معلومة

2.19: الجلوكوز و ATP - علم الأحياء

2.19: الجلوكوز و ATP - 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.

هل تحتاج إلى الكثير من الطاقة؟

لتشغيل ماراثون ، على الأرجح. من أين تأتي هذه الطاقة الإضافية؟ تحميل الكربوهيدرات هو استراتيجية يستخدمها رياضيو التحمل لتعظيم تخزين الطاقة ، في شكل الجليكوجين ، في العضلات. يشكل الجليكوجين احتياطيًا للطاقة يمكن تعبئته بسرعة لتلبية الحاجة المفاجئة للجلوكوز ، والذي يتحول بعد ذلك إلى ATP من خلال عملية التنفس الخلوي.

الجلوكوز و ATP

الجزيئات الحاملة للطاقة

أنت تعلم أن السمكة التي تناولتها على الغداء تحتوي على جزيئات بروتينية. ولكن هل تعلم أن الذرات الموجودة في هذا البروتين يمكن أن تشكل بسهولة اللون في عين اليعسوب وقلب برغوث الماء والذيل المصاب يوجلينا قبل أن يضربوا صحنك كعضلات سمكة ناعمة؟ يتكون الغذاء من جزيئات عضوية (تحتوي على الكربون) تخزن الطاقة في الروابط الكيميائية بين ذراتها. تستخدم الكائنات الحية ذرات جزيئات الطعام لبناء جزيئات عضوية أكبر بما في ذلك البروتينات والحمض النووي والدهون (الدهون) وتستخدم الطاقة في الغذاء لتشغيل عمليات الحياة. عن طريق كسر الروابط في جزيئات الطعام ، تطلق الخلايا الطاقة لبناء مركبات جديدة. على الرغم من أن بعض الطاقة تتبدد على شكل حرارة عند كل عملية نقل للطاقة ، إلا أن الكثير منها يتم تخزينه في الجزيئات المصنوعة حديثًا. الروابط الكيميائية في الجزيئات العضوية هي خزان للطاقة المستخدمة في صنعها. يمكن للخلايا ، التي تغذيها الطاقة من جزيئات الطعام ، أن تجمع وتعيد توحيد عناصر الحياة لتشكيل آلاف الجزيئات المختلفة. تنتقل كل من الطاقة (على الرغم من بعض الخسارة) والمواد (على الرغم من إعادة تنظيمها) من المنتج إلى المستهلك - ربما من ذيول الطحالب ، إلى قلوب براغيث الماء ، إلى ألوان عين اليعسوب ، إلى عضلات الأسماك ، إليك!

تستخدم عملية التمثيل الضوئي ، التي عادةً ما تبدأ في تدفق الطاقة خلال الحياة ، أنواعًا مختلفة من الجزيئات الحاملة للطاقة لتحويل طاقة ضوء الشمس إلى طاقة كيميائية وبناء الطعام. بعض الجزيئات الحاملة لها طاقة لفترة وجيزة ، وتحولها بسرعة مثل البطاطس الساخنة إلى جزيئات أخرى. تسمح هذه الإستراتيجية بإطلاق الطاقة بكميات صغيرة خاضعة للرقابة. مثال يبدأ في الكلوروفيل، الصبغة الخضراء الموجودة في معظم النباتات والتي تساعد في تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية. عندما يمتص جزيء الكلوروفيل الطاقة الضوئية ، تتحمس الإلكترونات و "تقفز" إلى مستوى طاقة أعلى. ثم ترتد الإلكترونات المثارة إلى سلسلة من الجزيئات الحاملة ، وتفقد القليل من الطاقة في كل خطوة. تعمل معظم الطاقة "المفقودة" على تشغيل بعض المهام الخلوية الصغيرة ، مثل تحريك الأيونات عبر غشاء أو بناء جزيء آخر. حاملة طاقة أخرى قصيرة المدى مهمة لعملية التمثيل الضوئي ، نادف، يحتفظ بالطاقة الكيميائية لفترة أطول قليلاً ولكن سرعان ما "ينفقها" للمساعدة في بناء السكر.

اثنان من أهم الجزيئات الحاملة للطاقة هما الجلوكوز والأدينوسين ثلاثي الفوسفات ، يشار إليه عادة باسم ATP. هذه هي أنواع الوقود العالمية تقريبًا في جميع أنحاء العالم الحي وكلاهما لاعبان رئيسيان في عملية التمثيل الضوئي ، كما هو موضح أدناه.

الجلوكوز

جزيء الجلوكوز الذي له الصيغة الكيميائية C6ح12ا6، يحمل حزمة من الطاقة الكيميائية بحجم مناسب تمامًا للنقل وامتصاص الخلايا. الجلوكوز في جسمك هو الشكل "القابل للتوصيل" من الطاقة ، والذي يتم نقله في الدم عبر الشعيرات الدموية إلى كل خلية من خلاياك البالغ عددها 100 تريليون خلية. الجلوكوز هو أيضًا الكربوهيدرات التي ينتجها التمثيل الضوئي ، وبالتالي فهو غذاء شبه شامل للحياة.

الجلوكوز هو منتج غني بالطاقة لعملية التمثيل الضوئي ، وهو غذاء عالمي للحياة. إنه أيضًا الشكل الأساسي الذي يوفر فيه مجرى الدم الطاقة لكل خلية في جسمك.

ATP

تخزن جزيئات ATP كميات أقل من الطاقة ، لكن كل منها يطلق الكمية المناسبة فقط للقيام بالعمل الفعلي داخل الخلية. على سبيل المثال ، تسحب بروتينات الخلايا العضلية بعضها البعض بالطاقة المنبعثة عندما تنفتح الروابط في ATP (نناقش أدناه). تقوم عملية التمثيل الضوئي أيضًا بإنتاج واستخدام ATP - للحصول على الطاقة لبناء الجلوكوز! إذن ، ATP هو الشكل القابل للاستخدام من الطاقة لخلاياك. يشار إلى ATP عادة باسم "عملة الطاقة" للخلية.

لماذا نحتاج إلى كل من الجلوكوز و ATP؟

لماذا لا تصنع النباتات ATP فقط وتنتهي من ذلك؟ إذا كانت الطاقة مالًا ، فإن ATP سيكون ربعًا. ما يكفي من المال لتشغيل عداد وقوف السيارات أو الغسالة. سيكون الجلوكوز عبارة عن فاتورة بقيمة عشرة دولارات - يسهل حملها في محفظتك ، ولكنها كبيرة جدًا للقيام بالعمل الفعلي المتمثل في دفع رسوم وقوف السيارات أو الغسيل. مثلما نجد العديد من فئات المال مفيدة ، تحتاج الكائنات الحية إلى عدة "فئات" من الطاقة - كمية أقل للعمل داخل الخلايا ، وكمية أكبر للتخزين المستقر ، والنقل ، والتسليم إلى الخلايا. (في الواقع ، سيكون جزيء الجلوكوز حوالي 9.50 دولارات ، حيث يتم إنتاج ما يصل إلى 38 ATP لكل جزيء جلوكوز في ظل الظروف المناسبة.)

دعونا نلقي نظرة فاحصة على جزيء ATP. على الرغم من أنه يحمل طاقة أقل من الجلوكوز ، إلا أن تركيبته أكثر تعقيدًا. يشير الحرف "A" في ATP إلى غالبية الجزيء ، وهو الأدينوزين ، وهو مزيج من قاعدة نيتروجينية وخمسة كربون سكر. يشير "TP" إلى الفوسفات الثلاثة ، المرتبطة بروابط تحمل الطاقة التي تستخدمها الخلايا بالفعل. عادة ، ينكسر الرابط الخارجي فقط لإطلاق أو إنفاق الطاقة للعمل الخلوي.

جزيء ATP ، كما هو موضح في شكل أدناه ، مثل بطارية قابلة لإعادة الشحن: يمكن للخلية استخدام طاقتها عندما تنفصل إلى ADP (ثنائي فوسفات الأدينوسين) والفوسفات ، ومن ثم يمكن إعادة شحن "البطارية البالية" ADP باستخدام طاقة جديدة لتوصيل فوسفات جديد وإعادة بناء ATP. المواد قابلة لإعادة التدوير ، لكن تذكر أن الطاقة ليست كذلك!

ما هي تكلفة الطاقة لعمل جسمك؟ تستخدم خلية واحدة حوالي 10 ملايين جزيء ATP في الثانية ، وتعيد تدوير جميع جزيئات ATP كل 20-30 ثانية تقريبًا.

يوضح السهم الرابطة بين مجموعتي فوسفات في جزيء ATP. عندما تنكسر هذه الرابطة ، يمكن لطاقتها الكيميائية القيام بعمل خلوي. يتم إعادة تدوير جزيء ADP الناتج عندما تلتصق طاقة جديدة بفوسفات آخر ، مما يعيد بناء ATP.

تم العثور على شرح لـ ATP على أنه "طاقة بيولوجية" في http://www.youtube.com/watch؟v=YQfWiDlFEcA.

ملخص

  • الجلوكوز هو الكربوهيدرات التي تنتجها عملية التمثيل الضوئي. يتم توصيل الجلوكوز الغني بالطاقة عبر الدم إلى كل خلية من خلاياك.
  • ATP هو الشكل القابل للاستخدام من الطاقة لخلاياك.

إعادة النظر

  1. حقيقة أن جميع الكائنات الحية تستخدم جزيئات متشابهة تحمل الطاقة تظهر جانبًا واحدًا من "وحدة الحياة" الكبرى. قم بتسمية جزيئين عالميين يحملان الطاقة ، واشرح لماذا تحتاج معظم الكائنات الحية إلى كلا الحاملين بدلاً من واحد فقط.
  2. تستخدم الخلية الواحدة حوالي 10 ملايين جزيء ATP في الثانية. اشرح كيف تستخدم الخلايا الطاقة وإعادة تدوير المواد في ATP.
  3. ATP والجلوكوز كلاهما جزيء تستخدمه الكائنات الحية للحصول على الطاقة. إنها مثل خزان شاحنة صهريج تنقل الغاز إلى محطة وقود وخزان الغاز الذي يحتفظ بوقود السيارة. ما الجزيء الذي يشبه خزان شاحنة التوصيل ، وأي جزيء يشبه خزان الغاز في السيارة؟ اشرح اجابتك.

التنفس الخلوي

التنفس الخلوي عبارة عن مجموعة من التفاعلات والعمليات الأيضية التي تحدث في خلايا الكائنات الحية لتحويل الطاقة الكيميائية من جزيئات الأكسجين [1] أو العناصر الغذائية إلى أدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP) ، ثم إطلاق النفايات. [2] التفاعلات التي ينطوي عليها التنفس هي تفاعلات تقويضية ، والتي تقسم الجزيئات الكبيرة إلى جزيئات أصغر ، وتطلق الطاقة لأن الروابط الضعيفة عالية الطاقة ، ولا سيما في الأكسجين الجزيئي ، [3] يتم استبدالها بروابط أقوى في المنتجات. التنفس هو أحد الطرق الرئيسية التي تطلق بها الخلية الطاقة الكيميائية لتغذية النشاط الخلوي. يحدث التفاعل الكلي في سلسلة من الخطوات البيوكيميائية ، بعضها تفاعلات الأكسدة والاختزال. على الرغم من أن التنفس الخلوي هو من الناحية الفنية تفاعل احتراق ، فمن الواضح أنه لا يشبه التفاعل عندما يحدث في خلية حية بسبب الإطلاق البطيء المتحكم فيه للطاقة من سلسلة التفاعلات.

تشمل العناصر الغذائية التي يشيع استخدامها من قبل الخلايا الحيوانية والنباتية في التنفس السكر والأحماض الأمينية والأحماض الدهنية ، والعامل المؤكسد الأكثر شيوعًا الذي يوفر معظم الطاقة الكيميائية هو الأكسجين الجزيئي (O2). [1] يمكن بعد ذلك استخدام الطاقة الكيميائية المخزنة في ATP (رابطة مجموعتها الفوسفاتية الثالثة ببقية الجزيء للسماح بتكوين منتجات أكثر استقرارًا ، وبالتالي إطلاق الطاقة لاستخدامها بواسطة الخلية) لدفع العمليات التي تتطلب الطاقة ، بما في ذلك التخليق الحيوي أو الحركة أو نقل الجزيئات عبر أغشية الخلايا.


آليات AMPK في الحفاظ على توازن ATP أثناء استقلاب الطاقة

كيناز البروتين المنشط AMP (AMPK) هو مستشعر محفوظ لتغيير الطاقة الخلوية ويتم تنشيطه عن طريق زيادة نسب AMP / ATP و / أو ADP / ATP. يحافظ AMPK على توازن الطاقة من خلال تقليل العمليات التي تستهلك ATP مثل نسخ جينات الدهون الاصطناعية و rRNA ، وترجمة البروتينات الريبوسومية ، وتخليق الكوليسترول والأحماض الدهنية ، في حين أن المسارات الأيضية مثل الجلوكوز ونقل الدهون ، وأكسدة الأحماض الدهنية ، يتم زيادة الالتهام الذاتي وتخليق الميتوكوندريا والتمثيل الغذائي التأكسدي للحفاظ على ATP أثناء نقص الطاقة. أظهر التقدم الأخير أن نشاط AMPK له ارتباط وثيق بالبدء والتقدم في مختلف أنواع السرطان. نراجع هنا الآليات التي يتحكم بها AMPK في استقلاب الطاقة من خلال تنظيم تخليق ATP واستهلاكه ، ومناقشة المزيد حول تحرير AMPK في السرطانات.

الكلمات الدالة: توليف AMPK ATP واستهلاك الطاقة الأيض.

© 2017 المؤلفون. منظمة بيولوجيا الخلية الدولية تم نشرها بواسطة WileyPeriodicals، Inc.


المواد والأساليب

شلالات الإنزيم المشاركة في تنظيم تخليق الجليكوجين وتدهوره في العضلات والكبد موضحة بشكل تخطيطي في الشكل 1 أ و 1 ب على التوالي. يُفترض أن تكون تركيزات المستقلبات ATP و AMP و PPi ثابتة طوال التحليل. يتم أيضًا إهمال اللوائح الخيفية لـ GP و GS بواسطة هذه المستقلبات والمؤثرات. ترد معلومات مفصلة عن مجموعة المعادلات وقائمة المعلمات المستخدمة في المحاكاة في زائدة. يتم أخذ معظم المعلمات وتركيزات الإنزيم من مصادر الأدبيات وقد تم استخدام نفس المجموعة لمحاكاة نظام شلال الجليكوجين للعضلات الهيكلية والكبد. في العمل الحالي ، يعتبر تركيز cAMP هو المدخل الأساسي في سلسلة الجليكوجين. يتم أخذ التنشيطات الجزئية لـ GS (شكل نزع الفسفرة) و GP (شكل الفسفرة) كاستجابات ناتجة لنظام الجليكوجين. يتم توسط تأثيرات cAMP على سلسلة الإنزيم من خلال تنشيط إنزيم الخيفي CAPK. في حالة عدم وجود cAMP ، يوجد CAPK باعتباره holoenzyme غير نشط ، R2ج2، مع الوحدات الفرعية المقيدة بإحكام من dimer R التنظيمي2 والوحدة الحفزية C. ومع ذلك ، في وجود cAMP ، R2ج2 يتم تنشيطه من خلال ربط cAMP بالوحدة الفرعية التنظيمية والتفكك اللاحق للأنزيم الهولندي في الوحدات الفرعية التنظيمية المرتبطة بـ cAMP والوحدة الفرعية التحفيزية المجانية [17]. مخطط رد الفعل العام لتفعيل CAPK هو ،

ر 2ج 2 + 4(معسكر) ↔ 2 ج + ر 2 (معسكر) 4 [1]

في العمل الحالي ، يُفترض أن تنشيط CAPK بواسطة cAMP هو تفكك تدريجي للوحدات الفرعية التحفيزية. التعبير التحليلي لقياس تنشيط CAPK مأخوذ من Shacter وآخرون. [17] ويفترض أن المركب بين الوحدة الفرعية التحفيزية لـ CAPK والإنزيم المستهدف لا يكاد يذكر مقارنة بالتركيز الكلي لـ CAPK. يتم تحديد كمية تنشيط CAPK من حيث تكوين الوحدة الفرعية الحفزية باستخدام المعادلة التكعيبية التالية (انظر زائدة للتفاصيل):

حيث (R2ج2)ر يشير إلى إجمالي CAPK ، C هو الوحدة الفرعية الحفزية ، (cAMP) هو إجمالي تركيز cAMP ، و K11 وك22 هي ثوابت التفكك للوحدتين الفرعيتين الأولى والثانية على التوالي. تم الحصول على جذر صالح كتركيز إجمالي لوحدة تحفيزية CAPK باستخدام المعادل. 2 ويؤخذ كمدخل لتعديل الإنزيمات المستهدفة المصب.

يوضح الشكل 1 أ التخطيطي لشلالات الإنزيم المشاركة في تنظيم تخليق الجليكوجين وانهيار العضلات الهيكلية. على الرغم من ملاحظة الفسفرة المزدوجة لـ PK و الفسفرة المتعددة لـ GS في المختبر [5 ، 9] ، من أجل التبسيط ، درسنا موقع فسفرة واحد لهذه الإنزيمات. لدمج الفسفرة المحفزة بـ PK و CAPK لـ GS ، من المفترض أن كلا الإنزيمات يشكلان تجمعًا قبل تحفيز فسفرة GS. يُفترض أن Ca +2 ، الذي يعمل كمحفز آخر للمدخلات للنظام ، موجود بتركيزات تقابل التنشيط الكامل لـ PK. مثبط الفسفرة -1 يعطل PP1 عن طريق تفاعل خيفي لكنه يفشل في تثبيط إنزيم الفوسفاتاز -2 أ. هنا ، نحن نعتبر الفوسفاتاز -2 أ بمثابة إنزيم مزيل الفسفرة للمثبط النشط -1 ، حيث أن المانع -1 لا يثبط نزع الفسفرة الخاصة به حتى عند تركيز التشبع [3].

يوضح الشكل 1 ب التخطيطي لهيكل شلال الجليكوجين في الكبد. في المختبر أظهرت الدراسات أن الجلوكوز 6 فوسفات يمكن أن يحفز نزع الفسفرة من GS ويمنع الفسفرة من GP-ب و GS-أ، بينما يعمل الجلوكوز كمنشط خيفي لفوسفاتيز GP [28-33]. في العمل الحالي ، قمنا بدمج هذه التأثيرات جنبًا إلى جنب مع تثبيط خيفي لـ PP1 بواسطة GP-أ. من المفترض أن الجلوكوز والجلوكوز 6-فوسفات يؤثران على تفاعلات الفسفرة ونزع الفسفرة عن طريق تقليل ثوابت Michaelis-Menten ذات الصلة (انظر زائدة للمعادلات). تراوح تركيز الجلوكوز بين 0.1 ملي مولار إلى 100 ملي مولار وتم حساب المستوى المقابل من الجلوكوز 6-فوسفات ليكون في النطاق الفسيولوجي من 0.1 إلى 0.5 ملي مولار. يتم تنظيم مستوى cAMP داخل الخلايا عن طريق تركيز الجلوكوز من خلال الإشارات الهرمونية مثل الجلوكاجون. تم دمج العلاقة العكسية بين مستويات الجلوكوز و cAMP لتقدير مستويات cAMP من تركيز الجلوكوز (التفاصيل في زائدة)

تم تحليل أداء شلالات الإنزيم استجابةً لمحفزات إدخال cAMP المختلفة بواسطة معادلة تشغيل الحالة المستقرة من العمل الكلاسيكي لجولدبيتر وكوشلاند [14]. لأغراض التوضيح ، نقدم المعادلة التكعيبية التالية ، والتي تحدد مثبط التنشيط الجزئي -1 (الشكل 1 أ) عن طريق أخذ جميع مجمعات (Michaelis-Menten) في الحسبان:

أين F 1 = أنا/أنا ر, أنا رهو تركيز المانع الكلي ، (PP2) رهو إجمالي الفوسفاتيز -2 أ والمصطلحات الأخرى كما هو وارد في الشكل 1 أ. من القيد 0 & ltF 1 & lt 1 ، تم الحصول على جذر صالح كمثبط كسري غير معدل باستخدام المعادل. 3. مثبط الفسفرة الجزئي (أي أنا ص/أنا ر) يمكن الحصول عليها من العلاقة التالية ،

معادلة التشغيل للتفاعل الخيفي لـ PP1 مع المانع -1 والفوسفوريلاز مأخوذة من عملنا السابق [34]. تم استخدام المعادلة التربيعية التالية لمحاكاة التثبيط الخيفي للعضلات PP1 بواسطة مثبط الفسفرة -1 ، المعطى بواسطة

أين PP1.I صهو PP1 غير نشط و ك دهل ثابت التفكك:

أين (PP1) رهو إجمالي PP1 و F3 هو PP1 الجزئي المعطل (أي ، (PP1.I ص)/(PP1) ر). الأنواع المجانية (النشطة) من PP1 (أي ، F 4 = (PP1)/(PP1) ر) يمكن تقديرها بواسطة F 4 = 1-F 3.

في العمل الحالي ، تم إهمال المجمعات المتسلسلة. على سبيل المثال ، مجمعات PK مع GP-ب و PK مع GS-أ مهملة في إجمالي رصيد القتل (التفاصيل في زائدة). تم ربط معادلة تشغيل الحالة المستقرة لدورات التعديل التساهمية الفردية والتفاعل الخيفي بشكل تسلسلي لتقييم استجابة الإخراج لهيكل الشلال ، أي التعديل الجزئي لـ GP و GS لتحفيز الإدخال الأولي ، cAMP في العضلات والجلوكوز في الكبد (التفاصيل في زائدة). تم حل هذه المعادلات في وقت واحد باستخدام Matlab (The Mathworks Inc. USA) للحصول على منحنيات الاستجابة للجرعة لتفعيل الحالة الثابتة الجزئية لجميع الإنزيمات المكونة عند مستويات تحفيز الإدخال المختلفة. نظرًا لأن معظم المعلمات مأخوذة من تقارير تجريبية مختلفة ، فقد أجرينا تحليل الحساسية على مجموعة البيانات الكاملة. لتقييم الحساسية للتغيرات في المعلمات الفردية ، تم تغيير كل معلمة على مدى 10 أضعاف مع الحفاظ على ثبات جميع المعلمات الأخرى.


الطاقة و ATP

تحتاج جميع الكائنات الحية إلى إمداد مستمر بالطاقة للحفاظ على عملية التمثيل الغذائي.
يجب أن تمتص إما الطاقة الضوئية في عملية التمثيل الضوئي أو الطاقة الكيميائية الكامنة ل
القيام بالعمل اللازم للبقاء على قيد الحياة.

يشمل هذا العمل:
• التفاعلات الابتنائية: تخليق البروتينات والجزيئات الكبيرة الأخرى من أصغر
منها (مثل عديد الببتيدات من الأحماض الأمينية)
• النقل الفعال للأيونات والجزيئات عبر أغشية الخلايا ضدهم
تدرج التركيز (على سبيل المثال نشاط ضخ الصوديوم والبوتاسيوم يحتاج إلى طاقة مثل
ضد تدرج التركيز)
• الحركة (العمل الميكانيكي): حركة الكائن الحي كله على سبيل المثال العضلات
الانقباض (مثل دقات القلب ، وحركات التنفس ، والمشي) أو الحركة داخل
الكائن الحي ، على سبيل المثال حركة العضيات في الخلايا)
• المحافظة على درجة حرارة الجسم وخاصة في الثدييات والطيور التي يجب
إطلاق الطاقة الحرارية للحفاظ على درجة حرارة الجسم أعلى من درجة حرارة
بيئة.
• انتقال النبضات العصبية.
ينقل التمثيل الضوئي الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية محتملة ، والتي يمكن أن تفعل ذلك بعد ذلك
يتم إطلاقها للعمل من خلال عملية التنفس. كلا من التمثيل الضوئي والتنفس
تنطوي على جزيء وسيط مهم في نقل الطاقة هذا: الأدينوزين
ثلاثي الفوسفات (ATP). في العديد من الكائنات الحية ، يتم نقل معظم الطاقة إلى ATP
مشتق في الأصل من الطاقة الضوئية عدد قليل من بدائيات النوى (المواد الكيميائية) ليست كذلك
تعتمد على الطاقة الضوئية المحاصرة بواسطة التمثيل الضوئي ولكنها تستخدم الطاقة من المواد غير العضوية
التفاعلات الكيميائية بدلا من ذلك.

2. عملة الطاقة العالمية
ترتبط العمليات في الخلايا التي تتطلب طاقة بتفاعلات كيميائية تنتج الطاقة
بواسطة جزيء وسيط ، ATP. استخدام نوع واحد من الجزيئات لنقل الطاقة إليه
العديد من العمليات المختلفة التي تتطلب الطاقة تجعل من السهل على هذه العمليات أن تكون
محكومة ومنسقة. جميع الكائنات الحية تستخدم ATP كعملة للطاقة: إنها a
عملة الطاقة العالمية. لا يتم تخزين ATP أبدًا. الجلوكوز والأحماض الدهنية قصيرة الأجل
مخازن الطاقة ، في حين أن الجليكوجين والنشا والدهون الثلاثية هي مخازن طويلة الأجل.

عندما يتحلل جزيء ATP بالماء ، يفقد بعضًا من مجموعات الفوسفات الخاصة به
يتم إطلاق الطاقة ويمكن أن تستخدمها الخلية. في هذه العملية ، يتم تحويل ATP إلى
ADP (أدينوسين د إيفوسفات). يطلق التحلل المائي لجزيء ATP جزيء صغير
& # 8216packet & # 8217 من الطاقة التي غالبًا ما تكون بالحجم المناسب لتغذية خطوة معينة في العملية. أ
من ناحية أخرى ، يحتوي جزيء الجلوكوز على الكثير من الطاقة ، لذلك الكثير
تضيع إذا استخدمت الخلايا جزيئات الجلوكوز كمصدر مباشر للطاقة

يمكن تصنيع ATP من ADP ومجموعة فوسفات غير عضوية (Pi) باستخدام الطاقة ،
ويتحلل بالماء إلى ADP والفوسفات لإطلاق الطاقة. هذا التحويل البيني مهم للغاية في توفير الطاقة لخلية. التحلل المائي لمجموعة الفوسفات الطرفية
يطلق ATP 30.5 كيلو جول مول -1 من الطاقة للعمل الخلوي:

تؤدي إزالة الفوسفات الثاني ، وإعطاء AMP ، إلى إطلاق 30.5 كيلو جول مول -1 من الطاقة ،
لكن إزالة آخر فوسفات ينتج 14.2 كيلوجول مول -1. تأتي الطاقة المنبعثة
ليس فقط من هذه الروابط ، ولكن من الطاقة الكيميائية الكامنة للجزيء مثل
ككل.

تحتوي كل خلية على كمية ضئيلة من ATP في أي وقت. الخلية لا تستورد
ATP أو ثنائي فوسفات الأدينوزين (ADP) أو أحادي فوسفات الأدينوزين (AMP). مع قليل
الاستثناءات ، يجب على كل خلية إنتاج ATP الخاص بها عن طريق التنفس وإعادة تدويره بشدة
بسرعة. لأنه جزيء صغير قابل للذوبان في الماء ، يسهل نقله من مكانه
صنع في خلية حيث هو مطلوب.
3. الأدوار
• الارتباط بجزيء البروتين ، وتغيير شكله ، مما يؤدي إلى انثناءه بشكل مختلف
إنتاج الحركة ، على سبيل المثال تقلص العضلات
• الارتباط بجزيء إنزيم ، مما يسمح بتحفيز التفاعل الذي يتطلب طاقة
• نقل مجموعة الفوسفات إلى إنزيم مما يجعل الإنزيم نشطاً
• نقل مجموعة الفوسفات إلى جزيء ركيزة غير نشط بحيث يمكن أن يتفاعل
بطريقة محددة ، على سبيل المثال في تحلل السكر ودورة كالفين
• نقل AMP إلى جزيء ركيزة غير متفاعل ، مما ينتج عنه تفاعل
مركب وسيط ، على سبيل المثال الأحماض الأمينية قبل الارتباط بـ tRNA أثناء البروتين
نتيجة الجمع بين الطريحة والنقيضة
• الارتباط ببروتين عبر الغشاء بحيث يمكن أن يحدث النقل النشط عبر
غشاء.

الأيض
مجموع جميع التفاعلات الكيميائية الحيوية اللازمة للكائن الحي للبقاء على قيد الحياة هو
الأيض.
التمثيل الغذائي = الاستقلاب + الهدم
الابتنائية هي بناء جزيئات أكثر تعقيدًا من جزيئات أبسط ، من أجل
مثال على تركيب الأحماض النووية والكربوهيدرات. هناك حاجة إلى الإنزيمات من أجل
هذه التركيبات من الجزيئات المعقدة اللازمة للنمو. ردود الفعل الابتنائية
استهلاك الطاقة.
الهدم هو الانهيار الإنزيمي للجزيئات المعقدة إلى الجزيئات الأبسط. انها
عكس الابتنائية. تنتج التفاعلات التقويضية للتنفس طاقة.


الامتحان 2 علم الأحياء

(الاختيار ب)
ب
يتم التقاط الطاقة الضوئية بواسطة البلاستيدات الخضراء.

(الاختيار C)
ج
إنها المرحلة الأولى من عملية التمثيل الضوئي.

(الاختيار أ)
أ
إنه رد فعل تقويضي.

(الاختيار ب)
ب
إنه رد فعل ابتنائي.

(الاختيار C)
ج
إنه تفاعل ضوئي.

(الاختيار ب)
ب
من مناطق التركيز المنخفض إلى مناطق التركيز العالي

(الاختيار C)
ج
من مناطق التركيز العالي إلى مناطق التركيز المنخفض

(الاختيار أ)
أ
غشاء ثايلاكويد البلاستيدات الخضراء

(الاختيار ب)
ب
سدى البلاستيدات الخضراء

(الاختيار C)
ج
الغشاء الخارجي للبلاستيدات الخضراء

(الاختيار أ)
أ
يتم استخدامه كمتفاعل لتشكيل المنتج.

(الاختيار ب)
ب
يوفر الركيزة اللازمة لحدوث التفاعل.

(الاختيار C)
ج
يرفع طاقة التنشيط بحيث يمكن حدوث تفاعل.

(الاختيار أ)
أ
لن يحدث تحلل السكر ولن يتشكل البيروفات ، مما يتسبب في أن تخضع خلية الخميرة لتخمير الكحول.

(الاختيار ب)
ب
سيستمر حدوث تحلل السكر ، لكن البيروفات لن يتشكل ، مما يتسبب في أن تخضع خلية الخميرة لتخمير الكحول.

(الاختيار C)
ج
سيستمر حدوث تحلل السكر ، وسيظل البيروفات يتشكل ، مما يتسبب في أن تخضع خلية الخميرة لتخمير حمض اللاكتيك.


علم الأحياء 171

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على القيام بما يلي:

  • صف كيف سيؤثر تثبيط التغذية الراجعة على إنتاج وسيط أو منتج في المسار
  • تحديد الآلية التي تتحكم في معدل نقل الإلكترونات عبر سلسلة نقل الإلكترون

التنفس الخلوي يجب تنظيمها من أجل توفير كميات متوازنة من الطاقة في شكل ATP. يجب أن تولد الخلية أيضًا عددًا من المركبات الوسيطة التي تُستخدم في الابتنائية وتقويض الجزيئات الكبيرة. بدون ضوابط ، ستتوقف التفاعلات الأيضية بسرعة حيث وصلت ردود الفعل الأمامية والخلفية إلى حالة من التوازن. سيتم استخدام الموارد بشكل غير لائق. لا تحتاج الخلية إلى الحد الأقصى لكمية ATP التي يمكن أن تصنعها طوال الوقت: في بعض الأحيان ، تحتاج الخلية إلى تحويل بعض المواد الوسيطة إلى مسارات لإنتاج الأحماض الأمينية والبروتين والجليكوجين والدهون والحمض النووي. باختصار ، تحتاج الخلية إلى التحكم في عملية التمثيل الغذائي الخاصة بها.

الآليات التنظيمية

يتم استخدام مجموعة متنوعة من الآليات للتحكم في التنفس الخلوي. يوجد نوع من التحكم في كل مرحلة من مراحل استقلاب الجلوكوز. يمكن تنظيم وصول الجلوكوز إلى الخلية باستخدام بروتينات GLUT (ناقل الجلوكوز) التي تنقل الجلوكوز ((الشكل)). تتحكم الأشكال المختلفة لبروتين GLUT في مرور الجلوكوز إلى خلايا أنسجة معينة.


يتم التحكم في بعض التفاعلات من خلال وجود إنزيمين مختلفين - واحد لكل منهما في اتجاهين للتفاعل القابل للعكس. يمكن للتفاعلات التي يتم تحفيزها بواسطة إنزيم واحد فقط أن تنتقل إلى حالة التوازن ، مما يؤدي إلى توقف التفاعل. في المقابل ، إذا كان هناك إنزيمان مختلفان (كل منهما محدد لاتجاه معين) ضروريان للتفاعل القابل للانعكاس ، تزداد فرصة التحكم في معدل التفاعل ، ولا يتم الوصول إلى التوازن.

يتم التحكم في عدد من الإنزيمات المشاركة في كل مسار - على وجه الخصوص ، الإنزيم الذي يحفز أول تفاعل ملتزم للمسار - عن طريق ربط جزيء بموقع خيفي على البروتين. الجزيئات الأكثر شيوعًا في هذه السعة هي النيوكليوتيدات ATP و ADP و AMP و NAD + و NADH. هذه المنظمات - المؤثرات الخيفية - قد تزيد أو تقلل من نشاط الإنزيم ، اعتمادًا على الظروف السائدة. يغير المستجيب الخيفي البنية الفراغية للإنزيم ، وعادة ما يؤثر على تكوين الموقع النشط. هذا التغيير في بنية البروتين (الإنزيم) إما يزيد أو يقلل من انجذابه لركائزه ، مع تأثير زيادة أو تقليل معدل التفاعل. يشير التعلق إلى الإنزيم. يمكن أن يؤدي هذا الارتباط إلى زيادة أو تقليل نشاط الإنزيم ، مما يوفر آلية التغذية الراجعة. هذا النوع من التحكم في التغذية المرتدة فعال طالما أن المادة الكيميائية التي تؤثر عليه مرتبطة بالإنزيم. بمجرد أن ينخفض ​​التركيز الكلي للمادة الكيميائية ، سوف ينتشر بعيدًا عن البروتين ، ويتم تخفيف التحكم.

السيطرة على المسارات التقويضية

تميل الإنزيمات والبروتينات وناقلات الإلكترون والمضخات التي تلعب دورًا في تحلل السكر ودورة حامض الستريك وسلسلة نقل الإلكترون إلى تحفيز التفاعلات غير القابلة للعكس. بمعنى آخر ، إذا حدث رد الفعل الأولي ، فإن المسار ملتزم بالمضي قدمًا في ردود الفعل المتبقية. يعتمد ما إذا كان يتم إطلاق نشاط إنزيم معين على احتياجات الطاقة للخلية (كما تنعكس في مستويات ATP و ADP و AMP).

تحلل السكر

يبدأ التحكم في تحلل السكر بأول إنزيم في المسار ، هيكسوكيناز ((الشكل)). يحفز هذا الإنزيم فسفرة الجلوكوز ، مما يساعد على تحضير المركب للانقسام في خطوة لاحقة. كما أن وجود الفوسفات سالب الشحنة في الجزيء يمنع السكر من مغادرة الخلية. عندما يتم تثبيط هيكسوكيناز ، ينتشر الجلوكوز خارج الخلية ولا يصبح ركيزة لمسارات التنفس في هذا النسيج. ناتج تفاعل هيكسوكيناز هو الجلوكوز 6 فوسفات ، والذي يتراكم عندما يتم تثبيط إنزيم لاحق ، فسفوفركتوكيناز.


فسفوفركتوكيناز هو الإنزيم الرئيسي الذي يتم التحكم فيه في تحلل السكر. المستويات العالية من ATP أو السترات أو درجة الحموضة الأقل والأكثر حمضية تقلل من نشاط الإنزيم. يمكن أن تحدث زيادة في تركيز السترات بسبب انسداد في دورة حمض الستريك. غالبًا ما يكون التخمير ، بإنتاجه للأحماض العضوية مثل حمض اللاكتيك ، مسؤولاً عن زيادة الحموضة في الخلية ، ومع ذلك ، لا تتراكم منتجات التخمير عادةً في الخلايا.

يتم تحفيز الخطوة الأخيرة في تحلل السكر بواسطة بيروفات كيناز. يمكن أن يستمر تقويض البيروفات المنتج أو تحويله إلى حمض أميني ألانين. إذا لم تكن هناك حاجة إلى مزيد من الطاقة وكان الألانين متوفرًا بشكل كافٍ ، يتم تثبيط الإنزيم. يزداد نشاط الإنزيم عند زيادة مستويات الفركتوز -1،6-ثنائي الفوسفات. (تذكر أن الفركتوز -1،6-ثنائي الفوسفات هو وسيط في النصف الأول من تحلل السكر.) يتضمن تنظيم بيروفات كيناز الفسفرة بواسطة كيناز (بيروفات كيناز) ، مما يؤدي إلى إنزيم أقل نشاطًا. يعمل نزع الفسفرة بواسطة الفوسفاتاز على إعادة تنشيطه. يتم أيضًا تنظيم Pyruvate kinase بواسطة ATP (تأثير خيفي سلبي).

إذا كانت هناك حاجة إلى مزيد من الطاقة ، فسيتم تحويل المزيد من البيروفات إلى أسيتيل CoA من خلال عمل نازعة هيدروجين البيروفات. إذا تراكمت أي من مجموعات الأسيتيل أو NADH ، فستكون هناك حاجة أقل للتفاعل ، وينخفض ​​المعدل. يتم أيضًا تنظيم Pyruvate dehydrogenase عن طريق الفسفرة: فسفرة كيناز تقوم بتشكيل إنزيم غير نشط ، ويقوم الفوسفاتاز بإعادة تنشيطه. يتم أيضًا تنظيم إنزيم الكيناز والفوسفاتيز.

دورة حمض الستريك

يتم التحكم في دورة حمض الستريك من خلال الإنزيمات التي تحفز التفاعلات التي تصنع أول جزيئين من NADH (مراجعة). هذه الإنزيمات هي isocitrate dehydrogenase و αنازعة هيدروجين كيتوغلوتارات. عندما تتوفر مستويات كافية من ATP و NADH ، تنخفض معدلات هذه التفاعلات. عندما تكون هناك حاجة إلى المزيد من ATP ، كما ينعكس في ارتفاع مستويات ADP ، يزداد المعدل. سوف يتأثر نازعة هيدروجين ألفا كيتوجلوتارات أيضًا بمستويات السكسينيل CoA - وهو وسيط لاحق في الدورة - مما يؤدي إلى انخفاض في النشاط. الانخفاض في معدل تشغيل المسار عند هذه النقطة ليس بالضرورة سالبًا ، حيث أن المستويات المتزايدة لـ α- يمكن استخدام الكيتوجلوتارات الذي لا تستخدمه دورة حامض الستريك بواسطة الخلية لتخليق الأحماض الأمينية (الغلوتامات).

سلسلة نقل الإلكترون

لا تتأثر إنزيمات معينة من سلسلة نقل الإلكترون بتثبيط التغذية الراجعة ، لكن معدل نقل الإلكترون عبر المسار يتأثر بمستويات ADP و ATP. تتم الإشارة إلى زيادة استهلاك ATP بواسطة خلية من خلال تراكم ADP. مع انخفاض استخدام ATP ، ينخفض ​​تركيز ADP ، والآن ، يبدأ ATP في التراكم في الخلية. يؤدي هذا التغيير في التركيز النسبي لـ ADP إلى ATP إلى تشغيل الخلية لإبطاء سلسلة نقل الإلكترون.

عرض المزيد حول سلسلة نقل الإلكترون وتوليف ATP من خلال مشاهدة سلسلة نقل الإلكترون: الفيلم (فلاش تفاعلي ، فيديو)

للحصول على ملخص لعناصر التحكم في التغذية الراجعة في التنفس الخلوي ، انظر (الشكل).

ملخص ضوابط التغذية الراجعة في التنفس الخلوي
مسار الانزيم يتأثر مستويات مرتفعة من المستجيب التأثير على نشاط المسار
تحلل السكر هيكسوكيناز جلوكوز 6 فوسفات ينقص
فسفوفركتوكيناز شحنة منخفضة الطاقة (ATP ، AMP) ، فركتوز 6 فوسفات عبر الفركتوز 2،6-بيسفوسفات يزيد
شحنة عالية الطاقة (ATP ، AMP) ، سترات ، درجة الحموضة الحمضية ينقص
بيروفات كيناز الفركتوز -1،6-ثنائي الفوسفات يزيد
شحنة عالية الطاقة (ATP ، AMP) ، ألانين ينقص
تحويل البيروفات إلى أسيتيل CoA بيروفات ديهيدروجينيز ADP ، بيروفات يزيد
أسيتيل CoA ، ATP ، NADH ينقص
دورة حمض الستريك نازعة هيدروجين الأيزوسترات ADP يزيد
ATP ، NADH ينقص
αنازعة هيدروجين كيتوغلوتارات أيونات الكالسيوم ، ADP يزيد
ATP ، NADH ، Succinyl CoA ينقص
سلسلة نقل الإلكترون ADP يزيد
ATP ينقص

ملخص القسم

يتم التحكم في التنفس الخلوي بوسائل متنوعة. يتم التحكم في دخول الجلوكوز إلى الخلية بواسطة بروتينات النقل التي تساعد على مرور الجلوكوز عبر غشاء الخلية. يتم تحقيق معظم التحكم في عمليات التنفس من خلال التحكم في إنزيمات معينة في المسارات. هذا نوع من آلية التغذية الراجعة السلبية ، مما يؤدي إلى إيقاف تشغيل الإنزيمات. تستجيب الإنزيمات في أغلب الأحيان لمستويات النيوكليوسيدات المتوفرة ATP و ADP و AMP و NAD + و FAD. تؤثر المركبات الوسيطة الأخرى للمسار أيضًا على إنزيمات معينة في الأنظمة.

إستجابة مجانية

كيف تؤثر السترات من دورة حامض الستريك على تحلل السكر؟

يمكن للسيترات أن تمنع إنزيم فسفوفركتوكيناز عن طريق تنظيم التغذية الراجعة.

لماذا قد تكون آليات التغذية الراجعة السلبية أكثر شيوعًا من آليات التغذية الراجعة الإيجابية في الخلايا الحية؟

تتحكم آليات التغذية الراجعة السلبية فعليًا في العملية التي يمكنها إيقافها ، بينما تعمل الملاحظات الإيجابية على تسريع العملية ، مما يسمح للخلية بعدم التحكم فيها. ردود الفعل السلبية تحافظ بشكل طبيعي على التوازن ، في حين أن ردود الفعل الإيجابية تدفع النظام بعيدًا عن التوازن.

قائمة المصطلحات


الجلوكوز و ATP

الجزيئات الحاملة للطاقة

أنت تعلم أن السمكة التي تناولتها على الغداء تحتوي على جزيئات بروتينية. ولكن هل تعلم أن الذرات الموجودة في هذا البروتين يمكن أن تكون قد شكلت بسهولة اللون في عين اليعسوب ، وقلب برغوث الماء ، والذيل الشبيه بقطعة يوجلينا قبل أن يضربوا صحنك كعضلات سمكة ناعمة؟ يتكون الغذاء من جزيئات عضوية (تحتوي على الكربون) تخزن الطاقة في الروابط الكيميائية بين ذراتها. تستخدم الكائنات الحية ذرات جزيئات الطعام لبناء جزيئات عضوية أكبر بما في ذلك البروتينات والحمض النووي والدهون (الدهون) وتستخدم الطاقة في الغذاء لتشغيل عمليات الحياة.

عن طريق كسر الروابط في جزيئات الطعام ، تطلق الخلايا الطاقة لبناء مركبات جديدة. على الرغم من أن بعض الطاقة تتبدد على شكل حرارة عند كل عملية نقل للطاقة ، إلا أن الكثير منها يتم تخزينه في الجزيئات المصنوعة حديثًا. الروابط الكيميائية في الجزيئات العضوية هي خزان للطاقة المستخدمة في صنعها. يمكن للخلايا ، التي تغذيها الطاقة من جزيئات الطعام ، أن تجمع وتعيد توحيد عناصر الحياة لتشكيل آلاف الجزيئات المختلفة. تنتقل كل من الطاقة (على الرغم من بعض الخسارة) والمواد (على الرغم من إعادة تنظيمها) من المنتج إلى المستهلك - ربما من ذيول الطحالب ، إلى قلوب براغيث الماء ، إلى ألوان عين اليعسوب ، إلى عضلات الأسماك ، إليك!

تستخدم عملية التمثيل الضوئي ، التي عادةً ما تبدأ في تدفق الطاقة خلال الحياة ، أنواعًا مختلفة من الجزيئات الحاملة للطاقة لتحويل طاقة ضوء الشمس إلى طاقة كيميائية وبناء الغذاء. بعض الجزيئات الحاملة لها طاقة لفترة وجيزة ، وتحولها بسرعة مثل البطاطس الساخنة إلى جزيئات أخرى. تسمح هذه الإستراتيجية بإطلاق الطاقة بكميات صغيرة خاضعة للرقابة. مثال يبدأ في الكلوروفيل، الصبغة الخضراء الموجودة في معظم النباتات والتي تساعد في تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية.

عندما يمتص جزيء الكلوروفيل الطاقة الضوئية ، تتحمس الإلكترونات & # 8220 تقفز & # 8221 إلى مستوى طاقة أعلى. ثم ترتد الإلكترونات المثارة إلى سلسلة من الجزيئات الحاملة ، وتفقد القليل من الطاقة في كل خطوة. تعمل معظم طاقة & # 8220lost & # 8221 على تشغيل بعض المهام الخلوية الصغيرة ، مثل تحريك الأيونات عبر الغشاء أو بناء جزيء آخر. حاملة طاقة أخرى قصيرة المدى مهمة لعملية التمثيل الضوئي ، نادف، يحتفظ بالطاقة الكيميائية لفترة أطول قليلاً ولكن سرعان ما & # 8220 ينفق & # 8221 للمساعدة في بناء السكر.

اثنان من أهم الجزيئات الحاملة للطاقة هما الجلوكوز والأدينوسين ثلاثي الفوسفات ، يشار إليه عادة باسم ATP. هذه هي أنواع الوقود العالمية تقريبًا في جميع أنحاء العالم الحي وكلاهما لاعبان رئيسيان في عملية التمثيل الضوئي ، كما هو موضح أدناه.

الجلوكوز

جزيء الجلوكوز الذي له الصيغة الكيميائية C6ح12ا6، يحمل حزمة من الطاقة الكيميائية بحجم مناسب تمامًا للنقل وامتصاص الخلايا. الجلوكوز في جسمك هو الشكل & # 8220deliverable & # 8221 من الطاقة ، والذي يتم حمله في دمك عبر الشعيرات الدموية إلى كل خلية من خلاياك البالغ عددها 100 تريليون خلية. الجلوكوز هو أيضًا الكربوهيدرات التي ينتجها التمثيل الضوئي ، وبالتالي فهو غذاء شبه شامل للحياة.

الجلوكوز هو منتج غني بالطاقة لعملية التمثيل الضوئي ، وهو غذاء عالمي للحياة. إنه أيضًا الشكل الأساسي الذي يوفر فيه مجرى الدم الطاقة لكل خلية في جسمك.

تخزن جزيئات ATP كميات أصغر من الطاقة ، لكن كل منها يطلق الكمية المناسبة فقط للقيام بالعمل الفعلي داخل الخلية. بروتينات خلايا العضلات ، على سبيل المثال ، تسحب بعضها البعض بالطاقة المنبعثة عندما تنفتح الروابط في ATP (نناقش أدناه). كما أن عملية التمثيل الضوئي تصنع وتستخدم ATP & # 8211 للطاقة لبناء الجلوكوز! إذن ، ATP هو الشكل القابل للاستخدام من الطاقة لخلاياك. يشار إلى ATP عادة باسم & # 8220energy Currency & # 8221 للخلية.

لماذا نحتاج إلى كل من الجلوكوز و ATP؟

لماذا لا تقوم النباتات بصنع ATP وتنتهي من ذلك؟ إذا كانت الطاقة مالًا ، فإن ATP سيكون ربعًا. ما يكفي من المال لتشغيل عداد وقوف السيارات أو الغسالة. سيكون الجلوكوز عبارة عن فاتورة بقيمة عشرة دولارات - يسهل حملها في محفظتك ، ولكنها كبيرة جدًا للقيام بالعمل الفعلي المتمثل في دفع رسوم وقوف السيارات أو الغسيل. تمامًا كما نجد العديد من فئات المال مفيدة ، تحتاج الكائنات الحية إلى العديد من فئات & # 8220 & # 8221 من الطاقة - كمية أصغر للعمل داخل الخلايا ، وكمية أكبر للتخزين المستقر والنقل والتسليم إلى الخلايا. (في الواقع ، سيكون جزيء الجلوكوز حوالي 9.50 دولارات ، حيث يتم إنتاج ما يصل إلى 38 ATP لكل جزيء جلوكوز في ظل الظروف المناسبة.)

& # 8217s نلقي نظرة فاحصة على جزيء ATP. على الرغم من أنه يحمل طاقة أقل من الجلوكوز ، إلا أن تركيبته أكثر تعقيدًا. يشير & # 8220A & # 8221 في ATP إلى غالبية الجزيء ، الأدينوزين ، وهو مزيج من القاعدة النيتروجينية والسكر المكون من خمسة كربون. يشير & # 8220TP & # 8221 إلى الفوسفات الثلاثة ، المرتبطة بروابط تحمل الطاقة التي تستخدمها الخلايا بالفعل. عادة ، ينكسر الرابط الخارجي فقط لإطلاق أو إنفاق الطاقة للعمل الخلوي.

جزيء ATP ، الموضح في الشكل أدناه ، يشبه بطارية قابلة لإعادة الشحن: يمكن للخلية استخدام طاقتها عندما تنقسم إلى ADP (ثنائي فوسفات الأدينوزين) والفوسفات ، ثم & # 8220 البطارية البالية & # 8221 ADP يمكن يتم إعادة شحنها باستخدام طاقة جديدة لربط فوسفات جديد وإعادة بناء ATP. المواد قابلة لإعادة التدوير ، لكن تذكر أن الطاقة ليست كذلك!

ما هي تكلفة الطاقة لعمل جسمك & # 8217s؟ تستخدم خلية واحدة حوالي 10 ملايين جزيء ATP في الثانية ، وتعيد تدوير جميع جزيئات ATP كل 20-30 ثانية تقريبًا.

يوضح السهم الرابطة بين مجموعتي فوسفات في جزيء ATP. عندما تنكسر هذه الرابطة ، يمكن لطاقتها الكيميائية القيام بعمل خلوي. The resulting ADP molecule is recycled when new energy attaches another phosphate, rebuilding ATP.


المواد والأساليب

Study site and subjects

The study was conducted at Año Nuevo state reserve, San Mateo County, California from February to May, 2003. Early fasting measurements were taken in ten pups, 2 weeks (12–20 days) postweaning. Late fasting measurements were repeated in six of these pups, 5–8 weeks postweaning. To facilitate identification of subjects late in the fast, each was given plastic flipper tags (jumbo roto-tags Dalton Company, Oxon, UK) at or prior to weaning. Pups were marked with hair dye (Lady Clairol Stamford, CT, USA)to further facilitate identification throughout the postweaning fast. During the study period weaned elephant seals become highly mobile and begin to spend considerable time in the water. Radio transmitters (Advanced Telemetry Systems, Isanti, MN, USA) were attached to the dorsal pelage of seals with 5-min epoxy (Devcon Danvers, MA, USA) during the initial procedure to aid in relocation. Despite these efforts, four weanlings departed to sea prior to the later measurement. One pup was sampled early (37 days postweaning vice 49–60 days for all other study animals) because it was late season when most of the remaining weanlings were departing. All pups exhibited typical behavior of healthy elephant seal pups and departed to sea at the end of the fast.

Sample collection and processing

Using a bolus injection technique, a noncompartmental model was used to describe the glucose kinetics of each seal(Wolfe, 1992). Pups were immobilized using an initial intramuscular injection of telazol(teletamine/zolazepam HCl) at a dose of 1.0 mg kg –1 and administered intravenous doses of 50 mg ketamine and diazepam as needed to maintain immobilization (all drugs from Fort Dodge Labs, Fort Dodge, IA, USA). Mass was determined using a tripod and scale (MSI tension dynamometer,±1.0 kg) in conjunction with a nylon restraint bag(Ortiz et al., 1978). Axillary girth and curved length measurements were taken to provide an index of body composition. Body composition index (BCI) was calculated as axillary girth divided by the curved length. Blood samples were collected in chilled heparinized vacutainers. Each animal was administered 0.1 mCi each of[2- 3 H]glucose and [6- 3 H]glucose عبر the extradural vein at the onset of the flux measurement. After injection, blood samples were drawn at 5 min intervals for 30 min, then every 15 min thereafter until 3 h post injection. Samples were stored on ice and transported to the laboratory, centrifuged for 15 min at 800 ز and 4°C, and the plasma collected. Protein was precipitated from plasma by adding 1.5 ml of barium hydroxide and zinc sulfate (0.3 N Sigma-Aldrich, St Louis, MO, USA) to 1.0 ml plasma, vortexing, and chilling for 20 min in an ice–water bath. Samples were then centrifuged at 1800 ز for 20 min and the supernatant decanted and stored at –80°C until further analysis.

Single label tritiated glucose standards were run in parallel with samples to determine degree of detritiation of each isotope and correct for detritiation efficiency. Average detritiation of [2- 3 H]glucose was 96.3±2.9%. Within each assay detritiation efficiency was corrected for by multiplying sample SA6 by [2- 3 H]glucose standard detritiation efficiency. Average detritiation of [6- 3 H]glucose was less than 1.0%. Detritiation of [6- 3 H]glucose standards ranged from–3.0 to 7.0% therefore, detritiation efficiency of less than|3|% was not corrected for, while efficiencies of 3–7%were adjusted for as above.

Hormone and metabolite analysis

Plasma samples drawn prior to tracer injection were thawed for use in assays of insulin, glucagon, cortisol and glucose. Insulin was assayed using a Sensitive Rat Insulin RIA kit (cat. no. SRI-13K, Linco Research Inc, St Charles, MO, USA). This kit's stated specificity is 100% for rat, porcine,sheep, hamster, and mouse. Glucagon was assayed with a Glucagon RIA kit (cat. no. GL-32K, Linco Research Inc). Cortisol levels were measured using a Cortisol RIA kit (cat. no. TKCO2, Diagnostic Products Corporation, Los Angeles, CA, USA). All kits used for this study were validated by comparing results from serially diluted samples of pooled elephant seal plasma to the assay standard curve. Serially diluted pooled elephant seal plasma samples displayed significant parallelism with the standard curves. The cortisol kit has also been validated previously for this species(Ortiz et al., 2001). Despite the use of a sensitive insulin RIA kit, insulin values were frequently measured near the lower detection limits of the assay and the mean intra-assay coefficient of variation was 14.6%. Mean intra assay coefficient of variation for glucagon was 5.9% and 5.5% for cortisol. Since insulin and glucagon are antagonistic and it is believed that their molar ratios determine their metabolic effect rather than absolute plasma concentrations (Kraus-Friedman,1984), values of insulin and glucagon were used to calculate the insulin:glucagon molar ratio.

Glucose concentration of plasma samples collected prior to isotope administration was processed in triplicate using a glucose autoanalyzer as above. β-hydroxybutyrate (βHBA) was assayed using a GM-7 Micro-Stat autoanalyzer (Analox Instruments Inc, Lunenburg, MA, USA).

Kinetic analysis

Representative clearance curves for (A) [2- 3 H]glucose and (B)[6- 3 H]glucose, and the corresponding labeled glucose structures.

Representative clearance curves for (A) [2- 3 H]glucose and (B)[6- 3 H]glucose, and the corresponding labeled glucose structures.

في الجسم الحي, hydrogen at C-2 of glucose is removed early in the conversion of glucose-6-phosphate to fructose-6-phosphate(Fig. 1). Therefore, endogenous glucose output (EGO= gluconeogenesis + glycogenolysis + glucose cycle activity) was measured as the rate of appearance of glucose with respect to[2- 3 H]glucose (Ra2). Hydrogen at C-6 is not removed until the phosphoenolpyruvate (PEP) and citric acid cycles, so endogenous glucose production (EGP=gluconeogenesis + glycogenolysis) was measured as the rate of appearance with respect to [6- 3 H]glucose (Ra6). Glucose cycle activity (GCA) was calculated as the difference between EGO and EGP (GCA=Ra2–Ra6).

تحليل احصائي

Early fasting and late fasting measurements were compared using paired ر-tests only matched early and late fasting measurements were used(seals 7–10 were removed for these comparisons) but reported means(± s.e.m. ) are calculated from all samples unless otherwise stated. Paired longitudinal measurements of body condition and plasma hormone concentration were used to examine relationships between changes in body condition and regulatory hormones with changes in plasma glucose concentration.


تحلل السكر

You have read that nearly all of the energy used by living things comes to them in the bonds of the sugar, glucose. تحلل السكر is the first step in the breakdown of glucose to extract energy for cell metabolism. Many living organisms carry out glycolysis as part of their metabolism. Glycolysis takes place in the cytoplasm of most prokaryotic and all eukaryotic cells.

Glycolysis begins with the six-carbon, ring-shaped structure of a single glucose molecule and ends with two molecules of a three-carbon sugar called pyruvate. Glycolysis consists of two distinct phases. In the first part of the glycolysis pathway, energy is used to make adjustments so that the six-carbon sugar molecule can be split evenly into two three-carbon pyruvate molecules. In the second part of glycolysis, ATP and nicotinamide-adenine dinucleotide (NADH) are produced (Figure 2).

Figure 2. In glycolysis, a glucose molecule is converted into two pyruvate molecules.

إذا لم تتمكن الخلية من تقويض جزيئات البيروفات بشكل أكبر ، فسوف تحصد جزيئين من ATP فقط من جزيء واحد من الجلوكوز. For example, mature mammalian red blood cells are only capable of glycolysis, which is their sole source of ATP. If glycolysis is interrupted, these cells would eventually die.


ATP Synthesis in Fermentation (With Diagram)

Substrate-level phosphorylation, is a mechanism by which high energy phosphate bonds from organic intermediates of the fermentation are transferred to ADP producing ATP. ATP synthesis via substrate-level phosphorylation can take place in various different ways in all cases, the central point is the production of one or another high energy intermediate compound.

1. High energy intermediate compounds:

The high energy intermediate compounds are usually organic compounds containing a phosphate group or a coenzyme-A molecule, the hydrolysis of which is highly energy- releasing (exergonic). Many such high energy intermediate compounds are given in Table 26.1.

Since most of the intermediate compounds listed in Table 26.1 can couple directly to ATP synthesis, if an organism can form one or another of these compounds during fermentative metabolism, it can synthesize ATP.

Substrate-level phosphorylation is a more direct way of making ATP than via proton motive force (oxidative phosphorylation) but requires that the energy source couples directly to a high energy intermediate compound.

2. Pathways of formation of high energy intermediate compounds:

There are many pathways for the anaerobic degradation of various fermentable substances by microorganisms to high energy organic intermediate some major ones are summarized in Fig. 26.2. Either one of these compounds or its related derivative is produced during each case leading to synthesis of ATP by substrate-level phosphorylation.

The maximum number of ATP synthesized per substrate-level phosphorylation during each pathway is two many substrates synthesize even less.

Although the free energy released during a particular stage of substrate-level phosphorylation may be theoretically high, the net ATP synthesis does not cross the maximum limit of two, because:

(i) The microorganisms usually operate at considerably less than 100% efficiency, and

(ii) Some of the free energy is lost as heat.

For example, the anaerobic breakdown of glucose to ethanol and CO2 has a theoretical energy yield of -235 kJ/mole, sufficient to synthesize about 7 ATP molecules (each ATP molecule synthesis from ADP and Pi (inorganic phosphate) needs -31.8 kJ free energy), but only 2 ATP molecules are actually produced.

Way # 2. Decarboxylations of Organic Acids:

There are certain fermentative pathways in which the catabolism of the substrate (breakdown of substrate releasing energy) is linked to ion pumps that establish a proton (H + ) or sodium (Na + ) gradient across the plasma membrane. The reason behind it is said to be the release of insufficient free energy to couple to the synthesis of ATP directly by substrate-level phosphorylation.

Succinate fermentation by Propionigenium modestum (with the help of Na + gradient) and oxalate fermentation by Oxalobacter formigenes (with the help of H + gradient) are the examples of such fermentations. In both cases the microorganisms couple the fermentation of dicarboxylic acids to membrane-bound energy-linked ion pumps.

The interesting and unique aspect of the fermentation metabolism of both P. modestum and O. formigenes is that ATP synthesis takes place without substrate-level phosphorylation or electron transport chain however, chemiosmotic ATP synthesis still occurs as a result of Na + or H + pump linked to decarboxylation of organic acids. The mechanism of succinate fermentation by P. modestum is as follows, for convenience.

Succinate fermentation by Propionigenium modestum:

The overall reaction of succinate fermentation by Propionigenium modestum is the following:

Succinate 2- + H2O → Propionate – + HCO – 3

This overall reaction yields insufficient free energy (∆G° = -20.5 kJ/reaction) to couple to ATP synthesis directly by substrate-level phosphorylation, but nevertheless it serves as the sole energy-yielding reaction for growth of the microorganism.

This becomes possible because the decarboxylation of succinate by the bacterium couples to the extrusion of Na + across the plasma membrane. A Na + ATPase associated with the plasma membrane of P. modestum uses this sodium gradient to drive ATP synthesis (Fig. 26.3).


شاهد الفيديو: طريقة احتساب الطاقة الناتجة (أغسطس 2022).