גליקוליזה: הגדרה, צעדים, מוצרים ומגיבים

בהתאם לחוקים הבסיסיים של הפיזיקה, כל היצורים החיים זקוקים לאנרגיה מהסביבה בצורה כלשהי כדי לקיים את החיים. ברור שאורגניזמים שונים פיתחו אמצעים שונים לקצירת דלק ממקורות שונים בכדי להניע את המכונות הסלולריות המניעות תהליכים יומיומיים כגון צמיחה, תיקון ורבייה.

צמחים ובעלי חיים מן הסתם אינם רוכשים מזון (או שווה ערך באורגניזמים שלמעשה אינם יכולים "לאכול" דבר) אמצעים דומים, והפנים שלהם בהתאמה אינם מעכלים מולקולות המופקות ממקורות דלק באופן זהה מרחוק. אורגניזמים מסוימים דורשים חמצן לצורך הישרדות, אחרים נהרגים על ידיו, ועוד אחרים יכולים לסבול אותו אך לתפקד היטב בהיעדרו.

למרות מגוון האסטרטגיות החיוניות משתמשות בהפקת אנרגיה מהקשרים הכימיים בתרכובות עשירות בפחמן, הסדרה של עשר תגובות מטבוליות נקראת באופן קולקטיבי. גליקוליזה נפוצים כמעט לכל התאים, הן באורגניזמים פרוקריוטים (כמעט כולם חיידקים) והן באורגניזמים איקריוטים (בעיקר צמחים, בעלי חיים ופטריות).

סקירה כללית על התשומות והתפוקות העיקריות של הגליקוליזה היא נקודת התחלה טובה להבנת האופן שבו התאים ממשיכים להמיר מולקולות שנאספו מהעולם החיצוני לאנרגיה לקיום שלל תהליכי החיים שבהם תאי גופך נמצאים ללא הרף מאורס.

מגיבים לגליקוליזה מופיעים לרוב בגלוקוז ובחמצן, בעוד מים, פחמן דו חמצני ו- ATP (אדנוזין טריפוספט, המולקולה החיה הנפוצה ביותר להפעלת תהליכים תאיים) ניתנים כמוצרי גליקוליזה, כדלהלן:

ג₆ה₁₂או₆ + 6 O₂ -> 6 CO₂ + 6 ח₂O + 36 (או 38) ATP

הכינוי הזה "גליקוליזה", כפי שעושים טקסטים מסוימים, אינו נכון. זו התגובה נטו של נשימה אירובית בכללותו, שהגליקוליזה מהווה את השלב הראשוני. כפי שתראו בפירוט, תוצרי הגליקוליזה כשלעצמם הם למעשה פירובט וכמות אנרגיה צנועה בצורת ATP:

ג₆ה₁₂או₆ -> 2 צלזיוס₃ה₄או₃ + 2 ATP + 2 NADH + 2 H +

NADH, או NAD + במצבו הלא-פרוטוני (ניקוטינאמיד אדנין דינוקליאוטיד), הוא מה שמכונה נושא אלקטרונים בעל אנרגיה גבוהה ומתווך בתגובות תאיות רבות המעורבות בשחרור אנרגיה. שימו לב לשני דברים כאן: האחד הוא שגליקוליזה לבדה אינו יעיל כמעט בשחרור ATP כמו בנשימה אירובית מלאה, אשר פירובט המיוצר בגליקוליזה נכנס למחזור קרבס בדרך לאותם אטומי פחמן הנוחתים בהובלת האלקטרונים שַׁרשֶׁרֶת. בעוד שגליקוליזה מתרחשת בציטופלזמה, התגובות הבאות של נשימה אירובית מתרחשות באברונים תאיים הנקראים מיטוכונדריה.

גלוקוז, המכיל מבנה בן שש טבעות הכולל חמישה אטומי פחמן ואטום חמצן אחד, מועבר לתא על פני קרום הפלזמה על ידי חלבוני תחבורה מיוחדים. ברגע שנכנס פנימה, הוא זרחן מיד, כלומר, מחוברת אליו קבוצת פוספט. זה עושה שני דברים: זה נותן למולקולה מטען שלילי, ולוכד אותה למעשה בתוך התא (מולקולות טעונות לא יכולות חוצה בקלות את קרום הפלזמה) והיא מערערת את היציבות של המולקולה, ומגדירה לי יותר מציאות מפורקת לקטנה יותר רכיבים.

המולקולה החדשה נקראת גלוקוז -6-פוספט (G-6-P), מכיוון שקבוצת הפוספט מחוברת לאטום הפחמן מספר 6 של הגלוקוז (היחיד שנמצא מחוץ למבנה הטבעת). האנזים המזרז תגובה זו הוא הקסוקינאז; "hex-" הוא קידומת יוונית עבור "שש" (כמו ב"סוכר עם שש פחמן ") והקינאזות הן אנזימים שמחליקים קבוצת פוספט ממולקולה אחת ומצמידים אותה במקום אחר; במקרה זה, הפוספט נלקח מ- ATP ומשאיר את ADP (אדנוזין דיפוספט) בעקבותיו.

השלב הבא הוא ההמרה של גלוקוז -6-פוספט לפרוקטוז -6-פוספט (F-6-P). זהו פשוט סידור מחדש של אטומים, או איזומריזציה, ללא תוספות או חיסורים, כאלה ש אחד מאטומי הפחמן בתוך טבעת הגלוקוז מועבר מחוץ לטבעת ומשאיר טבעת של חמישה אטומים בתוכה מקום. (אתה יכול לזכור שפרוקטוז הוא "סוכר פירות", מרכיב תזונתי שכיח ונפוץ באופן טבעי.) האנזים המזרז תגובה זו הוא איזומראז פוספגלוקוז.

הצעד השלישי הוא זרחון נוסף, מזרז על ידי פוספרוקטוקינאז (PFK) ומניב פרוקטוז 1,6-ביספוספט (F-1,6-BP). כאן, קבוצת הפוספט השנייה מחוברת לאטום הפחמן שנשלף מהטבעת בשלב הקודם. (טיפ למינוח כימיה: הסיבה שמולקולה זו מכונה "ביספוספט" ולא "דיפוספט" היא ששני הפוספטים הם מחוברים לאטומי פחמן שונים, ולא אחד מחובר לשני מול הצמדה של פחמן-פוספט.) בזה כמו גם בשלב הזרחון הקודם, הפוספט המסופק מגיע ממולקולה של ATP, ולכן שלבי הגליקוליזה המוקדמים הללו דורשים השקעה של שני ATP.

השלב הרביעי של הגליקוליזה מפרק מולקולה בעלת שש פחמן לא יציבה מאוד לשתי מולקולות שונות של שלוש פחמן: גליצרלדהיד 3-פוספט (GAP) ודיהידרוקסי אצטון פוספט (DHAP). אלדולאז הוא האנזים האחראי על המחשוף הזה. ניתן להבחין בשמותיהן של מולקולות שלוש פחמן אלה שכל אחת מהן מקבלת את אחד הפוספטים ממולקולת האב.

לאחר שנעשה מניפולציה של גלוקוז וחולק לחתיכות שוות בערך בגלל קלט אנרגיה קטן, התגובות הנותרות של הגליקוליזה כוללות החזרת הפוספטים באופן שמביא לאנרגיה נטו לְהַשִׂיג. הסיבה הבסיסית לכך שזה קורה היא שהסרת קבוצות פוספט מתרכובות אלה היא יותר חיובי מבחינה אנרגטית מאשר פשוט לקחת אותם ישירות ממולקולות ATP ולהחיל אותם על אחרים מטרות; חשוב על הצעדים הראשוניים של הגליקוליזה במונחים של אמירה ישנה - "אתה צריך לבזבז כסף גם כדי להרוויח כסף."

כמו G-6-P ו- F-6-P, GAP ו- DHAP הם איזומרים: יש להם אותה נוסחה מולקולרית, אך מבנים פיזיקליים שונים. כשזה קורה, GAP שוכן על המסלול הכימי הישיר בין גלוקוז לפירובט, בעוד ש- DHAP לא. לכן, בשלב החמישי של הגליקוליזה, אנזים הנקרא איזומראז טריוס פוספט (TIM) לוקח אחריות וממיר DHAP ל- GAP. אנזים זה מתואר כאחד היעילים ביותר בכל מטבוליזם האנרגיה האנושי, המזרז את התגובה שהוא מזרז בגורם של כעשרה מיליארד בערך (10¹⁰).

בשלב השישי, GAP מומר ל -1,3-ביספוספוגליקראט (1,3-BPG) בהשפעת האנזים על ידי גליצראלדהיד 3-פוספט דהידרוגנאז. אנזימים של דה-הידרוגנאז עושים בדיוק את מה ששמם מציע - הם מסירים אטומי מימן (או פרוטונים, אם אתה מעדיף). המימן המשוחרר מ- GAP מוצא את דרכו למולקולה של NAD +, המניב NADH. זכור כי החל משלב זה, לצורך חשבונאות, הכל מוכפל בשניים, שכן המולקולה הראשונית של גלוקוז הופכת להיות שתיים מולקולות של GAP. לפיכך לאחר שלב זה, שתי מולקולות NAD + הצטמצמו לשתי מולקולות של NADH.

ההיפוך בפועל של תגובות הזרחון הקודמות של הגליקוליזה מתחיל בשלב השביעי. כאן, האנזים phosphoglycerate kinase מסיר פוספט מ -1,3-BPG כדי להניב 3-phosphoglycerate (3-PG), כאשר הפוספט נוחת על ADP ליצירת ATP. מאז, שוב, מדובר בשתי מולקולות של 1,3-BOG לכל מולקולת גלוקוז שנכנסת לגליקוליזה במעלה הזרם, המשמעות היא כי שני ATPs מיוצרים בסך הכל, מבטל את שני ה- ATP שהושקעו בשלב הראשון ושלוש.

בשלב שמונה, 3-PG מומר ל- 2-phosphoglycerate (2-PG) הודות ל- mutase של phosphoglycerate, הממצה את קבוצת הפוספט הנותרת ומעביר אותו לפחמן אחד. אנזימים של מוטאז שונים מאיזומרזות בכך, במקום לסדר באופן משמעותי את המבנה של מולקולה שלמה, הם רק מעבירים "שאריות" אחת (במקרה זה, קבוצת פוספט) למיקום חדש תוך השארת המבנה הכללי שָׁלֵם.

בשלב תשע, עם זאת, שימור מבנה זה ניתן למלואו, שכן 2-PG מומר לפירובט פוספונול (PEP) על ידי האנזים enolase. אנול הוא שילוב או אלק_ין_ ואלכוהול. אלקנים הם פחמימנים הכוללים קשר כפול פחמן ופחמן, בעוד שאלכוהולים הם פחמימנים עם קבוצת הידרוקסיל (-OH). ה- -OH במקרה של אנול מחובר לאחד הפחמנים המעורבים בקשר הכפול פחמן-פחמן של PEP.

לבסוף, בשלב העשירי והאחרון של הגליקוליזה, PEP מומר לפירובט על ידי האנזים פירובט קינאז. אם אתה חושד משמות השחקנים השונים בשלב זה כי שתי מולקולות נוספות של ATP נוצרות בתהליך (אחת לכל תגובה בפועל), אתה צודק. קבוצת הפוספט מוסרת מ- PEP ומצורפת ל- ADP האורבת בקרבת מקום, ומניבה ATP ופירובט. פירובט הוא קטון, כלומר שיש בו פחמן לא סופני (כלומר, כזה שאינו נמצא קצה המולקולה) המעורב בקשר כפול עם חמצן ושני קשרים יחידים עם פחמן אחר אטומים. הנוסחה הכימית לפירובט היא C₃ה₄או₃, אך מבטא זאת כ (CH₃CO (COOH) מציע תמונה מאירה יותר של התוצר הסופי של הגליקוליזה.

הכמות הכוללת המשוחררת של האנרגיה (מפתה אך לא נכון לומר "מיוצר", מכיוון ש"ייצור אנרגיה "הוא שם לא נכון) מתבטאת בנוחות כשני ATP למולקולת גלוקוז. אך ליתר דיוק מתמטי, מדובר גם ב 88 קילו-ג'ול לשומה (kJ / mol) של גלוקוז, השווה לכ -21 קילוקלוריות לשומה (kcal / mol). שומה של חומר היא המסה של אותו חומר המכיל את מספר המולקולות של אבוגדרו, או 6.02 × 10²³ מולקולות. המסה המולקולרית של גלוקוז היא קצת יותר מ -180 גרם.

מאחר שכפי שצוין קודם לכן, נשימה אירובית יכולה להפיק יותר מ -30 מולקולות של ATP לכל גלוקוז מושקע, מפתה להתייחס לייצור האנרגיה של הגליקוליזה בלבד כטריוויאלי, כמעט חסר ערך. זה לגמרי לא נכון. קחו בחשבון שחיידקים, שקיימים קרוב לשלושה וחצי מיליארד שנים, יכולים להסתדר בצורה די יפה באמצעות גליקוליזה בלבד, מכיוון שמדובר בצורות חיים פשוטות להפליא שיש להן מעט מהדרישות של אורגניזמים אוקריוטים לַעֲשׂוֹת.

למעשה, ניתן לראות את הנשימה האירובית באופן שונה על ידי העמדת התוכנית כולה על ראשה: אמנם סוג זה של אנרגיה ייצור הוא בהחלט פלא ביוכימי ואבולוציוני, אורגניזמים שעושים בו שימוש לרוב מסתמכים לחלוטין זה. משמעות הדבר היא שכאשר אין חמצן למצוא אורגניזמים הנשענים אך ורק על אירובי מטבוליזם - כלומר כל אורגניזם שקורא דיון זה - אינו יכול לשרוד זמן רב בהיעדר חַמצָן.

בכל מקרה, רוב הפירובט המיוצר בגליקוליזה עובר למטריקס המיטוכונדריאלי (אנלוגי ל ציטופלזמה של תאים שלמים) ונכנס למחזור קרבס, הנקרא גם מחזור חומצת לימון או חומצה טריקרבוקסילית. מחזור. סדרת תגובות זו משמשת בעיקר ליצירת הרבה נושאי אלקטרונים בעלי אנרגיה גבוהה, הן NADH והן תרכובת קשורה בשם FADH₂, אך גם מניב שני ATP לכל מולקולת גלוקוז מקורית. מולקולות אלו נודדות לקרום המיטוכונדריה ומשתתפות בתגובות שרשרת הובלת אלקטרונים שמשחררות בסופו של דבר 34 ATP נוספים.

בהיעדר חמצן מספיק (כמו למשל כאשר אתה מתאמן באומץ), חלק מהפירובט עובר תסיסה, סוג של מטבוליזם אנאירובי שבו פירובט הופך לחומצה לקטית, ויוצר יותר NAD + לשימוש במטבוליזם תהליכים.