Plik glikoliza czyli glikoliza to główna droga katabolizmu glukozy, której ostatecznym celem jest pozyskanie energii w postaci ATP i redukcja mocy 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 glukozy. Pozyskiwanie energii.
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 naturze..
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 się nieco różnić w zależności od gatunku, mechanizmy regulacyjne są również dość konserwatywne..
Indeks artykułów
Z metabolicznego punktu widzenia glukoza jest jednym z najważniejszych węglowodanów dla wszystkich żywych istot.
Jest to stabilna i bardzo dobrze rozpuszczalna cząsteczka, dzięki czemu można ją stosunkowo łatwo transportować po całym organizmie zwierzęcia lub rośliny, skąd jest przechowywana i / lub pozyskiwana do miejsca, w którym jest potrzebna jako paliwo komórkowe..
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 „przechwycona” w bardziej użyteczne formy energii..
W ten sposób uzyskuje się nie tylko energię (ATP) i moc redukującą (NADH), ale także szereg półproduktów metabolicznych, które są częścią innych szlaków, także ważnych z punktu widzenia anabolicznego (biosyntezy) i ogólnego funkcjonowania komórek. Oto lista:
- Glukozo-6-fosforan dla szlaku pentozofosforanowego (PPP) Szlak fosforanu pentozy)
- Pirogronian do fermentacji mlekowej
- Pirogronian do syntezy aminokwasów (głównie alaniny)
- Pirogronian dla cyklu kwasów trikarboksylowych
- 6-fosforan fruktozy, 6-fosforan glukozy i fosforan dihydroksyacetonu, które działają jako „elementy budulcowe” na innych drogach, takich jak synteza glikogenu, kwasów tłuszczowych, trójglicerydów, nukleotydów, aminokwasów itp..
Ilość ATP wytwarzana 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..
Glikoliza jest możliwa tylko dzięki udziałowi 10 enzymów katalizujących 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 wymagają określonych kofaktorów do wykonywania swoich funkcji, głównie jonów metali..
Mówiąc strukturalnie, wszystkie enzymy glikolityczne mają zasadniczo laminowane centrum. β równolegle otoczony przez Helisy α i uporządkowane 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 przez kontrolę (hormonalną lub metabolitową) enzymów, takich jak heksokinaza, fosfofruktokinaza, dehydrogenaza gliceraldehydo-3-fosforanu i kinaza pirogronianowa..
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), gdy jest do nich zobowiązany.
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 one grupować razem w postaci dimerów, których tworzeniu 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.
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.
Jest 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..
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 po 85 kDa u ssaków), aw drożdżach jest oktamerem (złożonym z większych podjednostek, między 112 a 118 kDa).
Jest enzymem allosterycznym, co oznacza, że jest regulowany pozytywnie lub negatywnie przez niektóre jego produkty (ADP) oraz inne cząsteczki, takie jak ATP i cytrynian..
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, czyli połączenie obu cukrów w celu utworzenia fruktozy 1 , 6-bisfosforan.
Innymi słowy, enzym ten przecina 1,6-bisfosforan fruktozy o połowę, uwalniając dwa fosforylowane związki C3. Aldolase 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 (druga ) znajdują się w bakteriach, protistach i metazoans.
„Wyższa” eukariotyczna aldolaza składa się z homotetrameru podjednostek o masie cząsteczkowej 40 kDa, z których każda składa się z beczki złożonej z 8 arkuszy β / α..
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..
3-fosforan gliceraldehydu wytwarzany w wyniku działania aldolazy i izomerazy triozofosforanowej służy jako substrat dla GAPDH, który jest enzymem homotetramerycznym (każda podjednostka 34-38 kDa), który wspólnie wiąże się z cząsteczką NAD + w każdym z jego 4 aktywnych miejsc , 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 wytwarzaniem 1,3-bisfosfoglicerynianu..
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”.
3-fosfoglicerynian przechodzi przemianę z grupy fosforanowej na węgiel 2, w środku cząsteczki, która reprezentuje miejsce strategicznej 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..
Enolaza katalizuje odwodnienie 2-fosfoglicerynianu do fosfoenolopirogronianu, niezbędny etap do wytworzenia ATP w kolejnej 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 jego podłożem. Jest jednym z enzymów najobficiej wyrażanych w cytozolu wielu organizmów i oprócz glikolitów pełni również inne funkcje..
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 istnieją co najmniej 4 izoenzymy: L (w wątrobie), R (w erytrocytach), M1 (w mięśniach i mózgu) i M2 (w tkance płodowej i dorosłej).
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..
Później 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 trasa jest podzielona na fazę „inwestycji” energii, fundamentalną dla całkowitego utlenienia cząsteczki glukozy, oraz inną fazę „zdobywania” energii, w której początkowo wykorzystana energia jest zastępowana i dwa ATP netto molekuły.
1- Pierwszy etap szlaku glikolitycznego obejmuje fosforylację glukozy za pośrednictwem heksokinazy (HK), w której enzym wykorzystuje jedną cząsteczkę ATP na każdą fosforylowaną cząsteczkę glukozy. Jest to reakcja nieodwracalna, zależna 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 w przypadku pierwszego etapu na ścieżce, cząsteczką będącą donorem grup fosforanowych 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 fosforanu triozy (TIM), co nie wymaga dodatkowego poboru energii i jest również procesem odwracalnym.
Fosforan dihydroksyacetonu ↔ 3-fosforan gliceraldehydu
6-Fosforan 6- gliceraldehydu 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. Podczas reakcji 2 cząsteczki NAD + są redukowane na każdą cząsteczkę glukozy i używane są 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) na każdą cząsteczkę 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 wymaga dodawania dodatkowej energii i której celem jest wytworzenie wysokoenergetycznego związku, zdolnego do oddania swojej grupy fosforylowej w następującej reakcji.
2 (2-fosfoglicerynian) → 2 Fosfoenolopirogronian
10- Fosfoenolopirogronian jest substratem dla enzymu kinazy pirogronianowej (PYK), który odpowiada za przeniesienie grupy fosforylowej w tej cząsteczce do cząsteczki ADP, katalizując w ten sposób kolejną reakcję fosforylacji na poziomie substratu.
W reakcji na każdą glukozę wytwarzane są 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.
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 półproduktu reakcji zależą w dużej mierze 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
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.
- Na przykład „białe” włókna mięśni szkieletowych w ludzkim ciele są włóknami szybkokurczliwymi i ich funkcjonowanie wymaga beztlenowej glikolizy..
- Kiedy z jakiegoś powodu komórka musi obejść się bez niektórych mitochondriów (które są organellami, które przeprowadzają między innymi fosforylację oksydacyjną części produktów glikolitycznych), staje się ona bardziej zależna od energii uzyskanej dzięki glikolityce..
- Wiele komórek jest zależnych od glukozy jako źródła energii na szlaku glikolitycznym, wśród nich Czerwone krwinki, brak organelli wewnętrznych i komórek oka (szczególnie rogówki), które nie mają dużej gęstości mitochondriów.
Jeszcze bez komentarzy