GLYKOLYSE: FUNKTIONER, ENZYMER, FASER, PRODUKTER, BETYDNING - BIOLOGI - 2025

Den glycolyse eller glycolysen er den væsentligste glucose katabolisme, hvis endelige mål er at generere energi i den form af ATP og reduktionsevne i den form af NADH, fra denne kulhydrat.

Denne rute, fuldt ud belyst i 1930'erne af Gustav Embden og Otto Meyerhof under undersøgelse af forbruget af glukose i skeletmuskelceller, består af den komplette oxidation af dette monosaccharid og repræsenterer i sig selv en anaerob bane for at få energi.

Molekylær struktur af ATP, et af de glykolytiske produkter (Oversigt over den glykolytiske sti (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 af ​​de vigtigste metabolske ruter, da den forekommer med dens forskelle i alle levende organismer, der findes, unicellulære eller multicellulære, prokaryote eller eukaryote, og det menes at være en kæde af reaktioner, der evolutionært er meget bevaret i naturen.

Faktisk er der nogle organismer og celletyper, der udelukkende afhænger af denne rute for at overleve.

I første omgang består glycolyse af oxidation af glucose, af 6 carbonatomer, til pyruvat, der har tre carbonatomer; med den samtidige produktion af ATP og NADH, anvendelig til celler fra det metaboliske og syntetiske synspunkt.

I celler, der er i stand til yderligere bearbejdning af produkterne opnået fra glukosekatabolisme, ender glycolyse med produktionen af ​​kuldioxid og vand gennem Krebs-cyklussen og elektrontransportkæden (aerob glykolyse).

Ti enzymatiske reaktioner finder sted i løbet af den glykolytiske vej, og selvom reguleringen af ​​disse reaktioner kan være noget forskellig fra art til art, er reguleringsmekanismerne også ret bevarede.

Funktioner af glykolyse

Fra metabolisk synspunkt er glukose en af ​​de vigtigste kulhydrater for alle levende ting.

Det er et stabilt og meget opløseligt molekyle, så det kan transporteres med relativ lethed gennem hele dyrets eller en plantes krop, hvorfra det opbevares og / eller opnås, hvor det er nødvendigt som cellulært brændstof.

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

Den kemiske energi indeholdt i glukose udnyttes af levende celler gennem glykolyse, der består af en række stærkt kontrollerede trin, hvorved den energi, der frigøres fra oxideringen af ​​dette kulhydrat, kan "opsamles" til mere anvendelige energiformer. deraf dens betydning.

Gennem denne rute opnås ikke kun energi (ATP) og reducerende effekt (NADH), men det giver også en række metaboliske mellemmænd, der er en del af andre ruter, også vigtige fra en anabol (biosyntetisk) og generel cellulær funktion. Her er en liste:

- Glucose 6-phosphat til Pentose Phosphate Pathway (PPP)

- Pyruvat til mælkefermentering

- Pyruvat til syntese af aminosyrer (hovedsageligt alanin)

- Pyruvat til tricarboxylsyrecyklussen

- Fruktose 6-phosphat, glucose 6-phosphat og dihydroxyacetonphosphat, der fungerer som ”byggesten” på andre veje, såsom syntese af glycogen, fedtsyrer, triglycerider, nucleotider, aminosyrer osv.

Energiproduktion

Mængden af ​​ATP, der er produceret af den glykolytiske vej, når cellen, der producerer den ikke kan leve under aerobe forhold, er tilstrækkelig til at tilvejebringe energibehovet i en celle, når den kobles til forskellige typer fermenteringsprocesser.

Når det kommer til aerobe celler, tjener glykolyse imidlertid også som en nødsituation for energikilde og fungerer som et "forberedende trin" forud for de oxidative phosphoryleringsreaktioner, der karakteriserer celler med aerob metabolisme.

Enzymer involveret i glykolyse

Glykolyse er kun mulig takket være deltagelse af de 10 enzymer, der katalyserer reaktionerne, der karakteriserer denne vej. Mange af disse enzymer er allosteriske og ændrer form eller konformation, når de udøver deres katalytiske funktioner.

Der er enzymer, der bryder og danner kovalente bindinger mellem deres underlag, og der er andre, der kræver specifikke kofaktorer for at udføre deres funktioner, hovedsageligt metalioner.

Strukturelt set har alle glykolytiske enzymer et center, der i det væsentlige består af parallelle ß- ark omgivet af a-helikser og arrangeret i mere end et domæne. Desuden er disse enzymer karakteriseret ved, at deres aktive steder sædvanligvis er på bindingsstederne mellem domæner.

Det er også vigtigt at bemærke, at hovedreguleringen af ​​stien passerer gennem kontrol (hormonel eller metabolitter) af enzymer, såsom hexokinase, phosphofructokinase, glyceraldehyd 3-phosphat dehydrogenase og pyruvatkinase.

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

1- Hexokinase (HK)

Den første reaktion med glykolyse (glucosefosforylering) katalyseres af hexokinase (HK), hvis virkningsmekanisme ser ud til at bestå af et substrat "induceret stramning", der fremmer "låsen" af enzymet omkring ATP og af glukose (dets underlag), når det først er bundet til dem.

Afhængigt af den organisme, der tages i betragtning, kan der være en eller flere isoenzymer, hvis molekylvægt ligger mellem 50 (ca. 500 aminosyrer) og 100 kDa, da de ser ud til at grupperes i form af dimerer, hvis dannelse er foretrukket af tilstedeværelsen af ​​glucose, magnesiumioner og ATP.

Hexokinase har en tertiær struktur sammensat af åbne alfa- og beta-ark, selvom der er mange strukturelle forskelle i disse enzymer.

2- Phosphoglucose-isomerase (PGI)

Glucose, der er phosphoryleret med hexokinase, isomeriseres til fructose 6-phosphat via phosphoglucoseisomerase (PGI), også kendt som glucose 6-phosphatisomerase. Enzymet fjerner eller tilføjer derfor ikke atomer, men omorganiserer dem på det strukturelle niveau.

Dette er et aktivt enzym i dens dimere form (monomeren vejer mere eller mindre 66 kDa) og er involveret ikke kun i glykolyse, men også i glukoneogenese, i syntesen af ​​kulhydrater i planter osv.

3- Phosphofructokinase (PFK)

Fructose 6-phosphat er et substrat for phosphofructokinase-enzymet, der er i stand til at re-phosphorylere dette molekyle under anvendelse af ATP som en donor af phosphorylgrupper, hvilket producerer fruktose 1,6-bisphosphat.

Dette enzym findes i bakterier og pattedyr som et homotetramerisk enzym (sammensat af fire identiske underenheder på 33 kDa hver for bakterier og 85 kDa hver i pattedyr) og i gærer er det en oktaamer (sammensat af større underenheder, mellem 112 og 118 kDa).

Det er et allosterisk enzym, hvilket betyder, at det er positivt eller negativt reguleret af nogle af dets produkter (ADP) og af andre molekyler såsom ATP og citrat.

4- Aldolasse

Også kendt som fructose 1,6-bisphosphat aldolase, katalyserer aldolase den katalytiske nedbrydning af fruktose 1,6-bisphosphat i dihydroxyacetonphosphat og glyceraldehyd 3-phosphat og den modsatte reaktion, det vil sige foreningen af ​​begge sukkerarter til dannelse af fruktose 1,6-bisphosphat.

Med andre ord skærer dette enzym fructose 1,6-bisphosphat til højre i halvdelen og frigiver to phosphorylerede 3-carbonforbindelser. Aldolase er også sammensat af 4 identiske underenheder, hver med sit eget aktive sted.

Forekomsten af ​​to klasser (I og II) af dette enzym er blevet bestemt, som er differentieret ved mekanismen for den reaktion, de katalyserer, og fordi nogle (den første) forekommer i bakterier og "lavere" eukaryoter, og de andre (den andet) er i bakterier, protister og metazoaner.

Den "højere" eukaryotiske aldolase består af en homotetramer af underenheder med molekylvægt på 40 kDa, der hver består af en tønde sammensat af 8 ß / α-ark.

5- Triose phosphatisomerase (TIM)

De to fosforylerede trioser kan konverteres med hinanden takket være virkningen af ​​trio-fosfatisomerase, som tillader, at begge sukkerarter kan bruges i hele glykolyse, hvilket sikrer fuld anvendelse af hvert glukosemolekyle, der kommer ind i banen.

Dette enzym er blevet beskrevet som det "perfekte" enzym, da det katalyserer den beskrevne reaktion omkring en billion gange hurtigere, end det ville forekomme uden din deltagelse. Dets aktive sted er i midten af ​​en betatønderstruktur, der er karakteristisk for mange glykolytiske enzymer.

Det er et dimert protein, dannet af to identiske underenheder på ca. 27 kDa, begge med en kugleformet struktur.

6- Glyceraldehyd 3-phosphatdehydrogenase (GAPDH)

Glyceraldehyd 3-phosphat produceret ved virkning af aldolase og triose phosphatisomerase tjener som et substrat for GAPDH, som er et homotetramerisk enzym (34-38 kDa hver underenhed), der kooperativt binder til et molekyle af NAD + i hver af dets 4 aktive steder samt 2 phosphat- eller sulfationer.

I dette trin af vejen tillader enzymet phosphorylering af et af dets substrater under anvendelse af uorganisk fosfat som en donor af phosphorylgrupper med den samtidige reduktion af to NAD + -molekyler og produktionen af ​​1,3-bisphosphoglycerat.

7- Phosphoglyceratkinase (PGK)

Phosphoglyceratkinase er ansvarlig for overførsel af en af ​​phosphatgrupperne af 1,3-bisphosphoglycerat til et ADP-molekyle ved phosphorylering på substratniveauet. Dette enzym bruger en mekanisme, der ligner den, der anvendes af hexokinase, da det lukker ved kontakt på dets underlag og beskytter dem mod forstyrrende vandmolekyler.

Dette enzym har ligesom andre, der bruger to eller flere substrater, et bindingssted for ADP og et andet for sukkerfosfat.

I modsætning til de andre beskrevne enzymer er dette protein en 44 kDa-monomer med en bilobal struktur, sammensat af to domæner i samme størrelse forbundet med en smal "spalte".

8- Phosphoglyceratmutase

3-phosphoglyceratet gennemgår en ændring fra phosphatgruppen mod carbon 2 midt i molekylet, som repræsenterer et strategisk ustabilitetssted, der letter den efterfølgende overførsel af gruppen til et ATP-molekyle i den sidste reaktion af stien.

Denne omarrangering katalyseres af enzymet phosphoglyceratmutase, et dimert enzym for mennesker og tetramerisk for gær, med en underenhedsstørrelse tæt på 27 kDa.

9- Enolase

Enolase katalyserer dehydrering af 2-phosphoglycerat til phosphoenolpyruvat, et nødvendigt trin til frembringelse af ATP i den næste reaktion.

Det er et dimert enzym sammensat af to identiske 45 kDa-underenheder. Det afhænger af magnesiumioner for dets stabilitet og for den konformationelle ændring, der er nødvendig for at binde til dens underlag. Det er en af ​​de enzymer, der mest udbredt udtrykkes i cytosol fra mange organismer og udfører funktioner ud over glykolytiske.

10- Pyruvat kinase

Den anden phosphorylering på substratniveau, der forekommer i glykolyse, katalyseres af pyruvatkinase, der er ansvarlig for overførslen af ​​phosphorylgruppen fra phosphoenolpyruvat til ADP og for produktionen af ​​pyruvat.

Dette enzym er mere komplekst end nogen af ​​de andre glykolytiske enzymer, og hos pattedyr er det et homotetramerisk enzym (57 kDa / underenhed). Der er i hvirveldyr, mindst 4 isoenzymer: L (i leveren), R (i erytrocytter), M1 (i muskler og hjerne) og M2 (føtalvæv og voksent væv).

Faser med glykolyse (trin for trin)

Den glykolytiske vej består af ti sekventielle trin og begynder med et molekyle glukose. Under processen "aktiveres" glukosemolekylet eller "fremstilles" med tilsætning af to fosfater, hvilket omdanner to ATP-molekyler.

Derefter "skæres" den i to fragmenter, og til sidst modificeres den kemisk et par gange, hvor der syntetiseres fire ATP-molekyler undervejs, så nettovinsten i ruten svarer til to ATP-molekyler.

Fra det ovenstående kan det udledes, at ruten er opdelt i en energi-"investerings" -fase, der er grundlæggende for fuldstændig oxidation af glukosemolekylet, og en anden energi-"forstærkning" -fase, hvor den energi, der oprindeligt anvendes, erstattes og to opnås. netto ATP-molekyler.

- Energiinvesteringsfase

1- Det første trin i den glykolytiske vej består af fosforylering af glucose medieret af hexokinase (HK), til hvilken enzymet bruger et molekyle ATP for hvert molekyle glukose, der er phosphoryleret. Det er en irreversibel reaktion og afhænger af tilstedeværelsen af ​​magnesiumioner (Mg2 +):

Glucose + ATP → Glucose 6-phosphat + ADP

2- Den således producerede glucose 6-phosphat isomeriseres til fructose 6-phosphat takket være virkningen af ​​enzymet phosphoglucoseisomerase (PGI). Dette er en reversibel reaktion og indebærer ikke yderligere energiudgifter:

Glucose 6-phosphat → Fruktose 6-phosphate

3- Efterfølgende involverer et andet energiinversionstrin phosphorylering af fructose 6-phosphat til dannelse af fruktose 1,6-bisphosphat. Denne reaktion katalyseres af enzymet phosphofructokinase-1 (PFK-1). Som det første trin i stien er phosphatgruppens donormolekyle ATP, og det er også en irreversibel reaktion.

Fruktose 6-phosphat + ATP → Fruktose 1,6-bisphosphat + ADP

4- I dette trin med glykolyse forekommer den katalytiske nedbrydning af fructose 1,6-bisphosphat i dihydroxyacetonphosphat (DHAP), en ketose og glyceraldehyd 3-phosphat (GAP), en aldose. Denne aldolkondensation katalyseres af enzymet aldolase og er en reversibel proces.

Fruktose 1,6-bisphosphat → Dihydroxyacetonphosphat + glyceraldehyd 3-phosphat

5- Den sidste reaktion fra energiinversionsfasen består af interkonvertering af triofosfat DHAP og GAP katalyseret af enzymet trios-fosfatisomerase (TIM), et faktum, der ikke kræver yderligere energiindtag og er også en reversibel proces.

Dihydroxyacetonphosphat ↔ Glyceraldehyd 3-phosphat

- Energiforøgelsesfase

6- Glyceraldehyd 3-phosphat anvendes "nedstrøms" i den glykolytiske vej som et substrat til en oxidationsreaktion og en phosphoryleringsreaktion, katalyseret af det samme enzym, glyceraldehyd 3-phosphat dehydrogenase (GAPDH).

Enzymet katalyserer oxidationen af ​​molekylets C1-kulstof til en carboxylsyre og dets phosphorylering i samme position, hvilket producerer 1,3-bisphosphoglycerat. I løbet af reaktionen reduceres 2 molekyler af NAD + for hvert molekyle glukose, og der anvendes 2 molekyler af uorganisk phosphat.

2Glyceraldehyd 3-phosphat + 2NAD + + 2Pi → 2 (1,3-bisphosphoglycerat) + 2NADH + 2H

I aerobe organismer passerer hver NADH produceret på denne måde gennem elektrontransportkæden for at tjene som et substrat til syntese af 6 ATP-molekyler ved oxidativ phosphorylering.

7- Dette er det første ATP-syntesetrin i glykolyse og involverer virkningen af ​​phosphoglyceratkinase (PGK) på 1,3-bisphosphoglycerat, hvor en phosphorylgruppe (substratniveau-phosphorylering) overføres fra dette molekyle til et molekyle af ADP, hvilket giver 2ATP og 2 molekyler 3-phosphoglycerat (3PG) for hvert molekyle glukose.

2 (1,3-bisphosphoglycerat) + 2ADP → 2 (3-phosphoglycerat) + 2ATP

8- 3-phosphoglycerat tjener som et substrat for enzymet phosphoglyceratmutase (PGM), som omdanner det til 2-phosphoglycerat ved forskydning af phosphorylgruppen fra carbon 3 til carbon 2 gennem en totrinsreaktion, der er reversibel og afhængig af magnesiumioner (Mg + 2).

2 (3-phosphoglycerat) → 2 (2-phosphoglycerat)

9- Enolaseenzymet dehydrerer 2-phosphoglyceratet og producerer phosphoenolpyruvat (PEP) gennem en reaktion, der ikke berettiger tilsætning af yderligere energi, og hvis formål er at producere en højenergiforbindelse, der er i stand til at donere dens phosphorylgruppe i det følgende reaktion.

2 (2-phosphoglycerat) → 2 Phosphoenolpyruvat

10- Phosphoenolpyruvat er et substrat for enzymet pyruvatkinase (PYK), der er ansvarlig for overførslen af ​​phosphorylgruppen i dette molekyle til et ADP-molekyle, hvilket katalyserer således en anden phosphoryleringsreaktion på substratniveauet.

I reaktionen produceres 2ATP og 2 pyruvatmolekyler for hver glucose, og tilstedeværelsen af ​​kalium og magnesium i ion form er nødvendig.

2Phosfoenolpyruvat + 2ADP → 2Pyruvat + 2ATP

Nettoudbyttet af glykolyse består på denne måde af 2ATP og 2NAD + for hvert glukosemolekyle, der kommer ind i banen.

Hvis det er celler med aerob metabolisme, producerer den totale nedbrydning af et glukosemolekyle mellem 30 og 32 ATP gennem Krebs-cyklussen og elektrontransportkæden.

Produkter af glykolyse

Den generelle reaktion af glycolyse er som følger:

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

Derfor, hvis det analyseres kort, kunne det sikres, at hovedprodukterne af den glykolytiske vej er pyruvat, ATP, NADH og H.

Imidlertid afhænger den metaboliske skæbne for hver reaktionsformidler i vid udstrækning af cellulære behov, hvilket er grunden til at alle mellemprodukter kan betragtes som reaktionsprodukter og kan anføres som følger:

- Glucose 6-phosphat

- Fruktose 6-phosphat

- Fruktose 1,6-bisphosphat

- Dihydroxyacetonphosphat og glyceraldehyd 3-phosphat

- 1,3-bisphosphoglycerat

- 3-phosphoglycerat og 2-phosphoglycerat

- Phosfoenolpyruvat og pyruvat

Betydning

På trods af det faktum, at glycolyse i sig selv (man kunne tale om anaerob glycolyse) kun producerer ca. 5% af ATP, der kan udvindes fra den aerobe katabolisme af glukose, er denne metabolske vej vigtig af flere grunde:

- Det fungerer som en "hurtig" energikilde, især i situationer, hvor et dyr hurtigt skal komme ud af en hviletilstand, hvor de aerobe oxidationsprocesser ikke ville være hurtige nok.

- De "hvide" skeletmuskelfibre i den menneskelige krop, for eksempel, er hurtige rykninger og er afhængige af anaerob glycolyse for at fungere.

- Når en celle af en eller anden grund skal undvære nogle af sine mitokondrier (som er organellerne, der udfører oxidativ fosforylering af en del af de glykolytiske produkter, blandt andet) bliver cellen mere afhængig af energien opnået ved glykolytisk vej.

- Mange celler er afhængige af glukose som en energikilde via glycolytika, blandt dem de røde blodlegemer, der mangler indre organeller, og cellerne i øjet (især de fra hornhinden), der ikke har en høj densitet af mitokondrier.

Referencer

1. Canback, B., Andersson, SGE, & Kurland, CG (2002). Den globale fylogeni af glykolytiske enzymer. Proceedings of the National Academy of Sciences, 99 (9), 6097-6102.
2. Chaudhry R, ​​Varacallo M. Biokemi, glycolyse.. I: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing; 2020 jan. Tilgængelig fra:
3. Fothergill-Gilmore, LA, & Michels, PA (1993). Evolution af glykolyse. Fremskridt inden for biofysik og molekylærbiologi, 59 (2), 105-235.
4. Kim, JW, & Dang, CV (2005). Multifacetterede roller af glykolytiske enzymer. Tendenser inden for biokemiske videnskaber, 30 (3), 142-150.
5. Kumari, A. (2017). Sød biokemi: huske strukturer, cykler og stier af Mnemonics. Academic Press.
6. Li, XB, Gu, JD, & Zhou, QH (2015). Gennemgang af aerob glykolyse og dens centrale enzymer - nye mål for lungekræftterapi. Thoracic cancer, 6 (1), 17-24.