گلیکولیز

گلیکولیز مسیر اصلی سیتوزولی است که یک مولکول گلوکز را به دو مولکول پیرووات تجزیه می‌کند و در این فرآیند مقدار کمی ATP خالص و NADH احیا شده تولید می‌کند. این فرآیند تقریباً در بین تمام سلول‌های زنده جهانی است، با اکسیژن یا بدون آن عمل می‌کند و محصولات تجزیه گلوکز را هم به تنفس هوازی و هم به تخمیر وارد می‌کند.

Definition

گلیکولیز تبدیل آنزیمی ده مرحله‌ای سیتوزولی یک مولکول گلوکز به دو مولکول پیرووات است، با کسب خالص دو ATP از طریق فسفوریلاسیون در سطح سوبسترا و احیای دو NAD+ به NADH.

Scope

این مدخل توالی ده واکنشی از گلوکز به پیرووات، تقسیم آن به فاز سرمایه‌گذاری انرژی و فاز بازده انرژی، تنظیم آن در مراحل برگشت‌ناپذیر کلیدی، و سرنوشت پیرووات در شرایط هوازی و بی‌هوازی را پوشش می‌دهد. این مدخل گلیکولیز را به عنوان یک موضوع متابولیک در بیوشیمی بررسی می‌کند، نه به عنوان راهنمایی بالینی.

Core questions

• گلوکز چگونه به پیرووات تبدیل می‌شود و کدام مراحل ATP مصرف و کدام تولید می‌کنند؟
• گلیکولیز چگونه بدون اکسیژن ATP تولید می‌کند؟
• چه چیزی سرعت شار گلیکولیتیک را کنترل می‌کند؟
• چه اتفاقی برای پیرووات و NADH در شرایط هوازی در مقابل بی‌هوازی می‌افتد؟

Key concepts

• فازهای سرمایه‌گذاری انرژی و بازده انرژی
• فسفوریلاسیون در سطح سوبسترا
• بازده خالص دو ATP و دو NADH به ازای هر گلوکز
• پیرووات به عنوان محصول نهایی
• تنظیم در هگزوکیناز، فسفوفروکتوکیناز و پیرووات کیناز
• فسفوفروکتوکیناز به عنوان مرحله متعهد و محدودکننده سرعت
• بازسازی NAD+ و ارتباط با تخمیر

Mechanisms

گلیکولیز در دو مرحله پیش می‌رود. در فاز سرمایه‌گذاری انرژی، گلوکز فسفریله و بازآرایی می‌شود، دو ATP مصرف می‌کند، و واسطه شش کربنی به دو قند سه کربنی قابل تبدیل به یکدیگر شکسته می‌شود. در فاز بازده انرژی، هر واحد سه کربنی اکسید می‌شود، NAD+ را به NADH احیا می‌کند، و تحت فسفوریلاسیون در سطح سوبسترا قرار می‌گیرد که ATP تولید می‌کند، و در نتیجه به ازای هر گلوکز، دو ATP خالص به دست می‌آید. این مسیر عمدتاً در سه واکنش برگشت‌ناپذیر کاتالیز شده توسط هگزوکیناز، فسفوفروکتوکیناز و پیرووات کیناز کنترل می‌شود، که فسفوفروکتوکیناز به عنوان مرحله اصلی تنظیمی و متعهد عمل می‌کند. از آنجا که خود گلیکولیز نیازی به اکسیژن ندارد، NADH تولید شده توسط آن باید دوباره اکسید شود — از طریق انتقال الکترون‌ها به میتوکندری در شرایط هوازی، یا از طریق احیای پیرووات در طول تخمیر زمانی که اکسیژن کمیاب است.

Clinical relevance

بسیاری از تومورهای با تکثیر سریع، حتی در حضور اکسیژن، به شدت به گلیکولیز متکی هستند، پدیده‌ای که به اثر واربورگ معروف است و متابولیسم گلیکولیتیک را به کانون توجه زیست‌شناسی سرطان تبدیل کرده است. کمبودهای ارثی آنزیم‌های گلیکولیتیک نیز می‌توانند به سلول‌هایی مانند گلبول‌های قرمز خون که برای ATP به گلیکولیز وابسته هستند، آسیب برسانند. این مدخل بیوشیمی را توصیف می‌کند و مبنایی برای تشخیص یا درمان فردی نیست.

History

مسیر گلیکولیتیک در نیمه اول قرن بیستم از طریق کار چندین محقق بازسازی شد و معمولاً به افتخار مشارکت‌کنندگان اصلی، مسیر امبدن-میرهوف-پارناس نامیده می‌شود. مطالعات اتو واربورگ بر روی متابولیسم گلوکز در سلول‌های تومور، توجه پایدار را به گلیکولیز به عنوان یک مسیر بالینی مرتبط جلب کرد، علاقه‌ای که با تحقیقات مدرن متابولیسم سرطان احیا شده است.

Debates

چرا سلول‌های در حال تکثیر حتی در حضور اکسیژن، گلیکولیز را ترجیح می‌دهند؟

اثر واربورگ — گلیکولیز هوازی در تومورها — مدت‌ها گیج‌کننده بود زیرا به نظر می‌رسد از نظر انرژی ناکارآمد است؛ توضیحات کنونی تأکید می‌کنند که شار بالای گلیکولیتیک، پیش‌سازهای بیوسنتزی و واسطه‌های ردوکس مورد نیاز برای تکثیر سریع را فراهم می‌کند، نه حداکثر کردن بازده ATP.

Key figures

• Otto Warburg
• Gustav Embden
• Otto Meyerhof
• Jakub Parnas

Seminal works

• warburg-1956
• vander-heiden-2009

Frequently asked questions

گلیکولیز به ازای هر گلوکز چقدر ATP تولید می‌کند؟

گلیکولیز چهار ATP تولید می‌کند اما دو ATP را در فاز سرمایه‌گذاری خود مصرف می‌کند، بنابراین به ازای هر گلوکز، دو ATP خالص به همراه دو مولکول NADH و دو مولکول پیرووات به دست می‌آید.

آیا گلیکولیز به اکسیژن نیاز دارد؟

خیر. خود گلیکولیز از اکسیژن استفاده نمی‌کند؛ با این حال، NADH تولید شده توسط آن باید دوباره اکسید شود، یا از طریق تنفس میتوکندریایی در حضور اکسیژن یا از طریق تخمیر در غیاب آن.