معلومة

8.2: تقويض الكربوهيدرات - علم الأحياء


أهداف التعلم

  • صف لماذا لا يعتمد تحلل السكر على الأكسجين
  • تحديد ووصف العائد الصافي لجزيئات الكربون الثلاثة ، ATP ، و NADH من تحلل السكر
  • اشرح كيف يتم تحويل جزيئات البيروفات ثلاثية الكربون إلى مجموعات أسيتيل ثنائية الكربون يمكن تحويلها إلى دورة كريبس.
  • تحديد ووصف العائد الصافي لثاني أكسيد الكربون2، GTP / ATP ، FADH2، و NADH من دورة كريبس
  • اشرح كيف يمكن استخدام جزيئات الكربون الوسيطة لدورة كريبس في الخلية

توجد مسارات إنزيمية واسعة النطاق لتحطيم الكربوهيدرات لالتقاط الطاقة في روابط ATP. بالإضافة إلى ذلك ، تنتج العديد من المسارات التقويضية جزيئات وسيطة تُستخدم أيضًا كأحجار بناء للابتناء. فهم هذه العمليات مهم لعدة أسباب. أولاً ، نظرًا لأن عمليات التمثيل الغذائي الرئيسية المتضمنة شائعة في مجموعة واسعة من الكائنات العضوية المتغايرة كيميائيًا ، يمكننا أن نتعلم الكثير عن التمثيل الغذائي البشري من خلال دراسة التمثيل الغذائي في البكتيريا التي يسهل التلاعب بها مثل البكتيريا. بكتريا قولونية. ثانيًا ، نظرًا لأن مسببات الأمراض الحيوانية والبشرية هي أيضًا مواد كيميائية متغايرة ، فإن التعرف على تفاصيل التمثيل الغذائي في هذه البكتيريا ، بما في ذلك الاختلافات المحتملة بين المسارات البكتيرية والبشرية ، مفيد في تشخيص مسببات الأمراض وكذلك لاكتشاف العلاجات المضادة للميكروبات التي تستهدف مسببات أمراض معينة. أخيرًا ، التعلم على وجه التحديد حول المسارات المشاركة في التمثيل الغذائي الكيميائي المتغاير يعمل أيضًا كأساس لمقارنة استراتيجيات التمثيل الغذائي الأخرى الأكثر غرابة التي تستخدمها الميكروبات. على الرغم من أن المصدر الكيميائي للإلكترونات التي تبدأ في نقل الإلكترون يختلف بين المواد الكيميائية المتغيرة والكيميائية ، إلا أن العديد من العمليات المماثلة تستخدم في كلا النوعين من الكائنات الحية.

المثال النموذجي المستخدم لتقديم مفاهيم التمثيل الغذائي للطلاب هو هدم الكربوهيدرات. بالنسبة للغذاء الكيميائي ، تبدأ أمثلة الأيض لدينا بتقويض السكريات مثل الجليكوجين أو النشا أو السليلوز. يمكن أن تتسبب الإنزيمات مثل الأميليز ، التي تكسر الجليكوجين أو النشا ، والسليولاز ، التي تكسر السليلوز ، في التحلل المائي للروابط الجليكوسيدية بين مونومرات الجلوكوز في هذه البوليمرات ، مما يؤدي إلى إطلاق الجلوكوز لمزيد من الهدم.

تحلل السكر

بالنسبة للبكتيريا وحقيقيات النوى ومعظم العتائق ، يعد التحلل السكري هو المسار الأكثر شيوعًا لتقويض الجلوكوز. ينتج الطاقة ، وناقلات الإلكترون المخفضة ، والجزيئات الأولية لعملية التمثيل الغذائي الخلوي. ينفذ كل كائن حي شكلاً من أشكال تحلل السكر ، مما يشير إلى أن هذه الآلية هي عملية استقلابية عالمية قديمة. العملية نفسها لا تستخدم الأكسجين ؛ ومع ذلك ، يمكن أن يقترن تحلل السكر بعمليات التمثيل الغذائي الإضافية التي تكون إما هوائية أو لا هوائية. يحدث تحلل السكر في سيتوبلازم الخلايا بدائية النواة وخلايا حقيقية النواة. يبدأ بجزيء جلوكوز واحد من ستة كربون وينتهي بجزيئين من سكر ثلاثي الكربون يسمى البيروفات. قد يتم تكسير البيروفات بشكل أكبر بعد التحلل السكري لتسخير المزيد من الطاقة من خلال التنفس الهوائي أو اللاهوائي ، ولكن العديد من الكائنات الحية ، بما في ذلك العديد من الميكروبات ، قد تكون غير قادرة على التنفس ؛ بالنسبة لهذه الكائنات الحية ، قد يكون التحلل السكري هو المصدر الوحيد لتوليد ATP.

نوع التحلل الجلدي الموجود في الحيوانات وهو الأكثر شيوعًا في الميكروبات هو مسار Embden-Meyerhof-Parnas (EMP) ، الذي سمي على اسم Gustav Embden (1874–1933) ، و Otto Meyerhof (1884–1951) ، و Jakub Parnas (1884–1884–193). 1949). يتكون تحلل السكر باستخدام مسار EMP من مرحلتين متميزتين (الشكل ( PageIndex {1} )). يستخدم الجزء الأول من المسار ، المسمى بمرحلة استثمار الطاقة ، الطاقة من جزيئي ATP لتعديل جزيء الجلوكوز بحيث يمكن تقسيم جزيء السكر المكون من ستة كربون بالتساوي إلى جزيئين من ثلاثة كربون فوسفوري يسمى glyceraldehyde 3-phosphate (G3P) ). يستخرج الجزء الثاني من المسار ، المسمى بمرحلة مردود الطاقة ، الطاقة عن طريق أكسدة G3P إلى البيروفات ، وينتج أربعة جزيئات ATP ويقلل جزيئين من NAD+ إلى جزيئين من NADH ، باستخدام الإلكترونات التي نشأت من الجلوكوز. (تظهر مناقشة وتوضيح لمسار EMP الكامل مع الهياكل الكيميائية وأسماء الإنزيمات في الملحق ج).

تتشكل جزيئات ATP التي يتم إنتاجها أثناء مرحلة مردود الطاقة لتحلل السكر عن طريق الفسفرة على مستوى الركيزة (الشكل ( PageIndex {1} )) ، وهي إحدى آليتين لإنتاج ATP. في الفسفرة على مستوى الركيزة ، تتم إزالة مجموعة الفوسفات من جزيء عضوي ويتم نقلها مباشرة إلى جزيء ADP متاح ، مما ينتج عنه ATP. أثناء تحلل السكر ، تضاف مجموعات الفوسفات عالية الطاقة من الجزيئات الوسيطة إلى ADP لصنع ATP.

بشكل عام ، في عملية تحلل السكر هذه ، يكون الربح الصافي من تحلل جزيء جلوكوز واحد هو:

  • اثنين من جزيئات ATP
  • اثنين من جزيء NADH ، و
  • اثنين من جزيئات البيروفات.

مسارات حال السكر الأخرى

عندما نشير إلى تحلل السكر ، ما لم يُذكر خلاف ذلك ، فإننا نشير إلى مسار EMP الذي تستخدمه الحيوانات والعديد من البكتيريا. ومع ذلك ، فإن بعض بدائيات النوى تستخدم مسارات بديلة لتحلل السكر. أحد البدائل المهمة هو مسار Entner-Doudoroff (ED) ، الذي سمي على اسم مكتشفيه ناثان إنتنر ومايكل دودوروف (1911-1975). على الرغم من أن بعض البكتيريا ، بما في ذلك العامل الممرض سالب الجرام الانتهازية الزائفة الزنجارية، تحتوي فقط على مسار ED لتحلل السكر ، والبكتيريا الأخرى ، مثل بكتريا قولونية، لديه القدرة على استخدام إما مسار ED أو مسار EMP.

هناك نوع ثالث من مسارات تحلل السكر يحدث في جميع الخلايا ، والذي يختلف تمامًا عن المسارين السابقين ، وهو مسار فوسفات البنتوز (PPP) الذي يُطلق عليه أيضًا مسار الفوسفوغلوكونات أو تحويلة أحادي الفوسفات الهكسوز. تشير الدلائل إلى أن PPP قد يكون أقدم مسار عالمي لتحلل السكر. يتم استخدام الوسطاء من PPP في التخليق الحيوي للنيوكليوتيدات والأحماض الأمينية. لذلك ، يمكن تفضيل مسار التحلل السكري هذا عندما تحتاج الخلية إلى حمض نووي و / أو تخليق بروتين ، على التوالي. تظهر مناقشة وتوضيح لمسار ED الكامل و PPP مع الهياكل الكيميائية وأسماء الإنزيمات في الملحق ج.

تمرين ( PageIndex {1} )

متى يمكن للكائن الحي استخدام مسار ED أو PPP لتحلل السكر؟

تفاعل انتقالي ، أنزيم أ ، ودورة كريبس

ينتج تحلل السكر البيروفات ، والتي يمكن أن تتأكسد أكثر لالتقاط المزيد من الطاقة. لكي يدخل البيروفات في المسار المؤكسد التالي ، يجب أولاً نزع الكربوكسيل عن طريق الإنزيم المركب بيروفات ديهيدروجينيز إلى مجموعة أسيتيل ثنائي الكربون في تفاعل الانتقال ، ويسمى أيضًا تفاعل الجسر (انظر الملحق C والشكل ( PageIndex {3} )). في تفاعل الانتقال ، يتم أيضًا نقل الإلكترونات إلى NAD+ لتشكيل NADH. للمضي قدمًا إلى المرحلة التالية من عملية التمثيل الغذائي هذه ، يجب ربط الأسيتيل الصغير نسبيًا ثنائي الكربون بمركب ناقل كبير جدًا يسمى الإنزيم المساعد A (CoA). يحدث تفاعل الانتقال في مصفوفة الميتوكوندريا لحقيقيات النوى ؛ في بدائيات النوى ، يحدث في السيتوبلازم لأن بدائيات النوى تفتقر إلى عضيات محاطة بالغشاء.

تنقل دورة كريبس الإلكترونات المتبقية من مجموعة الأسيتيل المنتجة أثناء تفاعل الانتقال إلى الجزيئات الحاملة للإلكترون ، وبالتالي تقليلها. تحدث دورة كريبس أيضًا في سيتوبلازم بدائيات النوى جنبًا إلى جنب مع تحلل السكر والتفاعل الانتقالي ، ولكنها تحدث في مصفوفة الميتوكوندريا للخلايا حقيقية النواة حيث يحدث تفاعل الانتقال أيضًا. سميت دورة كريبس على اسم مكتشفها ، العالم البريطاني هانز أدولف كريبس (1900-1981) وتسمى أيضًا دورة حمض الستريك ، أو دورة حمض الكربوكسيل (TCA) لأن حامض الستريك يحتوي على ثلاث مجموعات كربوكسيل في بنيته. على عكس تحلل السكر ، فإن دورة كريبس عبارة عن حلقة مغلقة: الجزء الأخير من المسار يعيد توليد المركب المستخدم في الخطوة الأولى (الشكل ( PageIndex {4} )). الخطوات الثمانية للدورة عبارة عن سلسلة من التفاعلات الكيميائية التي تلتقط مجموعة الأسيتيل ثنائية الكربون (الناقل CoA لا يدخل دورة كريبس) من تفاعل الانتقال ، والذي يضاف إلى وسيط رباعي الكربون في دورة كريبس ، إنتاج حامض الستريك الوسيط المكون من ستة كربون (مع إعطاء الاسم البديل لهذه الدورة). عندما تعود دورة واحدة من الدورة إلى نقطة البداية للوسيط رباعي الكربون ، تنتج الدورة اثنين من ثاني أكسيد الكربون2 الجزيئات ، جزيء ATP واحد (أو ما يعادله ، مثل guanosine triphosphate [GTP]) المُنتَج عن طريق الفسفرة على مستوى الركيزة ، وثلاثة جزيئات من NADH وواحد من FADH2. (تظهر مناقشة وتوضيح مفصل لدورة كريبس الكاملة في الملحق ج).

على الرغم من أن العديد من الكائنات الحية تستخدم دورة كريبس كما هو موصوف كجزء من استقلاب الجلوكوز ، يمكن استخدام العديد من المركبات الوسيطة في دورة كريبس في تصنيع مجموعة متنوعة من الجزيئات الخلوية المهمة ، بما في ذلك الأحماض الأمينية والكلوروفيل والأحماض الدهنية والنيوكليوتيدات ؛ لذلك ، فإن الدورة هي الابتنائية والتقويضية (الشكل ( PageIndex {5} )).

المفاهيم الأساسية والملخص

  • تحلل السكر هي الخطوة الأولى في تكسير الجلوكوز ، مما يؤدي إلى تكوين ATP ، الذي ينتجه الفسفرة على مستوى الركيزة؛ NADH. واثنين من جزيئات البيروفات. لا يستخدم تحلل السكر الأكسجين ولا يعتمد على الأكسجين.
  • بعد تحلل السكر ، يتم نزع الكربوكسيل عن بيروفات ثلاثي الكربون لتشكيل مجموعة أسيتيل ثنائية الكربون ، مقترنة بتكوين NADH. ترتبط مجموعة الأسيتيل بمركب ناقل كبير يسمى الإنزيم المساعد أ.
  • بعد خطوة الانتقال ، يقوم الإنزيم المساعد A بنقل أسيتيل ثنائي الكربون إلى دورة كريبس، حيث يدخل ذراعا ذرات الكربون في الدورة. في كل دورة من الدورة ، تتأكسد مجموعة أسيتيل واحدة مشتقة من تحلل السكر بشكل أكبر ، مما ينتج عنه ثلاثة جزيئات NADH ، واحد FADH2، وواحد من ATP بواسطة الفسفرة على مستوى الركيزة، وإطلاق ثاني أكسيد الكربون2الجزيئات.
  • يمكن استخدام دورة كريبس لأغراض أخرى. تُستخدم العديد من المركبات الوسيطة لتجميع الجزيئات الخلوية المهمة ، بما في ذلك الأحماض الأمينية والكلوروفيل والأحماض الدهنية والنيوكليوتيدات.

متعدد الخيارات

في أي مما يلي لا يتم تصنيع ATP بواسطة الفسفرة على مستوى الركيزة؟

A. مسار Embden-Meyerhof
ب. رد فعل الانتقال
دورة كريبس
د. مسار Entner-Doudoroff

ب

أي من المنتجات التالية مصنوع أثناء تحلل السكر في Embden-Meyerhof؟

أ. ناد +
B. بيروفات
C. CO2
د. ثنائي أسيتيل الكربون

ب

أثناء هدم الجلوكوز ، أي مما يلي يتم إنتاجه فقط في دورة كريبس؟

أ. ATP
ب. NADH
جيم نادف
D. FADH2

د

أي مما يلي ليس اسمًا للدورة التي تؤدي إلى تحويل أسيتيل ثنائي الكربون إلى ATP واحد ، وهما ثاني أكسيد الكربون2، واحد FADH2، وثلاثة جزيئات NADH؟

أ. دورة كريبس
دورة حمض الكربوكسيليك B.
دورة كالفين
دورة حمض الستريك

ج

خطأ صحيح

يتطلب تحلل السكر الأكسجين أو متقبل إلكتروني نهائي غير عضوي آخر للمضي قدمًا.

خاطئة

املاء الفراغ

في كل دورة من دورة كريبس ، يتأكسد أسيتيل واحد ، مكونًا ____ CO2و ____ ATP و ____ NADH و ____ FADH2الجزيئات.

2; 1; 3; 1

الأكثر شيوعًا ، يحدث تحلل السكر عن طريق المسار ________.

إمبدن مايرهوف

اجابة قصيرة

ما هو الفسفرة على مستوى الركيزة؟ متى يحدث ذلك أثناء انهيار الجلوكوز إلى CO2?

لماذا تعتبر دورة كريبس مهمة في كل من الهدم والابتناء؟

التفكير النقدي

ماذا ستكون عواقب حدوث طفرة في الخلية تقضي على تخليق الإنزيم المساعد؟


التعريف الطبي للكربوهيدرات

الكربوهيدرات: السكريات والنشويات بشكل أساسي ، وتشكل معًا أحد الأنواع الثلاثة الرئيسية للعناصر الغذائية التي يستخدمها الجسم كمصادر للطاقة (السعرات الحرارية). يمكن أيضًا تعريف الكربوهيدرات كيميائيًا على أنها مركبات محايدة من الكربون والهيدروجين والأكسجين.

تأتي الكربوهيدرات بأشكال بسيطة مثل السكريات وبأشكال معقدة مثل النشويات والألياف. يقسم الجسم معظم السكريات والنشويات إلى جلوكوز ، وهو سكر بسيط يمكن للجسم استخدامه لتغذية خلاياه. الكربوهيدرات المعقدة مشتقة من النباتات. يمكن أن يؤدي تناول الكربوهيدرات المعقدة في النظام الغذائي إلى خفض نسبة الكوليسترول في الدم عند استبدالها بالدهون المشبعة.

تصنف الكربوهيدرات إلى أحادي ، وثنائي ، وثلاثي ، وبولي ، والسكريات غير المتجانسة. أصغر الكربوهيدرات هي السكريات الأحادية مثل الجلوكوز بينما السكريات المتعددة مثل النشا والسليلوز والجليكوجين يمكن أن تكون كبيرة وحتى غير محددة في الطول.

الطاقة التي تنتجها الكربوهيدرات هي 4 سعرات حرارية لكل جرام. توفر البروتينات أيضًا 4 سعرات حرارية لكل جرام. الدهون عالية السعرات فهي توفر 9 سعرات حرارية لكل جرام.

علم أصول الكلمات: تسمى الكربوهيدرات بالكربوهيدرات لأن الكربون والهيدروجين والأكسجين الذي تحتوي عليه عادة ما يكون متناسبًا مع تكوين الماء بالصيغة العامة Cn (H2O) n.


هدم آخر حلقتين من الستيرويد في السل الفطري والبكتيريا الأخرى

تستخدم معظم البكتيريا الشعاعية المحتوية على حمض الميكوليك وبعض البكتيريا البروتينية الستيرويدات كركائز نمو ، ولكن لم يتم توضيح هدم آخر حلقتين من الستيرويد. في السل الفطري، يتضمن هذا المسار محددات الفوعة وقد تم اقتراح ترميزه بواسطة الجينات الخاضعة للتنظيم KstR2 ، والتي تتضمن جين ترانسفيراز الإنزيم A (CoA) المتوقع (ipdAB) وجين اختزال أسيل CoA (ipdC). في وجود الكولسترول ، ΔipdC و ΔipdAB المسوخ إما مرض السل أو رودوكوكوس جوستي سلالة RHA1 المتراكمة المستقلبات غير الموصوفة سابقًا: 3aα-ح-4α (carboxyl-CoA) -5-hydroxy-7aβ-methylhexahydro-1-indanone (5-OH HIC-CoA) و (ر) -2- (2-carboxyethyl) -3-methyl-6-oxocyclohex-1-ene-1-carboxyl-CoA (COCHEA-CoA) ، على التوالي. أ Δتتلاشى متحولة المتفطرة اللطخة حمض 4-ميثيل-5-أوكسو-أوكتانيديويك المتراكم (MOODA). حضانة 5-OH HIC-CoA الاصطناعية مع IpdF المنقى ، IpdC ، و enoyl-CoA hydratase 20 (EchA20) ، أحد أفراد عائلة كروتوناز ، أسفرت عن COCHEA-CoA ، وعند مزيد من الحضانة مع IpdAB و CoA thiolase ، أنتجت MOODA-CoA . بناءً على هذه الدراسات ، نقترح مسارًا للخطوات النهائية لتقويض الستيرويد حيث يتم تحلل الحلقة المكونة من 5 أعضاء بواسطة EchA20 ، متبوعًا بالتحليل المائي للحلقة المكونة من 6 أعضاء بواسطة IpdAB. المستقلبات المتراكمة بواسطة ΔipdF و ΔechA20 المسوخ دعم النموذج. يشير حفظ هذه الجينات في البكتيريا المعروفة المهينة للستيرويد إلى أن المسار مشترك. يتنبأ هذا المسار أيضًا بأن تقويض الكوليسترول ينتج عنه أربعة شهادات توثيق برامج بروبيونيل وأربعة شهادات توثيق برامج أسيتيل وبيروفات واحد وسكسينيل CoA. أخيرًا ، أipdAB M. السل المتحولة لم تنجو في البلاعم وعرضت مستويات CoASH المنضبة بشدة والتي ارتبطت بسمية تعتمد على الكوليسترول. توفر نتائجنا جنبًا إلى جنب مع الأدوات المطورة أساسًا لمزيد من توضيح تقويض الستيرويد البكتيري ومحددات الفوعة في مرض السل.أهمية البكتيريا هي المواد المتحللة الوحيدة المعروفة للستيرويد ، لكن المسار المسؤول عن تحطيم آخر حلقتين من الستيرويد لم يتم توضيحه بعد. في السل الفطري، يتضمن هذا المسار محددات الفوعة. باستخدام سلسلة من المسوخ في مرض السل والبكتيريا ذات الصلة ، حددنا عددًا من ثيوستر CoA الجديدة كوسائط مسار. يحدد تحليل المستقلبات جنبًا إلى جنب مع الدراسات الأنزيمية كيف يتم فتح حلقتين من الستيرويد بشكل مائي بواسطة الإنزيمات المشفرة بواسطة Regulon KstR2. تقدم نتائجنا دليلًا تجريبيًا على الإنزيمات الجديدة المهينة للحلقة ، وتعزز بشكل كبير فهمنا لتقويض الستيرويد البكتيري ، وتحديد سمية تعتمد على الكوليسترول غير معترف بها سابقًا والتي قد تسهل تطوير علاجات السل الجديدة.

الكلمات الدالة: CoA thioester Mycobacterium tuberculosis فتح حلقة الكوليسترول.

حقوق الطبع والنشر © 2017 Crowe et al.

الأرقام

الجينات التقويضية HIP تمثيلية ...

الجينات التقويضية HIP في البكتيريا الشعاعية التمثيلية والبكتيريا البروتينية. (أ) الهدم الهوائية و ...

نمو Δ ipdAB M. السل . WT مرض السل إردمان (أسود) ، Δ ...

نمو Δ ipdC R. جوستي RHA1. WT RHA1 :: pTipQC2 (أسود) ، Δ ipdC RHA1 :: pTipQC2 ...

تراكم المستقلبات المشتقة من الكوليسترول من ...

تراكم المستقلبات المشتقة من الكوليسترول من Δ ipdAB و Δ ipdC سلالات. (أ) GC-MS ...

تحليلات LC-MS للتحول ...

يحلل LC-MS تحول 5-OH HIC-CoA بواسطة الإنزيمات المنقاة. اليسار…

مستقلب مشتق من الكوليسترول لـ Δ fadE32 ...

مستقلب مشتق من الكوليسترول لـ Δ fadE32 M. smegmatis . (أ) آثار GC-MS للثقافة ...

توصيف طفرات Regulon Regulon KstR2 ...

توصيف طفرات منظم KstR2 لـ M. smegmatis . نمو Δ echA20 ...

السمية المعتمدة على الكوليسترول. (أ) نمو ...

السمية المعتمدة على الكوليسترول. (أ) نمو وزن (أسود) ، Δ ipdAB (أحمر) و Δ ipdAB ...

مسار تقويضي HIP المقترح. تم تأكيد الرنين المغناطيسي النووي ...

مسار تقويضي HIP المقترح. تظهر المستقلبات المؤكدة بالرنين المغناطيسي النووي باللون الأزرق. المستقلبات التي من أجلها مرض التصلب العصبي المتعدد ...


بيولوجيا استقلاب الجلوكوز في الخلايا السرطانية

السرطان هو مرض على المستوى الخلوي ينطوي على اضطرابات وراثية في آلية التحكم الخلوي. تحتاج الخلايا السرطانية أيضًا إلى تكييف عملية التمثيل الغذائي الخاصة بها للبقاء على قيد الحياة والتكاثر في ظل الظروف المعرضة للخطر الأيضي التي توفرها البيئة الدقيقة للورم. تغير الخلايا السرطانية عملية التمثيل الغذائي الخاصة بها للحفاظ على الانتشار الخلوي غير المنظم والبقاء على قيد الحياة ، لكن هذا التحول يجعلها تعتمد على الإمداد المستمر بالمغذيات والطاقة. يغيرون عملية التمثيل الغذائي الخاصة بهم لدعم انتشارها السريع وتوسعها في جميع أنحاء الجسم. بعد الاكتشاف على أساس التمثيل الغذائي للخلايا السرطانية في عام 1930 ، ألقت الكثير من الدراسات الضوء على العديد من جوانب التمثيل الغذائي للسرطان بهدف مشترك لإيجاد طرق جديدة للقضاء بشكل فعال على الخلايا السرطانية من خلال استهداف التمثيل الغذائي للطاقة. وجهت الأبحاث معظم مواردها لتوضيح الأسباب والوقاية والعلاج الممكن للسرطان ، ومع ذلك كانت العملية بعيدة المنال تحصد أرواح البشر أكثر من أي وقت مضى. هذا المرض هو مظهر من مظاهر الاضطرابات المسببة والمرضية للآليات التي تتحكم في انقسام الخلايا والتمايز والتمثيل الغذائي. 50٪ من الأورام التي تصيب الإنسان تحمل تعديلات جينية تؤدي إلى تعطيل بعض البروتينات الكابتة للورم. تبين أن الخلايا السرطانية تشهد تغيرات مميزة في برامجها الأيضية ، بما في ذلك زيادة امتصاص الجلوكوز ، وتحسين معدلات تحلل الجلوتامين وتخليق الأحماض الدهنية ، مما يشير إلى أن التحولات الأيضية تدعم نمو الخلايا السرطانية وبقائها على قيد الحياة. في هذه المراجعة ، قمنا بتلخيص المفاهيم الرئيسية لاستقلاب الجلوكوز واستكشاف الأساس الجزيئي للتحلل الهوائي للخلايا السرطانية.


38 اتصالات من الكربوهيدرات والبروتينات ومسارات التمثيل الغذائي للدهون

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على القيام بما يلي:

  • ناقش الطرق التي ترتبط بها مسارات التمثيل الغذائي للكربوهيدرات وتحلل السكر ودورة حمض الستريك مع مسارات التمثيل الغذائي للبروتين والدهون
  • اشرح لماذا لا تعتبر المسارات الأيضية أنظمة مغلقة

لقد تعلمت عن هدم الجلوكوز ، الذي يوفر الطاقة للخلايا الحية. لكن الكائنات الحية تستهلك مركبات عضوية غير الجلوكوز في الغذاء. كيف ينتهي المطاف بساندويتش الديك الرومي باعتباره ATP في خلاياك؟ يحدث هذا لأن جميع المسارات التقويضية للكربوهيدرات والبروتينات والدهون تتصل في النهاية بتحلل السكر ومسارات دورة حمض الستريك (انظر (الشكل)). يجب النظر إلى المسارات الأيضية على أنها مسامية ومترابطة - أي أن المواد تدخل من مسارات أخرى ، وتترك الوسطاء لمسارات أخرى. هذه المسارات ليست أنظمة مغلقة! العديد من الركائز والمواد الوسيطة والمنتجات في مسار معين هي متفاعلات في مسارات أخرى.

وصلات السكريات الأخرى إلى أيض الجلوكوز

الجليكوجين ، بوليمر الجلوكوز ، هو جزيء لتخزين الطاقة في الحيوانات. عند وجود ATP كافٍ ، يتم تخزين الجلوكوز الزائد كجليكوجين في كل من خلايا الكبد والعضلات. سيتحلل الجليكوجين إلى مونومرات جلوكوز 1-فوسفات (G-1-P) إذا انخفضت مستويات السكر في الدم. يسمح وجود الجليكوجين كمصدر للجلوكوز بإنتاج ATP لفترة أطول من الوقت أثناء التمرين. يتم تكسير الجليكوجين إلى جلوكوز 1 فوسفات (G-1-P) وتحويله إلى جلوكوز 6 فوسفات (G-6-P) في كل من خلايا العضلات والكبد ، ويدخل هذا المنتج مسار التحلل.

السكروز هو ثنائي السكاريد مع جزيء جلوكوز وجزيء من الفركتوز مرتبط مع ارتباط جليكوسيد. الفركتوز هو أحد السكريات الأحادية "الغذائية" الثلاثة ، جنبًا إلى جنب مع الجلوكوز والجلاكتوز (جزء من سكر الحليب اللاكتوز) ، والتي يتم امتصاصها مباشرة في مجرى الدم أثناء الهضم. ينتج هدم كل من الفركتوز والجالاكتوز نفس عدد جزيئات ATP مثل الجلوكوز.

صلات البروتينات بأيض الجلوكوز

يتم تحلل البروتينات بواسطة مجموعة متنوعة من الإنزيمات في الخلايا. في معظم الأحيان ، يتم إعادة تدوير الأحماض الأمينية لتكوين بروتينات جديدة. ومع ذلك ، إذا كانت هناك أحماض أمينية زائدة ، أو إذا كان الجسم في حالة جوع ، فسيتم تحويل بعض الأحماض الأمينية إلى مسارات هدم الجلوكوز ((الشكل)). من المهم جدًا ملاحظة أنه يجب إزالة مجموعته الأمينية لكل حمض أميني قبل الدخول في هذه المسارات. يتم تحويل المجموعة الأمينية إلى أمونيا. في الثدييات ، يصنع الكبد اليوريا من جزيئي الأمونيا وجزيء ثاني أكسيد الكربون. وبالتالي ، فإن اليوريا هي منتج النفايات الرئيسي في الثدييات ، وينتج من النيتروجين الناتج عن الأحماض الأمينية ، ويترك الجسم في البول. وتجدر الإشارة إلى أنه يمكن تصنيع الأحماض الأمينية من المواد الوسيطة والمتفاعلات في دورة التنفس الخلوي.


وصلات التمثيل الغذائي للدهون والجلوكوز

تشتمل الدهون المتصلة بمسار الجلوكوز على الكوليسترول والدهون الثلاثية. الكوليسترول هو دهون تساهم في مرونة غشاء الخلية وهي مقدمة لهرمونات الستيرويد. يبدأ تركيب الكوليسترول بمجموعات الأسيتيل ويستمر في اتجاه واحد فقط. لا يمكن عكس العملية.

الدهون الثلاثية - المصنوعة من ارتباط الجلسرين وثلاثة أحماض دهنية - هي شكل من أشكال تخزين الطاقة طويل الأمد في الحيوانات. يمكن للحيوانات أن تصنع معظم الأحماض الدهنية التي تحتاجها. يمكن صنع الدهون الثلاثية وتقسيمها من خلال أجزاء من مسارات هدم الجلوكوز. يمكن فسفرة الجلسرين إلى جلسرين -3 فوسفات ، والذي يستمر من خلال تحلل السكر. يتم تقويض الأحماض الدهنية في عملية تسمى أكسدة بيتا ، والتي تحدث في مصفوفة الميتوكوندريا وتحول سلاسل الأحماض الدهنية إلى وحدتين من الكربون من مجموعات الأسيتيل. يتم التقاط مجموعات الأسيتيل بواسطة CoA لتكوين acetyl CoA الذي ينتقل إلى دورة حمض الستريك.


مسارات التمثيل الضوئي والتمثيل الغذائي الخلوي تتكون عمليات التمثيل الضوئي والتمثيل الغذائي الخلوي من عدة مسارات معقدة للغاية. يُعتقد عمومًا أن الخلايا الأولى نشأت في بيئة مائية - "حساء" من العناصر الغذائية - ربما على سطح بعض الطين المسامي ، ربما في البيئات البحرية الدافئة. إذا تكاثرت هذه الخلايا بنجاح وارتفعت أعدادها بشكل مطرد ، فسيستتبع ذلك أن الخلايا ستبدأ في استنفاد العناصر الغذائية من الوسط الذي عاشت فيه أثناء نقل العناصر الغذائية إلى مكونات أجسامها. كان من الممكن أن يؤدي هذا الوضع الافتراضي إلى تفضيل الانتقاء الطبيعي لتلك الكائنات الحية التي يمكن أن توجد باستخدام العناصر الغذائية التي بقيت في بيئتها وعن طريق التلاعب بهذه العناصر الغذائية في المواد التي يمكن أن تعيش عليها. الاختيار من شأنه أن يفضل تلك الكائنات الحية التي يمكن أن تستخلص القيمة القصوى من العناصر الغذائية التي يمكنهم الوصول إليها.

تم تطوير شكل مبكر من التمثيل الضوئي الذي سخر طاقة الشمس باستخدام الماء كمصدر لذرات الهيدروجين ، ولكن هذا المسار لم ينتج الأكسجين الحر (التمثيل الضوئي غير المؤكسد). (نوع آخر من التمثيل الضوئي غير المؤكسد لا ينتج الأكسجين الحر لأنه لا يستخدم الماء كمصدر لأيونات الهيدروجين بدلاً من ذلك ، فقد استخدم مواد مثل كبريتيد الهيدروجين وبالتالي ينتج الكبريت). يُعتقد أن تحلل السكر قد تطور في هذا الوقت ويمكن أن يستفيد من السكريات البسيطة التي يتم إنتاجها ولكن هذه التفاعلات لم تكن قادرة على استخراج الطاقة المخزنة في الكربوهيدرات بشكل كامل. من المحتمل أن يكون تطور التحلل السكري قد سبق تطور عملية التمثيل الضوئي ، حيث كان مناسبًا تمامًا لاستخراج الطاقة من المواد التي تتراكم تلقائيًا في "الحساء البدائي". استخدم شكل لاحق من التمثيل الضوئي الماء كمصدر للإلكترونات والهيدروجين وتولد الأكسجين الحر. بمرور الوقت ، أصبح الغلاف الجوي مؤكسجًا ، ولكن ليس قبل إطلاق الأكسجين للمعادن المؤكسدة في المحيط وخلق طبقة "صدأ" في الرواسب ، مما سمح بتأريخ ظهور أول عوامل التمثيل الضوئي الأكسجين. تكيفت الكائنات الحية لاستغلال هذا الجو الجديد الذي سمح للتنفس الهوائي كما نعرفه بالتطور. عندما تطورت العملية الكاملة لعملية التمثيل الضوئي للأكسجين وأصبح الغلاف الجوي مؤكسجًا ، تمكنت الخلايا أخيرًا من استخدام الأكسجين الذي يتم طرده عن طريق التمثيل الضوئي لاستخراج المزيد من الطاقة بشكل كبير من جزيئات السكر باستخدام دورة حمض الستريك والفسفرة المؤكسدة.

ملخص القسم

يرتبط تفكك وتركيب الكربوهيدرات والبروتينات والدهون بمسارات هدم الجلوكوز. السكريات البسيطة هي الجلاكتوز والفركتوز والجليكوجين والبنتوز. يتم تقويضها أثناء تحلل السكر. ترتبط الأحماض الأمينية من البروتينات بتقويض الجلوكوز من خلال البيروفات والأسيتيل CoA ومكونات دورة حمض الستريك. يبدأ تكوين الكوليسترول بمجموعات الأسيتيل ، وتأتي مكونات الدهون الثلاثية من الجلسرين -3-فوسفات من مجموعات تحلل السكر والأسيتيل المنتجة في الميتوكوندريا من البيروفات.


الاستنتاجات

عندما بدأنا الحديث عن الأنظمة الغذائية منخفضة الكربوهيدرات في الفصل ، أشارت لغة جسد الطالب إلى زيادة الاهتمام (الجلوس بشكل مستقيم ، والانحناء إلى الأمام ، وزيادة التواصل البصري ، وطرح الأسئلة). أبلغ الطلاب عن إجراء محادثات مع أصدقائهم وعائلاتهم حول هذا الموضوع. كان التعليق المعتاد هو "والدي يريد مني أن أخبره بكل ما أعرفه عن هذا." سمعت أيضًا عبارات لم أسمعها من قبل ، مثل "أحب التمثيل الغذائي". على الرغم من أننا لم نقم بإجراء تقييم صارم للتعلم قبل وبعد استخدام هذا النهج ، كان هناك دليل كبير على أن تضمين هذا التطبيق ذي الصلة للغاية لمبادئ التمثيل الغذائي كان مفيدًا في تحفيز الطلاب على التعلم وتزويدهم بمعرفة إضافية للمساعدة في الاحتفاظ بالتعلم .

ملخص للعديد من مسارات التمثيل الغذائي. ينتج كل من تحلل السكر وأكسدة الأحماض الدهنية أسيتيل CoA. يمكن أن يدخل Acetyl CoA في دورة حمض الستريك أو يتحلل عن طريق الكيتوزية ، من بين مصائر أخرى. مفهوم الرسم مستوحى من Bhagavan الكيمياء الحيوية الطبية [ 1 ].


شاهد الفيديو: Lec1 Carbohydrate Metabolism ايض الكاربوهيدات (كانون الثاني 2022).