ГЛИКОЛИЗА: ФУНКЦИЈЕ, ЕНЗИМИ, ФАЗЕ, ПРОИЗВОДИ, ВАЖНОСТ - БИОЛОГИЈА - 2025

Гликолиза или гликолиза је главни пут катаболизма глукозе, чији је крајњи циљ је генерисање енергије у у виду АТП и смањује моћ у у облику НАДХ, са овог угљеним хидратима.

Ова рута, коју су Густав Ембден и Отто Меиерхоф у потпуности расветлили током тридесетих година прошлог века, док су проучавали потрошњу глукозе у ћелијама скелетних мишића, састоји се од потпуне оксидације овог моносахарида и сам по себи представља анаеробни пут за добијање енергије.

Молекуларна структура АТП-а, једног од гликолитичких производа (Резиме гликолитичког пута (Извор: Теккс на енглеском Википедији / ЦЦ БИ-СА (хттпс://цреативецоммонс.орг/лиценсес/би-са/3.0) виа Викимедиа Цоммонс) виа Викимедиа Цоммонс)

То је један од главних метаболичких путева, будући да се он, са својим разликама, појављује у свим живим организмима који постоје, једноћелијским или вишећелијским, прокариотским или еукариотским, а сматра се да представља ланац реакција које су у природи еволуцијски високо очуване.

У ствари, постоје неки организми и типови ћелија који зависе искључиво од овог пута како би преживели.

У првом реду, гликолиза се састоји од оксидације глукозе, од 6 атома угљеника, до пирувата, који има три атома угљеника; уз истодобну производњу АТП-а и НАДХ, корисних за ћелије са метаболичког и синтетичког становишта.

У ћелијама способним за даљу прераду производа добијених катаболизмом глукозе гликолиза се завршава производњом угљен-диоксида и воде кроз Кребсов циклус и ланац транспорта електрона (аеробна гликолиза).

Десет ензимских реакција одвија се током гликолитичког пута, и иако регулација ових реакција може бити донекле различита од врсте до врсте, регулаторни механизми се такође прилично чувају.

Функције гликолизе

Са метаболичког становишта, глукоза је један од најважнијих угљених хидрата за сва жива бића.

То је стабилан и веома растворљив молекул, па се може релативно лако транспортовати кроз цело тело тела или биљке, одакле се складишти и / или добија до места где је потребно као ћелијско гориво.

Структура глукозе (Извор: Олива93 / ЦЦ БИ-СА (хттпс://цреативецоммонс.орг/лиценсес/би-са/3.0) виа Викимедиа Цоммонс)

Хемијску енергију садржану у глукози живе ћелије искоришћавају гликолизом, која се састоји од низа високо контролисаних корака помоћу којих се енергија ослобођена оксидацијом овог угљених хидрата може „ухватити“ у више употребљивих облика енергије. , отуда и његов значај.

Овом рутом не добија се само енергија (АТП) и смањујућа снага (НАДХ), већ пружа и низ метаболичких посредника који су део осталих путева, такође важних од анаболичких (биосинтетских) и опште ћелијско функционисање. Ево листе:

- 6-фосфат глукозе за пут Пентосе фосфата (ППП)

- Пируват за млечну ферментацију

- Пируват за синтезу аминокиселина (углавном аланина)

- Пируват за циклус трикарбоксилне киселине

- Фруктоза 6-фосфат, глукоза 6-фосфат и дихидроксиацетон фосфат, који функционишу као "градивни блокови" на друге начине као што су синтеза гликогена, масних киселина, триглицерида, нуклеотида, аминокиселина, итд.

Производња енергије

Количина АТП-а произведена гликолитичким путем, када ћелија која га производи не може да живи под аеробним условима, довољна је да обезбеди енергетске потребе ћелије када је повезана са различитим врстама ферментацијских процеса.

Међутим, када је у питању аеробна ћелија, гликолиза такође служи као извор енергије и служи као "припремни корак" пре реакција оксидативне фосфорилације које карактеришу ћелије са аеробним метаболизмом.

Ензими укључени у гликолизу

Гликолиза је могућа само захваљујући учешћу 10 ензима који катализирају реакције које карактеришу овај пут. Многи од ових ензима су алостерни и мењају облик или конформацију када врше своје каталитичке функције.

Постоје ензими који разбијају и формирају ковалентне везе између њихових супстрата, а постоје и други којима су потребни посебни кофактори за обављање својих функција, углавном јони метала.

Структурно гледано, сви гликолитички ензими имају средиште које се састоји претежно од паралелних β листова окружених α-хеликалима и распоређених у више домена. Надаље, ови ензими су карактеризирани тиме да су њихова активна мјеста обично на мјестима везивања између домена.

Важно је такође приметити да главна регулација пута пролази кроз контролу (хормоналних или метаболита) ензима као што су хексокиназа, фосхофруктокиназа, глицералдехид 3-фосфат дехидрогеназа и пируват киназа.

Главне тачке регулације гликолитичког пута (Извор: Грегор 0492 / ЦЦ БИ-СА (хттпс://цреативецоммонс.орг/лиценсес/би-са/3.0) виа Викимедиа Цоммонс)

1- хексокиназа (ХК)

Прва реакција гликолизе (фосфорилација глукозе) катализује хекокиназа (ХК), чији се механизам деловања састоји од супстрата „индукованог стезања“ који промовише „закључавање“ ензима око АТП-а и глукозе (њених супстрата) након што се веже на њих.

У зависности од организма који се разматра, може постојати један или више изоензима чија се молекулска маса креће између 50 (око 500 аминокиселина) и 100 кДа, јер се чини да се удружују у облику димера, чији настанак погодује присуством глукозе и јони магнезијума и АТП.

Хекокиназа има терцијарну структуру састављену од отворених алфа и бета листова, мада постоје многе структурне разлике у тим ензимима.

2- фосфоглукоза изомераза (ПГИ)

Глукоза фосфорилирана хекокиназом изомеризира се у фруктозу 6-фосфат преко фосфоглукозне изомеразе (ПГИ), такође позната као глукоза 6-фосфатна изомераза. Ензим, дакле, не уклања и не додаје атоме, већ их преуређује на структуралном нивоу.

Ово је активни ензим у свом димерном облику (мономер тежи више или мање 66 кДа) и учествује не само у гликолизи, већ и у глуконеогенези, у синтези угљених хидрата у биљкама, итд.

3- фосхофруктокиназа (ПФК)

Фруктоза 6-фосфат је супстрат ензима фосхофруктокиназе, који је способан да поновно фосфорилира овај молекул користећи АТП као донор фосфорилне групе, стварајући фруктозу 1,6-бисфосфат.

Овај ензим постоји у бактеријама и сисарима као хомотетрамерни ензим (састављен од четири идентичне подјединице од по 33 кДа за бактерије и 85 кДа свака код сисара), а у квасцима је октамер (састављен од већих подјединица, између 112 и 118 кДа).

То је алостерни ензим, што значи да га неки од његових производа (АДП) и други молекули, попут АТП-а и цитрата, позитивно или негативно регулишу.

4- Алдолассе

Познат и као фруктоза 1,6-бисфосфат алдолаза, алдолаза катализује каталитички разпад фруктозе 1,6-бисфосфата у дихидроксиацетон фосфат и глицералдехид 3-фосфат и обрнуту реакцију, односно сједињење оба шећера за стварање фруктоза 1,6-бисфосфат.

Другим речима, овај ензим разреже фруктозу 1,6-бисфосфат право на пола, ослобађајући два фосфорилирана једињења 3 угљеника. Алдоласе се такође састоји од 4 идентичне подјединице, а свака има своје активно место.

Утврђено је постојање две класе (И и ИИ) овог ензима, које се разликују механизмом реакције коју катализују и због тога што се неке (прве) јављају у бактеријама и „нижим“ еукариотима, а друге ( друго) налазе се у бактеријама, протетичарима и метазоама.

"Виша" еукариотска алдолаза се састоји од хомотетрамера подјединица молекулске масе 40 кДа, од којих се свака састоји од бачва састављеног од 8 β / α листова.

5- триозна фосфатна изомераза (ТИМ)

Две фосфорилиране триозе могу се међусобно претворити захваљујући деловању триоза-фосфатне изомеразе, која омогућава употребу оба шећера током гликолизе, осигуравајући потпуну употребу сваког молекула глукозе који уђе у тај пут.

Овај ензим је описан као "савршен" ензим, јер катализује описану реакцију око три билиона пута брже него што би се одвијало без вашег учешћа. Његово активно место налази се у центру бета-бачвасте структуре, карактеристичне за многе гликолитичке ензиме.

То је димерни протеин, сачињен од две идентичне подјединице од око 27 кДа, обе са глобуларном структуром.

6- глицералдехид 3-фосфат дехидрогеназа (ГАПДХ)

Глицералдехид 3-фосфат настао дејством алдолазе и триозе фосфатне изомеразе служи као супстрат за ГАПДХ, који је хомотетрамерни ензим (34-38 кДа свака подјединица) који се кооперативно везује за молекул НАД + у свакој од 4 активна места, као и 2 фосфатна или сулфатна јона.

У овом кораку, ензим омогућава фосфорилацију једног од његових супстрата користећи аноргански фосфат као донор фосфорилне групе, уз истодобну редукцију два НАД + молекула и производњу 1,3-бисфосфоглицерата.

7- фосфоглицерат киназа (ПГК)

Фосфоглицерат киназа је одговорна за преношење једне од фосфатних група 1,3-бисфосфоглицерата у АДП молекулу фосфорилацијом на нивоу супстрата. Овај ензим користи механизам сличан ономе који користи хекокиназа, јер се затвара у контакту на супстратима, штитећи их од ометања молекула воде.

Овај ензим, као и други који користе два или више супстрата, има место везивања за АДП, а друго за шећерни фосфат.

За разлику од осталих описаних ензима, овај протеин је мономер од 44 кДа с билобалном структуром, састављен од две домене исте величине повезане уским „пукотином“.

8- фосфоглицератна мутаза

3-фосфоглицерат пролази са фосфатне групе на угљеник 2, у средини молекуле, што представља стратешко место нестабилности које олакшава накнадни пренос групе у АТП молекулу у последњој реакцији пута.

Ово преуређивање катализује ензим фосфоглицерат мутаза, димерни ензим за људе и тетрамерични за квас, величине подјединице близу 27 кДа.

9- Еноласе

Енолаза катализује дехидрацију 2-фосфоглицерата у фосфоенолпируват, што је неопходан корак за стварање АТП-а у следећој реакцији.

То је димерни ензим састављен од две идентичне подјединице од 45 кДа. Зависи од јони магнезијума о његовој стабилности и промене конформације потребне за везање на супстрат. То је један од ензима који се најчешће испољава у цитосолу многих организама, а осим гликолитичких обавља и функције.

10- Пируват киназа

Друга фосфорилација на нивоу супстрата која се јавља у гликолизи катализује пируват киназа која је одговорна за преношење фосфорилне групе из фосфоенолпирувата у АДП и за производњу пирувата.

Овај ензим је сложенији од било којег другог гликолизног ензима, а код сисара је хомотетрамерни ензим (57 кДа / подјединица). Код кичмењака постоје најмање 4 изоензима: Л (у јетри), Р (у еритроцитима), М1 (у мишићима и мозгу) и М2 (ткиво фетуса и ткива одраслих).

Фазе гликолизе (корак по корак)

Гликолитички пут састоји се од десет узастопних корака и започиње једним молекулом глукозе. Током процеса, молекул глукозе се „активира“ или „припрема“ уз додавање два фосфата, претварајући два АТП молекула.

Касније се „разреже“ на два фрагмента и на крају се хемијски модификује неколико пута, синтетишући четири молекула АТП-а на путу, тако да нето добитак пута одговара двема АТП молекулама.

Из горе наведеног може се закључити да је пут подељен на фазу „инвестирања“ енергије, темељну за потпуну оксидацију молекуле глукозе, и другу фазу „добијања енергије“, где се у почетку потрошена енергија замени, а две добију. нето АТП молекула.

- Фаза инвестирања у енергију

1- Први корак гликолитичког пута састоји се од фосфорилације глукозе посредоване хекокиназом (ХК), за коју ензим користи једну молекулу АТП за сваки молекул глукозе који је фосфорилиран. То је неповратна реакција и зависи од присуства јона магнезијума (Мг2 +):

Глукоза + АТП → 6-фосфат глукозе + АДП

2- Тако произведен 6-фосфат глукозе изомеризира се у фруктозу 6-фосфат захваљујући деловању ензима фосфоглукоза изомераза (ПГИ). Ово је реверзибилна реакција и не укључује додатне трошкове енергије:

Глукоза 6-фосфат → Фруктоза 6-фосфат

3- Затим, други корак енергетске инверзије укључује фосфорилацију фруктозе 6-фосфата, чиме се формира фруктоза 1,6-бисфосфат. Ову реакцију катализује ензим фосхофруктокиназа-1 (ПФК-1). Као и први корак на путу, молекул донора фосфатне групе је АТП и то је такође неповратна реакција.

Фруктоза 6-фосфат + АТП → Фруктоза 1,6-бисфосфат + АДП

4- У овом кораку гликолизе долази до каталитичког разлагања фруктозе 1,6-бисфосфата на дихидроксиацетон фосфат (ДХАП), кетозе и глицералдехид 3-фосфата (ГАП), алдозе. Кондензација ове алдоле катализује ензим алдолаза и реверзибилни је процес.

Фруктоза 1,6-бисфосфат → Дихидроксиацетон фосфат + глицералдехид 3-фосфат

5- Последња реакција фазе инверзије енергије састоји се од интерконверзије триозног фосфата ДХАП и ГАП катализоване ензим триоза-фосфатна изомераза (ТИМ), чињеница која не захтева додатни унос енергије и такође је реверзибилан процес.

Дихидроксиацетон фосфат ↔ Гцецералдехид 3-фосфат

- Фаза добијања енергије

6- Глицералдехид 3-фосфат се користи „низводно“ на гликолитичком путу као супстрат за реакцију оксидације, а други за фосфорилацију, катализану истим ензимом, глицералдехид 3-фосфат дехидрогеназа (ГАПДХ).

Ензим катализује оксидацију Ц-угљеника молекула до карбоксилне киселине и његову фосфорилацију у истом положају, стварајући 1,3-бисфосфоглицерат. Током реакције, два молекула НАД + се смањују за сваки молекул глукозе и користе се 2 молекула неорганског фосфата.

2-глицерралдехид 3-фосфат + 2НАД + + 2Пи → 2 (1,3-бисфосфоглицерат) + 2НАДХ + 2Х

У аеробним организмима сваки НАДХ произведен на овај начин пролази кроз транспортни ланац електрона и служи као супстрат за синтезу 6 АТП молекула оксидативном фосфорилацијом.

7- Ово је први корак синтезе АТП у гликолизи и укључује деловање фосфоглицерат киназе (ПГК) на 1,3-бисфосфоглицерат, преношење фосфорилне групе (фосфорилације на нивоу супстрата) из овог молекула у молекулу АДП, дајући 2АТП и 2 молекула 3-фосфоглицерата (3ПГ) за сваки молекул глукозе.

2 (1,3-бисфосфоглицерат) + 2АДП → 2 (3-фосфоглицерат) + 2АТП

8- 3-фосфоглицерат служи као супстрат за ензим фосфоглицерратну мутазу (ПГМ), који га претвара у 2-фосфоглицерат премештањем фосфорил групе из угљеника 3 у угљеник 2 кроз двостепену реакцију која је реверзибилна и зависи од јони магнезијума (Мг + 2).

2 (3-фосфоглицерат) → 2 (2-фосфоглицерат)

9- Ензим енолаза дехидрира 2-фосфоглицерат и ствара фосфоенолпируват (ПЕП) реакцијом која не гарантује додавање додатне енергије и чија је сврха стварање високоенергетског једињења, способног да донира своју фосфорилну групу у следећем реакција.

2 (2-фосфоглицерат) → 2 фосфоенолпируват

10- Фосфоенолпируват је супстрат ензима пируват киназа (ПИК), који је одговоран за преношење фосфорилне групе из овог молекула у АДП молекул, катализујући тако другу реакцију фосфорилације на нивоу супстрата.

У реакцији се производе молекули 2АТП и 2 пирувата за сваку глукозу и неопходно је присуство калијума и магнезијума у ​​јонском облику.

2Пхоспхоенолпирувате + 2АДП → 2Пирувате + 2АТП

Нето принос гликолизе на овај начин се састоји од 2АТП и 2НАД + за сваки молекул глукозе који уђе у тај пут.

Ако су ћелије са аеробним метаболизмом, тада укупна разградња молекула глукозе ствара између 30 и 32 АТП кроз Кребсов циклус и транспортни ланац електрона.

Производи гликолизе

Општа реакција гликолизе је следећа:

Глукоза + 2НАД + + 2АДП + 2Пи → 2Пирувате + 2АТП + 2НАДХ + 2Х +

Стога, ако се анализира накратко, могло би се осигурати да су главни производи гликолитичког пута пируват, АТП, НАДХ и Х.

Међутим, метаболичка судбина сваког посредника реакције у великој мери зависи од ћелијских потреба, због чега се сви интермедијари могу сматрати продуктима реакције и могу се навести на следећи начин:

- 6-фосфат глукозе

- Фруктоза 6-фосфат

- Фруктоза 1,6-бисфосфат

- дихидроксиацетон фосфат и глицералдехид 3-фосфат

- 1,3-бисфосфоглицерат

- 3-фосфоглицерат и 2-фосфоглицерат

- фосфоенолпируват и пируват

Значај

Упркос чињеници да сама гликолиза (може се говорити о анаеробној гликолизи) ствара само око 5% АТП-а који се може извући из аеробног катаболизма глукозе, овај метаболички пут је кључан из неколико разлога:

- Служи као "брзи" извор енергије, посебно у ситуацијама када животиња мора брзо изаћи из стања мировања, а процеси аеробне оксидације не би били довољно брзи.

- „бела“ скелетна мишићна влакна у људском телу, на пример, су влакна која се брзо трзају и зависе од деловања анаеробне гликолизе.

- Кад ћелија из неког разлога мора да уради без неких својих митохондрија (то су органели који између осталог спроводе оксидативну фосфорилацију дела гликолитичких производа), ћелија постаје више зависна од енергије коју добија гликолитички пут.

- Многе ћелије зависе од глукозе као извора енергије путем гликолитика, међу њима се истичу црвена крвна зрнца која немају унутрашње органеле и ћелије ока (посебно оне рожњаче) које немају велику густину митохондрија.

Референце

1. Цанбацк, Б., Андерссон, СГЕ и Курланд, ЦГ (2002). Глобална филогенија гликолитичких ензима. Зборник радова Националне академије наука, 99 (9), 6097-6102.
2. Цхаудхри Р, Варацалло М. Биохемија, гликолиза. . У: СтатПеарлс. Острво трезора (ФЛ): СтатПеарлс Публисхинг; 2020 Јан- Доступно са: хттпс://ввв.нцби.нлм.них.гов/боокс/НБК482303/
3. Фотхергилл-Гилморе, ЛА, и Мицхелс, ПА (1993). Еволуција гликолизе. Напредак биофизике и молекуларне биологије, 59 (2), 105-235.
4. Ким, ЈВ, и Данг, ЦВ (2005). Вишеструке улоге гликолитичких ензима. Трендови у биохемијским наукама, 30 (3), 142-150.
5. Кумари, А. (2017). Свеет Биоцхемистри: Сећање на структуре, циклусе и путеве Мнемоницс. Академска штампа.
6. Ли, КСБ, Гу, ЈД и Зхоу, КХ (2015). Преглед аеробне гликолизе и њених кључних ензима - нови циљеви за лечење рака плућа. Карцином тораке, 6 (1), 17-24.