GLYKOLYSE: FUNKSJONER, ENZYMER, FASER, PRODUKTER, VIKTIGHET - BIOLOGI - 2026

Den glykolyse eller glykolyse er hovedveien for glukose katabolisme, hvis endelige mål er å danne energi i den form av ATP og reduserer kraften i den form av NADH, fra denne karbohydrat.

Denne ruten, fullstendig belyst på 1930-tallet av Gustav Embden og Otto Meyerhof mens han studerte forbruket av glukose i skjelettmuskelceller, består av fullstendig oksidasjon av dette monosakkaridet og representerer i seg selv en anaerob trasé for skaffe energi.

Molekylstruktur av ATP, et av de glykolytiske produktene (Sammendrag av den glykolytiske banen (Kilde: Tekks på engelsk Wikipedia / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) via Wikimedia Commons) via Wikimedia Commons)

Det er en av de viktigste metabolske rutene, siden den forekommer, med dens forskjeller, i alle levende organismer som eksisterer, encellede eller flercellede, prokaryote eller eukaryote, og det antas å være en kjede av reaksjoner som evolusjonært er svært bevart i naturen.

Det er faktisk noen organismer og celletyper som utelukkende er avhengige av denne ruten for å overleve.

I første omgang består glykolyse av oksidasjon av glukose, av 6 karbonatomer, til pyruvat, som har tre karbonatomer; med samtidig produksjon av ATP og NADH, nyttig for celler fra det metabolske og syntetiske synspunkt.

I celler som er i stand til å videreforedle produktene oppnådd fra glukosekatabolisme, ender glykolyse med produksjon av karbondioksid og vann gjennom Krebs-syklusen og elektrontransportkjeden (aerob glykolyse).

Ti enzymatiske reaksjoner finner sted i løpet av glykolytisk bane, og selv om reguleringen av disse reaksjonene kan være noe forskjellig fra art til art, er reguleringsmekanismene også relativt bevart.

Funksjoner av glykolyse

Fra metabolsk synspunkt er glukose en av de viktigste karbohydratene for alle levende ting.

Det er et stabilt og veldig løselig molekyl, slik at det kan transporteres med relativt letthet gjennom hele kroppen til et dyr eller en plante, fra hvor det lagres og / eller oppnås der det er behov for det som cellulært drivstoff.

Struktur av glukose (Kilde: Oliva93 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) via Wikimedia Commons)

Den kjemiske energien i glukose blir utnyttet av levende celler gjennom glykolyse, som består av en serie med meget kontrollerte trinn der energien som frigjøres fra oksidasjonen av dette karbohydratet kan "fanges opp" til mer anvendelige energiformer. derav dens betydning.

Gjennom denne ruten oppnås ikke bare energi (ATP) og reduserende kraft (NADH), men den gir også en serie metabolske mellomprodukter som er en del av andre ruter, også viktige fra et anabole (biosyntetiske) og generell cellulær funksjon. Her er en liste:

- Glukose 6-fosfat for Pentose Phosphate Pathway (PPP)

- Pyruvat for melkegjæring

- Pyruvat for syntese av aminosyrer (hovedsakelig alanin)

- Pyruvat for trikarboksylsyresyklusen

- Fruktose 6-fosfat, glukose 6-fosfat og dihydroksyacetonfosfat, som fungerer som "byggesteiner" på andre veier som syntese av glykogen, fettsyrer, triglyserider, nukleotider, aminosyrer, etc.

Energiproduksjon

Mengden ATP produsert av den glykolytiske banen, når cellen som produserer den ikke kan leve under aerobe forhold, er tilstrekkelig til å tilfredsstille energibehovene til en celle når den kobles til forskjellige typer fermenteringsprosesser.

Når det gjelder aerobe celler, tjener glykolyse imidlertid også som en nødkilde for energi og fungerer som et "forberedende trinn" før de oksidative fosforyleringsreaksjonene som karakteriserer celler med aerob metabolisme.

Enzymer involvert i glykolyse

Glykolyse er bare mulig takket være deltakelsen av de 10 enzymer som katalyserer reaksjonene som kjennetegner denne veien. Mange av disse enzymene er allosteriske og endrer form eller konformasjon når de utøver sine katalytiske funksjoner.

Det er enzymer som bryter og danner kovalente bindinger mellom deres underlag, og det er andre som krever spesifikke kofaktorer for å utføre sine funksjoner, hovedsakelig metallioner.

Strukturelt sett har alle glykolytiske enzymer et senter som hovedsakelig består av parallelle ß- ark omgitt av α helices og anordnet i mer enn ett domene. Videre er disse enzymene karakterisert ved at deres aktive steder vanligvis er på bindingsstedene mellom domenene.

Det er også viktig å merke seg at hovedreguleringen av banen går gjennom kontrollen (hormonelle eller metabolitter) av enzymer som heksokinase, fosfofruktokinase, glyseraldehyd 3-fosfatdehydrogenase og pyruvatkinase.

Hovedpunkter for regulering av den glykolytiske banen (Kilde: Gregor 0492 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) via Wikimedia Commons)

1- Hexokinase (HK)

Den første reaksjonen med glykolyse (glukosefosforylering) katalyseres av heksokinase (HK), hvis virkningsmekanisme ser ut til å bestå av et substrat "indusert stramning" som fremmer "låsen" av enzymet rundt ATP og av glukose (dets underlag) når den har bundet seg til dem.

Avhengig av hvilken organisme som blir vurdert, kan det være ett eller flere isoenzymer, hvis molekylvekt varierer mellom 50 (rundt 500 aminosyrer) og 100 kDa, siden de ser ut til å gruppere seg i form av dimerer, hvis formasjon er foretrukket av tilstedeværelsen av glukose, magnesiumioner og ATP.

Hexokinase har en tertiær struktur sammensatt av åpne alfa- og beta-ark, selv om det er mange strukturelle forskjeller i disse enzymene.

2- Fosfoglukoseisomerase (PGI)

Glukose fosforylert med heksokinase isomeriseres til fruktose 6-fosfat via fosfoglukoseisomerase (PGI), også kjent som glukose 6-fosfatisomerase. Enzymet fjerner da ikke eller tilfører atomer, men omorganiserer dem på strukturelt nivå.

Dette er et aktivt enzym i sin dimere form (monomeren veier mer eller mindre 66 kDa) og er involvert ikke bare i glykolyse, men også i glukoneogenese, i syntesen av karbohydrater i planter, etc.

3 - fosfofruktokinase (PFK)

Fruktose 6-fosfat er et underlag for fosfofruktokinase-enzymet, som er i stand til å fosforylere dette molekylet ved å bruke ATP som en fosforylgruppegiver, og produserer fruktose 1,6-bisfosfat.

Dette enzymet eksisterer i bakterier og pattedyr som et homotetramerisk enzym (som består av fire identiske underenheter på 33 kDa hver for bakterier og 85 kDa hver i pattedyr), og i gjær er det en oktamer (som består av større underenheter, mellom 112 og 118 kDa).

Det er et allosterisk enzym, som betyr at det er positivt eller negativt regulert av noen av produktene (ADP) og av andre molekyler som ATP og citrat.

4 - Aldolasse

Også kjent som fruktose 1,6-bisfosfat aldolase, katalyserer aldolase den katalytiske nedbrytningen av fruktose 1,6-bisfosfat i dihydroksyacetonfosfat og glyseraldehyd 3-fosfat og den omvendte reaksjonen, det vil si foreningen av begge sukkerarter for dannelse av fruktose 1,6-bisfosfat.

Med andre ord kutter dette enzymet fruktosen 1,6-bisfosfat rett i to, og frigjør to fosforylerte 3-karbonforbindelser. Aldolase er også sammensatt av 4 identiske underenheter, hver med sitt eget aktive nettsted.

Forekomsten av to klasser (I og II) av dette enzymet er blitt bestemt, som er differensiert av mekanismen for reaksjonen de katalyserer, og fordi noen (den første) forekommer i bakterier og "lavere" eukaryoter, og de andre (den sekund) er i bakterier, protister og metazoaner.

Den "høyere" eukaryotiske aldolasen består av en homotetramer av underenheter med 40 kDa molekylvekt, hver består av en tønne sammensatt av 8 β / α-ark.

5- triose fosfatisomerase (TIM)

De to fosforylerte trioenene kan konverteres med hverandre takket være virkningen av trio-fosfatisomerase, som gjør at begge sukkerarter kan brukes gjennom glykolyse, noe som sikrer full bruk av hvert glukosemolekyl som kommer inn i banen.

Dette enzymet har blitt beskrevet som det "perfekte" enzymet, da det katalyserer den beskrevne reaksjonen om en billion ganger raskere enn det ville oppstå uten din deltakelse. Det aktive stedet er i sentrum av en betatønne-struktur, karakteristisk for mange glykolytiske enzymer.

Det er et dimert protein, som består av to identiske underenheter på omtrent 27 kDa, begge med en kuleformet struktur.

6- Glyceraldehyd 3-fosfatdehydrogenase (GAPDH)

Glyceraldehyd 3-fosfat produsert ved virkning av aldolase og triose fosfatisomerase fungerer som et substrat for GAPDH, som er et homotetramerisk enzym (34-38 kDa hver underenhet) som kooperativt binder seg til et molekyl av NAD + i hver av de 4 aktive stedene, så vel som 2 fosfat- eller sulfationer.

I dette trinnet av banen, tillater enzymet fosforylering av et av dets underlag ved bruk av uorganisk fosfat som en fosforylgruppegiver, med samtidig reduksjon av to NAD + -molekyler og produksjon av 1,3-bisfosfoglycerat.

7- Fosfoglyseratkinase (PGK)

Fosfoglyseratkinase er ansvarlig for å overføre en av fosfatgruppene av 1,3-bisfosfoglyserat til et ADP-molekyl ved fosforylering på substratnivå. Dette enzymet bruker en mekanisme som ligner den som brukes av heksokinase, siden det stenger for kontakt på underlagene og beskytter dem mot forstyrrende vannmolekyler.

Dette enzymet, som andre som bruker to eller flere underlag, har et bindingssted for ADP og et annet for sukkerfosfat.

I motsetning til de andre enzymene som er beskrevet, er dette proteinet en 44 kDa monomer med en bilobal struktur, sammensatt av to domener i samme størrelse forbundet med en smal "kløft".

8- Fosfoglyseratmutase

3-fosfoglyceratet gjennomgår en endring av fosfatgruppen mot karbon 2, midt i molekylet, som representerer et strategisk ustabilitetssted som letter den etterfølgende overføringen av gruppen til et ATP-molekyl i den siste reaksjonen av banen.

Denne omorganiseringen katalyseres av enzymet fosfoglyseratmutase, et dimert enzym for mennesker og tetramerisk for gjær, med en underenhetstørrelse nær 27 kDa.

9- Enolase

Enolase katalyserer dehydrering av 2-fosfoglyserat til fosfoenolpyruvat, et nødvendig trinn for generering av ATP i den neste reaksjonen.

Det er et dimert enzym sammensatt av to identiske 45 kDa-underenheter. Det avhenger av magnesiumioner for dens stabilitet og for den konformasjonsendring som er nødvendig for å binde seg til underlaget. Det er en av enzymene som er mest uttrykkelig uttrykt i cytosol fra mange organismer og utfører funksjoner i tillegg til glykolytiske.

10- Pyruvat kinase

Den andre fosforylering på substratnivå som skjer i glykolyse katalyseres av pyruvatkinase, som er ansvarlig for overføringen av fosforylgruppen fra fosfoenolpyruvat til ADP og for produksjon av pyruvat.

Dette enzymet er mer sammensatt enn noen av de andre glykolytiske enzymer, og hos pattedyr er det et homotetramerisk enzym (57 kDa / underenhet). I virveldyr er det minst 4 isoenzymer: L (i leveren), R (i erytrocytter), M1 (i muskel og hjerne) og M2 (fostervev og voksent vev).

Faser av glykolyse (trinn for trinn)

Den glykolytiske banen består av ti sekvensielle trinn og begynner med ett molekyl glukose. Under prosessen blir glukosemolekylet "aktivert" eller "tilberedt" med tilsetning av to fosfater, og reversert to ATP-molekyler.

Deretter blir den "kuttet" i to fragmenter og til slutt blir den kjemisk modifisert et par ganger, og syntetisert fire ATP-molekyler underveis, slik at nettogevinsten i ruten tilsvarer to ATP-molekyler.

Fra det ovennevnte kan det utledes at ruten er delt inn i en energi "investerings" -fase, grunnleggende for fullstendig oksidasjon av glukosemolekylet, og en annen energi "forsterknings" -fase, der energien som ble brukt først erstattes og to oppnås. netto ATP-molekyler.

- Energisatsingsfase

1- Det første trinnet i den glykolytiske banen består av fosforylering av glukose mediert av heksokinase (HK), for hvilket enzymet bruker ett molekyl ATP for hvert molekyl glukose som er fosforylert. Det er en irreversibel reaksjon og avhenger av tilstedeværelsen av magnesiumioner (Mg2 +):

Glukose + ATP → Glukose 6-fosfat + ADP

2- Slik produsert glukose 6-fosfat isomeriseres til fruktose 6-fosfat takket være virkningen av enzymet fosfoglukoseisomerase (PGI). Dette er en reversibel reaksjon og innebærer ikke ekstra energiutgifter:

Glukose 6-fosfat → Fruktose 6-fosfat

3- Deretter involverer et annet energiinversjonstrinn fosforylering av fruktose 6-fosfat for å danne fruktose 1,6-bisfosfat. Denne reaksjonen katalyseres av enzymet fosfofruktokinase-1 (PFK-1). Som det første trinnet i traséen, er fosfatgruppens donormolekyl ATP, og det er også en irreversibel reaksjon.

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

4- I dette trinn med glykolyse forekommer den katalytiske nedbrytningen av fruktose-1,6-bisfosfat til dihydroksyacetonfosfat (DHAP), en ketose og glyceraldehyd 3-fosfat (GAP), en aldose. Denne aldolkondensasjonen katalyseres av enzymet aldolase og er en reversibel prosess.

Fruktose 1,6-bisfosfat → dihydroksyacetonfosfat + glyseraldehyd 3-fosfat

5- Den siste reaksjonen fra energiinversjonsfasen består av interkonvertering av triose fosfat DHAP og GAP katalysert av enzymet triose-fosfat isomerase (TIM), et faktum som ikke krever ekstra energiinntak og er også en reversibel prosess.

Dihydroksyacetonfosfat ↔ Glyceraldehyd 3-fosfat

- Energiforsterkningsfase

6- Glyceraldehyd 3-fosfat brukes "nedstrøms" i glykolytisk bane som et underlag for en oksidasjonsreaksjon og en fosforyleringsreaksjon, katalysert av samme enzym, glyceraldehyd 3-fosfatdehydrogenase (GAPDH).

Enzymet katalyserer oksydasjonen av molekylets C1-karbon til en karboksylsyre og dens fosforylering i samme stilling, og gir 1,3-bisfosfoglycerat. I løpet av reaksjonen reduseres 2 molekyler av NAD + for hvert molekyl med glukose og 2 molekyler uorganisk fosfat brukes.

2Glyceraldehyd 3-fosfat + 2NAD + + 2Pi → 2 (1,3-bisfosfoglyserat) + 2NADH + 2H

I aerobe organismer passerer hver NADH produsert på denne måten gjennom elektrontransportkjeden for å tjene som et underlag for syntese av 6 ATP-molekyler ved oksidativ fosforylering.

7- Dette er det første trinnet i ATP-syntese i glykolyse og involverer virkningen av fosfoglyseratkinase (PGK) på 1,3-bisfosfoglycerat, og overfører en fosforylgruppe (fosforylering på substratnivå) fra dette molekylet til et molekyl av ADP, og ga 2ATP og 2 molekyler 3-fosfoglyserat (3PG) for hvert molekyl glukose.

2 (1,3-bisfosfoglyserat) + 2ADP → 2 (3-fosfoglyserat) + 2ATP

8- 3-fosfoglyserat fungerer som et underlag for enzymet fosfoglyseratmutase (PGM), som omdanner det til 2-fosfoglycerat ved fortrengning av fosforylgruppen fra karbon 3 til karbon 2 gjennom en totrinns reaksjon som er reversibel og avhengig av magnesiumioner (Mg + 2).

2 (3-fosfoglyserat) → 2 (2-fosfoglyserat)

9- Enolaseenzymet dehydrerer 2-fosfoglyserat og produserer fosfoenolpyruvat (PEP) gjennom en reaksjon som ikke fortjener tilsetningen av ytterligere energi og hvis formål er å produsere en høyenergiforbindelse, i stand til å donere fosforylgruppen i det følgende reaksjon.

2 (2-fosfoglyserat) → 2 fosfoenolpyruvat

10- Fosfoenolpyruvat er et substrat for enzymet pyruvatkinase (PYK), som er ansvarlig for overføringen av fosforylgruppen i dette molekylet til et ADP-molekyl, og katalyserer dermed en annen fosforyleringsreaksjon på substratnivået.

I reaksjonen produseres 2ATP og 2 pyruvatmolekyler for hver glukose, og tilstedeværelsen av kalium og magnesium i ionisk form er nødvendig.

2Phosfoenolpyruvat + 2ADP → 2Pyruvat + 2ATP

Nettoutbyttet av glykolyse består på denne måten av 2ATP og 2NAD + for hvert glukosemolekyl som kommer inn i banen.

Hvis det er celler med aerob metabolisme, produserer den totale nedbrytningen av et glukosemolekyl mellom 30 og 32 ATP gjennom Krebs-syklusen og elektrontransportkjeden.

Produkter av glykolyse

Den generelle reaksjonen med glykolyse er som følger:

Glukose + 2NAD + + 2ADP + 2Pi → 2Pyruvat + 2ATP + 2NADH + 2H +

Derfor, hvis det analyseres kort, kan det sikres at hovedproduktene i den glykolytiske banen er pyruvat, ATP, NADH og H.

Imidlertid avhenger den metabolske skjebnen til hver reaksjonsformidler i stor grad av cellulære behov, og det er grunnen til at alle mellomprodukter kan betraktes som reaksjonsprodukter, og kan oppføres som følger:

- Glukose 6-fosfat

- Fruktose 6-fosfat

- Fruktose 1,6-bisfosfat

- Dihydroksyacetonfosfat og glyseraldehyd 3-fosfat

- 1,3-bisfosfoglyserat

- 3-fosfoglyserat og 2-fosfoglyserat

- Fosfoenolpyruvat og pyruvat

Betydning

Til tross for at glykolyse i seg selv (man kan snakke om anaerob glykolyse) bare produserer omtrent 5% av ATP som kan trekkes ut fra den aerobe katabolismen av glukose, er denne metabolske veien viktig av flere grunner:

- Det fungerer som en "rask" energikilde, spesielt i situasjoner der et dyr må komme ut av en hviletilstand, som de aerobe oksidasjonsprosessene ikke ville være raske nok til.

- De "hvite" skjelettmuskelfibrene i menneskekroppen, for eksempel, er raske rykninger og er avhengige av anaerob glykolyse for å fungere.

- Når en celle av en eller annen grunn trenger å klare seg uten noen av sine mitokondrier (som er organellene som blant annet utfører oksidativ fosforylering av deler av glykolytiske produkter) blir cellen mer avhengig av energien oppnådd ved glykolytisk vei.

- Mange celler er avhengige av glukose som en energikilde via glykolytika, blant dem de røde blodlegemene , som mangler indre organeller, og cellene i øyet (spesielt de fra hornhinnen) som ikke har en høy tetthet av mitokondrier.

referanser

1. Canback, B., Andersson, SGE, & Kurland, CG (2002). Den globale fylogenien av glykolytiske enzymer. Proceedings of the National Academy of Sciences, 99 (9), 6097-6102.
2. Chaudhry R, ​​Varacallo M. Biokjemi, Glykolyse. . I: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing; 2020 jan. Tilgjengelig fra: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK482303/
3. Fothergill-Gilmore, LA, & Michels, PA (1993). Evolusjon av glykolyse. Fremgang i biofysikk og molekylærbiologi, 59 (2), 105-235.
4. Kim, JW, & Dang, CV (2005). Multifasetterte roller med glykolytiske enzymer. Trender i biokjemiske vitenskaper, 30 (3), 142-150.
5. Kumari, A. (2017). Sweet Biochemistry: huske strukturer, sykluser og stier av Mnemonics. Academic Press.
6. Li, XB, Gu, JD, & Zhou, QH (2015). Gjennomgang av aerob glykolyse og dens viktigste enzymer - nye mål for lungekreftterapi. Thorakskreft, 6 (1), 17-24.