Glycolysis: ความหมาย ขั้นตอน ผลิตภัณฑ์ & สารตั้งต้น

ตามกฎพื้นฐานของฟิสิกส์ สิ่งมีชีวิตทั้งหมดต้องการพลังงานจากสิ่งแวดล้อมในรูปแบบใดรูปแบบหนึ่งเพื่อดำรงชีวิต เห็นได้ชัดว่าสิ่งมีชีวิตต่างๆ ได้พัฒนาวิธีการต่างๆ ในการเก็บเกี่ยวเชื้อเพลิงจากแหล่งต่างๆ เพื่อขับเคลื่อนเครื่องจักรเซลลูลาร์ที่ขับเคลื่อนกระบวนการในชีวิตประจำวัน เช่น การเติบโต การซ่อมแซม และการสืบพันธุ์

เห็นได้ชัดว่าพืชและสัตว์ไม่ได้รับอาหาร (หรือเทียบเท่าในสิ่งมีชีวิตที่ไม่สามารถ "กิน" อะไรได้เลย) โดย วิธีการที่คล้ายคลึงกัน และอวัยวะภายในของพวกมันจะไม่ย่อยโมเลกุลที่สกัดจากแหล่งเชื้อเพลิงในลักษณะเดียวกันจากระยะไกล สิ่งมีชีวิตบางชนิดต้องการออกซิเจนเพื่อความอยู่รอด บางชนิดถูกฆ่าโดยออกซิเจน และบางชนิดสามารถทนต่อออกซิเจนได้ แต่จะทำงานได้ดีในกรณีที่ไม่มี

แม้จะมีกลยุทธ์มากมายที่สิ่งมีชีวิตใช้ในการดึงพลังงานจากพันธะเคมีในสารประกอบที่อุดมด้วยคาร์บอน ชุดของปฏิกิริยาเมแทบอลิซึมสิบชุดนั้นเรียกรวมกันว่า ไกลโคไลซิส พบได้ทั่วไปในแทบทุกเซลล์ ทั้งในสิ่งมีชีวิตโปรคาริโอต (เกือบทั้งหมดเป็นแบคทีเรีย) และในสิ่งมีชีวิตที่มียูคาริโอต (ส่วนใหญ่เป็นพืช สัตว์ และเชื้อรา)

ภาพรวมของอินพุตและเอาต์พุตหลักของ glycolysis เป็นจุดเริ่มต้นที่ดีในการทำความเข้าใจว่าเซลล์มีการแปลงอย่างไร โมเลกุลที่รวบรวมจากโลกภายนอกสู่พลังงานเพื่อรักษากระบวนการชีวิตมากมายที่เซลล์ของร่างกายคุณทำงานอย่างต่อเนื่อง หมั้น

สารตั้งต้นไกลโคไลซิสมักถูกระบุว่าเป็นน้ำตาลกลูโคสและออกซิเจน ในขณะที่น้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ และ ATP (อะดีโนซีน ไตรฟอสเฟต ซึ่งเป็นโมเลกุลที่มีชีวิตที่ใช้กันมากที่สุดในการขับเคลื่อนกระบวนการของเซลล์) ให้เป็นผลิตภัณฑ์ไกลโคไลซิส ดังนี้

ค₆โฮ₁₂โอ₆ + 6 ออน₂ -> 6 CO₂ + 6 ชั่วโมง₂O + 36 (หรือ 38) ATP

การเรียกสิ่งนี้ว่า "glycolysis" นั้นไม่ถูกต้อง นี่คือปฏิกิริยาสุทธิของ การหายใจแบบแอโรบิก โดยรวมซึ่ง glycolysis เป็นขั้นตอนเริ่มต้น ดังที่คุณเห็นในรายละเอียด ผลิตภัณฑ์ของ glycolysis ต่อตัวคือ pyruvate และพลังงานจำนวนเล็กน้อยในรูปของ ATP:

ค₆โฮ₁₂โอ₆ -> 2 C₃โฮ₄โอ₃ + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+

NADH หรือ NAD+ ที่อยู่ในสถานะ de-protonated (nicotinamide adenine dinucleotide) เป็นสิ่งที่เรียกว่าพาหะอิเล็กตรอนพลังงานสูงและเป็นสื่อกลางในปฏิกิริยาของเซลล์จำนวนมากที่เกี่ยวข้องกับการปลดปล่อยพลังงาน หมายเหตุสองสิ่งที่นี่: หนึ่งคือไกลโคไลซิสเพียงอย่างเดียวแทบจะไม่มีประสิทธิภาพในการปล่อย ATP เช่นเดียวกับการหายใจแบบใช้ออกซิเจนใน ซึ่งไพรูเวตที่ผลิตในไกลโคไลซิสจะเข้าสู่วัฏจักร Krebs ระหว่างทางไปยังอะตอมของคาร์บอนเหล่านั้นที่เชื่อมโยงไปถึงในการขนส่งอิเล็กตรอน เชื่อมต่อ. ในขณะที่ไกลโคไลซิสเกิดขึ้นในไซโตพลาสซึม ปฏิกิริยาที่ตามมาของการหายใจแบบใช้ออกซิเจนจะเกิดขึ้นในออร์แกเนลล์ของเซลล์ที่เรียกว่าไมโตคอนเดรีย

กลูโคสซึ่งมีโครงสร้างเป็นวงแหวนหกวงซึ่งประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอน 5 อะตอมและออกซิเจน 1 อะตอม ถูกส่งผ่านเข้าไปในเซลล์ผ่านเยื่อหุ้มพลาสมาโดยโปรตีนขนส่งเฉพาะ เมื่อเข้าไปข้างใน จะถูกฟอสโฟรีเลตทันที กล่าวคือ มีหมู่ฟอสเฟตติดอยู่ สิ่งนี้ทำสองสิ่ง: มันทำให้โมเลกุลมีประจุลบ ซึ่งมีผลกับการกักขังมันไว้ภายในเซลล์ (โมเลกุลที่มีประจุไม่สามารถ ผ่านเยื่อหุ้มพลาสมา) และทำให้โมเลกุลไม่เสถียร ตั้งค่าความเป็นจริงให้เล็กลง ส่วนประกอบ

โมเลกุลใหม่นี้เรียกว่ากลูโคส-6-ฟอสเฟต (G-6-P) เนื่องจากกลุ่มฟอสเฟตติดอยู่กับอะตอมคาร์บอนหมายเลข 6 ของกลูโคส (กลุ่มเดียวที่อยู่นอกโครงสร้างวงแหวน) เอนไซม์ที่กระตุ้นปฏิกิริยานี้คือเฮกโซไคเนส "hex-" เป็นคำนำหน้าภาษากรีกสำหรับ "six" (เช่นเดียวกับใน "six-carbon sugar") และ kinases เป็นเอนไซม์ที่กวาดกลุ่มฟอสเฟตจากโมเลกุลหนึ่งและตรึงไว้ที่อื่น ในกรณีนี้ ฟอสเฟตถูกพรากไปจาก ATP โดยปล่อยให้ ADP (adenosine diphosphate) ตื่นตัว

ขั้นตอนต่อไปคือการแปลงกลูโคส-6-ฟอสเฟตเป็นฟรุกโตส-6-ฟอสเฟต (F-6-P) นี่เป็นเพียงการจัดเรียงอะตอมใหม่ หรือไอโซเมอไรเซชัน โดยไม่มีการเพิ่มหรือการลบ ในลักษณะที่ว่า อะตอมของคาร์บอนตัวใดตัวหนึ่งในวงแหวนกลูโคสถูกเคลื่อนออกนอกวงแหวน โดยเหลือวงแหวนห้าอะตอมไว้ใน in สถานที่. (คุณอาจจำได้ว่าฟรุกโตสคือ "น้ำตาลผลไม้" ซึ่งเป็นองค์ประกอบในอาหารที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ) เอนไซม์ที่เร่งปฏิกิริยานี้คือฟอสโฟกลูโคสไอโซเมอเรส

ขั้นตอนที่สามคือฟอสโฟรีเลชันอีกตัวหนึ่ง ซึ่งเร่งปฏิกิริยาโดยฟอสโฟฟรุกโตไคเนส (PFK) และให้ผลผลิตฟรุกโตส 1,6-บิสฟอสเฟต (F-1,6-BP) ที่นี่ กลุ่มฟอสเฟตที่สองเชื่อมกับอะตอมของคาร์บอนที่ถูกดึงออกจากวงแหวนในขั้นตอนก่อนหน้า (เคล็ดลับการตั้งชื่อทางเคมี: เหตุผลที่โมเลกุลนี้เรียกว่า "บิสฟอสเฟต" มากกว่า "ไดฟอสเฟต" ก็คือว่าทั้งสองฟอสเฟตคือ เชื่อมกับอะตอมของคาร์บอนที่ต่างกัน แทนที่จะเชื่อมกับอะตอมของคาร์บอน-ฟอสเฟตที่ต่างกัน) ในเรื่องนี้เช่นกัน ขั้นตอนก่อนหน้าของฟอสโฟรีเลชั่น ฟอสเฟตที่ให้มานั้นมาจากโมเลกุลของ ATP ดังนั้นขั้นตอนไกลโคไลซิสในระยะแรกเหล่านี้จึงต้องมีการลงทุน สองเอทีพี

ขั้นตอนที่สี่ของไกลโคไลซิสจะแบ่งโมเลกุลคาร์บอน 6 ตัวที่ไม่เสถียรสูงตอนนี้ออกเป็นโมเลกุลคาร์บอน 3 ตัวที่แตกต่างกันสองโมเลกุล ได้แก่ กลีซาลดีไฮด์ 3-ฟอสเฟต (GAP) และไดไฮดรอกซีอะซีโตน ฟอสเฟต (DHAP) Aldolase เป็นเอนไซม์ที่รับผิดชอบต่อความแตกแยกนี้ คุณสามารถแยกแยะได้จากชื่อของโมเลกุลคาร์บอนสามตัวนี้ที่แต่ละโมเลกุลได้รับฟอสเฟตหนึ่งตัวจากโมเลกุลต้นกำเนิด

เมื่อกลูโคสถูกจัดการและแบ่งออกเป็นชิ้น ๆ อย่างเท่า ๆ กันเนื่องจากการป้อนพลังงานเพียงเล็กน้อย ปฏิกิริยาที่เหลือของไกลโคไลซิสเกี่ยวข้องกับการเรียกคืนฟอสเฟตในลักษณะที่ส่งผลให้เกิดพลังงานสุทธิ กำไร สาเหตุพื้นฐานที่เกิดขึ้นคือการกำจัดหมู่ฟอสเฟตออกจากสารประกอบเหล่านี้มีมากกว่า มีพลังมากกว่าการนำพวกมันจากโมเลกุล ATP โดยตรงและนำไปใช้กับผู้อื่น วัตถุประสงค์; ลองนึกถึงขั้นตอนเริ่มต้นของ glycolysis ในแง่ของสุภาษิตโบราณว่า "คุณต้องใช้เงินเพื่อหาเงินด้วย"

เช่นเดียวกับ G-6-P และ F-6-P GAP และ DHAP เป็นไอโซเมอร์: พวกมันมีสูตรโมเลกุลเหมือนกัน แต่มีโครงสร้างทางกายภาพต่างกัน เมื่อมันเกิดขึ้น GAP อยู่บนเส้นทางเคมีโดยตรงระหว่างกลูโคสและไพรูเวต ในขณะที่ DHAP ไม่เป็นเช่นนั้น ดังนั้นในขั้นตอนที่ห้าของไกลโคไลซิส เอนไซม์ที่เรียกว่าไตรโอส ฟอสเฟต ไอโซเมอเรส (TIM) จะทำหน้าที่ควบคุมและแปลง DHAP เป็น GAP เอนไซม์นี้ได้รับการอธิบายว่ามีประสิทธิภาพมากที่สุดในการเผาผลาญพลังงานของมนุษย์ทั้งหมด โดยเร่งปฏิกิริยาที่กระตุ้นด้วยปัจจัยประมาณหมื่นล้าน (10¹⁰).

ในขั้นตอนที่หก GAP จะถูกแปลงเป็น 1,3-bisphosphoglycerate (1,3-BPG) ภายใต้อิทธิพลของเอนไซม์โดย glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase เอ็นไซม์ดีไฮโดรจีเนสทำหน้าที่ตรงตามชื่อของมัน – พวกมันจะกำจัดอะตอมของไฮโดรเจน (หรือโปรตอน ถ้าคุณต้องการ) ไฮโดรเจนที่ปลดปล่อยออกมาจาก GAP จะหาทางไปสู่โมเลกุลของ NAD+ ซึ่งทำให้ได้ NADH โปรดจำไว้ว่า เริ่มต้นด้วยขั้นตอนนี้ เพื่อจุดประสงค์ทางบัญชี ทุกอย่างจะถูกคูณด้วยสอง เนื่องจากโมเลกุลเริ่มต้นของกลูโคสจะกลายเป็น สอง โมเลกุลของ GAP ดังนั้นหลังจากขั้นตอนนี้ NAD+ สองโมเลกุลจึงลดลงเหลือ NADH สองโมเลกุล

การกลับรายการโดยพฤตินัยของปฏิกิริยาฟอสโฟรีเลชันก่อนหน้าของไกลโคไลซิสเริ่มต้นด้วยขั้นตอนที่เจ็ด ที่นี่ เอนไซม์ phosphoglycerate kinase กำจัดฟอสเฟตจาก 1,3-BPG เพื่อให้ได้ 3-phosphoglycerate (3-PG) โดยที่ฟอสเฟตเชื่อมโยงไปถึง ADP เพื่อสร้าง ATP อีกครั้ง เนื่องจากสิ่งนี้เกี่ยวข้องกับโมเลกุล 1,3-BOG สองโมเลกุลสำหรับโมเลกุลกลูโคสทุกตัวที่เข้าสู่ไกลโคไลซิส ต้นน้ำ หมายความว่ามีการสร้าง ATP สองตัวโดยรวม โดยจะยกเลิก ATP สองตัวที่ลงทุนในขั้นตอนที่หนึ่ง และสาม

ในขั้นตอนที่แปด 3-PG จะถูกแปลงเป็น 2-phosphoglycerate (2-PG) ด้วย phosphoglycerate mutase ซึ่งแยกกลุ่มฟอสเฟตที่เหลือและย้ายคาร์บอนหนึ่งตัว เอนไซม์มิวเตสแตกต่างจากไอโซเมอเรสตรงที่ แทนที่จะจัดโครงสร้างใหม่ของโมเลกุลทั้งหมดอย่างมีนัยสำคัญ พวกเขาเพียงแค่เปลี่ยน "สารตกค้าง" หนึ่งตัว (ในกรณีนี้คือกลุ่มฟอสเฟต) ไปยังตำแหน่งใหม่โดยออกจากโครงสร้างโดยรวม ไม่เสียหาย

อย่างไรก็ตาม ในขั้นตอนที่เก้า การรักษาโครงสร้างนี้ไว้เป็นที่สงสัย เนื่องจาก 2-PG ถูกแปลงเป็นฟอสโฟฟีนอลไพรูเวต (PEP) โดยเอนไซม์อีโนเลส enol คือการรวมกันของ alk_ene_ และแอลกอฮอล์ อัลคีนเป็นไฮโดรคาร์บอนที่มีพันธะคู่คาร์บอน-คาร์บอน ในขณะที่แอลกอฮอล์คือไฮโดรคาร์บอนที่มีกลุ่มไฮดรอกซิล (-OH) ต่อท้าย -OH ในกรณีของอีนอลติดอยู่กับคาร์บอนที่เกี่ยวข้องกับพันธะคู่คาร์บอน-คาร์บอนของ PEP

ในที่สุด ในขั้นตอนที่สิบและขั้นสุดท้ายของไกลโคไลซิส PEP จะถูกแปลงเป็นไพรูเวตโดยเอนไซม์ไพรูเวตไคเนส หากคุณสงสัยจากชื่อของนักแสดงต่างๆ ในขั้นตอนนี้ว่าอีกสองโมเลกุลของ ATP ถูกสร้างขึ้นในกระบวนการ (หนึ่งตัวต่อปฏิกิริยาจริง) คุณคิดถูก หมู่ฟอสเฟตถูกกำจัดออกจาก PEP และต่อท้าย ADP ที่ซุ่มอยู่ใกล้ๆ ทำให้เกิด ATP และไพรูเวต Pyruvate เป็นคีโตนซึ่งหมายความว่ามีคาร์บอนที่ไม่ใช่ขั้ว (นั่นคือคาร์บอนที่ไม่ได้อยู่ที่ ส่วนท้ายของโมเลกุล) เกี่ยวข้องกับพันธะคู่กับออกซิเจนและพันธะเดี่ยวสองพันธะกับคาร์บอนอื่น อะตอม สูตรเคมีของไพรูเวตคือ C₃โฮ₄โอ₃แต่แสดงสิ่งนี้เป็น (CH₃)CO(COOH) ให้ภาพที่ส่องสว่างยิ่งขึ้นของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายของไกลโคไลซิส

ปริมาณพลังงานที่ปลดปล่อยออกมาทั้งหมด (เป็นการดึงดูด แต่ผิดที่จะบอกว่า "ผลิต" เนื่องจาก "การผลิต" ของพลังงานเป็นการเรียกชื่อผิด) จะแสดงอย่างสะดวกเป็น 2 ATP ต่อโมเลกุลของกลูโคส แต่เพื่อให้แม่นยำยิ่งขึ้นในเชิงคณิตศาสตร์ นี่คือ 88 กิโลจูลต่อโมล (kJ/mol) ของกลูโคส เท่ากับ 21 กิโลแคลอรีต่อโมล (kcal/mol) โมลของสารคือมวลของสารนั้นที่มีจำนวนโมเลกุลของอะโวกาโดรหรือ 6.02 ×10²³ โมเลกุล มวลโมเลกุลของกลูโคสมากกว่า 180 กรัม

เนื่องจากดังที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ การหายใจแบบใช้ออกซิเจนสามารถได้รับ ATP มากกว่า 30 โมเลกุลต่อกลูโคส การลงทุน การมองว่าการผลิตพลังงานของ glycolysis เพียงอย่างเดียวเป็นเรื่องเล็กน้อยนั้นเป็นเรื่องที่น่าเย้ายวนใจ ไร้ค่า สิ่งนี้ไม่เป็นความจริงอย่างสมบูรณ์ พิจารณาว่าแบคทีเรียที่มีมาเป็นเวลาเกือบสามล้านห้าพันล้านปีสามารถผ่านพ้นไปได้อย่างสวยงามโดยใช้ glycolysis เพียงอย่างเดียวเพราะสิ่งเหล่านี้เป็นรูปแบบชีวิตที่เรียบง่ายอย่างประณีตซึ่งมีความต้องการเพียงเล็กน้อยของสิ่งมีชีวิตที่มียูคาริโอต ทำ.

ในความเป็นจริง เป็นไปได้ที่จะมองการหายใจแบบแอโรบิกแตกต่างออกไปโดยการยืนบนศีรษะทั้งหมด: ในขณะที่พลังงานประเภทนี้ การผลิตเป็นสิ่งมหัศจรรย์ทางชีวเคมีและวิวัฒนาการอย่างแน่นอน สิ่งมีชีวิตที่ใช้ประโยชน์จากมันโดยส่วนใหญ่ต้องพึ่งพา มัน. ซึ่งหมายความว่าเมื่อไม่มีออกซิเจน สิ่งมีชีวิตที่ต้องอาศัยออกซิเจนเพียงอย่างเดียวหรืออย่างหนัก เมแทบอลิซึม – นั่นคือ ทุกสิ่งมีชีวิตที่อ่านการสนทนานี้ – ไม่สามารถอยู่ได้นานหากไม่มี ออกซิเจน

ไม่ว่าในกรณีใด ไพรูเวตส่วนใหญ่ที่ผลิตในไกลโคไลซิสจะเคลื่อนเข้าสู่เมทริกซ์ของไมโตคอนเดรีย (คล้ายกับ ไซโตพลาสซึมของทั้งเซลล์) และเข้าสู่วัฏจักรเครบส์หรือที่เรียกว่าวัฏจักรกรดซิตริกหรือกรดไตรคาร์บอกซิลิก วงจร ปฏิกิริยาชุดนี้ทำหน้าที่หลักในการสร้างตัวพาอิเล็กตรอนพลังงานสูงจำนวนมาก ทั้ง NADH และสารประกอบที่เกี่ยวข้องที่เรียกว่า FADH₂แต่ยังให้ผล 2 ATP ต่อโมเลกุลกลูโคสดั้งเดิม จากนั้นโมเลกุลเหล่านี้จะย้ายไปที่เยื่อหุ้มไมโตคอนเดรียและมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาลูกโซ่ขนส่งอิเล็กตรอนซึ่งในที่สุดจะปลดปล่อยเอทีพีอีก 34 ตัวในที่สุด

ในกรณีที่ขาดออกซิเจนเพียงพอ (เช่น เมื่อคุณออกกำลังกายอย่างหนัก) ไพรูเวตบางส่วนจะผ่านการหมัก เมแทบอลิซึมแบบไม่ใช้ออกซิเจนซึ่งไพรูเวตจะถูกแปลงเป็นกรดแลคติค ทำให้เกิด NAD+ มากขึ้นสำหรับใช้ในเมแทบอลิซึม กระบวนการ