GLYKOLÝZA: FUNKCE, ENZYMY, FÁZE, PRODUKTY, VÝZNAM - BIOLOGIE - 2025

Glykolýza nebo glykolýza je hlavní cestou katabolismu glukózy, jehož konečným cílem je k výrobě energie v na formě ATP a redukční schopnost ve v podobě NADH, z tohoto sacharidů.

Tato cesta, plně objasněná ve 30. letech 20. století Gustavem Embdenem a Otto Meyerhofem při studiu spotřeby glukózy v buňkách kosterních svalů, sestává z úplné oxidace tohoto monosacharidu a sama o sobě představuje anaerobní cestu pro získávání energie.

Molekulární struktura ATP, jednoho z glykolytických produktů (Shrnutí glykolytické dráhy (Zdroj: Tekks v angličtině Wikipedia / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) přes Wikimedia Commons) prostřednictvím Wikimedia Commons)

Je to jedna z hlavních metabolických cest, protože se svými rozdíly vyskytuje ve všech existujících živých organismech, jednobuněčných nebo mnohobuněčných, prokaryotických nebo eukaryotických, a považuje se za řetězec reakcí, který je v přírodě evolučně vysoce konzervovaný.

Ve skutečnosti existují některé organismy a buněčné typy, které závisejí výlučně na této cestě k přežití.

V prvním případě, glykolýza sestává z oxidace glukózy, 6 atomů 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 glukózového katabolismu končí glykolýza produkcí oxidu uhličitého a vody Krebsovým cyklem a řetězcem přenosu elektronů (aerobní glykolýza).

V průběhu glykolytické dráhy dochází k deseti enzymatickým reakcím, a ačkoli se regulace těchto reakcí může u jednotlivých druhů poněkud lišit, regulační mechanismy jsou také poměrně zachovány.

Funkce glykolýzy

Z metabolického hlediska je glukóza jedním z nejdůležitějších uhlohydrátů pro všechny živé věci.

Je to stabilní a velmi rozpustná molekula, takže může být relativně snadno transportována celým tělem zvířete nebo rostlinou, odkud je uložena a / nebo získána tam, kde je potřeba jako buněčné palivo.

Struktura glukózy (Zdroj: Oliva93 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) přes Wikimedia Commons)

Chemická energie obsažená v glukóze je využívána živými buňkami prostřednictvím glykolýzy, která sestává z řady vysoce kontrolovaných kroků, kterými lze energii uvolněnou z oxidace tohoto uhlohydrátu „zachytit“ do využitelnějších forem energie., proto jeho význam.

Touto cestou se získává nejen energie (ATP) a redukční síla (NADH), ale také poskytuje řadu metabolických zprostředkovatelů, kteří jsou součástí jiných cest, také důležitých z anabolických (biosyntetických) a obecné buněčné fungování. Zde je seznam:

- Glukóza 6-fosfát pro pentózový fosfátový kanál (PPP)

- Pyruvát pro mléčné kvašení

- Pyruvát pro syntézu aminokyselin (alanin, hlavně)

- Pyruvát pro cyklus trikarboxylové kyseliny

- Fruktóza-6-fosfát, glukóza-6-fosfát a dihydroxyaceton-fosfát, které fungují jako „stavební kameny“ na jiných cestách, jako je syntéza glykogenu, mastných kyselin, triglyceridů, nukleotidů, aminokyselin atd.

Výroba energie

Množství ATP produkované glykolytickou cestou, když buňka, která ji produkuje, nemůže žít za aerobních podmínek, je dostatečné pro zásobování energetických potřeb buňky, když je spojena s různými typy fermentačních procesů.

Pokud však jde o aerobní buňky, glykolýza také slouží jako nouzový zdroj energie a slouží jako „přípravný krok“ před oxidačními fosforylačními reakcemi, které charakterizují aerobní metabolizované buňky.

Enzymy podílející se na glykolýze

Glykolýza je možná pouze díky účasti 10 enzymů, které katalyzují reakce charakterizující tuto cestu. Mnoho z těchto enzymů je allosterických a mění tvar nebo konformaci, když vykonávají své katalytické funkce.

Mezi jejich substráty existují enzymy, které štěpí a vytvářejí kovalentní vazby, a existují další, které vyžadují specifické kofaktory, aby vykonávaly své funkce, zejména kovové ionty.

Strukturálně řečeno, všechny glykolytické enzymy mají centrum sestávající v podstatě z rovnoběžných P listů obklopených a helixy a uspořádaných do více než jedné domény. 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 dráhy prochází kontrolou (hormonální nebo metabolity) enzymů, jako je hexokináza, fosfofruktokináza, glyceraldehyd 3-fosfát dehydrogenáza a pyruvát kináza.

Hlavní body regulace glykolytické dráhy (Zdroj: Gregor 0492 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) přes Wikimedia Commons)

1-Hexokináza (HK)

První reakce glykolýzy (fosforylace glukózy) je katalyzována hexokinázou (HK), jejíž mechanismus účinku se zdá být tvořen substrátem „indukovaným zpřísněním“, který podporuje „zámek“ enzymu kolem ATP a glukózy (její substráty), jakmile se na ně váže.

V závislosti na uvažovaném organismu může existovat jeden nebo více isoenzymů, jejichž molekulová hmotnost se pohybuje mezi 50 (přibližně 500 aminokyselin) a 100 kDa, protože se zdá, že se seskupují ve formě dimerů, jejichž tvorba je podporována přítomností 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.

2-Fosfoglukóza isomeráza (PGI)

Glukóza fosforylovaná hexokinázou je izomerizována na fruktózu 6-fosfát pomocí fosfoglukózoizomerázy (PGI), také známé 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 nebo méně 66 kDa) a podílí se nejen na glykolýze, ale také na glukoneogenezi, na syntéze sacharidů v rostlinách atd.

3-Fosfhofruktokináza (PFK)

Fruktóza-6-fosfát je substrátem pro enzym fosfhofruktokinázy, který je schopen re-fosforylovat tuto molekulu pomocí ATP jako dárce fosforylové skupiny a produkovat fruktózu 1,6-bisfosfát.

Tento enzym existuje v bakteriích a savcích jako homotetramerický enzym (složený ze čtyř identických podjednotek po 33 kDa pro bakterie a 85 kDa pro savce) a v kvasinkách je oktamer (složený z větších podjednotek, mezi 112 a 118 kDa).

Je to alosterický enzym, což znamená, že je pozitivně nebo negativně regulován některými z jeho produktů (ADP) a jinými molekulami, jako je ATP a citrát.

4-Aldoláza

Aldolasa, také známá jako fruktóza 1,6-bisfosfát aldoláza, katalyzuje katalytické štěpení fruktózy 1,6-bisfosfátu na dihydroxyaceton-fosfát a glyceraldehyd-3-fosfát a reverzní reakci, tj. Sloučení obou cukrů za vzniku fruktóza 1,6-bisfosfát.

Jinými slovy, tento enzym štěpí fruktózu 1,6-bisfosfát přímo na polovinu a uvolňuje dvě fosforylované 3-uhlíkové sloučeniny. Aldolase je také složena ze 4 identických podjednotek, každá s vlastním aktivním místem.

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 jiné (za druhé) jsou v bakteriích, protistech a metazoanech.

"Vyšší" eukaryotická aldoláza sestává z homotetrameru 40 kDa podjednotek molekulové hmotnosti, z nichž každá sestává z barelu tvořeného 8 p / a listů.

5-Triose fosfát isomeráza (TIM)

Dvě fosforylované triosy mohou být vzájemně převedeny díky působení triose-fosfát isomerázy, která umožňuje použití obou cukrů během glykolýzy, což zajišťuje plné využití každé molekuly glukózy, která vstupuje do cesty.

Tento enzym byl popsán jako „dokonalý“ enzym, protože katalyzuje popsanou reakci asi bilionkrát rychleji, než co by nastalo bez vaší účasti. Jeho aktivní místo je ve středu struktury beta-barel, charakteristické pro mnoho glykolytických enzymů.

Je to dimerní protein, složený ze dvou identických podjednotek přibližně 27 kDa, obě s kulovitou strukturou.

6- Glyceraldehyd 3-fosfátdehydrogenáza (GAPDH)

Glyceraldehyd 3-fosfát produkovaný působením aldolázy a triose-fosfát isomerázy slouží jako substrát pro GAPDH, což je homotetramerický enzym (34-38 kDa každá podjednotka), který se kooperativně váže na molekulu NAD + v každé svých 4 aktivních míst, jakož i 2 fosfátových nebo sulfátových iontů.

V tomto kroku dráhy enzym umožňuje fosforylaci jednoho ze svých substrátů za použití anorganického fosfátu jako donoru fosforylové skupiny, se současnou redukcí dvou molekul NAD + a produkcí 1,3-bisfosfoglycerátu.

7-Fosfoglycerát kináza (PGK)

Fosfoglycerát kináza 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 uzavírá při kontaktu s jeho substráty a chrání je před interferujícími molekulami vody.

Tento enzym, stejně jako ostatní, které používají dva nebo více substrátů, má vazebné místo pro ADP a další pro fosfát cukru.

Na rozdíl od ostatních popsaných enzymů je tímto proteinem monomer 44 kDa s bilobální strukturou, složený ze dvou domén stejné velikosti spojených úzkou štěrbinou.

8-Fosfoglycerát mutáza

3-Fosfoglycerát podléhá změně fosfátové skupiny směrem k uhlíku 2 ve středu molekuly, což představuje strategické místo nestability, které usnadňuje následný přenos skupiny na molekulu ATP v poslední reakci dráhy.

Toto přesmyk je katalyzován enzymem fosfoglycerát mutáza, dimerním enzymem pro člověka a tetramerickým pro kvasinky, s velikostí podjednotky blízkou 27 kDa.

9 - Enolasa

Enolasa katalyzuje dehydrataci 2-fosfoglycerátu na fosfoenolpyruvát, což je nezbytný krok pro vytvoření ATP v další reakci.

Je to dimerní enzym složený ze dvou identických 45 kDa podjednotek. Závisí na horečnatých iontech, pokud jde o jejich stabilitu a konformační změnu nezbytnou pro navázání na substrát. Je to jeden z enzymů, které se hojně exprimují v cytosolu mnoha organismů a kromě glykolytických funkcí plní také funkce.

10- Pyruvát kináza

Druhá fosforylace na úrovni substrátu, která se vyskytuje při glykolýze, je katalyzována pyruvát kinázou, která je zodpovědná za přenos fosforylové skupiny z fosfoenolpyruvátu na ADP a za produkci 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 isoenzymy: L (v játrech), R (v erytrocytech), M1 (ve svalech a mozku) a M2 (fetální tkáně a tkáně dospělých).

Fáze glykolýzy (krok za krokem)

Glykolytická cesta sestává z deseti po sobě jdoucích kroků a začíná jednou molekulou glukózy. Během tohoto procesu je molekula glukózy "aktivována" nebo "připravena" s přídavkem dvou fosfátů, což obrací dvě ATP molekuly.

Následně je "nařezán" na dva fragmenty a nakonec je několikrát chemicky modifikován, syntetizuje čtyři ATP molekuly podél cesty, takže čistý zisk na trase odpovídá dvěma ATP molekulám.

Z výše uvedeného lze odvodit, že cesta je rozdělena na energetickou „investiční“ fázi, která je zásadní pro úplnou oxidaci glukózové molekuly, a další energetickou „ziskovou“ fázi, kde je použitá energie původně nahrazena a získána dvě. čisté molekuly ATP.

- Energetická investiční fáze

1 - První krok glykolytické dráhy spočívá v fosforylaci glukózy zprostředkované hexokinázou (HK), pro kterou enzym používá jednu molekulu ATP pro každou molekulu fosforylované glukózy. Jedná se o nevratnou reakci a závisí na přítomnosti iontů hořčíku (Mg2 +):

Glukóza + ATP → Glukóza 6-fosfát + ADP

2 - Takto vyrobený glukózový 6-fosfát je izomerizován na fruktózový 6-fosfát díky působení enzymu fosfoglukózová izomeráza (PGI). Jedná se o reverzibilní reakci a nevyžaduje další výdaje na energii:

Glukóza 6-fosfát → Fruktóza 6-fosfát

3 - Další krok energetické inverze zahrnuje fosforylaci fruktosy 6-fosfátu za vzniku fruktosy 1,6-bisfosfátu. Tato reakce je katalyzována enzymem fosfhofructokináza-1 (PFK-1). Jako první krok v cestě je donorová molekula fosfátové skupiny ATP a je to také nevratná reakce.

Fruktóza 6-fosfát + ATP → Fruktóza 1,6-bisfosfát + ADP

4 - V tomto kroku glykolýzy dochází k katalytickému rozkladu fruktosy 1,6-bisfosfátu na dihydroxyaceton fosfát (DHAP), ketózu a glyceraldehyd 3-fosfát (GAP), aldosu. Tato kondenzace aldolu je katalyzována enzymem aldolázou a je to reverzibilní proces.

Fruktóza 1,6-bisfosfát → Dihydroxyaceton fosfát + glyceraldehyd 3-fosfát

5 - Poslední reakce fáze inverze energie spočívá v interkonverzi triosfosfátu DHAP a GAP katalyzované enzymem triose-fosfát izomeráza (TIM), což je skutečnost, která nevyžaduje další příjem energie a je také reverzibilním procesem.

Dihydroxyaceton fosfát ↔ Glyceraldehyd 3-fosfát

- fáze energetického zisku

6-Glyceraldehyd 3-fosfát se používá "downstream" v glykolytické dráze jako substrát pro oxidační reakci a další pro fosforylaci, katalyzovaný stejným enzymem, glyceraldehyd 3-fosfátdehydrogenáza (GAPDH).

Enzym katalyzuje oxidaci uhlíku C1 molekuly na karboxylovou kyselinu a její fosforylaci ve stejné poloze za vzniku 1,3-bisfosfoglycerátu. V průběhu reakce se redukují 2 molekuly NAD + pro každou molekulu glukózy a použijí se 2 molekuly anorganického fosfátu.

2Glyceraldehyd 3-fosfát + 2NAD + + 2Pi → 2 (1,3-bisfosfoglycerát) + 2NADH + 2H

V aerobních organismech prochází takto vzniklý NADH elektronovým transportním řetězcem, který slouží jako substrát pro syntézu 6 molekul ATP oxidační fosforylací.

7- Toto je první krok syntézy ATP v glykolýze a zahrnuje působení fosfoglycerát kinázy (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 mutáza (PGM), který jej přeměňuje na 2-fosfoglycerát vytěsněním fosforylové skupiny z uhlíku 3 na uhlík 2 dvoustupňovou reakcí, 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 nezaručuje přidání další energie a jehož účelem je produkovat vysoce energetickou sloučeninu, schopnou darovat svou fosforylovou skupinu v následujícím reakce.

2 (2-fosfoglycerát) → 2 fosfoenolpyruvát

10- Fosfoenolpyruvát je substrátem pro enzym pyruvát kinázu (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 vytvoří 2ATP a 2 pyruvátové molekuly a je nezbytná přítomnost draslíku a hořčíku v iontové formě.

2Phosphoenolpyruvate + 2ADP → 2Pyruvate + 2ATP

Čistý výtěžek glykolýzy tímto způsobem sestává z 2ATP a 2NAD + pro každou molekulu glukózy, která vstupuje do dráhy.

Pokud jsou to buňky s aerobním metabolismem, pak celková degradace glukózové molekuly produkuje mezi Krebsovým cyklem a elektronovým transportním řetězcem mezi 30 a 32 ATP.

Produkty glykolýzy

Obecná reakce glykolýzy je následující:

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

Proto, pokud je analyzována krátce, 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 takto:

- 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

Důležitost

Přes skutečnost, že glykolýza sama o sobě (lze hovořit o anaerobní glykolýze), produkuje pouze asi 5% ATP, který 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 ze stavu klidu, pro který by aerobní oxidační procesy nebyly dostatečně rychlé.

- Například „bílá“ kosterní svalová vlákna v lidském těle jsou rychlá záškuby a závisí na fungování anaerobní glykolýzy.

- Když se z nějakého důvodu musí buňka obejít bez některých mitochondrií (což jsou organely, které mimo jiné provádějí oxidační fosforylaci části glykolytických produktů), stává se buňka více závislou na energii získané glykolytická cesta.

- Mnoho buněk závisí na glukóze jako zdroji energie prostřednictvím glykolytik, mezi nimiž jsou červené krvinky, postrádající vnitřní organely a buňky oka (zejména buňky rohovky), které nemají vysokou hustotu mitochondrií.

Reference

1. Canback, B., Andersson, SGE a Kurland, CG (2002). Globální fylogeneze glykolytických enzymů. Sborník Národní akademie věd, 99 (9), 6097-6102.
2. Chaudhry R, ​​Varacallo M. Biochemistry, Glykolýza.. In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing; 2020 leden. K dispozici na adrese:
3. Fothergill-Gilmore, LA a Michels, PA (1993). Vývoj glykolýzy. Pokrok v biofyzice a molekulární biologii, 59 (2), 105-235.
4. Kim, JW, a Dang, CV (2005). Mnohostranné role glykolytických enzymů. Trends in biochemical Sciences, 30 (3), 142-150.
5. Kumari, A. (2017). Sladká biochemie: Vzpomínka na struktury, cykly a cesty podle Mnemoniky. Academic Press.
6. Li, XB, Gu, JD a Zhou, QH (2015). Přehled aerobní glykolýzy a jejích klíčových enzymů - nové cíle pro léčbu rakoviny plic. Rakovina hrudníku, 6 (1), 17-24.