גליקוליזה: פונקציות, אנזימים, שלבים, מוצרים, חשיבות - ביולוגיה - 2025

הגליקוליזה או הגליקוליזה הוא המסלול העיקרי של פירוק גלוקוז, ושמטרתו הסופית היא ליצור אנרגיה בצורת ATP וכוח צמצום ב בצורת NADH, מ פחמימה זו.

מסלול זה, שהוסבר במלואו בשנות השלושים על ידי גוסטב אמדן ואוטו מאיירוף תוך כדי חקר צריכת הגלוקוז בתאי שרירי השלד, מורכב מחמצון מוחלט של מונוסכריד זה ומייצג כשלעצמו מסלול אנאירובי ל השגת אנרגיה.

מבנה מולקולרי של ATP, אחד התוצרים הגליקוליטיים (סיכום המסלול הגליקוליטי (מקור: Tekks בוויקיפדיה האנגלית / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) באמצעות Wikimedia Commons) באמצעות Wikimedia Commons)

זהו אחד הדרכים המטבוליות העיקריות, מכיוון שהוא מתרחש, עם ההבדלים בו, בכל האורגניזמים החיים הקיימים, חד-תאיים או רב-תאיים, פרוקריוטים או אוקריוטים, ונחשבים לשרשרת של תגובות שנשמרת מאוד מבחינה אבולוציונית.

למעשה ישנם כמה אורגניזמים וסוגי תאים התלויים אך ורק בדרך זו לשרוד.

מלכתחילה, הגליקוליזה מורכבת מחמצון הגלוקוזה, של 6 אטומי פחמן, לפירובאט, שיש בו שלושה אטומי פחמן; עם ייצור מקביל של ATP ו- NADH, שימושי לתאים מבחינה מטבולית וסינתטית.

בתאים המסוגלים לעבד את התוצרים המתקבלים מקטבוליזם גלוקוז, הגליקוליזה מסתיימת בייצור פחמן דו חמצני ומים דרך מחזור קרבס ושרשרת הובלת האלקטרונים (גליקוליזה אירובית).

עשר תגובות אנזימטיות מתרחשות במהלך המסלול הגליקוליטי, ולמרות שהוויסות של תגובות אלה עשוי להיות שונה במקצת ממינים למינים, גם מנגנוני הוויסות נשמרים למדי.

פונקציות של גליקוליזה

מנקודת מבט מטבולית, גלוקוז הוא אחד הפחמימות החשובות ביותר עבור כל היצורים החיים.

זוהי מולקולה יציבה ומסיסה מאוד, כך שניתן להעביר אותה בקלות יחסית לאורך כל גופו של בעל חיים או של צמח, משם היא מאוחסנת ו / או מתקבלת למקום בו היא נדרשת כדלק סלולרי.

מבנה הגלוקוזה (מקור: Oliva93 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) באמצעות Wikimedia Commons)

האנרגיה הכימית הכלולה בגלוקוז מנוצלת על ידי תאים חיים באמצעות גליקוליזה, המורכבת מסדרה של צעדים מבוקרים ביותר שבאמצעותם ניתן "לתפוס" את האנרגיה המשתחררת מחמצון פחמימה זו לצורות אנרגיה שמישות יותר. ומכאן חשיבותו.

דרך מסלול זה מתקבלים לא רק אנרגיה (ATP) והפחתת כוח (NADH), אלא הוא גם מספק סדרת ביניים מטבולית המהווים חלק מנתיבים אחרים, חשובים גם מהאנבוליים (הביוסינתטיים) ו- תפקוד תאי כללי. להלן רשימה:

- גלוקוז 6-פוספט לנתיב פוספט פוספט (PPP)

- פירובט לתסיסה לקטית

- פירובט לסינתזה של חומצות אמינו (אלנין, בעיקר)

- פירובט למחזור החומצה הטריקארבוקסילית

- פרוקטוז 6-פוספט, גלוקוז 6-פוספט ודיהידרוקסיצטון פוספט, הפועלים כ"אבני בניין "בדרכים אחרות כמו סינתזה של גליקוגן, חומצות שומן, טריגליצרידים, נוקלאוטידים, חומצות אמינו וכו '.

הפקת אנרגיה

כמות ה- ATP המיוצרת במסלול הגליקוליטי, כאשר התא שמייצר אותו אינו יכול לחיות בתנאים אירוביים, מספיק בכדי לספק את צרכי האנרגיה של תא כאשר הוא משולב לסוגים שונים של תהליכי תסיסה.

עם זאת, כשמדובר בתאים אירוביים, הגליקוליזה משמשת גם כמקור חירום לאנרגיה ומשמשת כ"צעד הכנה "לפני התגובות הזרחניות החמצוניות המאפיינות תאים במטבוליזם אירובי.

אנזימים המעורבים בגליקוליזה

גליקוליזה אפשרית רק בזכות השתתפותם של 10 האנזימים המזרזים את התגובות המאפיינות מסלול זה. רבים מהאנזימים הללו הם אלוסטריים ומשנים צורה או קונפורמציה כאשר הם מפעילים את תפקידיהם הקטליטים.

ישנם אנזימים שנשברים ויוצרים קשרים קוולנטים בין המצעים שלהם וישנם אחרים הדורשים קופקטורים ספציפיים כדי לבצע את תפקידיהם, בעיקר יוני מתכת.

מבחינה מבנית, לכל האנזימים הגליקוליטיים מרכז המורכב בעיקרו מגיליונות β מקבילים המוקפים על ידי Helices ומסודרים ביותר מדומיין אחד. יתר על כן, אנזימים אלה מאופיינים בכך שהאתרים הפעילים שלהם בדרך כלל נמצאים באתרי הקישור בין התחומים.

חשוב גם לציין כי הוויסות העיקרי של המסלול עובר דרך בקרה (הורמונלית או מטבוליטים) של אנזימים כמו הקסוקינאז, פוספרופוקטוקינאז, גליצראלדהיד 3-פוספט dehydrogenase ו pyruvate kinase.

עיקרי ויסות המסלול הגליקוליטי (מקור: גרגור 0492 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) באמצעות Wikimedia Commons)

1- הקסוקינאז (HK)

התגובה הראשונה של הגליקוליזה (זרחן גלוקוז) מנותזת על ידי הקסוקינאז (HK), אשר נראה כי מנגנון הפעולה שלו מורכב ממצע "הידוק המושרה" שמקדם את "נעילת" האנזים סביב ATP ו- ברגע שהוא נקשר אליהם.

תלוי באורגניזם שנחשב, יתכנו איזנוזימים אחד או יותר, שמשקלם המולקולרי נע בין 50 (בערך 500 חומצות אמינו) לבין 100 kDa, מכיוון שנראה שהם מתאגדים זה בזה בצורת דיומרים, אשר היווצרותם מועדפת על ידי נוכחות של גלוקוז, יוני מגנזיום. ו- ATP.

להקסוקינאז יש מבנה שלישוני המורכב מגיליונות אלפא-בטא פתוחים, אם כי ישנם הבדלים מבניים רבים באנזימים אלו.

2- פוספוגלוקוז איזומרז (PGI)

הגלוקוזה המופרחת על ידי הקסוקינאז היא איזומרזת לפרוקטוז 6-פוספט דרך פוספוגלוקוזה איזומרז (PGI), הידועה גם בשם איזומראז גלוקוז 6-פוספט. האנזים, אם כן, אינו מסיר או מוסיף אטומים, אלא מסדר אותם מחדש ברמה המבנית.

זהו אנזים פעיל בצורתו הדיומררית (המונומר שוקל פחות או יותר 66 kDa) והוא מעורב לא רק בגליקוליזה, אלא גם בגלוקונוגנזה, בסינתזה של פחמימות בצמחים וכו '.

3-פוסופרופוקטוקינאז (PFK)

פרוקטוז 6-פוספט הוא מצע לאנזים פוספרופוקטוקינאז, המסוגל לזרחן מחדש מולקולה זו באמצעות ATP כתורם לקבוצת פוספורי, ומייצר פרוקטוז 1,6-ביספוספט.

אנזים זה קיים בחיידקים וביונקים כאנזים הומוטטרארי (המורכב מארבע יחידות יחידות זהות של 33 kDa כל אחת לחיידקים ו- 85 kDa כל אחת ביונקים) ובשמרים הוא אוקטמר (המורכב מיחידות משנה גדולות יותר, בין 112 ו -118 kDa).

זהו אנזים אלוסטרי, שמשמעותו שהוא מוסדר באופן חיובי או שלילי על ידי חלק מתוצריו (ADP) ועל ידי מולקולות אחרות כמו ATP וציטרט.

4- אלדולאס

הידוע גם בשם פרוקטוז 1,6-ביספוספט אלדולאז, אלדולאז מזרז את ההתפלגות הקטליטית של פרוקטוז 1,6-ביספוספט לדיהידרוקסיצטון פוספט וגליצראלדהיד 3-פוספט ואת התגובה ההפוכה, כלומר האיחוד של שני הסוכרים להיווצרותם של פרוקטוז 1,6-ביספוספט.

במילים אחרות, אנזים זה חותך את הפרוקטוז 1,6-ביספוספט ממש לחצי, ומשחרר שני תרכובות פחמן בעלות 3 פחמן. אלדולאז מורכב גם מ -4 יחידות משנה זהות, שלכל אחת מהן אתר פעיל משלה.

נקבע קיומם של שני מעמדות (I ו- II) של אנזים זה, המבדילים זה מזה במנגנון התגובה שהם מזרזים ומכיוון שחלקם (הראשון) מתרחשים בחיידקים ואוקריוטים "נמוכים", והאחרים ( שנית) נמצאים בחיידקים, פרוטסטים ומטאזואנים.

האלדולאז האוקריוטי "הגבוה" מורכב מהומוטטרמר של יחידות יחידות בעלות משקל מולקולרי של 40 kDa, שכל אחת מהן מורכבת מחבית המורכבת מ- 8 יריעות β / α.

5 - איזומראז פוספט טריוס (TIM)

ניתן להמיר את שתי הטריוזות הזרחניות זו בזו הודות לפעולה של איזומרז טריוס-פוספט, המאפשר להשתמש בשני הסוכרים לאורך הגליקוליזה, ומבטיח שימוש מלא בכל מולקולת גלוקוז שנכנסת למסלול.

האנזים הזה תואר כאנזים "המושלם", מכיוון שהוא מזרז את התגובה המתוארת על טריליון פעמים מהיר יותר ממה שהיה מתרחש ללא השתתפותך. האתר הפעיל שלה נמצא במרכז מבנה חבית בטא, האופייני לאנזימים גליקוליטיים רבים.

זהו חלבון דימרי המורכב משתי יחידות משנה זהות של כ- 27 kDa, שתיהן עם מבנה כדורי.

6- גליצראלדהיד 3-פוספט dehydrogenase (GAPDH)

גליצראלדהיד 3-פוספט המיוצר על ידי פעולת אלדולאז ואיזומרז טריוס פוספט משמש כמצע עבור GAPDH, שהוא אנזים הומוטטראמרי (34-38 kDa לכל תת יחידה) אשר נקשר בשיתוף פעולה למולקולה של NAD + בכל אחד מתוך 4 האתרים הפעילים שלה, כמו גם 2 יוני פוספט או סולפט.

בשלב זה של המסלול מאפשר האנזים זרחן של אחד המצעים שלו באמצעות פוספט אורגני כתורם לקבוצת פוספורי, תוך הפחתה במקביל של שתי מולקולות NAD + וייצור 1,3-ביספוספוגליצרט.

7- פוספוגליצרט קינאז (PGK)

פוספוגליצרט קינאז אחראי להעברת אחת מקבוצות הפוספט של 1,3-ביספוספוליצרט למולקולת ADP על ידי זרחן ברמת המצע. אנזים זה משתמש במנגנון דומה לזה שמשמש הקסוקינאז, מכיוון שהוא נסגר במגע על מצעיו ומגן עליהם מפני הפרעות מולקולות מים.

לאנזים זה, כמו אחרים המשתמשים בשני מצעים או יותר, יש אתר מחייב ל- ADP ואחרת לפוספט סוכר.

שלא כמו אנזימים אחרים שתוארו, חלבון זה הוא מונומר 44 kDa עם מבנה בילובי, המורכב משני תחומים באותו גודל המחוברים באמצעות "שסע" צר.

8- פוספוגליצרט מוטאז

ה- 3-פוספוגליצרטים עוברים שינוי מקבוצת הפוספטים לעבר פחמן 2, באמצע המולקולה, המייצג אתר יציבות אסטרטגי המאפשר את העברת הקבוצה לאחר מכן למולקולת ATP בתגובה האחרונה של המסלול.

סידור מחדש זה מזרז את האנזים פוספוגליצרט מוטזה, אנזים דימרי לבני אדם וטטריארית לשמרים, בגודל תת יחידה קרוב ל 27 ק'דא.

9- Enolase

אנולאז מזרז את התייבשותו של 2-פוספוגליצרט לפוספואנולפירובט, צעד הכרחי ליצירת ATP בתגובה הבאה.

זהו אנזים דימרי המורכב משתי יחידות משנה זהות של 45 kDa. זה תלוי ביוני מגנזיום ליציבותו ולשינוי הקונפורמטיבי הדרוש לקשירה למצע שלו. זהו אחד האנזימים שבאים לידי ביטוי בשפע בציטוזול של אורגניזמים רבים ומבצע פונקציות בנוסף לגליקוליטיקה.

10- פירובאט קינאז

הפוספורילציה השנייה במפלס המצע המתרחשת בגיריקוליזה מנותזת על ידי פירובט קינאז, האחראי להעברת קבוצת הפוספוריל מפוספינולפירובאט ל- ADP ולייצור פירובט.

אנזים זה מורכב יותר מכל האנזימים הגליקוליטיים האחרים, וביונקים זהו אנזים הומוטטרי (57 kDa / תת יחידה). ישנם בעלי חוליות, לפחות 4 איזנוזימים: L (בכבד), R (ב אריתרוציטים), M1 (בשריר ובמוח) ו- M2 (רקמת העובר ורקמות מבוגרים).

שלבים של גליקוליזה (שלב אחר שלב)

המסלול הגליקוליטי מורכב מעשרה צעדים רצופים ומתחיל במולקולה אחת של גלוקוזה. במהלך התהליך, מולקולת הגלוקוז "מופעלת" או "מוכנה" בתוספת של שני פוספטים, והופכת שתי מולקולות ATP.

בהמשך הוא "נחתך" לשני שברים ולבסוף הוא משתנה כימית מספר פעמים, תוך סינתזה של ארבע מולקולות ATP לאורך הדרך, כך שהרווח הנקי במסלול מתאים לשתי מולקולות ATP.

מהאמור לעיל ניתן להסיק כי המסלול מחולק לשלב "השקעה" אנרגטי, הבסיסי לחמצון המלא של מולקולת הגלוקוז, ולשלב נוסף "רווח" אנרגטי, בו האנרגיה המשמשת בתחילה מוחלפת ושניים נצברים. מולקולות ATP נטו.

- שלב השקעות אנרגיה

1- השלב הראשון במסלול הגליקוליטי מורכב מזרחן של גלוקוז המתווך על ידי הקסוקינאז (HK), אשר עבורו האנזים משתמש במולקולה אחת של ATP לכל מולקולת גלוקוז המוגזמת. זוהי תגובה בלתי הפיכה ותלויה בנוכחות יוני מגנזיום (Mg2 +):

גלוקוז + ATP → גלוקוז 6-פוספט + ADP

2- הגלוקוז 6-פוספט המיוצר באופן זה הוא איזומרז לפרוקטוז 6-פוספט הודות לפעולת האנזים פוספוגלוקוז איזומרז (PGI). זוהי תגובה הפיכה ואינה כרוכה בהוצאות אנרגיה נוספות:

גלוקוזה 6-פוספט → פרוקטוז 6-פוספט

3- לאחר מכן, צעד נוסף של היפוך אנרגיה כולל זרחן של פרוקטוז 6-פוספט ליצירת פרוקטוז 1,6-ביספוספט. תגובה זו מנותזת על ידי האנזים phosphofructokinase-1 (PFK-1). בדומה לשלב הראשון במסלול, מולקולת התורמים של קבוצת הפוספטים היא ATP והיא גם תגובה בלתי הפיכה.

פרוקטוז 6-פוספט + ATP → פרוקטוז 1,6-ביספוספט + ADP

4- בשלב זה של הגליקוליזה, ישנה פירוק קטליטי של פרוקטוז 1,6-ביספוספט לדיהידרוקסיצטון פוספט (DHAP), קטוזה וגליצראלדהיד 3-פוספט (GAP), אלדוז. עיבוי אלדול זה מזרז את האנזים אלדולאז והוא תהליך הפיך.

פרוקטוז 1,6-ביספוספט → דיהידרוקסי-אצטון פוספט + גליצראלדהיד 3-פוספט

5- התגובה האחרונה של שלב ההיפוך האנרגטי מורכבת מההמרה של הפוספט השלושה DHAP ושל GAP שמוזזים על ידי האיזומרז Triose-phosphate Isomerase (TIM), עובדה שאינה דורשת צריכת אנרגיה נוספת והיא גם תהליך הפיך.

דיהידרוקסיצטון פוספט ↔ גליצראלדהיד 3-פוספט

- שלב רווח אנרגיה

6- גליצראלדהיד 3-פוספט משמש "במורד הזרם" במסלול הגליקוליטי כתשתית לתגובת חמצון ואחרת לפוספורילציה, מנותזת על ידי אותו אנזים, גליקצרלדהיד 3-פוספט dehydrogenase (GAPDH).

האנזים מזרז את חמצון הפחמן C1 של המולקולה לחומצה קרבוקסילית והזרחן שלו באותה תנוחה, ומייצר 1,3-ביספוספוגליצרט. במהלך התגובה מצטמצמות 2 מולקולות של NAD + עבור כל מולקולת גלוקוז ומשתמשים ב 2 מולקולות של פוספט אורגני.

2 גליצראלדהיד 3-פוספט + 2NAD + + 2Pi → 2 (1,3-ביספוספוגליצרט) + 2NADH + 2H

באורגניזמים אירוביים, כל NADH המיוצר בדרך זו עובר דרך שרשרת הובלת האלקטרונים כדי לשמש מצע לסינתזה של 6 מולקולות ATP על ידי זרחן חמצוני.

7- זהו השלב הראשון של סינתזת ATP בגלייקוליזה וכרוך בפעולה של פוספוגליצרט קינאז (PGK) על 1,3-ביספוספוגליצרט, ומעבירה קבוצת זרחן (זרחן ברמת מצע) ממולקולה זו למולקולה. של ADP, ומניבים מולקולות של 2ATP ו- 2 מולקולות של 3-פוספוגליצרט (3PG) לכל מולקולת גלוקוזה.

2 (1,3-ביספוספוליצרט) + 2ADP → 2 (3-פוספוגליצרט) + 2ATP

8- 3-פוספוגליצרט משמש כמצע עבור האנזים פוספוגליצרט מוטאז (PGM), אשר ממיר אותו ל 2-פוספוגליצרט על ידי תזוזה של קבוצת הפוספוריל מפחמן 3 לפחמן 2 דרך תגובה דו-שלבית הפיכה ותלויה בה יוני מגנזיום (מג + 2).

2 (3-phosphoglycerate) → 2 (2-phosphoglycerate)

9- האנזים אנולאז מייבש את ה- 2-פוספוגליצרט ומייצר פוספינולפירובאט (PEP) באמצעות תגובה שאינה מצדיקה תוספת של אנרגיה נוספת ומטרתה לייצר תרכובת אנרגטית גבוהה, המסוגלת לתרום את קבוצת הפוספורי שלה שלהלן. תְגוּבָה.

2 (2-phosphoglycerate) → 2 Phosphoenolpyruvate

10- פוספואנולפירובט הוא מצע עבור האנזים pyruvate kinase (PYK), האחראי להעברת קבוצת הזרחנים במולקולה זו למולקולת ADP, ובכך מזרז תגובה נוספת של זרחוב ברמת המצע.

בתגובה מיוצרים מולקולות 2ATP ו- 2 פירובט עבור כל גלוקוז ויש צורך בנוכחות אשלגן ומגנזיום בצורה יונית.

2Phosphoenolpyruvate + 2ADP → 2Pyruvate + 2ATP

התשואה נטו של גליקוליזה, בדרך זו, מורכבת מ- 2ATP ו- 2NAD + לכל מולקולת גלוקוזה שנכנסת למסלול.

אם מדובר בתאים עם מטבוליזם אירובי, הרי שההשפלה הכוללת של מולקולת גלוקוז מייצרת בין 30 ל 32 ATP דרך מחזור קרבס ושרשרת התעבורה האלקטרונית.

מוצרים של גליקוליזה

התגובה הכללית של גליקוליזה היא כדלקמן:

גלוקוז + 2NAD + + 2ADP + 2Pi → 2Pyruvate + 2ATP + 2NADH + 2H +

לכן, אם ינותח בקצרה, ניתן להבטיח שהתוצרים העיקריים של המסלול הגליקוליטי הם פירובט, ATP, NADH וח '.

עם זאת, גורלו המטבולי של כל מתווך בתגובה תלוי, במידה רבה, בצרכים הסלולריים, וזו הסיבה שניתן להתייחס לכל המתווכים כמוצרי תגובה, וניתן לרשום אותם כדלקמן:

- גלוקוז 6-פוספט

- פרוקטוז 6-פוספט

- פרוקטוז 1,6-ביספוספט

- דיהידרוקסי-אצטון פוספט וגליצראלדהיד 3-פוספט

- 1,3-ביספוספוגליצרט

- 3-phosphoglycerate ו- 2-phosphoglycerate

- פוספינולפירובט ופירובאט

חֲשִׁיבוּת

למרות העובדה שגליקוליזה, בפני עצמה (אפשר לדבר על גליקוליזה אנאירובית), מייצרת רק כ -5% מה- ATP שניתן לחלץ מהקטבוליזם האירובי של הגלוקוזה, מסלול מטבולי זה חיוני מכמה סיבות:

- זה משמש כמקור אנרגיה "מהיר", במיוחד במצבים בהם חיה צריכה לצאת ממצב מנוחה במהירות, שעבורם תהליכי החמצון האירובי לא יהיו מספיק מהירים.

- סיבי השריר השלדיים "הלבנים" בגוף האדם, למשל, הם סיבי מפרקים מהירים ותלויים בתפקוד גליקוליזה אנאירובית.

- כאשר, מסיבה כלשהי, תא צריך להסתדר בלי חלק מהמיטוכונדריה שלו (שהן האברונים שמבצעים זרחן חמצוני של חלק מהמוצרים הגליקוליטיים, בין השאר) התא הופך להיות תלוי יותר באנרגיה המתקבלת על ידי מסלול גליקוליטי.

- תאים רבים תלויים בגלוקוז כמקור אנרגיה באמצעות גליקוליטיקה, ביניהם תאי הדם האדומים , חסרי האברונים הפנימיים, ותאי העין (במיוחד אלו של הקרנית) שאינם בעלי צפיפות גבוהה של מיטוכונדריה בולטים.

הפניות

1. Canback, B., Andersson, SGE, & Kurland, CG (2002). הפילוגניה העולמית של אנזימים גליקוליטיים. הליכי האקדמיה הלאומית למדעים, 99 (9), 6097-6102.
2. Chaudhry R, ​​Varacallo M. ביוכימיה, גליקוליזה. . בתוך: StatPearls. Treasure Island (FL): הוצאת StatPearls; 2020 ינואר-. ניתן להשיג בכתובת: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK482303/
3. Fothergill-Gilmore, LA, & Michels, PA (1993). התפתחות הגליקוליזה. התקדמות בביו-פיזיקה ובביולוגיה מולקולרית, 59 (2), 105-235.
4. Kim, JW, & Dang, CV (2005). תפקידים רב פנים של אנזימים גליקוליטיים. מגמות במדעים ביוכימיים, 30 (3), 142-150.
5. קומארי, א '(2017). ביוכימיה מתוקה: לזכור מבנים, מחזורים ונתיבים מאת מנמוניקס. עיתונות אקדמית.
6. Li, XB, Gu, JD, and Zhou, QH (2015). סקירה של גליקוליזה אירובית ואנזימי המפתח שלה - יעדים חדשים לטיפול בסרטן ריאות. סרטן Thoracic, 6 (1), 17-24.