GLIKOLIZA: FUNKCJE, ENZYMY, FAZY, PRODUKTY, ZNACZENIE - BIOLOGIA - 2025

Glikolizy albo glikolizy jest główną drogą katabolizmu glukozy, którego głównym celem jest wytwarzanie energii w tej postaci ATP i moc redukującym w postaci NADH z tego węglowodanu.

Droga ta, w pełni wyjaśniona w latach trzydziestych XX wieku przez Gustava Embdena i Otto Meyerhofa podczas badania zużycia glukozy w komórkach mięśni szkieletowych, polega na całkowitym utlenieniu tego monosacharydu i sama w sobie stanowi beztlenowy szlak dla pozyskiwanie energii.

Struktura molekularna ATP, jednego z produktów glikolitycznych (Podsumowanie szlaku glikolitycznego (Źródło: Tekks w angielskiej Wikipedii / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) przez Wikimedia Commons) przez Wikimedia Commons)

Jest to jedna z głównych dróg metabolicznych, ponieważ występuje, z jej różnicami, we wszystkich istniejących organizmach żywych, jednokomórkowych lub wielokomórkowych, prokariotycznych lub eukariotycznych, i uważa się, że jest to łańcuch reakcji, który ewolucyjnie jest wysoce konserwatywny w przyrodzie.

W rzeczywistości istnieją organizmy i typy komórek, których przetrwanie zależy wyłącznie od tej drogi.

W pierwszym przypadku glikoliza polega na utlenieniu glukozy, zawierającej 6 atomów węgla, do pirogronianu, który ma trzy atomy węgla; z jednoczesną produkcją ATP i NADH, przydatne dla komórek z metabolicznego i syntetycznego punktu widzenia.

W komórkach zdolnych do dalszego przetwarzania produktów uzyskanych z katabolizmu glukozy glikoliza kończy się produkcją dwutlenku węgla i wody poprzez cykl Krebsa i łańcuch transportu elektronów (glikoliza tlenowa).

W trakcie szlaku glikolitycznego zachodzi dziesięć reakcji enzymatycznych i chociaż regulacja tych reakcji może być nieco inna w zależności od gatunku, mechanizmy regulacyjne są również dość konserwatywne.

Funkcje glikolizy

Z metabolicznego punktu widzenia glukoza jest jednym z najważniejszych węglowodanów dla wszystkich żywych organizmów.

Jest to stabilna i bardzo dobrze rozpuszczalna cząsteczka, dzięki czemu można ją stosunkowo łatwo transportować w całym organizmie zwierzęcia lub rośliny, skąd jest przechowywana i / lub pozyskiwana do miejsca, w którym jest potrzebna jako paliwo komórkowe.

Struktura glukozy (źródło: Oliva93 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) przez Wikimedia Commons)

Energia chemiczna zawarta w glukozie jest wykorzystywana przez żywe komórki poprzez glikolizę, która składa się z szeregu wysoce kontrolowanych etapów, w których energia uwolniona z utleniania tego węglowodanu może zostać „wychwycona” w bardziej użyteczne formy energii. , stąd jego znaczenie.

Dzięki tej drodze uzyskuje się nie tylko energię (ATP) i moc redukującą (NADH), ale także zapewnia szereg pośredników metabolicznych, które są częścią innych szlaków, również ważnych z anabolicznego (biosyntetycznego) i ogólne funkcjonowanie komórek. Oto lista:

- glukozo-6-fosforan dla szlaku pentozofosforanowego (PPP)

- Pirogronian do fermentacji mlekowej

- pirogronian do syntezy aminokwasów (głównie alaniny)

- Pirogronian dla cyklu kwasów trikarboksylowych

- fruktozo-6-fosforan, glukozo-6-fosforan i dihydroksyacetonowy fosforan, które działają jako „elementy budulcowe” na innych drogach, takich jak synteza glikogenu, kwasów tłuszczowych, trójglicerydów, nukleotydów, aminokwasów itp.

Produkcja energii

Ilość ATP wytwarzanego przez szlak glikolityczny, gdy komórka, która go produkuje, nie może żyć w warunkach tlenowych, jest wystarczająca do zaspokojenia potrzeb energetycznych komórki, gdy jest ona połączona z różnymi typami procesów fermentacyjnych.

Jednak w przypadku komórek tlenowych glikoliza służy również jako awaryjne źródło energii i służy jako „etap przygotowawczy” przed reakcjami fosforylacji oksydacyjnej, które charakteryzują komórki z metabolizmem tlenowym.

Enzymy biorące udział w glikolizie

Glikoliza jest możliwa tylko dzięki udziałowi 10 enzymów, które katalizują reakcje charakteryzujące ten szlak. Wiele z tych enzymów jest allosterycznych i zmienia kształt lub konformację, gdy pełnią swoje funkcje katalityczne.

Istnieją enzymy, które zrywają i tworzą wiązania kowalencyjne między swoimi substratami, a są inne, które do pełnienia swoich funkcji wymagają specyficznych kofaktorów, głównie jonów metali.

Mówiąc strukturalnie, wszystkie enzymy glikolityczne mają centrum składające się zasadniczo z równoległych arkuszy β otoczonych helisami α i ułożonych w więcej niż jednej domenie. Ponadto enzymy te charakteryzują się tym, że ich miejsca aktywne znajdują się zwykle w miejscach wiązania między domenami.

Należy również zauważyć, że główna regulacja szlaku przebiega poprzez kontrolę (hormonalną lub przez metabolity) enzymów, takich jak heksokinaza, fosfofruktokinaza, dehydrogenaza gliceraldehydo-3-fosforanu i kinaza pirogronianowa.

Główne punkty regulacji szlaku glikolitycznego (źródło: Gregor 0492 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) via Wikimedia Commons)

1- Heksokinaza (HK)

Pierwsza reakcja glikolizy (fosforylacja glukozy) jest katalizowana przez heksokinazę (HK), której mechanizm działania wydaje się składać się z „indukowanego zacieśnienia” substratu, który sprzyja „zablokowaniu” enzymu wokół ATP i glukozy (jej substratów) po związaniu się z nimi.

W zależności od rozpatrywanego organizmu może występować jeden lub więcej izoenzymów, których masa cząsteczkowa waha się od 50 (około 500 aminokwasów) do 100 kDa, ponieważ wydają się grupować razem w postaci dimerów, których powstawaniu sprzyja obecność glukozy, jonów magnezu i ATP.

Heksokinaza ma trzeciorzędową strukturę złożoną z otwartych arkuszy alfa i beta, chociaż istnieje wiele różnic strukturalnych w tych enzymach.

Izomeraza 2-fosfoglukozy (ChOG)

Glukoza fosforylowana przez heksokinazę jest izomeryzowana do fruktozo-6-fosforanu poprzez izomerazę fosfoglukozy (PGI), znaną również jako izomeraza glukozo-6-fosforanu. Enzym nie usuwa więc ani nie dodaje atomów, ale przestawia je na poziomie strukturalnym.

To aktywny enzym w swojej dimerycznej postaci (monomer waży mniej więcej 66 kDa) i bierze udział nie tylko w glikolizie, ale także w glukoneogenezie, syntezie węglowodanów w roślinach itp.

3-fosfofruktokinaza (PFK)

Fruktozo-6-fosforan jest substratem dla enzymu fosfofruktokinazy, który jest zdolny do ponownej fosforylacji tej cząsteczki przy użyciu ATP jako donora grup fosforylowych, wytwarzając 1,6-bisfosforan fruktozy.

Enzym ten występuje u bakterii i ssaków jako enzym homotetrameryczny (złożony z czterech identycznych podjednostek po 33 kDa każda dla bakterii i 85 kDa u ssaków), aw drożdżach jest oktamerem (złożonym z większych podjednostek, pomiędzy 112 i 118 kDa).

Jest enzymem allosterycznym, co oznacza, że ​​jest pozytywnie lub negatywnie regulowany przez niektóre jego produkty (ADP) oraz inne cząsteczki, takie jak ATP i cytrynian.

4- Aldolasse

Znana również jako aldolaza fruktozo-1,6-bisfosforanu, aldolaza katalizuje katalityczny rozkład fruktozy 1,6-bisfosforanu na fosforan dihydroksyacetonu i 3-fosforan aldehydu glicerynowego oraz reakcję odwrotną, to znaczy połączenie obu cukrów w celu utworzenia 1,6-bisfosforan fruktozy.

Innymi słowy, enzym ten przecina 1,6-bisfosforan fruktozy o połowę, uwalniając dwa fosforylowane związki 3-węglowe. Aldolaza również składa się z 4 identycznych podjednostek, z których każda ma własne miejsce aktywne.

Stwierdzono istnienie dwóch klas (I i II) tego enzymu, które różnią się mechanizmem katalizowanej przez nie reakcji i ponieważ niektóre (pierwsza) występują u bakterii i „niższych” eukariontów, a inne ( po drugie) znajdują się w bakteriach, protistach i metazoans.

„Wyższa” aldolaza eukariotyczna składa się z homotetrameru podjednostek o masie cząsteczkowej 40 kDa, z których każda składa się z beczki złożonej z 8 arkuszy β / α.

5- Izomeraza fosforanu triozy (TIM)

Dwie fosforylowane triozy mogą ulegać wzajemnej konwersji dzięki działaniu izomerazy triozowo-fosforanowej, która umożliwia wykorzystanie obu cukrów w trakcie glikolizy, zapewniając pełne wykorzystanie każdej cząsteczki glukozy, która trafia na szlak.

Enzym ten został opisany jako „doskonały” enzym, ponieważ katalizuje opisaną reakcję około bilion razy szybciej, niż miałoby to miejsce bez Twojego udziału. Jego miejsce aktywne znajduje się w centrum struktury beta-beczułki, charakterystycznej dla wielu enzymów glikolitycznych.

Jest to białko dimeryczne, złożone z dwóch identycznych podjednostek o masie około 27 kDa, obie o strukturze kulistej.

6- Dehydrogenaza 3-fosforanu gliceraldehydu (GAPDH)

3-fosforan gliceraldehydu wytwarzany w wyniku działania aldolazy i izomerazy triozofosforanowej służy jako substrat dla GAPDH, który jest enzymem homotetramerycznym (34-38 kDa każda podjednostka), który wspólnie wiąże się z cząsteczką NAD + w każdym z 4 miejsc aktywnych, a także 2 jony fosforanowe lub siarczanowe.

Na tym etapie szlaku enzym umożliwia fosforylację jednego ze swoich substratów przy użyciu nieorganicznego fosforanu jako donora grup fosforylowych, z jednoczesną redukcją dwóch cząsteczek NAD + i produkcją 1,3-bisfosfoglicerynianu.

Kinaza 7-fosfoglicerynianowa (PGK)

Kinaza fosfoglicerynianowa jest odpowiedzialna za przeniesienie jednej z grup fosforanowych 1,3-bisfosfoglicerynianu do cząsteczki ADP poprzez fosforylację na poziomie substratu. Enzym ten wykorzystuje mechanizm podobny do tego używanego przez heksokinazę, ponieważ zamyka się w kontakcie ze swoimi substratami, chroniąc je przed zakłócającymi cząsteczkami wody.

Ten enzym, podobnie jak inne, które wykorzystują dwa lub więcej substratów, ma miejsce wiązania dla ADP, a drugie dla fosforanu cukru.

W przeciwieństwie do innych opisanych enzymów, białko to jest monomerem o masie 44 kDa i strukturze dwupłatkowej, złożonym z dwóch domen tej samej wielkości połączonych wąską „szczeliną”.

8- Mutaza fosfoglicerynianowa

3-fosfoglicerynian ulega zmianie z grupy fosforanowej na węgiel 2 w środku cząsteczki, co stanowi strategiczne miejsce niestabilności, które ułatwia późniejsze przeniesienie grupy do cząsteczki ATP w ostatniej reakcji szlaku.

To przegrupowanie jest katalizowane przez enzym mutazę fosfoglicerynianową, dimeryczny enzym dla ludzi i tetrameryczny dla drożdży, o wielkości podjednostki bliskiej 27 kDa.

9- Enolase

Enolaza katalizuje odwodnienie 2-fosfoglicerynianu do fosfoenolopirogronianu, niezbędny etap do wytworzenia ATP w następnej reakcji.

Jest to dimeryczny enzym złożony z dwóch identycznych podjednostek 45 kDa. Zależy od jonów magnezu, jeśli chodzi o jego stabilność i zmianę konformacyjną niezbędną do związania się z podłożem. Jest jednym z enzymów najobficiej eksprymowanych w cytozolu wielu organizmów i spełnia funkcje oprócz glikolitycznych.

10- Kinaza pirogronianowa

Druga fosforylacja na poziomie substratu, która zachodzi podczas glikolizy, jest katalizowana przez kinazę pirogronianową, która jest odpowiedzialna za przeniesienie grupy fosforylowej z fosfoenolopirogronianu do ADP i za produkcję pirogronianu.

Enzym ten jest bardziej złożony niż jakikolwiek inny enzym glikolityczny, a u ssaków jest enzymem homotetramerycznym (57 kDa / podjednostkę). U kręgowców występują co najmniej 4 izoenzymy: L (w wątrobie), R (w erytrocytach), M1 (w mięśniach i mózgu) i M2 (w tkance płodowej i dorosłej).

Fazy ​​glikolizy (krok po kroku)

Szlak glikolityczny składa się z dziesięciu kolejnych etapów i zaczyna się od jednej cząsteczki glukozy. Podczas tego procesu cząsteczka glukozy jest „aktywowana” lub „przygotowana” poprzez dodanie dwóch fosforanów, odwracając dwie cząsteczki ATP.

Następnie jest „cięty” na dwa fragmenty, a na koniec kilkakrotnie modyfikowany chemicznie, syntetyzując po drodze cztery cząsteczki ATP, tak że zysk netto na drodze odpowiada dwóm cząsteczkom ATP.

Z powyższego można wywnioskować, że droga ta jest podzielona na fazę „inwestowania” energii, fundamentalną dla całkowitego utlenienia cząsteczki glukozy, oraz drugą fazę „zdobywania” energii, w której początkowo wykorzystana energia jest zastępowana i dwie zyskiwane. cząsteczki netto ATP.

- Faza inwestycji w energię

1- Pierwszy etap szlaku glikolitycznego polega na fosforylacji glukozy za pośrednictwem heksokinazy (HK), w której enzym wykorzystuje jedną cząsteczkę ATP na każdą fosforylowaną cząsteczkę glukozy. Jest to reakcja nieodwracalna i zależy od obecności jonów magnezu (Mg2 +):

Glukoza + ATP → Glukozo-6-fosforan + ADP

2- Wytworzony w ten sposób glukozo-6-fosforan jest izomeryzowany do fruktozo-6-fosforanu dzięki działaniu enzymu izomerazy fosfoglukozy (PGI). Jest to reakcja odwracalna i nie wiąże się z dodatkowym wydatkiem energii:

Glukozo-6-fosforan → Fruktozo-6-fosforan

3- Następnie kolejny etap inwersji energii obejmuje fosforylację 6-fosforanu fruktozy z wytworzeniem 1,6-bisfosforanu fruktozy. Ta reakcja jest katalizowana przez enzym fosfofruktokinazę-1 (PFK-1). Podobnie jak na pierwszym etapie szlaku, cząsteczką donorową grupy fosforanowej jest ATP i jest to również reakcja nieodwracalna.

Fruktozo-6-fosforan + ATP → Fruktozo-1,6-bisfosforan + ADP

4- Na tym etapie glikolizy następuje katalityczny rozpad 1,6-bisfosforanu fruktozy na fosforan dihydroksyacetonu (DHAP), ketozę i 3-fosforan aldehydu glicerynowego (GAP), aldozę. Ta kondensacja aldolowa jest katalizowana przez enzym aldolazę i jest procesem odwracalnym.

1,6-bisfosforan fruktozy → Fosforan dihydroksyacetonu + 3-fosforan aldehydu glicerynowego

5- Ostatnia reakcja fazy inwersji energii polega na wzajemnej przemianie fosforanu triozy DHAP i GAP katalizowanej przez enzym izomerazę triozowo-fosforanową (TIM), co nie wymaga dodatkowego poboru energii i jest również procesem odwracalnym.

Fosforan dihydroksyacetonu ↔ 3-fosforan gliceraldehydu

- Faza wzmocnienia energii

6- 3-fosforan aldehydu glicerynowego jest stosowany „w dół” w szlaku glikolitycznym jako substrat do reakcji utleniania i inny do fosforylacji, katalizowany przez ten sam enzym, dehydrogenazę 3-fosforanu gliceraldehydu (GAPDH).

Enzym katalizuje utlenianie węgla C1 w cząsteczce do kwasu karboksylowego i jego fosforylację w tej samej pozycji, z wytworzeniem 1,3-bisfosfoglicerynianu. W trakcie reakcji na każdą cząsteczkę glukozy redukuje się 2 cząsteczki NAD + i stosuje się 2 cząsteczki nieorganicznego fosforanu.

2-3-fosforan aldehydu glicerynowego + 2NAD + + 2Pi → 2 (1,3-bisfosfoglicerynian) + 2NADH + 2H

W organizmach tlenowych każdy wytworzony w ten sposób NADH przechodzi przez łańcuch transportu elektronów i służy jako substrat do syntezy 6 cząsteczek ATP na drodze fosforylacji oksydacyjnej.

7- Jest to pierwszy etap syntezy ATP w glikolizie i obejmuje działanie kinazy fosfoglicerynianowej (PGK) na 1,3-bisfosfoglicerynian, przenosząc grupę fosforylową (fosforylację na poziomie substratu) z tej cząsteczki do cząsteczki ADP, dając 2ATP i 2 cząsteczki 3-fosfoglicerynianu (3PG) dla każdej cząsteczki glukozy.

2 (1,3-bisfosfoglicerynian) + 2ADP → 2 (3-fosfoglicerynian) + 2ATP

8-3-fosfoglicerynian służy jako substrat dla enzymu mutazy fosfoglicerynianowej (PGM), który przekształca go w 2-fosfoglicerynian poprzez przemieszczenie grupy fosforylowej z węgla 3 do węgla 2 w dwuetapowej reakcji, która jest odwracalna i zależna od jony magnezu (Mg + 2).

2 (3-fosfoglicerynian) → 2 (2-fosfoglicerynian)

9- Enolaza odwadnia 2-fosfoglicerynian i wytwarza fosfoenolopirogronian (PEP) w reakcji, która nie gwarantuje dodania dodatkowej energii i której celem jest wytworzenie wysokoenergetycznego związku, zdolnego do oddawania swojej grupy fosforylowej w następujących reakcja.

2 (2-fosfoglicerynian) → 2 Fosfoenolopirogronian

10- Fosfoenolopirogronian jest substratem dla enzymu kinazy pirogronianowej (PYK), który jest odpowiedzialny za przeniesienie grupy fosforylowej w tej cząsteczce do cząsteczki ADP, katalizując w ten sposób kolejną reakcję fosforylacji na poziomie substratu.

W tej reakcji dla każdej glukozy powstają 2ATP i 2 cząsteczki pirogronianu i konieczna jest obecność potasu i magnezu w postaci jonowej.

2Fosfoenolopirogronian + 2ADP → 2Pirogronian + 2ATP

W ten sposób wydajność netto glikolizy składa się z 2ATP i 2NAD + dla każdej cząsteczki glukozy, która wchodzi do szlaku.

Jeśli są to komórki z metabolizmem tlenowym, wówczas całkowita degradacja cząsteczki glukozy wytwarza od 30 do 32 ATP poprzez cykl Krebsa i łańcuch transportu elektronów.

Produkty glikolizy

Ogólna reakcja glikolizy jest następująca:

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

Dlatego, jeśli przeanalizuje się go krótko, można zapewnić, że głównymi produktami szlaku glikolitycznego są pirogronian, ATP, NADH i H.

Jednak losy metaboliczne każdego związku pośredniego w reakcji zależą w dużym stopniu od potrzeb komórkowych, dlatego wszystkie półprodukty można uznać za produkty reakcji i można je wymienić w następujący sposób:

- glukozo-6-fosforan

- Fruktozo-6-fosforan

- 1,6-bisfosforan fruktozy

- Fosforan dihydroksyacetonu i 3-fosforan aldehydu glicerynowego

- 1,3-bisfosfoglicerynian

- 3-fosfoglicerynian i 2-fosfoglicerynian

- Fosfoenolopirogronian i pirogronian

Znaczenie

Pomimo faktu, że sama glikoliza (można by mówić o glikolizie beztlenowej) wytwarza tylko około 5% ATP, który można wyekstrahować z tlenowego katabolizmu glukozy, ten szlak metaboliczny jest istotny z kilku powodów:

- Służy jako „szybkie” źródło energii, szczególnie w sytuacjach, gdy zwierzę musi szybko wyjść ze stanu spoczynku, dla których tlenowe procesy utleniania nie byłyby wystarczająco szybkie.

- „Białe” włókna mięśni szkieletowych w ludzkim ciele, na przykład, są włóknami szybkokurczliwymi, których funkcjonowanie wymaga beztlenowej glikolizy.

- Kiedy z jakiegoś powodu komórka musi się obejść bez niektórych swoich mitochondriów (czyli organelli, które przeprowadzają między innymi fosforylację oksydacyjną części produktów glikolitycznych), staje się ona bardziej zależna od energii uzyskanej przez szlak glikolityczny.

- Wiele komórek jest zależnych od glukozy jako źródła energii poprzez glikolityki, wśród nich czerwone krwinki pozbawione organelli wewnętrznych oraz komórki oka (szczególnie rogówki), które nie mają dużej gęstości mitochondriów.

Bibliografia

1. Canback, B., Andersson, SGE i Kurland, CG (2002). Globalna filogeneza enzymów glikolitycznych. Proceedings of the National Academy of Sciences, 99 (9), 6097-6102.
2. Chaudhry R, ​​Varacallo M. Biochemistry, glikoliza. . W: StatPearls. Treasure Island (Floryda): StatPearls Publishing; 2020 styczeń-. Dostępne pod adresem: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK482303/
3. Fothergill-Gilmore, LA i Michels, PA (1993). Ewolucja glikolizy. Postęp w biofizyce i biologii molekularnej, 59 (2), 105-235.
4. Kim, JW i Dang, CV (2005). Wielopłaszczyznowe role enzymów glikolitycznych. Trendy w naukach biochemicznych, 30 (3), 142-150.
5. Kumari, A. (2017). Sweet Biochemistry: Remembering Structures, Cycles, and Pathways autorstwa Mnemonics. Academic Press.
6. Li, XB, Gu, JD i Zhou, QH (2015). Przegląd glikolizy tlenowej i jej kluczowych enzymów - nowych celów w terapii raka płuc. Rak klatki piersiowej, 6 (1), 17-24.