เส้นทางการเผาผลาญ: ประเภทและเส้นทางหลัก - ชีววิทยา

วิถีเมแทบอลิซึมเป็นชุดของปฏิกิริยาเคมีเร่งปฏิกิริยาด้วยเอนไซม์ ในกระบวนการนี้โมเลกุล X จะถูกเปลี่ยนเป็นโมเลกุล Y โดยใช้สารสื่อกลาง เส้นทางการเผาผลาญเกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมของเซลล์

ภายนอกเซลล์ปฏิกิริยาเหล่านี้จะใช้เวลานานเกินไปและบางอย่างอาจไม่เกิดขึ้น ดังนั้นแต่ละขั้นตอนจำเป็นต้องมีโปรตีนตัวเร่งปฏิกิริยาที่เรียกว่าเอนไซม์ บทบาทของโมเลกุลเหล่านี้คือการเร่งความเร็วของแต่ละปฏิกิริยาภายในทางเดินตามลำดับขนาดต่างๆ

เส้นทางการเผาผลาญหลัก
ที่มา: Chakazul (talk · contribs), Wikimedia Commons

ทางสรีรวิทยาเส้นทางการเผาผลาญจะเชื่อมต่อกัน นั่นคือพวกมันไม่ได้แยกอยู่ภายในเซลล์ เส้นทางที่สำคัญที่สุดหลายอย่างมีสารเมตาบอไลต์ร่วมกัน

ดังนั้นชุดของปฏิกิริยาเคมีทั้งหมดที่เกิดขึ้นในเซลล์จึงเรียกว่าการเผาผลาญ แต่ละเซลล์มีความโดดเด่นด้วยการแสดงประสิทธิภาพการเผาผลาญที่เฉพาะเจาะจงซึ่งกำหนดโดยเนื้อหาของเอนไซม์ภายในซึ่งจะถูกกำหนดโดยพันธุกรรม

ลักษณะทั่วไปของวิถีการเผาผลาญ

ภายในสภาพแวดล้อมของเซลล์มีปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นจำนวนมาก ชุดของปฏิกิริยาเหล่านี้คือการเผาผลาญและหน้าที่หลักของกระบวนการนี้คือการรักษาสภาวะสมดุลของร่างกายภายใต้สภาวะปกติและภายใต้สภาวะความเครียด

ดังนั้นจึงต้องมีความสมดุลของฟลักซ์ของสารเหล่านี้ ในบรรดาลักษณะสำคัญของวิถีการเผาผลาญเรามีดังต่อไปนี้:

ปฏิกิริยาถูกเร่งโดยเอนไซม์

ปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาโดยเอนไซม์ไซโคลออกซีจีเนส (ที่มา: Pancrat ผ่าน Wikimedia Commons)

ตัวชูโรงของวิถีการเผาผลาญคือเอนไซม์ พวกเขามีหน้าที่ในการบูรณาการและวิเคราะห์ข้อมูลเกี่ยวกับสถานะการเผาผลาญและสามารถปรับกิจกรรมของพวกเขาตามความต้องการของเซลล์ในขณะนั้น

การเผาผลาญถูกควบคุมโดยฮอร์โมน

การเผาผลาญถูกกำหนดโดยชุดของฮอร์โมนซึ่งสามารถประสานปฏิกิริยาการเผาผลาญโดยพิจารณาจากความต้องการและประสิทธิภาพของร่างกาย

การแบ่งส่วน

มีการแบ่งส่วนของวิถีการเผาผลาญ นั่นคือแต่ละเส้นทางเกิดขึ้นในช่องย่อยเฉพาะเรียกว่าไซโทพลาสซึมไมโทคอนเดรียและอื่น ๆ เส้นทางอื่น ๆ สามารถเกิดขึ้นได้หลายช่องพร้อมกัน

การแบ่งส่วนของทางเดินช่วยในการควบคุมเส้นทาง anabolic และ catabolic (ดูด้านล่าง)

การประสานการไหลของการเผาผลาญ

การประสานงานของการเผาผลาญทำได้โดยความเสถียรของการทำงานของเอนไซม์ที่เกี่ยวข้อง ควรสังเกตว่า anabolic pathways และ catabolic counterparts ไม่ได้เป็นอิสระโดยสิ้นเชิง ในทางตรงกันข้ามพวกเขามีการประสานงาน

มีจุดสำคัญของเอนไซม์ภายในเส้นทางการเผาผลาญ ด้วยอัตราการแปลงของเอนไซม์เหล่านี้การไหลทั้งหมดของทางเดินจะถูกควบคุม

ประเภทของวิถีการเผาผลาญ

ในทางชีวเคมีมีการแยกแยะวิถีการเผาผลาญหลัก ๆ สามประเภท การแบ่งนี้ดำเนินการตามเกณฑ์พลังงานชีวภาพ: catabolic, anabolic และ amphibole route

เส้นทาง Catabolic

เส้นทางคาตาโบลิกครอบคลุมปฏิกิริยาย่อยสลายออกซิเดชั่น พวกเขาดำเนินการเพื่อให้ได้พลังงานและกำลังลดลงซึ่งเซลล์จะถูกใช้ในภายหลังในปฏิกิริยาอื่น ๆ

โมเลกุลอินทรีย์ส่วนใหญ่ไม่ได้ถูกสังเคราะห์โดยร่างกาย ในทางตรงกันข้ามเราต้องบริโภคผ่านอาหาร ในปฏิกิริยาคาตาบอลิกโมเลกุลเหล่านี้จะถูกย่อยสลายเป็นโมโนเมอร์ที่เป็นส่วนประกอบซึ่งเซลล์สามารถนำไปใช้ได้

เส้นทาง anabolic

วิถีอนาโบลิกประกอบด้วยปฏิกิริยาทางเคมีของการสังเคราะห์โดยใช้โมเลกุลขนาดเล็กที่เรียบง่ายและเปลี่ยนเป็นองค์ประกอบที่ใหญ่และซับซ้อนมากขึ้น

เพื่อให้ปฏิกิริยาเหล่านี้เกิดขึ้นจำเป็นต้องมีพลังงาน พลังงานนี้มาจากไหน? จากเส้นทาง catabolic ส่วนใหญ่อยู่ในรูปของ ATP

ด้วยวิธีนี้สารที่ผลิตโดย catabolic pathways (ซึ่งทั่วโลกเรียกว่า "pool of metabolites") สามารถใช้ใน anabolic pathways เพื่อสังเคราะห์โมเลกุลที่ซับซ้อนมากขึ้นที่ร่างกายต้องการในขณะนี้

ในกลุ่มของสารเมตาบอไลต์นี้มีโมเลกุลสำคัญสามโมเลกุลของกระบวนการ ได้แก่ ไพรูเวตอะซิติลโคเอนไซม์เอและกลีเซอรอล สารเหล่านี้มีหน้าที่เชื่อมต่อเมแทบอลิซึมของสารชีวโมเลกุลต่าง ๆ เช่นไขมันคาร์โบไฮเดรตและอื่น ๆ

เส้นทางสะเทินน้ำสะเทินบก

ทางเดินของแอมฟิโบลทำหน้าที่เป็นทั้ง anabolic หรือ catabolic pathway นั่นคือมันเป็นเส้นทางแบบผสมผสาน

เส้นทางแอมฟิโบลที่รู้จักกันดีคือวงจร Krebs เส้นทางนี้มีบทบาทพื้นฐานในการย่อยสลายคาร์โบไฮเดรตไขมันและกรดอะมิโน อย่างไรก็ตามยังมีส่วนร่วมในการผลิตสารตั้งต้นสำหรับเส้นทางสังเคราะห์

ตัวอย่างเช่นเมตาบอไลต์ของวงจร Krebs เป็นสารตั้งต้นของกรดอะมิโนครึ่งหนึ่งที่ใช้ในการสร้างโปรตีน

เส้นทางการเผาผลาญหลัก

ในเซลล์ทั้งหมดที่เป็นส่วนหนึ่งของสิ่งมีชีวิตจะมีการสร้างวิถีการเผาผลาญแบบต่างๆ สิ่งเหล่านี้บางส่วนใช้ร่วมกันโดยสิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่

วิถีการเผาผลาญเหล่านี้รวมถึงการสังเคราะห์การย่อยสลายและการเปลี่ยนเมตาบอไลต์ที่สำคัญต่อชีวิต กระบวนการทั้งหมดนี้เรียกว่าการเผาผลาญระดับกลาง

เซลล์ต้องการสารประกอบอินทรีย์และอนินทรีย์อย่างถาวรรวมถึงพลังงานเคมีซึ่งส่วนใหญ่ได้รับจากโมเลกุล ATP

ATP (adenosine triphosphate) เป็นรูปแบบการจัดเก็บพลังงานที่สำคัญที่สุดในเซลล์ทั้งหมด และการได้รับพลังงานและการลงทุนของวิถีการเผาผลาญมักจะแสดงในรูปของโมเลกุลของ ATP

เส้นทางที่สำคัญที่สุดที่มีอยู่ในสิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่จะกล่าวถึงด้านล่าง

Glycolysis หรือไกลโคไลซิส

รูปที่ 1: ไกลโคไลซิสเทียบกับกลูโคโนเจเนซิส ปฏิกิริยาและเอนไซม์ที่เกี่ยวข้อง

Glycolysis เป็นเส้นทางที่เกี่ยวข้องกับการย่อยสลายน้ำตาลกลูโคสถึงสองโมเลกุลของกรดไพรูวิกโดยได้รับ ATP สองโมเลกุลเป็นสุทธิ มีอยู่ในสิ่งมีชีวิตแทบทุกชนิดและถือเป็นวิธีที่รวดเร็วในการรับพลังงาน

โดยทั่วไปมักแบ่งเป็นสองระยะ ประการแรกเกี่ยวข้องกับการผ่านโมเลกุลของกลูโคสไปเป็นโมเลกุลของไกลเซอราลดีไฮด์สองโมเลกุลโดยสลับโมเลกุล ATP สองโมเลกุล ในระยะที่สองจะมีการสร้างสารประกอบพลังงานสูงและได้ ATP 4 โมเลกุลและไพรูเวท 2 โมเลกุลเป็นผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย

เส้นทางสามารถดำเนินต่อไปได้สองวิธี ถ้ามีออกซิเจนโมเลกุลจะสิ้นสุดการออกซิเดชั่นในห่วงโซ่ทางเดินหายใจ หรือในกรณีที่ไม่มีสิ่งนี้การหมักจะเกิดขึ้น

กลูโคโนเจเนซิส

AngelHerraez / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Gluconeogenesis เป็นเส้นทางสำหรับการสังเคราะห์กลูโคสโดยเริ่มจากกรดอะมิโน (ยกเว้นลิวซีนและไลซีน) แลคเตทกลีเซอรอลหรือตัวกลางใด ๆ ของวัฏจักรเครบส์

กลูโคสเป็นสารตั้งต้นที่จำเป็นสำหรับเนื้อเยื่อบางชนิดเช่นสมองเซลล์เม็ดเลือดแดงและกล้ามเนื้อ การจัดหากลูโคสสามารถหาได้จากร้านไกลโคเจน

อย่างไรก็ตามเมื่อสิ่งเหล่านี้หมดลงร่างกายจะต้องเริ่มการสังเคราะห์กลูโคสเพื่อตอบสนองความต้องการของเนื้อเยื่อโดยส่วนใหญ่เป็นเนื้อเยื่อประสาท

ทางเดินนี้ส่วนใหญ่เกิดขึ้นในตับ เป็นสิ่งสำคัญเนื่องจากในสถานการณ์การอดอาหารร่างกายสามารถรับกลูโคสได้ต่อไป

การกระตุ้นหรือไม่ของทางเดินเชื่อมโยงกับการให้อาหารของสิ่งมีชีวิต สัตว์ที่กินอาหารที่มีคาร์โบไฮเดรตสูงจะมีอัตรากลูโคโนเจนิกต่ำในขณะที่อาหารที่มีน้ำตาลกลูโคสต่ำต้องการกิจกรรมกลูโคโนเจนิกอย่างมีนัยสำคัญ

วงจร Glyoxylate

นำมาและแก้ไขจาก: ผู้อัปโหลดต้นฉบับคือ Adenosine ที่ English Wikipedia / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5)

วัฏจักรนี้เป็นลักษณะเฉพาะของพืชและแบคทีเรียบางประเภท เส้นทางนี้บรรลุการเปลี่ยนแปลงของหน่วยอะซิทิลคาร์บอนสองหน่วยเป็นหน่วยคาร์บอนสี่หน่วย - ที่เรียกว่าซัคซิเนต สารประกอบสุดท้ายนี้สามารถผลิตพลังงานและยังสามารถใช้ในการสังเคราะห์กลูโคส

ตัวอย่างเช่นในมนุษย์คงเป็นไปไม่ได้ที่จะใช้อะซิเตตเพียงอย่างเดียว ในการเผาผลาญของเรา acetyl โคเอนไซม์ A ไม่สามารถเปลี่ยนเป็นไพรูเวตซึ่งเป็นสารตั้งต้นของวิถีกลูโคโนเจนิกได้เนื่องจากปฏิกิริยาของเอนไซม์ไพรูเวตดีไฮโดรจีเนสไม่สามารถย้อนกลับได้

ตรรกะทางชีวเคมีของวัฏจักรนั้นคล้ายคลึงกับวัฏจักรกรดซิตริกยกเว้นสองขั้นตอนการสลายตัวของกรดซิตริก มันเกิดขึ้นในออร์แกเนลล์ที่เฉพาะเจาะจงของพืชที่เรียกว่าไกลออกซิโซมและมีความสำคัญอย่างยิ่งในเมล็ดของพืชบางชนิดเช่นดอกทานตะวัน

วงจร Krebs

วงจรกรดไตรคาร์บอกซิลิก (Krebs cycle) นำมาและแก้ไขจาก: Narayanese, WikiUserPedia, YassineMrabet, TotoBaggins (แปลเป็นภาษาสเปนโดย Alejandro Porto)

เป็นหนึ่งในเส้นทางที่ถือว่าเป็นศูนย์กลางในการเผาผลาญของสิ่งมีชีวิตอินทรีย์เนื่องจากมันรวมการเผาผลาญของโมเลกุลที่สำคัญที่สุดรวมถึงโปรตีนไขมันและคาร์โบไฮเดรต

มันเป็นส่วนประกอบของการหายใจระดับเซลล์และมีจุดมุ่งหมายเพื่อปลดปล่อยพลังงานที่เก็บไว้ในโมเลกุลอะซิทิลโคเอนไซม์เอซึ่งเป็นสารตั้งต้นหลักของวัฏจักรเครบส์ ประกอบด้วยขั้นตอนของเอนไซม์ 10 ขั้นตอนและดังที่เราได้กล่าวไปแล้ววัฏจักรนี้ทำงานได้ทั้งในทางเดินแบบอะนาโบลิกและคาตาโบลิก

ในสิ่งมีชีวิตยูคาริโอตวงจรจะเกิดขึ้นในเมทริกซ์ของไมโทคอนเดรีย ในโปรคาริโอตซึ่งไม่มีช่องใต้เซลล์ที่แท้จริงวงจรจะเกิดขึ้นในบริเวณไซโตพลาสซึม

ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน

ผู้ใช้: Rozzychan / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5)

ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนประกอบด้วยชุดลำเลียงที่ยึดอยู่ในเมมเบรน โซ่มีจุดมุ่งหมายเพื่อสร้างพลังงานในรูปแบบของ ATP

โซ่มีความสามารถในการสร้างการไล่ระดับสีด้วยไฟฟ้าเคมีเนื่องจากการไหลของอิเล็กตรอนซึ่งเป็นกระบวนการที่สำคัญสำหรับการสังเคราะห์พลังงาน

การสังเคราะห์กรดไขมัน

กรดไขมันเป็นโมเลกุลที่มีบทบาทสำคัญมากในเซลล์โดยส่วนใหญ่พบว่าเป็นส่วนประกอบโครงสร้างของเยื่อชีวภาพทั้งหมด ด้วยเหตุนี้การสังเคราะห์กรดไขมันจึงมีความจำเป็น

กระบวนการสังเคราะห์ทั้งหมดเกิดขึ้นในไซโตซอลของเซลล์ โมเลกุลกลางของกระบวนการนี้เรียกว่า malonyl coenzyme A. มีหน้าที่จัดหาอะตอมที่จะสร้างโครงกระดูกคาร์บอนของกรดไขมันในการก่อตัว

เบต้าออกซิเดชั่นของกรดไขมัน

เบต้าออกซิเดชั่นเป็นกระบวนการย่อยสลายกรดไขมัน สามารถทำได้ผ่านสี่ขั้นตอน: FAD oxidation, hydration, NAD + oxidation และ thiolysis ก่อนหน้านี้กรดไขมันจำเป็นต้องถูกกระตุ้นโดยการรวมโคเอนไซม์เอ

ผลคูณของปฏิกิริยาที่กล่าวถึงคือหน่วยที่เกิดจากคาร์บอนคู่หนึ่งในรูปของอะซิทิลโคเอนไซม์เอโมเลกุลนี้สามารถเข้าสู่วัฏจักรเครบส์

ประสิทธิภาพการใช้พลังงานของวิถีนี้ขึ้นอยู่กับความยาวของห่วงโซ่กรดไขมัน ตัวอย่างเช่นกรดปาล์มมิติกซึ่งมีคาร์บอน 16 ตัวผลผลิตสุทธิคือ 106 โมเลกุล ATP

วิถีนี้เกิดขึ้นในไมโทคอนเดรียของยูคาริโอต นอกจากนี้ยังมีเส้นทางอื่นในช่องที่เรียกว่า peroxisome

เนื่องจากกรดไขมันส่วนใหญ่อยู่ในไซโทซอลของเซลล์จึงต้องขนส่งไปยังช่องที่จะถูกออกซิไดซ์ การขนส่งขึ้นอยู่กับคาร์ตินิแทนและอนุญาตให้โมเลกุลเหล่านี้เข้าสู่ไมโทคอนเดรีย

การเผาผลาญนิวคลีโอไทด์

การสังเคราะห์นิวคลีโอไทด์เป็นเหตุการณ์สำคัญในการเผาผลาญของเซลล์เนื่องจากสิ่งเหล่านี้เป็นสารตั้งต้นของโมเลกุลที่เป็นส่วนหนึ่งของสารพันธุกรรม DNA และ RNA และโมเลกุลพลังงานที่สำคัญเช่น ATP และ GTP

สารตั้งต้นของการสังเคราะห์เบสรวมถึงกรดอะมิโนที่แตกต่างกัน 5 น้ำตาลฟอสเฟตก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และ NH 3เส้นทางการกู้คืนมีหน้าที่ในการรีไซเคิลเบสอิสระและนิวคลีโอไซด์ที่ปล่อยออกมาจากการสลายกรดนิวคลีอิก

การก่อตัวของวงแหวนพิวรีนเกิดขึ้นจากไรโบส 5 ฟอสเฟตกลายเป็นนิวเคลียสพิวรีนและในที่สุดก็ได้รับนิวคลีโอไทด์

วงแหวนไพริมิดีนถูกสังเคราะห์เป็นกรดออโรติก ตามด้วยการจับกับไรโบส 5 ฟอสเฟตมันจะถูกเปลี่ยนเป็นไพริมิดีนนิวคลีโอไทด์

การหมัก

ผู้เขียนเวอร์ชันดั้งเดิมคือผู้ใช้: Norro / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

การหมักเป็นกระบวนการเผาผลาญที่ไม่ใช้ออกซิเจน พวกมันอยู่ในประเภท catabolic และผลิตภัณฑ์สุดท้ายของกระบวนการนี้คือเมตาบอไลต์ที่ยังคงมีศักยภาพในการเกิดออกซิเดชั่น การหมักมีหลายประเภท แต่การหมักแลคติกเกิดขึ้นในร่างกายของเรา

การหมักแลคติกเกิดขึ้นในไซโทพลาซึมของเซลล์ ประกอบด้วยการย่อยสลายกลูโคสบางส่วนเพื่อให้ได้พลังงานจากการเผาผลาญ กรดแลคติกถูกผลิตขึ้นในฐานะของเสีย

หลังจากการออกกำลังกายแบบไม่ใช้ออกซิเจนอย่างเข้มข้นกล้ามเนื้อไม่ได้รับออกซิเจนที่มีความเข้มข้นเพียงพอและเกิดการหมักของแลคติก

เซลล์บางส่วนในร่างกายถูกบังคับให้หมักเนื่องจากไม่มีไมโทคอนเดรียเช่นเดียวกับเซลล์เม็ดเลือดแดง

ในอุตสาหกรรมกระบวนการหมักจะใช้ความถี่สูงเพื่อผลิตชุดผลิตภัณฑ์สำหรับการบริโภคของมนุษย์เช่นขนมปังเครื่องดื่มแอลกอฮอล์โยเกิร์ตเป็นต้น

อ้างอิง

Baechle, TR, & Earle, RW (Eds.). (2007) หลักการฝึกความแข็งแรงและการปรับสภาพร่างกาย Panamerican Medical Ed.
Berg, JM, Stryer, L. , และ Tymoczko, JL (2007) ชีวเคมี. ฉันย้อนกลับ
แคมป์เบลล์ MK และฟาร์เรล SO (2011) ชีวเคมี. พิมพ์ครั้งที่หก. ทอมสัน บรูคส์ / โคล.
Devlin, TM (2011). ตำราชีวเคมี. John Wiley & Sons
Koolman, J. , & Röhm, KH (2005). ชีวเคมี: ข้อความและแผนที่ Panamerican Medical Ed.
Mougios, V. (2549). การออกกำลังกายทางชีวเคมี จลนศาสตร์ของมนุษย์
Müller-Esterl, W. (2008). ชีวเคมี. พื้นฐานด้านการแพทย์และวิทยาศาสตร์ชีวภาพ ฉันย้อนกลับ
Poortmans, JR (2004). หลักการออกกำลังกายทางชีวเคมี. 3 ^ถฉบับ คาร์เกอร์.
Voet, D. , & Voet, JG (2006). ชีวเคมี. Panamerican Medical Ed.

เส้นทางการเผาผลาญ: ประเภทและเส้นทางหลัก - ชีววิทยา - 2026