Skip to main content
Global

7.7: تنظيم التنفس الخلوي

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    196236

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    المهارات اللازمة للتطوير

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

    يجب تنظيم التنفس الخلوي من أجل توفير كميات متوازنة من الطاقة في شكل ATP. يجب أن تولد الخلية أيضًا عددًا من المركبات الوسيطة التي تستخدم في عملية التمثيل الغذائي والهدم للجزيئات الكبيرة. بدون ضوابط، ستتوقف التفاعلات الأيضية بسرعة عندما تصل التفاعلات الأمامية والخلفية إلى حالة توازن. سيتم استخدام الموارد بشكل غير لائق. لا تحتاج الخلية إلى الحد الأقصى من ATP الذي يمكنها صنعه 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.

    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 التي تنقل الجلوكوز (الشكل\(\PageIndex{1}\)). تتحكم الأشكال المختلفة لبروتين GLUT في مرور الجلوكوز إلى خلايا أنسجة معينة.

    عندما يربط الأنسولين في مجرى الدم مستقبلات الأنسولين في الغشاء البلازمي للخلية المستهدفة، فإن الحويصلة التي تحتوي على ناقل الجلوكوز Glut-4 تندمج مع غشاء البلازما. Glut-4 هو ناقل يسمح للجلوكوز بدخول الخلية.
    الشكل\(\PageIndex{1}\): GLUT4 هو ناقل جلوكوز يتم تخزينه في الحويصلات. تؤدي سلسلة من الأحداث التي تحدث عند ارتباط الأنسولين بمستقبلات في غشاء البلازما إلى اندماج الحويصلات المحتوية على الغلوتو4 مع غشاء البلازما بحيث يمكن نقل الجلوكوز إلى الخلية.

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

    يتم التحكم في عدد من الإنزيمات المشاركة في كل من المسارات - على وجه الخصوص، الإنزيم الذي يحفز أول تفاعل ملتزم للمسار - عن طريق ربط جزيء بموقع ألوستيريك على البروتين. الجزيئات الأكثر استخدامًا في هذه السعة هي النيوكليوتيدات ATP و ADP و AMP و NAD+ و NADH. قد تزيد هذه الهيئات التنظيمية، وهي المؤثرات الألاستيرية، من نشاط الإنزيم أو تنقصه، اعتمادًا على الظروف السائدة. يغير المؤثر الألاستيري البنية الاستيرية للإنزيم، وعادة ما يؤثر على تكوين الموقع النشط. هذا التغيير في بنية البروتين (الإنزيم) إما يزيد أو يقلل من تقاربه مع الركيزة، مع تأثير زيادة أو تقليل معدل التفاعل. يشير المرفق إلى الإنزيم. يمكن أن يؤدي هذا الربط إلى زيادة نشاط الإنزيم أو تقليله، مما يوفر التغذية الراجعة. هذا النوع من التحكم في التغذية الراجعة فعال طالما أن المادة الكيميائية المؤثرة عليه مرتبطة بالإنزيم. بمجرد انخفاض التركيز الكلي للمادة الكيميائية، سوف تنتشر بعيدًا عن البروتين، ويتم تخفيف التحكم.

    السيطرة على المسارات التقويضية

    تميل الإنزيمات والبروتينات وناقلات الإلكترون والمضخات التي تلعب أدوارًا في تحلل السكر ودورة حمض الستريك وسلسلة نقل الإلكترون إلى تحفيز التفاعلات غير القابلة للانعكاس. بمعنى آخر، في حالة حدوث رد الفعل الأولي، يلتزم المسار بالمضي قدمًا في ردود الفعل المتبقية. يعتمد إطلاق نشاط إنزيم معين على احتياجات الطاقة للخلية (كما ينعكس ذلك في مستويات ATP و ADP و AMP).

    تحلل السكر

    يبدأ التحكم في تحلل السكر بأول إنزيم في المسار، هيكسوكيناز (الشكل\(\PageIndex{2}\)). يحفز هذا الإنزيم فسفرة الجلوكوز، مما يساعد على تحضير المركب للانشقاق في خطوة لاحقة. كما أن وجود الفوسفات سالب الشحنة في الجزيء يمنع السكر من مغادرة الخلية. عندما يتم تثبيط الهكسوكيناز، ينتشر الجلوكوز خارج الخلية ولا يصبح ركيزة لمسارات التنفس في هذا النسيج. ناتج تفاعل هيكسوكيناز هو الجلوكوز 6-الفوسفات، الذي يتراكم عندما يتم تثبيط إنزيم لاحق، وهو فوسفوفروكتوكيناز.

    يوضح هذا الرسم التوضيحي أن تحلل السكر يتم تنظيمه من خلال ثلاثة إنزيمات رئيسية: هيكسوكيناز فوسفوفروكتوكيناز، وكيناز فوسفوغليريت. يقوم الإنزيمان الأولان بتحلل ATP وينتج الثالث ATP.
    الشكل\(\PageIndex{2}\): يتم تنظيم مسار تحلل السكر بشكل أساسي في الخطوات الأنزيمية الرئيسية الثلاث (1 و 2 و 7) كما هو موضح. لاحظ أن الخطوتين الأوليين اللتين يتم تنظيمهما تحدث مبكرًا في المسار وتتضمنان التحلل المائي لـ ATP.

    فوسفوفركتوكيناز هو الإنزيم الرئيسي الذي يتم التحكم فيه في تحلل السكر. تؤدي المستويات العالية من ATP أو السيترات أو درجة الحموضة المنخفضة والأكثر حمضية إلى تقليل نشاط الإنزيم. يمكن أن تحدث زيادة في تركيز السيترات بسبب انسداد دورة حمض الستريك. غالبًا ما يكون التخمير، مع إنتاجه 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 كيناز البيروفات. يمكن أن يتم تقويض البيروفات المنتج أو تحويله إلى ألانين الحمض الأميني. إذا لم تكن هناك حاجة إلى المزيد من الطاقة وكان الألانين في إمدادات كافية، يتم تثبيط الإنزيم. يزداد نشاط الإنزيم عندما تزداد مستويات الفركتوز 1,6-bisphosphate. (تذكر أن الفركتوز 1,6-bisphosphate هو وسيط في النصف الأول من تحلل السكر.) يتضمن تنظيم كيناز البيروفات الفسفرة بواسطة كيناز (كيناز البيروفات)، مما يؤدي إلى إنزيم أقل نشاطًا. يؤدي إزالة الفسفرة بواسطة الفوسفاتاز إلى إعادة تنشيطه. يتم تنظيم كيناز البيروفات أيضًا بواسطة ATP (تأثير ألستيري سلبي).

    إذا كانت هناك حاجة إلى مزيد من الطاقة، سيتم تحويل المزيد من البيروفات إلى أسيتيل CoA من خلال عمل نازعة هيدروجين البيروفات. في حالة تراكم مجموعات الأسيتيل أو NADH، تقل الحاجة إلى التفاعل ويقل المعدل. يتم تنظيم نازعة البيروفات أيضًا عن طريق الفسفرة: يقوم كيناز بفسفره لتكوين إنزيم غير نشط، ويعيد الفوسفاتاز تنشيطه. كما يتم تنظيم الكيناز والفوسفاتاز.

    دورة حمض الستريك

    يتم التحكم في دورة حمض الستريك من خلال الإنزيمات التي تحفز التفاعلات التي تصنع أول جزيئين من NADH. هذه الإنزيمات هي نازعة هيدروجين إيزوسيترات و ألفا - كيتوجلوتارات ديهيدروجيناز. عند توفر مستويات ATP و NADH الكافية، تنخفض معدلات هذه التفاعلات. عند الحاجة إلى المزيد من ATP، كما ينعكس ذلك في ارتفاع مستويات ADP، يزداد المعدل. سيتأثر ألفا -كيتوجلوتارات ديهيدروجينيز أيضًا بمستويات سكسينيل COA - وهو وسيط لاحق في الدورة - مما يؤدي إلى انخفاض النشاط. لا يكون الانخفاض في معدل تشغيل المسار في هذه المرحلة سلبيًا بالضرورة، حيث يمكن للخلية استخدام المستويات المتزايدة من ألفا -كيتوجلوتارات التي لا تستخدمها دورة حمض الستريك لتخليق الأحماض الأمينية (الغلوتامات).

    سلسلة نقل الإلكترون

    لا تتأثر إنزيمات معينة من سلسلة نقل الإلكترون بتثبيط التغذية الراجعة، ولكن معدل انتقال الإلكترون عبر المسار يتأثر بمستويات ADP و ATP. يُشار إلى زيادة استهلاك ATP بواسطة الخلية من خلال تراكم ADP. مع انخفاض استخدام ATP، ينخفض تركيز ADP، والآن، يبدأ ATP في التراكم في الخلية. هذا التغيير هو التركيز النسبي لـ ADP إلى ATP الذي يحفز الخلية على إبطاء سلسلة نقل الإلكترون.

    رابط إلى التعلم

    قم بزيارة هذا الموقع لمشاهدة الرسوم المتحركة لسلسلة نقل الإلكترون وتوليف ATP.

    للحصول على ملخص لعناصر التحكم في التغذية الراجعة في التنفس الخلوي، راجع الجدول\(\PageIndex{1}\).

    الجدول\(\PageIndex{1}\): ضوابط التغذية الراجعة في التنفس الخلوي.
    ممر الإنزيم المتأثر مستويات مرتفعة من المستجيب التأثير على نشاط المسار
    تحلل السكر هيكسكيناز جلوكوز-6-فوسفات تخفيض
      فوسفوفروكتوكيناز شحنة منخفضة الطاقة (ATP، AMP)، الفركتوز 6-الفوسفات عبر الفركتوز 2،6-ثنائي الفوسفات يزيد
        شحنة عالية الطاقة (ATP، AMP)، سيترات، درجة حموضة حمضية تخفيض
      كيناز البيروفات الفركتوز 1،6-بيسفسفات يزيد
        شحنة عالية الطاقة (ATP، AMP)، ألانين تخفيض
    تحويل البيروفات إلى أسيتيل CoA نازعة هيدروجيناز البيروفات ADP، البيروفات يزيد
        أسيتيل أوكا، ATP، NADH تخفيض
    دورة حمض الستريك نازعة إيزوسيترات ADP يزيد
        صنبور، نادل تخفيض
      α - نازعة هيدروجيناز كيتوجلوتارات أيونات الكالسيوم، ADP يزيد
        ATP، NADH، سكسينيل Coa تخفيض
    سلسلة نقل الإلكترون   ADP يزيد
        ATP تخفيض

    ملخص

    يتم التحكم في التنفس الخلوي من خلال مجموعة متنوعة من الوسائل. 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 ردود الفعل السلبية، مما يؤدي إلى إيقاف تشغيل الإنزيمات. تستجيب الإنزيمات في أغلب الأحيان لمستويات النيوكليوسيدات المتاحة ATP و ADP و AMP و NAD+ و FAD. تؤثر المواد الوسيطة الأخرى للمسار أيضًا على بعض الإنزيمات في الأنظمة.

    مسرد المصطلحات

    بروتين الغلوت
    بروتين غشائي متكامل ينقل الجلوكوز