مباشرة في سلسلة نقل الإلكترون ، وكما سنرى قريبًا ، فإن تفاعلات الأكسدة والاختزال اللاحقة ستؤدي بشكل غير مباشر إلى تحفيز توليف ATP الإضافي. يشير هذا إلى أن دورة TCA هي في الأساس آلية لتوليد الطاقة ؛ تم تطويرها لاستخراج أو تحويل أكبر قدر من الطاقة الكامنة من مصدر الطاقة الأصلي إلى شكل يمكن أن تستخدمه الخلايا ، ATP (أو ما يعادله) أو غشاء نشط. ومع ذلك ، ودعونا لا ننسى ، فإن النتيجة المهمة الأخرى لتطوير هذا المسار هي القدرة على إنتاج العديد من الجزيئات الأولية أو الركيزة اللازمة لتفاعلات تقويضية مختلفة (يوفر هذا المسار بعض اللبنات الأولية لتكوين جزيئات أكبر). كما سنناقش أدناه ، هناك صلة قوية بين استقلاب الكربون واستقلاب الطاقة.

ارتباط بالتعلم

انقر فوق كل خطوة من خطوات دورة حامض الستريك هنا.

قصص الطاقة

اعمل على بناء بعض قصص الطاقة بنفسك

هناك عدد قليل من ردود الفعل المثيرة للاهتمام التي تنطوي على عمليات نقل كبيرة للطاقة وإعادة ترتيب المادة. اختر القليل. أعد كتابة رد فعل في ملاحظاتك وتدرب على تكوين قصة عن الطاقة. لديك الآن الأدوات اللازمة لمناقشة إعادة توزيع الطاقة في سياق أفكار ومصطلحات واسعة النطاق مثل exergonic و endergonic. لديك أيضًا القدرة على بدء مناقشة الآلية (كيف تحدث هذه التفاعلات) عن طريق استدعاء محفزات الإنزيم. راجع معلمك و / أو مساعدك الفني وتحقق مع زملائك في الفصل لإجراء اختبار ذاتي حول مستوى أدائك.

وصلات لتدفق الكربون

إحدى الفرضيات التي بدأنا استكشافها في هذه القراءة وفي الفصل الدراسي هي فكرة أن "التمثيل الغذائي المركزي" تطور كوسيلة لتوليد سلائف الكربون للتفاعلات التقويضية. تنص فرضيتنا أيضًا على أنه مع تطور الخلايا ، أصبحت هذه التفاعلات مرتبطة بمسارات: تحلل السكر ودورة TCA ، كوسيلة لتعظيم فعاليتها للخلية. كانت إحدى الفوائد الجانبية لهذا المسار الأيضي المتطور هو توليد NADH من الأكسدة الكاملة للجلوكوز - لقد رأينا بداية هذه الفكرة عندما ناقشنا التخمير. لقد ناقشنا بالفعل كيف أن تحلل الجلوكوز لا يوفر فقط ATP من الفسفرة على مستوى الركيزة ، ولكنه ينتج أيضًا شبكة من 2 جزيئات NADH و 6 سلائف أساسية: الجلوكوز 6-P ، الفركتوز-6-P ، ثلاثي- P ، 3-فوسفوجليسيرات ، فوسفوينولفيروفات ، وبالطبع البيروفات. بينما يمكن للخلية استخدام ATP مباشرة كمصدر للطاقة ، فإن NADH تواجه مشكلة ويجب إعادة تدويرها مرة أخرى إلى NAD+للحفاظ على توازن الدورة. كما نرى بالتفصيل في وحدة التخمير ، فإن أقدم طريقة تتعامل بها الخلايا مع هذه المشكلة هي استخدام تفاعلات التخمير لتجديد NAD+.

أثناء عملية أكسدة البيروفات عبر دورة TCA ، يتم تكوين 4 سلائف أساسية إضافية: acetyle ~ CoA و alpha-ketoglutarate و oxaloacetate و succinyl ~ CoA. ثلاثة جزيئات من ثاني أكسيد الكربون2 تضيع وهذا يمثل خسارة صافية لكتلة الخلية. ومع ذلك ، فإن هذه السلائف هي ركائز لمجموعة متنوعة من التفاعلات التقويضية بما في ذلك إنتاج الأحماض الأمينية والأحماض الدهنية والعوامل المشتركة المختلفة ، مثل الهيم. هذا يعني أن معدل التفاعل خلال دورة TCA سيكون حساسًا لتركيزات كل وسيط أيضي (المزيد عن الديناميكا الحرارية في الفصل). الوسيط الأيضي هو مركب ينتج عن تفاعل واحد (منتج) ثم يعمل كركيزة للتفاعل التالي. هذا يعني أيضًا أنه يمكن إزالة الوسائط الأيضية ، ولا سيما السلائف الأساسية الأربعة ، في أي وقت للتفاعلات التقويضية ، إذا كان هناك طلب.

لا تحتوي كل الخلايا على دورة TCA وظيفية

نظرًا لأن جميع الخلايا تتطلب القدرة على صنع هذه الجزيئات السليفة ، فقد يتوقع المرء أن جميع الكائنات الحية لديها دورة TCA تعمل بكامل طاقتها. في الواقع ، لا تحتوي خلايا العديد من الكائنات الحية على الإنزيمات لتشكيل دورة كاملة - ومع ذلك ، فإن جميع الخلايا لديها القدرة على صنع سلائف دورة TCA الأربعة المذكورة في الفقرة السابقة. كيف يمكن للخلايا أن تصنع سلائف وليس لها دورة كاملة؟ تذكر أن معظم ردود الفعل هذه يمكن عكسها بحرية ، لذلك إذا كان NAD+ مطلوب لأكسدة البيروفات أو الأسيتيل ~ CoA ، فإن التفاعلات العكسية تتطلب NADH. غالبًا ما يشار إلى هذه العملية باسم دورة TCA الاختزالية. لقيادة هذه التفاعلات في الاتجاه المعاكس (فيما يتعلق بالاتجاه الذي تمت مناقشته أعلاه) يتطلب طاقة ، في هذه الحالة يحملها ATP و NADH. إذا حصلت على ATP و NADH يقودان مسارًا في اتجاه واحد ، فمن المنطقي أن قيادته للخلف سيتطلب ATP و NADH كـ "مدخلات".

اقترح مناقشة

لماذا قد لا تكون بعض الكائنات قد طورت دورة TCA مؤكسدة بالكامل؟ تذكر أن الخلايا تحتاج إلى الحفاظ على توازن في NAD+ إلى نسبة NADH وكذلك نسب [ATP] / [AMP] / [ADP].

روابط إضافية

إليك بعض الروابط الإضافية لمقاطع الفيديو والصفحات التي قد تجدها مفيدة.


16.3 & # 8211 أكسدة بيروفات ودورة حامض الستريك

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على القيام بما يلي:

  • اشرح كيف يختلف المسار الدائري ، مثل دورة حمض الستريك ، اختلافًا جوهريًا عن المسار الكيميائي الحيوي الخطي ، مثل تحلل السكر
  • صف كيف يتم تحضير البيروفات ، منتج تحلل السكر ، للدخول في دورة حمض الستريك

إذا كان الأكسجين متاحًا ، فسوف يتقدم التنفس الهوائي. في الخلايا حقيقية النواة ، يتم نقل جزيئات البيروفات المنتجة في نهاية تحلل السكر إلى الميتوكوندريا ، وهي مواقع التنفس الخلوي. هناك ، يتم تحويل البيروفات إلى مجموعة أسيتيل يتم التقاطها وتنشيطها بواسطة مركب ناقل يسمى الإنزيم المساعد A (CoA). يسمى المركب الناتج أسيتيل CoA. CoA مشتق من فيتامين B5 وحمض البانتوثنيك. يمكن استخدام Acetyl CoA بعدة طرق بواسطة الخلية ، ولكن وظيفتها الرئيسية هي توصيل مجموعة الأسيتيل المشتقة من البيروفات إلى المرحلة التالية من المسار في هدم الجلوكوز.


قائمة المصطلحات

أسيتيل CoA

مزيج من مجموعة أسيتيل مشتقة من حمض البيروفيك وأنزيم أ ، وهو مصنوع من حمض البانتوثنيك (فيتامين ب من المجموعة ب)

دورة حمض الستريك

(أيضًا ، دورة كريبس) سلسلة من التفاعلات الكيميائية المحفزة بالإنزيم ذات الأهمية المركزية في جميع الخلايا الحية

دورة كريبس

(أيضًا ، دورة حمض الستريك) اسم بديل لدورة حامض الستريك ، سميت على اسم هانز كريبس الذي حدد لأول مرة خطوات المسار في ثلاثينيات القرن الماضي في عضلات طيران الحمام ، انظر دورة حامض الستريك

دورة TCA

(أيضًا ، دورة حمض الستريك) اسم بديل لدورة حامض الستريك ، سميت على اسم المجموعة لحمض الستريك ، حمض التريكاربوكسيليك (TCA) انظر دورة حامض الستريك


انهيار بيروفات

لكي تدخل البيروفات ، نتاج تحلل السكر ، إلى المسار التالي ، يجب أن تخضع لعدة تغييرات. التحويل هو عملية من ثلاث خطوات.

الخطوة 1. يتم إزالة مجموعة الكربوكسيل من البيروفات ، مما يؤدي إلى إطلاق جزيء من ثاني أكسيد الكربون في الوسط المحيط. نتيجة هذه الخطوة هي مجموعة هيدروكسي إيثيل ثنائية الكربون مرتبطة بالإنزيم (بيروفات ديهيدروجينيز). هذا هو الأول من أصل ستة ذرات كربون من جزيء الجلوكوز الأصلي المراد إزالته. تستمر هذه الخطوة مرتين (تذكر: يوجد جزيئين من البيروفات يتم إنتاجهما في نهاية الجليكولسيس) لكل جزيء من الجلوكوز يتم استقلابه على هذا النحو ، سيتم إزالة اثنين من الكربونات الستة في نهاية كلتا الخطوتين.

الخطوة 2. تتأكسد مجموعة هيدروكسي إيثيل إلى مجموعة أسيتيل ، ويتم التقاط الإلكترونات بواسطة NAD + ، مكونًا NADH. سيتم استخدام الإلكترونات عالية الطاقة من NADH لاحقًا لتوليد ATP.

الخطوة 3. يتم نقل مجموعة الأسيتيل المرتبطة بالإنزيم إلى CoA ، لإنتاج جزيء من acetyl CoA.

عند دخول مصفوفة الميتوكوندريا ، يحول مركب متعدد الإنزيمات البيروفات إلى أسيتيل CoA. في هذه العملية ، يتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون ويتم تكوين جزيء واحد من NADH.

لاحظ أنه خلال المرحلة الثانية من استقلاب الجلوكوز ، عندما تتم إزالة ذرة الكربون ، فإنها ترتبط بذرتين من الأكسجين ، مما ينتج ثاني أكسيد الكربون ، وهو أحد المنتجات النهائية الرئيسية للتنفس الخلوي.

أسيتيل CoA إلى CO2

في وجود الأكسجين ، يسلم أسيتيل CoA مجموعة الأسيتيل الخاصة به إلى جزيء رباعي الكربون ، أوكسالأسيتات ، لتكوين السترات ، وهو جزيء من ستة كربون مع ثلاث مجموعات كربوكسيل هذا المسار سيجمع ما تبقى من الطاقة القابلة للاستخراج مما بدأ كجلوكوز مركب. يُطلق على هذا المسار الفردي أسماء مختلفة: دورة حمض الستريك (لأول وسيط مكون - حمض الستريك ، أو سترات - عندما ينضم الأسيتات إلى أوكسالو أسيتات) ، دورة TCA (نظرًا لأن حامض الستريك أو السيترات والأيزوسيترات عبارة عن أحماض ثلاثية الكربوكسيل) ، ودورة كريبس ، بعد هانز كريبس ، الذي حدد لأول مرة خطوات المسار في ثلاثينيات القرن الماضي في عضلات طيران الحمام.

دورة حمض الستريك

مثل تحويل البيروفات إلى أسيتيل CoA ، تحدث دورة حمض الستريك في مصفوفة الميتوكوندريا. جميع إنزيمات دورة حامض الستريك تقريبًا قابلة للذوبان ، باستثناء واحد من إنزيم نازعة هيدروجين السكسينات ، والذي يكون جزءًا لا يتجزأ من الغشاء الداخلي للميتوكوندريون. على عكس تحلل السكر ، فإن دورة حمض الستريك عبارة عن حلقة مغلقة: الجزء الأخير من المسار يعيد توليد المركب المستخدم في الخطوة الأولى. الخطوات الثماني للدورة هي سلسلة من تفاعلات الأكسدة والاختزال والجفاف والماء ونزع الكربوكسيل التي تنتج جزيئين من ثاني أكسيد الكربون ، أحدهما GTP / ATP ، وأشكال مخفضة من NADH و FADH2. يعتبر هذا مسارًا هوائيًا لأن NADH و FADH2 أنتجت يجب أن تنقل إلكتروناتها إلى المسار التالي في النظام ، والذي سيستخدم الأكسجين. إذا لم يحدث هذا النقل ، فإن خطوات الأكسدة لدورة حامض الستريك لا تحدث أيضًا. لاحظ أن دورة حمض الستريك تنتج القليل جدًا من ATP مباشرة ولا تستهلك الأكسجين بشكل مباشر.

في دورة حمض الستريك ، يتم ربط مجموعة الأسيتيل من أسيتيل CoA بجزيء مكون من أربعة كربون من أوكسالو أسيتات لتكوين جزيء سيترات مكون من ستة كربون. من خلال سلسلة من الخطوات ، يتم أكسدة السترات ، مما يؤدي إلى إطلاق جزيئين من ثاني أكسيد الكربون لكل مجموعة أسيتيل يتم تغذيتها في الدورة. في هذه العملية ، يتم تقليل ثلاثة جزيئات NAD + إلى NADH ، ويتم تقليل جزيء FAD إلى FADH2، ويتم إنتاج ATP أو GTP واحد (اعتمادًا على نوع الخلية) (عن طريق الفسفرة على مستوى الركيزة). نظرًا لأن المنتج النهائي لدورة حامض الستريك هو أيضًا المادة المتفاعلة الأولى ، تعمل الدورة باستمرار في وجود مواد تفاعل كافية. (رصيد: تعديل عمل "Yikrazuul" / ويكيميديا ​​كومنز)

خطوات دورة حامض الستريك

الخطوة 1. قبل بدء الخطوة الأولى ، تحدث مرحلة انتقالية يتم خلالها تحويل حمض البيروفيك إلى أسيتيل CoA. بعد ذلك ، تبدأ الخطوة الأولى من الدورة: هذه خطوة تكثيف ، تجمع بين مجموعة الأسيتيل ثنائية الكربون وجزيء أوكسال أسيتات رباعي الكربون لتكوين جزيء من ستة كربون من السترات. يرتبط CoA بمجموعة سلفهيدريل (-SH) وينتشر بعيدًا ليتحد في النهاية مع مجموعة أسيتيل أخرى. هذه الخطوة لا رجعة فيها لأنها شديدة الجهد. يتم التحكم في معدل هذا التفاعل من خلال ردود الفعل السلبية وكمية ATP المتاحة. إذا زادت مستويات ATP ، ينخفض ​​معدل هذا التفاعل. إذا كان لدى ATP نقص في العرض ، يزداد المعدل.

الخطوة 2. في الخطوة الثانية ، يفقد السترات جزيء ماء ويكتسب آخر حيث يتم تحويل السترات إلى أيزوميرها ، أيزوسيترات.

الخطوة 3. في الخطوة الثالثة ، يتأكسد أيزوسيترات ، وينتج جزيء من خمسة كربون ، α-ketoglutarate ، جنبًا إلى جنب مع جزيء CO2 واثنين من الإلكترونات ، مما يقلل من NAD + إلى NADH. يتم تنظيم هذه الخطوة أيضًا من خلال ردود الفعل السلبية من ATP و NADH ، والتأثير الإيجابي لـ ADP.

الخطوتان 3 و 4. الخطوتان الثالثة والرابعة هما خطوتان للأكسدة ونزع الكربوكسيل ، والتي تطلق الإلكترونات التي تقلل NAD + إلى NADH وتطلق مجموعات الكربوكسيل التي تشكل ثاني أكسيد الكربون2 الجزيئات. α-Ketoglutarate هو نتاج الخطوة الثالثة ، ومجموعة السكسينيل هي نتاج الخطوة الرابعة. CoA يربط مجموعة succinyl لتشكيل succinyl CoA. يتم تنظيم الإنزيم الذي يحفز الخطوة الرابعة عن طريق تثبيط التغذية المرتدة لـ ATP و succinyl CoA و NADH.

الخطوة 5. في الخطوة الخامسة ، يتم استبدال مجموعة فوسفات بمساعد الإنزيم A ، ويتم تكوين رابطة عالية الطاقة. تُستخدم هذه الطاقة في الفسفرة على مستوى الركيزة (أثناء تحويل مجموعة السكسينيل إلى سكسينات) لتشكيل إما ثلاثي فوسفات الجوانين (GTP) أو ATP. هناك نوعان من الإنزيم ، يسمى الإنزيمات المتساوية ، لهذه الخطوة ، اعتمادًا على نوع النسيج الحيواني الذي توجد فيه. يوجد شكل واحد في الأنسجة التي تستخدم كميات كبيرة من ATP ، مثل القلب والعضلات الهيكلية. ينتج هذا النموذج ATP. يوجد الشكل الثاني من الإنزيم في الأنسجة التي تحتوي على عدد كبير من المسارات الابتنائية ، مثل أنسجة الكبد. ينتج هذا النموذج GTP. GTP مكافئ من الناحية النشطة لـ ATP ، ومع ذلك ، فإن استخدامه أكثر تقييدًا. على وجه الخصوص ، يستخدم تخليق البروتين بشكل أساسي GTP.

الخطوة 6. الخطوة السادسة هي عملية التجفيف التي تحول السكسينات إلى فومارات. يتم نقل ذرتين من الهيدروجين إلى FAD ، لإنتاج FADH2. الطاقة الموجودة في إلكترونات هذه الذرات غير كافية لتقليل NAD + ولكنها كافية لتقليل FAD. على عكس NADH ، يظل هذا الناقل مرتبطًا بالإنزيم وينقل الإلكترونات إلى سلسلة نقل الإلكترون مباشرة. أصبحت هذه العملية ممكنة من خلال توطين الإنزيم الذي يحفز هذه الخطوة داخل الغشاء الداخلي للميتوكوندريا.

الخطوة 7. يضاف الماء إلى الفومارات خلال الخطوة السابعة ، ويتم إنتاج مالات. تقوم الخطوة الأخيرة في دورة حامض الستريك بتجديد أوكسالو أسيتات عن طريق أكسدة مالات. يتم إنتاج جزيء آخر من NADH في هذه العملية.

منتجات دورة حامض الستريك

تدخل ذرتان من الكربون في دورة حمض الستريك من كل مجموعة أسيتيل ، وتمثل أربعة من أصل ستة ذرات كربون لجزيء جلوكوز واحد. يتم إطلاق جزيئين من ثاني أكسيد الكربون في كل منعطف من الدورة ، ومع ذلك ، لا تحتوي هذه بالضرورة على أحدث ذرات الكربون المضافة. سيتم إطلاق ذرات كربون الأسيتيل في نهاية المطاف في دورات لاحقة من الدورة ، وبالتالي يتم دمج جميع ذرات الكربون الست من جزيء الجلوكوز الأصلي في النهاية في ثاني أكسيد الكربون. كل دورة من الدورة تشكل ثلاثة جزيئات NADH وواحد FADH2 مركب. ستتصل هذه الحاملات بالجزء الأخير من التنفس الهوائي لإنتاج جزيئات ATP. يتم أيضًا صنع GTP أو ATP واحد في كل دورة. يمكن استخدام العديد من المركبات الوسيطة في دورة حامض الستريك في تصنيع الأحماض الأمينية غير الأساسية ، وبالتالي فإن الدورة تكون برمائية (تقويضية ومنشطة).


منتجات دورة حامض الستريك

تدخل ذرتان من الكربون في دورة حمض الستريك من كل مجموعة أسيتيل ، وتمثل أربعة من أصل ستة ذرات كربون لجزيء جلوكوز واحد. يتم إطلاق جزيئين من ثاني أكسيد الكربون في كل منعطف من الدورة ، ومع ذلك ، لا تحتوي هذه بالضرورة على أحدث ذرات الكربون المضافة. سيتم إطلاق ذرتي كربون الأسيتيل في نهاية المطاف في دورات لاحقة من الدورة ، وبالتالي يتم دمج جميع ذرات الكربون الست من جزيء الجلوكوز الأصلي في نهاية المطاف في ثاني أكسيد الكربون. كل دورة من الدورة تشكل ثلاثة جزيئات NADH وواحد FADH2 مركب. ستتصل هذه الحاملات بالجزء الأخير من التنفس الهوائي لإنتاج جزيئات ATP. يتم أيضًا صنع GTP أو ATP واحد في كل دورة. يمكن استخدام العديد من المركبات الوسيطة في دورة حامض الستريك في تصنيع الأحماض الأمينية غير الأساسية ، وبالتالي فإن الدورة تكون برمائية (تقويضية ومنشطة).


1 إجابة 1

يعتبر تحلل السكر ودورة حمض الكربوكسيل (دورة TCA) عمليتين متميزتين لا ترتبط بالضرورة بالتسلسل. ولذلك فليس من المستغرب أن تكون أنماط تنظيمها غير متطابقة ، وفي الواقع ، تنطوي على تنظيم أكثر تعقيدًا بكثير مما هو مذكور في السؤال. يعتمد استخدام AMP بدلاً من ADP كمستشعر لنقص الطاقة على عمل adenylate kinase ، والذي قد يختلف بين السيتوبلازم والميتوكوندريا.

العلاقة بين تحلل السكر ودورة TCA

التوقع الواضح في السؤال الذي مفاده أنه يجب التحكم في تحلل السكر ودورة TCA بنفس الطريقة تمامًا يفترض إما أن العمليتين مرتبطتان بشكل لا ينفصم أو على الأقل أن أداء دورة TCA يعتمد على تحلل السكر. ليس هذا هو الحال ، على الرغم من أن الطالب يمكن أن يعفى من هذا الانطباع الخاطئ من (ربما لا مفر منه) الطريقة التي يتم بها التعامل مع الموضوعات بشكل متسلسل في كتب الكيمياء الحيوية.

الوظيفة الأساسية لـ تحلل السكر هو إنتاج ATP مباشرة من ADP. يتم تحويل المنتج النهائي للمسار ، البيروفات ، في بعض الظروف إلى أسيتيل CoA لدورة TCA ، ويتم استخدام NADH لإنتاج توليد ATP عبر سلسلة نقل الإلكترون (إلخ) والفسفرة المؤكسدة. ومع ذلك ، يحتوي البيروفات على مجموعة متنوعة من المصائر المحتملة الأخرى اعتمادًا على نوع الكائن الحي أو - في الكائنات الحية الأعلى - الأنسجة ومتطلباتها الأيضية الإجمالية. على سبيل المثال في التمثيل الغذائي اللاهوائي - بما في ذلك تمرين الأنسجة العضلية المذكورة في الملصق - يمكن تقليل البيروفات عن طريق التفاعلات التي تتجدد NAD + من NADH ، على سبيل المثال التحويل إلى اللاكتات. يمكن أن يكون بمثابة مقدمة للأحماض الأمينية ، ألانين ، فالين وليوسين. يمكن أيضًا تحويله في التفاعل المحفز بواسطة كربوكسيلاز البيروفيك إلى oxaloacetate ، الوسيط الرئيسي الذي يسمح لأسيتيل CoA بدخول دورة TCA. تكمن أهمية التوليف المباشر لأوكسالو أسيتات بهذه الطريقة في أنه يسمح باستمرار الدورة عند استخدام المواد الوسيطة للأغراض الاصطناعية (التي تمت مناقشتها أدناه) ، حيث يتم استنفاد أوكسالو أسيتات.

فيما يتعلق دورة TCA، هناك مصادر لأسيتيل CoA غير البيروفات التي ينتجها تحلل السكر ، ولها وظائف أخرى غير توليد الطاقة. يمكن أن ينشأ Acetyl CoA من انهيار الأحماض الدهنية وبعض الأحماض الأمينية. في الكائنات متعددة الخلايا ، يمكن أيضًا إنتاج البيروفات من اللاكتات المأخوذة من الدم ، على الرغم من أنه من المحتمل أن يتم استخدامه في خلايا الكبد لتكوين السكر. ويمكن لبعض البكتيريا - بكتيريا حمض الخليك مثل Acetobacter - استخدام الإيثانول الناتج عن التخمير في دورة TCA. بالإضافة إلى وظيفتها في توليد الطاقة ، فإن بعض مركباتها الوسيطة (α-ketoglutarate و succinyl CoA و oxaloacetate) هي سلائف لمسارات التخليق الحيوي ، وإنتاج السترات من acetyl CoA هو وسيلة لنقل الأخير خارج الميتوكوندريا ، حيث يتم إعادة تحويله إلى أسيتيل CoA بواسطة إنزيم انقسام السترات (ATP سترات لياز).

لذلك ليس من المستغرب أنه ستكون هناك اختلافات في تنظيم تحلل السكر ودورة TCA ، وفي الواقع ، ستكون هناك اختلافات بين الكائنات الحية المختلفة - وهو أمر غير مذكور عمومًا في النصوص الأولية.

تنظيم تحلل السكر

تتمثل الوظيفة الرئيسية لتحلل السكر في التوليد المباشر لـ ATP ("على مستوى الركيزة") ، ويتم التحكم في تدفق الجلوكوز خلاله من خلال التأثيرات التنظيمية لكل من ATP (–ve) و AMP (+ ve) على فسفوفركتوكيناز ، والذي كان تم تأسيسها وترشيدها بواسطة DE Atkinson (الكيمياء الحيوية 1968 ، 7 ، 11 ، 4030-4034) من حيث الاستجابة لشحنة الطاقة الإجمالية للنظام.

ينشأ هذا من قدرة adenylate kinase على إعادة تحويل ADP إلى ATP:

[من أتكينسون والتون (1967) J. بيول. تشيم. 242 3239–3241]

يمكن ملاحظة أن AMP هو مؤشر أفضل بكثير لشحن الطاقة المنخفض من ADP في الظروف التي يمثلها الرسم البياني أعلاه.

السيترات هو أيضًا مؤثر سلبي للإنزيم ، مما يوفر التنسيق بين تحلل السكر ودورة TCA. (يحدث التنظيم الهرموني عبر فسفرة البروتين في أنسجة حقيقيات النوى الأعلى.)

من أجل الدخول في دورة TCA ، يجب تحويل البيروفات إلى أسيتيل CoA بواسطة مركب نازعة هيدروجين البيروفات. يحدد تنظيم هذا الإنزيم مدى حدوث ذلك ، وبالتالي ، مدى استقلاب البيروفات بواسطة عمليات أخرى. المنظمات السلبية هنا هي تركيزات عالية من منتجات التفاعل ، أسيتيل CoA و NADH ، على الرغم من أهمية فسفرة البروتين المستحث هرمونيًا في حقيقيات النوى العالية.

ثم يستجيب الإنزيم التنظيمي الأول لدورة TCA ، وهو isocitrate dehydrogenase ، لتركيز الجزيئات الرئيسية المتضمنة الفسفرة المؤكسدة: يتم تحفيزه بواسطة ADP و + ، ويمنعه ATP و NADH. يجدر التفكير في عواقب التثبيط. في حالة حدوث تراكم للسيترات ، يمكن أن يؤدي ذلك إلى تغذية وتمنع إنزيم فسفوفركتوكيناز في تحلل السكر. ومع ذلك ، يمكن أن تنتقل السترات إلى سيتوبلازم حقيقيات النوى وتتحول إلى أسيتيل CoA (لتخليق الأحماض الدهنية) بواسطة إنزيم انقسام السترات ، والذي يتم تحفيزه بواسطة ATP وتثبيطه بواسطة ADP.

المرحلة التنظيمية اللاحقة هي α-ketoglutarate dehydrogenase ، والذي يتم تثبيته بواسطة ATP و NADH ومنتجها succinyl CoA. سيسمح تثبيط هذا الإنزيم بتراكم α-ketoglutarate ، وهو مقدمة للعديد من الأحماض الأمينية.

يسمح وجود العديد من الخطوات التنظيمية في أكسدة البيروفات ودورة TCA باستخدام الدورة لكل من توليد الطاقة وكمصدر للسلائف الاصطناعية. ومن ثم يجب أن يكون واضحًا سبب تشابه سيطرتها مع تحلل السكر في بعض النواحي ، ولكنها تظهر اختلافات رئيسية.

[بيرج وآخرون. الكيمياء الحيوية الطبعة الخامسة ، شكل 17.18]

ولكن لماذا لا يعتبر AMP جزيء تنظيمي في دورة TCA؟

لا يحتاج تحلل السكر ودورة TCA إلى السير في خطوة ، على الرغم من أنهما عندما يستجيبان للحاجة إلى ATP ، يتم تنظيم إنزيماتهما الرئيسية بواسطة نيوكليوتيدات الأدينين ، من بين جزيئات أخرى. يبقى السؤال الأصلي (أو تعديله) هو سبب كون AMP مؤثرًا إيجابيًا للفسفوفركتوكيناز ، ولكن ليس من نازعة هيدروجين الأيزوسترات ، والذي يستجيب لـ ADP. ومن المثير للاهتمام أن في قسم بيرج وآخرون. عند مناقشة مفهوم شحنة الطاقة ، تمت إضافة متسابق ضعيف إلى حد ما دون مزيد من التوضيح لتأثير أن نسبة ATP / ADP يمكن أن تعمل أيضًا كمؤشر لحالة الطاقة.

لا أعرف على وجه اليقين، لكنك تشك في أن الشروط التي بموجبها تكون معادلة أتكينسون لشحنة الطاقة صالحة لا تنطبق في الميتوكوندريا. هذا مدعوم من قبل Sobol وآخرون. (1978) Eur J. Biochem. 87 377-390 الذين وجدوا أن تركيزات AMP في ميتوكوندريا كبد الفئران أقل بكثير مما كان متوقعًا من الموازنة مع ATP و ADP من خلال تفاعل adenylate kinase. واقترحوا أن تفاعلًا إضافيًا لـ AMP مع GTP في الميتوكوندريا قد يكون مسؤولًا ، واستشهدوا أيضًا بتقارير تفيد بأن adenylate kinase كان غائبًا عن مصفوفة ميتوكوندريا كبد الفئران. على الأقل في كبد الفئران ، قد يفسر هذا أن AMP لن يكون جزيئًا تنظيميًا مفيدًا ، في حين أن نسبة ATP / ADP ستكون مؤشرًا على متطلبات الفسفرة المؤكسدة.


لمحة عامة عن التنفس الخلوي

الشكل 1. جزيئات الطاقة العالية: ATP و NADH. توضح اللوحة العلوية التحلل المائي لـ ATP إلى ADP. الطاقة القياسية الحرة لهذا التفاعل هي

7.3 كيلو كالوري / مول. توضح اللوحة السفلية تقليل NAD + إلى NADH + H +.

تتطلب جميع الخلايا بعض مصادر الطاقة للقيام بوظائفها الطبيعية. عادة ما يتم تخزين الطاقة في الخلايا في شكل روابط كيميائية. في الدروس القليلة القادمة سوف تتعلم عنها المسارات الأيضية (مسارات التفاعلات الكيميائية في الخلية) ، بما في ذلك عمليات الهدم، التي تصف التفاعلات التي تحطم الجزيئات ، و مسارات الابتنائية، التي تصف التفاعلات التي تبني الجزيئات. غالبًا ما تطلق المسارات التقويضية الطاقة عند كسر الروابط الكيميائية ، في حين أن المسارات الابتنائية قد تتطلب طاقة لتكوين روابط كيميائية. في الخلايا النباتية ، تستمد الطاقة من ضوء الشمس وتستخدم في مسارات الابتنائية لتكوين السكريات البسيطة. يمكن تخزين هذه السكريات واستخدامها لاحقًا إما في مسارات الابتنائية أو التقويضية. في الخلايا الحيوانية ، تُشتق الطاقة من تقويض الجزيئات الكبيرة المبتلعة مثل النشا والدهون من الكائنات الحية الأخرى (مثل الهامبرغر الذي تناولته على الغداء). يتم تقويض الجزيئات الكبيرة إلى سكريات بسيطة ولبنات بناء أخرى ، مما يؤدي إلى إطلاق الطاقة على طول الطريق. يتم التقاط هذه الطاقة في شكل نوعين من الجزيئات عالية الطاقة: ATP وحاملات الإلكترون.

يصف هذا البرنامج التعليمي هدم الجلوكوز ، وهو السكر البسيط الأكثر شيوعًا الموجود في كل من الحيوانات والنباتات. تذكر من البرنامج التعليمي السابق (خصائص الجزيئات الكبيرة الثانية: الأحماض النووية والسكريات المتعددة والدهون) ، يوجد الجلوكوز في كل من الجليكوجين والنشا. الهدم الكامل للجلوكوز في CO2 و ح2يشار إلى O باسم التنفس الخلوي لأنها تتطلب أكسجين. التفاعل الصافي للتنفس الخلوي هو C6ح12ا6 + 6O2 - & GT 6CO2 + 6 ح2O + 38ATP. يحدث تقويض الجلوكوز من خلال سلسلة من تفاعلات الأكسدة. أذكر من علم الأحياء 110 أن أكسدةمن الجزيء ينطوي على إزالة الإلكترونات. تحدث أكسدة الجزيئات العضوية عن طريق إزالة الإلكترونات والبروتونات (H +). في التفاعلات البيولوجية ، يقترن تفاعل الأكسدة بـ a تخفيض التفاعل (إضافة الإلكترونات والبروتونات) بحيث يتأكسد أحد الجزيئات ويقل الآخر. في تقويض الجلوكوز ، تتأكسد السكريات في تفاعلات مقترنة بتقليل الناقل الإلكترون الأكثر شيوعًا ، نيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد (NAD +)، (شكل 1). على سبيل المثال ، في التفاعل التالي: malate + NAD + - & gt oxaloacetate + NADH + H + ، يتأكسد malate ويختزل NAD- & gtis. يحدث التنفس الخلوي بطريقة متدرجة ، حيث ينتج في البداية العديد من الجزيئات من ناقلات الإلكترون المختزلة (NADH و FADH2). ستتأكسد حاملات الإلكترون المخفضة هذه في الميتوكوندريا في عملية مرتبطة بتخليق ATP. يتم استخدام الأكسجين فعليًا في هذه الخطوة الأخيرة فقط. تتبرع ناقلات الإلكترون المخففة بإلكتروناتها إلى سلسلة نقل الإلكترون ، وفي النهاية يتم تقليل الأكسجين لإنتاج الماء. تنتج هذه الخطوة الأخيرة من التنفس الخلوي أكبر قدر من الطاقة ، في شكل ATP.

هناك أربع مراحل مميزة للتنفس الخلوي: تحلل السكر، أكسدة الجلوكوز للسكر ثلاثي الكربون البيروفات أكسدة البيروفات ، أكسدة البيروفات ل أسيتيل أنزيم أ (أسيتيل CoA) ال دورة حمض الستريك(يشار إليها أيضًا بدورة Kreb أو دورة TCA) ، والأكسدة الكاملة لـ acetyl CoA وأخيراً أكسدة ناقلات الإلكترون المخفضة المرتبطة بتوليف ATP. سيتم وصف المراحل الثلاث الأولى (تحلل السكر وأكسدة البيروفات ودورة حمض الستريك) في هذا البرنامج التعليمي. بالإضافة إلى ذلك ، سننظر في عملية التخمير التي تحدث في غياب الأكسجين ، حيث يتم تقليل البيروفات وتوليد مجموعة متنوعة من المنتجات الثانوية. سيتم تناول الخطوة الأخيرة من التنفس الخلوي ، وهي أكسدة ناقلات الإلكترون المرتبطة بتوليف ATP ، في البرنامج التعليمي التالي.


انهيار بيروفات

لكي تدخل البيروفات ، نتاج تحلل السكر ، إلى المسار التالي ، يجب أن تخضع لعدة تغييرات. التحويل هو عملية من ثلاث خطوات (الشكل).

الخطوة 1. يتم إزالة مجموعة الكربوكسيل من البيروفات ، مما يؤدي إلى إطلاق جزيء من ثاني أكسيد الكربون في الوسط المحيط. نتيجة هذه الخطوة هي مجموعة هيدروكسي إيثيل ثنائية الكربون مرتبطة بالإنزيم (بيروفات ديهيدروجينيز). هذا هو الأول من أصل ستة ذرات كربون من جزيء الجلوكوز الأصلي المراد إزالته. تستمر هذه الخطوة مرتين (تذكر: يوجد اثنين يتم إنتاج جزيئات البيروفات في نهاية الجلوكوز) لكل جزيء من الجلوكوز يتم استقلابه على هذا النحو ، سيتم إزالة اثنين من الكربونات الستة في نهاية كلتا الخطوتين.

الخطوة 2. تتأكسد مجموعة هيدروكسي إيثيل إلى مجموعة أسيتيل ، ويتم التقاط الإلكترونات بواسطة NAD + ، مكونًا NADH. سيتم استخدام الإلكترونات عالية الطاقة من NADH لاحقًا لتوليد ATP.

الخطوة 3. يتم نقل مجموعة الأسيتيل المرتبطة بالإنزيم إلى CoA ، لإنتاج جزيء من acetyl CoA.

عند دخول مصفوفة الميتوكوندريا ، يحول مركب متعدد الإنزيمات البيروفات إلى أسيتيل CoA. في هذه العملية ، يتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون ويتم تكوين جزيء واحد من NADH.

لاحظ أنه خلال المرحلة الثانية من استقلاب الجلوكوز ، عندما تتم إزالة ذرة الكربون ، فإنها ترتبط بذرتين من الأكسجين ، مما ينتج ثاني أكسيد الكربون ، وهو أحد المنتجات النهائية الرئيسية للتنفس الخلوي.


سلسلة نقل الإلكترون

تحدث هذه العملية على غشاء الميتوكوندريا الداخلي المطوي عليه cristae. يوفر هذا مساحة كبيرة لتحدث سلسلة نقل الإلكترون.


يجلب الناقلان FAD و NAD الهيدروجين وينفصل إلى H + والإلكترونات (e-). تنتقل الإلكترونات من حاملة إلى حاملة وطاقة مفككة. يستخدم هذا لتجميع ATP.

ومع ذلك ، هناك الكثير من أيونات الهيدروجين ، والتي ما لم تتم إزالتها ، فإنها ستسبب زيادة كبيرة في درجة الحموضة. لذلك ، يتفاعل الأكسجين مع الأيونات لإزالته وإنتاجه ماء. هذا هو ما يتم استخدام الأكسجين الذي تستنشقه (من حيث التنفس).


24 أكتوبر 2007

لذا فإن صفي في علم الأحياء الخلوي يتخذ نهجًا معياريًا جدًا لأكسدة الأحماض الدهنية ودورة كريبس وتحلل السكر. أنا متأكد من أن فصل الكيمياء الحيوية الخاص بي لن يكون غير رسمي تقريبًا ، ومع ذلك ، لاكتمال مناقشتي للميتوكوندريا ولأنني قلت سأفعل ، إليك نظرة عامة سريعة على هذه الدورات الثلاث المهمة التي تؤدي إلى حصول الخلية على الطاقة من الطعام.

هناك نوعان من المدخلات الغذائية القياسية التي تستخدمها الخلية لصنع ATP & # 8211 الأحماض الدهنية والجلوكوز. في النهاية ، يتم تقليل الجلوكوز إلى جزيئين من البيروفات في العصارة الخلوية ، والتي يتم تقليلها بعد ذلك إلى جزيئين من Acetyl-CoA في مساحة المصفوفة. في دورة الأحماض الدهنية ، يتم تقليل طول الأحماض الدهنية لصنع وحدات من Acetyl-CoA. هذا الإمداد من Acetyl-CoA هو ما يدفع دورة حامض الستريك في الخلية.

دعونا أولاً نتعامل مع تحلل السكر. باستخدام ATP واحد ، يتم فسفرة تحلل الجلوكوز بواسطة hexokinase (تذكر أن الكينازات هي إنزيمات تشارك في الفسفرة) ويتم تغييرها إلى الفركتوز 6-P بواسطة أيزوميراز فسفوغلوكوز. باستخدام 1 ATP ، يقوم فسفوفركتوكيناز بفوسفوريلات الفركتوز على أول كربون له ، مما يجعل الفركتوز 1،6-P. يتم بعد ذلك تقطيع هذا المنتج بواسطة الألدوليز إلى هيدروكسي أسيتون فوسفات و جليسيرالديهيد 3 فوسفات. يتم تحويل هيدروكسي أسيتون P إلى جلسيرالديهيد آخر بواسطة أيزوميراز فوسفات التيروز ، مما يعطينا اثنين من جليسيرالديهيد 3-ف. من خلال الحصول على الفوسفات ، يقلل كل جليسيرالديهيد 3-P NAD + ، مما ينتج عنه مضاعف 1،3-biphosphoglycerate واثنين من NADH. يتفاعل كل فوسفوجليسيرات حيوي مع فوسفوجليسيرات كيناز لتفسفر ADP ، مما ينتج عنه 2 ATP و 3 فوسفوجليسيرات. ثم يقوم مطفر الفوسفوجليسيرات بنقل الفوسفات من الكربون الثالث إلى الثاني ، وينتج 2-فوسفوجليسيرات ، يستخدم كل منهما لإنتاج فوسفوينول بيروفات من خلال التفاعل مع إينولاز. ثم يتم استخدام كل إنولبيروفات لفوسفوريلات ATP عن طريق التحفيز بواسطة بيروفات كيناز ، مما ينتج عنه البيروفات و ATP.

كل خطوة من خطوات تحلل السكر قابلة للعكس ، باستثناء تلك التي يتم تحفيزها بواسطة بيروفات كيناز ، فسفوفركتوكيناز وهكسوكيناز ، وبالتالي بمجرد حصولك على جزيء من البيروفات ، لا يمكن أن يتراجع على طول المسار & # 8211 عالق مثل البيروفات (ما لم يتم العثور عليه مسار أيضي آخر يجب اتباعه).

في هذا الإجراء ، تم استخدام جزيئين من ATP لتحفيز فسفرة السكر ، وتم إنتاج أربعة ATP & # 8217s ، جنبًا إلى جنب مع جزيئين من NADH. هذا يجعل العائد الصافي لتحلل السكر 2 ATP و 2 NADH و 2 بيروفات لكل جزيء من الجلوكوز. يوجد ملخص تخطيطي لهذه العملية في Alberts & # 8217 البيولوجيا الجزيئية والخلية، متاح هنا.

يتم استيراد منتجات تحلل السكر (البيروفات) إلى الميتوكوندريا ، حيث يتم نزع الكربوكسيل منها وربطها بإنزيم CoA. في عملية فقدان ثاني أكسيد الكربون2، يقلل البيروفات من NAD +. ثم يدخل Acetyl CoA الناتج في دورة كريبس المناسبة. يتم تحفيز Acetyl CoA بواسطة سينسيز السيترات للتبرع بمجموعته من الأسيتيل إلى oxaloacetate (تشارك أيضًا في مكوك مالات-أسبارتات) لإنتاج السترات. يتم تحويل السيترات إلى isocitrate بواسطة aconitase ، والذي يتم استخدامه بعد ذلك بواسطة isocitrate dehydrogenase لتقليل NAD + الذي ينتج α-keytoglutarate (يشارك أيضًا في مكوك أسبارتات مالات). ثم يتفاعل keytoglutarate مع مركب α-keytoglutarate dehydrogenase وإنزيم CoA لتقليل NAD + ، و decarboxylate ، مما ينتج عنه succinyl-CoA. ثم يتم فسفرته بواسطة سينسيز succinyl CoA لصنع السكسينات ، مما يؤدي إلى فسفرة الناتج المحلي الإجمالي في هذه العملية. يتفاعل السكسينات بعد ذلك مع نازعة هيدروجين السكسينات المرتبط بالغشاء (المركب II في سلسلة نقل الإلكترون) ، مما يقلل من إف أي دي وينتج فومارات. يتفاعل فوماريت بعد ذلك مع الفوميراز والماء لصنع مالات يتفاعل مع مالات ديهيدروجينيز لإنتاج NADH نهائي واحد واستعادة أوكسالو أسيتات لاستخدامها في دورة أخرى.

المنتجات الصافية لسلسلة التفاعل هذه هي 4 جزيئات من NADH وجزيء واحد من GTP وجزيء واحد من FADH2، مما يعني أن كل جزيء من الجلوكوز قد أسفر عن 4 NADH و 2 GTP و 2 FADH2. يتم فقد الكربون المضاف بواسطة البيروفات إلى أوكسالو أسيتات في الخطوتين 3 و 4 من السلسلة (ردود الفعل من isocitrate إلى succinyl CoA ، على الرغم من أنه يجب ملاحظة أن الكربون المفقود ليس تلك المضافة بالفعل بواسطة البيروفات ، ولكن بالأحرى تلك present from another cycle in the citric acid cycle. The energy released from pyruvate comes from the successive oxidation and decarboxylation of the molecule. A diagram of the reaction, from Alberts’ text, is available here

Fatty Acid oxidation also provides a source of Acetyl CoA. Fatty Acids are imported into the Mitochondria after they have been activated for oxidation in the cytosol. Once in the mitochondria fatty acid goes through a cycle of four reactions mediated by four enzymes. The first reaction is an oxidation mediated by acyl-CoA dehydrogenase (AD). AD has a prosthetic FAD group that transfers the electrons that it gains from the oxidation of the fatty acid to ETF, which passes them on to Coenzyme Q via ubiquinone oxioreductase. The oxidized fatty acid, a trans-Δ 2 -Enoyl-CoA, is then hydrated by enoyl-CoA Hydratase. Once hydrated, the compound is reduced once more, and the electrons lost in this oxidation are passed on to a NADH via 3-L-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase. The resulting compound is then undergoes thiolysis. The thiolysis is acomplished via β-Keytoacyl-CoA thiolase. The thiolysis breaks the bond betwen the β carbonyl carbon and the α carbon, yielding Acetyl CoA and another Fatty acyl-CoA that is two atoms shorter than when the sequence of reactions started. A schematic of this from Stryers’ text can be found here.

Thus Fatty Acid Oxidation provides a FADH2, a NADH and a Acetyl-CoA per cycle, until the fatty acid chain has been fully oxidized.

On a per molecule basis, it becomes clear that Fats are a much better source of energy to make ATP than are glucose molecules. Fat molecules are arranged in triglycerides–fully reduced molecule with three fatty acid chains, each of which may contain 18 carbons. Thus a single triglyceride has the potential to drive (18/2)*3=27 rounds of the citric acid cycle—as compared to two per molecule of glucose.

The information for this post came from Alberts’ Molecular Biology and the Cell, as well as Voet and Voet’s الكيمياء الحيوية.


شاهد الفيديو: التجربه: فحص نمو الخميرةExperience 4: Check yeast growth الأحياء (كانون الثاني 2023).