GLIKOLIZA: FUNKCIJE, ENZIMI, FAZE, PROIZVODI, VAŽNOST - BIOLOGIJA - 2026

Glikoliza ili glikoliza je glavni put katabolizma glukoze, čiji je krajnji cilj generirati energiju u u obliku ATP-a i smanjenje snaga u u obliku NADH, iz tog ugljikohidrata.

Ova ruta, koju su u 1930-ih potpuno razjasnili Gustav Embden i Otto Meyerhof, proučavajući potrošnju glukoze u stanicama skeletnih mišića, sastoji se od potpune oksidacije ovog monosaharida i, sama po sebi, predstavlja anaerobni put za dobivanje energije.

Molekularna struktura ATP-a, jednog od glikolitičkih proizvoda (Sažetak glikolitičkog puta (Izvor: Tekks na engleskom Wikipediji / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) via Wikimedia Commons) via Wikimedia Commons)

To je jedan od glavnih metaboličkih putova, budući da se događa, s njegovim razlikama, u svim živim organizmima koji postoje, jednoćelijskim ili višećelijskim, prokariotskim ili eukariotskim, a smatra se da je riječ o lancu reakcija koji je evolucijski visoko očuvan u prirodi.

U stvari, postoje neki organizmi i vrste stanica koji ovise isključivo o ovom putu da bi preživjeli.

U prvom se redu glikoliza sastoji od oksidacije glukoze od 6 atoma ugljika do piruvata, koji ima tri atoma ugljika; uz istodobnu proizvodnju ATP-a i NADH, korisnih za stanice s metaboličkog i sintetičkog stajališta.

U stanicama koje su sposobne za daljnju obradu proizvoda dobivenih katabolizmom glukoze, glikoliza se završava proizvodnjom ugljičnog dioksida i vode kroz Krebsov ciklus i lanac transporta elektrona (aerobna glikoliza).

Tijekom glikolitičkog puta odvija se deset enzimskih reakcija, a iako se regulacija ovih reakcija može donekle razlikovati od vrste do vrste, također se prilično čuvaju regulatorni mehanizmi.

Funkcije glikolize

Metaboličko gledano, glukoza je jedan od najvažnijih ugljikohidrata za sva živa bića.

To je stabilna i vrlo topiva molekula, pa se može relativno lako transportirati kroz cijelo tijelo životinje ili biljke, odakle se skladišti i / ili dobiva do mjesta gdje je potrebno kao stanično gorivo.

Struktura glukoze (Izvor: Oliva93 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) putem Wikimedia Commons)

Kemijsku energiju sadržanu u glukozi žive stanice iskorištavaju glikolizom, koja se sastoji od niza visoko kontroliranih koraka pomoću kojih se energija oslobođena oksidacijom ovog ugljikohidrata može „uhvatiti“ u više upotrebljivih oblika energije., otuda i njegova važnost.

Ovim putem dobiva se ne samo energija (ATP) i reducirajuća snaga (NADH), već pruža i niz metaboličkih posrednika koji su dio ostalih ruta, također važnih od anaboličkih (biosintetskih) i opće stanično funkcioniranje. Evo popisa:

- glukozni 6-fosfat za put Pentose fosfat (PPP)

- Piruvat za mliječnu fermentaciju

- piruvat za sintezu aminokiselina (uglavnom alanina)

- Piruvat za ciklus trikarboksilne kiseline

- Fruktoza 6-fosfat, glukoza 6-fosfat i dihidroksiaceton fosfat, koji djeluju kao "građevni blokovi" na druge načine poput sinteze glikogena, masnih kiselina, triglicerida, nukleotida, aminokiselina itd.

Proizvodnja energije

Količina ATP-a proizvedena glikolitičkim putem, kada stanica koja ga proizvodi ne može živjeti u aerobnim uvjetima, dovoljna je za opskrbu energetskih potreba stanice kad je povezana s različitim vrstama fermentacijskih procesa.

Međutim, kada je u pitanju aerobna stanica, glikoliza služi i kao hitni izvor energije i služi kao "pripremni korak" prije reakcija oksidativne fosforilacije koje karakteriziraju stanice s aerobnim metabolizmom.

Enzimi koji su uključeni u glikolizu

Glikoliza je moguća samo zahvaljujući sudjelovanju 10 enzima koji kataliziraju reakcije koje karakteriziraju ovaj put. Mnogi od tih enzima su alosterni i mijenjaju oblik ili konformaciju kada izvršavaju svoje katalitičke funkcije.

Postoje enzimi koji razbijaju i tvore kovalentne veze između njihovih supstrata, a postoje i drugi kojima je potrebno da određeni kofaktori obavljaju svoje funkcije, uglavnom metalni ioni.

Strukturno gledano, svi glikolitički enzimi imaju središte koje se sastoji uglavnom od paralelnih β listova okruženih α-helikopterima i raspoređenih u više domena. Nadalje, ovi enzimi su karakterizirani time da su njihova aktivna mjesta obično na mjestima vezanja između domena.

Važno je također napomenuti da glavna regulacija puta prolazi kroz kontrolu (hormonalnu ili putem metabolita) enzima kao što su heksokinaza, foshofruktokinaza, gliceraldehid 3-fosfat dehidrogenaza i piruvat kinaza.

Glavne točke regulacije glikolitičkog puta (Izvor: Gregor 0492 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) putem Wikimedia Commonsa)

1- heksokinaza (HK)

Prva reakcija glikolize (fosforilacija glukoze) katalizira hekokinaza (HK), čiji se mehanizam djelovanja sastoji od supstrata "induciranog stezanja" koji potiče "zaključavanje" enzima oko ATP-a i glukoze (njenih supstrata) nakon što se veže na njih.

Ovisno o organizmu koji se razmatra, može postojati jedan ili više izoenzima čija se molekulska masa kreće između 50 (oko 500 aminokiselina) i 100 kDa, jer se čini da se udružuju u obliku dimera, čiji nastanak pogoduje prisutnosti glukoze, magnezijevih iona i ATP.

Hekokinaza ima tercijarnu strukturu sastavljenu od otvorenih alfa i beta listova, iako postoje mnoge strukturne razlike u tim enzimima.

2- fosfoglukoza izomeraza (PGI)

Glukoza fosforilirana hekokinazom izomerizira se u fruktozu 6-fosfat preko fosfoglukozne izomeraze (PGI), poznata i kao glukoza 6-fosfatna izomeraza. Enzim, dakle, ne uklanja i ne dodaje atome, već ih preuređuje na strukturnoj razini.

Ovo je aktivni enzim u svom dimernom obliku (monomer teži više ili manje 66 kDa) i sudjeluje ne samo u glikolizi, već i u glukoneogenezi, u sintezi ugljikohidrata u biljkama itd.

3- foshofruktokinaza (PFK)

Fruktoza 6-fosfat supstrat je enzima foshofruktokinaza, koji je sposoban ponovno fosforilirati ovu molekulu upotrebom ATP-a kao davatelja fosforilne skupine, stvarajući fruktozu 1,6-bisfosfat.

Ovaj enzim postoji u bakterijama i sisavcima kao homotetramerni enzim (sastavljen od četiri identične podjedinice po 33 kDa za bakterije i 85 kDa svaka kod sisavaca), a u kvascima je oktamer (sastavljen od većih podjedinica, između 112 i 118 kDa).

To je alosterni enzim, što znači da ga neki od njegovih proizvoda (ADP) i druge molekule poput ATP-a i citrata pozitivno ili negativno reguliraju.

4- Aldolasse

Poznata i kao fruktoza 1,6-bisfosfat aldolaza, aldolaza katalizira katalitičku razgradnju fruktoze 1,6-bisfosfata u dihidroksiaceton fosfat i gliceraldehid 3-fosfat i obrnutu reakciju, odnosno sjedinjenje oba šećera za stvaranje fruktoza 1,6-bisfosfat.

Drugim riječima, ovaj enzim razreže fruktozu 1,6-bisfosfat pravo na pola, oslobađajući dva fosforilirana 3-ugljikova spoja. Aldolase se također sastoji od 4 identične podjedinice, a svaka ima svoje aktivno mjesto.

Utvrđeno je postojanje dvije klase (I i II) ovog enzima, koje se razlikuju mehanizmom reakcije koju kataliziraju i zbog toga što se neke (prve) pojavljuju u bakterijama i "nižim" eukariotima, a druge (drugi) nalaze se u bakterijama, protetičarima i metazoama.

"Viša" eukariotska aldolaza sastoji se od homotetramera podjedinica molekulske mase 40 kDa, od kojih se svaka sastoji od bačve sastavljene od 8 β / α listova.

5- triozna fosfatna izomeraza (TIM)

Dvije fosforilirane trioze mogu se međusobno pretvoriti zahvaljujući djelovanju trioza-fosfatne izomeraze, koja omogućuje oba šećera tijekom glikolize, osiguravajući potpunu upotrebu svake molekule glukoze koja ulazi u taj put.

Ovaj enzim je opisan kao "savršen" enzim, jer katalizira opisanu reakciju oko trilijun puta brže nego što bi se odvijalo bez vašeg sudjelovanja. Njegovo aktivno mjesto nalazi se u središtu beta-bačvaste strukture, karakteristične za mnoge glikolitičke enzime.

To je dimerni protein, koji se sastoji od dvije identične podjedinice od oko 27 kDa, obje s globularnom strukturom.

6- gliceraldehid 3-fosfat dehidrogenaza (GAPDH)

Gliceraldehid 3-fosfat nastao djelovanjem aldolaze i trioze fosfatne izomeraze služi kao supstrat za GAPDH, koji je homotetramerni enzim (34-38 kDa svaka podjedinica) koji se kooperativno veže na molekulu NAD + u svakoj od njegova 4 aktivna mjesta, kao i 2 fosfatna ili sulfatna iona.

U ovom koraku puta enzim omogućava fosforilaciju jednog od njegovih supstrata koristeći anorganski fosfat kao davatelj fosforilne skupine, uz istodobnu redukciju dviju molekula NAD + i proizvodnju 1,3-bisfosfoglicerata.

7- fosfogliceratna kinaza (PGK)

Fosfoglicerat kinaza odgovorna je za prijenos jedne od fosfatnih skupina 1,3-bisfosfoglicerata u molekulu ADP fosforilacijom na nivou supstrata. Ovaj enzim koristi mehanizam sličan onome koji koristi hekokinaza, jer se zatvara u kontaktu na svojim supstratima, štiteći ih od ometanja molekula vode.

Ovaj enzim, kao i drugi koji koriste dva ili više supstrata, ima mjesto vezivanja za ADP, a drugi za šećerni fosfat.

Za razliku od ostalih opisanih enzima, ovaj protein je monomer od 44 kDa s bilobalnom strukturom, sastavljen od dvije domene iste veličine povezane uskim "pukotinom".

8- fosfogliceratna mutaza

3-fosfoglicerat prolazi kroz fosfatnu skupinu prema ugljiku 2, u sredini molekule, što predstavlja strateško mjesto nestabilnosti koje olakšava naknadni prijenos grupe u ATP molekulu u posljednjoj reakciji puta.

To preuređivanje katalizira enzim fosfogliceratna mutaza, dimerni enzim za ljude i tetramerični za kvasac, s veličinom podjedinice koja je blizu 27 kDa.

9- Enolaza

Enolaza katalizira dehidraciju 2-fosfoglicerata u fosfoenolpiruvat, što je nužan korak za stvaranje ATP-a u sljedećoj reakciji.

To je dimerni enzim sastavljen od dvije identične podjedinice od 45 kDa. O magnezijevim ionima ovisi o njegovoj stabilnosti i promjenama konformacije potrebne za vezanje na supstrat. To je jedan od enzima koji se najčešće eksponira u citosolu mnogih organizama, a osim glikolitičkih obavlja i funkcije.

10- Piruvat kinaza

Druga fosforilacija na razini supstrata koja se događa u glikolizi katalizira piruvat kinaza koja je odgovorna za prijenos fosforilne skupine iz fosfoenolpiruvata u ADP i za proizvodnju piruvata.

Ovaj enzim je složeniji od bilo kojeg drugog glikolitičkog enzima, a kod sisavaca je homotetramerni enzim (57 kDa / podjedinica). Kod kralježnjaka postoje najmanje 4 izoenzima: L (u jetri), R (u eritrocitima), M1 (u mišićima i mozgu) i M2 (tkivo fetusa i tkiva odraslih).

Faze glikolize (korak po korak)

Glikolitički put sastoji se od deset uzastopnih koraka i započinje jednom molekulom glukoze. Tijekom procesa molekula glukoze se "aktivira" ili "priprema" uz dodatak dva fosfata, preokrećući dvije ATP molekule.

Nakon toga, on se "razreže" na dva fragmenta i konačno se nekoliko puta kemijski modificira, sintetizirajući četiri molekule ATP-a na putu, tako da neto dobitak na putu odgovara dvije ATP molekule.

Iz gore navedenog može se zaključiti da je put podijeljen na fazu „ulaganja u energiju“, koja je temeljna za potpunu oksidaciju molekule glukoze, i drugu fazu „energetskog dobitka“, u kojoj se energija koja se u početku zamjenjuje i dobiva dvije. neto ATP molekula.

- Faza ulaganja u energiju

1- Prvi korak glikolitičkog puta sastoji se od fosforilacije glukoze posredovane hekokinazom (HK), za koju enzim koristi jednu molekulu ATP za svaku molekulu glukoze koja fosforilira. Nepovratna je reakcija i ovisi o prisutnosti magnezijevih iona (Mg2 +):

Glukoza + ATP → 6-fosfat glukoze + ADP

2- Tako proizveden 6-fosfat glukoze izomerizira se u fruktozu 6-fosfat zahvaljujući djelovanju enzima fosfoglukoza izomeraza (PGI). Ovo je reverzibilna reakcija i ne uključuje dodatne troškove energije:

Glukoza 6-fosfat → Fruktoza 6-fosfat

3- Zatim, drugi korak energetske inverzije uključuje fosforilaciju fruktoze 6-fosfata, čime nastaje fruktoza 1,6-bisfosfat. Ovu reakciju katalizira enzim foshofruktokinaza-1 (PFK-1). Kao i prvi korak u putu, molekula donora fosfatne skupine je ATP i to je također nepovratna reakcija.

Fruktoza 6-fosfat + ATP → Fruktoza 1,6-bisfosfat + ADP

4- U ovom koraku glikolize dolazi do katalitičkog raspada fruktoze 1,6-bisfosfata u dihidroksiaceton fosfat (DHAP), ketoze i gliceraldehid 3-fosfata (GAP), aldoze. Kondenzacija aldola katalizira enzim aldolaza i reverzibilni je postupak.

Fruktoza 1,6-bisfosfat → Dihidroksiaceton fosfat + gliceraldehid 3-fosfat

5- Posljednja reakcija energetske inverzijske faze sastoji se od interkonverzije trioznog fosfata DHAP i GAP kataliziranog enzim trioza-fosfatna izomeraza (TIM), činjenica koja ne zahtijeva dodatni unos energije, a ujedno je i reverzibilni proces.

Dihidroksiaceton fosfat ↔ Gliceraldehid 3-fosfat

- Faza dobitka energije

6- gliceraldehid 3-fosfat koristi se "nizvodno" na glikolitičkom putu kao supstrat za reakciju oksidacije, a drugi za fosforilaciju, katalizirali isti enzim, gliceraldehid 3-fosfat dehidrogenaza (GAPDH).

Enzim katalizira oksidaciju C-ugljika u molekuli do karboksilne kiseline i njegovu fosforilaciju u istom položaju, stvarajući 1,3-bisfosfoglicerat. Tijekom reakcije, 2 molekule NAD + se smanjuju za svaku molekulu glukoze i koriste se 2 molekule anorganskog fosfata.

2-gliceraldehid 3-fosfat + 2NAD + + 2Pi → 2 (1,3-bisfosfoglicerat) + 2NADH + 2H

U aerobnim organizmima svaki proizveden NADH prolazi kroz transportni lanac elektrona i služi kao supstrat za sintezu 6 ATP molekula oksidativnom fosforilacijom.

7- Ovo je prvi korak sinteze ATP u glikolizi i uključuje djelovanje fosfoglicerat kinaze (PGK) na 1,3-bisfosfoglicerat, prenošenje fosforilne skupine (fosforilacija na razini supstrata) iz ove molekule u molekulu ADP, dajući 2ATP i 2 molekule 3-fosfoglicerata (3PG) za svaku molekulu glukoze.

2 (1,3-bisfosfoglicerat) + 2ADP → 2 (3-fosfoglicerat) + 2ATP

8- 3-fosfoglicerat služi kao supstrat za enzim fosfoglicerat mutazu (PGM), koji ga pretvara u 2-fosfoglicerat premještanjem fosforil grupe iz ugljika 3 u ugljik 2 reakcijom u dva koraka koja je reverzibilna i ovisna o magnezijevi ioni (Mg + 2).

2 (3-fosfoglicerat) → 2 (2-fosfoglicerat)

9- Enzim enolaza dehidrira 2-fosfoglicerat i stvara fosfoenolpiruvat (PEP) reakcijom koja ne jamči dodavanje dodatne energije i čija je svrha stvaranje visokoenergetskog spoja, sposobnog davati svoju fosforilnu skupinu u sljedećem reakcija.

2 (2-fosfoglicerat) → 2 fosfoenolpiruvat

10- Fosfoenolpiruvat je supstrat enzima piruvat kinaza (PYK), koji je odgovoran za prijenos fosforilne skupine u ovoj molekuli u molekulu ADP, čime katalizira drugu reakciju fosforilacije na razini supstrata.

U reakciji se proizvode molekule 2ATP i 2 piruvata za svaku glukozu i neophodno je prisustvo kalija i magnezija u ionskom obliku.

2fosfoenolpiruvat + 2ADP → 2Pyruvate + 2ATP

Neto prinos glikolize se, na taj način, sastoji od 2ATP i 2NAD + za svaku molekulu glukoze koja uđe u taj put.

Ako su to stanice s aerobnim metabolizmom, tada ukupna razgradnja molekule glukoze stvara između 30 i 32 ATP-a kroz Krebsov ciklus i transportni lanac elektrona.

Proizvodi glikolize

Opća reakcija glikolize je sljedeća:

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

Stoga, ako se analizira nakratko, moglo bi se osigurati da su glavni proizvodi glikolitičkog puta piruvat, ATP, NADH i H.

Međutim, metabolička sudbina svakog posrednika reakcije u velikoj mjeri ovisi o staničnim potrebama, zbog čega se svi intermedijari mogu smatrati produktima reakcije i mogu se navesti kako slijedi:

- 6-fosfat glukoze

- Fruktoza 6-fosfat

- Fruktoza 1,6-bisfosfat

- dihidroksiaceton fosfat i gliceraldehid 3-fosfat

- 1,3-bisfosfoglicerat

- 3-fosfoglicerat i 2-fosfoglicerat

- fosfoenolpiruvat i piruvat

Važnost

Unatoč činjenici da sama glikoliza (može se govoriti o anaerobnoj glikolizi) stvara samo oko 5% ATP-a koji se može izvući iz aerobnog katabolizma glukoze, ovaj metabolički put neophodan je iz nekoliko razloga:

- Služi kao "brzi" izvor energije, posebno u situacijama kada životinja mora brzo izaći iz stanja mirovanja, a procesi aerobne oksidacije ne bi bili dovoljno brzi.

- "bijela" skeletna mišićna vlakna u ljudskom tijelu, na primjer, su brzo trzajuća vlakna i ovise o funkcioniranju anaerobne glikolize.

- Kad stanica iz nekog razloga mora bez svojih mitohondrija (to su organele koje između ostalog provode oksidativnu fosforilaciju dijela glikolitičkih proizvoda), stanica postaje više ovisna o energiji dobivenoj od glikolitički put.

- Mnoge stanice ovise o glukozi kao izvoru energije putem glikolitika, među njima su i crvena krvna zrnca, kojima nedostaju unutarnje organele i stanice oka (posebno one rožnice) koje nemaju visoku gustoću mitohondrija.

Reference

1. Canback, B., Andersson, SGE i Kurland, CG (2002). Globalna filogenija glikolitičkih enzima. Zbornik radova Nacionalne akademije znanosti, 99 (9), 6097-6102.
2. Chaudhry R, ​​Varacallo M. Biokemija, glikoliza., U: StatPearls. Otok blaga (FL): StatPearls Publishing; 2020. siječnja. Dostupno s:
3. Fothergill-Gilmore, LA, i Michels, PA (1993). Evolucija glikolize. Napredak biofizike i molekularne biologije, 59 (2), 105-235.
4. Kim, JW, & Dang, CV (2005). Višestruke uloge glikolitičkih enzima. Trendovi biokemijskih znanosti, 30 (3), 142-150.
5. Kumari, A. (2017). Slatka biokemija: pamćenje struktura, ciklusa i putanja pomoću мнеnetike. Akademska štampa.
6. Li, XB, Gu, JD, i Zhou, QH (2015). Pregled aerobne glikolize i njezinih ključnih enzima - novi ciljevi za terapiju raka pluća. Rak toraksa, 6 (1), 17-24.