ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นใน Glycolysis

pathway ของ glycolysis ประกอบไปด้วย 2 ขั้นตอนหลักๆ ขั้นตอนแรกเรียกว่า chemical priming phase ซึ่งในขั้นตอนนี้ต้องการพลังงานในรูปของ ATP ส่วนขั้นตอนที่สองจะเป็นขั้นตอนที่จะมีการให้พลังงาน (energy-yielding phase)

ขั้นตอนแรก 2 equivalents ของ ATP จะถูกใช้เพื่อเปลี่ยน glucose ไปเป็น fructose-1,6-bisphosphate (F-1,6-BP) และในขั้นตอนที่สอง F-1,6-BP จะถูกย่อยไปเป็น pyruvate ในขณะเดียวกันก็จะมีการผลิต 4 equivalents ของ ATP และ 2 equivalents และ NADH

Pathway of glycolysis from glucose to pyruvate. Substrates and products are in blue, enzymes are in green. The two high energy intermediates whose oxidations are coupled to ATP synthesis are shown in red (1,3-bisphosphoglycerate and phosphoenolpyruvate).

ปฏิกิริยาที่เร่งด้วย Hexokinase

การเกิด ATP-dependent phosphorylation ของ glucose เพื่อไปเป็น glucose-6-phosphate (G6P) จะถือว่าเป็นปฏิกิริยาแรกที่เกิดขึ้นใน glycolysis และปฏิกิริยานี้จะเร่งด้วยเอนไซม์ทีเป็น tissue-specific isoenzymes ที่เรียกว่า hexokinases การเกิด phosphorylation ของกลูโคสมีวัตถุประสงค์สองอย่างคือ: อันแรก phosphorylated sugars ที่ถูกกระตุ้นโดย hexokinase จะเปลี่ยน nonionic glucose ไปเป็น anion ซึ่งก็จะถูกกักใว้ภายในเซลล์ และเซลล์ไม่มีระบบขนส่งสำหรับ phosphorylated sugars อันที่สองเพราะว่า inert glucose ถูกกระตุ้นไปสู่ form ที่จะสามารถถูก metabolized ได้ง่ายขึ้น.

ในปัจจุบัน mammalian isozymes hexokinase จำนวน 4 ถูกค้นพบ ซึ่งก็จะเรียกว่า hexokinase Types I - IV อย่างไรก็ตาม Type IV isozyme จะรู้จักกันในนามว่า glucokinase ซึ่ง glucokinase เป็น form ของเอนไซม์ที่พบใน hepatocytes ในตับ การที่ glucokinase มีค่า K_m สำหรับ glucose ที่สูงกว่านั่นหมายถึงเอนไซม์นี้จะอิ่มตัว (saturate) เมื่ออยู่ในสภาวะที่มีความเข้มข้นของ substrate ที่สูง

Comparison of the activities of hexokinase and glucokinase. The K_m for hexokinase is significantly lower (0.1mM) than that of glucokinase (10mM). This difference ensures that non-hepatic tissues (which contain hexokinase) rapidly and efficiently trap blood glucose within their cells by converting it to glucose-6-phosphate. One major function of the liver is to deliver glucose to the blood and this in ensured by having a glucose phosphorylating enzyme (glucokinase) whose K_m for glucose is sufficiently higher that the normal circulating concentration of glucose (5mM).

ลักษณะที่สำคัญของ hepatic glucokinase คือว่ามันจะทำให้ตับทำหน้าที่เป็นแหล่งควบคุม (buffer) ของกลูโคสในเลือด ทันที่หลังจากการกินอาหาร ระดับของ postprandial blood glucose จะสูงมาก ซึ่งก็จะพบว่า liver glucokinase จะ active มาก นั่นคือจะทำให้ตับสามารถที่จะจับเอา glucose ไว้ได้ง่าย เมื่อ blood glucose ลดต่ำลง จนถึงระดับที่ต่ำมาก อวัยวะเช่น liver และ kidney (ซึ่งก็จะพบว่ามี glucokinases) จะไม่ใช้กลูโคสเหล่านี้ ในขณะเดียวกัน อวัยวะเช่นสมอง ซึ่งมีความจำเป็นที่ต้องการกลูโคส ก็จะใช้พยายามใช้กลูโคสที่มีอยู่โดยใช้ hexokinases ที่มีค่า K_m ที่ต่ำๆ ซึ่งก็เป็นการป้องกันการขาดกลูโคสของสมอง ในสภาวะที่ขาดกลูโคส ตับก็จะถูกกระตุ้นให้ supply กลูโคสผ่านกระบวนการที่เรียกว่า gluconeogenesis ซึ่ง glucose ที่ถูกผลิตขึ้นระหว่าง gluconeogenesis จะไม่เพียงพอที่จะสามารถกระตุ้น glucokinase ซึ่งก็จะทำให้กลูโคสนั้นสามารถผ่านhepatocytes ไปสู่กระแสเลือดได้

การควบคุมการทำงานของ hexokinase และ glucokinase ก็พบว่ามีความแตกต่างกัน Hexokinases I, II, and III จะเป็นพวกที่ allosterically inhibited โดยการเกิด accumulation ของ G6P ในขณะที่ glucokinases จะไม่ถูกยับยั้งด้วย G6P ซึ่งในกรณีของ glucokinases ก็เป็นกลไกที่ทำให้การสะสมของ glucose ในเซลล์ตับสามารถเกิดขึ้นได้ถึงแม้ว่าจะมี glucose อย่างมากมาย

ปฏิกิริยาที่เร่งด้วย Phosphohexose Isomerase

ปฏิกิริยาที่สองของ glycolysis เป็นปฏิกิริย isomerization ซึ่ง G6P จะถูกเปลี่ยนไปเป็น fructose-6-phosphate (F6P). เอนไซม์ที่ทำหน้าที่ในการเร่งปฏิกิริยานี้คือ phosphohexose isomerase (บางทีเรียกว่าphosphoglucose isomerase) ปฏิกิริยาในขั้นตอนนี้สามารถย้อนกลับได้อย่างอิสระที่ความเข้มข้นในระดับปกติของเอนไซม์ hexose phosphates ดังนั้นสามารถที่จะเร่ง interconversion ในระหว่าง glycolytic carbon flow และระหว่าง gluconeogenesis.

ปฏิกิริยาที่เร่งด้วย 6-Phosphofructo-1-Kinase (Phosphofructokinase-1, PFK-1)

ในขั้นตอนนี้ของ glycolysis จะเกี่ยวข้องกับการใช้ ATP อีกครั้งหนึ่งเพื่อที่จะเปลี่ยน F6P ไปเป็น fructose-1,6-bisphosphate (F-1,6-BP) ปฏิกิริยานี้ถูกเร่งด้วยเอนไซม์ 6-phosphofructo-1-kinase ซึ่งก็รู้จักกันทั่วไปในนามs phosphofructokinase-1 หรือ PFK-1 ในปฏิกิริยาในไม่สามารถย้อนกลับได้ง่ายนัก เนื่องจากว่าการมี large positive free energy (DG^0' = +5.4 kcal/mol) ในทิศทางที่เกิดย้อนกลับ อย่างไรก็ตาม fructose units ก็จะถูกใช้ไปเป็นในทิศทางย้อนกลับใน gluconeogenic direction เพราะว่าการที่มีเอนไซม์ที่เรียกว่า fructose-1,6-bisphosphatase (F-1,6-BPase) อยู่ในระบบ

การที่พบเอนไซม์ทั้งสองนี้ในเซลล์ ก็เป็นอีกตัวอย่างหนึ่งที่แสดงให้เห็นถึงระบบการควบคุมการใช้พลังงาน (metabolic futile cycle) ซึ่งถ้าไม่มีการควบคุมแล้วก็จะทำให้เซลล์ของพลังงานสะสม อย่างไรก็ตามการทำงานของเอนไซม์ทั้งสองนี้ ก็มีการควบคุมอย่างเข้มงวด และถูกพิจารณาโดยสามารถกล่าวได้ว่า PFK-1 เป็น rate-limiting enzyme ของ glycolysis และ F-1,6-BPase เป็น rate-limiting enzyme ใน gluconeogenesis.

ปฏิกิริยาที่เร่งด้วย Aldolase

Aldolase จะเร่งการสลาย (hydrolysis) ของ F-1,6-BP ไปเป็น 3-carbon products จำนวน 2 โมเลกุลนั่นคือdihydroxyacetone phosphate (DHAP) และ glyceraldehyde-3-phosphate (G3P) ปฏิกิริยาที่เร่งด้วย aldolase จะเกิดขึ้นได้ในปฏิกิริยาย้อนกลับ ซึ่งก็จะถูกใช้ในทั้งสองกระบวนการนั่นคือทั้ง glycolysis และgluconeogenesis.

ปฏิกิริยาที่เร่งด้วย Triose Phosphate Isomerase

ผลิตภัณฑ์ทั้งสองที่เกิดขึ้นจากการเร่งด้วย aldolase ก็จะถูกเร่งด้วย triose phosphate isomerase. ซึ่งปฏิกิริยาถัดมาใน glycolysis ก็จะใช้ G3P เป็นซับสเตรต และดังนั้นทิศทางในปฏิกิริยาของ aldolase จะขึ้นอยู่กับปริมาณของซับสเตรตเป็นหลัก.

ปฏิกิริยาที่เร่งด้วย Glyceraldehyde -3-Phosphate Dehydrogenase

ในส่วนที่สองของ glucose catabolism จะประกอบด้วยปฏิกิริยาที่มีลักษณะเป็น energy-yielding glycolytic reactions นั่นคือมีการผลิต ATP และ NADH ในขั้นตอนแรกของปฏิกิริยานี้ glyceraldehyde-3-P dehydrogenase (G3PDH) จะเร่ง NAD⁺-dependent oxidation ของ G3P ให้ไปเป็น 1,3-bisphosphoglycerate (1,3-BPG) และ NADH ซึ่งปฏิกิริยาของ G3PDH สามารถย้อนกลับได้ โดยการเร่งของเอนไซม์ตัวเดียวกัน

ปฏิกิริยาที่เร่งด้วย Phosphoglycerate Kinase

high-energy phosphate ของ 1,3-BPG ถูกใช้เพื่อสร้าง ATP และ 3-phosphoglycerate (3PG) ด้วยเอนไซม์ phosphoglycerate kinase อย่างไรก็ตามปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาเดียวใน glycolysis หรือ gluconeogenesis ที่เกี่ยวข้องกับ ATPและสามารถย้อนกลับได้ภายใต้เซลล์ในสภาวะปกติ

phosphoglycerate kinase pathway เป็นปฏิกิริยาที่มีความสำคัญกับ erythrocytes ในการสร้าง 2,3-BPG ด้วยเอนไซม์ bisphosphoglycerate mutase ซึ่งพบว่า 2,3-BPG เป็น regulator ที่สำคัญสำหรับความสามารถในการจับของ hemoglobin ต่อ oxygen อย่างไรก็ตาม 2,3-bisphosphoglycerate phosphatase จะย่อย 3-BPG ให้เป็น 3-phosphoglycerate ซึ่ง 3-phosphoglycerate เป็น intermediate ของ glycolysis และดังนั้น 2,3-BPG shunt จะทำงานได้ด้วยการใช้ 1 equivalent ของ ATP ต่อ triose ที่ผ่าน shunt. อย่างไรก็ตามขั้นตอนนี้ไม่สามารถย้อนกลับได้ภายใต้ physiological conditions

ปฏิกิริยาที่เร่งด้วย Phosphoglycerate Mutase และ Enolase

ปฏิกิริยาที่เหลือใน glycolysis จะมีวัตถุประสงค์เพื่อเปลี่ยน phosphoacyl-ester ของ 3-PG ซึ่งเป็นโมเลกุลที่มีพลังงานต่ำให้ไปอยู่ในรูปที่มีพลังงานสูงขึ้น และมีการเก็บเกี่ยว phosphate ในลักษณะของ ATP ก่อนอื่น 3-PG จะถูกเปลี่ยนไปเป็น 2-PG โดย phosphoglycerate mutase และการเปลี่ยน 2-PG ไปเป็น phosphoenoylpyruvate (PEP) ก็ถูกเร่งด้วย enolase

ปฏิกิริยาที่เร่งด้วย Pyruvate Kinase

ในปฏิกิริยาท้ายสุดของ aerobic glycolysis คือการเร่งด้วย highly regulated enzyme ที่เรียกว่า pyruvate kinase (PK) ซึ่งในที่เป็น exergonic สูงนี้ high- energy phosphate ของ PEP จะถูก conserved ในฐานะ ATP การศูนย์เสียของ phosphate โดย PEP จะทำให้เกิดการผลิต pyruvate ใน unstable enol form ซึ่งในทันที ก็จะ tautomerizes ไปอยู่ในสภาพที่คงตัวมากกว่าซึ่งอยู่ในรูปของ keto form ของ pyruvate ซึ่งปฏิกิริยานี้ได้ทำให้เกิด free energy จำนวนมากในการ hydrolysis ของ PEP.