เมแทบอลิซึมของพลังงานและการสังเคราะห์ ATP

เมแทบอลิซึมของพลังงานคือเครือข่ายของปฏิกิริยาที่เร่งด้วยเอนไซม์ ซึ่งเซลล์จะสกัดพลังงานอิสระจากสารอาหารและเปลี่ยนให้เป็นสกุลเงินเคมีที่ใช้งานได้ โดยหลักคืออะดีโนซีนไตรฟอสเฟต (ATP) สาขาวิชานี้ครอบคลุมถึงวิธีการที่กลูโคสและเชื้อเพลิงอื่น ๆ ถูกออกซิไดซ์ทีละขั้นตอน — ผ่านไกลโคไลซิส วัฏจักรกรดซิตริก และสายใยขนส่งอิเล็กตรอน — และวิธีการที่ความชันของโปรตอนข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ที่เกิดขึ้นถูกนำมาใช้เพื่อสังเคราะห์ ATP

Definition

เมแทบอลิซึมของพลังงานคือชุดของกระบวนการในเซลล์ที่จับพลังงานอิสระที่ปล่อยออกมาจากการออกซิเดชันของโมเลกุลเชื้อเพลิง และเก็บไว้ในพันธะฟอสเฟตพลังงานสูง โดยหลักคือในรูปของ ATP ซึ่งจะถูกไฮโดรไลซ์เพื่อขับเคลื่อนการทำงานของเซลล์แบบเอนเดอร์กอนิก

Scope

สาขาวิชานี้จะนำผู้อ่านไปสู่เส้นทางแคตาบอลิซึมหลักของการผลิตพลังงานแบบใช้ออกซิเจนและหลักการชีวพลังงานที่เชื่อมโยงกัน: การเชื่อมโยงเคมีออสโมซิสของการถ่ายโอนอิเล็กตรอนกับการฟอสโฟรีเลชัน หัวข้อต่างๆ ครอบคลุมถึงไกลโคไลซิส วัฏจักรกรดซิตริก การฟอสโฟรีเลชันแบบออกซิเดทีฟ กระบวนการหายใจแบบใช้ออกซิเจนโดยรวม และการสังเคราะห์และการไฮโดรไลซิสของ ATP เอง นี่คือการอ้างอิงและกรอบการศึกษาทางชีวเคมี ไม่ใช่คำแนะนำทางคลินิก

Sub-topics

• การหายใจระดับเซลล์แบบใช้ออกซิเจน
• การสังเคราะห์และการไฮโดรไลซิสของ ATP
• วัฏจักรกรดซิตริก (วัฏจักรเครบส์)
• ไกลโคไลซิส
• ออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชัน

Core questions

• เซลล์สกัดพลังงานอิสระที่ใช้งานได้อย่างไรจากการออกซิเดชันของคาร์โบไฮเดรต ไขมัน และโปรตีน?
• พลังงานที่ปล่อยออกมาจากการถ่ายโอนอิเล็กตรอนเชื่อมโยงกับการสังเคราะห์ ATP ได้อย่างไร?
• ทำไม ATP จึงเป็นสกุลเงินพลังงานสากล และการสังเคราะห์และการไฮโดรไลซิสของมันควบคุมเมแทบอลิซึมได้อย่างไร?
• เส้นทางแบบใช้ออกซิเจนและไม่ใช้ออกซิเจนแตกต่างกันอย่างไรในผลผลิต ATP และการใช้ออกซิเจน?

Key concepts

• พลังงานอิสระและพันธะฟอสเฟตพลังงานสูง
• ATP ในฐานะสกุลเงินพลังงานสากล
• โคเอนไซม์รีดอกซ์ NAD+/NADH และ FAD/FADH2
• การฟอสโฟรีเลชันระดับสารตั้งต้นเทียบกับการฟอสโฟรีเลชันแบบออกซิเดทีฟ
• แรงขับเคลื่อนโปรตอนและการเชื่อมโยงเคมีออสโมซิส
• แคตาบอลิซึมแบบใช้ออกซิเจนเทียบกับไม่ใช้ออกซิเจน
• การควบคุมเมแทบอลิซึมและประจุพลังงาน

Key theories

ทฤษฎีเคมีออสโมซิส

ปีเตอร์ มิตเชลล์เสนอว่าการถ่ายโอนอิเล็กตรอนผ่านสายใยหายใจจะปั๊มโปรตอนข้ามเยื่อหุ้มไมโทคอนเดรียชั้นใน สร้างความชันของโปรตอนไฟฟ้าเคมี (แรงขับเคลื่อนโปรตอน) ซึ่งการสลายตัวผ่าน ATP ซินเทสจะขับเคลื่อนการฟอสโฟรีเลชันของ ADP ไปเป็น ATP โดยเชื่อมโยงการออกซิเดชันกับการฟอสโฟรีเลชันทางอ้อม แทนที่จะผ่านสารตัวกลางพลังงานสูงทางเคมี

Mechanisms

การสลายกลูโคสเริ่มต้นในไซโทซอลด้วยไกลโคไลซิส ซึ่งให้ไพรูเวต, ATP สุทธิเล็กน้อยจากการฟอสโฟรีเลชันระดับสารตั้งต้น, และ NADH ที่ถูกรีดิวซ์ ภายใต้สภาวะที่มีออกซิเจน ไพรูเวตจะถูกออกซิไดซ์เป็นอะเซทิล-โคเอ และเข้าสู่วัฏจักรกรดซิตริกในไมโทคอนเดรีย ซึ่งการออกซิเดชันต่อเนื่องจะถ่ายโอนอิเล็กตรอนไปยัง NAD+ และ FAD โคเอนไซม์ที่ถูกรีดิวซ์จะส่งอิเล็กตรอนไปยังสายใยขนส่งอิเล็กตรอน ซึ่งคอมเพล็กซ์ของมันจะปั๊มโปรตอนข้ามเยื่อหุ้มไมโทคอนเดรียชั้นใน; แรงขับเคลื่อนโปรตอนที่เกิดขึ้นจะขับเคลื่อน ATP ซินเทสให้ฟอสโฟรีเลต ADP ATP ส่วนใหญ่จากกลูโคสถูกผลิตโดยการฟอสโฟรีเลชันแบบออกซิเดทีฟนี้ มากกว่าที่จะเป็นขั้นตอนระดับสารตั้งต้น ATP ถูกสร้างขึ้นใหม่และไฮโดรไลซ์อย่างต่อเนื่อง ดังนั้นการหมุนเวียนอย่างรวดเร็วของมัน ไม่ใช่ความเข้มข้นคงที่ของมัน จึงช่วยรักษางานของเซลล์

Clinical relevance

ความบกพร่องในการผลิตพลังงานของไมโทคอนเดรียเป็นสาเหตุของกลุ่มโรคไมโทคอนเดรียที่ถ่ายทอดทางพันธุกรรมที่ได้รับการยอมรับ และการเปลี่ยนแปลงเมแทบอลิซึมของพลังงานเป็นลักษณะเด่นของโรคมะเร็งและการบาดเจ็บของเนื้อเยื่อขาดเลือด การทำความเข้าใจเส้นทางเหล่านี้เป็นพื้นฐานสำหรับการตีความโรคเมแทบอลิซึมและโรคไมโทคอนเดรีย และเป็นส่วนหนึ่งของการศึกษาทางชีวเคมี; บทความนี้อธิบายว่าเมแทบอลิซึมของพลังงานทำงานอย่างไร และไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการรักษาเฉพาะบุคคล

History

ช่วงกลางศตวรรษที่ 20 ได้รวบรวมชิ้นส่วนสำคัญของพลังงานเซลล์: ออตโต วอร์เบิร์ก และคนอื่นๆ ได้อธิบายลักษณะการหายใจของเซลล์และเอนไซม์ของมัน, ฮันส์ เครบส์ ได้คิดค้นวัฏจักรกรดซิตริกในช่วงทศวรรษ 1930, และเส้นทางไกลโคไลซิสได้รับการอธิบายผ่านงานที่เกี่ยวข้องกับเอ็มบเดน, เมเยอร์ฮอฟ, และพาร์นาส คำอธิบายที่รวมเป็นหนึ่งเดียวมาพร้อมกับสมมติฐานเคมีออสโมซิสของปีเตอร์ มิตเชลล์ในปี 1961 ซึ่งทำให้การถ่ายโอนอิเล็กตรอนขับเคลื่อนการสังเคราะห์ ATP และจัดกรอบชีวพลังงานใหม่รอบความชันของโปรตอนในเยื่อหุ้มเซลล์

Key figures

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

Seminal works

• mitchell-1961
• saraste-1999

Frequently asked questions

ทำไม ATP จึงถูกเรียกว่าสกุลเงินพลังงานของเซลล์?

เนื่องจากการไฮโดรไลซิสของมันจะปล่อยพลังงานอิสระในรูปแบบที่เอนไซม์หลายชนิดสามารถเชื่อมโยงกับปฏิกิริยาที่ไม่พึงประสงค์ได้ และมันถูกสร้างขึ้นใหม่อย่างต่อเนื่องจาก ADP, ATP จึงทำหน้าที่เป็นตัวกลางร่วมที่เชื่อมโยงแคตาบอลิซึมที่ให้พลังงานเข้ากับการทำงานของเซลล์ที่ต้องการพลังงาน

เมแทบอลิซึมแบบใช้ออกซิเจนให้ ATP มากเท่าใดเมื่อเทียบกับไกลโคไลซิสแบบไม่ใช้ออกซิเจน?

การออกซิเดชันกลูโคสแบบใช้ออกซิเจนอย่างสมบูรณ์ให้ ATP มากกว่าไกลโคไลซิสเพียงอย่างเดียวมาก เนื่องจาก ATP ส่วนใหญ่มาจากฟอสโฟรีเลชันแบบออกซิเดทีฟที่ขับเคลื่อนโดยสายใยขนส่งอิเล็กตรอน มากกว่าที่จะมาจากขั้นตอนระดับสารตั้งต้นของไกลโคไลซิส