ГЛІКОЛІЗ: ФУНКЦІЇ, ФЕРМЕНТИ, ФАЗИ, ПРОДУКТИ, ЗНАЧЕННЯ - БІОЛОГІЯ - 2025

Гліколізу або гліколіз є основним шляхом катаболізму глюкози, кінцевою метою є генерувати енергію в в вигляді АТФ і зниження потужності в в вигляді NADH, з цього вуглеводу.

Цей шлях, повністю з'ясований у 1930-х роках Густав Емден та Отто Мейєрхоф під час вивчення споживання глюкози в скелетних м'язових клітинах, складається з повного окислення цього моносахариду і сам по собі являє собою анаеробний шлях для отримання енергії.

Молекулярна структура АТФ, одного з гліколітичних продуктів (Підсумок гліколітичного шляху (Джерело: Tekks в англійській Вікіпедії / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) через Wikimedia Commons) через Вікісховище)

Це один з основних метаболічних шляхів, оскільки він, за своїми відмінностями, відбувається у всіх живих організмах, які існують, одноклітинні або багатоклітинні, прокаріотичні або еукаріотичні, і, як вважається, це ланцюжок реакцій, що еволюційно високо зберігається в природі.

Насправді є деякі організми та типи клітин, які залежать виключно від цього шляху, щоб вижити.

У першу чергу гліколіз складається з окислення глюкози 6 атомами вуглецю до пірувату, який має три атоми вуглецю; при супутньому виробництві АТФ і НАДГ, корисних для клітин з метаболічної та синтетичної точки зору.

У клітинах, здатних до подальшої обробки продуктів, отриманих від катаболізму глюкози, гліколіз закінчується виробництвом вуглекислого газу та води через цикл Кребса та ланцюг транспорту електронів (аеробний гліколіз).

Десять ферментативних реакцій відбуваються в ході гліколітичного шляху, і хоча регуляція цих реакцій може дещо відрізнятися від видів до видів, регуляторні механізми також досить збережені.

Функції гліколізу

З метаболічної точки зору, глюкоза є одним з найважливіших вуглеводів для всього живого.

Це стабільна і дуже розчинна молекула, тому її можна відносно легко транспортувати по всьому тілу тварини чи рослини, звідки вона зберігається та / або отримується до місця, де це потрібно в якості клітинного палива.

Структура глюкози (Джерело: Oliva93 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) через Wikimedia Commons)

Хімічна енергія, що міститься в глюкозі, використовується живими клітинами за допомогою гліколізу, який складається з серії висококонтрольованих етапів, за допомогою яких енергія, що виділяється при окисленні цього вуглеводу, може бути «захоплена» у більш корисні форми енергії. , отже, його значення.

За допомогою цього маршруту отримують не тільки енергію (АТФ) та зменшувальну потужність (НАДГ), але він також забезпечує низку метаболічних посередників, що входять до складу інших шляхів, також важливих з анаболічного (біосинтетичного) та загальне функціонування клітин. Ось список:

- 6-фосфат глюкози для Пентозофосфатного шляху (PPP)

- Піруват для молочнокислого бродіння

- Піруват для синтезу амінокислот (в основному аланін)

- Піруват для циклу трикарбонових кислот

- Фруктоза 6-фосфат, 6-фосфат глюкози та дигідроксіацетонфосфат, які функціонують як "будівельні блоки" за іншими шляхами, такими як синтез глікогену, жирних кислот, тригліцеридів, нуклеотидів, амінокислот тощо.

Виробництво енергії

Кількість АТФ, виробленого гліколітичним шляхом, коли клітина, яка виробляє його, не може жити в аеробних умовах, достатня для забезпечення енергетичних потреб клітини, коли вона поєднується з різними типами процесів бродіння.

Однак, якщо мова йде про аеробних клітинах, то гліколіз також виступає як аварійне джерело енергії та слугує "підготовчим кроком" до реакцій окислювального фосфорилювання, що характеризують клітини з аеробним метаболізмом.

Ферменти, що беруть участь у гліколізі

Гліколіз можливий лише завдяки участі 10 ферментів, що каталізують реакції, що характеризують цей шлях. Багато з цих ферментів є аллостеричними і змінюють форму або конформацію, коли вони здійснюють свої каталітичні функції.

Є ферменти, які розривають і утворюють ковалентні зв’язки між їх субстратами, є й інші, яким необхідні конкретні кофактори для виконання своїх функцій, в основному іони металів.

Структурно кажучи, всі гліколітичні ферменти мають центр, що складається, по суті, з паралельних β- листів, оточених α-спіралями і розташованих у більш ніж одній області. Крім того, ці ферменти характеризуються тим, що їх активні сайти зазвичай знаходяться на місцях зв'язування між доменами.

Важливо також зазначити, що основна регуляція шляху проходить через контроль (гормональні або метаболіти) ферментів, таких як гексокіназа, фосфофруктокіназа, гліцеральдегід 3-фосфатдегідрогеназа та піруваткіназа.

Основні моменти регуляції гліколітичного шляху (Джерело: Gregor 0492 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) через Wikimedia Commons)

1- Гексокіназа (HK)

Перша реакція гліколізу (фосфорилювання глюкози) каталізується гексокіназою (HK), механізм дії якої складається з субстрату, «індукованого підтягуванням», який сприяє «замиканню» ферменту навколо АТФ і глюкози (її субстратів), як тільки вона зв'язалася з ними.

Залежно від організму, який розглядається, може бути один або декілька ізоферментів, молекулярна маса яких становить від 50 (приблизно 500 амінокислот) до 100 кДа, оскільки вони, як видається, групуються у формі димерів, утворення яких сприяє наявності глюкози, іонів магнію та АТФ.

Гексокіназа має третинну структуру, що складається з відкритих альфа- та бета-листів, хоча у цих ферментів існує багато структурних відмінностей.

2-фосфоглюкоза ізомераза (PGI)

Фосфорильована глюкозою гексокіназа ізомеризується до 6-фосфату фруктози через фосфоглюкозну ізомеразу (PGI), також відому як 6-фосфатна ізомераза глюкози. Фермент, таким чином, не видаляє і не додає атоми, а переставляє їх на структурному рівні.

Це активний фермент в його димерній формі (мономер важить більше або менше 66 кДа) і бере участь не тільки в гліколізі, але і в глюконеогенезі, в синтезі вуглеводів у рослинах тощо.

3- Фосфофруктокіназа (PFK)

Фруктоза 6-фосфат є субстратом для ферменту фосфофруктокінази, який здатний повторно фосфорилювати цю молекулу, використовуючи АТФ як донора фосфорильної групи, продукуючи 1,6-бісфосфат фруктози.

Цей фермент існує у бактерій та ссавців як гомотетрамерний фермент (складається з чотирьох однакових субодиниць по 33 кДа кожна для бактерій та 85 кДа кожна у ссавців), а в дріжджах - октамер (складається з більших субодиниць, між 112 і 118 кДа).

Це аллостеричний фермент, який означає, що він позитивно чи негативно регулюється деякими його продуктами (АДФ) та іншими молекулами, такими як АТФ та цитрат.

4- Альдоласа

Також відомий як фруктоза 1,6-бісфосфат альдолаза, альдолаза каталізує каталітичний розпад 1,6-бісфосфату фруктози на дигідроксіацетонфосфат та 3-фосфат гліцеральдегіду та зворотну реакцію, тобто об'єднання обох цукрів для утворення фруктоза 1,6-бісфосфат.

Іншими словами, цей фермент розрізає 1,6-бісфосфат фруктози прямо навпіл, вивільняючи два фосфорильовані 3-вуглецеві сполуки. Альдолаза також складається з 4 однакових субодиниць, кожна з яких має власний активний сайт.

Визначено існування двох класів (I і II) цього ферменту, які диференціюються за механізмом реакції, яку вони каталізують, і тому, що одні (перші) зустрічаються у бактерій і "нижчих" еукаріотів, а інші ( по-друге) знаходяться в бактеріях, протистах та метазоях.

"Вища" еукаріотична альдолаза складається з гомотетрамеру субодиниць молекулярної маси 40 кДа, кожна складається з бочки, складеної з 8 β / α листів.

5- Тріоза фосфатна ізомераза (TIM)

Дві фосфорильовані триози можуть бути взаємоперетворені між собою завдяки дії триозо-фосфатної ізомерази, яка дозволяє використовувати обидва цукру під час гліколізу, забезпечуючи повне використання кожної молекули глюкози, яка потрапляє на шлях.

Цей фермент був описаний як "ідеальний" фермент, оскільки він каталізує описану реакцію приблизно в трильйон разів швидше, ніж це відбудеться без вашої участі. Активний сайт знаходиться в центрі бета-стволової структури, характерної для багатьох гліколітичних ферментів.

Це димерний білок, що складається з двох однакових субодиниць приблизно 27 кДа, обидві з кульовою структурою.

6- 3-фосфатдегідрогеназа гліцеральдегіду (GAPDH)

3-фосфат гліцеральдегіду, що утворюється під дією альдолази та триози фосфатної ізомерази, служить субстратом для GAPDH, який є гомотетрамерним ферментом (34-38 кДа кожна субодиниця), який спільно зв'язується з молекулою NAD + у кожній з 4-х його активних сайтів, а також 2 фосфатні або сульфатні іони.

На цьому етапі шляху фермент дозволяє фосфорилювання одного з його субстратів, використовуючи неорганічний фосфат як донор фосфорильної групи, при одночасному зменшенні двох молекул NAD + та виробленні 1,3-бісфосфогліцерату.

7- фосфогліцерат кіназа (PGK)

Фосфогліцерат кіназа відповідає за перенесення однієї з фосфатних груп 1,3-бісфосфогліцерату в молекулу АДФ шляхом фосфорилювання на рівні субстрату. Цей фермент використовує механізм, подібний до використовуваного гексокінази, оскільки він замикається при контакті на своїх субстратах, захищаючи їх від перешкоджання молекулам води.

Цей фермент, як і інші, які використовують два або більше субстратів, має місце зв'язування АДФ та інший для фосфату цукру.

На відміну від інших описаних ферментів, цей білок є мономером 44 кДа з білобальною структурою, що складається з двох доменів однакового розміру, з'єднаних вузькою «щілиною».

8- Фосфогліцерат мутази

3-фосфогліцерат зазнає зміни фосфатної групи в бік вуглецю 2 в середині молекули, що являє собою стратегічне місце нестабільності, що полегшує подальший перехід групи до молекули АТФ в останній реакції шляху.

Ця перебудова каталізується ферментом фосфогліцерат мутазою, димерним ферментом для людини та тетрамерним дріжджами, розмір субодиниці близький до 27 кДа.

9- Енолаза

Енолаза каталізує дегідратацію 2-фосфогліцерату до фосфоенолпірувату, необхідний етап для генерації АТФ в наступній реакції.

Це димерний фермент, що складається з двох однакових субодиниць 45 кДа. Від іонів магнію це залежить від його стійкості та конформаційних змін, необхідних для прив'язки до його субстрату. Це один з ферментів, який найчастіше експресується в цитозолі багатьох організмів і виконує функції крім гліколітичних.

10- Піруваткіназа

Друге фосфорилювання на рівні субстрату, яке відбувається при гліколізі, каталізується піруваткіназою, яка відповідає за перенесення фосфорильної групи з фосфоенолпірувату в АДФ та за виробництво пірувату.

Цей фермент є більш складним, ніж будь-який з інших гліколітичних ферментів, а у ссавців - гомотетрамерний фермент (57 кДа / субодиниця). У хребетних принаймні 4 ізоферменти: L (у печінці), R (в еритроцитах), M1 (у м’язах та мозку) та M2 (тканини плода та тканини дорослих).

Фази гліколізу (поетапно)

Гліколітичний шлях складається з десяти послідовних етапів і починається з однієї молекули глюкози. Під час процесу молекула глюкози "активується" або "готується" з додаванням двох фосфатів, обертаючи дві молекули АТФ.

Згодом він "розрізається" на два фрагменти і, нарешті, він хімічно модифікується пару разів, синтезуючи по шляху чотири молекули АТФ, так що чистий приріст у маршруті відповідає двом молекулам АТФ.

З вищезазначеного можна зробити висновок, що маршрут поділяється на енергетичну "інвестиційну" фазу, фундаментальну для повного окислення молекули глюкози, та іншу фазу "посилення енергії", де спочатку використовується енергія, яка замінюється, і отримується дві. чисті молекули АТФ.

- Енергетична інвестиційна фаза

1- Перший етап гліколітичного шляху складається з фосфорилювання глюкози, опосередкованої гексокіназою (HK), для якого фермент використовує одну молекулу АТФ для кожної молекули глюкози, яка фосфорилюється. Це незворотна реакція і залежить від наявності іонів магнію (Mg2 +):

Глюкоза + АТФ → 6-фосфат глюкози + АДФ

2- Утворений таким чином 6-фосфат глюкози ізомеризується до 6-фосфату фруктози завдяки дії ферменту фосфоглюкоза ізомераза (PGI). Це зворотна реакція і не передбачає додаткових витрат енергії:

6-фосфат глюкози → 6-фосфат фруктози

3- Згодом, інший етап інверсії енергії включає фосфорилювання 6-фосфату фруктози з утворенням 1,6-бісфосфату фруктози. Ця реакція каталізується ферментом фосфофруктокіназа-1 (PFK-1). Як і перший крок на шляху, молекулою донора фосфатної групи є АТФ, і це також незворотна реакція.

Фруктоза 6-фосфат + АТФ → Фруктоза 1,6-бісфосфат + АДФ

4- На цій стадії гліколізу відбувається каталітичний розпад 1,6-бісфосфату фруктози на дигідроксіацетонфосфат (DHAP), кетоз та 3-фосфат гліцеральдегіду (GAP), альдоза. Ця альдолова конденсація каталізується ферментом альдолазою і є оборотним процесом.

Фруктоза 1,6-бісфосфат → Дигідроксіацетонфосфат + 3-фосфат гліцеральдегіду

5- Остання реакція фази інверсії енергії складається з взаємоперетворення триозного фосфату DHAP і GAP, каталізованого ферментом триоза-фосфатною ізомеразою (TIM), що не потребує додаткового споживання енергії, а також є оборотним процесом.

Дигідроксіацетонфосфат ↔ 3-фосфат гліцеральдегіду

- Фаза приросту енергії

6- 3-фосфат гліцеральдегіду використовується "низхідним шляхом" по гліколітичному шляху як субстрат для реакції окислення та реакції фосфорилювання, каталізується тим же ферментом, гліцеральдегід 3-фосфатдегідрогеназа (GAPDH).

Фермент каталізує окислення вуглецю C1 молекули до карбонової кислоти та його фосфорилювання в тому самому положенні, утворюючи 1,3-бісфосфогліцерат. В ході реакції по 2 молекули НАД + зменшуються для кожної молекули глюкози і використовуються 2 молекули неорганічного фосфату.

2-фосфат гліцеральдегіду + 2NAD + + 2Pi → 2 (1,3-бісфосфогліцерат) + 2NADH + 2H

В аеробних організмах кожен НАДГ, що утворюється таким чином, проходить через електронно-транспортний ланцюг, щоб служити субстратом для синтезу 6 молекул АТФ шляхом окисного фосфорилювання.

7- Це перший етап синтезу АТФ у гліколізі та передбачає дію фосфогліцераткінази (PGK) на 1,3-бісфосфогліцерат, переносячи фосфорильну групу (фосфорилювання на рівні субстрату) з цієї молекули в молекулу ADP, даючи 2ATP і 2 молекули 3-фосфогліцерату (3PG) для кожної молекули глюкози.

2 (1,3-бісфосфогліцерат) + 2ADP → 2 (3-фосфогліцерат) + 2ATP

8- 3-фосфогліцерат служить субстратом для ферменту мутази фосфогліцерату (PGM), який перетворює її у 2-фосфогліцерат шляхом витіснення фосфорильної групи з вуглецю 3 в вуглець 2 шляхом двоступеневої реакції, яка є оборотною і залежить від іони магнію (Mg + 2).

2 (3-фосфогліцерат) → 2 (2-фосфогліцерат)

9- Фермент енолази зневоднює 2-фосфогліцерат і утворює фосфоенолпіруват (PEP) шляхом реакції, яка не гарантує додавання додаткової енергії та метою якої є отримання високоенергетичного з'єднання, здатного подавати його фосфорильну групу в наступному реакція.

2 (2-фосфогліцерат) → 2 Фосфоенолпіруват

10- Фосфоенолпіруват - субстрат для ферменту піруваткінази (PYK), який відповідає за перенесення фосфорильної групи в цій молекулі до молекули АДФ, каталізуючи таким чином іншу реакцію фосфорилювання на рівні субстрату.

В реакції виробляються молекули 2ATP і 2 пірувату для кожної глюкози і необхідна наявність калію і магнію в іонній формі.

2Фосфоенолпіруват + 2ADP → 2Pyruvate + 2ATP

Чистий вихід гліколізу таким чином складається з 2ATP і 2NAD + для кожної молекули глюкози, яка потрапляє на шлях.

Якщо це клітини з аеробним метаболізмом, то загальна деградація молекули глюкози виробляє від 30 до 32 АТФ через цикл Кребса та транспортний ланцюг електронів.

Продукти гліколізу

Загальна реакція гліколізу така:

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

Тому, якщо її коротко проаналізувати, можна було б переконатися, що основними продуктами гліколітичного шляху є піруват, АТФ, НАДН та Н.

Однак метаболічна доля кожного посередника реакції значною мірою залежить від клітинних потреб, саме тому всі проміжні продукти можна вважати продуктами реакції, і їх можна перерахувати наступним чином:

- 6-фосфат глюкози

- фруктоза 6-фосфат

- Фруктоза 1,6-бісфосфат

- Дигідроксіацетонфосфат та 3-фосфат гліцеральдегіду

- 1,3-бісфосфогліцерат

- 3-фосфогліцерат та 2-фосфогліцерат

- Фосфоенолпіруват і піруват

Важливість

Незважаючи на те, що гліколіз сам по собі (можна було б говорити про анаеробний гліколіз) виробляє лише близько 5% АТФ, які можна витягти з аеробного катаболізму глюкози, цей метаболічний шлях є важливим з кількох причин:

- Він служить "швидким" джерелом енергії, особливо в ситуаціях, коли тварині доводиться швидко виходити зі стану спокою, для якого процеси аеробного окислення були б недостатньо швидкими.

- "білі" скелетні м'язові волокна в людському організмі, наприклад, є волокнами швидкого посмикування і залежать від анаеробного гліколізу.

- Коли клітині чомусь потрібно обійтися без деяких мітохондрій (це органели, які здійснюють окисне фосфорилювання частини гліколітичних продуктів, крім іншого), клітина стає більш залежною від енергії, отриманої гліколітичний шлях.

- Багато клітин залежать від глюкози як джерела енергії за допомогою гліколітиків, серед них еритроцити , у яких відсутні внутрішні органели, і клітини очей (зокрема, рогівки), які не мають високої щільності мітохондрій.

Список літератури

1. Canback, B., Andersson, SGE, & Kurland, CG (2002). Глобальна філогенія гліколітичних ферментів. Праці Національної академії наук, 99 (9), 6097-6102.
2. Чаддрі Р, Варакалло М. Біохімія, гліколіз. . В: StatPearls. Острів скарбів (Флоріда): видавництво StatPearls; 2020 січ. Доступно з: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK482303/
3. Фотергілл-Гілмор, Лос-Анджелес, Міхельс, штат Пенсільванія (1993). Еволюція гліколізу. Прогрес у біофізиці та молекулярній біології, 59 (2), 105-235.
4. Kim, JW, & Dang, CV (2005). Багатогранні ролі гліколітичних ферментів. Тенденції біохімічних наук, 30 (3), 142-150.
5. Кумарі, А. (2017). Солодка біохімія: запам'ятовування структур, циклів і шляхів за допомогою мнемоніки. Академічна преса.
6. Li, XB, Gu, JD, & Zhou, QH (2015). Огляд аеробного гліколізу та його ключових ферментів - нові цілі терапії раку легенів. Рак грудної клітки, 6 (1), 17-24.