GLYKOLYS: FUNKTIONER, ENZYMER, FASER, PRODUKTER, VIKT - BIOLOGI - 2025

Den glykolysen eller glykolysen är den huvudsakliga vägen för glukos katabolism, vars yttersta målet är att generera energi i den form av ATP och reducerande kraft i den form av NADH, från denna kolhydrat.

Denna väg, helt klargjord på 1930-talet av Gustav Embden och Otto Meyerhof medan han studerade konsumtionen av glukos i skelettmuskelceller, består av den fullständiga oxidationen av denna monosackarid och representerar i sig en anaerob väg för att få energi.

Molekylstruktur av ATP, en av de glykolytiska produkterna (Sammanfattning av den glykolytiska vägen (Källa: Tekks på engelska Wikipedia / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) via Wikimedia Commons) via Wikimedia Commons)

Det är en av de viktigaste metaboliska vägarna, eftersom den förekommer, med dess skillnader, i alla levande organismer som finns, unicellulära eller multicellulära, prokaryota eller eukaryota, och det tros vara en reaktionskedja som evolutionärt är mycket bevarad i naturen.

Det finns faktiskt vissa organismer och celltyper som uteslutande beror på denna väg för att överleva.

I första hand består glykolys av oxidation av glukos, av 6 kolatomer, till pyruvat, som har tre kolatomer; med samtidig produktion av ATP och NADH, användbar för celler från metabolisk och syntetisk synvinkel.

I celler som kan ytterligare bearbeta produkterna erhållna från glukoskatabolism slutar glykolys med produktionen av koldioxid och vatten genom Krebs-cykeln och elektrontransportkedjan (aerob glykolys).

Tio enzymatiska reaktioner äger rum under den glykolytiska vägen, och även om regleringen av dessa reaktioner kan vara något olika från art till art, är regleringsmekanismerna också ganska bevarade.

Glykolysfunktioner

Från en metabolisk synvinkel är glukos ett av de viktigaste kolhydraterna för alla levande saker.

Det är en stabil och mycket löslig molekyl, varför den kan transporteras relativt lätt genom hela kroppen på ett djur eller en växt, från var den lagras och / eller erhålls till där det behövs som cellulärt bränsle.

Struktur av glukos (Källa: Oliva93 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) via Wikimedia Commons)

Den kemiska energin som finns i glukos utnyttjas av levande celler genom glykolys, som består av en serie av mycket kontrollerade steg genom vilka den energi som frigörs från oxidationen av detta kolhydrat kan "fångas" till mer användbara former av energi. , följaktligen dess betydelse.

Genom denna rutt erhålls inte bara energi (ATP) och reducerande kraft (NADH), utan den ger också en serie metaboliska mellanprodukter som är en del av andra vägar, också viktiga från en anabol (biosyntetisk) och allmän cellulär funktion. Här är en lista:

- Glukos 6-fosfat för Pentose Phosphate Pathway (PPP)

- Pyruvat för mjölkjäsning

- Pyruvat för syntes av aminosyror (främst alanin)

- Pyruvat för trikarboxylsyracykeln

- Fruktos 6-fosfat, glukos 6-fosfat och dihydroxyacetonfosfat, som fungerar som "byggstenar" på andra vägar, såsom syntes av glykogen, fettsyror, triglycerider, nukleotider, aminosyror, etc.

Energiproduktion

Mängden ATP som produceras av den glykolytiska vägen, när cellen som producerar den inte kan leva under aeroba förhållanden, är tillräcklig för att tillhandahålla en cells energibehov när den är kopplad till olika typer av jäsningsprocesser.

När det gäller aeroba celler fungerar emellertid glykolys också som en akut energikälla och fungerar som ett "förberedande steg" före de oxidativa fosforyleringsreaktionerna som karakteriserar celler med aerob metabolism.

Enzymer involverade i glykolys

Glykolys är endast möjlig tack vare deltagande av de 10 enzymerna som katalyserar reaktionerna som kännetecknar denna väg. Många av dessa enzymer är allosteriska och ändrar form eller konformation när de utövar sina katalytiska funktioner.

Det finns enzymer som bryter och bildar kovalenta bindningar mellan deras underlag och det finns andra som kräver specifika kofaktorer för att utföra sina funktioner, främst metalljoner.

Strukturellt sett har alla glykolytiska enzymer ett centrum bestående väsentligen av parallella ß- ark omgiven av α-spiraler och arrangerade i mer än ett domän. Dessutom kännetecknas dessa enzymer av att deras aktiva platser vanligtvis är på bindningsställena mellan domäner.

Det är också viktigt att notera att huvudregleringen av vägen passerar genom kontroll (hormonell eller genom metaboliter) av enzymer såsom hexokinas, fosfofruktokinas, glyceraldehyd 3-fosfatdehydrogenas och pyruvatkinas.

Huvudpunkter för reglering av den glykolytiska vägen (Källa: Gregor 0492 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) via Wikimedia Commons)

1- Hexokinase (HK)

Den första reaktionen med glykolys (glukosfosforylering) katalyseras av hexokinas (HK), vars verkningsmekanism verkar bestå av ett substrat "inducerad åtdragning" som främjar "låset" av enzymet runt ATP och av glukos (dess underlag) när den har bundit till dem.

Beroende på vilken organisme som beaktas kan det finnas en eller flera isoenzymer, vars molekylvikt sträcker sig mellan 50 (cirka 500 aminosyror) och 100 kDa, eftersom de tycks gruppera sig i form av dimerer, vars bildning föredras av närvaron av glukos, magnesiumjoner och ATP.

Hexokinas har en tertiär struktur som består av öppna alfa- och beta-ark, även om det finns många strukturella skillnader i dessa enzymer.

2- Fosfoglukosisomeras (PGI)

Glukos fosforylerat med hexokinas isomeriseras till fruktos 6-fosfat via fosfoglukosisomeras (PGI), även känt som glukos 6-fosfatisomeras. Enzymet tar då inte bort eller lägger till atomer utan omorganiserar dem på strukturell nivå.

Detta är ett aktivt enzym i dess dimera form (monomeren väger mer eller mindre 66 kDa) och är involverad inte bara i glykolys, utan också i glukoneogenes, i syntesen av kolhydrater i växter, etc.

3- Fosfofruktokinas (PFK)

Fruktos 6-fosfat är ett substrat för fosfofruktokinas-enzymet, som kan fosforylera denna molekyl med ATP som en fosforylgruppsgivare, vilket producerar fruktos 1,6-bisfosfat.

Detta enzym finns i bakterier och däggdjur som ett homotetrameriskt enzym (sammansatt av fyra identiska underenheter om vardera 33 kDa för bakterier och 85 kDa vardera i däggdjur) och i jäst är det en oktaamer (sammansatt av större underenheter, mellan 112 och 118 kDa).

Det är ett allosteriskt enzym, vilket innebär att det regleras positivt eller negativt av några av dess produkter (ADP) och av andra molekyler som ATP och citrat.

4 - Aldolasse

Även känd som fruktos 1,6-bisfosfat aldolas, katalyserar aldolas den katalytiska uppdelningen av fruktos 1,6-bisfosfat till dihydroxiacetonfosfat och glyceraldehyd 3-fosfat och den omvända reaktionen, det vill säga föreningen av båda sockerarter för bildning av fruktos 1,6-bisfosfat.

Med andra ord skär detta enzym fruktos 1,6-bisfosfat rätt i hälften, vilket frisätter två 3-kol fosforylerade föreningar. Aldolase består också av fyra identiska underenheter, var och en med sin egen aktiva plats.

Förekomsten av två klasser (I och II) av detta enzym har bestämts, vilka är differentierade genom mekanismen för reaktionen de katalyserar och på grund av att vissa (den första) förekommer i bakterier och "lägre" eukaryoter, och de andra (den andra) är i bakterier, protister och metazoans.

Det "högre" eukaryotiska aldolaset består av en homotetramer av underenheter med molekylvikt 40 kDa, var och en består av ett fat bestående av 8 p / a-ark.

5- triosfosfatisomeras (TIM)

De två fosforylerade trioerna kan konverteras med varandra tack vare verkan av trios-fosfatisomeras, vilket gör att båda sockerarter kan användas under glykolys, vilket garanterar full användning av varje glukosmolekyl som kommer in i vägen.

Detta enzym har beskrivits som det "perfekta" enzymet, eftersom det katalyserar den beskrivna reaktionen om en biljon gånger snabbare än det skulle inträffa utan ditt deltagande. Dess aktiva plats är i mitten av en betatunnelstruktur, kännetecknande för många glykolytiska enzymer.

Det är ett dimeriskt protein som består av två identiska underenheter på ungefär 27 kDa, båda med en kulaformig struktur.

6- Glyceraldehyd 3-fosfatdehydrogenas (GAPDH)

Glyceraldehyd 3-fosfat producerat genom verkan av aldolas och triosfosfatisomeras fungerar som ett substrat för GAPDH, som är ett homotetrameriskt enzym (34-38 kDa varje underenhet) som samarbetar binder till en molekyl av NAD + i varje av dess fyra aktiva platser, såväl som 2 fosfat- eller sulfatjoner.

I detta steg av vägen tillåter enzymet fosforylering av ett av dess substrat med användning av oorganiskt fosfat som en fosforylgruppsgivare, med samtidig reduktion av två NAD + -molekyler och produktion av 1,3-bisfosfoglycerat.

7- Fosfoglyceratkinas (PGK)

Fosfoglyceratkinas ansvarar för att överföra en av fosfatgrupperna av 1,3-bisfosfoglycerat till en ADP-molekyl genom fosforylering på substratnivån. Detta enzym använder en mekanism som liknar den som används av hexokinas, eftersom det stängs vid kontakt på dess underlag och skyddar dem från att störa vattenmolekyler.

Detta enzym, som andra som använder två eller flera substrat, har ett bindningsställe för ADP och ett annat för sockerfosfat.

Till skillnad från de andra beskrivna enzymerna är detta protein en 44 kDa monomer med en bilobal struktur, sammansatt av två domäner av samma storlek anslutna med en smal "klyft".

8- Fosfoglyceratmutas

3-fosfoglyceratet genomgår en förändring av fosfatgruppen mot kol 2, i mitten av molekylen, vilket representerar ett strategiskt instabilitetsställe som underlättar den efterföljande överföringen av gruppen till en ATP-molekyl under den sista reaktionen på vägen.

Denna omarrangering katalyseras av enzymet fosfoglyceratmutas, ett dimeriskt enzym för människor och tetrameriskt för jäst, med en underenhetsstorlek nära 27 kDa.

9- Enolase

Enolase katalyserar dehydratiseringen av 2-fosfoglycerat till fosfoenolpyruvat, ett nödvändigt steg för att generera ATP i nästa reaktion.

Det är ett dimeriskt enzym som består av två identiska 45 kDa-subenheter. Det beror på magnesiumjoner för dess stabilitet och för den konformationella förändring som är nödvändig för att binda till dess underlag. Det är ett av de enzymer som mest uttrycks i cytosol för många organismer och utför funktioner utöver glykolytiska.

10- Pyruvat kinas

Den andra fosforyleringen av substratnivån som sker i glykolys katalyseras av pyruvatkinas, som ansvarar för överföringen av fosforylgruppen från fosfoenolpyruvat till ADP och för produktionen av pyruvat.

Detta enzym är mer komplex än något av de andra glykolytiska enzymerna och hos däggdjur är det ett homotetrameriskt enzym (57 kDa / underenhet). I ryggradsdjur finns minst 4 isoenzymer: L (i levern), R (i erytrocyter), M1 (i muskel och hjärna) och M2 (fostervävnad och vuxna vävnader).

Faser av glykolys (steg för steg)

Den glykolytiska vägen består av tio sekventiella steg och börjar med en molekyl glukos. Under processen "glukosmolekylen" aktiveras eller "bereddes" med tillsats av två fosfater, vilket reverserar två ATP-molekyler.

Senare "skärs" det i två fragment och slutligen modifieras det kemiskt ett par gånger, och syntetiserar fyra ATP-molekyler längs vägen, så att nettovinsten för vägen motsvarar två ATP-molekyler.

Från ovanstående kan man dra slutsatsen att vägen är uppdelad i en energi "inversionsfas", grundläggande för fullständig oxidation av glukosmolekylen, och en annan energi "förstärkning" -fas, där den energi som initialt används ersätts och två erhålls. netto ATP-molekyler.

- Energinvesteringsfasen

1- Det första steget i den glykolytiska vägen består av fosforylering av glukos medierat av hexokinas (HK), för vilket enzymet använder en molekyl ATP för varje molekyl glukos som är fosforylerad. Det är en irreversibel reaktion och beror på närvaron av magnesiumjoner (Mg2 +):

Glukos + ATP → Glukos 6-fosfat + ADP

2- Det således producerade glukos 6-fosfatet isomeriseras till fruktos 6-fosfat tack vare verkan av enzymet fosfoglukosisomeras (PGI). Detta är en reversibel reaktion och innebär inte ytterligare energiutgifter:

Glukos 6-fosfat → Fruktos 6-fosfat

3- Därefter involverar ytterligare ett energiinversionssteg fosforylering av fruktos 6-fosfat för att bilda fruktos 1,6-bisfosfat. Denna reaktion katalyseras av enzymet fosfofruktokinas-1 (PFK-1). Liksom det första steget i vägen är fosfatgruppens givarmolekyl ATP och det är också en irreversibel reaktion.

Fruktos 6-fosfat + ATP → Fruktos 1,6-bisfosfat + ADP

4- I detta steg av glykolys finns det den katalytiska nedbrytningen av fruktos-1,6-bisfosfat till dihydroxiacetonfosfat (DHAP), en ketos och glyceraldehyd 3-fosfat (GAP), en aldos. Denna aldolkondensation katalyseras av enzymet aldolas och är en reversibel process.

Fruktos 1,6-bisfosfat → dihydroxiacetonfosfat + glyceraldehyd 3-fosfat

5- Den sista reaktionen i energinversionsfasen består av omvandlingen av triosfosfat DHAP och GAP katalyserad av enzymet triose-fosfatisomeras (TIM), ett faktum som inte kräver ytterligare energiintag och är också en reversibel process.

Dihydroxyacetonfosfat ↔ Glyceraldehyd 3-fosfat

- Energivinstfasen

6- Glyceraldehyd 3-fosfat används "nedströms" i den glykolytiska vägen som ett substrat för en oxidationsreaktion och en annan för fosforylering, katalyserad av samma enzym, glyceraldehyd 3-fosfatdehydrogenas (GAPDH).

Enzymet katalyserar oxidationen av molekylens C1-kol till en karboxylsyra och dess fosforylering i samma position, vilket ger 1,3-bisfosfoglycerat. Under reaktionen reduceras 2 molekyler av NAD + för varje glukosmolekyl och 2 molekyler av oorganiskt fosfat används.

2Glyceraldehyd 3-fosfat + 2NAD + + 2Pi → 2 (1,3-bisfosfoglycerat) + 2NADH + 2H

I aeroba organismer passerar varje NADH som produceras på detta sätt genom elektrontransportkedjan för att tjäna som ett substrat för syntes av 6 ATP-molekyler genom oxidativ fosforylering.

7- Detta är det första ATP-syntessteget i glykolys och involverar verkan av fosfoglyceratkinas (PGK) på 1,3-bisfosfoglycerat, och överför en fosforylgrupp (fosforylering av substratnivå) från denna molekyl till en molekyl av ADP, vilket ger 2ATP och 2 molekyler 3-fosfoglycerat (3PG) för varje molekyl glukos.

2 (1,3-bisfosfoglycerat) + 2ADP → 2 (3-fosfoglycerat) + 2ATP

8- 3-fosfoglycerat fungerar som ett substrat för enzymet fosfoglyceratmutas (PGM), som omvandlar det till 2-fosfoglycerat genom förflyttning av fosforylgruppen från kol 3 till kol 2 genom en tvåstegsreaktion som är reversibel och beroende av magnesiumjoner (Mg + 2).

2 (3-fosfoglycerat) → 2 (2-fosfoglycerat)

9- Enolasenzymet dehydratiserar 2-fosfoglyceratet och producerar fosfoenolpyruvat (PEP) genom en reaktion som inte motiverar tillsats av ytterligare energi och vars syfte är att producera en högenergiförening, som kan donera sin fosforylgrupp i följande reaktion.

2 (2-fosfoglycerat) → 2 fosfoenolpyruvat

10- Fosfoenolpyruvat är ett substrat för enzymet pyruvat-kinas (PYK), som ansvarar för överföringen av fosforylgruppen i denna molekyl till en ADP-molekyl, vilket katalyserar en annan fosforyleringsreaktion på substratnivån.

I reaktionen produceras 2ATP och 2 pyruvatmolekyler för varje glukos och närvaron av kalium och magnesium i jonform är nödvändig.

2Phosfoenolpyruvat + 2ADP → 2Pyruvat + 2ATP

Nettoutbytet av glykolys består på detta sätt av 2ATP och 2NAD + för varje glukosmolekyl som kommer in i vägen.

Om det är celler med aerob metabolism, producerar den totala nedbrytningen av en glukosmolekyl mellan 30 och 32 ATP genom Krebs-cykeln och elektrontransportkedjan.

Produkter av glykolys

Den allmänna reaktionen av glykolys är som följer:

Glukos + 2NAD + + 2ADP + 2Pi → 2Pyruvat + 2ATP + 2NADH + 2H +

Om det analyseras kort kan det därför säkerställas att huvudprodukterna i den glykolytiska vägen är pyruvat, ATP, NADH och H.

Det metaboliska ödet för varje reaktionsförmedlare beror emellertid till stor del på cellulära behov, varför alla mellanprodukter kan betraktas som reaktionsprodukter och kan listas enligt följande:

- Glukos 6-fosfat

- Fruktos 6-fosfat

- Fruktos 1,6-bisfosfat

- Dihydroxyacetonfosfat och glyceraldehyd 3-fosfat

- 1,3-bisfosfoglycerat

- 3-fosfoglycerat och 2-fosfoglycerat

- Fosfoenolpyruvat och pyruvat

Betydelse

Trots att glykolys i sig själv (man kan tala om anaerob glykolys) endast producerar cirka 5% av ATP som kan extraheras från den aeroba katabolismen av glukos, är denna metabola väg väsentlig av flera skäl:

- Det fungerar som en "snabb" energikälla, särskilt i situationer där ett djur måste komma ur ett vilotillstånd, för vilket de aeroba oxidationsprocesserna inte skulle vara tillräckligt snabba.

- De "vita" skelettmuskelfibrerna i människokroppen, till exempel, är snabbt ryckande fibrer och beror på anaerob glykolys för att fungera.

- När en cell av någon anledning behöver klara sig utan några av sina mitokondrier (som är organellerna som bland annat utför oxidativ fosforylering av en del av de glykolytiska produkterna) blir cellen mer beroende av den energi som erhålls genom glykolytisk väg.

- Många celler är beroende av glukos som en energikälla via glykolytika, bland dem röda blodkroppar , saknade inre organeller, och ögats celler (särskilt de i hornhinnan) som inte har en hög täthet av mitokondrier skiljer sig ut.

referenser

1. Canback, B., Andersson, SGE, & Kurland, CG (2002). Den globala fylogeny av glykolytiska enzymer. Proceedings of the National Academy of Sciences, 99 (9), 6097-6102.
2. Chaudhry R, ​​Varacallo M. Biokemi, glykolys. . I: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing; 2020 jan. Tillgänglig från: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK482303/
3. Fothergill-Gilmore, LA, & Michels, PA (1993). Utveckling av glykolys. Framsteg inom biofysik och molekylärbiologi, 59 (2), 105-235.
4. Kim, JW, & Dang, CV (2005). Mångfacetterade roller av glykolytiska enzymer. Trender i biokemiska vetenskaper, 30 (3), 142-150.
5. Kumari, A. (2017). Sweet Biochemistry: Remembering Structures, Cycles and Pathways av Mnemonics. Academic Press.
6. Li, XB, Gu, JD, & Zhou, QH (2015). Granskning av aerob glykolys och dess viktiga enzymer - nya mål för lungcancerterapi. Thoracic cancer, 6 (1), 17-24.