ผลกระทบใดที่อาจยับยั้งไกลโคลิซิสได้?

ไกลโคไลซิส เป็นกระบวนการเมแทบอลิซึมสากลของสิ่งมีชีวิตในโลก ปฏิกิริยา 10 ชุดในไซโตพลาสซึมของทุกเซลล์จะเปลี่ยนโมเลกุลน้ำตาลคาร์บอน 6 ตัว กลูโคส เป็นไพรูเวตสองโมเลกุล เอทีพีสองโมเลกุลและ NADH สองโมเลกุล
เรียนรู้เกี่ยวกับไกลโคไลซิส

ใน โปรคาริโอตซึ่งเป็นสิ่งมีชีวิตที่ง่ายที่สุด glycolysis เป็นเกมเผาผลาญเซลล์เพียงเกมเดียวในเมือง สิ่งมีชีวิตเหล่านี้เกือบทั้งหมดประกอบด้วยเซลล์เดียวที่มีเนื้อหาค่อนข้างน้อย มีจำกัด ความต้องการเมตาบอลิซึม และไกลโคไลซิสก็เพียงพอแล้วที่จะให้พวกมันเจริญเติบโตและสืบพันธุ์ได้โดยไม่มีการแข่งขัน ปัจจัย. ยูคาริโอตในทางกลับกัน ให้นำไกลโคไลซิสเป็นอาหารเรียกน้ำย่อยที่จำเป็นก่อนที่อาหารจานหลักของการหายใจแบบใช้ออกซิเจนจะเข้าสู่ภาพ

การอภิปรายเกี่ยวกับไกลโคไลซิสมักจะเน้นที่สภาวะที่เอื้ออำนวย เช่น สารตั้งต้นและความเข้มข้นของเอนไซม์ที่เพียงพอ ไม่ค่อยมีการกล่าวถึงแต่ก็สำคัญเช่นกัน คือสิ่งที่อาจเกิดจากการออกแบบ ยับยั้ง อัตราของไกลโคไลซิส แม้ว่าเซลล์ต้องการพลังงาน แต่การใช้วัตถุดิบอย่างต่อเนื่องผ่านโรงสีไกลโคไลซิสนั้นไม่ใช่ผลลัพธ์ของเซลล์ที่ต้องการเสมอไป โชคดีสำหรับเซลล์ ผู้เข้าร่วมจำนวนมากใน glycolysis มีความสามารถในการส่งผลต่อความเร็วของมัน

กลูโคสเป็นน้ำตาลหกคาร์บอนที่มีสูตรC₆โฮ₁₂โอ₆. (เกร็ดความรู้ชีวโมเลกุลแสนสนุก: คาร์โบไฮเดรตทุกชนิด ไม่ว่าจะเป็นน้ำตาล แป้ง หรือเส้นใยที่ไม่ละลายน้ำ) มีสูตรทางเคมีทั่วไปคือ C_นู๋โฮ_2Nโอ_นู๋.) มีมวลโมลาร์ 180 กรัม คล้ายกับกรดอะมิโนที่หนักกว่าในแง่ของขนาด สามารถแพร่กระจายเข้าและออกจากเซลล์ได้อย่างอิสระผ่านพลาสมาเมมเบรน

กลูโคสเป็นโมโนแซ็กคาไรด์ ซึ่งหมายความว่าไม่ได้ทำมาจากการรวมน้ำตาลที่มีขนาดเล็กลง ฟรุกโตสเป็นโมโนแซ็กคาไรด์ในขณะที่ซูโครส ("น้ำตาลตาราง") เป็นไดแซ็กคาไรด์ที่ประกอบจากโมเลกุลกลูโคสและโมเลกุลฟรุกโตส

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง กลูโคสอยู่ในรูปของวงแหวน ซึ่งแสดงเป็นรูปหกเหลี่ยมในแผนภาพส่วนใหญ่ อะตอมของวงแหวนห้าในหกเป็นกลูโคสในขณะที่อะตอมที่หกคือออกซิเจน คาร์บอนหมายเลข 6 อยู่ในเมทิล (– CH₃) กลุ่มนอกวงแหวน

สูตรที่สมบูรณ์สำหรับผลรวมของปฏิกิริยา 10 ประการของไกลโคไลซิสคือ:

ค₆โฮ₁₂โอ₆ + 2 NAD⁺ + 2 Pi + 2 ADP → 2 CH₃(C=O)COOH + 2 ATP + 2 NADH + 2 H⁺

กล่าวอีกนัยหนึ่งหมายความว่าโมเลกุลของกลูโคสจะถูกแปลงเป็นกลูโคสสองโมเลกุลซึ่งสร้าง 2 ATP และ 2 NADH (รูปแบบรีดิวซ์ของ nicotinamide adenine dinucleotide ซึ่งเป็น "ตัวพาอิเล็กตรอน" ทั่วไปใน ชีวเคมี).

โปรดทราบว่าไม่จำเป็นต้องใช้ออกซิเจน แม้ว่าไพรูเวตเกือบจะถูกใช้ไปในขั้นตอนการหายใจแบบแอโรบิกอย่างสม่ำเสมอ แต่ไกลโคลิซิสก็เกิดขึ้นในสิ่งมีชีวิตแอโรบิกและแอนแอโรบิกเหมือนกัน

Glycolysis แบ่งออกเป็น 2 ส่วนคือ "ระยะการลงทุน" ซึ่งต้องใช้ 2 ATP (adenosine triphosphate ซึ่งเป็น "พลังงาน" สกุล" ของเซลล์) เพื่อกำหนดโมเลกุลของกลูโคสให้กลายเป็นสิ่งที่มีพลังงานศักย์มหาศาล และ "ผลตอบแทน" หรือ "การเก็บเกี่ยว" เฟสซึ่ง 4 ATP ถูกสร้างขึ้นโดยการแปลงโมเลกุลสามคาร์บอนหนึ่งโมเลกุล (กลีเซอราลดีไฮด์-3-ฟอสเฟตหรือ GAP) ไปเป็นอีกโมเลกุลหนึ่ง ไพรูเวต ซึ่งหมายความว่ามีการสร้าง ATP ทั้งหมด 4 -2 = 2 ATP ต่อโมเลกุลของกลูโคส

เมื่อกลูโคสเข้าสู่เซลล์ จะเป็นฟอสโฟรีเลต (เช่น มีหมู่ฟอสเฟตติดอยู่) ภายใต้การกระทำของเอ็นไซม์ เฮกโซไคเนส. เอนไซม์นี้หรือตัวเร่งปฏิกิริยาโปรตีนเป็นหนึ่งในเอนไซม์ควบคุมที่สำคัญที่สุดในไกลโคไลซิส ปฏิกิริยาทั้ง 10 ปฏิกิริยาในไกลโคไลซิสถูกกระตุ้นโดยเอนไซม์หนึ่งตัว และเอนไซม์นั้นจะเร่งปฏิกิริยานั้นเพียงปฏิกิริยาเดียวเท่านั้น

กลูโคส-6-ฟอสเฟต (G6P) ที่เกิดจากขั้นตอนฟอสโฟรีเลชันนี้จะถูกแปลงเป็นฟรุกโตส-6-ฟอสเฟต (F6P) ก่อนเกิดฟอสโฟรีเลชันครั้งที่สอง คราวนี้ไปในทิศทางของ ฟอสโฟฟรุกโตไคเนสอีกหนึ่งเอนไซม์ควบคุมที่สำคัญ ส่งผลให้เกิดการก่อตัวของฟรุกโตส-1,6-บิสฟอสเฟต (FBP) และระยะแรกของไกลโคไลซิสเสร็จสมบูรณ์

ฟรุกโตส-1,6-บิสฟอสเฟตถูกแบ่งออกเป็นคู่ของโมเลกุลคาร์บอนสามคู่ ได้แก่ ไดไฮดรอกซีอะซิโตน ฟอสเฟต (DHAP) และกลีเซอราลดีไฮด์-3-ฟอสเฟต (GAP) DHAP ถูกแปลงเป็น GAP อย่างรวดเร็ว ดังนั้นผลสุทธิของการแยกออกเป็นการสร้างโมเลกุลคาร์บอนสามตัวที่เหมือนกันสองโมเลกุลจากโมเลกุลคาร์บอนเดี่ยวหก

จากนั้น GAP จะถูกแปลงโดยเอ็นไซม์ glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase เป็น 1,3-diphosphoglycerate นี่เป็นขั้นตอนที่ยุ่งมาก NAD⁺ ถูกแปลงเป็น NADH และ H⁺ โดยใช้อะตอมของไฮโดรเจนที่ถูกดึงออกจาก GAP จากนั้นโมเลกุลจะถูกฟอสโฟรีเลต

ในขั้นตอนที่เหลือ ซึ่งเปลี่ยน 1,3-diphosphoglycerate เป็น pyruvate ฟอสเฟตทั้งสองจะถูกลบออกตามลำดับจากโมเลกุลสามคาร์บอนเพื่อสร้าง ATP เพราะทุกอย่างหลังการแยกตัวของ FBP เกิดขึ้นสองครั้งต่อโมเลกุลของกลูโคส นี่หมายความว่า 2 NADH, 2 H⁺ และ 4 ATP ถูกสร้างขึ้นในเฟสกลับ สำหรับสุทธิของ 2 NADH, 2 H⁺ และ 2 เอทีพี
อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับผลลัพธ์สุดท้ายของ glycolysis

เอนไซม์สามชนิดที่มีส่วนร่วมในไกลโคไลซิสมีบทบาทสำคัญในการควบคุมกระบวนการ มีการกล่าวถึงสอง hexokinase และ phosphofructokinase (หรือ PFK) แล้ว ที่สาม, ไพรูเวท ไคเนสมีหน้าที่ในการเร่งปฏิกิริยาไกลโคไลซิสสุดท้าย การเปลี่ยนฟอสโฟอีนอลไพรูเวต (PEP) เป็นไพรูเวต

เอนไซม์แต่ละตัวเหล่านี้มี Each ตัวกระตุ้น เช่นกัน สารยับยั้ง. หากคุณคุ้นเคยกับเคมีและแนวคิดเรื่องการยับยั้งการป้อนกลับ คุณอาจจะสามารถทำนายสภาวะที่นำเอ็นไซม์หนึ่งๆ มาเร่งหรือชะลอการทำงานของเอนไซม์ได้ ตัวอย่างเช่น หากบริเวณของเซลล์มี G6P มาก คุณจะคาดหวังให้ hexokinase พยายามค้นหาโมเลกุลกลูโคสที่เดินผ่านไปมาหรือไม่? คุณคงไม่ทำอย่างนั้น เพราะภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ ไม่จำเป็นต้องสร้าง G6P เพิ่มเติมโดยเร่งด่วน และคุณจะถูกต้อง

ในขณะที่ hexokinase ถูกยับยั้งโดย G6P มันถูกกระตุ้นโดย AMP (adenosine monophosphate) และ ADP (adenosine diphosphate) เช่นเดียวกับ PFK และ pyruvate kinase ทั้งนี้เนื่องจากระดับ AMP และ ADP ที่สูงกว่าโดยทั่วไปหมายถึงระดับ ATP ที่ต่ำกว่า และเมื่อ ATP ต่ำ แรงผลักดันให้เกิดไกลโคไลซิสจะสูง

Pyruvate kinase ยังถูกกระตุ้นโดย fructose-1,6-bisphosphate ซึ่งสมเหตุสมผลเพราะ FBP มากเกินไปหมายถึง ว่าตัวกลางไกลโคไลซิสกำลังสะสมต้นน้ำและสิ่งต่าง ๆ จะต้องเกิดขึ้นเร็วขึ้นที่ส่วนท้ายของ กระบวนการ. นอกจากนี้ ฟรุกโตส-2,6-บิสฟอสเฟตยังเป็นตัวกระตุ้นของ PFK

Hexokinase ตามที่ระบุไว้นั้นถูกยับยั้งโดย G6P PFK และ pyruvate kinase ถูกยับยั้งโดยการปรากฏตัวของ ATP ด้วยเหตุผลพื้นฐานเดียวกันกับที่กระตุ้นโดย AMP และ ADP: สถานะพลังงานของเซลล์ช่วยให้อัตราไกลโคไลซิสลดลง

PFK ยังถูกยับยั้งโดย ซิเตรตซึ่งเป็นส่วนประกอบของวงจร Krebs ที่เกิดขึ้นปลายน้ำในการหายใจแบบใช้ออกซิเจน Pyruvate kinase ถูกยับยั้งโดย อะเซทิลโคเอซึ่งเป็นโมเลกุลที่ไพรูเวตถูกแปลงเป็นหลังจากไกลโคไลซิสสิ้นสุดลงและก่อนวัฏจักรเครบส์ เริ่มต้นขึ้น (อันที่จริง acetyl CoA รวมกับ oxaloacetate ในขั้นตอนแรกของวงจรเพื่อสร้าง ซิเตรต) ในที่สุด กรดอะมิโนอะลานีนยังยับยั้งไพรูเวตไคเนส

คุณอาจคาดหวังให้ผลิตภัณฑ์อื่นๆ ของ glycolysis นอกเหนือจาก G6P ยับยั้ง hexokinase เนื่องจากการมีอยู่ในปริมาณมากดูเหมือนจะบ่งชี้ถึงความต้องการ G6P ที่ลดลง อย่างไรก็ตาม มีเพียง G6P เท่านั้นที่ยับยั้ง hexokinase ทำไมถึงเป็นเช่นนี้?

เหตุผลค่อนข้างง่าย: G6P จำเป็นสำหรับวิถีปฏิกิริยาอื่นๆ ที่ไม่ใช่ glycolysis ซึ่งรวมถึง pentose phosphate shunt และ การสังเคราะห์ไกลโคเจน. ดังนั้น ถ้าโมเลกุลปลายน้ำอื่นที่ไม่ใช่ G6P สามารถยับยั้งเฮกโซไคเนสจากการทำงานของมันได้ วิถีปฏิกิริยาอื่นๆ เหล่านี้ จะชะลอตัวลงเนื่องจากไม่มี G6P เข้าสู่กระบวนการและจะแสดงถึงความเสียหายหลักประกันประเภทหนึ่ง