GLIKOLIZA: FUNKCIJE, ENCIMI, FAZE, PROIZVODI, POMEMBNOST - BIOLOGIJA - 2025

Glikoliza ali glikoliza je glavna pot katabolizma glukoze, katerega končni cilj je pridobivanje energije v v obliki ATP in zmanjšuje moč v obliki NADH, od tega ogljikovih hidratov.

Ta pot, ki sta jo v tridesetih letih 20. stoletja v celoti razjasnila Gustav Embden in Otto Meyerhof med proučevanjem porabe glukoze v skeletnih mišičnih celicah, je sestavljena iz popolne oksidacije tega monosaharida in že sama po sebi predstavlja anaerobno pot pridobivanje energije.

Molekularna struktura ATP, enega od glikolitičnih izdelkov (Povzetek glikolitične poti (Vir: Tekks na angleški Wikipedia / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) prek Wikimedia Commons) prek Wikimedia Commons)

Je ena glavnih presnovnih poti, saj se s svojimi razlikami pojavlja v vseh živih organizmih, ki obstajajo, enocelični ali večcelični, prokariontski ali evkariontski in velja, da gre za verigo reakcij, ki je v naravi evolucijsko zelo ohranjena.

V resnici obstajajo nekateri organizmi in tipi celic, ki so izključno odvisni od te poti za preživetje.

Najprej je glikoliza sestavljena iz oksidacije glukoze 6 ogljikovih atomov do piruvata, ki ima tri ogljikove atome; ob sočasni proizvodnji ATP in NADH, uporabnih za celice z metaboličnega in sintetičnega vidika.

V celicah, ki lahko nadalje predelajo proizvode, pridobljene iz katabolizma glukoze, se glikoliza konča s proizvodnjo ogljikovega dioksida in vode skozi Krebsov cikel in elektronsko transportno verigo (aerobna glikoliza).

Med glikolitično potjo se odvija deset encimskih reakcij, in čeprav je uravnavanje teh reakcij od vrste do vrste lahko nekoliko drugačno, so tudi regulativni mehanizmi dokaj ohranjeni.

Funkcije glikolize

S presnovnega vidika je glukoza eden najpomembnejših ogljikovih hidratov za vsa živa bitja.

Je stabilna in zelo topna molekula, zato jo je mogoče relativno enostavno prevažati po celotnem telesu živali ali rastline, od koder je shranjena in / ali pridobljena do mesta, kjer je potrebno kot celično gorivo.

Struktura glukoze (Vir: Oliva93 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) prek Wikimedia Commons)

Kemijsko energijo, ki jo vsebuje glukoza, izkoriščajo žive celice z glikolizo, ki je sestavljena iz niza zelo nadzorovanih korakov, s katerimi lahko energijo, ki se sprosti pri oksidaciji tega ogljikovega hidrata, "zajame" v bolj uporabne oblike energije. , od tod njen pomen.

Po tej poti se pridobiva ne le energija (ATP) in zmanjšana moč (NADH), ampak tudi vrsta presnovnih posrednikov, ki so del drugih poti, pomembnih tudi od anaboličnih (biosintetskih) in splošno celično delovanje. Tu je seznam:

- 6-fosfat glukoze za pot pentoznega fosfata (PPP)

- Piruvat za mlečno vrenje

- Piruvat za sintezo aminokislin (v glavnem alanin)

- Piruvat za cikel trikarboksilne kisline

- Fruktozni 6-fosfat, glukozni 6-fosfat in dihidroksiaceton fosfat, ki delujejo kot "gradniki" na drugih poteh, kot so sinteza glikogena, maščobnih kislin, trigliceridov, nukleotidov, aminokislin itd.

Proizvodnja energije

Količina ATP, ki nastane po glikolitični poti, ko celica, ki ga proizvaja, ne more živeti v aerobnih pogojih, zadostuje za oskrbo energijskih potreb celice, ko je povezana z različnimi fermentacijskimi postopki.

Kadar gre za aerobne celice, pa glikoliza služi tudi kot izredni vir energije in služi kot "pripravljalni korak" pred reakcijami oksidativne fosforilacije, ki so značilne za celice z aerobno presnovo.

Encimi, ki sodelujejo v glikolizi

Glikoliza je mogoča le zaradi sodelovanja 10 encimov, ki katalizirajo reakcije, ki so značilne za to pot. Mnogi od teh encimov so alosterni in spremenijo obliko ali konformacijo, kadar izvajajo svoje katalitične funkcije.

Obstajajo encimi, ki prekinejo in tvorijo kovalentne vezi med njihovimi substrati, obstajajo pa tudi drugi, ki za svoje funkcije potrebujejo posebne kofaktorje, predvsem kovinske ione.

Strukturno gledano imajo vsi glikolitični encimi središče, ki je v glavnem sestavljeno iz vzporednih β listov, obdanih z vijaki α in razporejenih na več kot eni domeni. Poleg tega so ti encimi značilni po tem, da so njihova aktivna mesta običajno na vezavnih mestih med domenami.

Pomembno je tudi opozoriti, da glavna regulacija poti poteka skozi nadzor (hormonskih ali presnovnih) encimov, kot so hekokinaza, foshofruktokinaza, gliceraldehid 3-fosfat dehidrogenaza in piruvat kinaza.

Glavne točke regulacije glikolitične poti (Vir: Gregor 0492 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) prek Wikimedia Commons)

1- hekokinaza (HK)

Prvo reakcijo glikolize (fosforilacija glukoze) katalizira hekokinaza (HK), katere mehanizem delovanja je sestavljen iz substrata, "induciranega zategovanja", ki spodbuja "zaklep" encima okoli ATP in glukoze (njenih substratov), ​​ko se veže nanje.

Glede na organizem, ki ga obravnavamo, je lahko en ali več izoencimov, katerih molekulska masa se giblje med 50 (približno 500 aminokislin) in 100 kDa, saj se zdi, da se združijo v obliki dimerjev, katerih tvorba je ugodna zaradi prisotnosti glukoznih, magnezijevih ionov in ATP.

Hekokinaza ima terciarno strukturo, sestavljeno iz odprtih listov alfa in beta, čeprav je pri teh encimih veliko strukturnih razlik.

2- fosfoglukozna izomeraza (PGI)

Glukoza, fosforilirana s hekokinazo, je izomerizirana v fruktozo 6-fosfat prek fosfoglukozne izomeraze (PGI), znana tudi kot glukozna 6-fosfatna izomeraza. Encim torej ne odstrani ali doda atomov, ampak jih preuredi na strukturni ravni.

To je aktivni encim v svoji dimerni obliki (monomer tehta več ali manj 66 kDa) in sodeluje ne le pri glikolizi, temveč tudi pri glukoneogenezi, pri sintezi ogljikovih hidratov v rastlinah itd.

3- foshofruktokinaza (PFK)

Fruktozni 6-fosfat je substrat za encim foshofruktokinaza, ki je sposoben ponovne fosforilacije te molekule z uporabo ATP kot darovalca fosforilne skupine, pri čemer tvori fruktozo 1,6-bisfosfat.

Ta encim obstaja v bakterijah in sesalcih kot homotetramerski encim (sestavljen iz štirih enakih podenot 33 kDa vsaka za bakterije in 85 kDa vsaka pri sesalcih), v kvasovkah pa je oktamer (sestavljen iz večjih podenot, med 112 in 118 kDa).

Je alosterni encim, kar pomeni, da ga nekateri njegovi produkti (ADP) in druge molekule, kot sta ATP in citrat, pozitivno ali negativno uravnavajo.

4- Aldolasse

Znan tudi kot fruktoza 1,6-bisfosfat aldolaza, aldolaza katalizira katalitični razpad fruktoze 1,6-bisfosfata v dihidroksiaceton fosfat in gliceraldehid 3-fosfat ter obratno reakcijo, to je združitev obeh sladkorjev za nastanek fruktoza 1,6-bisfosfat.

Z drugimi besedami, ta encim fruktozo 1,6-bisfosfat razreže desno na pol in tako sprosti dve fosforilirani 3-ogljikovi spojini. Aldolase sestavljajo tudi 4 enake podenote, vsaka s svojim aktivnim mestom.

Določen je obstoj dveh razredov (I in II) tega encima, ki ju razlikujemo po mehanizmu reakcije, ki jo katalizirajo, in ker se nekateri (prvi) pojavljajo pri bakterijah in "nižjih" evkariotih, drugi pa ( drugi) so v bakterijah, protetikih in metazojih.

"Višjo" evkariontsko aldolazo sestavlja homotetramer podenot z molekulsko maso 40 kDa, od katerih je vsaka sestavljena iz 8 β / α listov.

5- triozna fosfatna izomeraza (TIM)

Obe fosforilirani triozi se lahko medsebojno pretvarjata zahvaljujoč delovanju trioze-fosfatne izomeraze, ki omogoča uporabo obeh sladkorjev v celotni glikolizi, kar zagotavlja polno uporabo vsake molekule glukoze, ki vstopi v pot.

Ta encim je bil opisan kot "popoln" encim, saj katalizira opisano reakcijo približno trilijonkrat hitreje, kot bi se zgodil brez vaše udeležbe. Njegovo aktivno mesto je v središču strukture beta-sodov, značilne za številne glikolitične encime.

To je dimerni protein, ki ga sestavljata dve enaki podenoti s približno 27 kDa, obe z globinsko strukturo.

6- gliceraldehid 3-fosfat dehidrogenaza (GAPDH)

Gseceraldehid 3-fosfat, ki nastane z delovanjem aldolaze in trioze fosfatne izomeraze, služi kot substrat za GAPDH, ki je homotetramerski encim (34-38 kDa vsaka podenota), ki se kolaborativno veže na molekulo NAD + v vsaki njegovih 4 aktivnih mest, pa tudi 2 fosfatna ali sulfatna iona.

V tem koraku poti encim omogoča fosforilacijo enega od njegovih substratov z uporabo anorganskega fosfata kot darovalca fosforilne skupine s sočasno redukcijo dveh molekul NAD + in proizvodnjo 1,3-bisfosfoglicerata.

7- fosfogliceratna kinaza (PGK)

Fosfogliceratna kinaza je odgovorna za prenos ene od fosfatnih skupin 1,3-bisfosfoglicerata v molekulo ADP s fosforilacijo na ravni substrata. Ta encim uporablja mehanizem, podoben mehanizmu, ki ga uporablja hekokinaza, saj se ob stiku na svojih substratih zapre in jih varuje pred motenimi molekulami vode.

Ta encim ima, tako kot drugi, ki uporabljata dva ali več substratov, mesto vezave za ADP in drugega za sladkorni fosfat.

Za razliko od drugih opisanih encimov je ta protein 44 kDa monomer z bilobalno strukturo, sestavljen iz dveh področij enake velikosti, povezanih z ozkim "razcepom".

8- fosfogliceratna mutaza

3-fosfoglicerat prehaja iz fosfatne skupine na ogljik 2 v sredini molekule, kar predstavlja strateško mesto nestabilnosti, ki olajša nadaljnji prenos skupine v molekulo ATP v zadnji reakciji poti.

To preureditev katalizirata encim fosfogliceratna mutaza, dimerni encim za človeka in tetramerik za kvas z velikostjo podenote blizu 27 kDa.

9- Enolaz

Enolaz katalizira dehidracijo 2-fosfoglicerata v fosfoenolpiruvat, kar je nujen korak za tvorbo ATP v naslednji reakciji.

Je dimerni encim, sestavljen iz dveh identičnih podenot 45 kDa. Od magnezijevih ionov je odvisno od njegove stabilnosti in spremembe konformacije, potrebne za vezavo na njegovo podlago. Je eden izmed encimov, ki se najbolj izloča v citosolu številnih organizmov in poleg glikolitičnih opravlja tudi funkcije.

10- Piruvat kinaza

Drugo fosforilacijo na ravni substrata, ki se pojavi pri glikolizi, katalizira piruvat kinaza, ki je odgovorna za prenos fosforilne skupine iz fosfoenolpiruvata v ADP in za proizvodnjo piruvata.

Ta encim je bolj kompleksen kot kateri koli od drugih glikolitičnih encimov, pri sesalcih pa je homotetramerni encim (57 kDa / podenota). V vretenčarjih so vsaj 4 izoencimi: L (v jetrih), R (v eritrocitih), M1 (v mišicah in možganih) in M2 (plodno tkivo in tkiva odraslih).

Faze glikolize (korak za korakom)

Glikolitična pot je sestavljena iz desetih zaporednih korakov in se začne z eno molekulo glukoze. Med postopkom se molekula glukoze "aktivira" ali "pripravi" z dodatkom dveh fosfatov, kar obrne dve molekuli ATP.

Nato se "razreže" na dva drobca in na koncu se nekajkrat kemično spremeni, sintetizira štiri molekule ATP, tako da čisti dobiček na poti ustreza dvema molekulama ATP.

Iz zgoraj navedenega je mogoče sklepati, da je pot razdeljena na fazo "naložbe" v energijo, ki je temeljna za popolno oksidacijo molekule glukoze, in drugo fazo "pridobivanja" energije, kjer se prvotno uporabljena energija nadomesti in dobita dve. neto molekule ATP.

- faza naložbe v energijo

1- Prvi korak glikolitične poti je sestavljen iz fosforilacije glukoze, posredovane s hekokinazo (HK), za katero encim uporablja eno molekulo ATP za vsako molekulo glukoze, ki jo fosforilira. Je nepovratna reakcija in je odvisna od prisotnosti magnezijevih ionov (Mg2 +):

Glukoza + ATP → 6-fosfat glukoze + ADP

2- Tako ustvarjen glukozni 6-fosfat se izomerira v fruktozo 6-fosfat zahvaljujoč delovanju encima fosfoglukozna izomeraza (PGI). To je povratna reakcija in ne vključuje dodatnih izdatkov za energijo:

Glukoza 6-fosfat → Fruktoza 6-fosfat

3- Nato drugi korak energetske inverzije vključuje fosforilacijo fruktoze 6-fosfata, da nastane fruktoza 1,6-bisfosfat. To reakcijo katalizira encim foshofruktokinaza-1 (PFK-1). Kot prvi korak na poti je molekula darovalca fosfatne skupine ATP in je tudi nepovratna reakcija.

Fruktoza 6-fosfat + ATP → Fruktoza 1,6-bisfosfat + ADP

4- V tej stopnji glikolize pride do katalitičnega razpada fruktoze 1,6-bisfosfata na dihidroksiaceton fosfat (DHAP), ketoze in gliceraldehid 3-fosfata (GAP), aldoze. Kondenzacija aldola katalizira encim aldolaza in je reverzibilen proces.

Fruktoza 1,6-bisfosfat → Dihidroksiaceton fosfat + gliceraldehid 3-fosfat

5- Zadnja reakcija energetske inverzijske faze je sestavljena iz medsebojne pretvorbe trioznega fosfata DHAP in GAP, ki jo katalizira encim trioza-fosfatna izomeraza (TIM), dejstvo, ki ne zahteva dodatnega vnosa energije in je tudi reverzibilen postopek.

Dihidroksiaceton fosfat ↔ 3-fosfat glicerraldehid 3

- faza pridobivanja energije

6- Gseceraldehid 3-fosfat se v glikolitični poti uporablja "navzdol" kot substrat za oksidacijsko reakcijo in drugi za fosforilacijo, katalizirano z istim encimom, gliceraldehidno 3-fosfat dehidrogenazo (GAPDH).

Encim katalizira oksidacijo C-ogljika v molekuli do karboksilne kisline in njeno fosforilacijo v istem položaju, pri čemer nastane 1,3-bisfosfoglicerat. Med reakcijo se za vsako molekulo glukoze zmanjšata 2 molekuli NAD +, uporabijo pa se 2 molekuli anorganskega fosfata.

2-glicerraldehid 3-fosfat + 2NAD + + 2Pi → 2 (1,3-bisfosfoglicerat) + 2NADH + 2H

V aerobnih organizmih vsak proizveden NADH skozi elektronsko transportno verigo služi kot substrat za sintezo 6 molekul ATP z oksidativno fosforilacijo.

7- To je prvi korak sinteze ATP v glikolizi in vključuje delovanje fosfoglicerat kinaze (PGK) na 1,3-bisfosfoglicerat, pri čemer se fosforilna skupina (fosforilacija na ravni substrata) prenese iz te molekule v molekulo ADP, pri čemer dobimo 2ATP in 2 molekuli 3-fosfoglicerata (3PG) za vsako molekulo glukoze.

2 (1,3-bisfosfoglicerat) + 2ADP → 2 (3-fosfoglicerat) + 2ATP

8- 3-fosfoglicerat služi kot substrat za encim fosfoglicerat mutazo (PGM), ki ga pretvori v 2-fosfoglicerat s premestitvijo fosforilne skupine iz ogljika 3 v ogljik 2 z dvostopenjsko reakcijo, ki je reverzibilna in odvisna od magnezijevi ioni (Mg + 2).

2 (3-fosfoglicerat) → 2 (2-fosfoglicerat)

9- Enzim enolaza dehidrira 2-fosfoglicerat in tvori fosfoenolpiruvat (PEP) z reakcijo, ki ne upravičuje dodajanja dodatne energije in katere namen je ustvariti visokoenergijsko spojino, ki lahko darovala svojo fosforilno skupino v nadaljevanju reakcija.

2 (2-fosfoglicerat) → 2 fosfoenolpiruvat

10- Fosfoenolpiruvat je substrat za encim piruvat kinaza (PYK), ki je odgovoren za prenos fosforilne skupine v tej molekuli v molekulo ADP, s čimer katalizira še eno reakcijo fosforilacije na ravni substrata.

V reakciji nastaneta molekuli 2ATP in 2 piruvata za vsako glukozo in potrebna je prisotnost kalija in magnezija v ionski obliki.

2fosfoenolpiruvat + 2ADP → 2Pyruvate + 2ATP

Neto izkoristek glikolize na ta način sestoji iz 2ATP in 2NAD + za vsako molekulo glukoze, ki vstopi v pot.

Če gre za celice z aerobnim metabolizmom, potem celotna razgradnja molekule glukoze povzroči med 30 in 32 ATP skozi Krebsov cikel in elektronsko transportno verigo.

Produkti glikolize

Splošna reakcija glikolize je naslednja:

Glukoza + 2NAD + + 2ADP + 2Pi → 2Pyruvate + 2ATP + 2NADH + 2H +

Če na kratko analiziramo, bi lahko zagotovili, da so glavni proizvodi glikolitične poti piruvat, ATP, NADH in H.

Vendar je presnovna usoda vsakega reakcijskega posrednika v veliki meri odvisna od celičnih potreb, zato se lahko vsi vmesni proizvodi štejejo za produkte reakcije in jih lahko naštejemo na naslednji način:

- 6-fosfat glukoze

- Fruktozni 6-fosfat

- Fruktoza 1,6-bisfosfat

- dihidroksiaceton fosfat in gliceraldehid 3-fosfat

- 1,3-bisfosfoglicerat

- 3-fosfoglicerat in 2-fosfoglicerat

- fosfoenolpiruvat in piruvat

Pomen

Kljub temu, da glikoliza sama (lahko bi govorili o anaerobni glikolizi) ustvari le približno 5% ATP, ki ga lahko ekstrahiramo iz aerobnega katabolizma glukoze, je ta metabolična pot bistvena iz več razlogov:

- Služi kot "hiter" vir energije, zlasti v okoliščinah, ko mora žival hitro počivati, pri čemer postopki aerobne oksidacije ne bi bili dovolj hitri.

- "bela" skeletna mišična vlakna v človeškem telesu, na primer, so hitro sukajoča se vlakna in so odvisna od delovanja anaerobne glikolize.

- Ko mora celica iz nekega razloga opraviti brez nekaterih svojih mitohondrij (to so organeli, ki med drugim izvajajo oksidativno fosforilacijo dela glikolitičnih produktov), ​​postane celica bolj odvisna od energije, ki jo pridobi glikolitična pot.

- Številne celice so odvisne od glukoze kot vira energije preko glikolitikov, med njimi izstopajo rdeče krvne celice , ki nimajo notranjih organelov, in očesne celice (zlasti tiste roženice), ki nimajo visoke gostote mitohondrijev.

Reference

1. Canback, B., Andersson, SGE in Kurland, CG (2002). Globalna filogenija glikolitičnih encimov. Zbornik Nacionalne akademije znanosti, 99 (9), 6097-6102.
2. Chaudhry R, ​​Varacallo M. Biokemija, glikoliza. . V: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing; 2020. januar. Dostopno od: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK482303/
3. Fothergill-Gilmore, LA, in Michels, PA (1993). Evolucija glikolize. Napredek v biofiziki in molekularni biologiji, 59 (2), 105–235.
4. Kim, JW, & Dang, CV (2005). Večplastne vloge glikolitičnih encimov. Trendi v biokemijskih znanostih, 30 (3), 142-150.
5. Kumari, A. (2017). Sweet Biochemistry: Pomnjenje struktur, ciklov in poti z mnemonike. Akademski tisk.
6. Li, XB, Gu, JD, & Zhou, QH (2015). Pregled aerobne glikolize in njenih ključnih encimov - novi cilji za zdravljenje pljučnega raka. Rak prsnega koša, 6 (1), 17–24.