Det glykolyse eller glykolyse er den vigtigste rute for glukosekatabolisme, hvis endelige mål er at opnå energi i form af ATP og reducere magt i form af NADH fra dette kulhydrat.
Denne rute, fuldstændigt belyst i 1930'erne af Gustav Embden og Otto Meyerhof, mens han studerede forbruget af glukose i skeletmuskelceller, består af den fuldstændige oxidation af dette monosaccharid og repræsenterer i sig selv en anaerob vej for glukose..
Det er en af de vigtigste metaboliske ruter, da den forekommer med sine forskelle i alle levende organismer, der findes, encellede eller multicellulære, prokaryote eller eukaryote, og det menes at være en reaktionskæde, der er evolutionært meget konserveret i naturen..
Faktisk er der nogle organismer og celletyper, der udelukkende er afhængige af denne rute for at overleve..
I første omgang består glykolyse af oxidationen af glucose med 6 carbonatomer til pyruvat, som har tre carbonatomer; med samtidig produktion af ATP og NADH, der er nyttigt for celler fra det metaboliske og syntetiske synspunkt.
I celler, der er i stand til yderligere behandling af de produkter, der opnås ved glukosekatabolisme, slutter glykolyse med produktionen af kuldioxid og vand gennem Krebs-cyklusen 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 en art til en anden, er reguleringsmekanismerne også ret bevarede..
Artikelindeks
Fra et metabolisk synspunkt er glukose et af de vigtigste kulhydrater for alle levende væsener.
Det er et stabilt og meget opløseligt molekyle, så det kan transporteres med relativ lethed gennem hele kroppen af et dyr eller en plante, hvorfra det opbevares og / eller opnås, hvor det er nødvendigt som cellulært brændstof..
Den kemiske energi indeholdt i glukose udnyttes af levende celler gennem glykolyse, som består af en række stærkt kontrollerede trin, hvorved den energi, der frigøres fra oxidationen af dette kulhydrat, kan "fanges" i mere anvendelige former for energi. Derfor er dens betydning.
Gennem denne rute opnås ikke kun energi (ATP) og reducerende effekt (NADH), men det giver også en række metaboliske mellemprodukter, der er en del af andre ruter, også vigtige fra den anabolske (biosyntetiske) og generelle cellulære funktion. Her er en liste:
- Glukose 6-fosfat til pentose fosfat vej (PPP) Pentose Phosphate Pathway)
- Pyruvat til mælkesyregæring
- Pyruvat til syntese af aminosyrer (hovedsagelig alanin)
- Pyruvat til tricarboxylsyrecyklus
- Fruktose 6-fosfat, glucose 6-fosfat og dihydroxyaceton fosfat, som fungerer som "byggesten" på andre måder, såsom syntese af glykogen, fedtsyrer, triglycerider, nukleotider, aminosyrer osv..
Mængden af ATP, der produceres af den glykolytiske vej, når den celle, der producerer den, ikke kan leve under aerobe forhold, er tilstrækkelig til at levere energibehovene til en celle, når den er koblet til forskellige typer fermenteringsprocesser.
Men når det kommer til aerobe celler, fungerer glykolyse også som en nødkilde og fungerer som et "forberedende trin" inden de oxidative phosphoryleringsreaktioner, der karakteriserer celler med aerob stofskifte..
Glykolyse er kun mulig takket være deltagelse af de 10 enzymer, der katalyserer de reaktioner, 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 substrater, og der er andre, der kræver specifikke cofaktorer for at udføre deres funktioner, hovedsageligt metalioner..
Strukturelt set har alle glycolytiske enzymer et i det væsentlige lamineret center. β parallel omgivet af α helices og bestilt i mere end et domæne. Desuden er disse enzymer karakteriseret ved, at deres aktive steder normalt er på bindingsstederne mellem domæner..
Det er også vigtigt at bemærke, at hovedreguleringen af ruten passerer gennem kontrol (hormonelle eller metabolitter) af enzymer såsom hexokinase, phosphofructokinase, glyceraldehyd 3-phosphatdehydrogenase og pyruvatkinase..
Den første glykolysereaktion (glucose-phosphorylering) katalyseres af hexokinase (HK), hvis virkningsmekanisme ser ud til at bestå af et substrat "induceret stramning", der fremmer enzymet "lock-in" omkring ATP og af glucose (dets substrater), når det har bundet til disse.
Afhængigt af den organisme, der overvejes, kan der være en eller flere isoenzymer, hvis molekylvægt er mellem 50 (ca. 500 aminosyrer) og 100 kDa, da de ser ud til at gruppere i form af dimerer, hvis dannelse er begunstiget af tilstedeværelse af glucose, magnesiumioner og ATP.
Hexokinase har en tertiær struktur sammensat af åbne alfa- og beta-ark, skønt der er mange strukturelle forskelle i disse enzymer.
Glucose phosphoryleret af hexokinase isomeriseres til fruktose 6-phosphat via phosphoglucose isomerase (PGI), også kendt som glucose 6-phosphat isomerase. Enzymet fjerner eller tilføjer ikke atomer, men omarrangerer dem på det strukturelle niveau.
Dette er et aktivt enzym i sin dimere form (monomeren vejer mere eller mindre 66 kDa) og er ikke kun involveret i glykolyse, men også i gluconeogenese, i syntesen af kulhydrater i planter osv..
Fructose 6-phosphat er et substrat for phosphofructokinase-enzymet, som er i stand til at genfosforylere dette molekyle ved hjælp af ATP som en phosphorylgruppedonor, der 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 gær er det en oktamer (sammensat af større underenheder, mellem 112 og 118 kDa).
Det er et allosterisk enzym, hvilket betyder, at det reguleres positivt eller negativt af nogle af dets produkter (ADP) og af andre molekyler såsom ATP og citrat..
Også kendt som fructose 1,6-bisphosphat aldolase, katalyserer aldolase den katalytiske nedbrydning af fructose 1,6-bisphosphat i dihydroxyacetonphosphat og glyceraldehyd 3-phosphat og den omvendte reaktion, det vil sige foreningen af begge sukkerarter til dannelsen af fruktose 1 6-bisphosphat.
Med andre ord skærer dette enzym fructosen 1,6-bisphosphat lige i halvdelen og frigiver to phosphorylerede C3-forbindelser. Aldolase består også af 4 identiske underenheder, hver med sit eget aktive sted..
Eksistensen 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 anden ) er i bakterier, protister og metazoans.
Den "højere" eukaryote aldolase består af en homotetramer med 40 kDa molekylvægt-underenheder, der hver består af en tønde sammensat af 8 β / a-ark..
De to fosforylerede trioser kan interkonverteres med hinanden takket være virkningen af triose-phosphat-isomerase, som gør det muligt for begge sukkerarter at blive brugt gennem glykolyse, hvilket sikrer fuld anvendelse af hvert glukosemolekyle, der kommer ind i vejen..
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. Dens aktive sted er i midten af en beta-tønde struktur, der er karakteristisk for mange glykolytiske enzymer..
Det er et dimerprotein, der består af to identiske underenheder på ca. 27 kDa, begge med en kugleformet struktur..
Glyceraldehyd-3-phosphat produceret ved virkning af aldolase og triophosphat-isomerase tjener som et substrat for GAPDH, som er et homotetramerisk enzym (34-38 kDa hver underenhed), der kooperativt binder til et NAD + -molekyle i hvert af dets 4 aktive steder såvel som 2 phosphat- eller sulfationer.
I dette trin på vejen tillader enzymet phosphorylering af et af dets substrater ved anvendelse af uorganisk phosphat som en phosphorylgruppedonor med samtidig reduktion af to NAD + -molekyler og produktion af 1,3-bisphosphoglycerat..
Phosphoglyceratkinase er ansvarlig for at overføre en af phosphatgrupperne i 1,3-bisphosphoglycerat til et ADP-molekyle ved phosphorylering på substratniveau. Dette enzym bruger en mekanisme svarende til den, der anvendes af hexokinase, da det lukker ved kontakt med dets substrater og beskytter dem mod interfererende vandmolekyler..
Dette enzym har ligesom andre, der bruger to eller flere substrater, et bindingssted for ADP og et andet for sukkerphosphat.
I modsætning til de andre beskrevne enzymer er dette protein en 44 kDa monomer med en bilarstruktur, der består af to domæner af samme størrelse forbundet med en smal "kløft".
3-phosphoglyceratet gennemgår en ændring fra phosphatgruppen mod carbon 2, midt i molekylet, hvilket repræsenterer et sted med strategisk ustabilitet, der letter den efterfølgende overførsel af gruppen til et ATP-molekyle i den sidste reaktion på vejen..
Denne omlejring katalyseres af enzymet phosphoglyceratmutase, et dimert enzym til mennesker og tetramert til gær, med en underenhedsstørrelse tæt på 27 kDa..
Enolase katalyserer dehydrering af 2-phosphoglycerat til phosphoenolpyruvat, et nødvendigt trin til dannelse af ATP i den efterfølgende reaktion.
Det er et dimert enzym bestående af to identiske 45 kDa underenheder. Det afhænger af magnesiumioner for dets stabilitet og for den konformationsændring, der er nødvendig for at binde til dets substrat. Det er et af de enzymer, der mest udtrykkes i cytosol i mange organismer og udfører funktioner ud over glykolytika..
Den anden phosphorylering på substratniveau, der forekommer i glykolyse, katalyseres af pyruvatkinase, som 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 (føtal væv og voksenvæv).
Den glykolytiske vej består af ti sekventielle trin og begynder med et molekyle glukose. Under processen "aktiveres" eller "forberedes" glucosemolekylet med tilsætning af to phosphater, inverterende to ATP-molekyler..
Senere "skæres" den i to fragmenter, og til sidst modificeres den kemisk et par gange, hvorved der syntetiseres fire ATP-molekyler undervejs, således at nettovinsten på ruten svarer til to ATP-molekyler..
Fra ovenstående kan det udledes, at ruten er opdelt i en "investerings" -fase, som er grundlæggende for den fuldstændige oxidation af glukosemolekylet, og en anden "forstærknings" -fase, hvor den anvendte energi oprindeligt erstattes og to netto ATP molekyler.
1- Det første trin i den glykolytiske vej består af phosphorylering af glucose medieret af hexokinase (HK), for hvilken enzymet bruger et molekyle ATP for hvert molekyle glucose, der er phosphoryleret. Det er en irreversibel reaktion og afhænger af tilstedeværelsen af magnesiumioner (Mg2 +):
Glucose + ATP → Glucose 6-phosphat + ADP
2- Det således producerede glucose 6-phosphat isomeriseres til fruktose 6-phosphat takket være enzymets phosphoglucose-isomerase (PGI) virkning. Dette er en reversibel reaktion og involverer ikke yderligere energiforbrug:
Glukose 6-fosfat → Fruktose 6-fosfat
3- Derefter involverer et andet energiinversionstrin phosphorylering af fruktose 6-phosphat til dannelse af fruktose 1,6-bisphosphat. Denne reaktion katalyseres af enzymet phosphofructokinase-1 (PFK-1). Som det første trin i vejen er phosphatgruppedonormolekylet ATP, og det er også en irreversibel reaktion.
Fruktose 6-phosphat + ATP → Fruktose 1,6-bisphosphat + ADP
4- I dette trin af glykolyse er der 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 af energiinversionsfasen består af interkonversionen af triophosphatet DHAP og GAP katalyseret af enzymet triose phosphate isomerase (TIM), en kendsgerning, der ikke kræver yderligere energiindtag og også er en reversibel proces.
Dihydroxyacetonphosphat ↔ Glyceraldehyd 3-phosphat
6- Glyceraldehyd 3-phosphat anvendes "nedstrøms" i den glycolytiske vej som et substrat til en oxidationsreaktion og en anden til phosphorylering, katalyseret af det samme enzym, glyceraldehyd 3-phosphatdehydrogenase (GAPDH)..
Enzymet katalyserer oxidationen af molekylets C1-kulstof til en carboxylsyre og dets phosphorylering i samme position og producerer 1,3-bisphosphoglycerat. Under reaktionen reduceres 2 NAD + -molekyler for hvert glukosemolekyle, og der anvendes 2 molekyler uorganisk phosphat..
2Gliceraldehyd 3-phosphat + 2NAD + + 2Pi → 2 (1,3-bisphosphoglycerat) + 2NADH + 2H
I aerobe organismer passerer hver NADH, der produceres på denne måde, gennem elektrontransportkæden for at tjene som et substrat til syntesen 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, der overfører en phosphorylgruppe (substratniveaufosforylering) fra dette molekyle til et ADP-molekyle, hvilket giver 2ATP og 2 molekyler 3-phosphoglycerat (3PG) for hvert molekyle glukose.
2 (1,3-bisphosphoglycerat) + 2ADP → 2 (3-phosphoglycerat) + 2ATP
8- 3-phosphoglyceratet tjener som et substrat for enzymet phosphoglyceratmutase (PGM), som omdanner det til 2-phosphoglycerat ved fortrængning 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-phosphoglycerat og producerer phosphoenolpyruvat (PEP) gennem en reaktion, der ikke kræver tilsætning af yderligere energi, og hvis formål er at producere en højenergiforbindelse, der er i stand til at donere sin phosphorylgruppe i den følgende reaktion.
2 (2-phosphoglycerat) → 2 Phosphoenolpyruvat
10- Phosphoenolpyruvat er et substrat for enzymet pyruvat kinase (PYK), som er ansvarlig for overførslen af phosphorylgruppen i dette molekyle til et ADP-molekyle, hvilket katalyserer en anden phosphoryleringsreaktion på substratniveau.
I reaktionen produceres 2ATP- og 2 pyruvatmolekyler for hver glucose, og tilstedeværelsen af kalium og magnesium i ionform er nødvendig..
2Phosphoenolpyruvat + 2ADP → 2Pyruvat + 2ATP
Nettoudbyttet af glykolyse består på denne måde af 2ATP og 2NAD + for hvert glukosemolekyle, der kommer ind i vejen..
Hvis det er celler med aerob stofskifte, producerer den totale nedbrydning af et glukosemolekyle mellem 30 og 32 ATP gennem Krebs-cyklussen og elektrontransportkæden.
Den generelle reaktion af glykolyse er som følger:
Glukose + 2NAD + + 2ADP + 2Pi → 2Pyruvat + 2ATP + 2NADH + 2H+
Derfor, hvis det analyseres kort, kunne det sikres, at de vigtigste produkter af den glykolytiske vej er pyruvat, ATP, NADH og H.
Den metaboliske skæbne for hvert reaktionsmellemprodukt afhænger imidlertid i vid udstrækning af cellulære behov, hvorfor alle mellemprodukter kan betragtes som reaktionsprodukter, og de kan anføres som følger:
- Glukose 6-fosfat
- Fruktose 6-fosfat
- Fruktose 1,6-bisphosphat
- Dihydroxyacetonphosphat og glyceraldehyd-3-phosphat
- 1,3-bisphosphoglycerat
- 3-phosphoglycerat og 2-phosphoglycerat
- Phosphoenolpyruvat og pyruvat
På trods af at glykolyse i sig selv (man kunne tale om anaerob glykolyse) kun producerer ca. 5% af ATP, der kan ekstraheres fra den aerobe katabolisme af glukose, er denne metaboliske vej vigtig af flere grunde:
- Det fungerer som en "hurtig" energikilde, især i situationer, hvor et dyr skal komme ud af en hviletilstand hurtigt, for hvilket de aerobe oxidationsprocesser ikke ville være hurtige nok.
- De "hvide" skeletmuskelfibre i den menneskelige krop er for eksempel hurtige trækfibre og afhænger af anaerob glykolyse for at fungere..
- Når en celle af en eller anden grund skal undvære nogle af dens mitokondrier (som blandt andet er organellerne, der udfører oxidativ fosforylering af en del af de glykolytiske produkter), bliver cellen mere afhængig af den energi, der opnås via glykolytisk.
- Mange celler er afhængige af glukose som en energikilde gennem den glykolytiske vej, blandt dem røde blodlegemer, mangler indre organeller og celler i øjet (især de i hornhinden), der ikke har en høj tæthed af mitokondrier.
Endnu ingen kommentarer