Aerobna glikoliza ali aerobna opredeljen kot uporaba odvečne glukoze ni bila obdelana z oksidativno fosforilacijo k tvorbi produktov "fermentacijske", celo pod pogoji visoke koncentracije kisika in kljub padcu energetske učinkovitosti.
Pogosto se pojavlja v tkivih z visoko proliferativno stopnjo, katerih poraba glukoze in kisika je velika. Primeri za to so rakave celice raka, nekatere parazitske celice v krvi sesalcev in celo celice na nekaterih območjih možganov sesalcev.
Glikolitična pot (vir: prek Wikimedia Commons)
Energija, pridobljena s katabolizmom glukoze, se ohranja v obliki ATP in NADH, ki se uporabljata navzdol po različnih presnovnih poteh.
Med aerobno glikolizo se piruvat usmeri proti Krebsovemu ciklu in elektronski transportni verigi, predela pa se tudi po fermentacijski poti za regeneracijo NAD + brez dodatne proizvodnje ATP, ki se konča s tvorbo laktata.
Aerobna ali anaerobna glikoliza se pojavlja predvsem v citosolu, z izjemo organizmov, kot so tripanosomatidi, ki imajo specializirane glikolitične organele, znane kot glikozomi.
Glikoliza je ena najbolj znanih presnovnih poti. V celoti so jo v tridesetih letih 20. stoletja oblikovali Gustav Embden in Otto Meyerhof, ki sta preučevala pot v skeletnih mišičnih celicah. Vendar je aerobna glikoliza znana kot Warburgov učinek že od leta 1924.
Reakcije
Aerobni katabolizem glukoze se pojavi v desetih encimsko kataliziranih korakih. Številni avtorji menijo, da so ti koraki razdeljeni na fazo naložb v energijo, katere cilj je povečati vsebnost brezplačne energije v posrednikih in drugo nadomestiti in pridobiti energijo v obliki ATP.
Faza naložbe v energijo
1-fosforilacija glukoze v 6-fosfat glukoze, ki jo katalizira hekokinaza (HK). Pri tej reakciji se za vsako molekulo glukoze obrne ena molekula ATP, ki deluje kot darovalec fosfatne skupine. Daje glukozni 6-fosfat (G6P) in ADP, reakcija pa je nepovratna.
Encim za svoje delovanje nujno zahteva tvorbo popolnega Mg-ATP2-, zato potrebuje magnezijeve ione.
2-Izomerizacija G6P v fruktozo 6-fosfat (F6P). Ne vključuje porabe energije in je reverzibilna reakcija, katalizirana s fosfoglukozno izomerazo (PGI).
3-fosforilacija F6P v fruktozo 1,6-bisfosfat, kataliziran s fosfruruktokininazo-1 (PFK-1). Kot darovalec fosfatne skupine se uporablja molekula ATP, produkti reakcije pa F1,6-BP in ADP. Zahvaljujoč vrednosti ∆G je ta reakcija nepovratna (tako kot reakcija 1).
4-katalitični razpad F1,6-BP na dihidroksiaceton fosfat (DHAP), ketoza in gliceraldehid 3-fosfat (GAP), aldoza. Za to reverzibilno kondenzacijo aldola je odgovoren encim aldolaza.
5-triozna fosfatna izomeraza (TIM) je odgovorna za medsebojno pretvorbo trioznega fosfata: DHAP in GAP, brez dodatnega vnosa energije.
Faza obnovitve energije
1-GAP oksidira z gliceraldehidno 3-fosfat dehidrogenazo (GAPDH), ki katalizira prenos fosfatne skupine v GAP in tvori 1,3-bisfosfoglicerat. Pri tej reakciji se na molekulo glukoze zmanjšata dve molekuli NAD +, uporabijo pa se dve molekuli anorganskega fosfata.
Vsak proizveden NADH prehaja skozi elektronsko transportno verigo in 6 molekul ATP se sintetizira z oksidativno fosforilacijo.
2-fosfogliceratna kinaza (PGK) prenaša fosforilno skupino iz 1,3-bisfosfoglicerata v ADP, pri čemer tvori dve molekuli ATP in dve 3-fosfogliceraciji (3PG). Ta postopek je znan kot fosforilacija na ravni substrata.
Dve molekuli ATP, porabljeni v reakcijah HK in PFK, sta v tem koraku na poti nadomeščeni s PGK.
3-3PG se pretvori v 2PG s fosfogliceratno mutazo (PGM), ki katalizira premik fosforilne skupine med ogljikom 3 in 2 glicerata v dveh reverzibilnih stopnjah. Ta encim potrebuje tudi magnezijev ion.
4-Reakcijska dehidracijska reakcija, ki jo katalizira enolaza, pretvori 2PG v fosfoenolpiruvat (PEP) v reakciji, ki ne potrebuje energijskih vlaganj, ampak ustvari spojino z večjim energijskim potencialom za prenos fosfatne skupine kasneje.
5-končno, piruvat kinaza (PYK) katalizira prenos fosforilne skupine v PEP v molekulo ADP ob sočasni proizvodnji piruvata. Na molekulo glukoze se uporabljata dve molekuli ADP in nastaneta 2 molekuli ATP. PYK uporablja ione kalija in magnezija.
Tako je skupni izkoristek glikolize 2 molekuli ATP za vsako molekulo glukoze, ki vstopi v pot. V aerobnih pogojih popolna razgradnja glukoze vključuje pridobivanje med 30 in 32 molekulami ATP.
Usoda glikolitičnih intermediatov
Po glikolizi se piruvat podvrže dekarboksilaciji, pri čemer nastane CO2 in acetilna skupina dodeli acetilni koencim A, ki se tudi v Krebsovem ciklu oksidira na CO2.
Elektroni, sproščeni med to oksidacijo, se preko reakcij dihalnih verig v mitohondriji prenašajo na kisik, kar na koncu poganja sintezo ATP v tej organeli.
Med aerobno glikolizo predelani presežek piruvata predela encim laktat dehidrogenaza, ki tvori laktat in regenerira del zaužitih NAD + v glikolizi, vendar brez tvorbe novih molekul ATP.
Mehanizem laktatne dehidrogenaze (Vir: Jazzlw prek Wikimedia Commons)
Poleg tega se piruvat lahko uporablja pri anaboličnih procesih, ki vodijo na primer do nastanka aminokisline alanin, lahko pa deluje tudi kot okostje za sintezo maščobnih kislin.
Tako kot piruvat, končni produkt glikolize, tudi mnogi reakcijski intermediat služijo drugim funkcijam v kataboličnih ali anaboličnih poteh, pomembnih za celico.
Tak primer je glukozni 6-fosfat in pot pentoznega fosfata, kjer dobimo vmesne snovi riboze, prisotne v nukleinskih kislinah.
Reference
- Akram, M. (2013). Mini pregled o glikolizi in raku. J. Canc. Educ., 28, 454–457.
- Esen, E., & Long, F. (2014). Aerobna glikoliza v osteoblastih. Curr Osteoporos Rep, 12, 433–438.
- Haanstra, JR, González-Marcano, EB, Gualdrón-López, M., in Michels, PAM (2016). Biogeneza, vzdrževanje in dinamika glikozomov pri tripanosomatidnih parazitih. Biochimica et Biophysica Acta - Molecular Cell Research, 1863 (5), 1038–1048.
- Jones, W., & Bianchi, K. (2015). Aerobna glikoliza: zunaj širjenja. Meje v imunologiji, 6, 1–5.
- Kawai, S., Mukai, T., Mori, S., Mikami, B., & Murata, K. (2005). Hipoteza: strukture, evolucija in prednik glukoznih kinaz v družini hekokinaz. Časopis za bioznanost in bioinženiring, 99 (4), 320–330.
- Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Lehningerjeva načela biokemije. Izdaje Omega (5. izd.).