متابولیسم انرژی و سنتز ATP

متابولیسم انرژی شبکه‌ای از واکنش‌های کاتالیز شده با آنزیم است که از طریق آن سلول‌ها انرژی آزاد را از مواد مغذی استخراج کرده و آن را به یک واحد شیمیایی قابل استفاده، عمدتاً آدنوزین تری‌فسفات (ATP)، تبدیل می‌کنند. این حوزه چگونگی اکسیداسیون گام به گام گلوکز و سایر سوخت‌ها — از طریق گلیکولیز، چرخه اسید سیتریک، و زنجیره انتقال الکترون — و چگونگی مهار گرادیان پروتون تراغشایی حاصل برای سنتز ATP را پوشش می‌دهد.

Definition

متابولیسم انرژی مجموعه‌ای از فرآیندهای سلولی است که انرژی آزاد آزاد شده توسط اکسیداسیون مولکول‌های سوخت را جذب کرده و آن را در پیوندهای فسفات پرانرژی، عمدتاً به صورت ATP، ذخیره می‌کند، که سپس برای پیشبرد کارهای سلولی اندوگونیک هیدرولیز می‌شود.

Scope

این حوزه خواننده را با مسیرهای کاتابولیک اصلی تولید انرژی هوازی و اصل بیوانرژتیک که آنها را به هم پیوند می‌دهد، یعنی جفت‌شدگی شیمیواسموتیک انتقال الکترون به فسفوریلاسیون، آشنا می‌کند. موضوعات آن به گلیکولیز، چرخه اسید سیتریک، فسفوریلاسیون اکسیداتیو، فرآیند کلی تنفس هوازی، و سنتز و هیدرولیز خود ATP می‌پردازد. این یک چارچوب مرجع و آموزشی برای بیوشیمی است، نه راهنمایی بالینی.

Sub-topics

• تنفس هوازی
• سنتز و هیدرولیز ATP
• چرخه اسید سیتریک (چرخه کربس)
• گلیکولیز
• فسفریلاسیون اکسیداتیو

Core questions

• سلول‌ها چگونه انرژی آزاد قابل استفاده را از اکسیداسیون کربوهیدرات‌ها، چربی‌ها و پروتئین‌ها استخراج می‌کنند؟
• چگونه انرژی آزاد شده توسط انتقال الکترون با سنتز ATP جفت می‌شود؟
• چرا ATP واحد پولی جهانی انرژی است و سنتز و هیدرولیز آن چگونه متابولیسم را تنظیم می‌کند؟
• مسیرهای هوازی و بی‌هوازی در بازده ATP و استفاده از اکسیژن چگونه با یکدیگر تفاوت دارند؟

Key concepts

• انرژی آزاد و پیوند فسفات پرانرژی
• ATP به عنوان واحد پولی جهانی انرژی
• کوآنزیم‌های ردوکس NAD+/NADH و FAD/FADH2
• فسفوریلاسیون در سطح سوبسترا در مقابل فسفوریلاسیون اکسیداتیو
• نیروی محرکه پروتونی و جفت‌شدگی شیمیواسموتیک
• کاتابولیسم هوازی در مقابل بی‌هوازی
• تنظیم متابولیک و بار انرژی

Key theories

نظریه شیمیواسموتیک

پیتر میچل پیشنهاد کرد که انتقال الکترون از طریق زنجیره تنفسی پروتون‌ها را از عرض غشای داخلی میتوکندری پمپ می‌کند و یک گرادیان الکتروشیمیایی پروتونی (نیروی محرکه پروتونی) ایجاد می‌کند که اتلاف آن از طریق ATP سنتاز، فسفوریلاسیون ADP به ATP را به حرکت درمی‌آورد و اکسیداسیون را به طور غیرمستقیم، نه از طریق یک واسطه شیمیایی پرانرژی، به فسفوریلاسیون جفت می‌کند.

Mechanisms

کاتابولیسم گلوکز در سیتوزول با گلیکولیز آغاز می‌شود، که پیروات، مقدار کمی ATP خالص از طریق فسفوریلاسیون در سطح سوبسترا، و NADH احیا شده را تولید می‌کند. در شرایط هوازی، پیروات به استیل-کوآ اکسید شده و وارد چرخه اسید سیتریک میتوکندریایی می‌شود، جایی که اکسیداسیون‌های متوالی الکترون‌ها را به NAD+ و FAD منتقل می‌کنند. کوآنزیم‌های احیا شده الکترون‌ها را به زنجیره انتقال الکترون می‌رسانند، که کمپلکس‌های آن پروتون‌ها را از عرض غشای داخلی میتوکندری پمپ می‌کنند؛ نیروی محرکه پروتونی حاصل سپس ATP سنتاز را برای فسفوریله کردن ADP به حرکت درمی‌آورد. اکثریت عمده ATP حاصل از گلوکز توسط این فسفوریلاسیون اکسیداتیو تولید می‌شود تا مراحل در سطح سوبسترا. ATP به طور مداوم بازسازی و هیدرولیز می‌شود، بنابراین گردش سریع آن، نه غلظت ثابت آن، کار سلولی را حفظ می‌کند.

Clinical relevance

نقص در تولید انرژی میتوکندریایی زیربنای گروه شناخته‌شده‌ای از اختلالات میتوکندریایی ارثی است، و متابولیسم انرژی تغییر یافته نشانه‌ای از سرطان و آسیب بافت ایسکمیک است. درک این مسیرها برای تفسیر بیماری‌های متابولیک و میتوکندریایی اساسی است و بخشی از آموزش بیوشیمیایی است؛ این مدخل نحوه عملکرد متابولیسم انرژی را توصیف می‌کند و مبنایی برای تشخیص یا درمان فردی نیست.

History

اواسط قرن بیستم شاهد گردآوری قطعات اصلی انرژی‌زایی سلولی بود: اتو واربورگ و دیگران تنفس سلولی و آنزیم‌های آن را مشخص کردند، هانس کربس چرخه اسید سیتریک را در دهه ۱۹۳۰ کشف کرد، و مسیر گلیکولیتیک از طریق کارهای مرتبط با امبدن، مایرهاف، و پارناس روشن شد. توضیح یکپارچه‌کننده با فرضیه شیمیواسموتیک پیتر میچل در سال ۱۹۶۱ ارائه شد، که چگونگی هدایت سنتز ATP توسط انتقال الکترون را آشتی داد و بیوانرژتیک را حول گرادیان‌های پروتونی غشایی بازتعریف کرد.

Key figures

• Peter Mitchell
• Hans Krebs
• Otto Warburg
• Albert Lehninger
• Paul Boyer
• John Walker

Seminal works

• mitchell-1961
• saraste-1999

Frequently asked questions

چرا ATP واحد پولی انرژی سلول نامیده می‌شود؟

زیرا هیدرولیز آن انرژی آزاد را به شکلی آزاد می‌کند که بسیاری از آنزیم‌ها می‌توانند آن را به واکنش‌های نامطلوب دیگر جفت کنند، و به طور مداوم از ADP بازسازی می‌شود، ATP به عنوان یک واسطه مشترک عمل می‌کند که کاتابولیسم تولیدکننده انرژی را به کار سلولی نیازمند انرژی پیوند می‌دهد.

متابولیسم هوازی در مقایسه با گلیکولیز بی‌هوازی چقدر ATP تولید می‌کند؟

اکسیداسیون کامل هوازی گلوکز بسیار بیشتر از گلیکولیز به تنهایی ATP تولید می‌کند، زیرا بیشتر ATP از فسفوریلاسیون اکسیداتیو که توسط زنجیره انتقال الکترون هدایت می‌شود، به دست می‌آید تا از مراحل در سطح سوبسترای گلیکولیز.