Glykolysefunksjoner, enzymer, faser, produkter, betydning

De Glykolyse O glykolyse er den viktigste glukosekatabolismens rute, hvis endelige mål er å oppnå energi i form av ATP og NADH reduserende kraft, fra dette karbohydratet.

Denne ruten, fullstendig belyst på 1930 -tallet av Gustav Embden og Otto Meyerhof mens han studerte glukoseforbruk i skjelettmuskelceller, består av fullstendig oksidasjon av nevnte monosakkarid, og representerer i seg selv en anaerob vei for den oppnådde energien.

Molekylær struktur av ATP, et av de glykolytiske produktene (sammendrag av den glykolytiske banen (kilde: TEKKS på engelske Wikipedia/CC By-SA (https: // CreativeCommons.Org/lisenser/by-SA/3.0) via Wikimedia Commons) via Wikimedia Commons)

Det er en av de viktigste metabolske rutene, fordi det oppstår, med den.

Det er faktisk noen organismer og typer celler som utelukkende avhenger av denne ruten til å eksistere.

I første omgang består glykolyse i oksidasjon av glukose, av 6 karbonatomer, til pyruvat, som har tre karbonatomer; Med samtidig produksjon av ATP og NADH, nyttig for celler fra det metabolske og syntetiske synspunktet.

I de cellene som er i stand til videre prosessering av produktene oppnådd fra glukosekatabolisme, ender glykolyse med produksjon av karbondioksid og vann gjennom Krebs -syklusen og elektrontransportørkjeden (aerob glykolyse).

Ti enzymatiske reaksjoner finner sted i løpet av den glykolytiske ruten, og selv om reguleringen av disse reaksjonene kan være noe annerledes enn en art til en annen, er reguleringsmekanismene også ganske bevart.

[TOC]

Glykolysefunksjoner

Fra metabolsk synspunkt er glukose et av de viktigste karbohydrater for alle levende vesener.

Det er et stabilt og veldig oppløselig molekyl, så det kan transporteres med relativt letthet i hele et dyr eller en plante, hvor det er lagret og/eller oppnådd der det trengs som et cellulært drivstoff.

Glukosestruktur (kilde: Oliva93/CC BY-S (https: // CreativeCommons.Org/lisenser/by-SA/3.0) via Wikimedia Commons)

Den kjemiske energien i glukose utnyttes av levende celler gjennom glykolyse, som består av en serie ekstremt kontrollerte trinn som energien som frigjøres fra oksidasjonen av dette karbohydratet i mer brukbare energiformer for energi kan "fanges", derav dens betydning.

Gjennom denne ruten oppnås ikke bare energi (ATP) og reduserende kraft (NADH), men den gir en serie metabolske mellommenn som er en del av andre ruter, også viktig fra anabole (biosyntetisk) og den generelle cellulære operasjonen. Her er en liste:

- Glukose 6-fosfat for pentosas fosfatrute (PPP, engelsk Pantos Mushco Pathway)

- Pyruvat for melkegjæring

- Pyruvat for aminosyresyntese (alanin, hovedsakelig)

- Pyruvat for trikarboksylsyresyklusen

- Fruktose 6-fosfat, glukose 6-fosfat og dihydroksyacetonfosfat, som fungerer som "konstruksjonsblokker" på andre ruter som glykogensyntese, fettsyrer, triglyserider, nukleotider, aminosyrer, etc.

Energiproduksjon

Mengden ATP produsert av den glykolytiske banen.

Når det gjelder aerobe celler, fungerer imidlertid glykolyse også som en nødenergikilde og fungerer som et "forberedende trinn" før oksidative fosforyleringsreaksjoner som kjennetegner celler med aerob metabolisme.

Enzymer som deltar i glykolyse

Glykolyse er bare mulig takket være deltakelse av de 10 enzymene som katalyserer reaksjonene som kjennetegner denne ruten. Mange av disse enzymene er alosteriske og endrer form eller konformasjon når de utøver sine katalytiske funksjoner.

Det er enzymer som bryter og danner kovalente bindinger mellom underlagene deres, og det er andre som krever spesifikke kofaktorer for å utøve sine funksjoner, hovedsakelig metallioner.

Strukturelt sett har alle glykolytiske enzymer et senter som hovedsakelig er dannet av ark β parallelt omgitt av Hellices α og bestilt i mer enn ett domene. Dessuten er disse enzymene karakterisert fordi deres aktive steder vanligvis er på unionsstedene mellom domenene.

Det er også viktig å fremheve at hovedreguleringen av ruten går gjennom kontroll (hormonelle eller metabolitter) av enzymer som heksokinase, fosfofrucerachinase, glyseraldehyd 3-fosfatdehydrogenase og pyruvat kinase.

Kan tjene deg: Pulmonalt parenkym: Beskrivelse, histologi, sykdommerHovedreguleringspunkter for den glykolytiske banen.Org/lisenser/by-SA/3.0) via Wikimedia Commons)

1- Hexoquinase (HK)

Den første reaksjonen av glykolyse (glukosefosforylering) blir katalysert av heksokinase (HK), hvis virkningsmekanisme ser ut til å bestå av en "indusert justering" av underlaget, som fremmer "lukking" av enzymet rundt ATP og av glukose ( hans underlag) når de først har blitt med på disse.

Avhengig av organismen som blir vurdert, kan det være ett eller flere isoenzymer, hvis molekylvekt varierer mellom 50 (ca. 500 aminosyrer) og 100 kDa, da de ser ut til å være gruppert i form av grenser, hvis formasjon er foretrukket av den tilstedeværelse av glukose, magnesiumioner og ATP.

Hexoquinase har en tertiær struktur sammensatt av alfa- og beta -ark, selv om det er mange strukturelle forskjeller i disse enzymene.

2- Isomerase Phosphoglucose (PGI)

Fosforylert glukose med heksokinase isomeriseres til 6-fosfat fruktose ved hjelp av isomerase fosfoglukose (PGI), også kjent som glukose 6-fosfatisomerase. Enzymet fjerner eller tilsetter ikke atomer, men omorganiser dem på strukturelt nivå.

Dette er et aktivt enzym i sin dimoriske 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.

3- Phosphofrrutequinase (PFK)

6-fosfat fruktose er underlag for fosfofrucerachinase-enzymet, som er i stand til fosforylering igjen dette molekylet ved bruk av ATP som en fosforylgruppedonor, og produserer 1,6-biffosfat fruktose.

Dette enzymet eksisterer i bakterier og pattedyr som et homotramisk enzym (sammensatt av fire identiske underenheter på 33 kDa hver for bakterier og 85 kDa hver hos pattedyr) og i gjær er det en oktameter (sammensatt av større underenheter, mellom 112 og 118 kDa).

Det er et alosterisk enzym, som betyr at det er positivt eller negativt regulert av noen av produktene (ADP) og andre molekyler som ATP og citrat.

4- Aldolase

Også kjent som fruktose 1,6-biffosfat aldolase, katalyserer aldolase det katalytiske bruddet av fruktose 1,6-bifosfat i dihydroksyacetonfosfat og glyseraldehyd 3-fosfat og reaksjon, det vil si foreningen av begge sukkerene for formasjonen av formen formen for formasjonen formen for formasjonen formen for formasjonen av formen for formasjonen av formen for formasjonen av formen for formasjonen av formen for formasjonen av formen for formen for formen for formen for formen for formen for formen for formen for formen for formen for formen for formen for formen for formen for formen for formen for formen for formen for formen for formen for formen for formen for formen for formen for formen for formen for formen for formen for formen for formen for formen for formen for formen for formen for formen for formen for formen for formen for formen for formen for formen for formen.

Med andre ord, dette enzymet skjærer fruktose 1,6-bifosfat bare i midten, og frigjør to fosforylerte forbindelser av 3 karbonatomer. Aldolase er også sammensatt av 4 identiske underenheter, hver med sitt eget aktive nettsted.

Eksistensen av to klasser (I og II) av dette enzymet er blitt bestemt, som avviker av mekanismen for reaksjonen som katalyserer og fordi noen (den første) forekommer i "nedre" bakterier og eukaryoter, og de andre (de andre ( det andre) er i bakterier, protister og metazoer.

Aldolasen til den "overlegne" eukaryoter består av et homotermeter med underenheter med 40 kDa molekylvekt, hver dannet av et fat sammensatt av 8 β/α -ark.

5- Triosa-fosfatisomerase (TIM)

De to triosaene fosforylerte kan sammenkobles med hverandre takket være virkningen av isomerase-triosa-fosfat, som gjør at begge sukkerarter kan brukes gjennom glykolyse, og sikrer fullstendig bruk av hvert glukosemolekyl som kommer inn på veien.

Dette enzymet er blitt beskrevet som det "perfekte" enzymet, fordi det katalyserer reaksjonen beskrevet omtrent en milliard ganger raskere enn det som ville skje uten dens deltakelse. Det aktive stedet ligger i sentrum av en beta-tønne struktur, et kjennetegn på mange glykolytiske enzymer.

Det er et Dimérica -protein, dannet av to identiske underenheter på omtrent 27 kDa, begge med en kuleformet struktur.

6- Glyceraldehyd 3-fosfatdehydrogenase (GAPDH)

3-fosfatglyseraldehydet produsert ved virkningen av isomerasetriosa-fosfatet fungerer som et underlag for GAPDH, som er et homoterramerisk enzym (34-38 kDa hver underenhet) som samarbeider bindet til en napp+ molecule i hver av dens 4-seter som er 4-en aktiv seter som er 4 til en actor-seter. , samt 2 fosfat- eller sulfationer.

I denne passasjen av ruten tillater enzymet fosforylering av et av dens underlag som ble brukt uorganisk fosfat som en fosforylgruppedonor, med samtidig reduksjon av to NAD+ -molekyler og produksjon av 1,3-bifospphoglycerato.

7- Fosfoglycerato Kinase (PGK)

Fosfoglyseratkinase er ansvarlig for å overføre en av 1,3-bifosfoglyseratfosfatgruppene til et ADP-molekyl på grunn av fosforylering på underlagsnivå. Dette enzymet bruker en mekanisme som ligner den som brukes av heksokinase, da det lukkes for å kontakte på underlagene, og beskytter dem mot interferensielle vannmolekyler.

Kan tjene deg: aponeurosis: egenskaper, funksjoner, beliggenhet

Dette enzymet, som andre som bruker to eller flere underlag, har et bindingssted for ADP og et annet for fosfatsukker.

I motsetning til de andre beskrevne enzymer, er dette proteinet en 44 kDa monomer med en bilobulær struktur, sammensatt av to domener av samme størrelse koblet sammen med et smalt "spor".

8- Mutase fosfoglyserat

3-fosfoglyseratet gjennomgår en endring fra fosfatgruppen til Carbon 2, midt i molekylet, som representerer et strategisk ustabilitetssted som letter den påfølgende overføringen av gruppen til et ATP-molekyl i den siste reaksjonen av ruten.

Denne omorganiseringen blir katalysert av enzymet fosfoglyseratmutasa, et Dimérica -enzym for mennesker og tetramer for gjær, med en underenhetsstørrelse nær 27 kDa.

9- Enolase

Enolasekatalyser Dehydrering av 2-fosfoglyserat til fosfoenolpiruvat, nødvendig trinn for generering av ATP i følgende reaksjon.

Det er et dimérica -enzym sammensatt av to identiske underenheter på 45 kDa. Det avhenger av magnesiumioner for stabilitet og for den konformasjonsendringen som er nødvendig for å slå sammen underlaget ditt. Det er en av enzymene uttrykt med større overflod i cytosolen til mange organismer og utøver tilleggsfunksjoner til glykolytisk.

10- Quinasa Piruvato

Den andre fosforylering på underlagsnivået som finner sted i glykolyse blir katalysert av kinase -pyruvatet, som er ansvarlig for overføringen av fosforylgruppen til fosfoenolpiruvat til ADP og produksjonen av pyruvat.

Dette enzymet er mer sammensatt enn noen av de andre glykolytiske enzymer, og hos pattedyr er det et homotramalt enzym (57 kDa/underenhet). Det er, i virveldyr, minst 4 isoenzymer: L (i leveren), R (i erytrocytter), M1 (i muskel og hjerne) og M2 (fostervev og voksne vev).

Glykolysefaser (trinn for trinn)

Den glykolytiske ruten består av ti sekvensielle trinn og begynner med et glukosemolekyl. Under prosessen er glukosemolekylet "aktivert" eller "fremstilt" med tilsetning av to fosfater, og investerer to ATP -molekyler.

Deretter er det "kuttet" i to fragmenter og blir til slutt kjemisk modifisert et par ganger, og syntetiserer, på veien, fire ATP -molekyler, så nettgevinsten på ruten tilsvarer to ATP -molekyler.

Fra det ovennevnte kan det utledes at ruten er delt inn i en "investering" -fase ", grunnleggende for fullstendig oksidasjon av glukosemolekylet, og en annen fase av energi" forsterkning ", der energien som ble brukt opprinnelig blir etterfylt og to ATP -nett molekyler.

- Energiinvesteringsfase

1- Det første trinnet i den glykolytiske ruten består av fosforylering av glukose mediert av heksokinase (HK), som enzymet bruker et 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- 6-fosfat glukose som således produseres isomeriseres til 6-fosfat fruktose takket være handlingen fra isomerase fosfoglukoseenzym (PGI) (PGI). Dette er en reversibel reaksjon og innebærer ikke en ekstra energiforbruk:

Glukose 6-fosfat → fruktose 6-fosfat

3- Deretter innebærer et annet energiinvesteringstrinn fosforylering av fruktose 6-fosfat for å danne 1,6-bifosfat fruktose. Denne reaksjonen katalyseres av enzymet fosfofrrutequinase-1 (PFK-1). Som det første trinnet i ruten, er fosfatgruppedonatormolekylet ATP, og det er også en irreversibel reaksjon.

Fruktose 6-fosfat + ATP → Fruktose 1,6-bifosfat + ADP

4- I dette trinnet med glykolyse er det den katalytiske bruddet av fruktose 1,6-bifosfat i dihydroksyacetonfosfat (DHAP) en ketose, og i glyseraldehyd 3-fosfat (GAP) en aldosa. Denne aldoliske kondensasjonen blir katalysert av enzymet aldolase og er en reversibel prosess.

Fruktose 1,6-biffosfat → dihydroxyaceton fosfat + glyseraldehyd 3-fosfat

5- Den siste reaksjonen av energiinvesteringsfasen består i interkonversjonen av triosas DHAP-fosfat og gap katalysert av triosa-fosfatisomerase (TIM) enzym, et faktum som ikke krever ytterligere energibidrag, og det er også en reversibel prosess.

Dihydroxyaceton fosfat ↔ glyceraldehyd 3-fosfat

- Energiforsterkningsfase

6- 3-fosfatglyseraldehyd brukes "nedstrøms" på den glykolytiske ruten som et underlag for en oksidasjonsreaksjon og en annen fosforylering, katalysert av det samme enzymet, glyseraldehyd 3-fosfatdehydrogenase (gapdh).

Enzymet katalyserer oksidasjon av karbon C1 i molekylet til en karboksylsyre og fosforylering av dette i samme posisjon, og produserer 1,3-bifoscicerate. I løpet av reaksjonen reduseres 2 NAD+ molekyler per glukosemolekyl og 2 uorganiske fosfatmolekyler brukes.

Kan tjene deg: luftrør

2GLYCERALDEHYDE 3-Fosfat + 2NAD + + 2PI → 2 (1,3-bifosfoglycerato) + 2NADH + 2H

I aerobe organismer går hver NADH produsert på denne måten gjennom elektrontransportørkjeden for å tjene som et underlag for syntese av 6 ATP -molekyler på grunn av oksidativ fosforylering.

7- Dette er det første trinnet med syntese av ATP i glykolyse og innebærer virkningen av kinase-fosfoglyscerato (PGK) på 1,3-bifosfoglyserat, og overførte en fosforylgruppe (fosforylering på substratnivået) fra dette molekylet til en molekule adp, gir 2atp) fra dette molekylet til en molekule adp, gir 2atp) fra dette molekylet til en molekule adp, gir 2at-nivå) fra dette molekylet til en molekule adp, gir 2at-nivået) fra dette molekylet til en molekule adp, gir en molekyl ( og 2 molekyler 3-fosfoglyserat (3pg) for hvert glukosemolekyl.

2 (1,3-bifosfoglycerato) + 2ADP → 2 (3-fosfoglyserat) + 2ATP

8- The 3-phosphoglycerate serves as a substrate for the enzyme phosphoglycerato mutasa (PGM), which makes it 2-phosphoglycerate by displacement of the fosphoryl group of carbon 3 to carbon 2 by means of a two steps reaction that is reversible and dependent on Magnesiumioner (Mg+2).

2 (3-fosfoglyserat) → 2 (2-fosfoglyserat)

9- Enzymet i et 2-fosfoglyseratdehydrat og produserer fosfoenolPuruvat (PEP) ved hjelp av en reaksjon som ikke fortjener tilsetningen av ekstra energi og som tar sikte på å produsere en høy energiforbindelse, i stand til å donere fosforylgruppen i neste reaksjon.

2 (2-fosfoglyserat) → 2fosfoenolPiruvate

10- Fosfoenolpirruvat er et underlag av pyruvatkinase (PYK) enzym, som er ansvarlig for overføringen av fosforylgruppen i dette molekylet mot en ADP-molekyl, og katalyserer derfor en annen reaksjon av fosforylering ved underlaget nivå.

I reaksjonen produseres 2ATP og 2 pyruvatmolekyler for hver glukose, og tilstedeværelsen av kalium og magnesium i ionisk form er nødvendig.

2Fospo Elplivato + 2ADP → 2Pyruvate + 2ATP

Nettoytelsen til glykolyse består på denne måten av 2ATP og 2NAD+ for hvert glukosemolekyl som kommer inn i ruten.

Hvis dette er celler med aerob metabolisme, produserer den totale nedbrytningen av et glukosemolekyl mellom 30 og 32 ATP gjennom Krebs -syklusen og elektrontransportkjeden.

Glykolyseprodukter

Den generelle reaksjonen av glykolyse er som følger:

Glukose + 2Nad + + 2ADP + 2PI → 2Pyruvate + 2ATP + 2NADH + 2H+

Derfor, hvis det blir analysert kort, kan det sikre at hovedproduktene i den glykolytiske ruten er pyruvat, ATP, NADH og H.

Imidlertid avhenger den metabolske destinasjonen for hver reaksjonsformidler i stor grad av cellulære behov, og det er grunnen til at alle mellommenn kan betraktes som reaksjonsprodukter, og kunne mynte dem som følger:

- Glukose 6-fosfat

- Fruktose 6-fosfat

- Fruktose 1,6-bifosfat

- Dihydroxyaceton fosfat og glyseraldehyd 3-fosfat

- 1,3-bifosfoglycerato

- 3-fosfoglyserat og 2-fosfoglyserat

- Fosfoenolpirruvat og pyruvat

Betydning

Selv om glykolyse, i seg selv (kan snakke om anaerob glykolyse), produserer bare omtrent 5% av ATP som kan trekkes ut fra aerob katabolisme av glukose, er denne metabolske ruten grunnleggende av flere grunner:

- Det fungerer som en "rask" energikilde, spesielt i situasjoner der et dyr må forlate en hviletilstand raskt, som aerobe oksidasjonsprosesser ikke ville være raskt nok.

- Skjelett "hvite" muskelfibre i menneskekroppen, for eksempel, er raske sammentrekningsfibre og er avhengige av anaerob glykolyse for å fungere.

- Når en celle av en eller annen grunn trenger glykolytisk.

- Mange celler er avhengige av glukose som en energikilde med glykolytisk rute, inkludert røde blodceller, mangler indre organeller, og øyeceller (spesielt hornhinnen) som ikke har en stor mitokondrieretthet.

Referanser

1. Canback, b., Andersson, s. G. OG., & Kurland, C. G. (2002). Den globale fylogenien av glykolytiske enzymer. Proceedings of the National Academy of Sciences, 99 (9), 6097-6102.
2. Chaudhry R, ​​Varacallo M. Biokjemi, glykolyse. [Oppdatert 2019 AP 21]. I: Statpearls [Internett]. Treasure Island (FL): Statpearls Publishing; 2020 jan-. Tilgjengelig fra: https: // www.NCBI.NLM.NIH.Gov/Books/NBK482303/
3. Fothergill-Gilmore, l. TIL., & Michels, P. TIL. (1993). Evolusjon av glykolyse. Fremgang i biofysikk og molekylærbiologi, 59 (2), 105-235.
4. Kim, J. W., & Dang, c. V. (2005). Mangefasetterte roller av glykolytiske enzymer. Trender i biokjemiske vitenskaper, 30 (3), 142-150.
5. Kumari, a. (2017). Søt biokjemi: husker strukturer, sykluser og stier av mnemonics. Akademisk presse.
6. Li, x. B., Gu, j. D., & Zhou, q. H. (2015). Gjennomgang av aerob glykolyse og dens viktige enzymer-nye mål for lungekreftterapi. Thoracic Cancer, 6 (1), 17-24.