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:   G l u c o s e + 2 A D P + 2 N A D + + 2 P i → 2 P y r u v a t e + 2 A T P + 2 H + + 2 N A D H + 2 H 2 O {\displaystyle \ \mathrm {Glucose+2ADP+2NAD^{+}+2P_{i}\rightarrow 2Pyruvate+2ATP+2H^{+}+2NADH+2H_{2}O} } 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. 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". 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: גלוקוז מקבל קבוצת זרחה מ-ATP והופך לגלוקוז-6-פוספט. בשל איבוד הזרחה יהפוך ה-ATP ל-ADP. האנזים המזרז את התגובה הוא הקסוקינאז. בנוסף, בכבד קיים גם האנזים גלוקוקינאז שמזרז את התהליך בריכוזי גלוקוז-6-פוספט גבוהים. גלוקוז 6-פוספט משנה את מבנהו המרחבי, מטבעת של 6 אטומי פחמן לטבעת של 5 פחמנים, והופך לפרוקטוז 6-פוספט. זהו צעד קריטי, שכן ללא השינוי האיזומרי לא יכולים להתרחש השלבים הבאים. זהו שלב הפיך לחלוטין. האנזים המזרז את התגובה הוא פוספוהקסוז איזומרז. פרוקטוז 6-פוספט מקבל קבוצת זרחה מ-ATP והופך לפרוקטוז 1,6-ביספוספט. זהו שלב ההתחייבות - לאחר שלב זה תימשך הגליקוליזה ללא בקרה משמעותית עד השלב הלפני אחרון. האנזים המזרז את התגובה הוא פוספופרוקטוקינאז (PFK1). פרוקטוז 1,6-ביספוספט מתפרק לשתי מולקולות תלת-פחמניות: גליצראלדהיד 3-פוספט ודיהידרוקסיאצטון פוספט. האנזים המזרז את התגובה הוא אלדולז. מולקולת הדיהידרוקסיאצטון פוספט עוברת שינוי מרחבי והופכת ל-גליצראלדהיד 3-פוספט, שנוצרה יחד איתה בשלב 4. עתה קיימות שתי מולקולות של גליצראלדהיד 3-פוספט. האנזים המזרז את התגובה הוא טריוז פוספט איזומראז. כל השלבים הבאים מתרחשים לכל אחת ממולקולות הגליצראלדהיד 3-פוספט בנפרד – ולכן מתרחשים פעמיים לכל מולקולת גלוקוז. כל אחת משתי מולקולות הגליצראלדהיד 3-פוספט מקבלת קבוצת זרחה חופשית (לא מ-ATP) והופכת ל-3,1-ביספוספוגליצרט. שלב זה כולל גם חיזור (קבלת פרוטונים) של מולקולות +NAD ל-NADH. האנזים המזרז את התהליך הוא גליצראלדהיד 3-פוספט דהידרוגנז. 3,1-ביספוספוגליצרט מאבד קבוצת זרחה והופך ל-3-פוספוגליצרט. קבוצת הזרחה עוברת למולקולת ADP, שהופכת למולקולת ATP. זהו השלב האקסרוגני הראשון בגליקוליזה – השלב הראשון בו הגוף מפיק אנרגיה מהגליקוליזה. האנזים המזרז את התהליך הוא פוספוגליצרט קינאז. קבוצת הזרחה שנותרה ב-3-פוספוגליצרט משנה מקום (באמצעות אנזים) ונודדת לאטום הפחמן הסמוך; התרכובת הופכת ל-2-פוספוגליצרט. האנזים המזרז את התהליך הוא פוספוגליצרט מוטאז. 2-פוספוגליצרט מאבד מולקולת מים והופך לפוספואנול פירובט. האנזים המזרז את התהליך הוא אנולאז. פוספואנול פירובט מאבד קבוצת זרחה והופך לפירובט. קבוצת הזרחה עוברת למולקולת ADP ליצירת ATP. האנזים המזרז את התהליך הוא פירובט קינאז. 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 הם מסיסים במים ונמצאים בציטוזול (נוזל הציטופלזמה). בנוסף על בקרה כללית זו – לגליקוליזה יש שלושה אתרי בקרה מרכזיים: הפיכת הגלוקוז לגלוקוז 6 פוספט – האנזים המזרז את התגובה מעוכב על ידי גלוקוז 6 פוספט (התוצר של התגובה). עיכוב זה מונע את פירוק הגלוקוז (שכזכור "עולה" לגוף מולקולת ATP) ללא צורך. בכבד, שלו יש צורך בפירוק גלוקוז באופן קבוע, קיים האנזים גלוקוקינאז שפעיל בריכוזי גלוקוז 6 פוספט גבוהים וכך מונע את תקיעת המסלול. הפיכת פרוקטוז 6 פוספט לפרוקטוז 1,6-ביספוספט – זהו תהליך ייחודי לגליקוליזה ולכן מהווה את נקודת הבקרה המרכזית בגליקוליזה. המעכבים של האנזים הם ATP וציטרט (תוצר של מעגל קרבס שהוא תהליך הבא אחרי גליקוליזה) והמזרזים של האנזים הם ADP ו-AMP שמעידים על מחסור באנרגיה בתא. בנוסף בכבד קיים מזרז נוסף – פרוקטוז 2,6-ביספוספט שייצורו מבוקר על ידי אינסולין וגלוקגון ומאפשר לגוף לווסת את רמת הסוכר בדם. הפיכת פוספואנול פירובט לפירובט – האנזים המזרז את התגובה מזורז על ידי פרוקטוז 1,6-ביספוספט – תוצר ייחודי למסלול שהצטברות שלו מעידה על זה שיש עיכוב כלשהו במסלול שיש "לשחרר". האנזים מעוכב על ידי ATP, אלנין ו-אצטיל קואנזים A. 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 ביצורים אירוביים בשני התהליכים המטבוליים הבאים בסדרת הנשימה התאית: מעגל קרבס וזרחון חמצוני. 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. בנוסף לגלוקוז (ולחומרי הביניים במסלול), הגליקוליזה יכולה לשמש להפקת אנרגיה משני חומרים נוספים: פרוקטוז – ברוב רקמות הגוף יהפוך לפרוקטוז 6 פוספט (התוצר של שלב 2) בהשקעת ATP. בכבד יפורק לגליצראלדהיד 3 פוספט ודיהדרוקסיאצטון פוספט (התוצרים של שלב 4) בהשקעת 2 ATP. בשני המקרים הגליקוליזה תהיה יעילה באותה מידה (האנרגיה שהושקעה והאנרגיה שהופקה יהיו שוות). גליצרול – בהשקעת מולקולת ATP וחיזור מולקולת +NAD יהפוך הגליצרול לדהידרוקסיאצטון פוספט (אחד התוצרים של שלב 4). הגליקוליזה תהיה יעילה באותה מידה בהפקת אנרגיה, אך מכיוון שחוזרה עוד מולקולת +NAD, בסביבה ללא נוכחות חמצן לא ימוחזרו מספיק מולקולות +NAD והתהליך יתקע. 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.‏ פרוקטוקינאז גליקוליזה אירובית גליקוליזה, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) Berg J., Tymoczko J. and Stryer L. (2002) Biochemistry. W. H. Freeman and Company ISBN 0-7167-4955-6