AERÓBNA GLYKOLÝZA: GLYKOLYTICKÉ REAKCIE A MEDZIPRODUKTY - BIOLÓGIE - 2025

Aeróbne glykolýza alebo aeróbne definovaná ako použitie prebytku glukózy nie je spracovaný oxidatívny fosforylácie k tvorbe produktov "fermentačných", a to aj v podmienkach vysokej koncentrácie kyslíka a napriek poklesu energetickej účinnosti.

Bežne sa vyskytuje v tkanivách s vysokou mierou proliferácie, ktorých spotreba glukózy a kyslíka je vysoká. Príkladmi sú rakovinové nádorové bunky, niektoré parazitárne bunky v krvi cicavcov a dokonca bunky v niektorých oblastiach mozgu cicavcov.

Glykolytická cesta (Zdroj:] prostredníctvom Wikimedia Commons)

Energia extrahovaná katabolizmom glukózy je konzervovaná vo forme ATP a NADH, ktoré sa používajú downstream v rôznych metabolických dráhach.

Počas aeróbnej glykolýzy je pyruvát nasmerovaný na Krebsov cyklus a reťazec transportu elektrónov, ale spracováva sa tiež fermentačnou cestou na regeneráciu NAD + bez ďalšej produkcie ATP, ktorá končí tvorbou laktátu.

Aeróbna alebo anaeróbna glykolýza sa vyskytuje predovšetkým v cytosole, s výnimkou organizmov, ako sú trypanosomatidy, ktoré majú špecializované glykolytické organely známe ako glykozómy.

Glykolýza je jednou z najznámejších metabolických ciest. Úplne ju sformulovali v 30. rokoch Gustav Embden a Otto Meyerhof, ktorí študovali dráhu v bunkách kostrových svalov. Aeróbna glykolýza je známa ako Warburgov efekt od roku 1924.

reakcie

Aeróbny katabolizmus glukózy nastáva v desiatich enzymaticky katalyzovaných krokoch. Mnohí autori sa domnievajú, že tieto kroky sú rozdelené do fázy investovania do energie, ktorej cieľom je zvýšiť obsah voľnej energie u sprostredkovateľov, a na ďalšiu náhradu a získanie energie vo forme ATP.

Fáza investovania do energie

1-Fosforylácia glukózy na 6-fosfát glukózy katalyzovaný hexokinázou (HK). V tejto reakcii je jedna molekula ATP invertovaná pre každú molekulu glukózy, ktorá pôsobí ako donor fosfátovej skupiny. Poskytuje glukózu 6-fosfát (G6P) a ADP a reakcia je ireverzibilná.

Enzým nevyhnutne vyžaduje na svoju činnosť tvorbu kompletného Mg-ATP2-, a preto vyžaduje ióny horčíka.

2-Izomerizácia G6P na fruktózu 6-fosfát (F6P). Nezahŕňa energetické výdavky a je reverzibilnou reakciou katalyzovanou fosfoglukózoizomerázou (PGI).

3-Fosforylácia F6P na 1,6-bisfosfát fruktózy katalyzovaný fosfofruktokinázou-1 (PFK-1). Ako donor fosfátovej skupiny sa používa molekula ATP a reakčnými produktmi sú F1,6-BP a ADP. Vďaka svojej hodnote ∆G je táto reakcia nevratná (rovnako ako reakcia 1).

4-Katalytické rozdelenie F1,6-BP na dihydroxyaceton-fosfát (DHAP), ketózu a glyceraldehyd-3-fosfát (GAP), aldózu. Enzymatická aldoláza je zodpovedná za túto reverzibilnú kondenzáciu aldolu.

5-Triose fosfát izomeráza (TIM) je zodpovedná za vzájomnú premenu triózfosfátu: DHAP a GAP, bez ďalšieho vstupu energie.

Fáza zhodnocovania energie

1-GAP je oxidovaný glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenázou (GAPDH), ktorá katalyzuje prenos fosfátovej skupiny na GAP za vzniku 1,3-bisfosfoglycerátu. V tejto reakcii sa redukujú dve molekuly NAD + na molekulu glukózy a použijú sa dve molekuly anorganického fosfátu.

Každý vyrobený NADH prechádza elektrónovým transportným reťazcom a 6 ATP molekúl sa syntetizuje oxidačnou fosforyláciou.

2-Fosfoglycerátkináza (PGK) prenáša fosforylovú skupinu z 1,3-bisfosfoglycerátu na ADP, pričom tvoria dve molekuly ATP a dve molekuly 3-fosfoglycerátu (3PG). Tento proces je známy ako fosforylácia na úrovni substrátu.

Dve ATP molekuly spotrebované pri reakciách HK a PFK sa v tomto kroku dráhy nahradia PGK.

3-3PG sa konvertuje na 2PG fosfoglycerát mutázou (PGM), ktorá katalyzuje vytesnenie fosforylovej skupiny medzi uhlíkom 3 a 2 glycerátu v dvoch reverzibilných krokoch. Tento enzým tiež vyžaduje ión horčíka.

4-A dehydratačná reakcia katalyzovaná enolázou premieňa 2PG na fosfoenolpyruvát (PEP) v reakcii, ktorá nevyžaduje energetické investície, ale generuje zlúčeninu s väčším energetickým potenciálom pre neskorší prenos fosfátovej skupiny.

5-Nakoniec pyruvátkináza (PYK) katalyzuje prenos fosforylovej skupiny v PEP na molekulu ADP so súčasnou produkciou pyruvátu. Na molekulu glukózy sa používajú dve molekuly ADP a generujú sa dve molekuly ATP. PYK používa draselné a horečnaté ióny.

Takže celkový energetický výťažok glykolýzy sú 2 molekuly ATP pre každú molekulu glukózy, ktorá vstupuje do dráhy. Za aeróbnych podmienok úplná degradácia glukózy zahŕňa získanie medzi 30 a 32 molekulami ATP.

Osud glykolytických medziproduktov

Po glykolýze sa pyruvát podrobuje dekarboxylácii, produkuje CO2 a daruje acetylovú skupinu acetyl koenzýmu A, ktorý sa v Krebsovom cykle oxiduje aj na CO2.

Elektróny uvoľňované pri tejto oxidácii sa transportujú do kyslíka mitochondriálnymi respiračnými reťazovými reakciami, ktoré nakoniec vedú k syntéze ATP v tejto organele.

Počas aeróbnej glykolýzy sa produkovaný prebytok pyruvátu spracúva enzýmom laktátdehydrogenáza, ktorá tvorí laktát a regeneruje časť NAD + spotrebovaných krokov v glykolýze, ale bez tvorby nových molekúl ATP.

Mechanizmus laktátovej dehydrogenázy (Zdroj: Jazzlw prostredníctvom Wikimedia Commons)

Okrem toho sa pyruvát môže používať v anabolických procesoch, ktoré vedú napríklad k tvorbe alanínu aminokyseliny, alebo môže pôsobiť aj ako kostra na syntézu mastných kyselín.

Podobne ako pyruvát, konečný produkt glykolýzy, mnoho reakčných medziproduktov slúži iným funkciám v katabolických alebo anabolických dráhach dôležitých pre bunku.

To je prípad glukóza-6-fosfátu a pentózofosfátovej dráhy, kde sa získajú ribózové medziprodukty prítomné v nukleových kyselinách.

Referencie

1. Akram, M. (2013). Mini-preskúmanie Glykolýzy a rakoviny. J. Canc. Educ., 28, 454 - 457.
2. Esen, E., & Long, F. (2014). Aeróbna glykolýza v osteoblastoch. Curr Osteoporos Rep, 12, 433 - 438.
3. Haanstra, JR, González-Marcano, EB, Gualdrón-López, M. a Michels, PAM (2016). Biogenéza, udržiavanie a dynamika glykómov v parazitoch trypanosomatidov. Biochimica et Biophysica Acta - Molecular Cell Research, 1863 (5), 1038 - 1048.
4. Jones, W., a Bianchi, K. (2015). Aeróbna glykolýza: po proliferácii. Frontiers in Immunology, 6, 1-5.
5. Kawai, S., Mukai, T., Mori, S., Mikami, B. a Murata, K. (2005). Hypotéza: štruktúry, vývoj a predchodca glukózových kináz v rodine hexokináz. Journal of Bioscience and Bioengineering, 99 (4), 320-330.
6. Nelson, DL, a Cox, MM (2009). Lehningerove princípy biochémie. Vydania Omega (5. vydanie).