Đường phân

Đường phân là con đường chuyển hóa trung tâm trong bào tương, phân tách một phân tử glucose thành hai phân tử pyruvate, tạo ra một lượng nhỏ ATP và NADH khử trong quá trình này. Nó gần như phổ biến ở tất cả các tế bào sống, hoạt động có hoặc không có oxy, và cung cấp các sản phẩm phân giải glucose cho cả hô hấp hiếu khí và lên men.

Definition

Đường phân là quá trình chuyển đổi enzyme mười bước trong bào tương của một phân tử glucose thành hai phân tử pyruvate, với lợi nhuận ròng là hai ATP thông qua phosphoryl hóa mức cơ chất và sự khử hai NAD+ thành NADH.

Scope

Mục này bao gồm chuỗi mười phản ứng từ glucose đến pyruvate, sự phân chia của nó thành pha đầu tư năng lượng và pha thu hồi năng lượng, sự điều hòa của nó ở các bước không thuận nghịch quan trọng, và số phận của pyruvate trong điều kiện hiếu khí và kỵ khí. Nó xem xét đường phân như một chủ đề trao đổi chất trong hóa sinh, không phải là hướng dẫn lâm sàng.

Core questions

• Glucose được chuyển đổi thành pyruvate như thế nào, và những bước nào tiêu thụ và những bước nào tạo ra ATP?
• Đường phân tạo ra ATP như thế nào mà không cần oxy?
• Điều gì kiểm soát tốc độ dòng đường phân?
• Điều gì xảy ra với pyruvate và NADH trong điều kiện hiếu khí so với kỵ khí?

Key concepts

• Pha đầu tư năng lượng và pha thu hồi năng lượng
• Phosphoryl hóa mức cơ chất
• Lợi nhuận ròng hai ATP và hai NADH trên mỗi glucose
• Pyruvate là sản phẩm cuối cùng
• Điều hòa tại hexokinase, phosphofructokinase và pyruvate kinase
• Phosphofructokinase là bước cam kết, giới hạn tốc độ
• Tái tạo NAD+ và mối liên hệ với quá trình lên men

Mechanisms

Đường phân diễn ra theo hai giai đoạn. Trong pha đầu tư năng lượng, glucose được phosphoryl hóa và sắp xếp lại, tiêu thụ hai ATP, và chất trung gian sáu carbon được phân cắt thành hai đường ba carbon có thể chuyển đổi lẫn nhau. Trong pha thu hồi năng lượng, mỗi đơn vị ba carbon được oxy hóa, khử NAD+ thành NADH, và trải qua quá trình phosphoryl hóa mức cơ chất tạo ra ATP, mang lại lợi nhuận ròng là hai ATP trên mỗi glucose. Con đường này được kiểm soát chủ yếu ở ba phản ứng không thuận nghịch được xúc tác bởi hexokinase, phosphofructokinase và pyruvate kinase, trong đó phosphofructokinase đóng vai trò là bước điều hòa và cam kết chính. Bởi vì bản thân quá trình đường phân không cần oxy, NADH mà nó tạo ra phải được tái oxy hóa — bằng cách chuyển điện tử vào ty thể trong điều kiện hiếu khí, hoặc bằng cách khử pyruvate trong quá trình lên men khi oxy khan hiếm.

Clinical relevance

Nhiều khối u tăng sinh nhanh chóng phụ thuộc nhiều vào đường phân ngay cả khi có oxy, một hiện tượng được gọi là hiệu ứng Warburg, đã khiến quá trình chuyển hóa đường phân trở thành trọng tâm của sinh học ung thư. Sự thiếu hụt di truyền của các enzyme đường phân cũng có thể làm suy yếu các tế bào, chẳng hạn như hồng cầu, phụ thuộc vào đường phân để tạo ATP. Mục này mô tả hóa sinh và không phải là cơ sở để chẩn đoán hoặc điều trị cá nhân.

History

Con đường đường phân đã được tái tạo trong nửa đầu thế kỷ XX thông qua công trình của một số nhà nghiên cứu, và nó thường được đặt tên là con đường Embden-Meyerhof-Parnas theo tên những người đóng góp chính. Các nghiên cứu của Otto Warburg về chuyển hóa glucose trong tế bào khối u đã thu hút sự chú ý lâu dài đến đường phân như một con đường có liên quan lâm sàng, một mối quan tâm được hồi sinh bởi nghiên cứu chuyển hóa ung thư hiện đại.

Debates

Tại sao các tế bào tăng sinh lại ưu tiên đường phân ngay cả khi có oxy?

Hiệu ứng Warburg — đường phân hiếu khí trong khối u — từ lâu đã gây khó hiểu vì nó dường như lãng phí năng lượng; các giải thích hiện tại nhấn mạnh rằng dòng đường phân cao cung cấp các tiền chất sinh tổng hợp và các chất trung gian oxy hóa khử cần thiết cho sự tăng sinh nhanh chóng hơn là tối đa hóa năng suất ATP.

Key figures

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

Seminal works

• warburg-1956
• vander-heiden-2009

Frequently asked questions

Đường phân tạo ra bao nhiêu ATP trên mỗi glucose?

Đường phân tạo ra bốn ATP nhưng tiêu thụ hai ATP trong pha đầu tư của nó, cho lợi nhuận ròng là hai ATP trên mỗi glucose, cùng với hai phân tử NADH và hai phân tử pyruvate.

Đường phân có cần oxy không?

Không. Bản thân quá trình đường phân không sử dụng oxy; tuy nhiên, NADH mà nó tạo ra phải được tái oxy hóa, hoặc bằng hô hấp ty thể khi có oxy hoặc bằng quá trình lên men khi không có oxy.