GLIKOLÍZIS: FUNKCIÓK, ENZIMEK, FÁZISOK, TERMÉKEK, FONTOSSÁG - BIOLÓGIA - 2025

A glükolízis vagy a glikolízis a glükóz-katabolizmus fő útvonala, amelynek végső célja az, hogy energiát generáljon ATP formájában és csökkentse az energiát NADH formájában ebből a szénhidrátból.

Ez az út, amelyet Gustav Embden és Otto Meyerhof az 1930-as években teljesen megvilágított, miközben a vázizomsejtek glükózfogyasztását tanulmányozta, ennek a monoszacharidnak a teljes oxidációjából áll, és önmagában anaerob útját képviseli a energiaszerzés.

Az ATP, az egyik glikolitikus termék molekuláris szerkezete (A glikolitikus útvonal összefoglalása (Forrás: Tekks az angol Wikipedia-ban / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) a Wikimedia Commons-n keresztül) Wikimedia Commons)

Ez az egyik fő metabolikus út, mivel a különbségekkel minden létező élő organizmusban előfordul, egy egysejtű vagy többsejtű, prokarióta vagy eukarióta, és úgy gondolják, hogy egy reakciólánc, amely evolúcióban erősen konzerválódott a természetben.

Valójában vannak bizonyos organizmusok és sejttípusok, amelyek kizárólag ezen a módon maradnak fenn a túléléshez.

A glikolízis elsősorban a 6 szénatomot tartalmazó glükóz oxidációjából áll, amelynek piruvatja van, amelynek három szénatomja van; az ATP és a NADH egyidejű termelésével, metabolikus és szintetikus szempontból hasznos a sejtekben.

A glükóz-katabolizmusból származó termékek további feldolgozására képes sejtekben a glikolízis a Krebs-cikluson és az elektronszállító láncon keresztül a szén-dioxid és víz előállításával végződik (aerob glikolízis).

Tíz enzimatikus reakció zajlik a glikolitikus út során, és bár ezen reakciók szabályozása fajonként eltérő lehet, a szabályozási mechanizmusok szintén meglehetősen konzerváltak.

A glikolízis funkciói

Anyagcsere szempontjából a glükóz az összes élőlény legfontosabb szénhidrátja.

Stabil és nagyon jól oldódó molekula, tehát viszonylag könnyen szállítható egy állat vagy növény egész testében, ahonnan tárolják és / vagy eljuttatják oda, ahol celluláris tüzelőanyagként szükséges.

A glükóz szerkezete (Forrás: Oliva93 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) a Wikimedia Commons segítségével)

A glükózban lévő kémiai energiát az élő sejtek glikolízis útján hasznosítják, amely nagymértékben ellenőrzött lépések sorozatából áll, amelyek során ennek a szénhidrátnak az oxidációja során felszabaduló energiát "elfoghatják" felhasználhatóbb energia formákba., ezért annak fontossága.

Ezen az úton nemcsak energiát (ATP) és redukáló erőt (NADH) nyernek, hanem egy sor anyagcsere-közvetítőt is biztosítanak, amelyek részei más útvonalaknak, szintén fontosak az anabolikus (bioszintézis) és általános sejtműködés. Íme egy lista:

- Glükóz-6-foszfát a pentóz-foszfát úthoz (PPP)

- Piruvát tejsavas erjesztéshez

- Piruvát aminosavak szintéziséhez (főleg alanin)

- Piruvát a trikarbonsav ciklushoz

- Fruktóz-6-foszfát, glükóz-6-foszfát és dihidroxi-aceton-foszfát, amelyek „építőelemekként” funkcionálnak más útvonalakon, például glikogén, zsírsavak, trigliceridek, nukleotidok, aminosavak stb. Szintézisében.

Energiatermelés

A glikolitikus úton előállított ATP mennyisége, amikor az azt termelő sejt nem képes aerob körülmények között élni, elegendő a sejt energiaszükségletének kielégítéséhez, amikor különféle típusú fermentációs folyamatokhoz kapcsolódik.

Amikor azonban aerob sejtekről van szó, a glikolízis sürgősségi energiaforrásként is szolgál, és "előkészítő lépésként" szolgál az aerob metabolizmusú sejteket jellemző oxidatív foszforilációs reakciók előtt.

A glikolízisben részt vevő enzimek

A glikolízis csak a 10 enzim részvételének köszönhető, amely katalizálja az ezt az utat jellemző reakciókat. Ezen enzimek közül sok alloszterikus és megváltoztatja alakját vagy konformációját, amikor katalitikus funkcióikat gyakorolják.

Vannak olyan enzimek, amelyek szétválasztják és kovalens kötéseket képeznek szubsztrátjai között, és vannak olyanok is, amelyek működéséhez speciális kofaktorok szükségesek, elsősorban fémionok.

Strukturális szempontból az összes glikolitikus enzimnek van egy központja, amely lényegében párhuzamos β- lemezekből áll, amelyeket α-heliklusok vesz körül és egynél több doménben vannak elrendezve. Ezen enzimek továbbá azzal jellemezhetők, hogy aktív helyeik általában a domének közötti kötőhelyeknél vannak.

Fontos megjegyezni, hogy az út fő szabályozása olyan enzimek, mint például a hexokináz, foszfofruktokináz, glicerindehid-3-foszfát-dehidrogenáz és piruvát-kináz szabályozásán (hormonális vagy metabolitokon) keresztül történik.

A glikolitikus út fő szabályozási pontjai (Forrás: Gregor 0492 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) a Wikimedia Commons segítségével)

1- hexokináz (HK)

A glikolízis első reakcióját (glükóz-foszforiláció) hexokináz (HK) katalizálja, amelynek hatásmechanizmusa úgy tűnik, hogy egy szubsztrát „indukált meghúzódása”, amely elősegíti az enzim „záródását” az ATP és glükóz (szubsztrátjai), miután megkötötte őket.

A vizsgált szervezettől függően lehet egy vagy több izoenzim, amelyek molekulatömege 50 (körülbelül 500 aminosav) és 100 kDa között van, mivel úgy tűnik, hogy dimer formájában csoportosulnak, amelynek kialakulását a glükóz, magnézium-ionok kedvelik. és ATP.

A hexokináz tercier felépítése nyitott alfa- és bétalemezekből áll, bár ezekben az enzimekben sok szerkezeti különbség van.

2- foszfoglükóz-izomeráz (OFJ)

A hexokinázzal foszforilált glükózt foszfo-glükóz-izomerázzal (PGI) keresztül izomerizálják, így 6-foszfát fruktózra, más néven glükóz-6-foszfát-izomeráz néven. Az enzim tehát nem távolítja el és nem ad hozzá atomokat, hanem szerkezeti szinten rendezi őket.

Ez dimer formájában aktív enzim (a monomer tömege kevesebb, mint 66 kDa), és nemcsak a glikolízisben, hanem a glükoneogenezisben, a növények szénhidrát szintézisében is részt vesz.

3- foszfofruktokináz (PFK)

A fruktóz-6-foszfát a foszfofruktokináz enzim szubsztrátja, amely képes ezen molekula újrafoszforilálására, amikor ATP-t használ foszforilcsoport-donorként, és így fruktóz-1,6-biszfoszfátot állít elő.

Ez az enzim a baktériumokban és az emlősökben homotetramerikus enzimként létezik (négy azonos alegységből áll, amelyek mindegyike baktériumok számára 33 kDa, emlősökön mindegyik 85 kDa, és az élesztőkben oktamer (nagyobb alegységekből áll, 112 és 118 kDa).

Ez egy alloszterikus enzim, ami azt jelenti, hogy pozitív vagy negatív hatással van bizonyos termékei (ADP) és más molekulák, például az ATP és a citrát.

4- Aldolasse

Fruktóz-1,6-bisz-foszfát-aldoláz néven is ismert, az aldoláz a fruktóz-1,6-bisz-foszfát katalitikus lebontását dihidroxi-aceton-foszfáttá és glicerildehid-3-foszfáttá katalizálja, és a fordított reakciót, vagyis mindkét cukor egyesülését a fruktóz-1,6-biszfoszfát.

Más szavakkal: ez az enzim a fruktóz-1,6-biszfoszfátot felére vágja, két foszforilált 3-szénvegyületet szabadítva fel. Az Aldolase 4 azonos alegységből áll, amelyek mindegyikének megvan a maga aktív helye.

Meghatározták ezen enzim két osztályának (I és II) létezését, amelyeket megkülönböztetnek az általuk katalizált reakció mechanizmusa alapján, és mivel az egyik (az első) baktériumokban és "alsó" eukariótákban fordul elő, mások (a második) baktériumokban, protistákban és metazoánokban vannak.

A "magasabb" eukarióta aldoáz egy 40 kDa molekulatömegű alegységekből álló homotetramerből áll, amelyek mindegyike egy 8 β / α lemezből álló hordóból áll.

5-trióz foszfát izomeráz (TIM)

A két foszforilált trióz a trióz-foszfát-izomeráz hatásának köszönhetően kölcsönösen átalakítható egymással, amely lehetővé teszi mindkét cukor alkalmazását a glikolízis során, biztosítva az útjába belépő minden glükóz-molekula teljes kihasználását.

Ezt az enzimet "tökéletes" enzimnek nevezik, mivel ez körülbelül trilliószor gyorsabban katalizálja a leírt reakciót, mint az Ön részvétele nélkül. Aktív helye a béta-hordó szerkezetének központjában található, amely sok glikolitikus enzimre jellemző.

Ez egy dimer protein, amely két azonos alegységből áll, körülbelül 27 kDa, mindkettő globális felépítésű.

6- gliceráldehid-3-foszfát-dehidrogenáz (GAPDH)

Az aldolaz és a trióz-foszfát-izomeráz hatására előállított glicerraldehid-3-foszfát szubsztrátként szolgál a GAPDH számára, amely homotetramerikus enzim (34-38 kDa minden alegységben), amely együttműködésben kötődik NAD + molekulához mindegyikben 4 aktív helyéről, valamint 2 foszfát- vagy szulfát-ionról.

Az út ezen lépésében az enzim lehetővé teszi egyik szubsztrátjának foszforilációját foszforilcsoport-donorként szervetlen foszfát felhasználásával, két NAD + molekula egyidejű redukciójával és 1,3-bisz-foszfo-glicerát előállításával.

7- foszfoglicerát-kináz (PGK)

A foszfo-glicerát-kináz felelős az 1,3-bisz-foszfo-glicerát egyik foszfátcsoportjának az ADP-molekulába történő átjuttatásáért, a szubsztrát szintjén foszforilezve. Ez az enzim egy olyan mechanizmust alkalmaz, mint a hexokináz, mivel az érintkezéskor záródik szubsztrátjain, megvédve őket az interferáló vízmolekuláktól.

Ez az enzim, hasonlóan másokhoz, amelyek két vagy több szubsztrátot használnak, kötőhelyet mutatnak az ADP-hez, egy másik pedig cukor-foszfáthoz.

A többi leírt enzimmel ellentétben ez a protein egy 44 kDa monomer, amelynek bilobális felépítése van, két azonos méretű doménből áll, amelyeket keskeny „hasadék” köt össze.

8- Foszfo-glicerát mutáció

A 3-foszfo-glicerát a foszfátcsoporttól a szén-dioxid felé változik a molekula közepén, amely olyan stratégiai instabilitási helyet képvisel, amely megkönnyíti a csoport későbbi átvitelét ATP-molekulához az út utolsó reakciója során.

Ezt az átrendeződést a foszfoglicerát-mutáz enzim, egy dimer enzim az emberek számára és tetramerikus az élesztő katalizálja, amelynek alegység nagysága megközelítőleg 27 kDa.

9- Enolase

Az enoáz katalizálja a 2-foszfo-glicerát foszfoenolpiruváttá történő dehidrációját, amely szükséges lépés az ATP előállításához a következő reakcióban.

Ez egy dimer enzim, amely két azonos 45 kDa alegységből áll. A magnézium-ionok stabilitásától és a szubsztrátumhoz való kötődéshez szükséges konformációs változástól függ. Ez az egyik olyan enzim, amely sok organizmus citoszoljában a legszélesebb körben expresszálódik, és a glikolitikusokon kívül funkciókat is ellát.

10- piruvát-kináz

A glikolízis során bekövetkező második szubsztrátfoszforilációt piruvát-kináz katalizálja, amely felelős a foszforilcsoport foszfoenolpiruvátból az ADP-be történő átviteléért és a piruvát képződéséért.

Ez az enzim bonyolultabb, mint a többi glikolitikus enzim, és emlősökben egy homotetramerikus enzim (57 kDa / alegység). A gerinces állatokon legalább 4 izoenzim található: L (májban), R (vörösvértestekben), M1 (izomban és agyban) és M2 (magzati és felnőtt szövetek).

A glikolízis fázisai (lépésről lépésre)

A glikolitikus útvonal tíz egymást követő lépésből áll és egy glükózmolekulával kezdődik. A folyamat során a glükózmolekulát "aktiválják" vagy "készítik" két foszfát hozzáadásával, két ATP-molekulát megfordítva.

Később két részre hasítják, és végül kétszer kémiailag módosítják, az út mentén négy ATP-molekulát szintetizálva úgy, hogy az út nettó nyeresége megfeleljen két ATP-molekulanak.

A fentiekből arra lehet következtetni, hogy az út megoszlik egy energia „inverziós” fázisban, amely alapvető a glükóz molekula teljes oxidációjához, és egy másik energia „nyereség” fázisra, ahol az eredetileg felhasznált energiát felváltják és kettőt nyernek. nettó ATP-molekulák.

- Energiabefektetési szakasz

1- A glikolitikus út első lépése a glükóz foszforilezéséből áll, amelyet a hexokináz (HK) közvetít, amelyben az enzim egy ATP molekulát használ minden foszforilált glükóz molekula számára. Ez egy irreverzibilis reakció, és a magnézium-ionok (Mg2 +) jelenlététől függ:

Glükóz + ATP → Glükóz 6-foszfát + ADP

2 - Az így előállított glükóz-6-foszfátot a foszfo-glükóz-izomeráz (PGI) enzim hatására izomerizálják fruktóz-6-foszfáttá. Ez visszafordítható reakció, és nem jár további energiaköltségekkel:

Glükóz-6-foszfát → Fruktóz-6-foszfát

3 - Ezt követően egy másik energiainverziós lépés a fruktóz-6-foszfát foszforilációját eredményezi, így fruktóz-1,6-biszfoszfát képződik. Ezt a reakciót a foszfofruktokináz-1 enzim (PFK-1) katalizálja. Az út első lépéséhez hasonlóan a foszfátcsoport donor molekulája is ATP, és ez szintén visszafordíthatatlan reakció.

Fruktóz-6-foszfát + ATP → Fruktóz-1,6-biszfoszfát + ADP

4- A glikolízis ezen lépésében a fruktóz-1,6-biszfoszfát katalitikus lebontása dihidroxi-aceton-foszfáttá (DHAP), ketózis, és gliceráldehid-3-foszfáttá (GAP), egy aldózként. Ezt az aldolkondenzációt az aldolaz enzim katalizálja, és ez reverzibilis folyamat.

Fruktóz-1,6-biszfoszfát → Dihidroxi-aceton-foszfát + gliceráldehid-3-foszfát

5- Az energiainverziós fázis utolsó reakciója a trióz-foszfát DHAP és GAP kölcsönhatásából áll, amelyet a trióz-foszfát-izomeráz (TIM) enzim katalizál, ami nem igényel további energiabevitelt, és szintén reverzibilis folyamat.

Dihidroxi-aceton-foszfát ↔ Glicerialdehid-3-foszfát

- Energianyereség fázis

6- A gliceráldehid-3-foszfátot "lejjebb" használják a glikolitikus úton az oxidációs reakció szubsztrátjaként, egy másik pedig a foszforilezéshez, amelyet ugyanaz az enzim, a gliceráldehid-3-foszfát-dehidrogenáz (GAPDH) katalizál.

Az enzim katalizálja a molekula C1-szén karbonsavvá történő oxidációját és foszforilezését ugyanabban a helyzetben, és így 1,3-bisz-foszfo-glicerátot állít elő. A reakció során 2 NAD + molekulát redukálunk minden egyes glükóz molekulára, és 2 molekulát szervetlen foszfátot használunk.

2Glicerid-3-foszfát + 2NAD + + 2Pi → 2 (1,3-bisz-foszfo-glicerát) + 2NADH + 2H

Aerob organizmusokban az ily módon előállított NADH mindegyike áthalad az elektronszállító láncon, hogy szubsztrátként szolgáljon 6 ATP molekula szintéziséhez oxidatív foszforilezéssel.

7- Ez az első ATP szintézis lépés a glikolízis során, és magában foglalja a foszfoglicerát-kináz (PGK) 1,3-bisz-foszfo-gliceráton történő hatását, és egy foszforilcsoport (szubsztrát szintű foszforiláció) átvitelét ebből a molekulából egy molekulába Az ADP adagja 2ATP-t és 2 molekulát 3-foszfo-glicerátot (3PG) eredményez minden glükózmolekula számára.

2 (1,3-bisz-foszfo-glicerát) + 2ADP → 2 (3-foszfo-glicerát) + 2ATP

A 8- 3-foszfo-glicerát szubsztrátként szolgál a foszfo-glicerát mutáció (PGM) enzim számára, amely 2-foszfo-gliceráttá alakítja azt, amikor a foszforilcsoport 3 szénről 2-es szénre változtatható egy kétlépéses reakció révén, amely megfordítható és függ. magnézium-ionok (Mg + 2).

2 (3-foszfo-glicerát) → 2 (2-foszfo-glicerát)

9 - Az enoláz enzim a 2-foszfo-glicerátot dehidrálja és foszfoenolpiruvátot (PEP) állít elő, amely reakció nem igényli további energia hozzáadását, és amelynek célja egy nagy energiájú vegyület előállítása, amely képes a következő foszforilcsoportot adományozni. reakció.

2 (2-foszfo-glicerát) → 2 foszfoenolpiruvát

A 10-foszfoenolpiruvát egy szubsztrát a piruvát-kináz enzim számára (PYK), amely felelős az ebben a molekulában lévő foszforilcsoport ADP-molekulává történő átviteléért, ezáltal katalizálva egy másik foszforilációs reakciót a szubsztrát szintjén.

A reakcióban 2ATP és 2 piruvát molekulákat állítanak elő minden glükózra, és kálium és magnézium jelenléte szükséges ionos formában.

2Phosphoenolpiruvát + 2ADP → 2Pyruvate + 2ATP

A glikolízis nettó hozama ily módon 2ATP-ből és 2NAD + -ból áll minden egyes glükózmolekula számára, amely az útba kerül.

Ha aerob metabolizmussal rendelkező sejtek vannak, akkor egy glükózmolekula teljes lebomlása 30–32 ATP-t eredményez a Krebsi cikluson és az elektronszállító láncon keresztül.

Glikolízis termékei

A glikolízis általános reakciója a következő:

Glükóz + 2NAD + + 2ADP + 2Pi → 2Pyruvate + 2ATP + 2NADH + 2H +

Ezért ha röviden elemezzük, akkor biztos lehet benne, hogy a glikolitikus út fő termékei a piruvát, ATP, NADH és H.

Az egyes reakció közbenső termékek metabolikus sorsa azonban nagymértékben függ a sejtek szükségleteitől, ezért az összes köztitermék reakcióterméknek tekinthető, és az alábbiak szerint sorolható fel:

- Glükóz-6-foszfát

- Fruktóz-6-foszfát

- Fruktóz-1,6-biszfoszfát

- dihidroxi-aceton-foszfát és 3-foszfát-gliceráldehid

- 1,3-biszfoszfo-glicerát

- 3-foszfo-glicerát és 2-foszfo-glicerát

- Foszfoenolpiruvát és piruvát

fontosság

Annak ellenére, hogy a glikolízis önmagában (anaerob glikolízisről beszélve) csak az ATP körülbelül 5% -át hozza létre, amely kinyerhető a glükóz aerob katabolizmusából, ez a metabolikus út számos okból nélkülözhetetlen:

- „Gyors” energiaforrásként szolgál, különösen olyan helyzetekben, amikor az állatnak gyorsan ki kell lépnie a nyugalmi állapotból, amelyben az aerob oxidációs folyamatok nem lennének elég gyorsak.

- Az emberi testben a "fehér" vázizomrostok például gyorsan húzódó rostok és működésük függ az anaerob glikolízistől.

- Amikor valamilyen oknál fogva a sejtnek mitokondriumai nélkül (amelyek többek között a glikolitikus termékek egy részének oxidatív foszforilációját végző szervezetek) kell mennie, a sejt egyre inkább függ a glikolitikus út.

- Számos sejt függ a glükóztól, mint a glikolitikumok energiaforrásától, köztük a vörösvértestek, amelyekben nincs belső organellák, és a szem sejtjei (különösen a szaruhártya sejtjei), amelyek nem rendelkeznek nagy mitokondriumok sűrűséggel.

Irodalom

1. Canback, B., Andersson, SGE és Kurland, CG (2002). A glikolitikus enzimek globális filogenémiája. A Nemzeti Tudományos Akadémia folyóiratai, 99 (9), 6097-6102.
2. Chaudhry R, ​​Varacallo M. Biokémia, glikolízis.. In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing; 2020. január. Elérhető a következő címen:
3. Fothergill-Gilmore, LA és Michels, PA (1993). A glikolízis alakulása. Haladás a biofizika és a molekuláris biológia területén, 59 (2), 105-235.
4. Kim, JW és Dang, CV (2005). A glikolitikus enzimek sokrétű szerepei. Trendek a biokémiai tudományokban, 30 (3), 142-150.
5. Kumari, A. (2017). Édes biokémia: A struktúrák, ciklusok és utak emlékezése a Mnemonics által. Academic Press.
6. Li, XB, Gu, JD és Zhou, QH (2015). Az aerob glikolízis és kulcsfontosságú enzimeinek áttekintése - új célok a tüdőrák kezelésében. Mellkasi rák, 6 (1), 17-24.