5.1: גליקוליזה

Last updated
Save as PDF

Page ID: 208563

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

כמעט כל התגובות המטבוליות מזורזות על ידי אנזימים על מנת לעמוד בקצב דרישות האנרגיה והחומר של התא. למעשה, הדיון בחלק מהתהליכים המטבוליים בפרק זה נראה כמעט כרשימות כביסה של אנזימים. נתחיל ברשימה אחת כזו בתיאור הקטבוליזם של הסוכר הפשוט, הגלוקוז, בתהליך הגליקוליזה.

גליקוליזה

בין אם התא פרוקריוטי או אוקריוטי, אחת השיטות הבסיסיות שלו לייצור אנרגיה שמישה היא גליקוליזה. בתהליך זה משתמשים בגלוקוז, שהוא מקור האנרגיה הנפוץ ביותר עבור רוב התאים. עם זאת, לא ניתן לפרק ישירות גלוקוז בכדי לספק אנרגיה לתא: גליקוליזה היא תהליך המפרק אותו בסדרה של תגובות ליצירת אדנוסין טריפוספט (ATP), שהוא "מטבע" האנרגיה הנפוץ ביותר של התא. כלומר, ATP יכול לשחרר אנרגיה שמישה בתגובה אחת.

לגלוקוז, בהיותו סוכר בעל 6 פחמן, יש כמות גדולה של אנרגיה פוטנציאלית המאוחסנת בקשרים שלו. עם זאת, מכיוון שהוא יציב תרמודינמית, יידרש השקעה של הרבה אנרגיה חיצונית כדי לשחרר את אנרגיית הגלוקוז בשלב אחד (למשל להדליק אותו באש כדי לפרק אותו ל- CO ₂ ו- H ₂ O), ולא רק זה בלתי אפשרי לתאים לייצר אנרגיה מסוג זה בבת אחת, לתא אין מנגנון להשתמש בכל האנרגיה המשתחררת ברגע אחד בזמן. רוב זה יהיה מבוזבז כמו חום עודף. במקום זאת, התא משתמש באנזימים כדי לערער את היציבות ולפרק את הסוכר באמצעות סדרה של המרות לתרכובות ביניים. התהליך הבסיסי והאנזימים המעורבים הם כדלקמן.

1. גלוקוז מזורחן על ידי הקסוקינאז לייצור גלוקוז-6-פוספט. האנזים נקרא כך מכיוון שהוא קינאז (שם קבוצת פוספט) הפועל על הקסוז (סוכר בעל שישה פחמנים). במקרה זה, הוא מציב את הפוספט על 6 פחמן הגלוקוז. עם זאת, הקסוקינאז יכול גם לזרחן הקסוזות אחרות כגון פרוקטוז ומנוז (הכל בקונפורמציה D). ישנן שתי סיבות עיקריות לכך שזה טוב לתא. מכיוון שריכוז הגלוקוז גבוה יותר בתוך התא מאשר בחוץ, יש לחץ עליו לנוע חזרה מהתא. על ידי המרתו ל-G6P, הוא כבר לא חלק משיפוע ריכוז הגלוקוז, ויש לו קבוצת פוספט טעונה, מה שהופך אותו כמעט בלתי אפשרי לדלוף החוצה מהקרום. תוספת הפוספט מגדילה גם את האנרגיה במולקולה, מה שהופך אותה ליציבה פחות תרמודינמית, כך שניתן לפרק אותה. תגובה זו דורשת שימוש ב- ATP כתורם פוספט ואת האנרגיה הדרושה לחיבורו. כלומר, אנרגיה משמשת בשלב זה, לא מיוצר. עם זאת, קחו זאת כהשקעה של אנרגיה, שכן בסוף הגליקוליזה מיוצר יותר ATP מאשר בשימוש.

^{הקסוקינאז דורש ATP בצורה של קומפלקס (לקבוצות הפוספט ^השנייה ^{והשלישית}) עם קטיון דו ערכי, בדרך כלל Mg 2+ in vivo.} ATP לבדו הוא למעשה מעכב תחרותי של הקסוקינאז. המוצר, G6P, מתפקד גם כמעכב, ובכך מספק מידה מסוימת של ויסות משוב. למעשה, תאי שריר המשתמשים במאגרי גליקוגן ממירים את הגליקוגן ישירות ל- G6P, כך שפעילות ההקסוקינאז נמוכה מאוד בתאים אלה.

2. גלוקוז-6-פוספט מומר לפרוקטוז-6-פוספט על ידי איזומראז פוספוגלוקוז. כפי שהשם מרמז, האיזומראז פשוט מסדר מחדש את האטומים הקיימים בתוך ה- G6P כדי ליצור את ה- F6P ללא הסרה או הוספה של אטומים כלשהם.

3. פרוקטוז-6-פוספט מזורחן על ידי פוספופרוקטוקינאז (PFK) לפרוקטוז -1,6-ביספוספט. יש שוב השקעה של ATP כדי לספק את קבוצת הפוספטים ואת האנרגיה לחבר אותה.

PFK הוא רגולטור חשוב של הגליקוליזה. זהו חלבון טטרמרי, ולכל יחידת משנה יש שני אתרי קישור ל-ATP: האחד הוא אתר המצע הרגיל, השני הוא אתר מעכב כך שקשירה של ATP מורידה את הזיקה של האנזים ל-F6P. ATP הוא לא הרגולטור היחיד של פעילות PFK: AMP הוא גם הרגולטור החיובי של PFK, והוא יכול להגדיל אותו עד פי 5.

4. הפרוקטוז-1,6-ביספוספט נחתך לשניים על ידי אלדולאז, ומניב מולקולה של פוספט דיהי דרוקסיאצטון ומולקולה של גליצראלדהיד-3-פוספט.

ישנם שני סוגים של אלדולזות: מחלקה I נמצאת בבעלי חיים וצמחים, ואילו מחלקה II נמצאת בפטריות ובחיידקים. ^{מחלקה I אינה דורשת קופקטורים, אך מחלקה II דורשת קטיון דו ערכי (פיזיולוגית בדרך כלל Fe ^{2+ או Zn 2+}).}

5. ה- G3P יכול להשתתף בתגובה הבאה, אך פוספט הדיהידרוקסיצטון, למרות הדמיון שלו, אינו יכול. לכן, יש לסדר אותו מחדש על ידי איזומראז פוספט טריוז, הממיר אותו למולקולה אחרת של גליצראלדהיד-3-פוספט.

איזומראז פוספט טריוז הוא "אנזים מושלם" המזרז את היווצרות המוצר מהר ככל שהאנזים והמצע יכולים ליצור מגע בתמיסה (כלומר הקצב מוגבל בדיפוזיה בלבד).

6. ^{_{כל אחת משתי המולקולות של G3P הנוצרות ממולקולת הגלוקוז עוברת כעת חמצון המזרז על ידי גליצראלדהיד-3-פוספט דהידרוגנאז (GAPDH) בנוכחות NAD + ופוספט אנאורגני (P i).}} כל אחת מהתגובות הללו מייצרת 1,3-ביספוספוגליצרט, שיש לו קבוצת פוספט עתירת אנרגיה, ו-NADH. NADH הוא נושא אלקטרונים בעל אנרגיה גבוהה (האלקטרון מגיע מ-G3P). באאוקריוטים עם סביבה
אירובית, NADH זה ישמש ככל הנראה כדי לסייע ביצירת ATP דרך מחזור החומצה הטריקרבוקסילית (aka מחזור קרבס או מחזור חומצת לימון). במצבים אנאירוביים, ה-NADH ישתתף בתסיסה מסיבות שנדונו בסעיף הבא.

צילום מסך 2018-12-23 בשעה 10.12.42 AM.png — איור\(\PageIndex{1}\). NAD ⁺ מופחת על ידי גליצראלדהיד-3-פוספט דהדרוגנאז ליצירת NADH. ^{ה- NADH משוחרר על ידי החלפה ב- NAD אחר +.}

7. קבוצת הפוספט על פחמן 1 של 1,3-ביספוספוגליצרט מועברת ל-ADP על ידי פוספוגליצרט קינאז ליצירת 3-פוספוגליצרט ו-ATP (סוף סוף!). משתי המולקולות של G3P הנכנסות לשלב 6, אנו מקבלים שתי מולקולות של ATP כדי לספק אנרגיה לתא בשלב זה. נזכר בהשקעה הקודמת של ATP (בשלבים 1 ו -3), התגובה רק "נשברה" בשלב זה. 2 פנימה, 2 החוצה.

שמו של האנזים מצביע על כך שמוסיפים פוספט לפוספוגליצרט. זו לא טעות: זכרו שאנזימים יכולים לזרז תגובות לשני הכיוונים, בהתאם לתנאי התגובה. בתנאים של פוספוגליצרט ו-ATP גבוהים, תתרחש זרחון של פוספוגליצרט. עם זאת, התנאים הפיזיולוגיים הם ריכוז גבוה יחסית של 1,3-ביספוספוגליצרט בהשוואה לרמות נמוכות יחסית של פוספוגליצרט ובכך מניע את התגובה "לאחור" ביחס לשמות האנזים.

8. לאחר מכן, ה-3-פוספוגליצרט מסודר מחדש על ידי מוטאז פוספוגליצרט ליצירת 2-פוספוגליצרט. למולקולה זו יש אנרגיה חופשית גבוהה יותר של הידרוליזה מאשר כאשר קבוצת הפוספט נמצאת על 3 הפחמן.

הפעולה של מוטאז פוספוגליצרט היא לא רק העברת קבוצת הפוספט התוך מולקולרית שנראה שהיא במבט ראשון. תחילה יש להפעיל את האנזים על ידי זרחון, וזה הפוספט של האנזים שמתווסף ל-2-פחמן של 3PG. לאחר מכן, חומר הביניים הזרחני כפול מעביר את 3-הפוספט שלו לאנזים, ו-2PG משתחרר.

9. אנרגיה זו משמשת ליצירת ATP, שכן ה-2-פוספוגליצרט עובר התייבשות על ידי אנולאז ליצירת פוספואנולפירובט (PEP).

PEP נוצר מכיוון שהידרוליזה של הפוספט מ- 2PG אינה משחררת מספיק אנרגיה כדי להניע זרחון של ADP ל- ATP. הידרוליזה של PEP, לעומת זאת, משחררת משמעותית יותר מהנדרש.

10. לאחר מכן פירובאט קינאז מעביר קבוצת פוספט באנרגיה גבוהה מ- PEP ל- ADP, ומייצר ATP לשימוש התא ופירובט.

^{פירובאט קינאז דורש לא רק Mg ²⁺ דו ערכי כמו ברוב הקינאזות האחרות, אלא גם K+.} האנזים פועל בשני שלבים: ה- ADP תוקף את זרחן ה- PEP לייצור ATP ואנולפירובט. לאחר מכן מומר Enolpyruvate לטאוטומר הקטו שלו.

תוך התחשבות בהכפלת התגובות משלבים 6-10 (פיצול פרוקטוז-1,6- ביספוספט מייצר שני G3P), ייצור האנרגיה השמיש הכולל מגליקוליזה של מולקולה אחת של גלוקוז הוא 4 ATP ו-2 NADH. עם זאת, ייצור ה- ATP נטו הוא רק 2 ATP אם נזכור את ההשקעה הראשונית של שני ATP בשלבים המוקדמים. לא ממש על מה לכתוב הביתה. יתר על כן, למרות שה- NADH והפירובט יכולים להשתתף במחזור החומצה הטריקרבוקסילית במצבים אוקריוטיים אירוביים כדי לייצר כמות משמעותית של ATP, במצבים אנאירוביים, הם אינם מייצרים אנרגיה שמישה.

צילום מסך 2018-12-23 בשעה 10.12.26 AM.png — איור\(\PageIndex{2}\). סקירה כללית של הגליקוליזה.

חיצים דו כיווניים מציינים אנזימים המשמשים הן לגליקוליזה והן לגלוקונאוגנזה. חיצים חד כיווניים מצביעים על אנזימים שמתפקדים רק בגליקוליזה. *שימו לב שתגובות 6-10 מתרחשות בשכפול (שני G3P מגלוקוז אחד).

לפיכך ייצור ATP אנאירובי, כלומר גליקוליזה, יעיל הרבה פחות בהפקת אנרגיה ממולקולת גלוקוז מאשר ייצור ATP אירובי, שיכול לייצר כ-38 ATP לגלוקוז. מצד שני, כאשר יש לייצר הרבה ATP במהירות, הגליקוליזה היא מנגנון הבחירה, בתאים כמו סיבי העווית המהירה של שריר השלד. לתאים אלה יש למעשה מעט מאוד מיטוכונדריה מכיוון שגליקוליזה יכולה לייצר ATP בקצב גבוה בהרבה (עד פי 100) מאשר זרחון חמצוני. מה קורה לפירובט ו- NADH? בתאים המטבולים באופן אירובי, הם עוברים למיטוכונדריה למחזור TCA וזרחון חמצוני. באנאירובים הם עוברים תסיסה.

^{שים לב שה-NADH המיוצר על ידי גליקוליזה בציטופלזמה אינו משתתף ישירות בזרחון חמצוני במיטוכונדריה מכיוון שהממברנה המיטוכונדריאלית הפנימית אטומה לה, אך היא שולחת "מקבילה וירטואלית" למיטוכונדריה דרך אחד משני מסלולים: מעבורת אספרטט-מאלט משלבת אנטי-פורטים של מאלט-α-קטוגלוטרט, אנטי-יציאות אספרטט-גלוטמט והמרה בין מטבוליטים על ידי טרנסמינאז עם מלנאז לטשטש דהידרוגנאז כדי לחמצן NADH ציטופלסמית ולהשתמש באנרגיה שנוצרת להפחתת NAD + ב} מטריצה מיטוכונדריאלית; המסלול השני הוא מערכת מעבורת DHAP, שבה NADH משמש להפחתת פוספט דיהידרוקסיאצטון לגליצרול -3-P באמצעות גליצרול -3-פוספט דהידרוגנאז ציטופלזמי, והרכיבה על ה- DHAP לגליצרול -3-P באמצעות דהידרוגנאז flavoprotein המוטמע בקרום המיטוכונדריאלי הפנימי. פלבופרוטאין דהידרוגנאז זה לוקח את האלקטרונים מגליצרול -3-P כדי ליצור FADH ₂, שיכול להשתתף בשרשרת הובלת האלקטרונים.

מעבורת DHAP או גליצרופוספט פחות יעילה ממעבורת מאלט-אספרטט, ומייצרת כ -2 ATP לעומת 2.7 ATP לכל NADH. ^{עם זאת, הוא יכול לפעול גם כאשר ריכוז ה- NADH הציטופלזמי נמוך, כפי שקורה ברקמות/תאים עם קצב חילוף חומרים גבוה מאוד (כולל שרירי שלד ומוח), בעוד שמעבורת מאלט-אספרטאט (הנפוצה בכבד ובלב) רגישה לריכוז היחסי של NADH ו- NAD +.}