نقش گلوکز در تولید انرژی

نقش گلوکز در تولید انرژی

گلوکز یکی از ساده ترین قندها یا مونوساکاریدها است که به عنوان بلوک ساختمانی همه کربوهیدرات ها عمل می کند.

همچنین منبع اصلی انرژی برای هر ارگانیسم بیولوژیکی شناخته شده است. گلوکز معمولاً از محصولات غذایی غنی از کربوهیدرات و قند مانند گندم، برنج و کیک به دست می آید.

گلوکز: منبع اصلی انرژی

گلوکز از شش اتم کربن تشکیل شده و دارای فرمول شیمیایی C6H12O6 است. این منبع اصلی انرژی برای هر موجود بیولوژیکی شناخته شده، از جمله گیاهان است. سلول ها انرژی شیمیایی را از طریق تنفس سلولی هوازی و بی هوازی آزاد می کنند. گلوکز برای هر دوی این فرآیندها مورد نیاز است.

وقتی گلوکز وارد بدن می شود، از طریق یک سری واکنش های شیمیایی پیچیده به انرژی تبدیل می شود. در غیاب گلوکز، چربی ها و پروتئین ها منابع ثانویه انرژی هستند. در مرحله اول تنفس هوازی، گلوکز در یک فرآیند کاتابولیک به نام گلیکولیز تجزیه می شود. هنگامی که این اتفاق می افتد، انرژی به شکل ATP آزاد می شود.

در طی گلیکولیز، گلوکز و اکسیژن واکنش می دهند و محصولات زیر را در هر مولکول گلوکز تشکیل می دهند:

2 مولکول ATP
2 مولکول NADH
2 مولکول پیروات
همانطور که در زیر توضیح می دهیم، سپس مولکول های NADH و پیروات وارد میتوکندری می شوند تا دو مرحله بعدی تنفس هوازی – چرخه کربس و زنجیره انتقال الکترون – را ادامه دهند.

گلوکز چیست؟

گلوکز یکی از ساده ترین انواع قند و واحد سازنده (مونومر) کربوهیدرات های پیچیده تر است. این ماده به عنوان مونوساکارید طبقه بندی می شود زیرا فقط یک واحد قند دارد.

یک مولکول گلوکز از شش اتم کربن و یک گروه آلدهید تشکیل شده است که آن را آلدوهگزوز می کند. نمونه های دیگر آلدوهگزوزها عبارتند از: آلوز، آلتروز، گالاکتوز، گلوز، یدوز، مانوز و تالوز.

گلوکز به طور طبیعی در شیرین کننده های طبیعی غنی از قند مانند عسل و همچنین بسیاری از غذاهای فرآوری شده مانند شیرینی ها و کیک ها وجود دارد. همچنین در غذاهای مشتق از کربوهیدرات مانند گندم، برنج و سیب زمینی یافت می شود.

مولکول‌های گلوکز وقتی خشک می‌شوند و به صورت پودر می‌شوند، به صورت مولکول‌های خطی یا زنجیره‌ای مستقیم وجود دارند. با این حال، زمانی که در آب حل می شوند، مولکول های حلقوی تشکیل می دهند. برای مثال تصویر زیر را ببینید:

فرمول شیمیایی گلوکز

فرمول شیمیایی گلوکز C6H12O6 است اما چندین ایزومر دارد. گالاکتوز و فروکتوز هر دو فرمول شیمیایی مشابه گلوکز دارند، اگرچه از نظر ساختاری متفاوت هستند

.

گلوکز از کجا می آید؟

گلوکز به طور طبیعی در بسیاری از محصولات گیاهی در نتیجه فتوسنتز وجود دارد. به طور معمول در میوه ها، گیاهان ریشه، گل ها (به ویژه در شهد) و برگ ها یافت می شود. گلوکز همچنین از تجزیه قندهای پیچیده مانند ساکارز در طول هضم به دست می آید.

عملکرد گلوکز در بدن

گلوکز نقش حیاتی در بدن دارد. مغز، ماهیچه‌های اسکلتی و سایر اندام‌های ما بدون آن نمی‌توانند کار کنند.

پس از خوردن غذا، گلوکز از طریق روده کوچک جذب بدن می شود و سپس از طریق سیستم گردش خون به اطراف بدن منتقل می شود. خون مواد مغذی (از جمله گلوکز)، اکسیژن و مواد زائد را به سلول‌ها و از آن‌ها برای حفظ آنها حمل می‌کند.

تقریباً همه اندام ها و سیستم های اندام ما به گلوکز به عنوان منبع اصلی انرژی خود متکی هستند. این امر به ویژه در مورد مغز صدق می کند که به حدود 120 گرم گلوکز، معادل 420 کیلو کالری انرژی در روز نیاز دارد.

در انسان، متابولیسم گلوکز توسط هورمون انسولین تنظیم می شود. بدون انسولین کافی، سلول‌ها نمی‌توانند گلوکز را برای انرژی جذب کرده و از آن استفاده کنند و شروع به عملکرد نادرست خواهند کرد.

گلوکز چگونه ساخته می شود؟

گیاهان از طریق فتوسنتز گلوکز می سازند. در طی این فرآیند، آنها نور خورشید را در برگ های خود جذب می کنند و سپس از انرژی برای تبدیل دی اکسید کربن و آب به گلوکز استفاده می کنند. گیاهان از گلوکز برای انجام سایر فعالیت های سلولی و ساخت موادی مانند نشاسته و سلولز استفاده می کنند

فتوسنتز شامل واکنش های وابسته به نور و واکنش های مستقل از نور است. در واکنش های مستقل از نور است که گلوکز تولید می شود. این سری چرخه ای از واکنش ها به عنوان چرخه کالوین-بنسون شناخته می شود. سوخت آن توسط مولکول های ATP تولید شده در طی واکنش های وابسته به نور تامین می شود.

فرآیند گلیکولیز

گلیکولیز اولین مرحله در تجزیه گلوکز به انرژی است. در طی گلیکولیز، گلوکز به اسید پیروویک تبدیل می شود. این در سیتوپلاسم رخ می دهد، جایی که ATP برای استفاده بعدی توسط سلول برای تامین انرژی برای فرآیندهای متابولیکی و سنتزهای مختلف آزاد می شود.

واکنش کلی گلیکولیز را می توان به صورت یک معادله شیمیایی متعادل نوشت:

C6H12O6 + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 P —–>

2 اسید پیروویک + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+

گلیکولیز توسط دو مرحله اصلی دیگر در تنفس دنبال می شود – چرخه کربس و زنجیره انتقال الکترون – که در میتوکندری اتفاق می افتد.

چرخه کربس
چرخه کربس به ازای هر مولکول گلوکز دو مولکول کربن و یک مولکول ATP یا GTP تولید می کند. همچنین سه مولکول NADH و یک مولکول FADH2 تولید می کند که هر دو برای فاز سوم تنفس هوازی (زنجیره انتقال الکترون) ضروری هستند.

چرخه کربس گاهی اوقات چرخه اسید سیتریک نامیده می شود زیرا شامل سیترات است.

زنجیره انتقال الکترون
همچنین به عنوان فسفوریلاسیون اکسیداتیو شناخته می شود، زنجیره انتقال الکترون سومین مرحله تنفس سلولی هوازی است. در قسمت داخلی میتوکندری رخ می دهد.

در طی این مرحله، الکترون ها جریان می یابند و پتانسیل الکتریکی بین غشای داخلی میتوکندری و قسمت بیرونی میتوکندری ایجاد می کنند. این فرآیند NAD+، FAD و پروتون‌ها (H+) تولید می‌کند که تشکیل مولکول‌های آب و ATP را تسهیل می‌کنند.

در فرآیندهای متابولیک سلولی، انرژی آزاد می شود که ATP به ADP تبدیل شود زیرا پیوندهای مولکولی پر انرژی شکسته می شود. در یک معادله شیمیایی ساده شده، تنفس سلولی را می توان به عنوان اکسیداسیون یا سوزاندن گلوکز برای تولید انرژی خلاصه کرد.

یک مولکول گلوکز می تواند تا 36 مولکول ATP را از طریق تنفس سلولی هوازی تولید کند. آب و دی اکسید کربن محصولات زائد این فرآیند هستند اما ATP مهمترین محصول جانبی است زیرا انرژی آزاد می کند.

چگونه گلوکز وارد سلول می شود؟

گلوکز با کمک ناقل گلوکز وارد سلول می شود. دو نوع اصلی ناقل وجود دارد – انتقال دهنده های مرتبط با سدیم-گلوکز (SGLTs) و انتقال دهنده های گلوکز با انتشار تسهیل شده (GLUT). آنها را می توان بیشتر به زیرگروه های مختلف طبقه بندی کرد. این انتقال دهنده ها از نظر بستر خاص، توزیع و مکانیسم تنظیم متفاوت هستند.

انسولین به ارگانیسم های چند سلولی مانند انسان در جذب و استفاده از گلوکز کمک می کند. با گیرنده های روی سطح سلول ها متصل می شود تا مولکول های GLUT4 را جذب کند و سپس گلوکز را به داخل سلول ها منتقل می کند.

نتیجه گیری

گلوکز یک قند ساده و منبع اصلی انرژی برای هر موجود زنده شناخته شده است. در طی فتوسنتز توسط گیاهان ساخته می شود. در انسان، گلوکز از طریق یک سری مراحل بیوشیمیایی پیچیده از جمله گلیکولیز، چرخه کربس و فسفوریلاسیون اکسیداتیو (زنجیره انتقال الکترون) به انرژی تجزیه می شود. این فرآیند انرژی را به شکل ATP آزاد می کند.