GLIKOLĪZE: FUNKCIJAS, FERMENTI, FĀZES, PRODUKTI, NOZĪME - BIOLOĢIJA - 2025

Glikolīzi vai glikolīzi ir galvenais ceļš no glikozes katabolisma, kuras galvenais mērķis ir radīt enerģiju no veidā ATP un samazinot jaudu no formā NADH, no šī ogļhidrātu.

Šis ceļš, kuru 20. gadsimta 30. gados pilnībā noskaidroja Gustavs Embdens un Otto Mejerhofs, pētot glikozes patēriņu skeleta muskuļu šūnās, sastāv no šī monosaharīda pilnīgas oksidācijas un pats par sevi ir anaerobs ceļš enerģijas iegūšana.

ATP, viena no glikolītiskajiem produktiem, molekulārā struktūra (Glikolītiskā ceļa kopsavilkums (Avots: Tekks angļu valodā Wikipedia / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0), izmantojot Wikimedia Commons), izmantojot Wikimedia Commons)

Tas ir viens no galvenajiem metabolisma ceļiem, jo ​​tas notiek ar visām atšķirībām visos dzīvos organismos, kas pastāv - vienšūnu vai daudzšūnu, prokariotu vai eikariotu, un tiek uzskatīts, ka tas ir reakciju ķēde, kas evolūcijā ir ļoti konservēta dabā.

Faktiski ir daži organismi un šūnu veidi, kas izdzīvošanai ir atkarīgi tikai no šī ceļa.

Pirmkārt, glikolīze sastāv no 6 oglekļa atomu glikozes oksidēšanas par piruvātu, kurā ir trīs oglekļa atomi; ar vienlaicīgu ATP un NADH ražošanu, kas ir noderīgi šūnām no vielmaiņas un sintētiskā viedokļa.

Šūnās, kuras var tālāk pārstrādāt produktus, kas iegūti no glikozes katabolisma, glikolīze beidzas ar oglekļa dioksīda un ūdens veidošanos Krebsa cikla un elektronu transporta ķēdes laikā (aerobo glikolīzi).

Glikolītiskā ceļa laikā notiek desmit fermentatīvas reakcijas, un, kaut arī šo reakciju regulēšana dažādās sugās var būt nedaudz atšķirīga, arī regulatīvie mehānismi ir diezgan konservatīvi.

Glikolīzes funkcijas

No metabolisma viedokļa glikoze ir viens no vissvarīgākajiem ogļhidrātiem visās dzīvajās lietās.

Tā ir stabila un ļoti labi šķīstoša molekula, tāpēc to var relatīvi viegli pārvadāt pa visu dzīvnieka vai auga ķermeni, no kurienes to uzglabā un / vai iegūst līdz vietai, kur tā nepieciešama kā šūnu degviela.

Glikozes struktūra (Avots: Oliva93 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0), izmantojot Wikimedia Commons)

Glikozes sastāvā esošo ķīmisko enerģiju dzīvās šūnas izmanto glikolīzes ceļā, kas sastāv no virknes ļoti kontrolētu darbību, ar kuru palīdzību enerģiju, kas atbrīvota no šī ogļhidrāta oksidācijas, var “notvert” izmantojamākās enerģijas formās. , tātad tā nozīme.

Pa šo ceļu tiek iegūta ne tikai enerģija (ATP) un reducējošā jauda (NADH), bet arī nodrošina virkni metabolisma starpnieku, kas ir daļa no citiem ceļiem, kas arī ir svarīgi no anaboliskā (biosintētiskā) un vispārēja šūnu darbība. Šeit ir saraksts:

- Glikozes 6-fosfāts pentozes fosfāta ceļam (PPP)

- Piruvāts pienskābes fermentācijai

- Piruvāts aminoskābju (galvenokārt alanīna) sintēzei

- Piruvāts trikarbonskābes ciklam

- Fruktozes 6-fosfāts, glikozes 6-fosfāts un dihidroksiacetonfosfāts, kas darbojas kā “celtniecības bloki” citos veidos, piemēram, glikogēna, taukskābju, triglicerīdu, nukleotīdu, aminoskābju sintēzē.

Enerģijas ražošana

ATP daudzums, ko rada glikolītiskais ceļš, kad šūna, kas to ražo, nevar dzīvot aerobos apstākļos, ir pietiekams, lai nodrošinātu šūnas enerģijas vajadzības, kad tā tiek savienota ar dažāda veida fermentācijas procesiem.

Tomēr, runājot par aerobām šūnām, glikolīze kalpo arī kā ārkārtas enerģijas avots un kalpo kā “sagatavošanās posms” pirms oksidējošām fosforilēšanās reakcijām, kas raksturo šūnas ar aerobo metabolismu.

Fermenti, kas iesaistīti glikolīzē

Glikolīze ir iespējama tikai pateicoties 10 enzīmu līdzdalībai, kas katalizē reakcijas, kas raksturo šo ceļu. Daudzi no šiem fermentiem ir allosteriski un maina formu vai uzbūvi, kad tie veic savas katalītiskās funkcijas.

Ir fermenti, kas sagrauj un veido kovalento saikni starp substrātiem, un ir arī citi, kuriem, galvenokārt, metāla joni, lai veiktu savas funkcijas, nepieciešami īpaši kofaktori.

Strukturāli runājot, visiem glikolītiskajiem fermentiem ir centrs, kas sastāv galvenokārt no paralēlām β loksnēm, kuras ieskauj α heliklas un ir izvietotas vairāk nekā vienā domēnā. Turklāt šie fermenti ir raksturīgi ar to, ka to aktīvās vietas parasti atrodas saistīšanas vietās starp domēniem.

Ir arī svarīgi atzīmēt, ka galvenā ceļa regulēšana notiek, kontrolējot fermentus (hormonālos vai metabolītus), piemēram, heksokināzi, fosfofruktokināzi, glicerraldehīda 3-fosfāta dehidrogenāzi un piruvāta kināzi.

Glikolītiskā ceļa regulēšanas galvenie punkti (Avots: Gregor 0492 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0), izmantojot Wikimedia Commons)

1- heksokināze (HK)

Pirmo glikolīzes reakciju (glikozes fosforilēšanos) katalizē heksokināze (HK), kuras darbības mehānisms, šķiet, sastāv no substrāta, ko “inducē savelkšana”, kas veicina enzīma “bloķēšanu” ap ATP un glikozes (tās substrātu), tiklīdz tā ar tām ir saistīta.

Atkarībā no aplūkotā organisma, var būt viens vai vairāki izoenzīmi, kuru molekulmasa svārstās no 50 (ap 500 aminoskābēm) līdz 100 kDa, jo šķiet, ka tie sagrupējas dimēru veidā, kuru veidošanos veicina glikozes, magnija jonu klātbūtne un ATP.

Heksokināzei ir terciārā struktūra, kas sastāv no atvērtām alfa un beta loksnēm, lai gan šajos fermentos ir daudz strukturālu atšķirību.

2 - fosfoglikozes izomerāze (AĢIN)

Glikoze, kas fosforilēta ar heksokināzes palīdzību, tiek izomerizēta līdz fruktozes 6-fosfātam caur fosfoglikozes izomerāzi (AĢIN), kas pazīstama arī kā glikozes 6-fosfāta izomerāze. Pēc tam ferments nenoņem un nepievieno atomus, bet pārkārto tos struktūras līmenī.

Tas ir aktīvs enzīms tā dimēriskajā formā (monomērs sver vairāk vai mazāk 66 kDa) un ir iesaistīts ne tikai glikolīzē, bet arī glikoneoģenēzē, ogļhidrātu sintēzē augos utt.

3 - fosfofruktokināze (PFK)

Fruktozes 6-fosfāts ir fosfofruktokināzes enzīma substrāts, kas spēj atkārtoti fosforilēt šo molekulu, izmantojot ATP kā fosforilgrupas donoru, iegūstot fruktozes 1,6-bisfosfātu.

Šis enzīms baktērijās un zīdītājos pastāv kā homotetramerisks enzīms (sastāv no četrām identiskām subvienībām - 33 kDa katrai baktērijām un 85 kDa katra - zīdītājiem), un raugos tas ir oktamers (sastāv no lielākām apakšvienībām, starp 112 un 118 kDa).

Tas ir allosteris enzīms, kas nozīmē, ka to pozitīvi vai negatīvi regulē daži tā produkti (ADP) un citas molekulas, piemēram, ATP un citrāts.

4 - Aldolasse

Pazīstams arī kā fruktozes 1,6-bifosfāta aldolāze, aldolāze katalizē fruktozes 1,6-bifosfāta katalītisku sadalīšanos dihidroksiacetona fosfāta un glicerraldehīda 3-fosfātā un apgriezto reakciju, tas ir, abu cukuru savienojumu, veidojoties fruktozes 1,6-bifosfāts.

Citiem vārdiem sakot, šis ferments sagriež fruktozes 1,6-bifosfātu pa labi uz pusēm, atbrīvojot divus fosforilētus 3-oglekļa savienojumus. Aldolase sastāv arī no 4 identiskām apakšvienībām, kurām katrai ir sava aktīvā vietne.

Ir noteiktas šī fermenta divu klašu (I un II) esamība, kuras diferencē ar to katalizētās reakcijas mehānismu, un tāpēc, ka dažas (pirmās) rodas baktērijās un "zemākajos" eikariotos, bet pārējās ( otrais) atrodas baktērijās, protistos un metazoānos.

"Augstāka" eikariotu aldolāze sastāv no homotetramēra ar 40 kDa molekulmasas apakšvienībām, no kurām katra sastāv no stobra, kas sastāv no 8 β / α loksnēm.

5-triosefosfāta izomerāze (TIM)

Divas fosforilētās triozes var savstarpēji pārveidot, pateicoties triosefosfāta izomerāzes darbībai, kas ļauj glikolīzes laikā lietot abus cukurus, nodrošinot katras glikozes molekulas, kas nonāk ceļā, pilnīgu izmantošanu.

Šis enzīms tika aprakstīts kā “ideāls” enzīms, jo tas aprakstīto reakciju katalizē apmēram triljonu reižu ātrāk, nekā tas notiktu bez jūsu līdzdalības. Tā aktīvā vieta atrodas beta mucas struktūras centrā, kas raksturīga daudziem glikolītiskiem enzīmiem.

Tas ir dimērisks proteīns, kas sastāv no divām identiskām apakšvienībām aptuveni 27 kDa, abām ar globulāru struktūru.

6- glicerraldehīda 3-fosfāta dehidrogenāze (GAPDH)

Glicerraldehīda 3-fosfāts, kas iegūts, reaģējot ar aldolāzi un triozes fosfāta izomerāzi, kalpo par substrātu GAPDH, kas ir homotetrameriskais enzīms (34–38 kDa katra subvienība), kas kooperatīvi saistās ar NAD + molekulu katrā no 4 aktīvajām vietām, kā arī 2 fosfāta vai sulfāta joni.

Šajā ceļa posmā enzīms ļauj fosforilēt vienu no tā substrātiem, izmantojot neorganisko fosfātu kā fosforilgrupas donoru, vienlaikus samazinot divas NAD + molekulas un iegūstot 1,3-bisfosfoglicerātu.

7 - fosfoglicerāta kināze (PGK)

Fosfoglicerāta kināze ir atbildīga par vienas no 1,3-bisfosfoglicerāta fosfātu grupu pārnešanu uz ADP molekulu, fosforizējot substrāta līmenī. Šis enzīms izmanto mehānismu, kas līdzīgs heksokināzes izmantotajam, jo ​​tas aizveras, nonākot saskarē ar substrātiem, aizsargājot tos no traucējošām ūdens molekulām.

Šim fermentam, tāpat kā citiem, kas izmanto divus vai vairākus substrātus, ir ADP saistīšanas vieta, bet citam - cukura fosfāts.

Atšķirībā no citiem aprakstītajiem fermentiem, šis proteīns ir 44 kDa monomērs ar bilobālu struktūru, kas sastāv no diviem vienāda lieluma domēniem, kas savienoti ar šauru “spraugu”.

8- fosfoglicerāta mutāze

3-fosfoglicerātā notiek izmaiņas no fosfātu grupas uz oglekli 2 molekulu vidū, kas ir stratēģiskas nestabilitātes vieta, kas atvieglo turpmāku grupas pārnešanu uz ATP molekulu pēdējās ceļa reakcijas laikā.

Šo pārkārtošanos katalizē enzīms fosfoglicerāta mutāze, dimēru enzīms cilvēkiem un tetrameric raugs, ar subvienības lielumu tuvu 27 kDa.

9- enolāze

Enolāze katalizē 2-fosfoglicerāta dehidratāciju līdz fosfoenolpiruvātam, kas ir nepieciešams solis ATP veidošanai nākamajā reakcijā.

Tas ir dimērisks enzīms, kas sastāv no divām identiskām 45 kDa apakšvienībām. Tas ir atkarīgs no magnija joniem par tā stabilitāti un konformācijas izmaiņām, kas vajadzīgas, lai saistītos ar substrātu. Tas ir viens no fermentiem, kas visizplatītākais tiek izteikts daudzu organismu citosolā, un papildus glikolītiskajiem veic arī citas funkcijas.

10- piruvāta kināze

Otro substrāta līmeņa fosforilēšanu, kas notiek glikolīzē, katalizē piruvāta kināze, kas ir atbildīga par fosforilgrupas pārnešanu no fosfoenolpiruvāta uz ADP un par piruvāta ražošanu.

Šis ferments ir sarežģītāks nekā jebkurš cits glikolītiskais enzīms, un zīdītājiem tas ir homotetrameriskais enzīms (57 kDa / subvienība). Mugurkaulniekiem ir vismaz 4 izoenzīmi: L (aknās), R (eritrocītos), M1 (muskuļos un smadzenēs) un M2 (augļa audos un pieaugušo audos).

Glikolīzes fāzes (soli pa solim)

Glikolītiskais ceļš sastāv no desmit secīgiem posmiem un sākas ar vienu glikozes molekulu. Procesa laikā glikozes molekulu "aktivizē" vai "sagatavo", pievienojot divus fosfātus, apvēršot divas ATP molekulas.

Pēc tam tas tiek "sagriezts" divos fragmentos un visbeidzot pāris reizes tiek ķīmiski modificēts, pa ceļam sintezējot četras ATP molekulas, tā, lai maršruta tīrais guvums atbilstu divām ATP molekulām.

No iepriekšminētā var secināt, ka ceļš ir sadalīts enerģijas “inversijas” fāzē, kas ir būtiska glikozes molekulas pilnīgai oksidēšanai, un vēl vienai enerģijas “pieauguma” fāzei, kurā sākotnēji izmantotā enerģija tiek aizstāta un tiek iegūtas divas. neto ATP molekulas.

- Investīcijas enerģētikā

1- Pirmais glikolītiskā ceļa posms sastāv no glikozes fosforilēšanas, ko mediē heksokināze (HK), kurai enzīms izmanto vienu ATP molekulu katrai fosforilētās glikozes molekulai. Tā ir neatgriezeniska reakcija un ir atkarīga no magnija jonu (Mg2 +) klātbūtnes:

Glikoze + ATP → Glikoze 6-fosfāts + ADP

2 - Šādā veidā iegūtais glikozes 6-fosfāts tiek izomerizēts par fruktozes 6-fosfātu, pateicoties fermenta fosfoglikozes izomerāzes (AĢIN) darbībai. Šī ir atgriezeniska reakcija un nav saistīta ar papildu enerģijas izdevumiem:

Glikozes 6-fosfāts → Fruktozes 6-fosfāts

3 - Pēc tam citā enerģijas inversijas posmā notiek fruktozes 6-fosfāta fosforilēšana, veidojot fruktozes 1,6-bisfosfātu. Šo reakciju katalizē enzīms fosfofruktokināze-1 (PFK-1). Tāpat kā pirmais solis ceļā, fosfātu grupas donora molekula ir ATP, un tā ir arī neatgriezeniska reakcija.

Fruktozes 6-fosfāts + ATP → Fruktozes 1,6-bisfosfāts + ADP

4- Šajā glikolīzes posmā notiek fruktozes 1,6-bifosfāta katalītiska sadalīšana dihidroksiacetona fosfātā (DHAP), ketozē, un glicerraldehīda 3-fosfātā (GAP), kas ir aldoze. Šo aldola kondensāciju katalizē enzīma aldolāze, un tas ir atgriezenisks process.

Fruktozes 1,6-bifosfāts → Dihidroksiacetona fosfāts + glicerraldehīda 3-fosfāts

5- Enerģijas inversijas fāzes pēdējā reakcija sastāv no triozes fosfāta DHAP un GAP savstarpējās pārvēršanas, ko katalizē ferments triose-fosfāta izomerāze (TIM) - fakts, kam nav nepieciešama papildu enerģijas uzņemšana, un tas ir arī atgriezenisks process.

Dihidroksiacetona fosfāts ↔ Glicerialdehīda 3-fosfāts

- enerģijas ieguves fāze

6- glicerraldehīda 3-fosfātu glikolītiskajā ceļā "pakārtoti" izmanto kā substrātu oksidācijas reakcijai un citu fosforilēšanai, katalizē tas pats ferments - glicerraldehīda 3-fosfāta dehidrogenāze (GAPDH).

Ferments katalizē molekulas C1 oglekļa oksidēšanu par karbonskābi un tās fosforilēšanu tajā pašā pozīcijā, iegūstot 1,3-bisfosfoglicerātu. Reakcijas laikā katrai glikozes molekulai tiek samazinātas 2 NAD + molekulas, un tiek izmantotas 2 neorganiskā fosfāta molekulas.

2Glicerraldehīda 3-fosfāts + 2NAD + + 2Pi → 2 (1,3-bisfosfoglicerāts) + 2NADH + 2H

Aerobos organismos katrs šādā veidā iegūtais NADH iziet cauri elektronu transporta ķēdei un kalpo par substrātu 6 ATP molekulu sintēzei ar oksidatīvas fosforilēšanas palīdzību.

7- Šis ir pirmais ATP sintēzes posms glikolīzē un ietver fosfoglicerāta kināzes (PGK) darbību uz 1,3-bisfosfoglicerātu, pārnesot fosforilgrupu (substrāta līmeņa fosforilēšana) no šīs molekulas uz molekulu no ADP, iegūstot 2ATP un 2 molekulas 3-fosfoglicerāta (3PG) par katru glikozes molekulu.

2 (1,3-bisfosfoglicerāts) + 2ADP → 2 (3-fosfoglicerāts) + 2ATP

8- 3-fosfoglicerāts kalpo par substrātu enzīma fosfoglicerāta mutāzei (PGM), kas to pārvērš par 2-fosfoglicerātu, pārvietojot fosforilgrupu no oglekļa 3 uz oglekli 2 divpakāpju reakcijā, kas ir atgriezeniska un atkarīga no magnija joni (Mg + 2).

2 (3-fosfoglicerāts) → 2 (2-fosfoglicerāts)

9 - enolazes enzīms dehidrē 2-fosfoglicerātu un rada fosfoenolpiruvātu (PEP), izmantojot reakciju, kurai nav vajadzīgs papildu enerģijas pievadīšana un kuras mērķis ir radīt augstas enerģijas savienojumu, kas spēj ziedot savu fosforilgrupu šādās grupās: reakcija.

2 (2-fosfoglicerāts) → 2 fosfoenolpiruvāts

10- fosfenolpiruvāts ir fermenta piruvāta kināzes (PYK) substrāts, kas ir atbildīgs par šīs molekulas fosforilgrupas pārnešanu uz ADP molekulu, tādējādi katalizējot citu fosforilēšanās reakciju substrāta līmenī.

Reakcijā katrai glikozei tiek ražotas 2ATP un 2 piruvāta molekulas, un ir nepieciešama kālija un magnija klātbūtne jonu formā.

2fosfenolpiruvāts + 2ADP → 2Pyruvate + 2ATP

Glikolīzes tīrais ieguvums šādā veidā sastāv no 2ATP un 2NAD + par katru glikozes molekulu, kas nonāk ceļā.

Ja tās ir šūnas ar aerobo metabolismu, tad kopējā glikozes molekulas sadalīšanās rada no 30 līdz 32 ATP caur Krebsa ciklu un elektronu transporta ķēdi.

Glikolīzes produkti

Glikolīzes vispārējā reakcija ir šāda:

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

Tāpēc, ja to īsi analizē, var pārliecināties, ka glikolītiskā ceļa galvenie produkti ir piruvāts, ATP, NADH un H.

Tomēr katra reakcijas starpnieka metaboliskais liktenis lielā mērā ir atkarīgs no šūnu vajadzībām, tāpēc visus starpproduktus var uzskatīt par reakcijas produktiem, un tos var uzskaitīt šādi:

- Glikozes 6-fosfāts

- Fruktozes 6-fosfāts

- Fruktozes 1,6-bifosfāts

- dihidroksiacetonfosfāts un glicerraldehīda 3-fosfāts

- 1,3-bisfosfoglicerāts

- 3-fosfoglicerāts un 2-fosfoglicerāts

- fosfoenolpiruvāts un piruvāts

Svarīgums

Neskatoties uz to, ka glikolīze pati par sevi (var runāt par anaerobo glikolīzi) rada tikai apmēram 5% ATP, ko var iegūt no glikozes aerobo katabolisma, šis metabolisma ceļš ir būtisks vairāku iemeslu dēļ:

- Tas kalpo kā “ātrs” enerģijas avots, īpaši situācijās, kad dzīvniekam ātri jāiznāk no miera stāvokļa, kurā aerobos oksidācijas procesi nebūtu pietiekami ātri.

- Piemēram, cilvēka ķermeņa “baltās” skeleta muskuļu šķiedras ir ātras šķiedras šķiedras, un, lai tās darbotos, tās ir atkarīgas no anaerobās glikolīzes.

- Kad kāda iemesla dēļ šūnai jāiztiek bez dažām tās mitohondrijām (kas cita starpā ir organoīdi, kas cita starpā veic oksidatīvu fosforilēšanu daļai glikolītisko produktu), šūna kļūst atkarīgāka no enerģijas, ko iegūst glikolītiskais ceļš.

- Daudzas šūnas ir atkarīgas no glikozes kā enerģijas avota, izmantojot glikolītiskos līdzekļus, tai skaitā sarkanās asins šūnas , kurām trūkst iekšējo organellu, un acs šūnas (īpaši radzenes šūnas), kurām nav augsts mitohondriju blīvums.

Atsauces

1. Canback, B., Andersson, SGE un Kurland, CG (2002). Glikolītisko enzīmu globālā filoģenēze. Nacionālās zinātņu akadēmijas raksti, 99 (9), 6097-6102.
2. Chaudhry R, ​​Varacallo M. Bioķīmija, glikolīze. . In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls izdevniecība; 2020. gada janvāris. Pieejams vietnē: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK482303/
3. Fothergill-Gilmore, LA, un Mišels, PA (1993). Glikolīzes evolūcija. Progress biofizikā un molekulārajā bioloģijā, 59 (2), 105–235.
4. Kim, JW, & Dang, CV (2005). Glikolītisko enzīmu daudzšķautņainas lomas. Bioķīmisko zinātņu tendences, 30. (3), 142–150.
5. Kumari, A. (2017). Saldā bioķīmija: struktūru, ciklu un ceļu atcerēšanās no Mnemonics puses. Akadēmiskā prese.
6. Li, XB, Gu, JD un Zhou, QH (2015). Pārskats par aerobo glikolīzi un tās galvenajiem enzīmiem - jauni mērķi plaušu vēža terapijā. Krūšu kurvja vēzis, 6 (1), 17-24.