De glykolyse eller glykolyse er hovedveien for glukosekatabolisme, hvis endelige mål er å skaffe energi i form av ATP og redusere kraften i form av NADH, fra dette karbohydratet.
Denne ruten, fullstendig belyst på 1930-tallet av Gustav Embden og Otto Meyerhof mens han studerte forbruket av glukose i skjelettmuskulære celler, består av fullstendig oksidasjon av dette monosakkaridet og representerer i seg selv en anaerob vei for glukose..
Det er en av de viktigste metabolske rutene, siden det forekommer, med forskjeller, i alle levende organismer som eksisterer, encellede eller flercellede, prokaryote eller eukaryote, og det antas å være en kjede av reaksjoner som er evolusjonært svært konserverte i naturen..
Faktisk er det noen organismer og celletyper som avhenger utelukkende av denne ruten for å overleve..
I første omgang består glykolyse av oksidasjon av glukose, av 6 karbonatomer, til pyruvat, som har tre karbonatomer; med samtidig produksjon av ATP og NADH, nyttig for celler fra metabolsk og syntetisk synspunkt.
I celler som er i stand til å viderebehandle produktene som oppnås ved glukosekatabolisme, slutter glykolyse med produksjon av karbondioksid og vann gjennom Krebs-syklusen og elektrontransportkjeden (aerob glykolyse)..
Ti enzymatiske reaksjoner finner sted i løpet av den glykolytiske banen, og selv om reguleringen av disse reaksjonene kan være noe forskjellig fra en art til en annen, er reguleringsmekanismene også ganske bevart..
Artikkelindeks
Fra et metabolsk synspunkt er glukose et av de viktigste karbohydratene for alle levende vesener.
Det er et stabilt og veldig løselig molekyl, så det kan transporteres med relativt letthet gjennom hele kroppen til et dyr eller en plante, hvorfra det lagres og / eller fås til der det er behov for det som mobilbrensel..
Den kjemiske energien i glukose blir utnyttet av levende celler gjennom glykolyse, som består av en rekke høyt kontrollerte trinn der energien som frigjøres fra oksydasjonen av dette karbohydratet kan "fanges" inn i mer brukbare energiformer..
Gjennom denne ruten oppnås ikke bare energi (ATP) og reduserende kraft (NADH), men det gir også en rekke metabolske mellomprodukter som er en del av andre ruter, også viktige fra den anabole (biosyntetiske) og generelle cellulære funksjonen. Her er en liste:
- Glukose 6-fosfat for pentosefosfatveien (PPP) Pentosefosfatvei)
- Pyruvat for melkegjæring
- Pyruvat for syntese av aminosyrer (hovedsakelig alanin)
- Pyruvat for trikarboksylsyresyklusen
- Fruktose 6-fosfat, glukose 6-fosfat og dihydroksyaceton fosfat, som fungerer som "byggesteiner" i andre veier som syntesen av glykogen, fettsyrer, triglyserider, nukleotider, aminosyrer, etc..
Mengden ATP produsert av glykolytisk vei, når cellen som produserer den ikke kan leve under aerobe forhold, er tilstrekkelig til å tilføre energibehovet til en celle når den er koblet til forskjellige typer gjæringsprosesser.
Men når det gjelder aerobe celler, fungerer glykolyse også som en nødkilde og fungerer som et "forberedende trinn" før de oksidative fosforyleringsreaksjonene som karakteriserer celler med aerob metabolisme..
Glykolyse er bare mulig takket være deltakelse av de 10 enzymene som katalyserer reaksjonene som kjennetegner denne veien. Mange av disse enzymene er allosteriske og endrer form eller konformasjon når de utøver sine katalytiske funksjoner..
Det er enzymer som bryter og danner kovalente bindinger mellom substratene, og det er andre som krever spesifikke kofaktorer for å utføre sine funksjoner, hovedsakelig metallioner..
Strukturelt sett har alle glykolytiske enzymer et hovedsakelig laminert senter. β parallell omgitt av α helices og bestilt i mer enn ett domene. Videre er disse enzymene karakterisert ved at deres aktive steder vanligvis er på bindingsstedene mellom domenene..
Det er også viktig å merke seg at hovedreguleringen av ruten går gjennom kontrollen (hormonelle eller metabolitter) av enzymer som heksokinase, fosfofruktokinase, glyceraldehyd 3-fosfatdehydrogenase og pyruvatkinase..
Den første glykolysereaksjonen (glukosefosforylering) katalyseres av heksokinase (HK), hvis virkningsmekanisme ser ut til å bestå av et substrat "indusert innstramming" som fremmer enzymet "lock-in" rundt ATP og av glukose (dets substrater) når det har bundet til disse.
Avhengig av organismen som vurderes, kan det være en eller flere isoenzymer, hvis molekylvekt varierer mellom 50 (rundt 500 aminosyrer) og 100 kDa, da de ser ut til å gruppere seg i form av dimerer, hvis dannelse er favorisert av tilstedeværelse av glukose, magnesiumioner og ATP.
Hexokinase har en tertiær struktur sammensatt av åpne alfa- og beta-ark, selv om det er mange strukturelle forskjeller i disse enzymene.
Glukose fosforyleres av heksokinase isomeriseres til fruktose 6-fosfat via fosfoglukose isomerase (PGI), også kjent som glukose 6-fosfat isomerase. Enzymet fjerner eller tilfører ikke atomer, men omorganiserer dem på strukturnivå.
Dette er et aktivt enzym i sin dimere form (monomeren veier mer eller mindre 66 kDa) og er ikke bare involvert i glykolyse, men også i glukoneogenese, i syntesen av karbohydrater i planter, etc..
Fruktose 6-fosfat er et substrat for fosfofruktokinaseenzymet, som er i stand til å fosforylere dette molekylet ved hjelp av ATP som en fosforylgruppedonor, og produsere fruktose 1,6-bisfosfat.
Dette enzymet finnes i bakterier og pattedyr som et homotetramerisk enzym (sammensatt av fire identiske underenheter på 33 kDa hver for bakterier og 85 kDa hver i pattedyr) og i gjær er det en oktamer (sammensatt av større underenheter, mellom 112 og 118 kDa).
Det er et allosterisk enzym, som betyr at det reguleres positivt eller negativt av noen av dets produkter (ADP) og av andre molekyler som ATP og sitrat..
Også kjent som fruktose 1,6-bisfosfat aldolase, katalyserer aldolase den katalytiske nedbrytningen av fruktose 1,6-bisfosfat i dihydroksyacetonfosfat og glyseraldehyd 3-fosfat og omvendt reaksjon, det vil si foreningen av begge sukkerarter for dannelsen av fruktose 1 6-bisfosfat.
Med andre ord kutter dette enzymet fruktosen 1,6-bisfosfat rett i to, og frigjør to fosforylerte C3-forbindelser. Aldolase består også av 4 identiske underenheter, hver med sitt eget aktive sted..
Eksistensen av to klasser (I og II) av dette enzymet er bestemt, som er differensiert av reaksjonsmekanismen de katalyserer, og fordi noen (den første) forekommer i bakterier og "lavere" eukaryoter, og de andre (den andre ) er i bakterier, protister og metazoans.
Den "høyere" eukaryote aldolasen består av en homotetramer med 40 kDa molekylvekt-underenheter, som hver består av et fat sammensatt av 8 β / α-ark..
De to fosforylerte trioene kan konverteres med hverandre takket være virkningen av triose-fosfatisomerase, som gjør at begge sukkerarter kan brukes gjennom glykolyse, og sikrer full bruk av hvert glukosemolekyl som kommer inn i banen..
Dette enzymet er blitt beskrevet som det "perfekte" enzymet, ettersom det katalyserer den beskrevne reaksjonen omtrent en billion ganger raskere enn den ville oppstå uten at du deltok. Dens aktive sted er i sentrum av en beta-fatstruktur, karakteristisk for mange glykolytiske enzymer..
Det er et dimerprotein, som består av to identiske underenheter på ca. 27 kDa, begge med en kuleformet struktur..
Glyseraldehyd-3-fosfat produsert ved virkning av aldolase og triose fosfatisomerase tjener som et substrat for GAPDH, som er et homotetramerisk enzym (34-38 kDa hver underenhet) som kooperativt binder til et molekyl av NAD + i hvert av sine 4 aktive steder , så vel som 2 fosfat- eller sulfationer.
I dette trinnet av banen tillater enzymet fosforylering av et av substratene ved bruk av uorganisk fosfat som fosforylgruppedonor, med samtidig reduksjon av to NAD + -molekyler og produksjon av 1,3-bisfosfoglyserat..
Fosfoglyseratkinase er ansvarlig for å overføre en av fosfatgruppene av 1,3-bisfosfoglyserat til et ADP-molekyl ved fosforylering på substratnivå. Dette enzymet bruker en mekanisme som ligner på den som brukes av heksokinase, siden den lukkes ved kontakt med substratene, og beskytter dem mot forstyrrende vannmolekyler..
Dette enzymet, som andre som bruker to eller flere substrater, har et bindingssted for ADP og et annet for sukkerfosfat.
I motsetning til de andre enzymene som er beskrevet, er dette proteinet en 44 kDa monomer med en bilarstruktur, sammensatt av to domener av samme størrelse forbundet med en smal "kløft".
3-fosfoglyseratet gjennomgår en endring fra fosfatgruppen mot karbon 2, midt i molekylet, som representerer et sted med strategisk ustabilitet som letter den påfølgende overføringen av gruppen til et ATP-molekyl i den siste reaksjonen på banen..
Denne omorganiseringen katalyseres av enzymet fosfoglyseratmutase, et dimerisk enzym for mennesker og tetramert for gjær, med en underenhetsstørrelse nær 27 kDa..
Enolase katalyserer dehydrering av 2-fosfoglyserat til fosfoenolpyruvat, et nødvendig trinn for generering av ATP i den påfølgende reaksjonen.
Det er et dimerisk enzym som består av to identiske 45 kDa underenheter. Det avhenger av magnesiumioner for stabilitet og for den konformasjonsendring som er nødvendig for å binde seg til substratet. Det er et av de enzymene som er mest uttrykt i cytosolen til mange organismer og utfører funksjoner i tillegg til glykolytika..
Den andre fosforylering på substratnivå som oppstår i glykolyse katalyseres av pyruvatkinase, som er ansvarlig for overføringen av fosforylgruppen fra fosfoenolpyruvat til ADP og for produksjonen av pyruvat..
Dette enzymet er mer komplekst enn noen av de andre glykolytiske enzymene, og hos pattedyr er det et homotetramerisk enzym (57 kDa / underenhet). I vertebrater er det minst 4 isoenzymer: L (i leveren), R (i erytrocytter), M1 (i muskler og hjerne) og M2 (fostervev og voksen vev).
Den glykolytiske banen består av ti sekvensielle trinn og begynner med ett molekyl glukose. Under prosessen "aktiveres" eller "forberedes" glukosemolekylet med tilsetning av to fosfater, og inverterer to ATP-molekyler..
Senere blir den "kuttet" i to fragmenter, og til slutt blir den kjemisk modifisert et par ganger, og syntetiserer fire ATP-molekyler underveis, slik at nettovinsten på ruten tilsvarer to ATP-molekyler..
Fra ovennevnte kan det utledes at ruten er delt inn i en energi "investerings" fase, grunnleggende for fullstendig oksidasjon av glukosemolekylet, og en annen energi "gevinst" fase, hvor energien som ble brukt først ble erstattet og to netto ATP molekyler.
1 - Det første trinnet i glykolytisk vei består av fosforylering av glukose formidlet av heksokinase (HK), som enzymet bruker ett ATP-molekyl for hvert glukosemolekyl som fosforyleres. Det er en irreversibel reaksjon og avhenger av tilstedeværelsen av magnesiumioner (Mg2 +):
Glukose + ATP → Glukose 6-fosfat + ADP
2- Den således produserte glukose-6-fosfat isomeriseres til fruktose 6-fosfat takket være virkningen av enzymet fosfoglukose-isomerase (PGI). Dette er en reversibel reaksjon og involverer ikke ekstra energiforbruk:
Glukose 6-fosfat → Fruktose 6-fosfat
3- Deretter involverer et annet energiinversjonstrinn fosforylering av fruktose 6-fosfat for å danne fruktose 1,6-bisfosfat. Denne reaksjonen katalyseres av enzymet fosfofruktokinase-1 (PFK-1). Som det første trinnet i banen er fosfatgruppedonormolekylet ATP, og det er også en irreversibel reaksjon.
Fruktose 6-fosfat + ATP → Fruktose 1,6-bisfosfat + ADP
4- I dette glykolysetrinnet er det katalytisk nedbrytning av fruktose-1,6-bisfosfat i dihydroksyacetonfosfat (DHAP), en ketose og glyseraldehyd-3-fosfat (GAP), en aldose. Denne aldolkondensasjonen katalyseres av enzymet aldolase og er en reversibel prosess..
Fruktose 1,6-bisfosfat → Dihydroksyacetonfosfat + glyseraldehyd 3-fosfat
5- Den siste reaksjonen av energiinversjonsfasen består av interkonvertering av triose fosfat DHAP og GAP katalysert av enzymet triose phosphate isomerase (TIM), et faktum som ikke krever ekstra energiinntak og er også en reversibel prosess.
Dihydroksyacetonfosfat ly Glyseraldehyd 3-fosfat
6- Glyseraldehyd 3-fosfat brukes "nedstrøms" i glykolytisk vei som substrat for en oksidasjonsreaksjon og en annen for fosforylering, katalysert av det samme enzymet, glyseraldehyd 3-fosfatdehydrogenase (GAPDH)..
Enzymet katalyserer oksydasjonen av molekylets C1-karbon til en karboksylsyre og dens fosforylering i samme stilling, og produserer 1,3-bisfosfoglyserat. Under reaksjonen reduseres 2 molekyler NAD + for hvert molekyl glukose, og 2 molekyler uorganisk fosfat brukes..
2Glikeraldehyd 3-fosfat + 2NAD + + 2Pi → 2 (1,3-bisfosfoglyserat) + 2NADH + 2H
I aerobe organismer passerer hver NADH produsert på denne måten gjennom elektrontransportkjeden for å tjene som et substrat for syntesen av 6 ATP-molekyler ved oksidativ fosforylering..
7- Dette er det første ATP-syntesetrinnet i glykolyse og involverer virkningen av fosfoglyseratkinase (PGK) på 1,3-bisfosfoglyserat, og overfører en fosforylgruppe (substratnivåfosforylering) fra dette molekylet til et ADP-molekyl, og gir 2ATP og 2 molekyler 3-fosfoglyserat (3PG) for hvert molekyl glukose.
2 (1,3-bisfosfoglyserat) + 2ADP → 2 (3-fosfoglyserat) + 2ATP
8- 3-fosfoglyseratet fungerer som et substrat for enzymet fosfoglyseratmutase (PGM), som omdanner det til 2-fosfoglyserat ved forskyvning av fosforylgruppen fra karbon 3 til karbon 2 gjennom en totrinnsreaksjon som er reversibel og avhengig av magnesiumioner (Mg + 2).
2 (3-fosfoglyserat) → 2 (2-fosfoglyserat)
9- Enolaseenzymet dehydrerer 2-fosfoglyserat og produserer fosfoenolpyruvat (PEP) gjennom en reaksjon som ikke krever tilsetning av ekstra energi, og hvis formål er å produsere en høyenergiforbindelse som er i stand til å donere fosforylgruppen i følgende reaksjon.
2 (2-fosfoglyserat) → 2 fosfoenolpyruvat
10- Fosfoenolpyruvat er et substrat for enzymet pyruvatkinase (PYK), som er ansvarlig for overføring av fosforylgruppen i dette molekylet til et ADP-molekyl, og katalyserer dermed en annen fosforyleringsreaksjon på substratnivå.
I reaksjonen produseres 2ATP og 2 pyruvatmolekyler for hver glukose, og tilstedeværelsen av kalium og magnesium i ionisk form er nødvendig..
2Fosfoenolpyruvat + 2ADP → 2Pyruvat + 2ATP
Nettoutbyttet av glykolyse består på denne måten av 2ATP og 2NAD + for hvert glukosemolekyl som kommer inn i banen..
Hvis det er celler med aerob metabolisme, produserer den totale nedbrytningen av et glukosemolekyl mellom 30 og 32 ATP gjennom Krebs-syklusen og elektrontransportkjeden..
Den generelle reaksjonen av glykolyse er som følger:
Glukose + 2NAD + + 2ADP + 2Pi → 2Pyruvat + 2ATP + 2NADH + 2H+
Derfor, hvis det analyseres kort, kan det sikres at hovedproduktene i glykolytisk vei er pyruvat, ATP, NADH og H.
Den metabolske skjebnen til hvert reaksjonsmellomprodukt avhenger imidlertid i stor grad av mobilbehov, og det er grunnen til at alle mellomprodukter kan betraktes som reaksjonsprodukter, og de kan listes opp som følger:
- Glukose 6-fosfat
- Fruktose 6-fosfat
- Fruktose 1,6-bisfosfat
- Dihydroxyacetone fosfat og glyseraldehyd 3-fosfat
- 1,3-bisfosfoglyserat
- 3-fosfoglyserat og 2-fosfoglyserat
- Fosfoenolpyruvat og pyruvat
Til tross for at glykolyse i seg selv (man kan snakke om anaerob glykolyse) bare produserer omtrent 5% av ATP som kan ekstraheres fra den aerobe katabolismen av glukose, er denne metabolske veien viktig av flere grunner:
- Den tjener som en "rask" energikilde, spesielt i situasjoner der et dyr må komme ut av en hviletilstand raskt, for hvilke de aerobe oksidasjonsprosessene ikke ville være raske nok.
- De "hvite" skjelettmuskelfibrene i menneskekroppen er for eksempel hurtige trekkfibre og er avhengige av anaerob glykolyse for å fungere..
- Når en celle av en eller annen grunn må klare seg uten noe av mitokondriene (som er organellene som blant annet utfører oksidativ fosforylering av en del av de glykolytiske produktene) blir cellen mer avhengig av energien som oppnås via glykolytisk.
- Mange celler er avhengige av glukose som en energikilde gjennom glykolytisk vei, blant dem røde blodceller, mangler indre organeller og øyeceller (spesielt de i hornhinnen) som ikke har høy tetthet av mitokondrier.
Ingen har kommentert denne artikkelen ennå.