Aerobní glykolýza nebo aerobní definována jako použití přebytku glukosy není zpracován oxidativní fosforylace k tvorbě produktů „fermentačních“, a to i za podmínek vysoké koncentrace kyslíku a navzdory poklesu energetické účinnosti.
Obvykle se vyskytuje v tkáních s vysokou proliferativní frekvencí, jejichž spotřeba glukózy a kyslíku je vysoká. Příkladem jsou rakovinné nádorové buňky, některé parazitární buňky v krvi savců a dokonce buňky v některých oblastech mozku savců.
Glykolytická cesta (Zdroj:] přes Wikimedia Commons)
Energie extrahovaná katabolismem glukózy je zachována ve formě ATP a NADH, které se používají po proudu v různých metabolických drahách.
Během aerobní glykolýzy je pyruvát směřován do Krebsova cyklu a transportního řetězce elektronů, ale je také zpracováván fermentační cestou pro regeneraci NAD + bez další produkce ATP, která končí tvorbou laktátu.
Aerobní nebo anaerobní glykolýza se vyskytuje primárně v cytosolu, s výjimkou organismů, jako jsou trypanosomatidy, které mají specializované glykolytické organely známé jako glykosomy.
Glykolýza je jednou z nejznámějších metabolických cest. Úplně ji formulovali ve 30. letech Gustav Embden a Otto Meyerhof, kteří studovali cestu v buňkách kosterních svalů. Aerobní glykolýza je však známá jako Warburgův efekt od roku 1924.
Reakce
Aerobní katabolismus glukózy nastává v deseti enzymaticky katalyzovaných krocích. Mnoho autorů se domnívá, že tyto kroky jsou rozděleny do fáze energetické investice, jejímž cílem je zvýšit obsah volné energie u zprostředkovatelů, a další z náhrady a získání energie ve formě ATP.
Energetická investiční fáze
1-Fosforylace glukózy na 6-fosfát glukózy katalyzovaný hexokinázou (HK). V této reakci je jedna molekula ATP invertována pro každou molekulu glukózy, která působí jako donor fosfátové skupiny. Poskytuje glukózu 6-fosfát (G6P) a ADP a reakce je nevratná.
Enzym nutně vyžaduje pro svoji činnost vytvoření kompletního Mg-ATP2-, proto vyžaduje hořečnaté ionty.
2-Izomerace G6P na fruktózu 6-fosfát (F6P). Nezahrnuje energetické výdaje a je reverzibilní reakcí katalyzovanou fosfoglukózovou izomerázou (PGI).
3-Fosforylace F6P na 1,6-bisfosfát fruktózy katalyzovaný fosfofruktokinázou-1 (PFK-1). Jako donor fosfátové skupiny se používá molekula ATP a reakční produkty jsou F1,6-BP a ADP. Díky své hodnotě ∆G je tato reakce nevratná (stejně jako reakce 1).
4-Katalytické štěpení F1,6-BP na dihydroxyaceton fosfát (DHAP), ketózu a glyceraldehyd 3-fosfát (GAP), aldosu. Enzym aldoláza je zodpovědná za tuto reverzibilní kondenzaci aldolu.
5-Triose fosfát isomeráza (TIM) je zodpovědná za vzájemnou přeměnu triose fosfátu: DHAP a GAP, bez dalšího příkonu energie.
Fáze využití energie
1-GAP je oxidován glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenázou (GAPDH), která katalyzuje převod fosfátové skupiny na GAP za vzniku 1,3-bisfosfoglycerátu. V této reakci jsou dvě molekuly NAD + redukovány na molekulu glukózy a jsou použity dvě molekuly anorganického fosfátu.
Každý vytvořený NADH prochází elektronovým transportním řetězcem a 6 ATP molekul je syntetizováno oxidační fosforylací.
2-Fosfoglycerát kináza (PGK) přenáší fosforylovou skupinu z 1,3-bisfosfoglycerátu na ADP a vytváří dvě molekuly ATP a dvě 3-fosfoglyceráty (3PG). Tento proces je známý jako fosforylace na úrovni substrátu.
Dvě molekuly ATP spotřebované při reakcích HK a PFK jsou nahrazeny PGK v tomto kroku dráhy.
3-3PG je převeden na 2PG fosfoglycerát mutasou (PGM), která katalyzuje přeměnu fosforylové skupiny mezi uhlíkem 3 a 2 glycerátu ve dvou reverzibilních krocích. Tento enzym také vyžaduje iont hořčíku.
4-A dehydratační reakce katalyzovaná enolázou přeměňuje 2PG na fosfoenolpyruvát (PEP) v reakci, která nevyžaduje energetické investice, ale vytváří sloučeninu s větším energetickým potenciálem pro pozdější přenos fosfátové skupiny.
5-Konečně, pyruvát kináza (PYK) katalyzuje přenos fosforylové skupiny v PEP na molekulu ADP se současnou produkcí pyruvátu. Na molekulu glukózy se používají dvě molekuly ADP a generují se 2 molekuly ATP. PYK používá draselné a hořečnaté ionty.
Celkový energetický výtěžek glykolýzy je tedy 2 molekuly ATP pro každou molekulu glukózy, která vstupuje do dráhy. Za aerobních podmínek zahrnuje úplná degradace glukózy získání mezi 30 a 32 molekulami ATP.
Osud glykolytických meziproduktů
Po glykolýze se pyruvát podrobuje dekarboxylaci, produkuje CO2 a daruje acetylovou skupinu acetyl koenzymu A, který je také oxidován na CO2 v Krebsově cyklu.
Elektrony uvolňované během této oxidace jsou transportovány do kyslíku mitochondriálními respiračními řetězovými reakcemi, které nakonec řídí syntézu ATP v této organele.
Během aerobní glykolýzy je produkovaný přebytečný pyruvát zpracováván enzymem laktát dehydrogenáza, která tvoří laktát a regeneruje část spotřebovaných NAD + stupňů v glykolýze, ale bez tvorby nových molekul ATP.
Mechanismus laktátové dehydrogenázy (Zdroj: Jazzlw přes Wikimedia Commons)
Kromě toho může být pyruvát použit v anabolických procesech, které vedou například k vytvoření alaninu aminokyseliny, nebo může také působit jako kostra pro syntézu mastných kyselin.
Podobně jako pyruvát, konečný produkt glykolýzy, mnoho reakčních meziproduktů plní další funkce v katabolických nebo anabolických drahách důležitých pro buňku.
To je případ glukózy 6-fosfátu a pentózofosfátové dráhy, kde se získají meziprodukty ribózy přítomné v nukleových kyselinách.
Reference
- Akram, M. (2013). Mini-recenze na glykolýzu a rakovinu. J. Canc. Educ., 28, 454–457.
- Esen, E., & Long, F. (2014). Aerobní glykolýza v osteoblastech. Curr Osteoporos Rep, 12, 433–438.
- Haanstra, JR, González-Marcano, EB, Gualdrón-López, M. & Michels, PAM (2016). Biogeneze, udržování a dynamika glykosomů u trypanosomatidních parazitů. Biochimica et Biophysica Acta - Molecular Cell Research, 1863 (5), 1038–1048.
- Jones, W., a Bianchi, K. (2015). Aerobní glykolýza: po proliferaci. Frontiers in Immunology, 6, 1-5.
- Kawai, S., Mukai, T., Mori, S., Mikami, B. a Murata, K. (2005). Hypotéza: struktury, vývoj a předchůdce glukózových kináz v rodině hexokináz. Journal of Bioscience and Bioengineering, 99 (4), 320–330.
- Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Lehningerovy principy biochemie. Vydání Omega (5. vydání).