ГЛИКОЛИЗ: ФУНКЦИИ, ФЕРМЕНТЫ, ФАЗЫ, ПРОДУКТЫ, ЗНАЧЕНИЕ - БИОЛОГИЯ - 2025

Гликолиза или гликолиз является основным путем катаболизма глюкозы, конечной целью является генерировать энергию в в виде АТФ и снижение мощности в в виде NADH, из этого углевода.

Этот путь, полностью выясненный в 1930-х годах Густавом Эмбденом и Отто Мейерхоф при изучении потребления глюкозы клетками скелетных мышц, состоит из полного окисления этого моносахарида и, сам по себе, представляет собой анаэробный путь для получение энергии.

Молекулярная структура АТФ, одного из гликолитических продуктов (Краткое изложение гликолитического пути (Источник: Tekks на англ. Wikipedia / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) через Wikimedia Commons) через Wikimedia Commons)

Это один из основных метаболических путей, поскольку он, со своими отличиями, встречается во всех существующих живых организмах, одноклеточных или многоклеточных, прокариотических или эукариотических, и считается, что это цепочка реакций, которая эволюционно высоко консервативна в природе.

Фактически, есть некоторые организмы и типы клеток, выживание которых зависит исключительно от этого пути.

В первом случае гликолиз состоит из окисления глюкозы с 6 атомами углерода до пирувата, который имеет 3 атома углерода; с сопутствующей выработкой АТФ и НАДН, полезных для клеток с метаболической и синтетической точки зрения.

В клетках, способных к дальнейшей переработке продуктов, полученных в результате катаболизма глюкозы, гликолиз заканчивается образованием диоксида углерода и воды через цикл Кребса и цепь переноса электронов (аэробный гликолиз).

В ходе гликолитического пути происходят десять ферментативных реакций, и хотя регуляция этих реакций может несколько отличаться от вида к виду, регуляторные механизмы также довольно консервативны.

Функции гликолиза

С точки зрения метаболизма глюкоза - один из важнейших углеводов для всего живого.

Это стабильная и очень растворимая молекула, поэтому ее можно относительно легко транспортировать по всему телу животного или растения, от места хранения и / или получения туда, где она необходима в качестве клеточного топлива.

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

Химическая энергия, содержащаяся в глюкозе, используется живыми клетками посредством гликолиза, который состоит из ряда строго контролируемых этапов, с помощью которых энергия, выделяющаяся при окислении этого углевода, может быть «уловлена» в более пригодные для использования формы энергии. , отсюда его важность.

Посредством этого пути не только получается энергия (АТФ) и восстанавливающая сила (НАДН), но он также обеспечивает ряд метаболических посредников, которые являются частью других путей, также важных с анаболической (биосинтетической) и общее клеточное функционирование. Вот список:

- Глюкозо-6-фосфат для пентозофосфатного пути (PPP)

- Пируват для молочной ферментации

- Пируват для синтеза аминокислот (в основном аланина)

- Пируват для цикла трикарбоновых кислот

- Фруктозо-6-фосфат, глюкозо-6-фосфат и дигидроксиацетонфосфат, которые действуют как «строительные блоки» в других путях, таких как синтез гликогена, жирных кислот, триглицеридов, нуклеотидов, аминокислот и т. Д.

Производство энергии

Количество АТФ, продуцируемого гликолитическим путем, когда продуцирующая его клетка не может жить в аэробных условиях, достаточно для обеспечения энергетических потребностей клетки, когда она связана с различными типами процессов ферментации.

Однако, когда дело доходит до аэробных клеток, гликолиз также служит аварийным источником энергии и служит «подготовительным этапом» перед реакциями окислительного фосфорилирования, которые характерны для клеток с аэробным метаболизмом.

Ферменты, участвующие в гликолизе

Гликолиз возможен только благодаря участию 10 ферментов, которые катализируют реакции, характерные для этого пути. Многие из этих ферментов являются аллостерическими и меняют форму или конформацию, когда они выполняют свои каталитические функции.

Есть ферменты, которые разрывают и образуют ковалентные связи между своими субстратами, а есть другие, которым для выполнения своих функций требуются определенные кофакторы, в основном ионы металлов.

Со структурной точки зрения все гликолитические ферменты имеют центр, состоящий по существу из параллельных β- листов, окруженных α-спиралями и расположенных более чем в одном домене. Кроме того, эти ферменты отличаются тем, что их активные сайты обычно находятся в сайтах связывания между доменами.

Также важно отметить, что основная регуляция пути проходит через контроль (гормональный или метаболический) ферментов, таких как гексокиназа, фосфофруктокиназа, глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа и пируваткиназа.

Основные моменты регуляции гликолитического пути (Источник: Gregor 0492 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) через Wikimedia Commons)

1-гексокиназа (HK)

Первая реакция гликолиза (фосфорилирование глюкозы) катализируется гексокиназой (HK), механизм действия которой, по-видимому, заключается в «индуцированном затягивании» субстрата, который способствует «блокировке» фермента вокруг АТФ и глюкозы (ее субстратов) после того, как она связалась с ними.

В зависимости от рассматриваемого организма может быть один или несколько изоферментов, молекулярная масса которых находится в диапазоне от 50 (около 500 аминокислот) до 100 кДа, поскольку они, по-видимому, группируются вместе в виде димеров, образованию которых способствует присутствие глюкозы, ионов магния. и АТФ.

Гексокиназа имеет третичную структуру, состоящую из открытых альфа- и бета-листов, хотя у этих ферментов есть много структурных различий.

2- Фосфоглюкозоизомераза (PGI)

Глюкоза, фосфорилированная гексокиназой, изомеризуется в фруктозо-6-фосфат через фосфоглюкозоизомеразу (PGI), также известную как глюкозо-6-фосфат-изомераза. Таким образом, фермент не удаляет и не добавляет атомы, а перестраивает их на структурном уровне.

Это активный фермент в димерной форме (мономер весит более или менее 66 кДа) и участвует не только в гликолизе, но и в глюконеогенезе, в синтезе углеводов у растений и т. Д.

3- Фосфофруктокиназа (PFK)

Фруктозо-6-фосфат является субстратом для фермента фосфофруктокиназы, который способен повторно фосфорилировать эту молекулу с использованием АТФ в качестве донора фосфорильной группы с образованием фруктозо-1,6-бисфосфата.

Этот фермент существует у бактерий и млекопитающих как гомотетрамерный фермент (состоящий из четырех идентичных субъединиц по 33 кДа каждая для бактерий и 85 кДа каждая у млекопитающих), а у дрожжей он представляет собой октамер (состоящий из более крупных субъединиц, между 112 и 118 кДа).

Это аллостерический фермент, что означает, что он положительно или отрицательно регулируется некоторыми из его продуктов (АДФ) и другими молекулами, такими как АТФ и цитрат.

4- Альдолассе

Также известная как фруктозо-1,6-бисфосфатальдолаза, альдолаза катализирует каталитическое расщепление фруктозо-1,6-бисфосфата на дигидроксиацетонфосфат и глицеральдегид-3-фосфат и обратную реакцию, то есть объединение обоих сахаров с образованием 1,6-бисфосфат фруктозы.

Другими словами, этот фермент разрезает 1,6-бисфосфат фруктозы наполовину, высвобождая два фосфорилированных 3-углеродных соединения. Альдолаза также состоит из 4 идентичных субъединиц, каждая со своим собственным активным сайтом.

Установлено существование двух классов (I и II) этого фермента, которые различаются механизмом катализируемой ими реакции и тем, что одни (первые) встречаются у бактерий и «низших» эукариот, а другие ( второй) есть у бактерий, простейших и многоклеточных.

«Высшая» эукариотическая альдолаза состоит из гомотетрамера субъединиц с молекулярной массой 40 кДа, каждая из которых представляет собой цилиндр, состоящий из 8 β / α листов.

5-Триозофосфат изомераза (ТИМ)

Две фосфорилированные триозы могут взаимно превращаться друг с другом благодаря действию триозофосфатизомеразы, которая позволяет использовать оба сахара в процессе гликолиза, обеспечивая полное использование каждой молекулы глюкозы, которая входит в этот путь.

Этот фермент был описан как «идеальный» фермент, поскольку он катализирует описанную реакцию примерно в триллион раз быстрее, чем это произошло бы без вашего участия. Его активный центр находится в центре бета-цилиндрической структуры, характерной для многих гликолитических ферментов.

Это димерный белок, состоящий из двух идентичных субъединиц примерно 27 кДа, обе с глобулярной структурой.

6-Глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа (GAPDH)

Глицеральдегид-3-фосфат, образующийся под действием альдолазы и триозофосфат-изомеразы, служит субстратом для GAPDH, который представляет собой гомотетрамерный фермент (34-38 кДа каждая субъединица), который кооперативно связывается с молекулой NAD + в каждой из них. его 4-х активных центров, а также 2-х фосфатных или сульфат-ионов.

На этой стадии пути фермент позволяет фосфорилировать один из своих субстратов с использованием неорганического фосфата в качестве донора фосфорильной группы с одновременным восстановлением двух молекул NAD + и образованием 1,3-бисфосфоглицерата.

7- Фосфоглицераткиназа (PGK)

Фосфоглицераткиназа отвечает за перенос одной из фосфатных групп 1,3-бисфосфоглицерата в молекулу АДФ путем фосфорилирования на уровне субстрата. Этот фермент использует механизм, аналогичный тому, который используется гексокиназой, поскольку он замыкается при контакте со своими субстратами, защищая их от вмешательства в молекулы воды.

Этот фермент, как и другие, использующие два или более субстрата, имеет сайт связывания для АДФ, а другой - для фосфата сахара.

В отличие от других описанных ферментов, этот белок представляет собой мономер 44 кДа с двулопастной структурой, состоящей из двух доменов одинакового размера, соединенных узкой «щелью».

8- Фосфоглицератмутаза

3-фосфоглицерат претерпевает изменение фосфатной группы в сторону углерода 2 в середине молекулы, который представляет собой стратегический сайт нестабильности, который облегчает последующий перенос группы на молекулу АТФ в последней реакции пути.

Эта перегруппировка катализируется ферментом фосфоглицератмутазой, димерным ферментом для человека и тетрамерным для дрожжей с размером субъединицы, близким к 27 кДа.

9- Энолаза

Энолаза катализирует дегидратацию 2-фосфоглицерата до фосфоенолпирувата, что является необходимым этапом для образования АТФ в следующей реакции.

Это димерный фермент, состоящий из двух идентичных субъединиц по 45 кДа. Его стабильность и конформационные изменения, необходимые для связывания с его субстратом, зависят от ионов магния. Это один из ферментов, который наиболее широко экспрессируется в цитозоле многих организмов и выполняет функции помимо гликолитических.

10- пируваткиназа

Второе фосфорилирование на уровне субстрата, которое происходит при гликолизе, катализируется пируваткиназой, которая отвечает за перенос фосфорильной группы от фосфоенолпирувата к АДФ и за продукцию пирувата.

Этот фермент более сложен, чем любой другой гликолитический фермент, и у млекопитающих он представляет собой гомотетрамерный фермент (57 кДа на субъединицу). У позвоночных существует по крайней мере 4 изофермента: L (в печени), R (в эритроцитах), M1 (в мышцах и головном мозге) и M2 (ткань плода и ткани взрослого человека).

Фазы гликолиза (шаг за шагом)

Гликолитический путь состоит из десяти последовательных этапов и начинается с одной молекулы глюкозы. Во время этого процесса молекула глюкозы «активируется» или «подготавливается» с добавлением двух фосфатов, обращая две молекулы АТФ.

Впоследствии его «разрезают» на два фрагмента и, наконец, пару раз химически модифицируют, синтезируя по пути четыре молекулы АТФ, так что чистый выигрыш на пути соответствует двум молекулам АТФ.

Из вышеизложенного можно сделать вывод, что путь делится на фазу «инвестирования» энергии, фундаментальную для полного окисления молекулы глюкозы, и другую фазу «прироста» энергии, где первоначально использованная энергия заменяется, а две - получаются. чистые молекулы АТФ.

- Фаза инвестиций в энергию

1- Первый этап гликолитического пути состоит из фосфорилирования глюкозы, опосредованного гексокиназой (HK), для которого фермент использует одну молекулу АТФ для каждой молекулы глюкозы, которая фосфорилируется. Это необратимая реакция, которая зависит от наличия ионов магния (Mg2 +):

Глюкоза + АТФ → Глюкозо-6-фосфат + АДФ

2- Полученный таким образом глюкозо-6-фосфат изомеризуется до фруктозо-6-фосфата благодаря действию фермента фосфоглюкозоизомеразы (PGI). Это обратимая реакция и не требует дополнительных затрат энергии:

Глюкозо-6-фосфат → Фруктозо-6-фосфат

3- Затем, другая стадия инверсии энергии включает фосфорилирование фруктозо-6-фосфата с образованием фруктозо-1,6-бисфосфата. Эта реакция катализируется ферментом фосфофруктокиназа-1 (ПФК-1). Как и на первом этапе этого пути, молекула-донор фосфатной группы представляет собой АТФ, и это также необратимая реакция.

Фруктозо-6-фосфат + АТФ → Фруктозо-1,6-бисфосфат + АДФ

4- На этой стадии гликолиза происходит каталитическое разложение 1,6-бисфосфата фруктозы на дигидроксиацетонфосфат (DHAP), кетоз, и глицеральдегид-3-фосфат (GAP), альдозу. Эта альдольная конденсация катализируется ферментом альдолазой и является обратимым процессом.

Фруктоза 1,6-бисфосфат → дигидроксиацетонфосфат + глицеральдегид-3-фосфат

5- Последняя реакция фазы инверсии энергии состоит из взаимного превращения триозофосфата DHAP и GAP, катализируемого ферментом триозофосфат-изомеразой (TIM), что не требует дополнительных затрат энергии и также является обратимым процессом.

Дигидроксиацетонфосфат ↔ Глицеральдегид-3-фосфат

- Фаза набора энергии

6-Глицеральдегид-3-фосфат используется «ниже по течению» в гликолитическом пути в качестве субстрата для реакции окисления, а другой - для фосфорилирования, катализируемого тем же ферментом, глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназой (GAPDH).

Фермент катализирует окисление углерода С1 молекулы до карбоновой кислоты и его фосфорилирование в одном и том же положении с образованием 1,3-бисфосфоглицерата. В ходе реакции восстанавливаются 2 молекулы НАД + на каждую молекулу глюкозы и используются 2 молекулы неорганического фосфата.

2Глицеральдегид 3-фосфат + 2НАД + + 2Pi → 2 (1,3-бисфосфоглицерат) + 2НАДН + 2Н

В аэробных организмах каждый НАДН, образующийся таким образом, проходит через цепь переноса электронов, чтобы служить субстратом для синтеза 6 молекул АТФ путем окислительного фосфорилирования.

7- Это первая стадия синтеза АТФ в гликолизе и включает действие фосфоглицераткиназы (PGK) на 1,3-бисфосфоглицерат, перенос фосфорильной группы (фосфорилирование на уровне субстрата) от этой молекулы к молекуле АДФ, давая 2 АТФ и 2 молекулы 3-фосфоглицерата (3ФГ) для каждой молекулы глюкозы.

2 (1,3-бисфосфоглицерат) + 2ADP → 2 (3-фосфоглицерат) + 2ATP

8-3-фосфоглицерат служит субстратом для фермента фосфоглицератмутазы (PGM), который превращает его в 2-фосфоглицерат путем замещения фосфорильной группы с углерода 3 на углерод 2 посредством двухступенчатой ​​реакции, которая является обратимой и зависит от ионы магния (Mg + 2).

2 (3-фосфоглицерат) → 2 (2-фосфоглицерат)

9- Фермент енолаза дегидратирует 2-фосфоглицерат и производит фосфоенолпируват (PEP) посредством реакции, которая не требует добавления дополнительной энергии и цель которой состоит в производстве высокоэнергетического соединения, способного отдавать свою фосфорильную группу в следующем реакция.

2 (2-фосфоглицерат) → 2-фосфоенолпируват

10-Фосфоенолпируват является субстратом для фермента пируваткиназы (PYK), который отвечает за перенос фосфорильной группы в этой молекуле на молекулу АДФ, тем самым катализируя другую реакцию фосфорилирования на уровне субстрата.

В этой реакции для каждой глюкозы образуются 2 АТФ и 2 молекулы пирувата, и необходимо присутствие калия и магния в ионной форме.

2Фосфоенолпируват + 2АДФ → 2Пируват + 2АТФ

Таким образом, чистый выход гликолиза состоит из 2ATP и 2NAD + для каждой молекулы глюкозы, которая вступает в этот путь.

Если это клетки с аэробным метаболизмом, то полное разложение молекулы глюкозы производит от 30 до 32 АТФ через цикл Кребса и цепь переноса электронов.

Продукты гликолиза

Общая реакция гликолиза следующая:

Глюкоза + 2НАД + + 2АДФ + 2Pi → 2Пируват + 2АТФ + 2НАДН + 2Н +

Таким образом, если его проанализировать кратко, можно убедиться, что основными продуктами гликолитического пути являются пируват, АТФ, НАДН и H.

Однако метаболическая судьба каждого промежуточного звена реакции в значительной степени зависит от клеточных потребностей, поэтому все промежуточные продукты могут рассматриваться как продукты реакции и могут быть перечислены следующим образом:

- Глюкозо-6-фосфат

- Фруктозо-6-фосфат

- 1,6-бисфосфат фруктозы

- Дигидроксиацетонфосфат и глицеральдегид-3-фосфат

- 1,3-бисфосфоглицерат

- 3-фосфоглицерат и 2-фосфоглицерат

- Фосфоенолпируват и пируват

значение

Несмотря на то, что гликолиз сам по себе (можно говорить об анаэробном гликолизе) производит только около 5% АТФ, который может быть извлечен в результате аэробного катаболизма глюкозы, этот метаболический путь важен по нескольким причинам:

- Он служит «быстрым» источником энергии, особенно в ситуациях, когда животное должно быстро выйти из состояния покоя, для чего процессы аэробного окисления не будут достаточно быстрыми.

- «Белые» волокна скелетных мышц в человеческом теле, например, являются быстро сокращающимися волокнами, и их функционирование зависит от анаэробного гликолиза.

- Когда по какой-то причине клетке необходимо обойтись без некоторых митохондрий (которые, помимо прочего, являются органеллами, осуществляющими окислительное фосфорилирование части продуктов гликолиза), клетка становится более зависимой от энергии, получаемой гликолитический путь.

- Многие клетки зависят от глюкозы как источника энергии через гликолитики, в том числе красные кровяные тельца , лишенные внутренних органелл, и клетки глаза (особенно роговицы), которые не имеют высокой плотности митохондрий.

Ссылки

1. Канбэк, Б., Андерссон, С.Г.Э., и Курланд, К.Г. (2002). Глобальная филогения гликолитических ферментов. Слушания Национальной академии наук, 99 (9), 6097-6102.
2. Чаудри Р., Варакалло М. Биохимия, гликолиз. , В: StatPearls. Остров сокровищ (Флорида): StatPearls Publishing; 2020 Янв. Доступно по ссылке: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK482303/
3. Фотергилл-Гилмор, Лос-Анджелес, и Майкелс, Пенсильвания (1993). Эволюция гликолиза. Прогресс биофизики и молекулярной биологии, 59 (2), 105-235.
4. Ким, Дж. В. и Данг, CV (2005). Многогранная роль гликолитических ферментов. Направления биохимических наук, 30 (3), 142-150.
5. Кумари, А. (2017). Сладкая биохимия: запоминание структур, циклов и путей с помощью мнемоники. Академическая пресса.
6. Ли, XB, Гу, JD, и Чжоу, QH (2015). Обзор аэробного гликолиза и его ключевых ферментов - новых мишеней для лечения рака легких. Рак грудной клетки, 6 (1), 17-24.