گلیکولیز

گلیکولیز فرآیند متابولیک است که به عنوان پایه ای برای تنفس سلولی هوازی و بی هوازی عمل می کند. در گلیکولیز، گلوکز به پیروات تبدیل می شود. گلوکز یک مولکول حلقه شش عضوی است که در خون یافت می شود و معمولاً در نتیجه تجزیه کربوهیدرات ها به قند است. از طریق پروتئین های ناقل خاص که آن را از خارج سلول به داخل سیتوزول سلول منتقل می کند، وارد سلول می شود. تمام آنزیم های گلیکولیتیک در سیتوزول یافت می شوند.

واکنش کلی گلیکولیز که در سیتوپلاسم رخ می دهد به سادگی به صورت زیر نشان داده می شود:

C6H12O6 + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 P —–> 2 pyruvic acid, (CH3(C=O)COOH + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+

مرحله اول گلیکولیز: هگزوکیناز

اولین مرحله در گلیکولیز تبدیل D-گلوکز به گلوکز-6-فسفات است. آنزیمی که این واکنش را کاتالیز می کند هگزوکیناز است.

جزئیات:
در اینجا حلقه گلوکز فسفریله می شود. فسفوریلاسیون فرآیند افزودن یک گروه فسفات مشتق شده از ATP به یک مولکول است. در نتیجه، در این مرحله از گلیکولیز، 1 مولکول ATP مصرف شده است.

این واکنش با کمک آنزیم هگزوکیناز، آنزیمی که فسفوریلاسیون بسیاری از ساختارهای حلقوی شش عضوی گلوکز مانند را کاتالیز می کند، رخ می دهد. منیزیم اتمی (Mg) نیز برای محافظت از بارهای منفی از گروه های فسفات روی مولکول ATP نقش دارد. نتیجه این فسفوریلاسیون مولکولی به نام گلوکز-6-فسفات (G6P) است که به این دلیل نامیده می شود زیرا کربن 6 گلوکز گروه فسفات را به دست می آورد.

مرحله دوم: فسفوگلوکز ایزومراز

واکنش دوم گلیکولیز، بازآرایی گلوکز 6-فسفات (G6P) به فروکتوز 6-فسفات (F6P) توسط گلوکز فسفات ایزومراز (فسفوگلوکز ایزومراز) است.

جزئیات:

مرحله دوم گلیکولیز شامل تبدیل گلوکز-6-فسفات به فروکتوز-6-فسفات (F6P) است. این واکنش با کمک آنزیم فسفوگلوکز ایزومراز (PI) رخ می دهد. همانطور که از نام آنزیم پیداست، این واکنش شامل یک واکنش ایزومریزاسیون است.

این واکنش شامل بازآرایی پیوند کربن-اکسیژن برای تبدیل حلقه شش ضلعی به یک حلقه پنج ضلعی است. بازآرایی زمانی صورت می گیرد که حلقه شش ضلعی باز می شود و سپس بسته می شود به گونه ای که کربن اول اکنون به بیرون حلقه تبدیل می ش

مرحله سوم: فسفوفروکتوکیناز

فسفوفروکتوکیناز با منیزیم به عنوان کوفاکتور، فروکتوز 6-فسفات را به فروکتوز 6،1-بیس فسفات تبدیل می کند.

جزئیات:
در مرحله سوم گلیکولیز، فروکتوز-6-فسفات به فروکتوز 6،1-بیس فسفات (FBP) تبدیل می شود. مشابه واکنشی که در مرحله 1 گلیکولیز رخ می دهد، مولکول دوم ATP گروه فسفات را فراهم می کند که به مولکول F6P اضافه می شود.

آنزیمی که این واکنش را کاتالیز می کند فسفوفروکتوکیناز (PFK) است. همانطور که در مرحله 1، یک اتم منیزیم برای کمک به محافظت از بارهای منفی درگیر است.

مرحله چهارم گلیکولیز: آلدولاز

آنزیم آلدولاز فروکتوز 1، 6-بیس فسفات را به دو قند تقسیم می کند که ایزومرهای یکدیگر هستند. این دو قند عبارتند از دی هیدروکسی استون فسفات (DHAP) و گلیسرآلدئید 3-فسفات (GAP).

جزئیات:

در این مرحله از آنزیم آلدولاز استفاده می‌شود که برش FBP را کاتالیز می‌کند تا دو مولکول 3 کربنی تولید کند. یکی از این مولکول ها گلیسرآلدئید-3-فسفات (GAP) و دیگری دی هیدروکسی استون فسفات (DHAP) نام دارد.

مرحله پنجم: تریوز فسفات ایزومراز

آنزیم تریوز فسفات ایزومراز به سرعت مولکول های دی هیدروکسی استون فسفات (DHAP) و گلیسرآلدئید 3-فسفات (GAP) را به یکدیگر تبدیل می کند. گلیسرآلدئید فسفات حذف می شود / در مرحله بعدی گلیکولیز استفاده می شود.

جزئیات:

GAP تنها مولکولی است که در مسیر گلیکولیتیک ادامه دارد. در نتیجه، تمام مولکول‌های DHAP تولید شده توسط آنزیم تریوز فسفات ایزومراز (TIM) بیشتر بر روی آن اثر می‌گذارند، که DHAP را به GAP سازماندهی می‌کند تا بتواند به گلیکولیز ادامه دهد. در این نقطه از مسیر گلیکولیتیک، ما دو مولکول 3 کربنی داریم، اما هنوز گلوکز را به طور کامل به پیروات تبدیل نکرده‌ایم.

مرحله ششم: گلیسرآلدئید-3-فسفات دهیدروژناز

گلیسرآلدئید-3-فسفات دهیدروژناز (GAPDH) هیدروژنه می کند و یک فسفات معدنی به گلیسرآلدئید 3- فسفات اضافه می کند و 1،3-بیس فسفوگلیسرات تولید می کند.

جزئیات:

در این مرحله، دو رویداد اصلی اتفاق می افتد: 1) گلیسرآلدئید-3-فسفات توسط کوآنزیم نیکوتین آمید آدنین دی نوکلئوتید (NAD) اکسید می شود. 2) مولکول با افزودن یک گروه فسفات آزاد فسفریله می شود. آنزیمی که این واکنش را کاتالیز می کند، گلیسرآلدئید-3-فسفات دهیدروژناز (GAPDH) است.

آنزیم GAPDH دارای ساختارهای مناسبی است و مولکول را در ترکیبی نگه می‌دارد به طوری که به مولکول NAD اجازه می‌دهد هیدروژن را از GAP بیرون بکشد و NAD را به NADH تبدیل کند. سپس گروه فسفات به مولکول GAP حمله کرده و آن را از آنزیم آزاد می کند تا 1،3 بیسفوگلیسرات، NADH و یک اتم هیدروژن تولید کند.

مرحله هفتم: فسفوگلیسرات کیناز

فسفوگلیسرات کیناز یک گروه فسفات را از 1،3-بیس فسفوگلیسرات به ADP منتقل می کند تا ATP و 3-phosphoglycerate را تشکیل دهد.

جزئیات:
در این مرحله، 1،3 بیسفوگلیسرات توسط آنزیم فسفوگلیسرات کیناز (PGK) به 3-فسفوگلیسرات تبدیل می شود. این واکنش شامل از دست دادن یک گروه فسفات از ماده اولیه است. فسفات به یک مولکول ADP منتقل می شود که اولین مولکول ATP ما را تولید می کند. از آنجایی که ما در واقع دو مولکول 1،3 بیسفوگلیسرات داریم (چون دو محصول 3 کربنی از مرحله 1 گلیکولیز وجود داشت)، در واقع دو مولکول ATP را در این مرحله سنتز می‌کنیم. با این سنتز ATP، ما دو مولکول اول ATP را که استفاده کردیم لغو کردیم و تا این مرحله از گلیکولیز، خالص 0 مولکول ATP را برای ما باقی گذاشت.

باز هم می بینیم که یک اتم منیزیم برای محافظت از بارهای منفی روی گروه های فسفات مولکول ATP درگیر است.

مرحله 8: فسفوگلیسرات موتاز

آنزیم فسفوگلیسرات موتاز، فسفات را از کربن 3 به کربن 2 منتقل می کند تا 2-phosphoglycerate را تشکیل دهد.

این مرحله شامل یک بازآرایی ساده از موقعیت گروه فسفات بر روی مولکول 3 فسفوگلیسرات است و آن را به 2 فسفوگلیسرات تبدیل می کند. مولکولی که مسئول کاتالیز این واکنش است فسفوگلیسرات موتاز (PGM) نام دارد. موتاز آنزیمی است که انتقال یک گروه عاملی را از یک موقعیت روی یک مولکول به موقعیت دیگر کاتالیز می کند.

مکانیسم واکنش ابتدا با افزودن یک گروه فسفات اضافی به موقعیت 2′ فسفوگلیسرات-3 ادامه می یابد. سپس آنزیم فسفات را از موقعیت 3 حذف می کند و فقط فسفات 2 را باقی می گذارد و در نتیجه 2 فسفوگلیسرات تولید می کند. به این ترتیب، آنزیم نیز به حالت اولیه و فسفریله باز می گردد.

مرحله نهم گلیکولیز: انولاز

آنزیم انولاز یک مولکول آب را از 2-فسفوگلیسرات جدا می کند و اسید فسفوئنول پیروویک (PEP) را تشکیل می دهد.

جزئیات:
این مرحله شامل تبدیل 2 فسفوگلیسرات به فسفوئنول پیروات (PEP) است. واکنش توسط آنزیم انولاز کاتالیز می شود. انولاز با حذف یک گروه آب 2-فسفوگلیسرات عمل می کند. ویژگی پاکت آنزیم اجازه می دهد تا واکنش از طریق یک سری مراحل بسیار پیچیده در اینجا رخ دهد.

مرحله دهم: پیرووات کیناز

آنزیم پیروات کیناز یک P را از فسفوئنول پیروات (PEP) به ADP برای تشکیل اسید پیروویک و نتیجه ATP در مرحله 10 منتقل می کند.

جزئیات:
مرحله نهایی گلیکولیز، فسفونول پیرووات را با کمک آنزیم پیروات کیناز به پیروات تبدیل می کند. همانطور که از نام آنزیم پیداست، این واکنش شامل انتقال یک گروه فسفات است. گروه فسفات متصل به کربن 2′ PEP به یک مولکول ADP منتقل می شود و ATP تولید می کند. باز هم، از آنجایی که دو مولکول PEP وجود دارد، در اینجا ما در واقع 2 مولکول ATP تولید می کنیم.

مراحل 1 و 3 = 2ATP-
مراحل 7 و 10 = 4ATP+
خالص ATP تولیدی = 2+

بلافاصله پس از اتمام گلیکولیز ، سلول باید تنفس را در جهت هوازی یا بی هوازی ادامه دهد. این انتخاب بر اساس شرایط سلول خاص انجام می شود. سلولی که می تواند تنفس هوازی انجام دهد و خود را در حضور اکسیژن می یابد، به چرخه اسید سیتریک هوازی در میتوکندری ادامه می دهد. اگر سلولی که قادر به انجام تنفس هوازی باشد در موقعیتی باشد که اکسیژن وجود نداشته باشد (مانند عضلات تحت فشار شدید)، وارد نوعی تنفس بی هوازی به نام تخمیر همولاکتیک می شود. برخی از سلول ها مانند مخمر قادر به انجام تنفس هوازی نیستند و به طور خودکار وارد نوعی تنفس بی هوازی به نام تخمیر الکلی می شوند.