گلیکولیز چیست؟ — به زبان ساده

گلیکولیز (Glycolysis) یا قندکافت اولین قدم در تجزیه گلوکز برای استخراج انرژی جهت متابولیسم سلولی است. تقریباً تمام انرژی مورد استفاده سلول‌های زنده از انرژی موجود در پیوند‌های گلیکوزیدی مولکول گلوکز به آن‌ها می‌رسد. گلوکز از دو طریق وارد سلول‌های هتروتروفیک (سلول‌هایی که قادر به تولید ترکیبات آلی از ترکیبات معدنی نیستند) می‌شود.

یک روش از طریق انتقال فعال ثانویه است که در آن حمل و نقل برخلاف شیب غلظت گلوکز انجام می‌شود. مکانیسم دیگر از گروهی از پروتئین‌های انتگرال یا درون غشایی به نام پروتئین‌های GLUT استفاده می‌کند که به پروتئین‌های انتقال دهنده گلوکز نیز معروف هستند. این حمل و نقل‌ها در تسهیل انتشار گلوکز کمک می‌کنند.

فیلم آموزش زیست شناسی – پایه دوازدهم رشته تجربی – بخش یکم در فرادرس

کلیک کنید

گلیکولیز اولین مسیری است که در تجزیه گلوکز برای استخراج انرژی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این فرایند در سیتوپلاسم هر دو سلول پروکاریوتی و یوکاریوتی اتفاق می‌افتد. احتمالاً گلیکولیز، یکی از اولین مسیر‌های متابولیکی است که از زمان‌های گذشته، تقریباً در همه ارگانیسم‌های روی زمین استفاده می‌شود. این فرآیند از اکسیژن استفاده نمی‌کند و بنابراین یک فرایند بی‌هوازی به شمار می‌آید.

گلیکولیز اولین مسیر اصلی متابولیک تنفس سلولی است که به صورت ATP انرژی تولید می‌کند. در طی دو مرحله مجزا، حلقه شش کربنی گلوکز از طریق یک سری از واکنش‌های آنزیمی‌ به دو قند سه کربنی پیروات تقسیم می‌شود. مرحله اول گلیکولیز نیاز به انرژی دارد، در حالی که مرحله دوم که تبدیل به پیروات را کامل می‌کند، ATP و NADH را برای تامین انرژی جهت فعالیت‌های سلولی تولید می‌کنند.

به طور کلی، روند گلیکولیز باعث تولید دو مولکول پیروات، دو مولکول ATP و دو مولکول NADH به صورت خالص برای سلول می‌شود تا سلول بتواند برای انجام عملکردهای حیاتی خود از انرژی استفاده کند. پس از تبدیل گلوکز به پیروات، مسیر گلیکولیتیک به چرخه کربس مرتبط می‌شود که در آنجا ATP بیشتری برای تامین انرژی سلول تولید می‌شود.

مراحل گلیکولیز

واکنش‌هایی که در طول فرایند گلیکولیز انجام می‌گیرند، شامل دو گروه واکنش‌های نیازمند انرژی و واکنش‌هایی هستند که انرژی تولید می‌کنند.

مراحل انرژی خواه گلیکولیز

در نیمه اول گلیکولیز، انرژی به شکل دو مولکول ATP برای تبدیل گلوکز به دو مولکول سه کربنی مورد نیاز است.

واکنش‌های نیمه اول گلیکولیز

همان طور که در بالا اشاره شد، در نیمه اول فرایند گلیکولیز، از دو مولکول آدنوزین تری فسفات (ATP) در فسفوریلاسیون گلوکز استفاده می‌شود که در مرحله بعد به دو مولکول سه کربنی تقسیم می‌شوند.

فیلم آموزش بیوشیمی عمومی – جامع و به زبان ساده

کلیک کنید

• مرحله اول: اولین مرحله گلیکولیز توسط آنزیم «هگزوکیناز» (Hexokinase) کاتالیز می‌شود، آنزیمی ‌با ویژگی گسترده‌ای که فسفوریلاسیون قند‌های شش کربنی را کاتالیز می‌کند. هگزوکیناز، گلوکز را با استفاده از ATP به عنوان منبع فسفات، فسفوریله کرده و «گلوکز -6- فسفات» (Glucose-6-Phosphate) را تولید می‌کند، این مولکول یک شکل واکنش پذیرتر از گلوکز است. این واکنش مانع از تعامل مولکول گلوکز فسفریله شده با پروتئین‌های GLUT می‌شود. بنابراین گلوکز -۶- فسفات دیگر نمی‌تواند سلول را ترک کند، زیرا فسفات با بار منفی اجازه نخواهد داد که از فضای داخلی آبگریز غشای پلاسمایی عبور کند.
• مرحله دوم: در مرحله دوم گلیکولیز، آنزیم «ایزومراز» (Isomerase) گلوکز -6- فسفات را به یکی از ایزومر‌های آن، «فروکتوز -6- فسفات» (fructose-6-phosphate) تبدیل می‌کند. آنزیمی ‌که تبدیل یک مولکول به یکی از ایزومر‌های آن را کاتالیز می‌کند، ایزومراز نام دارد. (این تغییر از فسفوگلوکز به فسفوفرکتوز امکان تقسیم نهایی قند را به دو مولکول سه کربن می‌دهد).
• مرحله سوم: مرحله سوم شامل فسفوریلاسیون فروکتوز -6- فسفات است که این واکنش توسط آنزیم «فسفوفروکتوکیناز» (Phosphofructokinase) کاتالیز می‌شود. مولکول ATP دوم یک فسفات پرانرژی به فروکتوز -6 -فسفات منتقل کرده و «فروکتوز -۱،6- بیس فسفات» (Fructose-1,6-Bisphosphate) را تولید می‌کند. در این مسیر، فسفوفروکتوکیناز یک آنزیم محدودکننده سرعت است، به طوری که هنگامی ‌که غلظت ADP زیاد باشد، فعال است و زمانی ‌که سطح ADP کم باشد و غلظت ATP زیاد باشد، این آنزیم کمتر فعال می‌شود. بنابراین، اگر ATP کافی در سیستم وجود داشته باشد، مسیر کند می‌شود. این نوعی از مهار، توسط محصول نهایی است، زیرا ATP محصول نهایی کاتابولیسم گلوکز است.
• مرحله چهارم: فسفات‌های پرانرژی که در مراحل قبل به فروکتوز -1،6- بیس فسفات اضافه شده‌اند، این مولکول را ناپایدار می‌کنند. مرحله چهارم گلیکولیز از آنزیمی به نام «آلدولاز» (Aldolase) برای شکستن 1،6- بیس فسفات به دو ایزومر سه کربنی استفاده می‌کند. این دو ایزومراز شامل «دی هیدروکسی استون - فسفات» (Dihydroxyacetone-Phosphate) و «گلیسرالدهید -3- فسفات» (Glyceraldehyde-3-Phosphate) هستند.
• مرحله پنجم: در مرحله پنجم، آنزیم ایزومراز دی هیدروکسی استون - فسفات را به ایزومر خود، گلیسرالدهید -3- فسفات تبدیل می‌کند. بنابراین، مسیر با دو مولکول گلیسرالدهید -3- فسفات ادامه خواهد یافت. در این مرحله از مسیر، میزان خالص انرژی شامل دو مولکول ATP است که از تجزیه یک مولکول گلوکز ایجاد می‌شوند.

مراحل انرژی ‌زا گلیکولیز

در نیمه دوم گلیکولیز، انرژی به شکل 4 مولکول ATP و 2 مولکول NADH آزاد می‌شود.

نیمه دوم گلیکولیز 

تا این مرحله از فرایند گلیکولیز، دو مولکول ATP مصرف و دو مولکول قندی کوچک با سه کربن تولید شده است. هر دو این مولکول‌ها از نیمه دوم، مسیر گلیکولیز را طی می‌کنند که در آن انرژی کافی برای بازسازی دو مولکول ATP استفاده شده به عنوان انرژی اولیه، استخراج می‌شود و علاوه بر این، برای سلول دو مولکول ATP اضافی و دو مولکول‌ پر انرژی NADH ساخته می‌شود.

• مرحله ششم: واکنش مرحله ششم گلیکولیز، قند (گلیسرالدهید-3-فسفات) را اکسید می‌کند و الکترون‌های پر انرژی که توسط حامل الکترون +NAD برای تولید NADH جمع‌آوری می‌شوند نیز در این مرحله تولید می‌شوند. سپس قند با افزودن یک گروه فسفات دوم، فسفریله شده و باعث تولید «1،3- بیس فسفو گلیسرات» (1,3-Bisphosphoglycerate) می‌شود. توجه داشته باشید که گروه فسفات دوم نیازی به مولکول ATP دیگری ندارد.

در اینجا، یک عامل محدود کننده بالقوه برای ادامه مسیر وجود دارد. ادامه واکنش به در دسترس بودن فرم اکسید شده حامل الکترون +NAD بستگی دارد. بنابراین، NADH باید مرتباً به +NAD اکسید شود تا این مرحله ادامه یابد. اگر +NAD در دسترس نباشد، نیمه دوم گلیکولیز کند یا متوقف می‌شود. اگر اکسیژن در سیستم وجود داشته باشد، NADH به راحتی و به طور غیرمستقیم اکسید می‌شود و الکترون‌های پرانرژی هیدروژن که در این فرآیند آزاد می‌شوند، برای تولید ATP مورد استفاده قرار می‌گیرند. در یک محیط بدون اکسیژن، یک مسیر جایگزین (مانند تخمیر) می‌تواند اکسیداسیون NADH به +NAD را فراهم کند.

فیلم آموزش زیست شناسی – پایه دوازدهم رشته تجربی – بخش یکم

کلیک کنید

• مرحله هفتم: در مرحله هفتم که توسط «فسفوگلیسرات کیناز» (Phosphoglycerate Kinase) کاتالیز می‌شود (آنزیمی‌ که برای واکنش معکوس نام گذاری شده است، این واکنش برگشت پذیر است)، 1،3- بیس فسفو گلیسرات یک فسفات پر انرژی به ADP منتقل می‌کند و یک مولکول ATP را تشکیل می‌دهد. (این نمونه‌ای از فسفوریلاسیون در سطح سوبسترا است که در این نوع فسفوریلاسیون، فسفر معدنی از مولکول اولیه به ADP منتقل شده و ‌ATP ساخته می‌شود). در این حالت گروه کربونیل روی 1،3- بیس فسفوگلیسرات به یک گروه کربوکسیلی اکسید شده و «3- فسفوگلیسرات» (Phosphoglycerate) تشکیل می‌شود.
• مرحله هشتم: در مرحله هشتم، گروه فسفات باقیمانده در 3- فسفوگلیسرات از کربن سوم به کربن دوم حرکت می‌کند و 2- فسفوگلیسرات (ایزومر 3- فسفوگلیسرات) را تولید می‌کند. آنزیمی‌ که این مرحله را کاتالیز می‌کند، یک آنزیم موتاز (Mutase) (نوعی ایزومراز) است.
• مرحله نهم: آنزیم «انولاز» (Enolase) کاتالیز مرحله نهم را بر عهده دارد. این آنزیم باعث می‌شود که آب از ساختار 2- فسفوگلیسرات خارج شود. در واقع این آنزیم یک واکنش دهیدراتاسیون را کاتالیز می‌کند و در نتیجه یک پیوند دوگانه در مولکول تشکیل می‌شود که در نهایت انرژی موجود در پیوند فسفات باقیمانده را افزایش داده و مولکول فسفوانول‌ پیروات (PEP) تولید می‌شوند.
• مرحله دهم: مرحله آخر گلیکولیز توسط آنزیم «پیروات کیناز» (Pyruvate Kinase) کاتالیز می‌شود (این آنزیم در این حالت برای واکنش معکوس تبدیل پیروات به فسفوانول‌ پیروات نام گذاری شده است) و منجر به تولید مولکول ATP دوم توسط فسفوریلاسیون در سطح سوبسترا و ترکیب پیروویک اسید (یا فرم نمکی آن، پیروات) می‌شود. بسیاری از آنزیم‌ها در مسیر‌های آنزیمی ‌برای واکنش‌های معکوس نام گذاری شده‌اند، زیرا این آنزیم می‌توانند واکنش‌های رو به جلو یا رفت و معکوس را کاتالیز کنند.

محصولات گلیکولیز

در طی گلیکولیز، یک مولکول گلوکز چهار ATP، دو NADH و دو مولکول پیرووات تولید می‌کند. گلیکولیز با یک مولکول گلوکز شروع می‌شود و با دو مولکول پیروات (اسید پیرویک)، در مجموع چهار مولکول ATP و دو مولکول NADH به پایان می‌رسد. دو مولکول ATP در نیمه اول مسیر گلیکولیز جهت آماده کردن حلقه شش کربنی برای برش مورد استفاده قرار می‌گیرند، بنابراین سلول برای استفاده از محصولات گلیکولیز به صورت خالص دارای دو مولکول ATP و 2 مولکول NADH است. اگر سلول نتواند مولکول‌های پیروات (از طریق چرخه اسید سیتریک یا چرخه کربس) بیشتری را تجزیه کند، تنها دو مولکول ATP از یک مولکول گلوکز به دست می‌آورد.

گلبول‌های قرمز پستانداران بالغ میتوکندری ندارند و به همین دلیل قادر به تنفس هوازی نیستند. تنفس هوازی فرایندی است که ارگانیسم‌ها در صورت وجود اکسیژن انرژی موجود در ترکیبات مغذی را به ATP تبدیل می‌کنند. در این حالت، گلیکولیز تنها منبع ATP برای گلبول‌های قرمز به شمار می‌آید. بنابراین، اگر گلیکولیز قطع شود، گلبول‌های قرمز توانایی حفظ پمپ‌های سدیم پتاسیم خود که به عملکرد ATP نیاز دارند را از دست می‌دهند و در نهایت از بین می‌روند. به عنوان مثال، از آنجا که واکنش‌های نیمه دوم گلیکولیز (مراحلی که مولکول‌ها انرژی آزاد می‌کنند)، در صورت عدم وجود +NAD کاهش یافته یا متوقف می‌شوند، وقتی +NAD در دسترس نباشد، گلبول‌های قرمز نیز قادر به تولید مقدار کافی ATP برای زنده ماندن نخواهند بود.

علاوه بر این، اگر پیروات کیناز، آنزیمی‌ که تشکیل پیروات را کاتالیز می‌کند، در مقادیر کافی وجود نداشته باشد، آخرین مرحله در گلیکولیز رخ نخواهد داد. در این شرایط، کل مسیر گلیکولیز ادامه خواهد یافت، اما تنها دو مولکول ATP در واکنش‌های نیمه دوم ساخته می‌شوند (به جای چهار مولکول ATP که در حالت معمول تولید می‌شود). بنابراین، پیروات کیناز یک آنزیم محدودکننده سرعت برای گلیکولیز به شمار می‌آید.