ไกลโคไลซิส

ไกลโคไลซิสเป็นวิถีเมแทบอลิซึมหลักในไซโทซอลที่แยกโมเลกุลของกลูโคสออกเป็นไพรูเวตสองโมเลกุล ซึ่งสร้าง ATP สุทธิในปริมาณเล็กน้อยและ NADH ที่ถูกรีดิวซ์ในกระบวนการนี้ โดยทั่วไปแล้วพบในเซลล์สิ่งมีชีวิตเกือบทั้งหมด ทำงานได้ทั้งแบบมีและไม่มีออกซิเจน และส่งผ่านผลิตภัณฑ์จากการสลายกลูโคสเข้าสู่ทั้งการหายใจแบบใช้ออกซิเจนและการหมัก

Definition

ไกลโคไลซิสคือการเปลี่ยนกลูโคสหนึ่งโมเลกุลเป็นไพรูเวตสองโมเลกุลโดยเอนไซม์ในไซโทซอล ซึ่งประกอบด้วยสิบขั้นตอน โดยมีการสร้าง ATP สุทธิสองโมเลกุลผ่านการเติมหมู่ฟอสเฟตระดับซับสเตรต และการรีดิวซ์ NAD+ สองโมเลกุลเป็น NADH

Scope

เนื้อหานี้ครอบคลุมลำดับปฏิกิริยา 10 ขั้นตอนตั้งแต่กลูโคสไปจนถึงไพรูเวต การแบ่งออกเป็นระยะการลงทุนพลังงานและระยะการคืนทุนพลังงาน การควบคุมในขั้นตอนที่ไม่ผันกลับที่สำคัญ และชะตากรรมของไพรูเวตภายใต้สภาวะที่มีและไม่มีออกซิเจน โดยถือว่าไกลโคไลซิสเป็นหัวข้อเมแทบอลิซึมในชีวเคมี ไม่ใช่แนวทางทางคลินิก

Core questions

• กลูโคสถูกเปลี่ยนเป็นไพรูเวตได้อย่างไร และขั้นตอนใดที่ใช้และขั้นตอนใดที่สร้าง ATP?
• ไกลโคไลซิสสร้าง ATP ได้อย่างไรโดยไม่ต้องใช้ออกซิเจน?
• อะไรควบคุมอัตราการไหลของไกลโคไลติก?
• เกิดอะไรขึ้นกับไพรูเวตและ NADH ภายใต้สภาวะที่มีออกซิเจนเทียบกับสภาวะที่ไม่มีออกซิเจน?

Key concepts

• ระยะการลงทุนพลังงานและระยะการคืนทุนพลังงาน
• การเติมหมู่ฟอสเฟตระดับซับสเตรต
• ผลผลิตสุทธิของ ATP สองโมเลกุลและ NADH สองโมเลกุลต่อกลูโคส
• ไพรูเวตเป็นผลิตภัณฑ์สุดท้าย
• การควบคุมที่เฮกโซไคเนส ฟอสโฟฟรุกโตไคเนส และไพรูเวตไคเนส
• ฟอสโฟฟรุกโตไคเนสเป็นขั้นตอนที่กำหนดทิศทางและจำกัดอัตรา
• การสร้าง NAD+ ใหม่และการเชื่อมโยงกับการหมัก

Mechanisms

ไกลโคไลซิสดำเนินไปสองขั้นตอน ในระยะการลงทุนพลังงาน กลูโคสจะถูกเติมหมู่ฟอสเฟตและจัดเรียงใหม่ โดยใช้ ATP สองโมเลกุล และสารตัวกลางหกคาร์บอนจะถูกแยกออกเป็นน้ำตาลสามคาร์บอนสองโมเลกุลที่สามารถเปลี่ยนกลับไปมาได้ ในระยะการคืนทุนพลังงาน หน่วยสามคาร์บอนแต่ละหน่วยจะถูกออกซิไดซ์ ซึ่งรีดิวซ์ NAD+ เป็น NADH และผ่านการเติมหมู่ฟอสเฟตระดับซับสเตรตที่สร้าง ATP ทำให้ได้ ATP สุทธิสองโมเลกุลต่อกลูโคส วิถีนี้ถูกควบคุมหลักๆ ที่ปฏิกิริยาที่ไม่ผันกลับสามปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยาโดยเฮกโซไคเนส ฟอสโฟฟรุกโตไคเนส และไพรูเวตไคเนส โดยฟอสโฟฟรุกโตไคเนสทำหน้าที่เป็นขั้นตอนการควบคุมหลักและเป็นขั้นตอนที่กำหนดทิศทาง เนื่องจากไกลโคไลซิสเองไม่ต้องการออกซิเจน NADH ที่ผลิตขึ้นจะต้องถูกออกซิไดซ์กลับคืน — โดยการถ่ายโอนอิเล็กตรอนเข้าสู่ไมโทคอนเดรียภายใต้สภาวะที่มีออกซิเจน หรือโดยการรีดิวซ์ไพรูเวตในระหว่างการหมักเมื่อออกซิเจนขาดแคลน

Clinical relevance

เนื้องอกที่เพิ่มจำนวนอย่างรวดเร็วจำนวนมากพึ่งพาไกลโคไลซิสอย่างมากแม้จะมีออกซิเจนอยู่ ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เรียกว่าปรากฏการณ์วอร์เบิร์ก (Warburg effect) ซึ่งทำให้เมแทบอลิซึมแบบไกลโคไลติกเป็นจุดสนใจของชีววิทยาโรคมะเร็ง การขาดเอนไซม์ไกลโคไลติกที่ถ่ายทอดทางพันธุกรรมยังสามารถทำให้เซลล์ เช่น เซลล์เม็ดเลือดแดง ซึ่งพึ่งพาไกลโคไลซิสในการสร้าง ATP ทำงานผิดปกติได้ เนื้อหานี้อธิบายชีวเคมีและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการรักษาเฉพาะบุคคล

History

วิถีไกลโคไลติกถูกสร้างขึ้นใหม่ในช่วงครึ่งแรกของศตวรรษที่ยี่สิบจากการทำงานของนักวิจัยหลายคน และมักถูกเรียกว่าวิถี Embden-Meyerhof-Parnas ตามชื่อผู้มีส่วนร่วมสำคัญ การศึกษาเมแทบอลิซึมของกลูโคสในเซลล์เนื้องอกของ Otto Warburg ได้ดึงความสนใจอย่างต่อเนื่องไปยังไกลโคไลซิสในฐานะวิถีที่มีความเกี่ยวข้องทางคลินิก ซึ่งเป็นความสนใจที่ได้รับการฟื้นฟูโดยงานวิจัยเมแทบอลิซึมของมะเร็งสมัยใหม่

Debates

เหตุใดเซลล์ที่เพิ่มจำนวนจึงนิยมไกลโคไลซิสแม้มีออกซิเจนอยู่?

ปรากฏการณ์วอร์เบิร์ก — ไกลโคไลซิสแบบใช้ออกซิเจนในเนื้องอก — เป็นเรื่องที่น่าฉงนมานานเนื่องจากดูเหมือนเป็นการสิ้นเปลืองพลังงาน; คำอธิบายในปัจจุบันเน้นว่าการไหลของไกลโคไลติกที่สูงช่วยจัดหาสารตั้งต้นทางชีวสังเคราะห์และสารตัวกลางรีดอกซ์ที่จำเป็นสำหรับการเพิ่มจำนวนอย่างรวดเร็ว มากกว่าการเพิ่มผลผลิต ATP สูงสุด

Key figures

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

Seminal works

• warburg-1956
• vander-heiden-2009

Frequently asked questions

ไกลโคไลซิสผลิต ATP ได้เท่าไรต่อกลูโคสหนึ่งโมเลกุล?

ไกลโคไลซิสผลิต ATP สี่โมเลกุล แต่ใช้ไปสองโมเลกุลในระยะการลงทุน ทำให้ได้ ATP สุทธิสองโมเลกุลต่อกลูโคส พร้อมกับ NADH สองโมเลกุลและไพรูเวตสองโมเลกุล

ไกลโคไลซิสต้องการออกซิเจนหรือไม่?

ไม่ ไกลโคไลซิสเองไม่ใช้ออกซิเจน อย่างไรก็ตาม NADH ที่สร้างขึ้นจะต้องถูกออกซิไดซ์กลับคืน ไม่ว่าจะโดยการหายใจของไมโทคอนเดรียเมื่อมีออกซิเจน หรือโดยการหมักเมื่อไม่มีออกซิเจน