גליקוליזה

גליקוליזה (מיוונית: גליקו-מתוק, ליזיס-פירוק) היא מסלול מטבולי שבו מפורקת מולקולת גלוקוז לשתי מולקולות פירובט. המסלול משמש באורגניזמים להפקת אנרגיה.
הגליקוליזה היא התהליך הבסיסי ביותר להפקת אנרגיה במערכות ביולוגיות. תהליך זה קיים כמעט בכל היצורים החיים, מחיידקים ועד לבני האדם. מכך ניתן להסיק על קדמוניותו האבולוציונית ועל חשיבותו לחיים. הגליקוליזה מתרחשת בציטופלזמת התא ומורכבת 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 שכל אחת מכילה 3 אטומי פחמן. האנרגיה המופקת בתהליך נאגרת בקשרים של מולקולת ATP - נוקלאוטיד שמשמש כ"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 נוצר גלוקוז בגוף, הפוך, מבחינה סכימטית, לגליקוליזה. למרות זאת, שלבי התהליך האחד אינם זהים כולם לאלו של התהליך השני. בנוסף, תהליך הגלוקונאוגנזה יעיל פחות מבחינה אנרגטית ולכן מעגל של גלוקוז-2 פירובט-גלוקוז יוביל "לבזבוז" אנרגיה ולגוף יש מנגנונים שנועדו למנוע מצב כזה.

היסטוריה

תהליך הגליקוליזה התגלה במקרה, על ידי האנס ואדוארד בוכנר ב-1897. הם חקרו את תהליך התסיסה מחוץ לתאים.
במהלך הניסוי, היה צורך להימנע משימוש בחומרים אנטיספטיים כמו פנול, ולכן השתמשו בסוכרוז. במהלך הניסוי הם נתקלו בתופעה: הסוכרוז הותסס לכוהל על ידי מיץ השמרים.
חשיבות הגילוי טמונה בכך שזו הפעם הראשונה שבה ראו כי תסיסה יכולה להתרחש גם מחוץ לתא החי. עד אז האמינו בתאוריה של לואי פסטר, לפיה התסיסה קיימת רק בתא החי. המנגנון השלם הובא ב-1940 על ידי מגוון רב של חוקרים ובהם: Gustav Embden ו Otto Meyerhof ולכן הגליקוליזה נקראת גם לפעמים: "Embden -Meyerhof Pathway".

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 שתי מולקולות ATP (כלומר, של אנרגיה). חמש התגובות האחרונות מהוות את שלב הרווח, ובו אכן משתנה מאזן האנרגיה ומתקבל רווח סופי של 2 מולקולות ATP. להלן תיאור מילולי של שלבי הגליקוליזה:

המשך הפקת אנרגיה, 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 הרבה יותר אנרגיה מזו המופקת בגליקוליזה (אנרגיה שוות ערך לכ-36 מולקולות ATP, בהשוואה ל-2 המופקות בגליקוליזה).
יצורים אל-אווירניים (אנארוביים, חיידקים בעיקר) מסתפקים באנרגיה שמספקת להם הגליקוליזה. עם זאת, הם עדיין צריכים למחזר את מולקולות ה-NADH שנוצרו בתהליך ולכן ישתמשו בפירובט שנוצר לאחד ממספר תהליכי תסיסה שיצרו תוצרים 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 18. ללא תוספת אנרגיה זו, לא היו מתפתחים יצורים גדולים, מורכבים ורב-תאיים, שכן הללו זקוקים לאנרגיה רבה, שתהליך הגליקוליזה לבדו לא מסוגל לספק.

גליקוליזה וסרטן

תאים של גידול ממאיר לרוב מקיימים גליקוליזה בקצב מהיר בהרבה העשוי להגיע עד לפי 200 מתאים נורמליים באותה הרקמה. תופעה זו התגלתה על ידי אוטו ורבורג ב-1930 וידועה כתופעת ורבורג. לתופעה זו חשיבות רפואית, שכן הודות לכך ניתן לאבחן ולעקוב אחר גידולים באמצעות טומוגרפיית פליטת פוזיטרונים (PET). בבדיקה נעשה לרוב שימוש בפלואורו-דאוקסי-גלוקוז (fluorodeoxyglucose, או בראשי תיבות: FDG), שהוא אנלוג של מולקולת גלוקוז, שבו אחת מקבוצות ההידרוקסיל הוחלפה באיזוטופ הרדיואקטיבי פלואור-18. ההנחה היא שאזורים פעילים בגוף, ובמיוחד גידולים סרטניים, צורכים כמויות גדולות של גלוקוז ובשל כך צפויות להתרחש בסביבתם פליטות גמא רבות.
בתאים סרטניים המצויים במצב של היפוקסיה (חוסר בחמצן) אחראי פקטור השעתוק HIF-1 להגברת הביטוי של רוב האנזימים הגליקוליטיים וכן של נשאי הגלוקוז GLUT1 ו-GLUT3.‏