GLYKOLÝZA: FUNKCIE, ENZÝMY, FÁZY, PRODUKTY, VÝZNAM - BIOLÓGIE

Glykolýza alebo glykolýza je hlavnou cestou katabolizmu glukózy, ktorého konečným cieľom je na výrobu energie v na forme ATP a redukčné schopnosť vo v podobe NADH, z tohto sacharidov.

Táto cesta, ktorú v 30. rokoch 20. storočia úplne objasnili Gustav Embden a Otto Meyerhof pri štúdiu spotreby glukózy v bunkách kostrových svalov, pozostáva z úplnej oxidácie tohto monosacharidu a sama osebe predstavuje anaeróbnu cestu pre získavanie energie.

Molekulárna štruktúra ATP, jedného z glykolytických produktov (Zhrnutie glykolytickej dráhy (Zdroj: Tekks v angličtine Wikipedia / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) prostredníctvom Wikimedia Commons) prostredníctvom Wikimedia Commons)

Je to jedna z hlavných metabolických ciest, pretože sa vyskytuje so svojimi rozdielmi vo všetkých živých organizmoch, ktoré existujú, jednobunkové alebo viacbunkové, prokaryotické alebo eukaryotické, a považuje sa za reťaz reakcií, ktorá je v prírode evolučne vysoko konzervovaná.

V skutočnosti existujú niektoré organizmy a typy buniek, ktoré závisia výlučne od tejto cesty, aby prežili.

V prvom prípade glykolýza spočíva v oxidácii glukózy zo 6 atómov uhlíka na pyruvát, ktorý má tri atómy uhlíka; so sprievodnou produkciou ATP a NADH, užitočné pre bunky z metabolického a syntetického hľadiska.

V bunkách schopných ďalšieho spracovania produktov získaných z glukózového katabolizmu sa glykolýza končí produkciou oxidu uhličitého a vody Krebsovým cyklom a elektrónovým transportným reťazcom (aeróbna glykolýza).

V priebehu glykolytickej dráhy nastáva desať enzymatických reakcií, a hoci regulácia týchto reakcií sa môže medzi jednotlivými druhmi trochu líšiť, regulačné mechanizmy sú tiež pomerne zachované.

Funkcie glykolýzy

Z metabolického hľadiska je glukóza jedným z najdôležitejších uhľohydrátov pre všetky živé bytosti.

Je to stabilná a veľmi rozpustná molekula, takže sa môže relatívne ľahko prenášať cez celé telo zvieraťa alebo rastliny, odkiaľ sa skladuje a / alebo získava do miesta, kde je potrebné ako palivové palivo.

Štruktúra glukózy (Zdroj: Oliva93 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) prostredníctvom Wikimedia Commons)

Chemická energia obsiahnutá v glukóze je využívaná živými bunkami prostredníctvom glykolýzy, ktorá pozostáva z radu vysoko kontrolovaných krokov, pomocou ktorých sa môže energia uvoľnená oxidáciou tohto uhľohydrátu „zachytiť“ do použiteľnejších foriem energie. , a preto je dôležitá.

Touto cestou sa získava nielen energia (ATP) a redukčná sila (NADH), ale tiež poskytuje rad metabolických sprostredkovateľov, ktorí sú súčasťou iných ciest, dôležitých aj z anabolických (biosyntetických) a všeobecné fungovanie buniek. Tu je zoznam:

- glukóza-6-fosfát pre pentózový fosfátový kanál (PPP)

- Pyruvát na mliečne kvasenie

- Pyruvát na syntézu aminokyselín (najmä alanín)

- Pyruvát pre cyklus trikarboxylovej kyseliny

- Fruktóza 6-fosfát, glukóza-6-fosfát a dihydroxyacetónfosfát, ktoré fungujú ako „stavebné kamene“ na iných cestách, ako je syntéza glykogénu, mastných kyselín, triglyceridov, nukleotidov, aminokyselín atď.

Výroba energie

Množstvo ATP produkované glykolytickou cestou, keď bunka, ktorá ju produkuje, nemôže žiť v aeróbnych podmienkach, je dostatočné na zabezpečenie energetických potrieb bunky, keď je spojená s rôznymi typmi fermentačných procesov.

Pokiaľ však ide o aeróbne bunky, glykolýza tiež slúži ako núdzový zdroj energie a slúži ako „prípravný krok“ pred oxidačnými fosforylačnými reakciami, ktoré charakterizujú aeróbne metabolizované bunky.

Enzýmy podieľajúce sa na glykolýze

Glykolýza je možná iba vďaka účasti 10 enzýmov, ktoré katalyzujú reakcie, ktoré charakterizujú túto dráhu. Mnoho z týchto enzýmov je alosterických a mení tvar alebo konformáciu, keď vykonávajú svoje katalytické funkcie.

Existujú enzýmy, ktoré štiepia a tvoria kovalentné väzby medzi ich substrátmi a existujú ďalšie, ktoré vyžadujú špecifické kofaktory, aby vykonávali svoje funkcie, najmä kovové ióny.

Štrukturálne povedané, všetky glykolytické enzýmy majú centrum pozostávajúce v podstate z paralelných p listov obklopených a helixmi a usporiadaných do viac ako jednej domény. Ďalej sa tieto enzýmy vyznačujú tým, že ich aktívne miesta sú zvyčajne na väzobných miestach medzi doménami.

Je tiež dôležité poznamenať, že hlavná regulácia dráhy prechádza kontrolou (hormonálnych alebo metabolitov) enzýmov, ako je hexokináza, fosfhofruktokináza, glyceraldehyd 3-fosfátdehydrogenáza a pyruvátkináza.

Hlavné body regulácie glykolytickej dráhy (Zdroj: Gregor 0492 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) prostredníctvom Wikimedia Commons)

1-Hexokináza (HK)

Prvá reakcia glykolýzy (fosforylácia glukózy) je katalyzovaná hexokinázou (HK), ktorej mechanizmus pôsobenia sa zdá byť tvorený substrátom „indukovaného sprísnenia“, ktorý podporuje „zámok“ enzýmu okolo ATP a glukózy (jej substrátov), hneď ako sa na ne viaže.

V závislosti od organizmu, ktorý sa zvažuje, môže existovať jeden alebo viac izoenzýmov, ktorých molekulová hmotnosť sa pohybuje medzi 50 (okolo 500 aminokyselín) a 100 kDa, pretože sa zdá, že sa zoskupujú do formy dimérov, ktorých tvorba je podporovaná prítomnosťou glukózy, iónov horčíka. a ATP.

Hexokináza má terciárnu štruktúru zloženú z otvorených listov alfa a beta, hoci v týchto enzýmoch je veľa štruktúrnych rozdielov.

2-Fosfoglukózaizomeráza (CHZO)

Glukóza fosforylovaná hexokinázou je izomerizovaná na fruktózu 6-fosfát prostredníctvom fosfoglukózoizomerázy (PGI), známej tiež ako glukóza-6-fosfát izomeráza. Enzým potom neodstraňuje ani nepridáva atómy, ale preusporiadava ich na štruktúrnej úrovni.

Je to aktívny enzým vo svojej dimérnej forme (monomér váži viac alebo menej 66 kDa) a podieľa sa nielen na glykolýze, ale aj na glukoneogenéze, na syntéze uhľohydrátov v rastlinách atď.

3-fosfofruktokináza (PFK)

Fruktóza-6-fosfát je substrátom pre enzým fosfofruktokináza, ktorý je schopný re-fosforylovať túto molekulu pomocou ATP ako donora fosforylovej skupiny, čím sa získa fruktóza 1,6-bisfosfát.

Tento enzým existuje v baktériách a cicavcoch ako homotetramerický enzým (tvorený štyrmi identickými podjednotkami 33 kDa pre baktérie a 85 kDa pre cicavce) a v kvasinkách je oktamér (tvorený z väčších podjednotiek medzi 112 a 118 kDa).

Je to alosterický enzým, čo znamená, že je pozitívne alebo negatívne regulovaný niektorými z jeho produktov (ADP) a inými molekulami, ako je ATP a citrát.

4-Aldoláza

Aldoláza, tiež známa ako fruktóza 1,6-bisfosfát aldoláza, katalyzuje katalytické štiepenie fruktózy 1,6-bisfosfátu na dihydroxyacetón fosfát a glyceraldehyd 3-fosfát a spätnú reakciu, to znamená spojenie oboch cukrov za vzniku fruktóza 1,6-bisfosfát.

Inými slovami, tento enzým štiepi fruktózu 1,6-bisfosfát priamo na polovicu a uvoľňuje dve fosforylované 3-uhlíkové zlúčeniny. Aldolaza je tiež zložená zo 4 rovnakých podjednotiek, z ktorých každá má svoje vlastné aktívne miesto.

Bola stanovená existencia dvoch tried (I a II) tohto enzýmu, ktoré sa líšia mechanizmom reakcie, ktorú katalyzujú, a pretože niektoré (prvé) sa vyskytujú v baktériách a „nižších“ eukaryotoch, a ďalšie ( za druhé) sú v baktériách, protistoch a metazoánoch.

„Vyššia“ eukaryotická aldoláza pozostáva z homotetraméru 40 kDa podjednotiek molekulovej hmotnosti, z ktorých každá pozostáva z valca zloženého z 8 p / a listov.

5-Trióza fosfát izomeráza (TIM)

Tieto dve fosforylované triózy sa môžu vzájomne premieňať vďaka pôsobeniu triose-fosfát izomerázy, ktorá umožňuje použitie oboch cukrov počas glykolýzy, čo zaisťuje plné využitie každej molekuly glukózy, ktorá vstupuje do dráhy.

Tento enzým bol opísaný ako „dokonalý“ enzým, pretože katalyzuje opísanú reakciu asi triliónkrát rýchlejšie, ako by nastala bez vašej účasti. Jeho aktívne miesto je v strede beta-valcovej štruktúry, charakteristickej pre mnoho glykolytických enzýmov.

Je to dimérny proteín, ktorý sa skladá z dvoch identických podjednotiek približne 27 kDa, obidve majú globulárnu štruktúru.

6-Glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenáza (GAPDH)

Glyceraldehyd 3-fosfát produkovaný pôsobením aldolázy a triózafosfát izomerázy slúži ako substrát pre GAPDH, čo je homotetramerický enzým (každá 34 až 38 kDa podjednotka), ktorý sa kooperatívne viaže na molekulu NAD + v každej z nich svojich 4 aktívnych miest, ako aj 2 fosfátových alebo sulfátových iónov.

V tomto kroku dráhy enzým umožňuje fosforyláciu jedného zo svojich substrátov s použitím anorganického fosfátu ako donora fosforylovej skupiny, so súčasnou redukciou dvoch molekúl NAD + a produkciou 1,3-bisfosfoglycerátu.

7-Fosfoglycerátkináza (PGK)

Fosfoglycerátkináza je zodpovedná za prenos jednej z fosfátových skupín 1,3-bisfosfoglycerátu na molekulu ADP fosforyláciou na úrovni substrátu. Tento enzým používa mechanizmus podobný tomu, ktorý používa hexokináza, pretože sa uzatvára pri kontakte so svojimi substrátmi a chráni ich pred interferujúcimi molekulami vody.

Tento enzým, rovnako ako iné, ktoré používajú dva alebo viac substrátov, má väzobné miesto pre ADP a ďalšie pre fosfát cukru.

Na rozdiel od iných opísaných enzýmov je týmto proteínom monomér s molekulovou hmotnosťou 44 kDa s bilobálnou štruktúrou, ktorý sa skladá z dvoch domén rovnakej veľkosti spojených úzkou štrbinou.

8-Fosfoglycerát mutáza

3-Fosfoglycerát prechádza zmenou fosfátovej skupiny na uhlík 2 v strede molekuly, čo predstavuje miesto strategickej nestability, ktoré uľahčuje následný prenos skupiny na molekulu ATP pri poslednej reakcii dráhy.

Toto preusporiadanie je katalyzované enzýmom fosfoglycerát mutáza, dimérnym enzýmom pre človeka a tetramerickým pre kvasinky, s veľkosťou podjednotky blízkou 27 kDa.

9 - Enolasa

Enoláza katalyzuje dehydratáciu 2-fosfoglycerátu na fosfoenolpyruvát, čo je nevyhnutný krok na tvorbu ATP v nasledujúcej reakcii.

Je to dimérny enzým zložený z dvoch identických 45 kDa podjednotiek. Závisí to od iónov horčíka, pokiaľ ide o jeho stabilitu a konformačné zmeny potrebné na naviazanie na jeho substrát. Je to jeden z najčastejšie sa vyskytujúcich enzýmov v cytosóle mnohých organizmov a okrem glykolytických plní aj funkcie.

10- Pyruvátkináza

Druhá fosforylácia na úrovni substrátu, ktorá sa vyskytuje pri glykolýze, je katalyzovaná pyruvátkinázou, ktorá je zodpovedná za prenos fosforylovej skupiny z fosfoenolpyruvátu na ADP a za produkciu pyruvátu.

Tento enzým je komplexnejší ako ktorýkoľvek z ostatných glykolytických enzýmov a u cicavcov je to homotetramerický enzým (57 kDa / podjednotka). Na stavovcoch sú najmenej 4 izoenzýmy: L (v pečeni), R (v erytrocytoch), M1 (vo svaloch a mozgu) a M2 (tkanivo plodu a tkanivá dospelých).

Fázy glykolýzy (krok za krokom)

Glykolytická dráha pozostáva z desiatich postupných krokov a začína jednou molekulou glukózy. Počas tohto procesu je molekula glukózy "aktivovaná" alebo "pripravená" s pridaním dvoch fosfátov, čím dochádza k obráteniu dvoch molekúl ATP.

Následne je "rozštiepený" na dva fragmenty a nakoniec je niekoľkokrát chemicky modifikovaný, syntetizujúc štyri ATP molekuly, takže čistý zisk na trase zodpovedá dvom ATP molekulám.

Z vyššie uvedeného je možné odvodiť, že cesta je rozdelená na energetickú „investičnú“ fázu, ktorá je nevyhnutná na úplnú oxidáciu glukózovej molekuly, a ďalšiu energetickú „ziskovú“ fázu, kde sa pôvodne použitá energia nahradí a získajú sa dve. čisté molekuly ATP.

- fáza investovania do energie

1 - Prvý krok glykolytickej dráhy pozostáva z fosforylácie glukózy sprostredkovanej hexokinázou (HK), pri ktorej enzým používa jednu molekulu ATP pre každú molekulu fosforylovanej glukózy. Je to ireverzibilná reakcia a závisí od prítomnosti iónov horčíka (Mg2 +):

Glukóza + ATP → 6-fosfát glukózy + ADP

2- Takto vyrobený glukózový 6-fosfát je izomerizovaný na fruktózu 6-fosfát vďaka pôsobeniu enzýmu fosfoglukóza izomerázy (PGI). Toto je reverzibilná reakcia a nevyžaduje ďalšie výdavky na energiu:

Glukóza 6-fosfát → Fruktóza 6-fosfát

3 - Ďalším krokom inverzie energie je fosforylácia fruktózy 6-fosfátu za vzniku fruktózy 1,6-bisfosfátu. Táto reakcia je katalyzovaná enzýmom fosfhofructokináza-1 (PFK-1). Rovnako ako prvý krok v ceste, donorová molekula fosfátovej skupiny je ATP a je to tiež ireverzibilná reakcia.

Fruktóza 6-fosfát + ATP → Fruktóza 1,6-bisfosfát + ADP

4 - V tomto stupni glykolýzy dochádza k katalytickému rozkladu 1,6-bisfosfátu fruktózy na fosfát dihydroxyacetón fosfát (DHAP), ketózu a glyceraldehyd 3-fosfát (GAP), aldózu. Táto kondenzácia aldolu je katalyzovaná enzýmom aldolázou a je reverzibilným procesom.

Fruktóza 1,6-bisfosfát → dihydroxyacetónfosfát + glyceraldehyd 3-fosfát

5 - Posledná reakcia fázy energetickej inverzie spočíva v vzájomnej premene triosfosfátu DHAP a GAP katalyzovanej enzýmom triose-fosfát izomeráza (TIM), čo je skutočnosť, ktorá nevyžaduje ďalší príjem energie a je tiež reverzibilným procesom.

Dihydroxyaceton fosfát ↔ Glyceraldehyd 3-fosfát

- fáza energetického zisku

6-Glyceraldehyd-3-fosfát sa používa "downstream" v glykolytickej ceste ako substrát pre oxidačnú reakciu a ďalší pre fosforyláciu, katalyzovaný rovnakým enzýmom, glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenáza (GAPDH).

Enzým katalyzuje oxidáciu uhlíka uhlíka molekuly na karboxylovú kyselinu a jej fosforyláciu v rovnakej polohe za vzniku 1,3-bisfosfoglycerátu. V priebehu reakcie sa redukujú 2 molekuly NAD + pre každú molekulu glukózy a použijú sa 2 molekuly anorganického fosfátu.

2Glyceraldehyd 3-fosfát + 2NAD + + 2Pi → 2 (1,3-bisfosfoglycerát) + 2NADH + 2H

V aeróbnych organizmoch každý takto vyrobený NADH prechádza reťazcom transportu elektrónov a slúži ako substrát pre syntézu 6 molekúl ATP oxidačnou fosforyláciou.

7- Toto je prvý krok syntézy ATP v glykolýze a zahŕňa pôsobenie fosfoglycerátkinázy (PGK) na 1,3-bisfosfoglycerát, prenos fosforylovej skupiny (fosforylácia na úrovni substrátu) z tejto molekuly na molekulu ADP, čím sa získajú 2ATP a 2 molekuly 3-fosfoglycerátu (3PG) pre každú molekulu glukózy.

2 (1,3-bisfosfoglycerát) + 2ADP → 2 (3-fosfoglycerát) + 2ATP

8- 3-fosfoglycerát slúži ako substrát pre enzým fosfoglycerát mutáza (PGM), ktorý ho premieňa na 2-fosfoglycerát vytesnením fosforylovej skupiny z uhlíka 3 na uhlík 2 prostredníctvom dvojkrokovej reakcie, ktorá je reverzibilná a závisí od ióny horčíka (Mg + 2).

2 (3-fosfoglycerát) → 2 (2-fosfoglycerát)

9 - Enolázový enzým dehydratuje 2-fosfoglycerát a produkuje fosfoenolpyruvát (PEP) reakciou, ktorá nezaručuje pridanie ďalšej energie a ktorej účelom je produkovať vysokoenergetickú zlúčeninu schopnú darovať svoju fosforylovú skupinu v nasledujúcom reakcie.

2 (2-fosfoglycerát) → 2 fosfoenolpyruvát

10- Fosfoenolpyruvát je substrátom pre enzým pyruvátkinázu (PYK), ktorý je zodpovedný za prenos fosforylovej skupiny v tejto molekule na molekulu ADP, čo katalyzuje ďalšiu fosforylačnú reakciu na úrovni substrátu.

Pri reakcii vznikajú pre každú glukózu 2ATP a 2 pyruvátové molekuly a je nevyhnutná prítomnosť draslíka a horčíka v iónovej forme.

2Phosphoenolpyruvate + 2ADP → 2Pyruvate + 2ATP

Čistý výťažok glykolýzy týmto spôsobom pozostáva z 2ATP a 2NAD + pre každú molekulu glukózy, ktorá vstupuje do dráhy.

Ak sú to bunky s aeróbnym metabolizmom, potom celková degradácia glukózovej molekuly produkuje medzi Krebsovým cyklom a transportným reťazcom elektrónov medzi 30 a 32 ATP.

Výrobky glykolýzy

Všeobecná reakcia glykolýzy je nasledovná:

Glukóza + 2NAD + + 2ADP + 2Pi → 2Pyruvát + 2ATP + 2NADH + 2H +

Preto, ak sa analyzuje stručne, je možné zabezpečiť, aby hlavnými produktmi glykolytickej dráhy boli pyruvát, ATP, NADH a H.

Metabolický osud každého z reakčných medziproduktov však do veľkej miery závisí od potrieb buniek, čo je dôvod, prečo sa všetky medziprodukty môžu považovať za reakčné produkty a možno ich uviesť takto:

- glukóza-6-fosfát

- Fruktóza 6-fosfát

- fruktóza 1,6-bisfosfát

- dihydroxyaceton fosfát a glyceraldehyd 3-fosfát

- 1,3-bisfosfoglycerát

- 3-fosfoglycerát a 2-fosfoglycerát

- Fosfoenolpyruvát a pyruvát

dôležitosť

Napriek skutočnosti, že glykolýza sama o sebe (dá sa hovoriť o anaeróbnej glykolýze), produkuje iba asi 5% ATP, ktorý sa dá extrahovať z aeróbneho katabolizmu glukózy, táto metabolická dráha je nevyhnutná z niekoľkých dôvodov:

- Slúži ako „rýchly“ zdroj energie, najmä v situáciách, keď zviera musí rýchlo prísť zo stavu pokoja, pre ktoré by aeróbne oxidačné procesy neboli dosť rýchle.

- Napríklad „biele“ vlákna kostrového svalstva v ľudskom tele sú vláknami rýchlo sa šklbajú a závisia od fungovania anaeróbnej glykolýzy.

- Ak sa z nejakého dôvodu musí bunka obísť bez niektorých mitochondrií (čo sú organely, ktoré okrem iného vykonávajú oxidačnú fosforyláciu časti glykolytických produktov), bunka sa stáva viac závislou od energie získanej glykolytická dráha.

- Mnoho buniek závisí od glukózy ako zdroja energie prostredníctvom glykolytík, medzi nimi vynikajú červené krvinky , chýbajúce vnútorné organely a bunky oka (najmä bunky rohovky), ktoré nemajú vysokú hustotu mitochondrií.

Referencie

Canback, B., Andersson, SGE a Kurland, CG (2002). Globálna fylogénia glykolytických enzýmov. Zborník Národnej akadémie vied, 99 (9), 6097-6102.
Chaudhry R, Varacallo M. Biochemistry, Glykolýza. , In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing; 2020 január. K dispozícii na adrese: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK482303/
Fothergill-Gilmore, LA a Michels, PA (1993). Vývoj glykolýzy. Pokrok v biofyzike a molekulárnej biológii, 59 (2), 105-235.
Kim, JW, a Dang, CV (2005). Mnohostranné úlohy glykolytických enzýmov. Trends in biochemical Sciences, 30 (3), 142-150.
Kumari, A. (2017). Sladká biochémia: Pamätanie štruktúr, cyklov a chodníkov od Mnemonikov. Academic Press.
Li, XB, Gu, JD a Zhou, QH (2015). Prehľad aeróbnej glykolýzy a jej kľúčových enzýmov - nové ciele liečby rakoviny pľúc. Rakovina hrudníka, 6 (1), 17-24.

GLYKOLÝZA: FUNKCIE, ENZÝMY, FÁZY, PRODUKTY, VÝZNAM - BIOLÓGIE - 2026