גליקוליזה

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

גליקוליזה היא מסלול להפקת אנרגיה ביצורים חיים. מקור המילה מיוונית, גליקו = מתוק, ליזה = פירוק.

תוכן עניינים 1 היסטוריה 2 מבוא 3 התהליך 3.1 שלב ההכנה 3.2 שלב הרווח 3.3 סיכום מאזן האנרגיה 3.4 אנזימים 4 המשך הפקת אנרגייה, עם או בלי חמצן

[עריכה] היסטוריה

התגלית של תהליך הגליקוליזה נעשתה על ידי Hans&Eduard Buchner ב- 1897 בטעות. הם היו מעוניינים לחקור את תהליך התסיסה מחוץ לתאים. הניסוי היה צריך להעשות ללא חומרים אנטיספטיים כמו פנול ולכן השתמשו בסוכרוז. הם צפו בתופעה: הסוכרוז מיידית הותסס לכהל על ידי מיץ שמרים. גילוי זה חשוב כיוון שזו הפעם הראשונה בה ראו כי תסיסה יכולה להתרחש גם מחוץ לתא החי. עד אז שלטה הגישה של לואי פסטר שטענה שתסיסה קשורה אך ורק לחי וזו הייתה הפעם הראשונה שבה למעשה נפתח התחום של ביוכימיה. המנגנון השלם (שמפורט בהמשך) הובא ב- 1940 על ידי מגוון רב של חוקרים ובהם: Gustav Embden ו Otto Meyerhof ולכן הגליקוליזה נקראת גם לפעמים: "Embden -Meyerhof Pathway".

[עריכה] מבוא

הגליקוליזה היא התהליך הבסיסי והראשוני ביותר להפקת אנרגיה במערכות ביולוגיות. העובדה שתהליך זה קיים בכל היצורים החיים, מהחיידק הפשוט ביותר ועד לבני האדם, מוכיחה את קדמוניותו האבולוציונית ואת חשיבותו העליונה לחיים.

הגליקוליזה מתרחשת בכל היצורים בציטופלזמת התא. התהליך מורכב משרשרת של 10 תגובות כימיות. החומר המתחיל את התהליך הוא הסוכר גלוקוז; בסופה של סדרת התגובות מפורק הגלוקוז, אשר מכיל 6 אטומי פחמן, לשתי מולקולות פירובט - כל אחת מכילה 3 אטומי פחמן.

האנרגיה המופקת בתהליך הינה בצורת מולקולות של הנוקלאוטיד ATP - "מטבע האנרגיה" של כל היצורים החיים. במהלך הגליקוליזה מפורקות (נצרכות) שתי מולקולות ATP ומיוצרות ארבע; הרווח האנרגטי הוא, אם כן, שתי מולקולות ATP. ניתן לסכם את התהליך כך:

תהליך הגלוקונאוגנזה, במהלכו מיוצר גלוקוז בגוף, הפוך, מבחינה סכימטית, לגליקוליזה. למרות זאת, שלבי התהליך האחד אינם זהים כולם לאלו של התהליך השני.

[עריכה] התהליך

עשר תגובות הגליקוליזה נחלקות לשני שלבים: החמש הראשונות מהוות את שלב ההכנה; בשלב זה לא רק שלא נוצרות מולקולות ATP, אלא שהוא אף דורש צריכה של ATP (כלומר, של אנרגיה). חמש התגובות האחרונות מהוות את שלב הרווח, ובו אכן משתנה מאזן האנרגיה ומתקבל רווח של 2 מולקולות ATP. להלן תיאור מילולי של שלבי הגליקוליזה:

[עריכה] שלב ההכנה

• 1. גלוקוז מקבל קבוצת זרחה מ-ATP והופך לגלוקוז 6-פוספט.

כש-ATP תורם קבוצת זרחה משתחררת אנרגיה; כשמדברים על "צריכת" ATP הכוונה היא לפירוקו ל-ADP ולקבוצת זרחה (אותה הוא תמיד תורם למולקולה אחרת).

• 2. גלוקוז 6-פוספט משנה את מבנהו המרחבי והופך לפרוקטוז 6-פוספט.

זהו צעד קריטי, שכן ללא השינוי האיזומרי לא יכולים להתרחש השלבים הבאים.

• 3. פרוקטוז 6-פוספט מקבל קבוצת זרחה מ-ATP והופך לפרוקטוז 1,6-ביפוספט.
• 4. פרוקטוז 1,6-ביפוספט מתפרק לשתי מולקולות תלת-פחמניות: גליצראלדהיד 3-פוספט ודיהידרוקסיאצטון פוספט.

זהו בעצם שלב ה"ליזה" בגליקוליזה: השלב בו הגלוקוז מתפרק.

• 5. מולקולת הדיהידרוקסיאצטון פוספט עוברת שינוי מרחבי והופכת לאחותה לשלב 4, גליצראלדהיד 3-פוספט. עתה קיימות שתי מולקולות של גליצראלדהיד 3-פוספט.

[עריכה] שלב הרווח

• 6. כל אחת משתי מולקולות הגליצראלדהיד 3-פוספט מקבלת קבוצת זרחה (לא מ-ATP) והופכת ל-3,1-ביפוספוגליצרט.
• 7. 3,1-ביפוספוגליצרט מאבד קבוצת זרחה והופך ל-3-פוספוגליצרט.

גם שלב זה (וכל הבאים אחריו) מתרחש פעמיים, כיוון שקיימות שתי מולקולות 3,1-ביפוספוגליצרט. זהו השלב האקסרגוני הראשון בגליקוליזה - השלב בו אנרגיה מתחילה להיווצר. ניתוק קבוצת הזרחה מהגליצרט מלווה בשחרור אנרגיה. קבוצת הזרחה מתחברת ל-ADP ליצירת ATP, והאנרגיה, במקום להשתחרר אל הסביבה, נאצרת במולקולת ה-ATP.

• 8. קבוצת הזרחה שנותרה ב-3-פוספוגליצרט משנה מקום (באמצעות אנזים) ונודדת לאטום הפחמן הסמוך; התרכובת הופכת ל-2-פוספוגליצרט.
• 9. 2-פוספוגליצרט מאבד מולקולת מים והופך לפוספואנול פירובט.
• 10. פוספואנול פירובט מאבד קבוצת זרחה והופך לפירובט.

[עריכה] סיכום מאזן האנרגיה

• בשלבים 1 ו-3 מתפרקת מולקולת ATP ל-ADP. "איבדנו", אם כן, שתי מולקולות ATP.
• בשלב 7 נוצרות 2 מולקולות ATP מ-ADP.
• בשלב 10 נוצרות 2 מולקולות ATP מ-ADP.

המאזן הכללי מראה, אם כן, רווח של שתי מולקולות ATP. אנרגיה זו מהווה חלק קטן מאוד מהאנרגיה האצורה בגלוקוז. רוב האנרגיה נשמרת בשתי מולקולות הפירובט שנוצרו. אנרגיה זו מנוצלת ברוב היצורים בשני התהליכים המטבוליים הבאים בסדרת הנשימה התאית: מעגל קרבס וזרחון חמצוני.

[עריכה] אנזימים

כל אחת מעשר תגובות הגליקוליזה מתרחשת בעזרת אנזים. רוב אנזימי הגליקוליזה דורשים יוני מגנזיום לפעילות הקטליטית. כפי שניתן לראות בתיאור התהליך לעיל, כל המולקולות שבין הגלוקוז והפירובט מכילות קבוצת זרחה; קבוצה זו משתלבת היטב באתר הפעיל של אנזימי הגליקוליזה, ומפחיתה בכך את אנרגיית ההפעלה שלהם. יוני הזרחה יוצרים קומפלקסים עם יוני המגנזיום, והללו נקלטים היטב על-ידי האנזימים. כל אנזימי הגליקוליזה הינם מסיסים במים ונמצאים בציטוזול (נוזל הציטופלזמה).

1. זרחון הגלוקוז בשלב הראשון מזורז על-ידי האנזים הקסוקינאז. כל אנזים המעביר קבוצת זרחה מ-ATP למולקולה אחרת נקרא קינאז; היות והקינאז כאן מעביר זרחה להקסוז (סוכר בעל 6 פחמנים), הוא נקרא הקסוקינאז.
2. המרת הגלוקוז לפרוקטוז מזורזת על-ידי האנזים פוספוהקסוז איזומראז. אנזים המשנה מבנה מרחבי של מולקולה כלשהיא נקרא איזומראז.
3. זרחון הפרוקטוז מזורז על-ידי האנזים פוספופרוקטוקינאז-1 (PFK-1). אנזים זה נתון לבקרה (רגולציה) קפדנית; זהו השלב המבוקר ביותר של הגליקוליזה. האנזים חש בריכוז ה-ATP בציטופלזמה; כש-ATP מתחיל לאזול או כשתוצרי פירוקו, ADP ו-AMP, מצטברים יתר על המידה, מתגברת פעילותו של האנזים. ריכוז גבוה של ATP בתא מעיד על אנרגיה זמינה רבה; פעילות האנזים, ועמה כל תהליך הגליקוליזה, מואטים.

[עריכה] המשך הפקת אנרגייה, עם או בלי חמצן

היצורים השונים נבדלים זה מזה בדרך בה הם מנצלים את הפירובט, תוצר הגליקוליזה. היצורים האווירניים (אארובים נושמי החמצן), למשל, מפרקים את הפירובט לחומר הקרוי אצטיל קואנזים A ולפחמן דו-חמצני. הפחמן הדו-חמצני נפלט לסביבה (ואכן, כידוע, היצורים האווירניים, ובכללם האדם, צורכים חמצן ופולטים פחמן דו-חמצני). האצטיל קואנזים A ממשיך לעבור סדרת תגובות מורכבת (מעגל קרבס וזרחון חמצוני), כשבסופה מופקת אנרגיה גבוהה בהרבה מזו המופקת בגליקוליזה (36 מולקולות ATP, בהשוואה ל-2 המופקות בגליקוליזה).

יצורים אל-אווירניים (אנארוביים, חיידקים בעיקר) מסתפקים באנרגיה המועטה המספקת להם הגליקוליזה. הפירובט מומר ביצורים אלו לשלל תוצרים סופיים בתהליך הנקרא תסיסה; סוגים שונים של יצורים אנארוביים ממירים את הפירובט לתוצרים שונים (למשל: אתנול, חומץ, חומצת חמאה, חומצת חלב). כפי שניתן לראות, רבים מתוצרי התסיסה משמשים את בני האדם להפקת מזון.

היצורים הראשונים על-פני כדור הארץ השתמשו בגליקוליזה באופן בלעדי לשם הפקת אנרגיה. התפתחותם של יצורים אווירניים, אשר פיתחו מסלולים חדשים (מוזכרים לעיל) להפקת אנרגיה, היוותה צעד משמעותי ביותר באבולוציה. יצורים הנסמכים על הגליקוליזה לבדה מפיקים, כאמור, 2 מולקולות ATP מכל מולקולת גלוקוז שהם צורכים; יצורים המשתמשים בזרחון חמצני מפיקים כמות אנרגיה גבוהה פי 15. ללא תוספת אנרגיה זו, לא היו מתפתחים יצורים גדולים, מורכבים ורב-תאיים, שכן הללו זקוקים לאנרגיה רבה, שתהליך הגליקוליזה לבדו לא מסוגל לספק.

מטבוליזם

נשימה תאית

גליקוליזה - מעגל קרבס - זרחון חמצוני

מסלולים מטבוליים נוספים

גלוקונאוגנזה - מסלול הפנטוז פוספט - תסיסה - פוטוסינתזה - ניטריפיקציה מעגל קורי - מעגל קלווין - מעגל הגליוקסילט

תרכובות עיקריות

ATP - גלוקוז - פירובט - NAD - כלורופיל

מגוון מטבולי

אארובי - אנארובי - הטרוטרוף - אוטוטרוף