Đường phân (Glycolysis) là con đường dị hóa nền tảng diễn ra hoàn toàn trong bào tương (cytosol) của mọi tế bào sống. Quá trình này không đòi hỏi oxy (hoạt động được trong cả điều kiện hiếu khí lẫn kỵ khí), xúc tác việc bẻ gãy 1 phân tử glucose (6 carbon) thành 2 phân tử pyruvate (3 carbon) thông qua chuỗi 10 phản ứng liên hoàn chia làm hai pha rõ rệt.
Trong pha này, tế bào tiêu tốn 2 phân tử ATP để hoạt hóa, phosphoryl hóa và bẻ đôi khung carbon 6C thành 2 phân tử đường 3C.
Phản ứng: Nhóm phosphate tận cùng của ATP được chuyển sang carbon số 6 của glucose.
Phương trình:
Glucose + ATP → Glucose-6-phosphate + ADP
(ΔG°' = -16,7 kJ/mol)
Enzyme xúc tác: Hexokinase (ở cơ, não, mô mỡ; ái lực cao với glucose, bị ức chế dị lập thể bởi G-6-P) hoặc Glucokinase / Hexokinase 4 (ở gan và tế bào β tụy; ái lực thấp, không bị ức chế bởi G-6-P, được cảm ứng bởi insulin).
Ý nghĩa: Phản ứng phát năng một chiều không thuận nghịch, gắn điện tích âm giữ phân tử glucose không khuếch tán ngược qua màng tế bào.
Phản ứng: Chuyển đổi thuận nghịch dạng đường aldose (G-6-P) thành dạng ketose (F-6-P) thông qua việc chuyển nhóm carbonyl từ C-1 sang C-2.
Phương trình:
Glucose-6-phosphate ⇌ Fructose-6-phosphate
Enzyme xúc tác: Phosphoglucose isomerase (hay Phosphohexose isomerase).
Phản ứng: Gắn thêm nhóm phosphate thứ hai từ ATP vào vị trí carbon C-1 của F-6-P.
Phương trình:
Fructose-6-phosphate + ATP → Fructose-1,6-bisphosphate + ADP
Enzyme xúc tác: Phosphofructokinase-1 (PFK-1).
Ý nghĩa: Đây là phản ứng một chiều và là bước cam kết quan trọng nhất của đường phân; khi qua bước này, phân tử bắt buộc phải đi tiếp con đường phân giải mà không thể quay đầu dự trữ thành glycogen hay chuyển sang con đường pentose phosphate.
Phản ứng: Bẻ gãy phân tử hexose 6C thành hai phân tử triose phosphate 3C.
Phương trình:
Fructose-1,6-bisphosphate
⇌
Glyceraldehyde-3-phosphate (G-3-P) + Dihydroxyacetone phosphate (DHAP)
Enzyme xúc tác: Aldolase (Fructose bisphosphate aldolase).
Phản ứng: Chuyển đổi thuận nghịch giữa DHAP và G-3-P.
Phương trình:
Dihydroxyacetone phosphate ⇌ Glyceraldehyde-3-phosphate
Enzyme xúc tác: Triose phosphate isomerase (TPI).
Ý nghĩa: Vì chỉ có G-3-P trực tiếp đi tiếp vào các phản ứng phía sau, phản ứng này liên tục bị kéo theo chiều tạo G-3-P. Do đó, kết thúc Pha I, 1 phân tử glucose ban đầu đã được chuyển thành 2 phân tử G-3-P (từ bước 6 trở đi, mọi phản ứng đều được nhân đôi).
Trong pha này, tế bào thu hoạch năng lượng dưới dạng 4 ATP và 2 NADH.
Phản ứng: Oxy hóa nhóm aldehyde của G-3-P thành acid carboxylic đồng thời gắn một nhóm phosphat vô cơ (Pi), khử NAD+ thành NADH + H+.
Phương trình:
G-3-P + NAD+ + Pi ⇌ 1,3-Bisphosphoglycerate + NADH + H+
Enzyme xúc tác: Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH).
Ý nghĩa: Tạo ra liên kết acyl-phosphate giàu năng lượng tại vị trí C-1 của 1,3-BPG. Mỗi phân tử glucose tạo ra 2 NADH.
Phản ứng: Chuyển nhóm phosphat cao năng từ C-1 của 1,3-BPG sang ADP để tạo thành ATP.
Phương trình:
1,3-Bisphosphoglycerate + ADP ⇌ 3-Phosphoglycerate (3-PGA) + ATP
Enzyme xúc tác: Phosphoglycerate kinase.
Ý nghĩa: Phản ứng tạo ra 2 ATP (do nhân đôi từ 2 phân tử G-3-P), bù đắp hoàn toàn 2 ATP đã tiêu tốn ở Pha I.
Phản ứng: Chuyển dịch thuận nghịch nhóm phosphat từ carbon số 3 sang carbon số 2.
Phương trình:
3-Phosphoglycerate ⇌ 2-Phosphoglycerate (2-PGA)
Enzyme xúc tác: Phosphoglycerate mutase.
Phản ứng: Tách một phân tử H2O khỏi 2-PGA để tạo thành liên kết enol-phosphate không bền.
Phương trình:
2-Phosphoglycerate ⇌ Phosphoenolpyruvate (PEP) + H2O
Enzyme xúc tác: Enolase.
Ý nghĩa: Tạo ra phân tử PEP có thế năng chuyển nhóm phosphoryl rất cao (ΔG°' = -61,9 kJ/mol).
Phản ứng: Chuyển nhóm phosphat từ PEP sang ADP, giải phóng pyruvate.
Phương trình:
Phosphoenolpyruvate + ADP → Pyruvate + ATP
Enzyme xúc tác: Pyruvate kinase.
Ý nghĩa: Phản ứng phát năng mạnh, một chiều không thuận nghịch, tạo ra thêm 2 ATP.
Phương trình tổng quát của đường phân:
Glucose + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+
→ 2 Pyruvate + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O
Đường phân được kiểm soát chặt chẽ tại 3 bước phản ứng một chiều không thuận nghịch:
Hexokinase: Bị ức chế dị lập thể ngược bởi chính sản phẩm Glucose-6-Phosphate (G-6-P).
Glucokinase: Không bị ức chế bởi G-6-P; hoạt tính tăng khi glucose máu dồi dào sau bữa ăn và được cảm ứng bởi insulin.
Chất hoạt hóa dị lập thể: AMP, ADP (báo hiệu cạn kiệt năng lượng) và đặc biệt là Fructose-2,6-bisphosphate (chất hoạt hóa mạnh nhất do insulin kích hoạt).
Chất ức chế dị lập thể: ATP, Citrate (báo hiệu ty thể đã dồi dào năng lượng) và ion H+ (chống toan hóa).
Chất hoạt hóa: Fructose-1,6-bisphosphate (cơ chế feed-forward) và AMP.
Chất ức chế: ATP, Acetyl-CoA, Alanine. Tại gan, enzyme bị bất hoạt thông qua phản ứng phosphoryl hóa dưới tác động của glucagon/cAMP khi cơ thể đói.
Tế bào không thể đưa NADH vào ty thể. Enzyme Lactate dehydrogenase (LDH) khử pyruvate thành lactate, đồng thời oxy hóa trả lại NADH → NAD+ để bước 6 tiếp tục diễn ra duy trì tạo ATP.
Chuyển hóa Pyruvate: Pyruvate được vận chuyển vào chất nền ty thể, bị phức hợp Pyruvate dehydrogenase (PDH) biến đổi thành Acetyl-CoA và sinh thêm 1 NADH.
Vận chuyển NADH bào tương: 2 phân tử NADH bào tương được vận chuyển tương đương khử vào ty thể qua
con thoi Malate-Aspartate (sinh ~2,5 ATP/NADH ở gan, tim, thận) hoặc
con thoi Glycerol-3-phosphate (sinh ~1,5 ATP/NADH ở cơ, não)
để tổng hợp nên phần lớn ATP trong chuỗi hô hấp.
