The glykolýza nebo glykolýza je hlavní cestou katabolismu glukózy, jejímž konečným cílem je získat energii ve formě ATP a snížit energii ve formě NADH z tohoto sacharidu.
Tato cesta, kterou ve 30. letech plně objasnili Gustav Embden a Otto Meyerhof při studiu spotřeby glukózy v buňkách kosterního svalstva, spočívá v úplné oxidaci tohoto monosacharidu a sama o sobě představuje anaerobní cestu pro glukózu..
Je to jedna z hlavních metabolických cest, protože se svými rozdíly vyskytuje u všech živých organismů, které existují, jednobuněčné nebo mnohobuněčné, prokaryotické nebo eukaryotické, a předpokládá se, že jde o řetězec reakcí, které jsou evolučně vysoce konzervativní..
Ve skutečnosti existují některé organismy a typy buněk, jejichž přežití závisí výhradně na této cestě..
V prvním případě glykolýza spočívá v oxidaci glukózy se 6 atomy uhlíku na pyruvát, který má tři atomy uhlíku; se současnou produkcí ATP a NADH, užitečné pro buňky z metabolického a syntetického hlediska.
V buňkách schopných dalšího zpracování produktů získaných z katabolismu glukózy končí glykolýza produkcí oxidu uhličitého a vody prostřednictvím Krebsova cyklu a elektronového transportního řetězce (aerobní glykolýza)..
V průběhu glykolytické dráhy probíhá deset enzymatických reakcí, a přestože se regulace těchto reakcí může u jednotlivých druhů poněkud lišit, jsou regulační mechanismy také poměrně zachovány..
Rejstřík článků
Z metabolického hlediska je glukóza jedním z nejdůležitějších sacharidů pro všechny živé bytosti.
Jedná se o stabilní a velmi rozpustnou molekulu, takže ji lze relativně snadno přepravovat po celém těle zvířete nebo rostliny, odkud je skladována a / nebo získávána tam, kde je potřeba jako buněčné palivo..
Chemická energie obsažená v glukóze je využívána živými buňkami prostřednictvím glykolýzy, která se skládá z řady vysoce kontrolovaných kroků, pomocí kterých lze energii uvolněnou z oxidace tohoto sacharidu „zachytit“ do více využitelných forem energie., Proto má význam.
Touto cestou se získává nejen energie (ATP) a redukční energie (NADH), ale také se poskytuje řada metabolických meziproduktů, které jsou součástí jiných cest, které jsou důležité také z anabolického (biosyntetického) a obecného buněčného fungování. Zde je seznam:
- Glukóza 6-fosfát pro pentózo-fosfátovou dráhu (PPP) Cesta fosfátu pentózy)
- Pyruvát pro mléčné kvašení
- Pyruvát pro syntézu aminokyselin (hlavně alaninu)
- Pyruvát pro cyklus trikarboxylové kyseliny
- Fruktóza 6-fosfát, 6-fosfát glukózy a dihydroxyaceton fosfát, které fungují jako „stavební kameny“ v jiných cestách, jako je syntéza glykogenu, mastných kyselin, triglyceridů, nukleotidů, aminokyselin atd..
Množství ATP produkované glykolytickou cestou, když buňka, která ji produkuje, nemůže žít za aerobních podmínek, je dostatečné pro zásobení energetické potřeby buňky, když je spojena s různými typy fermentačních procesů.
Pokud však jde o aerobní buňky, slouží glykolýza také jako nouzový zdroj energie a slouží jako „přípravný krok“ před reakcemi oxidační fosforylace, které charakterizují buňky s aerobním metabolizmem..
Glykolýza je možná pouze díky účasti 10 enzymů, které katalyzují reakce charakterizující tuto cestu. Mnoho z těchto enzymů je alosterických a mění svůj tvar nebo konformaci, když uplatňují své katalytické funkce..
Existují enzymy, které se štěpí a tvoří kovalentní vazby mezi svými substráty, a existují i jiné, které k výkonu svých funkcí vyžadují specifické kofaktory, zejména ionty kovů..
Strukturálně řečeno, všechny glykolytické enzymy mají v podstatě laminovaný střed. β paralelní obklopen α šroubovice a objednáno ve více než jedné doméně. Kromě toho se tyto enzymy vyznačují tím, že jejich aktivní místa jsou obvykle na vazebných místech mezi doménami..
Je také důležité si uvědomit, že hlavní regulace cesty prochází kontrolou (hormonální nebo metabolity) enzymů, jako jsou hexokináza, fosfofruktokináza, glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenáza a pyruvátkináza..
První glykolýzní reakce (fosforylace glukózy) je katalyzována hexokinázou (HK), jejíž mechanismus účinku se zdá být tvořen „indukovaným utahováním“ substrátu, který podporuje enzym „lock-in“ kolem ATP a glukózy (jejích substrátů), jakmile je se k nim zavázal.
V závislosti na uvažovaném organismu může existovat jeden nebo více izoenzymů, jejichž molekulová hmotnost se pohybuje mezi 50 (přibližně 500 aminokyselinami) a 100 kDa, protože se zdá, že se seskupují ve formě dimerů, jejichž tvorbu podporuje přítomnost glukózy, iontů hořčíku a ATP.
Hexokináza má terciární strukturu složenou z otevřených alfa a beta listů, i když v těchto enzymech existuje mnoho strukturálních rozdílů.
Glukóza fosforylovaná hexokinázou se izomerizuje na fruktóza-6-fosfát prostřednictvím fosfoglukózoizomerázy (PGI), známé také jako glukóza-6-fosfát-izomeráza. Enzym tedy neodstraňuje ani nepřidává atomy, ale přeskupuje je na strukturální úrovni.
Jedná se o aktivní enzym ve své dimerní formě (monomer váží více či méně 66 kDa) a podílí se nejen na glykolýze, ale také na glukoneogenezi, syntéze sacharidů v rostlinách atd..
Fruktóza 6-fosfát je substrát pro fosfofruktokinázový enzym, který je schopen re-fosforylovat tuto molekulu pomocí ATP jako dárce fosforylové skupiny a produkovat 1,6-bisfosfát fruktózy.
Tento enzym existuje v bakteriích a savcích jako homotetramerický enzym (složený ze čtyř identických podjednotek po 33 kDa pro bakterie a 85 kDa u savců) a v kvasinkách je to oktamer (složený z větších podjednotek mezi 112 a 118 kDa).
Jedná se o alosterický enzym, což znamená, že je pozitivně nebo negativně regulován některými ze svých produktů (ADP) a dalšími molekulami, jako je ATP a citrát..
Aldoláza, známá také jako aldoláza fruktózy 1,6-bisfosfátu, katalyzuje katalytické štěpení 1,6-bisfosfátu fruktózy na dihydroxyacetonfosfát a glyceraldehyd 3-fosfát a reverzní reakci, tj. Spojení obou cukrů za vzniku fruktózy 1 6-bisfosfát.
Jinými slovy, tento enzym rozdělí 1,6-bisfosfát fruktózy přesně na polovinu a uvolní dvě fosforylované sloučeniny C3. Aldoláza se také skládá ze 4 identických podjednotek, z nichž každá má své vlastní aktivní místo..
Byla stanovena existence dvou tříd (I a II) tohoto enzymu, které se liší mechanismem reakce, kterou katalyzují, a protože některé (první) se vyskytují v bakteriích a „nižších“ eukaryotech a druhé (druhá ) jsou v bakteriích, protistech a metazoanech.
„Vyšší“ eukaryotická aldoláza se skládá z homotetrameru o podjednotkách molekulové hmotnosti 40 kDa, z nichž každá se skládá z hlavně složeného z 8 p / a listů..
Tyto dvě fosforylované triosy mohou být navzájem přeměňovány díky působení triosa-fosfát izomerázy, která umožňuje použití obou cukrů během glykolýzy, což zajišťuje plné využití každé molekuly glukózy, která vstupuje do dráhy..
Tento enzym byl popsán jako „dokonalý“ enzym, protože katalyzuje popsanou reakci asi bilionkrát rychleji, než by k ní došlo bez vaší účasti. Jeho aktivní místo je ve středu struktury beta-barelu, charakteristické pro mnoho glykolytických enzymů..
Jedná se o dimerní protein, který se skládá ze dvou identických podjednotek o přibližně 27 kDa, obě s globulární strukturou..
Glyceraldehyd 3-fosfát produkovaný působením aldolázy a triosa fosfát izomerázy slouží jako substrát pro GAPDH, což je homotetramerický enzym (34-38 kDa každá podjednotka), který se kooperativně váže na molekulu NAD + v každém ze svých 4 aktivních míst , stejně jako 2 fosfátové nebo síranové ionty.
V tomto kroku dráhy enzym umožňuje fosforylaci jednoho ze svých substrátů za použití anorganického fosfátu jako dárce fosforylové skupiny se současnou redukcí dvou molekul NAD + a produkcí 1,3-bisfosfoglycerátu..
Fosfoglycerátkináza je zodpovědná za přenos jedné z fosfátových skupin 1,3-bisfosfoglycerátu na molekulu ADP fosforylací na úrovni substrátu. Tento enzym používá mechanismus podobný tomu, který používá hexokináza, protože se při kontaktu se svými substráty uzavírá a chrání je před interferujícími molekulami vody..
Tento enzym, stejně jako ostatní, které používají dva nebo více substrátů, mají vazebné místo pro ADP a další pro fosfát cukru.
Na rozdíl od ostatních popsaných enzymů je tento protein 44 kDa monomer s bilobarovou strukturou, složený ze dvou domén stejné velikosti spojených úzkou „štěrbinou“.
3-fosfoglycerát prochází změnou z fosfátové skupiny na uhlík 2 ve středu molekuly, což představuje místo strategické nestability, které usnadňuje následný přenos skupiny na molekulu ATP při poslední reakci dráhy..
Toto přeskupení je katalyzováno enzymem fosfoglycerát mutázou, dimerním enzymem pro člověka a tetramerickým pro kvasinky, s velikostí podjednotky blízkou 27 kDa..
Enoláza katalyzuje dehydrataci 2-fosfoglycerátu na fosfoenolpyruvát, což je nezbytný krok pro tvorbu ATP v následné reakci.
Jedná se o dimerní enzym složený ze dvou identických 45 kDa podjednotek. Závisí to na iontech hořčíku pro svoji stabilitu a pro konformační změnu nutnou k navázání na svůj substrát. Je to jeden z enzymů, který je nejhojněji exprimován v cytosolu mnoha organismů a kromě glykolytik plní také funkce..
Druhá fosforylace na úrovni substrátu, ke které dochází při glykolýze, je katalyzována pyruvátkinázou, která je zodpovědná za přenos fosforylové skupiny z fosfoenolpyruvátu na ADP a za výrobu pyruvátu..
Tento enzym je složitější než kterýkoli z ostatních glykolytických enzymů a u savců je to homotetramerický enzym (57 kDa / podjednotka). U obratlovců existují nejméně 4 izoenzymy: L (v játrech), R (v erytrocytech), M1 (ve svalech a mozku) a M2 (tkáň plodu a tkáně dospělých).
Glykolytická cesta se skládá z deseti po sobě jdoucích kroků a začíná jednou molekulou glukózy. Během procesu je molekula glukózy „aktivována“ nebo „připravena“ přidáním dvou fosfátů, čímž se invertují dvě molekuly ATP..
Později je „rozřezán“ na dva fragmenty a nakonec je několikrát chemicky upraven, přičemž syntetizuje čtyři molekuly ATP, takže čistý zisk trasy odpovídá dvěma molekulám ATP..
Z výše uvedeného lze odvodit, že cesta je rozdělena na energetickou „investiční“ fázi, zásadní pro úplnou oxidaci molekuly glukózy, a další energetickou „ziskovou“ fázi, kde je původně použitá energie nahrazena a dvě čisté ATP molekuly.
1- První krok glykolytické dráhy spočívá ve fosforylaci glukózy zprostředkované hexokinázou (HK), pro kterou enzym používá jednu molekulu ATP pro každou molekulu glukózy, která je fosforylována. Jedná se o nevratnou reakci, která závisí na přítomnosti iontů hořčíku (Mg2 +):
Glukóza + ATP → Glukóza 6-fosfát + ADP
2- Takto vyrobený glukóza-6-fosfát se izomerizuje na fruktóza-6-fosfát díky působení enzymu fosfoglukózaizomerázy (PGI). Jedná se o reverzibilní reakci a nezahrnuje další výdej energie:
Glukóza 6-fosfát → Fruktóza 6-fosfát
3- Následně další krok energetické inverze zahrnuje fosforylaci fruktóza-6-fosfátu za vzniku 1,6-bisfosfátu fruktózy. Tato reakce je katalyzována enzymem fosfofruktokinázou-1 (PFK-1). Jako první krok v cestě je molekulou donoru fosfátové skupiny ATP a je to také nevratná reakce.
Fruktóza 6-fosfát + ATP → Fruktóza 1,6-bisfosfát + ADP
4- V tomto kroku glykolýzy dochází ke katalytickému štěpení 1,6-bisfosfátu fruktózy na dihydroxyacetonfosfát (DHAP), ketózu a glyceraldehyd-3-fosfát (GAP), aldózu. Tato aldolová kondenzace je katalyzována enzymem aldoláza a je reverzibilní proces..
Fruktóza 1,6-bisfosfát → dihydroxyaceton fosfát + glyceraldehyd 3-fosfát
5 - Poslední reakce fáze energetické inverze spočívá v interkonverzi triosa fosfátu DHAP a GAP katalyzovaného enzymem triose fosfát izomerázy (TIM), což nevyžaduje další příjem energie a je také reverzibilní proces.
Dihydroxyaceton fosfát ↔ Glyceraldehyd 3-fosfát
6- Glyceraldehyd-3-fosfát se používá „po proudu“ v glykolytické cestě jako substrát pro oxidační reakci a další pro fosforylaci, katalyzovaný stejným enzymem, glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenázou (GAPDH)..
Enzym katalyzuje oxidaci uhlíku C1 molekuly na karboxylovou kyselinu a její fosforylaci ve stejné poloze za vzniku 1,3-bisfosfoglycerátu. Během reakce se redukují 2 molekuly NAD + pro každou molekulu glukózy a používají se 2 molekuly anorganického fosfátu..
2Gliceraldehyd 3-fosfát + 2NAD + + 2Pi → 2 (1,3-bisfosfoglycerát) + 2NADH + 2H
V aerobních organismech každý takto vytvořený NADH prochází elektronovým transportním řetězcem a slouží jako substrát pro syntézu 6 molekul ATP oxidační fosforylací..
7- Toto je první krok syntézy ATP v glykolýze a zahrnuje působení fosfoglycerátkinázy (PGK) na 1,3-bisfosfoglycerát, přenos fosforylové skupiny (fosforylace na úrovni substrátu) z této molekuly na molekulu ADP, čímž se získá 2ATP a 2 molekuly 3-fosfoglycerátu (3PG) pro každou molekulu glukózy.
2 (1,3-bisfosfoglycerát) + 2ADP → 2 (3-fosfoglycerát) + 2ATP
8- 3-fosfoglycerát slouží jako substrát pro enzym fosfoglycerát mutázu (PGM), který jej přeměňuje na 2-fosfoglycerát vytěsněním fosforylové skupiny z uhlíku 3 na uhlík 2 prostřednictvím dvoustupňové reakce, která je reverzibilní a závisí na ionty hořčíku (Mg + 2).
2 (3-fosfoglycerát) → 2 (2-fosfoglycerát)
9- Enolázový enzym dehydratuje 2-fosfoglycerát a produkuje fosfoenolpyruvát (PEP) reakcí, která nevyžaduje přidání další energie a jejímž účelem je vyrobit vysokoenergetickou sloučeninu schopnou v následující reakci darovat svou fosforylovou skupinu.
2 (2-fosfoglycerát) → 2 fosfoenolpyruvát
10- Fosfoenolpyruvát je substrát pro enzym pyruvátkinázu (PYK), který je zodpovědný za přenos fosforylové skupiny v této molekule na molekulu ADP, čímž katalyzuje další fosforylační reakci na úrovni substrátu.
Při reakci se pro každou glukózu produkují 2ATP a 2 molekuly pyruvátu a je nutná přítomnost draslíku a hořčíku v iontové formě..
2 fosfoenolpyruvát + 2ADP → 2pyruvát + 2ATP
Čistý výtěžek glykolýzy tímto způsobem sestává z 2ATP a 2NAD + pro každou molekulu glukózy, která vstupuje do dráhy..
Pokud se jedná o buňky s aerobním metabolismem, pak celková degradace molekuly glukózy produkuje mezi 30 a 32 ATP prostřednictvím Krebsova cyklu a elektronového transportního řetězce.
Obecná reakce glykolýzy je následující:
Glukóza + 2NAD + + 2ADP + 2Pi → 2Pyruvát + 2ATP + 2NADH + 2H+
Pokud je tedy stručně analyzován, mohlo by být zajištěno, že hlavními produkty glykolytické dráhy jsou pyruvát, ATP, NADH a H.
Metabolický osud každého reakčního meziproduktu však do značné míry závisí na buněčných potřebách, a proto lze všechny meziprodukty považovat za reakční produkty a lze je uvést následovně:
- Glukóza 6-fosfát
- Fruktóza 6-fosfát
- Fruktóza 1,6-bisfosfát
- Dihydroxyaceton fosfát a glyceraldehyd 3-fosfát
- 1,3-bisfosfoglycerát
- 3-fosfoglycerát a 2-fosfoglycerát
- Fosfoenolpyruvát a pyruvát
Navzdory skutečnosti, že glykolýza sama o sobě (dalo by se mluvit o anaerobní glykolýze) produkuje pouze asi 5% ATP, které lze extrahovat z aerobního katabolismu glukózy, je tato metabolická cesta nezbytná z několika důvodů:
- Slouží jako „rychlý“ zdroj energie, zejména v situacích, kdy zvíře musí rychle vyjít z klidového stavu, pro který by procesy aerobní oxidace nebyly dostatečně rychlé.
- Například „bílá“ vlákna kosterního svalstva v lidském těle jsou vlákna s rychlým škubáním a závisí na fungování anaerobní glykolýzy..
- Když se buňka z nějakého důvodu potřebuje obejít bez některých svých mitochondrií (což jsou organely, které mimo jiné provádějí oxidační fosforylaci části glykolytických produktů), stává se více závislou na energii získané prostřednictvím glykolytické.
- Mnoho buněk závisí na glukóze jako zdroji energie prostřednictvím glykolytické dráhy, mezi nimi i červené krvinky, chybí vnitřní organely a buňky oka (zejména rohovky), které nemají vysokou hustotu mitochondrií.
Zatím žádné komentáře