GLIKOLIZA TLENOWA: REAKCJE GLIKOLITYCZNE I PRODUKTY POŚREDNIE - BIOLOGIA - 2026

Glikolizy tlenowej lub tlenowych zdefiniowane jak stosowanie nadmiaru glukozy nie jest obrabiana przez utleniającą fosforylację do powstawania produktów „fermentacji” nawet w warunkach wysokiego stężenia tlenu a mimo spadku wydajności energetycznej.

Występuje powszechnie w tkankach o wysokim współczynniku proliferacji, których zużycie glukozy i tlenu jest wysokie. Przykładami tego są komórki nowotworowe, niektóre komórki pasożytnicze we krwi ssaków, a nawet komórki w niektórych obszarach mózgu ssaków.

Szlak glikolityczny (źródło:] przez Wikimedia Commons)

Energia pozyskiwana w wyniku katabolizmu glukozy jest konserwowana w postaci ATP i NADH, które są wykorzystywane w różnych szlakach metabolicznych.

Podczas glikolizy tlenowej pirogronian kierowany jest do cyklu Krebsa i łańcucha transportu elektronów, ale jest również przetwarzany na drodze fermentacji w celu regeneracji NAD + bez dodatkowej produkcji ATP, co kończy się utworzeniem mleczanu.

Glikoliza tlenowa lub beztlenowa zachodzi głównie w cytozolu, z wyjątkiem organizmów takich jak trypanosomaty, które posiadają wyspecjalizowane organelle glikolityczne zwane glikosomami.

Glikoliza jest jednym z najlepiej poznanych szlaków metabolicznych. Został całkowicie sformułowany w latach trzydziestych XX wieku przez Gustava Embdena i Otto Meyerhofa, którzy badali ścieżkę w komórkach mięśni szkieletowych. Jednak glikoliza tlenowa jest znana jako efekt Warburga od 1924 roku.

Reakcje

Tlenowy katabolizm glukozy zachodzi w dziesięciu etapach katalizowanych enzymatycznie. Wielu autorów uważa, że ​​etapy te dzielą się na fazę inwestycji energetycznej, która ma na celu zwiększenie zawartości darmowej energii u pośredników, oraz fazę wymiany i pozyskania energii w postaci ATP.

Faza inwestycji w energię

1-Fosforylacja glukozy do 6-fosforanu glukozy katalizowana przez heksokinazę (HK). W tej reakcji jedna cząsteczka ATP jest odwracana na każdą cząsteczkę glukozy, która działa jako donor grup fosforanowych. Daje glukozo-6-fosforan (G6P) i ADP, a reakcja jest nieodwracalna.

Enzym koniecznie wymaga do swojego działania wytworzenia pełnego Mg-ATP2 - dlatego wymaga jonów magnezu.

2-Izomeryzacja G6P do fruktozo-6-fosforanu (F6P). Nie wiąże się z wydatkiem energii i jest odwracalną reakcją katalizowaną przez izomerazę fosfoglukozy (PGI).

3-Fosforylacja F6P do fruktozy 1,6-bisfosforanu katalizowana przez fosfofruktokinazę-1 (PFK-1). Cząsteczka ATP jest wykorzystywana jako donor grup fosforanowych, a produktami reakcji są F1,6-BP i ADP. Dzięki wartości ∆G reakcja ta jest nieodwracalna (podobnie jak reakcja 1).

4-katalityczny rozszczepienie F1,6-BP na fosforan dihydroksyacetonu (DHAP), ketozę i 3-fosforan aldehydu glicerynowego (GAP), aldozę. Za odwracalną kondensację aldolową odpowiada enzym aldolaza.

Izomeraza fosforanu 5-triozy (TIM) jest odpowiedzialna za wzajemną przemianę fosforanu triozy: DHAP i GAP, bez dodatkowego wkładu energii.

Faza odzyskiwania energii

1-GAP jest utleniany przez dehydrogenazę gliceraldehydo-3-fosforanu (GAPDH), która katalizuje przeniesienie grupy fosforanowej do GAP z wytworzeniem 1,3-bisfosfoglicerynianu. W tej reakcji dwie cząsteczki NAD + są redukowane na cząsteczkę glukozy i używane są dwie cząsteczki nieorganicznego fosforanu.

Każdy wytworzony NADH przechodzi przez łańcuch transportu elektronów, a 6 cząsteczek ATP jest syntetyzowanych przez fosforylację oksydacyjną.

Kinaza 2-fosfoglicerynianowa (PGK) przenosi grupę fosforylową z 1,3-bisfosfoglicerynianu do ADP, tworząc dwie cząsteczki ATP i dwie 3-fosfoglicerynianowe (3PG). Ten proces jest znany jako fosforylacja na poziomie substratu.

Dwie cząsteczki ATP zużyte w reakcjach HK i PFK są zastępowane przez PGK na tym etapie szlaku.

3-3PG przekształca się w 2PG przez mutazę fosfoglicerynianową (PGM), która katalizuje przemieszczenie grupy fosforylowej między węglem 3 i 2 glicerynianu w dwóch odwracalnych etapach. Enzym ten również potrzebuje jonu magnezu.

Reakcja odwodnienia 4-A katalizowana przez enolazę przekształca 2PG w fosfoenolopirogronian (PEP) w reakcji, która nie wymaga inwestycji w energię, ale generuje związek o większym potencjale energetycznym do późniejszego przeniesienia grupy fosforanowej.

5-Wreszcie kinaza pirogronianowa (PYK) katalizuje przeniesienie grupy fosforylowej w PEP do cząsteczki ADP, przy jednoczesnym wytwarzaniu pirogronianu. Dwie cząsteczki ADP są używane na cząsteczkę glukozy i generowane są 2 cząsteczki ATP. PYK wykorzystuje jony potasu i magnezu.

Zatem całkowita wydajność energetyczna glikolizy wynosi 2 cząsteczki ATP na każdą cząsteczkę glukozy, która wchodzi do szlaku. W warunkach tlenowych całkowita degradacja glukozy polega na uzyskaniu od 30 do 32 cząsteczek ATP.

Los półproduktów glikolitycznych

Po glikolizie pirogronian ulega dekarboksylacji, wytwarzając CO2 i przekazując grupę acetylową do acetylokoenzymu A, który jest również utleniany do CO2 w cyklu Krebsa.

Elektrony uwolnione podczas tego utleniania są transportowane do tlenu poprzez mitochondrialne reakcje łańcuchowe oddechowe, które ostatecznie napędzają syntezę ATP w tych organellach.

Podczas glikolizy tlenowej, nadmiar wytwarzanego pirogronianu jest przetwarzany przez enzym dehydrogenazę mleczanową, który tworzy mleczan i regeneruje część NAD + zużytych w procesie glikolizy, ale bez tworzenia nowych cząsteczek ATP.

Mechanizm dehydrogenazy mleczanowej (źródło: Jazzlw via Wikimedia Commons)

Ponadto pirogronian może być stosowany w procesach anabolicznych, które prowadzą na przykład do powstania aminokwasu alaniny lub może również pełnić rolę szkieletu do syntezy kwasów tłuszczowych.

Podobnie jak pirogronian, końcowy produkt glikolizy, wiele półproduktów reakcji pełni inne funkcje w ważnych dla komórki szlakach katabolicznych lub anabolicznych.

Tak jest w przypadku glukozo-6-fosforanu i szlaku pentozofosforanowego, gdzie otrzymuje się rybozowe związki pośrednie obecne w kwasach nukleinowych.

Bibliografia

1. Akram, M. (2013). Mini-przegląd na temat glikolizy i raka. J. Canc. Educ., 28, 454–457.
2. Esen, E. i Long, F. (2014). Glikoliza tlenowa w osteoblastach. Curr Osteoporos Rep, 12, 433–438.
3. Haanstra, JR, González-Marcano, EB, Gualdrón-López, M. i Michels, PAM (2016). Biogeneza, utrzymanie i dynamika glikosomów u pasożytów trypanosomatycznych. Biochimica et Biophysica Acta - Molecular Cell Research, 1863 (5), 1038–1048.
4. Jones, W. i Bianchi, K. (2015). Glikoliza tlenowa: poza proliferacją. Frontiers in Immunology, 6, 1–5.
5. Kawai, S., Mukai, T., Mori, S., Mikami, B., & Murata, K. (2005). Hipoteza: budowa, ewolucja i przodek kinaz glukozowych z rodziny heksokinaz. Journal of Bioscience and Bioengineering, 99 (4), 320–330.
6. Nelson, DL i Cox, MM (2009). Zasady Lehningera biochemii. Omega Editions (wyd. 5).