گلیکولیز چیست؟ گلیکولیز در ۱۰ مرحله ساده

مقدمه‌ای بر فرایند گلیکولیز

گلیکولیز فرایندی متابولیک است که به عنوان بستری برای تنفس سلولی هوازی و بی‌هوازی عمل می‌کند. در گلیکولیز، گلوکز به پیروات تبدیل می‌شود. گلوکز یک مولکول حلقه‌ای شش‌کربنه است که در خون یافت می‌شود و معمولاً در نتیجه تجزیه کربوهیدرات‌ها به قند ایجاد می‌شود. گلوکز از طریق پروتئین‌های ناقل مخصوصی که آن را از خارج سلول به داخل سیتوزول سلول منتقل می‌کند، وارد سلول می‌شود. تمام آنزیم‌های گلیکولیتیک در سیتوزول یافت می‌شوند.

واکنش کلی گلیکولیز که در سیتوپلاسم رخ می‌دهد به سادگی به صورت زیر نشان داده می‌شود:

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

مرحله ۱: هگزوکیناز

اولین مرحله در گلیکولیز تبدیل دی گلوکز (D-glucose) به گلوکز-6- فسفات است. آنزیمی که این واکنش را کاتالیز می‌کند هگزوکیناز است.

جزئیات

در اینجا حلقه گلوکز، فسفریله می‌شود. فسفوریلاسیون فرایند افزودن یک گروه فسفات به یک مولکول مشتق شده از ATP است. در نتیجه، در این مرحله از گلیکولیز، یک مولکول ATP مصرف شده است.

این واکنش با کمک آنزیم هگزوکیناز، آنزیمی که فسفوریلاسیون بسیاری از ساختارهای حلقه‌ای شش‌کربنه گلوکز مانند را کاتالیز می‌کند، رخ می‌دهد. منیزیم اتمی (Mg) نیز برای محافظت از بارهای منفی از گروه‌های فسفات روی مولکول ATP نقش دارد. نتیجه این فسفوریلاسیون مولکولی به نام گلوکز -۶ – فسفات (G6P) است که دلیل این نام‌گذاری این است که  کربن شماره ۶ گلوکز، گروه فسفات را به دست می‌آورد.

مرحله ۲: فسفو گلوکز ایزومراز

واکنش دوم گلیکولیز، بازآرایی گلوکز ۶-فسفات (G6P) به فروکتوز 6-فسفات (F6P) توسط گلوکز فسفات ایزومراز (فسفو گلوکز ایزومراز) است.

جزئیات

مرحله دوم گلیکولیز شامل تبدیل گلوکز -۶- فسفات به فروکتوز -۶- فسفات (F6P) است. این واکنش با کمک آنزیم فسفو گلوکز ایزومراز (PI) رخ می‌دهد. همانطور که از نام آنزیم پیداست، این واکنش شامل یک واکنش ایزومریزاسیون است.

این واکنش شامل بازآرایی پیوند کربن – اکسیژن برای تبدیل حلقه شش‌کربنه به یک حلقه پنج‌کربنه است. بازآرایی زمانی صورت می‌گیرد که حلقه شش‌کربنه باز و سپس بسته می‌شود به‌گونه‌ای که کربن اول اکنون به خارج از حلقه رانده شده است.

مرحله ۳: فسفو فروکتو کیناز

فسفو فروکتو کیناز با منیزیم به عنوان کوفاکتور، فروکتوز ۶-فسفات را به فروکتوز ۱ و 6_ بیس فسفات تبدیل می‌کند.

جزئیات

در مرحله سوم گلیکولیز، فروکتوز -۶- فسفات به فروکتوز ۱ و ۶ _ بیس فسفات (FBP) تبدیل می‌شود. مشابه واکنشی که در مرحله ۱ گلیکولیز رخ می‌دهد، دومین مولکول ATP ، گروه فسفات اضافه شده به مولکول F6P را فراهم می‌کند.

آنزیمی که این واکنش را کاتالیز می‌کند فسفو فروکتو کیناز (PFK) است. همانند مرحله 1، از یک اتم منیزیم برای کمک به محافظت از بارهای منفی استفاده شده است.

مرحله ۴: آلدولاز

آنزیم آلدولاز، فروکتوز ۱، 6_بیس فسفات را به دو قند تقسیم می‌کند که ایزومرهای یکدیگر هستند. این دو قند عبارت‌اند 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 ۳ کربنی تولید کند. یکی از این مولکول‌ها گلیسرآلدئید 3_فسفات (GAP)و دیگری دی هیدروکسی استون فسفات (DHAP) نام دارد.

مرحله ۵: تریوز فسفات ایزومراز

آنزیم تریوز فسفات ایزومراز به سرعت مولکول‌های دی هیدروکسی استون فسفات (DHAP) و گلیسرآلدئید 3-فسفات (GAP) را به یکدیگر تبدیل می‌کند. گلیسرآلدئید فسفات حذف می‌شود و در مرحله بعدی گلیکولیز استفاده می‌شود.

جزئیات

GAP  تنها مولکولی است که در مسیر گلیکولیتیک ادامه دارد. در نتیجه، تمام مولکول‌های DHAP تولید شده توسط آنزیم تریوز فسفات ایزومراز (TIM) بیشترین تأثیر را پذیرفته و مجدداً به GAP سازماندهی می‌کنند تا بتواند به گلیکولیز ادامه دهند. در این نقطه از مسیر گلیکولیتیک، ما دو مولکول ۳ کربنی داریم، اما هنوز گلوکز را به طور کامل به پیروات تبدیل نکرده‌ایم.

مرحله ۶: گلیسرآلدئید –۳– فسفات دهیدروژناز

گلیسرآلدئید -۳- فسفات دهیدروژناز (GAPDH)، یک فسفات معدنی را دهیدروژنه و به گلیسرآلدئید 3_فسفات اضافه می‌کند و ۱،3_بیس فسفو گلیسرات تولید می‌کند.

جزئیات

در این مرحله، دو رویداد اصلی رخ می‌دهد:

1. گلیسرآلدئید -۳- فسفات توسط کوآنزیم نیکوتین آمید آدنین دی نوکلئوتید (NAD) ،اکسید می‌شود.
2. مولکول با افزودن یک گروه فسفات آزاد، فسفریله می‌شود. آنزیمی که این واکنش را کاتالیز می‌کند، گلیسر آلدهید -۳- فسفات دهیدروژناز (GAPDH) است.

آنزیم GAPDH دارای ساختارهای مناسبی است و مولکول را در شرایطی قرار می‌دهد که به مولکول NAD اجازه می‌دهد هیدروژن را از GAP خارج کند و NAD را به NADH تبدیل کند. سپس گروه فسفات به مولکول GAP حمله می‌کند و آن را از آنزیم آزاد می‌کند تا ۱، ۳ بیسفو گلیسرات، NADH  و یک اتم هیدروژن تولید شود.

مرحله ۷: فسفو گلیسرات کیناز

فسفو گلیسرات کیناز یک گروه فسفات را از ۱،3_بیس فسفو گلیسرات به ADP منتقل می‌کند تا ATP و 3_فسفو گلیسرات را تشکیل دهد.

جزئیات

در این مرحله ۱، ۳ بیسفو گلیسرات توسط آنزیم فسفو گلیسرات کیناز (PGK) به 3_فسفوگلیسرات تبدیل می‌شود. این واکنش شامل ازدست‌دادن یک گروه فسفات از ماده اولیه است. فسفات به یک مولکول ADP منتقل می‌شود که اولین مولکول ATP ما را تولید می‌کند.

از آنجایی که ما در واقع دو مولکول ۱، ۳ بیسفو گلیسرات داریم (چون دو محصول ۳ کربنی از مرحله ۱ گلیکولیز وجود داشت)، در واقع دو مولکول ATP را در این مرحله سنتز می‌کنیم. با وجود سنتز ATP، به دلیل استفاده قبلی که از دو مولکول ATP داشتیم، درواقع تولید ATP خالص تا این مرحله از گلیکولیز، صفر است.

باز هم می‌بینیم که یک اتم منیزیم برای محافظت از بارهای منفی روی گروه‌های فسفات مولکول ATP ،درگیر شده است.

مرحله ۸: فسفوگلیسرات موتاز

آنزیم فسفو گلیسرو موتاز، فسفات را از کربن شماره ۳ در 3_فسفوگلیسرات به کربن ۲ منتقل می‌کند تا 2_فسفوگلیسرات را تشکیل دهد.

جزئیات

این مرحله شامل یک بازآرایی ساده از موقعیت گروه فسفات بر روی مولکول ۳ فسفوگلیسرات است و آن را به ۲ فسفوگلیسرات تبدیل می‌کند. 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 می‌کند.

مکانیسم واکنش ابتدا با افزودن یک گروه فسفات اضافی به موقعیت 2′ در 3_فسفوگلیسرات  شروع می‌شود. سپس آنزیم فسفات را از موقعیت ۳ حذف می‌کند و فقط فسفات ۲ را باقی می‌گذارد و در نتیجه 2_فسفوگلیسرات را تولید می‌کند. به این ترتیب، آنزیم نیز به حالت اولیه و فسفریله باز می‌گردد.

مرحله ۹: انولاز

آنزیم انولاز یک مولکول آب را از ۲-فسفوگلیسرات جدا می‌کند و اسید فسفوئنول پیروویک (PEP) را تشکیل می‌دهد.

جزئیات

این مرحله شامل تبدیل 2_فسفوگلیسرات به فسفوئنول پیروات (PEP) است. واکنش توسط آنزیم انولاز کاتالیز می‌شود. انولاز با حذف یک گروه آب یا کم آب کردن 2_فسفوگلیسرات عمل می‌کند. ویژگی خاص آنزیم اجازه می‌دهد تا واکنش از طریق یک سری مراحل بسیار پیچیده رخ دهد.

مرحله ۱۰: پیرووات کیناز

آنزیم پیروات کیناز یک فسفات را از فسفوانول پیرووات (PEP) به ADP برای تشکیل اسید پیروویک و در نتیجه ATP در مرحله 10 ، منتقل می‌کند.

جزئیات

در مرحله آخر گلیکولیز، فسفوانول پیروات با کمک آنزیم پیروات کیناز به پیروات تبدیل می‌شود. همانطور که از نام آنزیم پیداست، این واکنش شامل انتقال یک گروه فسفات است. گروه فسفات متصل به کربن شماره ۲ در PEP  به یک مولکول ADP منتقل می‌شود و ATP تولید می‌کند. باز هم از آنجایی که دو مولکول PEP وجود دارد، در اینجا ما در واقع ۲ مولکول ATP تولید می‌کنیم.

بلافاصله پس از اتمام گلیکولیز، سلول باید تنفس را در جهت هوازی یا بی‌هوازی ادامه دهد. این انتخاب بر اساس شرایط هر سلول خاص انجام می‌شود. سلولی که می‌تواند تنفس هوازی را انجام دهد و خود را در حضور اکسیژن می‌یابد، به چرخه اسیدسیتریک هوازی در میتوکندری ادامه می‌دهد.

اگر سلولی که قادر به انجام تنفس هوازی باشد در موقعیتی باشد که اکسیژن وجود نداشته باشد (مانند عضلات تحت‌فشار شدید)، وارد نوعی تنفس بی‌هوازی به نام تخمیر همو لاکتیک می‌شود. برخی از سلول‌ها مانند مخمر قادر به انجام تنفس هوازی نیستند و به طور خودکار وارد نوعی تنفس بی‌هوازی به نام تخمیر الکلی می‌شوند.

همچنین از صفحات زیر دیدن فرمایید:

• دوره‌های آموزشی آزمایشگاه ژنیران

منبع

مترجم: مریم محجوب