تحلل السكر: الخصائص العامة
تحلل السكر هو مسار تقوضي نوعي للجلوكوز، يحدث بالكامل في عصارة الخلية. اعتماداً على الظروف، يكون المنتج النهائي إما بيروات (تحلل سكر هوائي) أو لكتات (تحلل سكر لاهوائي). ينقسم العملية إلى مرحلتين: تحضيرية (تستهلك ATP) ومرحلة تخليق ATP.
تفاعلات المرحلة التحضيرية
الجزء الأول من تحلل السكر يتم باستهلاك جزيئي ATP وينتهي بانقسام السكر السداسي إلى سكرين ثلاثيين.
- فسفرة الجلوكوز بتأثير الهكسوكيناز لتشكيل جلوكوز-6-فوسفات.
- إزمة إلى فروكتوز-6-فوسفات بمشاركة إنزيم جلوكوز-6-فوسفات إزيميريز.
- الفسفرة بواسطة فوسفوفруктоكيناز-1 إلى فركتوز-1,6-ثنائي الفوسفات هي التفاعل التنظيمي الرئيسي والأبطأ في تحلل السكر.
- انقسام فروكتوز-1,6-ثنائي الفوسفات ألدولاز إلى غليسيرالديهيد-3-فوسفات وديهيدروكسي أسيتون فوسفات.
- إزمة ديهيدروكسي أسيتون فوسفات إلى غليسيرالديهيد-3-فوسفات (بمساعدة تريوز فوسفات إزيميريز).
تفاعلات الأكسدة وتخليق ATP
التفاعل السادس هو تفاعل الأكسدة والاختزال الوحيد: غليسيرالديهيد-3-فوسفات ديهيدروجيناز يحفز أكسدة الركيزة مع إدماج الفوسفات غير العضوي واختزال NAD⁺ إلى NADH. يتكون 1,3-ثنائي فوسفوجليسيرات برابطة غنية بالطاقة.
- 1,3-ثنائي فوسفوجليسيرات ← 3-فوسفوجليسيرات: فسفرة على مستوى الركيزة، وتخليق ATP (بواسطة فوسفوجليسيرات كيناز).
- 3-فوسفوجليسيرات ← 2-فوسفوجليسيرات (بواسطة فوسفوجليسيرات ميتاز).
- 2-فوسفوجليسيرات ← فوسفويينول بيروات (إنولاز، مع نزع الماء).
- فوسفويينول بيروات ← بيروات: الفسفرة الثانية على مستوى الركيزة بتأثير البيروات كيناز.
الأنظمة الناقلة (الشاتلات) ومصير NADH
بما أن تحلل السكر يتم في العصارة الخلوية ولا يعبر NADH غشاء الميتوكوندريا، فإن مكافئات الاختزال الخاصة به تُنقل عبر أنظمة ناقلة:
- شاتل الماليت-أسبارتات: يُختزل الأكسالوأسيتات إلى ماليت الذي يُنقل إلى المصفوفة؛ الحصيلة هي 3 ATP لكل جزيء NADH.
- شاتل الجلسيروفوسفات: يُنقل الهيدروجين إلى FAD في الغشاء الداخلي؛ الحصيلة هي 2 ATP.
في الظروف اللاهوائية، لا تعمل الشاتلات ويُتجدد NAD⁺ بطريقة أخرى: يقوم اللكتات ديهيدروجيناز باختزال البيروات إلى لكتات باستخدام NADH. هذا يسمح باستمرار تحلل السكر في حال نقص الأكسجين.
التوازن الطاقي
- تحلل السكر اللاهوائي: 2×2 ATP (فسفرة على مستوى الركيزة) − 2 ATP (استهلاك) = 2 ATP.
- تحلل السكر الهوائي حتى البيروات: 2×(2 + 3) − 2 = 8 ATP (مع اعتبار شاتل الماليت-أسبارتات).
- التحلل الهوائي الكامل للجلوكوز إلى CO₂ وH₂O: 8 ATP (تحلل السكر) + 2×15 ATP (نزع الكربوكسيل التأكسدي للبيروات + دورة حمض الستريك) = 38 ATP.
ستة تفاعلات نزع هيدروجين أثناء التقوض الكامل: واحد في تحلل السكر، وواحد في نزع الكربوكسيل التأكسدي للبيروات، وأربعة في دورة الأحماض ثلاثية الكربوكسيل.
تنظيم تحلل السكر
يتم التنظيم في ثلاث مراحل غير قابلة للعكس:
- الهكسوكيناز العضوي — يُثبط بواسطة جلوكوز-6-فوسفات (الناتج).
- فوسفوفруктоكيناز-1 هو منظم رئيسي؛ يثبطه ATP وNADH (بسبب فائض الطاقة)، وينشطه AMP وADP.
- البيروات كيناز — يُثبط بواسطة ATP، ويُنشط عند انخفاض شحن الطاقة الخلوية.
المبدأ موحد: عند فائض الطاقة يتم تثبيط تحلل السكر (وكذلك دورة كريبس ومجمع البيروات ديهيدروجيناز)؛ وعند نقصها يتم تنشيطه.
الأهمية البنائية لناتجات الأيض في تحلل السكر
- فروكتوز-6-فوسفات وغليسيرالديهيد-3-فوسفات ← تخليق ريبوز-5-فوسفات للنيوكليوتيدات.
- 3-فوسفوجليسيرات ← تخليق الأحماض الأمينية غير الأساسية (سيرين، غلايسين، سيستين).
- ديهيدروكسي أسيتون فوسفات ← تخليق ثلاثي أسيل الغليسرول.
- أسيتيل-CoA (من البيروات) ← تخليق الأحماض الدهنية، الكوليسترول، وأجسام الكيتون.
- في كريات الدم الحمراء، يعمل تفاعل بديل لإنزيم بيسفوسفوجليسيرات ميتاز: 1,3-BPG ← 2,3-بيسفوسفوجليسيرات — وهو منظم ألوستري للهيموجلوبين يقلل من ألفته للأكسجين.
مسار فوسفات البنتوز
مسار فوسفات البنتوز — مسار بديل لأكسدة جلوكوز-6-فوسفات في العصارة الخلوية. لا يؤدي إلى تخليق ATP، ولكنه يزود الخلية بـ NADPH وريبوز-5-فوسفات. نشط في الكبد، الأنسجة الدهنية، الغدد الكظرية، كريات الدم الحمراء، والغدد الثديية المرضعة.
المرحلة التأكسدية:
- جلوكوز-6-فوسفات ← 6-فوسفوجلوكونولاكتون بتأثير جلوكوز-6-فوسفات ديهيدروجيناز (الإنزيم التنظيمي، يُحفز بالأنسولين)؛ ويتم اختزال NADP⁺.
- تحلل اللاكتون بوساطة جلوكونولاكتون هيدراتاز إلى 6-فوسفوجلوكونات.
- نزع الكربوكسيل التأكسدي لـ 6-فوسفوجلوكونات بواسطة 6-فوسفوجلوكونات ديهيدروجيناز؛ يتكون ريبولوز-5-فوسفات وجزيء ثانٍ من NADPH.
المرحلة غير التأكسدية تضم تفاعلات عكسية لكل من الترانسكيتولاز (المرافق الإنزيمي - TDP، مشتق من فيتامين B₁) والترانسألدولاز، واللذان ينقلان أجزاء ثنائية وثلاثية الكربون. هذا يتيح التبادل بين البنتوزات ومستقلبات تحلل السكر (فروكتوز-6-فوسفات، غليسيرالديهيد-3-فوسفات) حسب احتياجات الخلية.
الجلوتاثيون والدفاع المضاد للأكسدة في كريات الدم الحمراء
في كريات الدم الحمراء، يُعد NADPH ضروريًا للحفاظ على الجلوتاثيون في شكله المختزل. الجلوتاثيون هو ببتيد ثلاثي (غاما-غلوتاميل-سيستئينيل-غلايسين)، يحتوي على مجموعة SH للسيستئين.
- استخدام الجلوتاثيون بيروكسيديز للجلوتاثيون المختزل (G-SH) لتحييد H₂O₂ وتحويله إلى ماء، بينما يتأكسد الجلوتاثيون إلى G-S-S-G.
- الجلوتاثيون ريدوكتاز يعيد تجديد G-SH على حساب NADPH.
- الجلوتاثيون المختزل يحمي مجموعات SH لبقايا السيستئين في الهيموجلوبين من الأكسدة.
في حال نقص إنزيم جلوكوز-6-فوسفات ديهيدروجيناز الوراثي، ينخفض إنتاج NADPH ويهبط مستوى الجلوتاثيون المختزل. تتشكل روابط ثبريتيديه في الهيموجلوبين، وتتجمع الوحدات البروتينية المشوهة لتكون جُسيمات هاينز، مما يؤدي إلى انحلال كريات الدم الحمراء (فقر الدم الانحلالي).
النقاط الرئيسية
- تحلل السكر يحدث في العصارة الخلوية؛ المسار الهوائي يعطي بيروات، واللاهوائي يعطي لكتات لتجديد NAD⁺.
- إنزيم التنظيم الرئيسي هو فوسفوفруктоكيناز-1؛ ويتم التحكم فيه بواسطة نسبة ATP/AMP.
- الحصيلة الطاقية: 2 ATP (لاهوائي)، 8 ATP (هوائي حتى البيروات)، 38 ATP (تقوض كامل إلى CO₂ وH₂O).
- NADH العصارة الخلوية يدخل الميتوكوندريا عبر شاتل الماليت-أسبارتات (3 ATP) أو الجلسيروفوسفات (2 ATP).
- مستقلبات تحلل السكر تعتبر سلائف للأحماض الأمينية، النيوكليوتيدات، والدهون؛ بينما ينظم 2,3-BPG ألفة الهيموجلوبين للأكسجين.
- مسار فوسفات البنتوز يزود بـ NADPH لعمليات التخليق الحيوي والدفاع ضد الأكسدة، بالإضافة إلى ريبوز-5-فوسفات للنيوكليوتيدات.
- الإنزيم التنظيمي الرئيسي لمسار فوسفات البنتوز هو جلوكوز-6-فوسفات ديهيدروجيناز، المحفز بالأنسولين.
- نقص G-6-PD يخل بتجديد الجلوتاثيون، مما يسبب تكوين جسيمات هاينز وانحلال الدم.