ГЛИКОЛИЗА: ФУНКЦИИ, ЕНЗИМИ, ФАЗИ, ПРОДУКТИ, ЗНАЧЕНИЕ - БИОЛОГИЯ - 2025

В гликолизата или гликолизата е основният път на глюкоза катаболизъм, чиято крайна цел е да се генерира енергия в по формата на АТФ и намаляване на мощността в по формата на NADH, от тази на въглехидрати.

Този път, напълно изяснен през 30-те години от Густав Емден и Ото Майерхоф, докато изучава консумацията на глюкоза в скелетните мускулни клетки, се състои от пълно окисляване на този монозахарид и сам по себе си представлява анаеробна пътека за получаване на енергия.

Молекулярна структура на ATP, един от гликолитичните продукти (Обобщение на гликолитичния път (Източник: Tekks в английската Wikipedia / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) чрез Wikimedia Commons) чрез Wikimedia Commons)

Това е един от основните метаболитни пътища, тъй като се среща с неговите различия във всички съществуващи живи организми, едноклетъчни или многоклетъчни, прокариотични или еукариотични и се смята, че е верига от реакции, която еволюционно е силно запазена в природата.

Всъщност има някои организми и типове клетки, които зависят изключително от този път, за да оцелеят.

На първо място, гликолизата се състои в окисляване на глюкоза от 6 въглеродни атома до пируват, който има три въглеродни атома; с едновременното производство на ATP и NADH, полезни за клетки от метаболитна и синтетична гледна точка.

В клетки, способни да обработват по-нататък продуктите, получени от глюкозен катаболизъм, гликолизата завършва с производството на въглероден диоксид и вода през цикъла на Кребс и електронно-транспортната верига (аеробна гликолиза).

В хода на гликолитичния път се провеждат десет ензимни реакции и въпреки че регулирането на тези реакции може да бъде малко по-различно от вида към вида, регулаторните механизми също са доста запазени.

Функции на гликолиза

От метаболитна гледна точка, глюкозата е един от най-важните въглехидрати за всички живи същества.

Това е стабилна и много разтворима молекула, поради което може да се транспортира сравнително лесно през цялото тяло на животно или растение, откъдето се съхранява и / или получава до мястото, където е необходимо като клетъчно гориво.

Структура на глюкозата (Източник: Oliva93 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) чрез Wikimedia Commons)

Химическата енергия, съдържаща се в глюкозата, се използва от живи клетки чрез гликолиза, която се състои от поредица от силно контролирани стъпки, чрез които енергията, освободена от окисляването на този въглехидрат, може да бъде „улавяна“ в по-използваеми форми на енергия., оттук и нейното значение.

По този път се получава не само енергия (ATP) и редуцираща мощност (NADH), но също така осигурява серия от метаболитни посредници, които са част от други пътища, също важни от анаболен (биосинтетичен) и общо клетъчно функциониране. Ето списък:

- 6-фосфат на глюкоза за Пентозния фосфатен път (PPP)

- Пируват за млечна ферментация

- Пируват за синтеза на аминокиселини (главно аланин)

- Пируват за цикъла на трикарбоксилната киселина

- Фруктоза 6-фосфат, глюкоза 6-фосфат и дихидроксиацетон фосфат, които функционират като "градивни елементи" по други пътища като синтеза на гликоген, мастни киселини, триглицериди, нуклеотиди, аминокиселини и др.

Производство на енергия

Количеството АТФ, произведено от гликолитичния път, когато клетката, която го произвежда, не може да живее при аеробни условия, е достатъчно за осигуряване на енергийните нужди на клетката, когато е свързана с различни видове ферментационни процеси.

Когато става въпрос за аеробни клетки, гликолизата също служи като авариен източник на енергия и служи като "подготвителен етап" преди реакциите на окислително фосфорилиране, характеризиращи клетките с аеробен метаболизъм.

Ензими, участващи в гликолизата

Гликолизата е възможна само благодарение на участието на 10-те ензима, които катализират реакциите, характеризиращи този път. Много от тези ензими са алостерични и променят форма или конформация, когато упражняват своите каталитични функции.

Има ензими, които разрушават и образуват ковалентни връзки между субстратите си, а има и други, които изискват специфични кофактори, за да изпълняват функциите си, главно метални йони.

Структурно погледнато, всички гликолитични ензими имат център, състоящ се по същество от успоредни β листове, заобиколени от α спирали и подредени в повече от един домейн. Освен това, тези ензими се характеризират с това, че техните активни сайтове обикновено са на местата на свързване между домейните.

Важно е също да се отбележи, че основната регулация на пътя преминава през контрола (хормонален или чрез метаболити) на ензими като хексокиназа, фосфофруктокиназа, глицералдехид 3-фосфат дехидрогеназа и пируват киназа.

Основни точки на регулиране на гликолитичния път (Източник: Gregor 0492 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) чрез Wikimedia Commons)

1- Хексокиназа (HK)

Първата реакция на гликолиза (глюкозно фосфорилиране) се катализира от хексокиназа (HK), чийто механизъм на действие изглежда се състои от субстрат, „индуцирано стягане“, който насърчава „заключването“ на ензима около ATP и на глюкоза (нейните субстрати), след като се обвърже с тях.

В зависимост от разглеждания организъм може да има един или повече изоензими, чието молекулно тегло варира между 50 (около 500 аминокиселини) и 100 kDa, тъй като те сякаш се групират под формата на димери, чието образуване се благоприятства от наличието на глюкоза, магнезиеви йони и ATP.

Хексокиназата има третична структура, съставена от отворени алфа и бета листове, въпреки че има много структурни различия в тези ензими.

2- Фосфоглюкозна изомераза (PGI)

Глюкозата фосфорилирана от хексокиназа се изомеризира до фруктоза 6-фосфат чрез фосфоглюкоза изомераза (PGI), известна също като глюкозна 6-фосфатна изомераза. Ензимът не отстранява и не добавя атоми, а ги пренарежда на структурно ниво.

Това е активен ензим в неговата димерна форма (мономерът тежи повече или по-малко 66 kDa) и участва не само в гликолизата, но и в глюконеогенезата, в синтеза на въглехидрати в растенията и др.

3- фосфофруктокиназа (PFK)

Фруктозата 6-фосфат е субстрат за ензима фосфофруктокиназа, който е способен да рефосфорилира тази молекула, използвайки АТФ като донор на фосфорилна група, произвеждайки фруктоза 1,6-бисфосфат.

Този ензим съществува в бактериите и бозайниците като хомотетрамерен ензим (съставен от четири еднакви субединици от 33 kDa всяка за бактерии и 85 kDa всяка при бозайници), а в дрождите е октамер (съставен от по-големи субединици, между 112 и 118 kDa).

Това е алостеричен ензим, което означава, че се регулира положително или отрицателно от някои от неговите продукти (АДФ) и от други молекули като АТФ и цитрат.

4- Aldolasse

Известен също като фруктоза 1,6-бисфосфат алдолаза, алдолазата катализира каталитичното разпадане на фруктоза 1,6-бисфосфат в дихидроксиацетон фосфат и глицералдехид 3-фосфат и обратната реакция, т.е. обединението на двете захари за образуване на фруктоза 1,6-бисфосфат.

С други думи, този ензим разрязва фруктозата 1,6-бисфосфат точно наполовина, освобождавайки две фосфорилирани 3-въглеродни съединения. Алдолазата също е съставена от 4 еднакви субединици, всяка със свой активен сайт.

Определено е съществуването на два класа (I и II) на този ензим, които се диференцират от механизма на реакцията, която катализират и защото някои (първите) се срещат в бактерии и „по-ниски“ еукариоти, а другите (второ) са в бактерии, протестисти и метазои.

"По-високата" еукариотна алдолаза се състои от хомотетрамер на субединици с 40 kDa молекулно тегло, всяка от които се състои от варел, съставен от 8 β / α листа.

5- Триозна фосфатна изомераза (TIM)

Двете фосфорилирани триози могат да бъдат взаимосвързани помежду си благодарение на действието на триоза-фосфат изомераза, което позволява и двете захари да се използват по време на гликолизата, като се гарантира пълно използване на всяка глюкозна молекула, която влиза в пътя.

Този ензим е описан като "перфектният" ензим, тъй като катализира описаната реакция около трилион пъти по-бързо, отколкото би се случило без ваше участие. Активното му място е в центъра на бета-варелна структура, характерна за много гликолитични ензими.

Това е димерен протеин, съставен от две еднакви субединици с приблизително 27 kDa, и двете с кълбовидна структура.

6- глицералдехид 3-фосфат дехидрогеназа (GAPDH)

Глицералдехид 3-фосфат, получен от действието на алдолаза и триоза фосфатна изомераза, служи като субстрат за GAPDH, който е хомотетрамерен ензим (34-38 kDa всяка субединица), който се свързва съвместно с молекула на NAD + във всяка от неговите 4 активни места, както и 2 фосфатни или сулфатни йони.

В този етап от пътя ензимът позволява фосфорилиране на един от субстратите му, като се използва неорганичен фосфат като донор на фосфорилна група, с едновременното редуциране на две молекули NAD + и получаването на 1,3-бисфосфоглицерат.

7- фосфоглицератна киназа (PGK)

Фосфоглицерат киназата е отговорна за прехвърлянето на една от фосфатните групи на 1,3-бисфосфоглицерат в молекула ADP чрез фосфорилиране на ниво субстрат. Този ензим използва механизъм, подобен на този, използван от хексокиназата, тъй като се затваря при контакт върху субстратите си, предпазвайки ги от смущаващи водни молекули.

Този ензим, подобно на други, които използват два или повече субстрата, има свързващо място за ADP и друг за захарен фосфат.

За разлика от другите описани ензими, този протеин е 44 kDa мономер с билобар структура, съставен от два домена със същия размер, свързани с тясна „цепка“.

8- фосфоглицератна мутаза

3-фосфоглицератът претърпява промяна от фосфатната група към въглерод 2, в средата на молекулата, което представлява стратегическо място за нестабилност, което улеснява последващото прехвърляне на групата в ATP молекула в последната реакция на пътя.

Това пренареждане се катализира от ензима фосфоглицерат мутаза, димерен ензим за хората и тетрамерна за дрожди, с размер на субединицата, близка до 27 kDa.

9- Енолаза

Енолазата катализира дехидратацията на 2-фосфоглицерат до фосфоенолпируват, необходим етап за генерирането на АТФ в следващата реакция.

Това е димерен ензим, съставен от две идентични субединици от 45 kDa. Зависи от магнезиевите йони за неговата стабилност и за конформационната промяна, необходима за свързване с неговия субстрат. Той е един от ензимите, който се експресира най-често в цитозола на много организми и изпълнява функции в допълнение към гликолитичните.

10- Пируват киназа

Второто субстратно фосфорилиране, което се случва при гликолиза, се катализира от пируват киназа, която е отговорна за прехвърлянето на фосфорилната група от фосфоенолпируват в ADP и за производството на пируват.

Този ензим е по-сложен от всеки от другите гликолитични ензими и при бозайниците е хомотетрамерен ензим (57 kDa / субединица). При гръбначните животни има поне 4 изоензима: L (в черния дроб), R (в еритроцитите), M1 (в мускулите и мозъка) и M2 (тъкан на плода и тъкани на възрастни).

Фази на гликолиза (стъпка по стъпка)

Гликолитичният път се състои от десет последователни стъпки и започва с една молекула глюкоза. По време на процеса молекулата на глюкозата се "активира" или "подготвя" с добавяне на два фосфата, обръщайки две ATP молекули.

Впоследствие той се "разрязва" на два фрагмента и накрая се променя химически няколко пъти, синтезирайки четири молекули АТФ по пътя, така че нетната печалба в маршрута съответства на две молекули АТФ.

От гореизложеното може да се направи изводът, че трасето е разделено на фаза на "инвестиция" на енергия, основна за пълното окисляване на глюкозната молекула, и друга фаза на "печалба" на енергия, при която първоначално използваната енергия се заменя и се получават две. нетни ATP молекули.

- Фаза на инвестиране в енергия

1- Първият етап от гликолитичния път се състои от фосфорилиране на глюкоза, медиирана от хексокиназа (HK), за което ензимът използва една молекула АТФ за всяка молекула глюкоза, която е фосфорилирана. Това е необратима реакция и зависи от наличието на магнезиеви йони (Mg2 +):

Глюкоза + АТФ → Глюкоза 6-фосфат + ADP

2- Така полученият глюкозен 6-фосфат се изомеризира до фруктоза 6-фосфат благодарение на действието на ензима фосфоглюкоза изомераза (PGI). Това е обратима реакция и не включва допълнителни разходи за енергия:

Глюкоза 6-фосфат → Фруктоза 6-фосфат

3- Впоследствие, друг етап на енергийна инверсия включва фосфорилиране на фруктоза 6-фосфат за образуване на фруктоза 1,6-бисфосфат. Тази реакция се катализира от ензима фосфофруктокиназа-1 (PFK-1). Подобно на първата стъпка по пътя, молекулата на донора на фосфатната група е АТФ и това също е необратима реакция.

Фруктоза 6-фосфат + АТФ → Фруктоза 1,6-бисфосфат + АДФ

4- В този етап на гликолиза има каталитично разпадане на фруктоза 1,6-бисфосфат в дихидроксиацетон фосфат (DHAP), кетоза и глицералдехид 3-фосфат (GAP), алдоза. Тази алдолова кондензация се катализира от ензима алдолаза и е обратим процес.

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

5- Последната реакция на фазата на енергийна инверсия се състои в взаимовръщане на триоза фосфат DHAP и GAP, катализиран от ензима триоза-фосфатна изомераза (TIM), факт, който не изисква допълнителен прием на енергия и е също обратим процес.

Дихидроксиацетон фосфат ↔ Глицералдехид 3-фосфат

- Фаза на печелене на енергия

6- Глицералдехид 3-фосфат се използва "надолу по веригата" по гликолитичния път като субстрат за реакция на окисляване и друг за фосфорилиране, катализиран от същия ензим, глицералдехид 3-фосфат дехидрогеназа (GAPDH).

Ензимът катализира окисляването на С1 въглерода на молекулата до карбоксилна киселина и нейното фосфорилиране в същото положение, като произвежда 1,3-бисфосфоглицерат. В хода на реакцията се намаляват 2 молекули NAD + за всяка молекула глюкоза и се използват 2 молекули неорганичен фосфат.

2Глицералдехид 3-фосфат + 2NAD + + 2Pi → 2 (1,3-бисфосфоглицерат) + 2NADH + 2H

В аеробните организми всеки произведен по този начин НАДХ преминава през електронно-транспортната верига, за да служи като субстрат за синтеза на 6 молекули АТФ чрез окислително фосфорилиране.

7- Това е първият етап на синтез на АТФ в гликолизата и включва действието на фосфоглицерат киназата (PGK) върху 1,3-бисфосфоглицерат, прехвърляйки фосфорилна група (фосфорилиране на ниво субстрат) от тази молекула в молекула от ADP, като се получават 2ATP и 2 молекули 3-фосфоглицерат (3PG) за всяка молекула глюкоза.

2 (1,3-бисфосфоглицерат) + 2ADP → 2 (3-фосфоглицерат) + 2ATP

8- 3-фосфоглицерат служи като субстрат за ензимната фосфоглицерат мутаза (PGM), която го превръща в 2-фосфоглицерат чрез изместване на фосфорилната група от въглерод 3 в въглерод 2 чрез двуетапна реакция, която е обратима и зависи от магнезиеви йони (Mg + 2).

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

9 - Ензимът енолаза дехидратира 2-фосфоглицерата и произвежда фосфоенолпируват (PEP) чрез реакция, която не гарантира добавянето на допълнителна енергия и чиято цел е да произведе високоенергийно съединение, способно да дари своята фосфорилна група в следното реакция.

2 (2-фосфоглицерат) → 2 фосфоенолпируват

10- Фосфоенолпируватът е субстрат за ензима пируваткиназа (PYK), който е отговорен за прехвърлянето на фосфорилната група в тази молекула в молекула ADP, като по този начин катализира друга реакция на фосфорилиране на субстратно ниво.

В реакцията се получават 2ATP и 2 пируватни молекули за всяка глюкоза и е необходимо наличието на калий и магнезий в йонна форма.

2Фосфоенолпируват + 2ADP → 2Pyruvate + 2ATP

По този начин нетният добив на гликолиза се състои от 2ATP и 2NAD + за всяка глюкозна молекула, която влиза в пътя.

Ако става въпрос за клетки с аеробен метаболизъм, тогава общото разграждане на глюкозна молекула произвежда между 30 и 32 ATP през цикъла на Кребс и електронно-транспортната верига.

Продукти на гликолиза

Общата реакция на гликолиза е следната:

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

Следователно, ако се анализира накратко, може да се гарантира, че основните продукти на гликолитичния път са пируват, ATP, NADH и H.

Въпреки това метаболитната съдба на всеки реакционен посредник зависи до голяма степен от клетъчните нужди, поради което всички междинни продукти могат да се считат за продукти на реакцията и могат да бъдат изброени, както следва:

- 6-фосфат на глюкоза

- Фруктоза 6-фосфат

- Фруктоза 1,6-бисфосфат

- Дихидроксиацетон фосфат и глицералдехид 3-фосфат

- 1,3-бисфосфоглицерат

- 3-фосфоглицерат и 2-фосфоглицерат

- Фосфоенолпируват и пируват

важност

Въпреки факта, че гликолизата сама по себе си (може да се говори за анаеробна гликолиза) произвежда само около 5% от АТФ, които могат да бъдат извлечени от аеробния катаболизъм на глюкозата, този метаболитен път е от съществено значение поради няколко причини:

- Той служи като "бърз" източник на енергия, особено в ситуации, когато животното трябва да излезе бързо от състояние на покой, за което аеробните окислителни процеси не биха били достатъчно бързи.

- "Белите" скелетни мускулни влакна в човешкото тяло, например, са бързо усукващи се влакна и зависят от функционирането на анаеробната гликолиза.

- Когато по някаква причина клетката трябва да се справи без някои от своите митохондрии (които са органелите, които извършват окислително фосфорилиране на част от гликолитичните продукти, освен всичко друго), клетката става по-зависима от енергията, получена от гликолитичен път.

- Много клетки зависят от глюкозата като източник на енергия чрез гликолитици, сред които червените кръвни клетки, липсващи вътрешни органели, и клетките на окото (особено тези на роговицата), които нямат висока плътност на митохондриите.

Препратки

1. Canback, B., Andersson, SGE, & Kurland, CG (2002). Глобалната филогения на гликолитичните ензими. Трудове на Националната академия на науките, 99 (9), 6097-6102.
2. Chaudhry R, ​​Varacallo M. Биохимия, гликолиза., В: StatPearls. Остров на съкровищата (FL): Издателство StatPearls; 2020 януари-. Достъпно от:
3. Fothergill-Gilmore, LA, & Michels, PA (1993). Еволюция на гликолиза. Напредък в биофизиката и молекулярната биология, 59 (2), 105-235.
4. Kim, JW, & Dang, CV (2005). Многостранни роли на гликолитични ензими. Тенденции в биохимичните науки, 30 (3), 142-150.
5. Кумари, А. (2017). Сладка биохимия: запомняне на структури, цикли и пътища от мнемониката. Академична преса.
6. Li, XB, Gu, JD, & Zhou, QH (2015). Преглед на аеробната гликолиза и нейните ключови ензими - нови цели за терапия на рак на белия дроб. Рак на гръдния кош, 6 (1), 17-24.