АНАЕРОБНА ГЛИКОЛИЗА: РЕАКЦИИ И ПЪТИЩА НА ФЕРМЕНТАЦИЯ - БИОЛОГИЯ - 2025

В анаеробна гликолизата или анаеробно е катаболитно път, използван от много видове клетки за разграждането на глюкоза в в отсъствието на кислород. Тоест глюкозата не се окислява напълно до въглероден диоксид и вода, както е при аеробната гликолиза, но по-скоро се генерират продукти на ферментацията.

Нарича се анаеробна гликолиза, тъй като протича без присъствието на кислород, който в други случаи функционира като краен акцептор на електрон в митохондриалната транспортна верига, където при преработката на гликолитични продукти се получават големи количества енергия.

Гликолиза (Източник: RegisFrey чрез Wikimedia Commons)

В зависимост от организма, състояние на анаеробиоза или липса на кислород ще доведе до производството на млечна киселина (мускулни клетки, например) или етанол (мая), от пирувата, генериран от катаболизма на глюкозата.

В резултат на това енергийният добив намалява драстично, тъй като само два мола АТФ се получават за всеки мол глюкоза, който се обработва, в сравнение с 8 мола, които могат да бъдат получени по време на аеробна гликолиза (само в гликолитичната фаза).

Разликата в броя на ATP молекулите е свързана с повторното окисляване на NADH, което не генерира допълнително ATP, противно на това, което се случва при аеробна гликолиза, при която се получават 3 ATP молекули за всеки NADH.

реакции

Анаеробната гликолиза изобщо не се различава от аеробната гликолиза, тъй като терминът „анаеробна“ се отнася по-скоро до това, което се случва след гликолитичния път, тоест до съдбата на реакционните продукти и междинните продукти.

По този начин десет различни ензими участват в реакциите на анаеробна гликолиза, а именно:

1-хексокиназа (HK): използва по една ATP молекула за всяка глюкозна молекула. Той произвежда глюкоза 6-фосфат (G6P) и ADP. Реакцията е необратима и изисква магнезиеви йони.

2-фосфоглюкозна изомераза (PGI): изомеризира G6P до фруктоза 6-фосфат (F6P).

3-фосфофруктокиназа (PFK): фосфорилира F6P до фруктоза 1,6-бисфосфат (F1,6-BP), използвайки една ATP молекула за всеки F6P, тази реакция също е необратима.

4-Алдолаза: разцепва молекулата F1,6-BP и произвежда глицералдехид 3-фосфат (GAP) и дихидроксиацетон фосфат (DHAP).

5-триоза фосфатна изомераза (TIM): участва в взаимовръзката на DHAP и GAP.

6-глицералдехидна 3-фосфатна дехидрогеназа (GAPDH): използва две молекули NAD ⁺ и 2 молекули неорганичен фосфат (Pi) за фосфорилиране на GAP, добива 1,3-бисфосфоглицерат (1,3-BPG) и 2 NADH.

7-фосфоглицерат киназа (PGK): произвежда две ATP молекули чрез фосфорилиране на нивото на субстрата от две молекули ADP. Той използва като донор на фосфатна група всяка 1,3-BPG молекула. Произвежда 2 молекули 3-фосфоглицерат (3PG).

8-фосфоглицератна мутаза (PGM): реорганизира 3PG молекулата за получаване на междинно съединение с по-висока енергия, 2PG.

9-Енолаза: от 2PG произвежда фосфоенолпируват (PEP) чрез дехидратация на предишния.

10-пируват киназа (PYK): фосфоенолпируватът се използва от този ензим за образуване на пируват. Реакцията включва прехвърляне на фосфатната група в позиция 2 от фосфоенолпируват към молекула на АДФ. За всяка глюкоза се получават 2 пирувата и 2 АТФ.

Ферментационни пътища

Ферментацията е терминът, използван за означаване, че глюкозата или други хранителни вещества се разграждат при липса на кислород, за да се получи енергия.

При липса на кислород електронната транспортна верига няма краен акцептор и поради това не се получава окислително фосфорилиране, което води до големи количества енергия под формата на АТФ. NADH не се окислява повторно от митохондриалния път, а от алтернативни пътища, които не произвеждат АТФ.

Без достатъчно NAD ^+, гликолитичният път спира, тъй като трансферът на фосфат към GAP изисква съпътстващо намаляване на този кофактор.

Някои клетки имат алтернативни механизми за справяне с периодите на анаеробиоза и тези механизми обикновено включват някакъв вид ферментация. От друга страна, клетките зависят почти изключително от ферментативните процеси.

Продуктите от ферментационните пътища на много организми са икономически значими за човека; Примери са производството на етанол от някои анаеробни дрожди и образуването на млечна киселина от лактобактериите, използвани за производството на кисело мляко.

Производство на млечна киселина

Много видове клетки при липса на кислород произвеждат млечна киселина благодарение на реакцията, катализирана от лактат дехидрогеназния комплекс, който използва въглеродните пирувати и NADH, получени при реакцията на GAPDH.

Млечна ферментация (Източник: Sjantoni чрез Wikimedia Commons)

Производство на етанол

Пируватът се превръща в ацеталдехид и CO2 чрез пируват декарбоксилаза. След това ацеталдехидът се използва от алкохолна дехидрогеназа, която го намалява, произвеждайки етанол и регенерира една молекула NAD ⁺ за всяка молекула пируват, която влиза по този начин.

Алкохолна ферментация (Източник: Arobson1 през Wikimedia Commons)

Аеробна ферментация

Основната характеристика на анаеробната гликолиза е фактът, че крайните продукти не съответстват на CO ₂ и вода, както в случая на аеробна гликолиза. Вместо това се генерират типични продукти от реакции на ферментация.

Някои автори са описали процес на "аеробна ферментация" или аеробна гликолиза на глюкоза за определени организми, сред които се открояват някои паразити от семейство Trypanosomatidae и много ракови туморни клетки.

В тези организми е показано, че дори при наличие на кислород, продуктите на гликолитичния път съответстват на продуктите на ферментационните пътища, поради което се смята, че настъпва "частично" окисляване на глюкозата, тъй като не цялата енергия се извлича възможно от своите въглеродни емисии.

Въпреки че "аеробната ферментация" на глюкозата не предполага пълното отсъствие на дихателна активност, тъй като не е процес на всички или нищо. В литературата обаче се посочва екскрецията на продукти като пируват, лактат, сукцинат, малат и други органични киселини.

Гликолиза и рак

Много ракови клетки показват увеличение на приема на глюкоза и гликолитичния поток.

Туморите при пациенти с рак растат бързо, така че кръвоносните съдове са хипоксични. По този начин енергийната добавка на тези клетки зависи главно от анаеробната гликолиза.

Това явление обаче се подпомага от хипоксия-индуцируем транскрипционен фактор (HIF), който увеличава експресията на гликолитични ензими и глюкозни преносители в мембраната чрез сложни механизми.

Препратки

1. Акрам, М. (2013). Мини преглед на гликолизата и рака. J. Canc. Educ., 28, 454–457.
2. Bustamante, E., & Pedersen, P. (1977). Висока аеробна гликолиза на клетките на хепатома на плъхове в културата: Роля на митохондриалната хексокиназа. Proc. Natl. Акад. Sci., 74 (9), 3735–3739.
3. Cazzulo, JJ (1992). Аеробна ферментация на глюкоза чрез трипаносоматиди. Списание FASEB, 6, 3153–3161.
4. Jones, W., & Bianchi, K. (2015). Аеробна гликолиза: извън разпространението. Граници в имунологията, 6, 1–5.
5. Li, X., Gu, J., & Zhou, Q. (2015). Преглед на аеробната гликолиза и нейните ключови ензими - нови цели за терапия на рак на белия дроб. Рак на гръдния кош, 6, 17–24.
6. Марис, AJA Van, Abbott, Æ. DA, Bellissimi, Æ. E., Brink, J. Van Den, Kuyper, Æ. М., Лутик, Æ. MAH, Pronk, JT (2006). Алкохолна ферментация на въглеродни източници в хидролизати на биомаса от Saccharomyces cerevisiae: текущо състояние. Антони ван Левенхук, 90, 391–418.
7. Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Принципи на биохимията на Ленингер. Омега издания (5-то издание).