การควบคุม Glycolysis

การควบคุม Glycolysis

ปฏิกิริยาที่ถูกเร่งด้วย hexokinase, PFK-1 และ PK จะพบว่าเกิดขึ้นด้วยการใช้พลังงานที่สูง นั่นคือในปฏิกิริยามีการลดลงของ free energy เป็นอย่างมาก ซึ่งปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นนี้เป็น nonequilibrium reactions ใน glycolysis ซึ่งก็จะถูกพิจรณาว่าเป็นปฏิกิริยาหลักที่จะเกี่ยวข้องกับการควบคุมการดำเนินไปของกระบวนการ glycolysis ที่จริงแล้วการศึกษาใน in vitro ได้มีการแสดงให้เห็นว่าเอนไซม์ทั้งสามตัวนี้ถูกควบคุมด้วยการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง (allosterically controlled).

อย่างไรก็ตามปฏิกิริยาที่เร่งด้วย hexokinase ก็ไม่ใช่ปฏิกิริยาหลักที่ทำหน้าที่ควบคุมการเกิด glycolysis เนื่องจากว่า G6P จำนวนมากจะมาจากการสลายของ glycogen อยู่แล้ว (ซึ่งนี่ก็เป็นกลไกหลักสำหรับคาร์โบไฮเดรตที่จะเข้าสู่กระบวนการ glycolysis ในเซลล์กล้ามเนื้อ) และดังนั้นปฏิกิริยาที่เร่ง hexokinase จึงไม่จำเป็น อย่างไรก็ตามการควบคุมการทำงานของ PK มีความสำคัญต่อการย้อนกลับของกระบวนการ glycolysis ในกรณีที่เมื่อมี ATP มาก และเกิดการกระตุ้น gluconeogenesis ดังนั้นปฏิกิริยาเหล่านี้ไม่ใช่ปฏิกิริยาหลักของการควบคุม glycolysis พบว่า rate limiting step ใน glycolysis เป็นปฏิกิริยาที่เร่งด้วยเอนไซม์ PFK-1.



PFK-1 เป็น tetrameric enzyme ที่ประกอบด้วย conformational states สองรูปแบบ เรียกวา R และ T ซึ่งทั้งสองนี้อยู่ในระดับที่สมดุลกัน ATP จะทำหน้าที่เป็นสับสเตรตและเป็น allosteric inhibitor ของ PFK-1 ซึ่ง subunit แต่ละอันจะมี ATP binding sites สองตำแหน่ง นั่นคือตำแหน่งที่จะจับกับซับสเตรต และตำแหน่งที่จะจับกับตัวยับยั้บ (inhibitor) เอนไซม์สามารถที่จะจับกับสซับสเตรต ได้ดีเท่ากับจับกับตัวยับยั้ง ตำแหน่งที่จะจับกับ inhibitor จะจับกับ ATP เมื่อเอนไซม์อยู่ในสภาวะ T state F6P เป็นสับสเตรตอีกตัวหนึ่งของ PFK-1 และมันก็ชอบที่จะจับกับ R state ของเอนไซม์ เมื่อมี ATP จำนวนมาก ตำแหน่งที่จะจับกับ inhibitor จะถูกครอบครอง และจะ shift ไปสู่ equilibrium ของ PFK-1 comformation ซึ่งเป็น T state และจะลดความสามารถของ PFK-1 ที่จะจับกับ F6P การยับยั้งของ PFK-1 โดย ATP จะกลับคืนมาโดยการกระตุ้นด้วย AMP ซึ่งก็จะจับกับ R state ของเอนไซม์ และดังนั้น AMP จะ stabilizes รูปร่าง (conformation) ของเอนไซม์ให้สามารถที่จะจับกับ F6P ได้

การควบคุมด้วย allosteric regulator ที่สำคัญของทั้ง glycolysis and gluconeogenesis คือ fructose 2,6-bisphosphate, F2,6BP ,ซึ่งอย่างไรก็ตาม F2,6BP ไม่ได้เป็น intermediate ใน glycolysis หรือในgluconeogenesis.


การสังเคราะห์ F2,6BP ถูกเร่งด้วย bifunctional enzyme ที่เรียกว่า phosphofructokinase-2/fructose-2,6-bisphosphatase (PFK-2/F-2,6-BPase ใน nonphosphorylated form ของเอนไซม์จะรู้จักกันในนาม PFK-2 ซึ่งก็จะทำหน้าที่ในการเร่งการสังเคราะห์ F2,6BP โดย phosphorylating fructose 6-phosphate. ผลก็คือว่า activity ของ PFK-1 จะถูกกระตุ้นเป็นอย่างมากและในขณะเดียวกัน activity ของ F-1,6-BPase ก็จะถูกยับยั้งเหมือนกัน



ภายใต้สภาวะที่ PFK-2 นั้น active, ก็จะพบว่า fructose จะไหล flow ผ่านปฏิกิริยาที่เร่งด้วย PFK-1/F-1,6-BPase ที่มีทิศทางในการที่จะเกิด glycolysis และก็จะผลิต F-1,6-BP ขึ้น เมื่อ bifunctional enzyme นี้ถูก phosphorylated มันก็จะไม่มี kinase activity อีกต่อไป แต่ว่า active site อีกอันก็จะเร่งการสลาย F2,6BP ให้ไปเป็น F6P และ inorganic phosphate ผลลัพท์จากการเกิด phosphorylation ของ bifunctional enzyme ก็คือจะทำให้หยุดการกระตุ้น (allosteric stimulation) ต่อ PFK-1 และ allosteric inhibition ของ F-1,6-BPase ก็จะหมดไป และก็จะเกิดการไหล flow ของ fructose ผ่านเอนไซม์นี้ไปในกระบวนการ gluconeogenic ซึ่งก็จะมีการผลิต F6P และ กลูโคสในที่สุด



นอกจากนั้นพบว่า interconversion ของ bifunctional enzyme จะถูกเร่งด้วยเอนไซม์ cAMP-dependent protein kinase (PKA) ซึ่งเอนไซม์นี้จะถูกควบคุมอีกทีด้วย peptide hormones เมื่อไดก็ตามที่ระดับกลูโคสในเลือดลดต่ำลง การผลิต insulin จากตับก็จะลดน้อยลงด้วย แต่ในขณะเดียวกันก็จะมีการหลั่ง glucagons เข้าสู่กระแสเลือดมากขึ้น ฮอร์โมน glucagon จะจับกับ plasma membrane receptors ของเซลล์ในตับ และทำให้เกิดการกระตุ้น adenylate cyclase ซึ่งเป็น membrane –localized enzyme ก็จะทำให้มีการเปลี่ยน ATP ไปเป็น cAMP. และ cAMP จะเข้าจับกับ regulatory subunits ของ PKA แล้ว ทำให้เกิดการ release และ activation ของ catalytic subunits ของเอนไซม์.



PKA จะ phosphorylates เอนไซม์หลายชนิดด้วยกัน ซึ่งก็จะรวมถึง bifunctional PFK-2/F-2,6-BPase ภายใต้สภาวะเหล่านี้ตับจะหยุดการใช้กลูโคส แต่จะทำหน้าที่ในการสร้างกลูโคส เพื่อจะกลับคืนสู่สภาวะที่เรียกว่า normoglycemia.

การควบคุม glycolysis สามารถเกิดขึ้นได้ในขั้นตอนที่ถูกเร่งด้วยเอนไซม์ pyruvate kinase, (PK). The liver enzyme has been most studied in vitro. ซึ่งเอนไซม์นี้จะถูกยับยั้งด้วย ATP และ acetyl-CoA และจะถูกกระตุ้นโดยF1,6BP อย่างไรก็ตามการยับยั้งของ PK ด้วย ATP ก็เกิดขึ้นในลักษณะเดียวกันกับการควบคุมการทำงานของPFK-1 ด้วย ATP การจับของ ATP ต่อ inhibitor site จะลดความจำเพาะของเอนไซม์ PK ต่อ PEP. นอกจากนั้นการได้รับcarbohydrate ในระดับที่สูงขึ้นก็จะมีส่วนกระตุ้นการสังเคราะห์ของเอนไซม์ PK เป็นผลให้ในเซลล์มีปริมาณของเอนไซม์มากขึ้นด้วย



ในปัจจุบันได้มีการศึกษา PK isozymes หลายๆชนิด ตัวอย่างเช่น ในตับ liver isozyme (L-type), ซึ่งก็ถือว่าเป็น gluconeogenic tissue, isozyme จะถูกควบคุมด้วยการ phosphorylation โดย PKA ในขณะที่จะพบว่า M-type isozyme จะพบใน brain, muscle, และเนื้อเยื่อๆ ที่มีความต้องการที่จะใช้ glucose ซึ่งในเนื้อเยื่อเหล่านี้การทำงานของ PK จะไม่ถูกควบคุมด้วย PKA ซึ่งก็เป็นผลให้มีกลไกในการควบคุมระดับของ blood glucose levels และก็จะเกี่ยวข้องกับการทำงานของฮอร์โมนในการควบคุมความสมดุลของ liver gluconeogenesis และ glycolysis ในขณะที่ muscle metabolism ไม่ผลกระทบแต่อย่างได



ใน erythrocytes จะพบว่า fetal PK isozyme มี activity ที่สูงกว่า adult isozyme ดังนั้นจึงพบว่า fetal erythrocytes มีระดับของ glycolytic intermediates ที่ต่ำกว่ามาก เนื่องจากการที่มีระดับของ fetal 1,3-BPG ที่ต่ำมาก จะทำให้ 2,3-BPG shunt เกิดได้น้อยกว่าใน fetal cells และle 2,3-BPG ปริมาณเล็กน้อยจะถูกสร้างขึ้น เนื่องจากวา 2,3-BPG เป็น negative effector ของ hemoglobin affinity สำหรับ oxygen, ทำให้ fetal erythrocytes มี oxygen affinity ที่สูงกว่า maternal erythrocytes. ดังนั้นการเกิดการย้ายของ oxygen จาก maternal hemoglobin ไปสู่ fetal hemoglobin จึงเกิดขึ้นได้ง่ายซึ่งก็เป็นการแน่ใจว่าทารกได้รับ oxygen ที่เพียงพอ ในเด็กที่เกิดใหม่ erythrocyte isozyme ของ M-type จะพบว่า PK ที่มี activity ที่ต่ำกว่ามาแทนที่ fetal type, ก็จะเป็นผลให้เกิดการสะสมของ glycolytic intermediates.การเพิ่มขึ้นของ1,3-BPG จะกระตุ้น 2,3-BPG shunt ทำให้มีการผลิต 2,3-BPG ซึ่ง 2,3-BPG มีความจำเป็นในการควบคุม oxygen binding ต่อ hemoglobin



โรคทางพันธุกรรมของ adult erythrocyte PK เป็นที่ทราบกันว่ามีสาเหตุมาจาก kinase อยู่ในสภาพที่ inactive ซึ่งก็พบว่า erythrocytes ของคนที่เป็นโรคจะไม่สามารถสร้าง ATP ได้เพียงพอ และดังนั้นจึงไม่มี ATP ที่จะมาทำงานได้เช่นในการขับไอออนผ่าน channel หรือควบคุม osmotic balance ซึ่งอย่างไรก็ตามerythrocytes มีช่วงครึ่งชีวิตที่ค่อนข้างสั้น (short half-life),นั่นคือเกิดเซลล์แตกได้ง่าย และนี่ก็เป็นสาเหตุของ hereditary hemolytic anemia.

PK isozyme ถูกควบคุมโดยการเกิด phosphorylation, allosteric effectors,และการ modulation ของ gene expression ซึ่งก็พบว่า allosteric

effectors ที่สำคัญก็คือ F-1,6-BP ซึ่งก็จะทำหน้าที่กระตุ้น activity ของ PKโดยการลด Km(app) ของมันเองสำหรับ PEP และสำหรับ negative effector นั่นก็คือ ATP นอกจากนั้นการแสดงออกของ liver PK gene ก็ถูกควบคุมโดยระดับของปริมาณของ carbohydrate ในอาหาร ซึ่งก็พบว่าในอาหารที่มีcarbohydrate อยู่สูงสามารถที่จะกระตุ้นระดับของ PK ได้มากถึง 10 เท่าเมื่อเปรียบเทียบกับเมื่อได้รับอาหารที่มีระดับของ carbohydrate ที่ต่ำกว่า การทำงานของ Liver PK จะถูกควบคุมโดยการเกิด phosphorylation และถูกยับยั้งโดย PKA และดังนั้นกลไกนี้จึงอยู่ภายใต้การควบคุมของฮอร์โมน ซึ่งก็เหมือนกับการควบคุมการทำงานของ PFK-2 ดังที่ได้กล่าวมาแล้ว

Muscle PK (M-type) จะไม่ถูกควบคุมโดย samee mechanisms เหมือนเช่นในกรณีที่พบในตับ ซึ่ง Extracellular conditions ที่เป็นสาเหตุทำให้เกิดphosphorylation และ inhibition ของ liver PK เช่นการที่มีกลูโคสต่ำในเลือด และการที่มี circulating glucagons ในระดับที่สูง แต่อย่างไรก็ตามปัจจัยเหล่านี้ก็ไม่ได้ยับยั้งการทำงานของ muscle enzyme. ซึ่งผลของการที่มีการควบคุมที่แตกต่างกันก็คือว่าฮอร์โมนเช่น glucagons และ epinephrine จะกระตุ้นให้มี liver gluconeogenesis และยับยั้ง liver glycolysis ในขณะที่การเกิด muscle glycolysis สามารถเกิดขึ้นได้ตามความต้องการของเซลล์นั้นๆ.

การควบคุม Glycolysis

การควบคุม Glycolysis

ปฏิกิริยาที่ถูกเร่งด้วย hexokinase, PFK-1 และ PK จะพบว่าเกิดขึ้นด้วยการใช้พลังงานที่สูง นั่นคือในปฏิกิริยามีการลดลงของ free energy เป็นอย่างมาก ซึ่งปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นนี้เป็น nonequilibrium reactions ใน glycolysis ซึ่งก็จะถูกพิจรณาว่าเป็นปฏิกิริยาหลักที่จะเกี่ยวข้องกับการควบคุมการดำเนินไปของกระบวนการ glycolysis ที่จริงแล้วการศึกษาใน in vitro ได้มีการแสดงให้เห็นว่าเอนไซม์ทั้งสามตัวนี้ถูกควบคุมด้วยการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง (allosterically controlled).

อย่างไรก็ตามปฏิกิริยาที่เร่งด้วย hexokinase ก็ไม่ใช่ปฏิกิริยาหลักที่ทำหน้าที่ควบคุมการเกิด glycolysis เนื่องจากว่า G6P จำนวนมากจะมาจากการสลายของ glycogen อยู่แล้ว (ซึ่งนี่ก็เป็นกลไกหลักสำหรับคาร์โบไฮเดรตที่จะเข้าสู่กระบวนการ glycolysis ในเซลล์กล้ามเนื้อ) และดังนั้นปฏิกิริยาที่เร่ง hexokinase จึงไม่จำเป็น อย่างไรก็ตามการควบคุมการทำงานของ PK มีความสำคัญต่อการย้อนกลับของกระบวนการ glycolysis ในกรณีที่เมื่อมี ATP มาก และเกิดการกระตุ้น gluconeogenesis ดังนั้นปฏิกิริยาเหล่านี้ไม่ใช่ปฏิกิริยาหลักของการควบคุม glycolysis พบว่า rate limiting step ใน glycolysis เป็นปฏิกิริยาที่เร่งด้วยเอนไซม์ PFK-1.

PFK-1 เป็น tetrameric enzyme ที่ประกอบด้วย conformational states สองรูปแบบ เรียกวา R และ T ซึ่งทั้งสองนี้อยู่ในระดับที่สมดุลกัน ATP จะทำหน้าที่เป็นสับสเตรตและเป็น allosteric inhibitor ของ PFK-1 ซึ่ง subunit แต่ละอันจะมี ATP binding sites สองตำแหน่ง นั่นคือตำแหน่งที่จะจับกับซับสเตรต และตำแหน่งที่จะจับกับตัวยับยั้บ (inhibitor) เอนไซม์สามารถที่จะจับกับสซับสเตรต ได้ดีเท่ากับจับกับตัวยับยั้ง ตำแหน่งที่จะจับกับ inhibitor จะจับกับ ATP เมื่อเอนไซม์อยู่ในสภาวะ T state F6P เป็นสับสเตรตอีกตัวหนึ่งของ PFK-1 และมันก็ชอบที่จะจับกับ R state ของเอนไซม์ เมื่อมี ATP จำนวนมาก ตำแหน่งที่จะจับกับ inhibitor จะถูกครอบครอง และจะ shift ไปสู่ equilibrium ของ PFK-1 comformation ซึ่งเป็น T state และจะลดความสามารถของ PFK-1 ที่จะจับกับ F6P การยับยั้งของ PFK-1 โดย ATP จะกลับคืนมาโดยการกระตุ้นด้วย AMP ซึ่งก็จะจับกับ R state ของเอนไซม์ และดังนั้น AMP จะ stabilizes รูปร่าง (conformation) ของเอนไซม์ให้สามารถที่จะจับกับ F6P ได้

การควบคุมด้วย allosteric regulator ที่สำคัญของทั้ง glycolysis and gluconeogenesis คือ fructose 2,6-bisphosphate, F2,6BP ,ซึ่งอย่างไรก็ตาม F2,6BP ไม่ได้เป็น intermediate ใน glycolysis หรือในgluconeogenesis.

การสังเคราะห์ F2,6BP ถูกเร่งด้วย bifunctional enzyme ที่เรียกว่า phosphofructokinase-2/fructose-2,6-bisphosphatase (PFK-2/F-2,6-BPase ใน nonphosphorylated form ของเอนไซม์จะรู้จักกันในนาม PFK-2 ซึ่งก็จะทำหน้าที่ในการเร่งการสังเคราะห์ F2,6BP โดย phosphorylating fructose 6-phosphate. ผลก็คือว่า activity ของ PFK-1 จะถูกกระตุ้นเป็นอย่างมากและในขณะเดียวกัน activity ของ F-1,6-BPase ก็จะถูกยับยั้งเหมือนกัน

ภายใต้สภาวะที่ PFK-2 นั้น active, ก็จะพบว่า fructose จะไหล flow ผ่านปฏิกิริยาที่เร่งด้วย PFK-1/F-1,6-BPase ที่มีทิศทางในการที่จะเกิด glycolysis และก็จะผลิต F-1,6-BP ขึ้น เมื่อ bifunctional enzyme นี้ถูก phosphorylated มันก็จะไม่มี kinase activity อีกต่อไป แต่ว่า active site อีกอันก็จะเร่งการสลาย F2,6BP ให้ไปเป็น F6P และ inorganic phosphate ผลลัพท์จากการเกิด phosphorylation ของ bifunctional enzyme ก็คือจะทำให้หยุดการกระตุ้น (allosteric stimulation) ต่อ PFK-1 และ allosteric inhibition ของ F-1,6-BPase ก็จะหมดไป และก็จะเกิดการไหล flow ของ fructose ผ่านเอนไซม์นี้ไปในกระบวนการ gluconeogenic ซึ่งก็จะมีการผลิต F6P และ กลูโคสในที่สุด

นอกจากนั้นพบว่า interconversion ของ bifunctional enzyme จะถูกเร่งด้วยเอนไซม์ cAMP-dependent protein kinase (PKA) ซึ่งเอนไซม์นี้จะถูกควบคุมอีกทีด้วย peptide hormones เมื่อไดก็ตามที่ระดับกลูโคสในเลือดลดต่ำลง การผลิต insulin จากตับก็จะลดน้อยลงด้วย แต่ในขณะเดียวกันก็จะมีการหลั่ง glucagons เข้าสู่กระแสเลือดมากขึ้น ฮอร์โมน glucagon จะจับกับ plasma membrane receptors ของเซลล์ในตับ และทำให้เกิดการกระตุ้น adenylate cyclase ซึ่งเป็น membrane –localized enzyme ก็จะทำให้มีการเปลี่ยน ATP ไปเป็น cAMP. และ cAMP จะเข้าจับกับ regulatory subunits ของ PKA แล้ว ทำให้เกิดการ release และ activation ของ catalytic subunits ของเอนไซม์.

PKA จะ phosphorylates เอนไซม์หลายชนิดด้วยกัน ซึ่งก็จะรวมถึง bifunctional PFK-2/F-2,6-BPase ภายใต้สภาวะเหล่านี้ตับจะหยุดการใช้กลูโคส แต่จะทำหน้าที่ในการสร้างกลูโคส เพื่อจะกลับคืนสู่สภาวะที่เรียกว่า normoglycemia.

การควบคุม glycolysis สามารถเกิดขึ้นได้ในขั้นตอนที่ถูกเร่งด้วยเอนไซม์ pyruvate kinase, (PK). The liver enzyme has been most studied in vitro. ซึ่งเอนไซม์นี้จะถูกยับยั้งด้วย ATP และ acetyl-CoA และจะถูกกระตุ้นโดยF1,6BP อย่างไรก็ตามการยับยั้งของ PK ด้วย ATP ก็เกิดขึ้นในลักษณะเดียวกันกับการควบคุมการทำงานของPFK-1 ด้วย ATP การจับของ ATP ต่อ inhibitor site จะลดความจำเพาะของเอนไซม์ PK ต่อ PEP. นอกจากนั้นการได้รับcarbohydrate ในระดับที่สูงขึ้นก็จะมีส่วนกระตุ้นการสังเคราะห์ของเอนไซม์ PK เป็นผลให้ในเซลล์มีปริมาณของเอนไซม์มากขึ้นด้วย

ในปัจจุบันได้มีการศึกษา PK isozymes หลายๆชนิด ตัวอย่างเช่น ในตับ liver isozyme (L-type), ซึ่งก็ถือว่าเป็น gluconeogenic tissue, isozyme จะถูกควบคุมด้วยการ phosphorylation โดย PKA ในขณะที่จะพบว่า M-type isozyme จะพบใน brain, muscle, และเนื้อเยื่อๆ ที่มีความต้องการที่จะใช้ glucose ซึ่งในเนื้อเยื่อเหล่านี้การทำงานของ PK จะไม่ถูกควบคุมด้วย PKA ซึ่งก็เป็นผลให้มีกลไกในการควบคุมระดับของ blood glucose levels และก็จะเกี่ยวข้องกับการทำงานของฮอร์โมนในการควบคุมความสมดุลของ liver gluconeogenesis และ glycolysis ในขณะที่ muscle metabolism ไม่ผลกระทบแต่อย่างได

ใน erythrocytes จะพบว่า fetal PK isozyme มี activity ที่สูงกว่า adult isozyme ดังนั้นจึงพบว่า fetal erythrocytes มีระดับของ glycolytic intermediates ที่ต่ำกว่ามาก เนื่องจากการที่มีระดับของ fetal 1,3-BPG ที่ต่ำมาก จะทำให้ 2,3-BPG shunt เกิดได้น้อยกว่าใน fetal cells และle 2,3-BPG ปริมาณเล็กน้อยจะถูกสร้างขึ้น เนื่องจากวา 2,3-BPG เป็น negative effector ของ hemoglobin affinity สำหรับ oxygen, ทำให้ fetal erythrocytes มี oxygen affinity ที่สูงกว่า maternal erythrocytes. ดังนั้นการเกิดการย้ายของ oxygen จาก maternal hemoglobin ไปสู่ fetal hemoglobin จึงเกิดขึ้นได้ง่ายซึ่งก็เป็นการแน่ใจว่าทารกได้รับ oxygen ที่เพียงพอ ในเด็กที่เกิดใหม่ erythrocyte isozyme ของ M-type จะพบว่า PK ที่มี activity ที่ต่ำกว่ามาแทนที่ fetal type, ก็จะเป็นผลให้เกิดการสะสมของ glycolytic intermediates.การเพิ่มขึ้นของ1,3-BPG จะกระตุ้น 2,3-BPG shunt ทำให้มีการผลิต 2,3-BPG ซึ่ง 2,3-BPG มีความจำเป็นในการควบคุม oxygen binding ต่อ hemoglobin

โรคทางพันธุกรรมของ adult erythrocyte PK เป็นที่ทราบกันว่ามีสาเหตุมาจาก kinase อยู่ในสภาพที่ inactive ซึ่งก็พบว่า erythrocytes ของคนที่เป็นโรคจะไม่สามารถสร้าง ATP ได้เพียงพอ และดังนั้นจึงไม่มี ATP ที่จะมาทำงานได้เช่นในการขับไอออนผ่าน channel หรือควบคุม osmotic balance ซึ่งอย่างไรก็ตามerythrocytes มีช่วงครึ่งชีวิตที่ค่อนข้างสั้น (short half-life),นั่นคือเกิดเซลล์แตกได้ง่าย และนี่ก็เป็นสาเหตุของ hereditary hemolytic anemia.

PK isozyme ถูกควบคุมโดยการเกิด phosphorylation, allosteric effectors,และการ modulation ของ gene expression ซึ่งก็พบว่า allosteric

effectors ที่สำคัญก็คือ F-1,6-BP ซึ่งก็จะทำหน้าที่กระตุ้น activity ของ PKโดยการลด Km(app) ของมันเองสำหรับ PEP และสำหรับ negative effector นั่นก็คือ ATP นอกจากนั้นการแสดงออกของ liver PK gene ก็ถูกควบคุมโดยระดับของปริมาณของ carbohydrate ในอาหาร ซึ่งก็พบว่าในอาหารที่มีcarbohydrate อยู่สูงสามารถที่จะกระตุ้นระดับของ PK ได้มากถึง 10 เท่าเมื่อเปรียบเทียบกับเมื่อได้รับอาหารที่มีระดับของ carbohydrate ที่ต่ำกว่า การทำงานของ Liver PK จะถูกควบคุมโดยการเกิด phosphorylation และถูกยับยั้งโดย PKA และดังนั้นกลไกนี้จึงอยู่ภายใต้การควบคุมของฮอร์โมน ซึ่งก็เหมือนกับการควบคุมการทำงานของ PFK-2 ดังที่ได้กล่าวมาแล้ว

Muscle PK (M-type) จะไม่ถูกควบคุมโดย samee mechanisms เหมือนเช่นในกรณีที่พบในตับ ซึ่ง Extracellular conditions ที่เป็นสาเหตุทำให้เกิดphosphorylation และ inhibition ของ liver PK เช่นการที่มีกลูโคสต่ำในเลือด และการที่มี circulating glucagons ในระดับที่สูง แต่อย่างไรก็ตามปัจจัยเหล่านี้ก็ไม่ได้ยับยั้งการทำงานของ muscle enzyme. ซึ่งผลของการที่มีการควบคุมที่แตกต่างกันก็คือว่าฮอร์โมนเช่น glucagons และ epinephrine จะกระตุ้นให้มี liver gluconeogenesis และยับยั้ง liver glycolysis ในขณะที่การเกิด muscle glycolysis สามารถเกิดขึ้นได้ตามความต้องการของเซลล์นั้นๆ

Anaerobic Glycolysis

ภายใต้สภาวะ aerobic จะพบว่า pyruvate จะถูก metabolized ต่อไปด้วย TCA cycle แต่ภายใต้สภาวะ anaerobic และใน erythrocytes ภายใต้ aerobic conditions, ก็จะพบว่า pyruvate จะถูกเปลี่ยนไปเป็นไปเป็น lactate ด้วยเอนไซม์ lactate dehydrogenase (LDH) และ lactate ก็จะถูกเคลื่อนย้ายออกนอกเซลล์สู่ระบบหมุนเวียน การเปลี่ยน pyruvate ไปเป็น lactate ภายใต้

anaerobic conditions ซึ่งก็เป็นกลไกสำหรับเซลล์สำหรับการ oxidation ของ NADH (ซึ่งถูกผลิตขึ้นระหว่าง G3PDH reaction) ไปเป็น NAD⁺; ซึ่งก็เกิดขึ้นระหว่างที่ LDH ถูกเร่ง. การเกิด reduction มีความจำเป็นเนื่องจากว่า NAD⁺ จะเป็นสับสเตรตที่จำเป็นสำหรับ G3PDH, without which glycolysis will cease โดยปรกติแล้วใน aerobic glycolysis จะพบว่า electrons ที่อยู่ในcytoplasmic NADH จะถูกย้ายไปสู่ mitochondria เพื่อเข้าสู่ oxidative phosphorylation pathway ซึ่งในขั้นตอนนี้จะมีการสร้าง cytoplasmic NAD⁺.ขึ้น

Aerobic glycolysis จะสร้าง ATP ต่อ mole ของ glucose oxidized มากกว่าที่พบใน anaerobic glycolysis การเกิด anaerobic glycolysis ใน muscle cell จะเกิดขึ้นเมื่อเซลล์ต้องการพลังงานอย่างรวดเร็ว ซึ่งอัตราการผลิต ATP ด้วย anaerobic glycolysis จะให้ ATP ที่เร็วกว่าประมาณ 100 เมื่อเทียบกับการเกิด oxidative phosphorylation ในสภาพที่มีออกซิเจน ในระหว่างที่เซลล์กล้ามเนื้อทำงานเซลล์จะไม่ต้องการพลังงานเพื่อใช้ใน anabolic reaction pathways เซลล์ต้องการสร้าง ATP ให้มากที่สุดเพื่อให้เกิด muscle cell contraction ในเวลาที่รวดเร็วที่สุด ซึ่งนี่ก็เป็นเหตุผลว่าทำไม ATP ที่ถูกสร้างขึ้นทั้งหมดใน anaerobic glycolysis จะถูกใช้ไป

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.

พลังงานที่เกิดขึ้นจากการ Oxidation ของกลูโคส

Aerobic glycolysis ของ glucose ไปเป็น pyruvate จำเป็นที่จะต้องมีพลังงานที่สามารถเทียบเท่ากับว่ามี ATP จำนวน 2 โมเลกุลเพื่อที่จะกระตุ้นกระบวนการ ซึ่งหลังจากกระบวรการเสร็จสิ้นก็จะได้พลังงานที่เท่ากับ ATP จำนวน 4 โมเลกุล และ 2 โมเลกุลของ NADH ดังนั้นการเปลี่ยน glucose 1 โมเลกุลไปเป็น pyruvate 2 โมเลกุล จะเกี่ยวข้องกับการผลิตสุทธิ ของ ATP 2 โมเลกุล และ NADH 2 โมเลกุล

สามารถที่จะเขียนเป็นสมการได้ดังนี้

Glucose + 2 ADP + 2 NAD⁺ + 2 P_i -----> 2 Pyruvate + 2 ATP + 2 NADH + 2 H⁺

NADH ที่ถูกสร้างขึ้นในระหว่าง glycolysis จะถูกใช้เป็นแหล่งพลังงานให้กับ mitochondrial ATP synthesis โดยกระบวนการที่เรียกว่า oxidative phosphorylation , ซึ่งกระบวนการนี้จะผลิตไม่สองก็สามโมเลกุลของ ATP ซึ่งก็จะขึ้นอยู่กับว่าผ่านขั้นตอนที่เรียกว่า glycerol phosphate shuttle หรือ malate-aspartate shuttle ที่ใช้ในการเคลื่อนย้ายอิเลกตรอนจาก cytoplasmic NADH ไปสู่ mitochondria ซึ่งผลผลิตสุทธิจากการ oxidation ของ 1 mole ของ glucose ไปเป็น 2 moles ของ pyruvate จะเท่ากับ 6 หรือ 8 moles ของ ATP แล้วแต่กรณี การoxidation ที่สมบรูณ์ของ 2 moles ของ pyruvate ผ่านกระบวนการที่เรียกว่า TCA cycle จะทำให้ได้ 30 moles ของ ATP เพิ่มเติม ดังนั้นพลังงานที่ได้สุทธิก็จะเป็น 36 หรือ 38 moles ของ ATP จากการ oxidation อย่างสมบรูณ์ของ 1 mole ของ glucose ให้ไปเป็น CO₂ และ H₂O

digestion of carbohydrate

Carbohydrate ที่เรากินเข้าไปนั้นจะอยู่ในรูปของ disaccharides และ polymers ของพวกแป้ง (starch amylose and amylopectin) and glycogen อย่างไรก็ตาม cellulose ก็ถูกพบได้ในอาหารเช่นกันแต่ว่ามันไม่ถูกย่อย ในขั้นตอนแรกของ metabolism ของ digestible carbohydrate คือการเปลี่ยน higher polymers ไปเป็น simpler, soluble forms ที่จะสามารถถูกเคลื่อนย้ายผ่านผนังลำใส้และนำไปสู่เนื่อเยื่อที่ต้องการ

การย่อยสลายของแป้งเริ่มต้นตั้งแต่ในปาก เนื่องจากว่าน้ำลายมีฤทธิ์ที่เป็นกรด pH ประมาณ 6.8 และประกอบด้วย amylase ที่สามารถจะย่อย carbohydrates ได้ กลไกการย่อยของ amylase ถูกจำกัดอยู่เฉพาะในปากและ esophagus เท่านั้น เอนไซม์นี้เกือบจะไม่ทำงานถ้าอยู่ในสภาวะที่มีความเป็นกรดสูงๆ อย่างว่าอยู่ในกระเพาะอาหาร ทันทีที่อาหารมาถึงกระเพาะ acid hydrolysis ก็จะเกิดขึ้นและเอนไซม์พวก proteases และ lipases ก็จะทำหน้าย่อยโปรตีนและไขมัน จากนั้น mixture ของพวกเอนไซม์ต่างๆ รวมทั้งอาหารที่ถูกย่อยบางส่วนที่เรียกว่า chime ก็จะเคลื่อนที่ไปสู่ลำไส้เล็ก

polymeric-carbohydrate digesting enzyme ที่สำคัญในลำไส้เล็กก็คือ a-amylase ซึ่งเอนไซม์นี้ถูกหลั่งโดยตับและมีการทำงานเช่นเดียวกับ amylase ที่พวกในน้ำลายโดยทำการย่อยน้ำตาลให้ได้เป็น mono-และ di saccaride ซึ่ง disaccharide ก็จะถูกย่อยต่อไปด้วยเอนไซม์ที่หลั่งในลำไส้ที่เรียกว่า saccharidases นั้นคือ maltases ที่จะย่อย di- และ trisaccharides, และเอนไซม์ disaccharidases ที่เรียกว่า sucrase, lactase, trehalase. ซึ่งน้ำตาลที่ได้จากการย่อยในขั้นตอนต่างๆนั้นในที่สุดก็จะเป็น monosaccharides นั่นเอง

.

น้ำตาล glucose และ simple carbohydrates อื่นๆ จะถูกเคลื่อนย้ายผ่านผนังลำใส้ ผ่าน hepatic portal vein และผ่านเข้าสู่ parenchyma เซลล์ ในตับและเนื้อเยื่ออื่นๆ ซึ่งในที่นี้เอง กลูโคสจะถูกเปลี่ยนไปเป็น fatty acids, amino acids, และ glycogen, หรืออาจจะถูก oxidized โดย catabolic pathways ที่เกิดขึ้นภายในเซลล์

การเกิด Oxidation ของ glucose เป็นที่รู้จักกันในนามว่า glycolysis ซึ่ง Glucose จะถูก oxidized ไปเป็นlactate หรือเป็น pyruvate ก็ได้ ภายใต้ aerobic conditions จะพบว่ากลูโคสจะถูก oxidised ไปเป็น pyruvate ซะเป็นส่วนใหญ่ ซึ่งก็เรียกว่าการเกิด aerobic glycolysis เมื่อไดก็ตามที่ ขาดออกซิเจน อย่างเช่นกรณี ที่มีการออกกำลังอย่างหนักอย่างต่อเนื่อง ก็จะพบว่าผลิตภัณฑ์ของกระบวนการ glycolysis ส่วนใหญ่จะเป็น lactate ซึ่งกระบวนการที่เกิดขึ้นก็จะเรียกว่า anaerobic glycolysis.