Glikolízis

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2021. december 5-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 7 szerkesztést igényelnek .

A glikolízis , vagy az Embden-Meyerhof-Parnasszus út [1] (a görög γλυκός - édes és a görög λύσης - hasítás) a glükóz oxidációjának folyamata , amelyben két piruvinsav- molekula keletkezik egy glükózmolekulából . A glikolízis egymást követő enzimreakciók láncolatából áll, és az energia tárolásával jár ATP és NADH formájában . A glikolízis a glükóz- katabolizmus univerzális útja, és az élő sejtekben található három (a pentóz-foszfát- és az Entner-Doudoroff-útvonal mellett) glükóz-oxidációs út egyike . A glikolízis teljes reakciója a következő:

Glükóz + 2 NAD + + 2 ADP + 2 P i → 2 piruvát + 2 NAD * H + 2 H + + 2 ATP + 2 H 2 O [2] .

A glikolízishez nincs szükség oxigénre . Aerob körülmények között a piroszőlősav tovább dekarboxilálódik , koenzim A - val kombinálódik , és részt vesz a Krebs-ciklusban . Anaerob körülmények között ( hipoxia alatt) a piruvát tejsavvá redukálódik, vagy az erjedés során további átalakulásokon megy keresztül [3] [4] .

Általános áttekintés

A hat szénatomos glükózcukor két molekulájára három szénatomos piruvátra bontása 10 lépésben történik, amelyek közül az első 5 az előkészítő szakasz az ATP fogyasztásával, a következő 5 pedig a piruvát képződésével kapcsolatos szakasz. ATP . A glikolízis során keletkező összes cukor és származéka D-izomer . A glikolízis reakciói során a glükóz először a hatodik szénatomnál (C-6) lévő hidroxilcsoportnál foszforilálódik , így glükóz-6-foszfát keletkezik ( 1. lépés ). A glükóz-6-foszfátot ezután fruktóz -6-foszfáttá izomerizálják ( 2. lépés ), amely ismét foszforilálódik, ezúttal az első szénatomnál lévő hidroxilcsoportnál, így fruktóz-1,6-biszfoszfát keletkezik ( 3. lépés ). Mindkét foszforilációs reakcióban az ATP a foszforilcsoport donora. Ezenkívül a fruktóz-1,6-biszfoszfát két három szénatomos molekulára - dihidroxi-aceton-foszfátra és glicerinaldehid-3-foszfátra - hasad ( 4. szakasz ), ez a szakasz adta az egész út nevét. A dihidroxiaceton-foszfát glicerinaldehid-3-foszfáttá izomerizálódik ( 5. szakasz ), így az előkészítő lépés végére 2 molekula glicerinaldehid-3-foszfát képződik glükózból, amelyek ezt követően ugyanazon átalakulásokon mennek keresztül. A 2. lépésben izomerizáció szükséges a további foszforilációhoz, valamint a C-C kötés hasítása a 4. lépésben, amint azt az alábbiakban részletesebben bemutatjuk. Ugyanakkor a glikolízis előkészítő szakaszában 2 ATP molekula elfogy, ami növeli az út köztes vegyületeinek szabad energiáját [5] .

Az energiaelőny a glikolízis második szakaszából származik, amihez az ATP képződése társul. A gliceraldehid-3-foszfát két molekula mindegyikét foszforsav oxidálja és foszforilálja ( nem pedig ATP ), így 1,3-biszfoszfoglicerinsav keletkezik ( 6. lépés ). Energia szabadul fel, amikor két molekula 1,3-biszfoszfoglicerát két piruvát molekulává alakul ( 7-10. lépés ), és ennek az energiának a nagy része raktározódik, amikor foszfátcsoportot adunk négy ADP-molekulához, így négy ATP-molekula jön létre. . A teljes hozam 2 ATP molekula glükózmolekulánként, mivel 2 ATP molekula fogy el az előkészítő lépésben. Ezenkívül a glikolízis második szakaszában az energia egy része glükózmolekulánként két redukált NADH molekula képződésében tárolódik [4] .

Így a glikolízis a következő típusú kémiai átrendeződéseket foglalja magában:

Tehát a glikolízis általános egyenlete:

Glükóz + 2NAD + + 2ADP + 2P i → 2 piruvát + 2NADH + 2H + 2ATP + 2H 2 O [2] .

A foszforilációs intermedierek jelentősége

A glükóztól a piruvátig vezető út 9 intermedierje mindegyike ortofoszforsav - maradékokat tartalmaz . Úgy tűnik, a foszfátcsoportok ebben az esetben a következő 3 funkciót látják el:

Mechanizmus

1. szakasz : előkészítő szakasz

A glikolízis előkészítő lépésében a hat szénatomos glükóz molekula két trióz foszfátra hasad. Ez két ATP-molekulát fogyaszt [7] . A glikolízis előkészítő lépése 5 reakciót tartalmaz, amelyeket az alábbiakban részletezünk.

1. szakasz : Glükóz foszforiláció

A glikolízis első reakciójában a glükózmolekula a hatodik szénatomnál (C-6) foszforilálódik, és glükóz-6-foszfát képződik , míg az ATP a foszforilcsoport donoraként működik [8] :

Enzim Kofaktor A szabadenergia változása
(ΔG' o , kJ/mol)
Hexokináz Mg2 + −16.7

Ezt a reakciót a hexokináz enzim katalizálja (celluláris körülmények között a hexokináz nem képes a fordított reakció végrehajtására). A kinázok – enzimek – csoportjába tartozik, amelyek egy terminális foszforilcsoport átvitelét katalizálják ATP-ről egy akceptorra – egy nukleofilre . A hexokináz esetében az akceptor egy hexóz, általában D-glükóz, bár egyes szövetekben a hexokináz más gyakori hexózok, például D - fruktóz és D - mannóz foszforilációját is katalizálhatja [8] (a részleteket lásd alább). .

Sok más kinázhoz hasonlóan a hexokináz működéséhez Mg 2+ ionok jelenléte szükséges , mivel ennek az enzimnek a megfelelő szubsztrátja nem az ATP 4- , hanem az MgATP 2 -komplex . A magnéziumion „lefedi” az ATP-foszfátcsoportok negatív töltésének egy részét , így a terminális foszforatom hozzáférhetőbbé válik a glükóz hidroxilcsoportjának nukleofil támadása számára. Glükózhoz kötve a hexokináz jelentősen megváltoztatja konfigurációját, ATP-hez kötve a két doménje 8 Å -rel közelíti egymást . Ez a megközelítés közelebb hozza az enzimhez kötött ATP-t a szintén hozzákötött glükózmolekulához, és megakadályozza a víz bejutását az oldatból az aktív centrumba , ami egyébként az ATP molekulában lévő foszfoanhidrid kötéseket hidrolizálná . A glikolízis többi 9 enziméhez hasonlóan a hexokináz is oldható citoszol fehérje [8] .

Az emberi genom 4 különböző hexokinázt (I-IV) kódol, amelyek ugyanazt a reakciót katalizálják (két vagy több enzimet, amelyek ugyanazt a reakciót katalizálják, de különböző gének kódolják , izoenzimeknek nevezzük ). A hexokináz IV, más néven glükokináz , jelen van a hepatocitákban , és bizonyos kinetikai és szabályozó tulajdonságokban különbözik más hexokinázoktól, és fontos élettani szerepet játszik [8] .

2. szakasz : glükóz-6-foszfát izomerizációja

A foszfohexóz-izomeráz vagy foszfoglükóz-izomeráz enzim katalizálja a glükóz-6-foszfát ( aldóz ) fruktóz-6-foszfáttá ( ketóz ) való reverzibilis izomerizációját [8] :

Enzim Kofaktor A szabadenergia változása
(ΔG' o , kJ/mol)
Foszfohexóz-izomeráz
vagy glükóz-izomeráz		 Mg2 + 1.7

Ennek a reakciónak a mechanizmusa egy enodiol intermedier képződése . Ez a reakció mindkét irányban egyformán jól megy végbe, amint az a kis ΔG′ o alapján várható . Ez az izomerizáció kulcsszerepet játszik a glikolízis minden későbbi átalakulásában, mivel a következő két lépésben a C-1 és C-2 karbonil- és hidroxilcsoportjainak átrendeződése szükséges. A következő szakaszban végbemenő foszforilációhoz az szükséges, hogy a C-1-ben a karbonilcsoport hidroxilcsoporttá rendeződjön át, a negyedik szakaszhoz pedig - a C-3 és C-4 közötti kötés feltörése - egy karbonilcsoport a C-2-nél szükséges [8] .

3. szakasz : a fruktóz-6-foszfát foszforilációja

A glikolízis harmadik reakciójában, amely az ATP fogyasztásával megy végbe, a foszfofruktokináz-1 enzim katalizálja a foszforilcsoport ATP-ről fruktóz-6-foszfáttá történő átvitelét, fruktóz-1,6-biszfoszfát képződésével [8] :

Enzim Kofaktor A szabadenergia változása
(ΔG' o , kJ/mol)
Foszfofruktokináz-1 Mg2 + −14.2

Sejtkörülmények között a foszfofruktokináz nem tudja visszafordítani ezt a reakciót, és ez a reakció az első olyan reakció, amelynek terméke (fruktóz-1,6-biszfoszfát) csak további glikolízis reakciókban vesz részt, mert glükóz-6-foszfát és fruktóz-6-foszfát is részt vehet . más[ mi? ] folyamatok [9] .

Egyes, általában anaerob baktériumokban és protistákban a foszfofruktokináz pirofoszforsavat (PPi ) használ foszforilcsoport-donorként, nem pedig ATP-t a fruktóz-1,6-biszfoszfát képzéséhez:

Fruktóz-6-foszfát + PP i → fruktóz-1,6-biszfoszfát + P i , ΔG′ o = -2,9 kJ/mol, a reakció Mg 2+ jelenlétében megy végbe [9] .

A növényi sejtekben egyaránt van ATP-függő foszfofruktokináz és pirofoszfát-függő foszfofruktokináz (az utóbbi által katalizált reakció reverzibilis) [10] . A pirofoszfát-dependens foszfofruktokináz a citoszolban lokalizálódik, és stressz, ATP-hiány (például anoxia során ) és foszforéhezés esetén aktiválódik [11] .

A foszfofruktokináz-1 alloszterikusan szabályozott . Aktivitása növekszik, ha a sejt ATP-készletei kimerülnek, és az ATP bomlástermékei (ADP és AMP ) felhalmozódnak. Éppen ellenkezőleg, elegendő mennyiségű ATP és egyéb jelenlétében[ mi? ] erőforrásokat, tevékenységét elnyomják. Egyes organizmusokban a fruktóz-2,6-biszfoszfát a foszfofruktokináz 1 potenciális alloszterikus szabályozója. Közvetve ennek az enzimnek az aktivitását a ribulóz-5-foszfát is növeli (a pentóz-foszfát út köztiterméke , egy másik glükóz). oxidációs út) [9] (a glikolízis enzimek szabályozásáról bővebben lásd alább).

4. lépés : Fruktóz 1,6-biszfoszfát hasítás

A fruktóz-1,6-biszfoszfát- aldoláz, vagy egyszerűen csak aldoláz enzim reverzibilis aldolkondenzációt katalizál . A fruktóz-1,6-biszfoszfát két különböző trióz-foszfátra hasad: glicerinaldehid-3-foszfátra (aldóz) és dihidroxi-aceton-foszfátra (ketóz) [9] :

Enzim Kofaktor A szabadenergia változása
(ΔG' o , kJ/mol)
Aldoláz 23.8

Az aldolázoknak 2 osztálya van. Az I. osztályú aldolázok állatokban és növényekben találhatók meg, és aktivitásukat egy közbenső Schiff-bázis képződése kíséri . A II. osztályú aldolázok gombákban és baktériumokban jelen vannak , munkájuk során nem képződnek köztes Schiff-bázisok. Ehelyett az enzim aktív helyén lévő cinkion a 2-es szénatomon lévő karbonilcsoport oxigénatomjához kötődik. A Zn 2+ ion polarizálja a karbonilcsoportot és stabilizálja a C-C kötés felhasadásakor keletkező enol intermediert [12] .

Bár az aldoláz által katalizált reakció pozitív ΔG'o -val rendelkezik a fruktóz-1,6-biszfoszfát hasítása irányában, a sejtben elérhető reagensek alacsony koncentrációja mellett a szabadenergia valódi változása kicsi, és az aldoláz reakció reverzibilis. . Ezzel ellentétes irányban az aldoláz reakció a glükoneogenezis során megy végbe [12] .

5. lépés : trióz-foszfátok izomerizálása

Az aldoláz reakció két terméke közül csak az egyik, a gliceraldehid-3-foszfát vehet részt a glikolízis további átalakulásában. Egy másik terméket, a dihidroxi-aceton -foszfátot a trióz-foszfát-izomeráz enzim gyorsan és reverzibilisen glicerinaldehid-3-foszfáttá alakítja [12] :

Enzim Kofaktor A szabadenergia változása
(ΔG' o , kJ/mol)
Trióz foszfát izomeráz 7.5

Ennek a reakciónak a mechanizmusa hasonló a 2. lépésben a foszfohexóz izomeráz által katalizált reakció mechanizmusához. Így a glükóz mindkét "fele" glicerinaldehid-3-foszfáttá alakul [13] . Ez a reakció befejezi a glikolízis előkészítő lépését. A végén a C-1 és C-6 helyen foszforilált glükózmolekula két glicerinaldehid-3-foszfát molekulára hasad [13] .

2. szakasz : ATP szintézis

A glikolízis második szakasza olyan szakaszokat tartalmaz, amelyekben a glükózmolekula kémiai energiájának egy része ATP formájában tárolódik az ADP szubsztrát foszforilációja, valamint az NADH képződése miatt. A glikolízis előkészítő szakaszában képződő két glicerinaldehid-3-foszfát molekula ugyanazon átalakuláson megy keresztül a második szakaszban. Végül mindegyik piruváttá alakul, 4 ATP-molekula képződésével. A glikolízis teljes ATP-hozama azonban 2 molekula, mivel az előkészítő szakaszban 2 ATP-molekula fogyasztódik el [13] .

6. lépés : A gliceraldehid-3-foszfát oxidációja

A glikolízis második szakaszának első reakciójában a gliceraldehid-3-foszfát molekula oxidálódik és 1,3-biszfoszfogliceráttá foszforilálódik , ezt a reakciót a gliceraldehid-3-foszfát-dehidrogenáz katalizálja [13] :

Enzim Kofaktor A szabadenergia változása
(ΔG' o , kJ/mol)
Gliceraldehid-3-foszfát-dehidrogenáz 6.3

Ez az első a két energiatároló reakció közül, amelyek termékei a továbbiakban részt vesznek az ATP képződésében. A gliceraldehid-3-foszfát aldehidcsoportja oxidálódik, de nem szabad karboxilcsoporttá , hanem karbonsav- anhidriddé foszforsavval. Ennek a típusú anhidridnek, az acil-foszfátnak  nagyon magas a szabványos hidrolízisenergiája (ΔG′ o = –49,3 kJ/mol). A glicerinaldehid-3-foszfát aldehidcsoportjának oxidációjából származó szabad energia nagy része az 1,3-biszfoszfoglicerát C-1-es pontján az acil-foszfát csoport képződése során raktározódik [14] .

A reakció során a glicerinaldehid-3-foszfát kovalensen kötődik a dehidrogenázhoz. A gliceraldehid-3-foszfát aldehid csoportja kölcsönhatásba lép az enzim aktív helyén lévő cisztein maradék -SH csoportjával. Amikor a glicerinaldehid-3-foszfát kötött állapotban van, a szintén az enzim aktív helyén található NAD + protont vesz el a C-1-ből, aminek következtében ott ketocsoport képződik . A HOPO 3- szervetlen foszfátot az első atomhoz adják a cisztein kénatomjával való kötés helyett , és a foszfát protonja a külső környezetbe kerül. Így e reakció után 1,3-biszfoszfoglicerát és NADH + H + keletkezik [14] .

A sejtben lévő NAD + mennyisége (< 10 -5 M) sokkal kevesebb, mint a néhány perc alatt lebomló glükóz mennyisége. Ha a glikolízis ezen szakaszában keletkező NADH nem fogyasztódik el folyamatosan (vagyis oxidálódik), akkor a glikolízis leáll [15] .

7. lépés : A foszfátcsoport átvitele 1,3-biszfoszfoglicerátról ADP-re

A foszfoglicerát kináz enzim egy nagy energiájú foszforilcsoportot visz át az 1,3-biszfoszfoglicerát karboxilcsoportjából az ADP -be, ami ATP és 3-foszfoglicerát képződését eredményezi [15] :

Enzim Kofaktor A szabadenergia változása
(ΔG' o , kJ/mol)
Foszfoglicerát kináz Mg2 + −18.5

Ez az enzim a nevét a fordított reakcióról kapta, amelyben egy foszfátcsoport ATP-ből 3-foszfogliceráttá alakul át . A reakció mindkét irányát katalizálja. A 3-foszfoglicerát foszforilációs reakcióját katalizálja a glükoneogenezis és a CO 2 fotoszintetikus felvétele során [16] .

A glikolízis 6. és 7. szakaszát energetikai szempontból együtt tekintjük[ kitől? ] és egyetlen folyamatot alkotnak, amelyben az 1,3-biszfoszfoglicerát köztitermék. Ezen reakciók közül az elsőben képződik (ami maga is endergon ), és foszfátcsoportja a második, szigorúan exergonikus reakcióban kerül át ADP-be. A 6. és 7. lépést kombináló folyamat általános egyenlete a következő:

Gliceraldehid-3-foszfát + ADP + P i + NAD + ⇌ 3-foszfoglicerát + ATP + NADH + H + , ΔG′ o = –12,2 kJ/mol [16] .

Ezért a 6. és 7. lépés együtt alkotja az exergonikus folyamatot. Mindkét reakció sejtkörülmények között reverzibilis, és az általuk létrehozott folyamat biztosítja az aldehidcsoport ADP-ből és foszforsavból történő képződése során karboxilcsoporttá történő oxidációja során keletkező energia tárolását ATP formájában. Az ATP képződését egy foszforilcsoportnak egy szubsztrátról (ebben az esetben 1,3-biszfoszfoglicerátról ) ADP-re történő átvitele során szubsztrát-foszforilációnak nevezik , ellentétben a légzési láncban előforduló oxidatív foszforilációval. Az oldható enzimek és kémiai intermedierek (jelen esetben az 1,3-biszfoszfoglicerát ) részt vesznek a szubsztrát foszforilációjában, a membránhoz kötött fehérjék pedig az oxidatív foszforilációban , a transzmembrán proton gradiensnek köszönhetően pedig ATP képződik [16] .

8. lépés : A 3-foszfoglicerát átalakítása 2-foszfogliceráttá

A foszfoglicerát-mutáz enzim katalizálja a foszforilcsoport reverzibilis átvitelét a glicerát C3-ból C2-be, ami 2 - foszfoglicerinsav képződéséhez vezet . Ehhez a reakcióhoz Mg 2+ szükséges [16] :

Enzim Kofaktor A szabadenergia változása
(ΔG' o , kJ/mol)
Foszfoglicerát mutáz Mg2 + 4.4

A reakciót két lépésben hajtjuk végre. Először is, a foszfoglicerát-mutáz aktív helyén a hisztidin -maradékhoz kapcsolódó foszforilcsoport helyettesíti a hidrogénatomot a hidroxilcsoportban a 3-foszfoglicerát C2 szénatomjánál , és 2,3-biszfoszfoglicerátot képez , amelyet egy másik hisztidinmaradék köt meg. A 2,3-biszfoszfoglicerát C 3 szénatomján lévő foszforilcsoport ezután ahhoz a hisztidin-maradékhoz költözik, amelyhez a C2-be átvitt foszfát kötődött , és a helyét a második hisztidin-maradékhoz kötött proton helyettesíti. Így egy ilyen ciklus végére 2-foszfoglicerát képződik, és az enzim foszforilálódik [17] .

9. lépés : A 2-foszfoglicerát dehidratálása

A második glikolízis reakcióban, amely nagyobb foszfátátviteli potenciállal rendelkező vegyületet állít elő (az első a 6. lépés volt), az enoláz enzim katalizálja a víz reverzibilis eltávolítását ( dehidratációt ) a 2-foszfoglicerát molekulából, ami foszfoenolpiruvics képződését eredményezi. sav (PEP) [18] :

Enzim Kofaktor A szabadenergia változása
(ΔG' o , kJ/mol)
Enolase Mg2 + 7.5

Az enoláz által katalizált reakciómechanizmus magában foglalja az intermedier Mg 2+ -ionokkal történő stabilizálását . A reakció során egy viszonylag alacsony foszfáttranszport potenciállal rendelkező vegyület (ΔG'o a 2-foszfoglicerát glikolízisében –17,6 kJ/mol) egy nagy foszfáttranszport potenciállal rendelkező vegyületté ( ΔG'o a glikolízisben) a PEP értéke –61,9 kJ/mol) [18] .

10. lépés : Foszfát átvitel PEP-ről ADP-re

A glikolízis utolsó reakciójában a foszforilcsoport a foszfoenolpiruvátról ADP-re kerül át, amit piruvát kináz katalizál , aminek működéséhez K + és Mg 2+ vagy Mn 2+ ionokra van szükség [18] :

Enzim Kofaktor A szabadenergia változása
(ΔG' o , kJ/mol)
piruvát kináz K + ,
Mg2 + /Mn2 +		 −31.4

Így ez a reakció egy szubsztrát foszforiláció . Terméke, a piruvát kezdetben enol formában képződik, amely aztán gyorsan tautomerizálódik keto formává, amely pH = 7-nél (vagyis sejtkörülmények között) túlsúlyban van [18] .

Összességében ez a reakció nagy negatív változást mutat a szabad energiában a piruvát enol formájának spontán átalakulása miatt keto formává. A PEP hidrolízise során felszabaduló energia körülbelül fele (ΔG' o = -30,5 kJ/mol) az ATP-ben foszfoanhidrid kötés kialakulása során tárolódik (ΔG' o = -30,5 kJ/mol), a többi Az energia (-31,4 kJ/mol) erőteljes hajtóerő e reakció irányában az ATP képződése felé [18] .

Energia

Energetikai szempontból a glikolízisben 2 folyamat különböztethető meg:

1) A glükóz piruváttá alakulása energetikailag kedvező folyamat:

Glükóz + 2NAD + → 2 piruvát + 2NADH + 2Н + , ΔG′ 1 = -146 kJ/mol [7] ;

2) Az ATP képződése ADP-ből és 2P i -ből energetikailag kedvezőtlen folyamat:

2ADP + 2P i → 2ATP + 2Н 2 O, ΔG′ 2 = 2 (30,5 kJ/mol) = 61,0 kJ/mol [7] ;

A Gibbs-energia teljes változása a glikolízis során ΔG ′s :

ΔG′ s = ΔG′ 1 + ΔG′ 2 = −146 kJ/mol + 61 kJ/mol = −85 kJ/mol [7] .

Ezért normál körülmények között, valamint sejtkörülmények között (a normálistól eltérő) a glikolízis nagyrészt irreverzibilis folyamat a rendszer szabadenergiájának jelentős csökkenése miatt [7] .

A fenti diagramból látható, hogy csak három reakció (1, 3 és 10) megy végbe nagy szabadenergia-változással, és az egyensúly erősen eltolódik a végtermékek képződése felé, míg a többi reakció könnyen visszafordítható. A glükoneogenezis során az ellenkező irányba indulhatnak el, és ugyanazok az enzimek katalizálják őket, mint a glikolízis során. Az 1., 3. és 10. irreverzibilis reakciók esetében a glükoneogenezisben bypass útvonalakat használnak [19] .

Egyéb szénhidrátok glikolízise

A glükózon kívül sok szénhidrát is lebomlik a glikolízis útja során, de miután átalakulnak a glikolízis köztitermékei közé [20] .

Glikogén és keményítő

Az állati szövetekben tárolt glikogén glükózpolimereket és a növényekben tárolt keményítőt a sejtek a glikogén-foszforiláz (vagy a növényekben a keményítőfoszforiláz )  által végrehajtott foszforolitikus reakció, glikogenolízis révén használhatják fel energiára . Ezek az enzimek katalizálják a glikozidos kötés (α1→4) támadását, amely a két szélső, nem elágazó végén lévő glükózmaradékot összeköti egy foszfátionnal, ami glükóz -1-foszfát és egy glükóz polimer képződését eredményezi. glükóz fragmentum kevesebb, mint az eredeti. A glikozidos kötés energiájának egy része éterkötés formájában tárolódik, amely a foszfátot a glükóz-1-foszfátban lévő glükózhoz köti. A foszforiláz továbbra is lehasít egy glükózmaradékot, amíg el nem éri a poliszacharid elágazási pontját (glikozidos kötés (α1→6)), ahol megáll. A glükóz-1-foszfátot a foszfoglükomutáz enzim glükóz-6-foszfáttá alakítja , amely katalizálja a reverzibilis reakciót:

Glükóz-1-foszfát ⇌ glükóz-6-foszfát.

Ennek az enzimnek a hatásmechanizmusa megegyezik a foszfoglicerát-mutázéval. A reakció során képződő glükóz-6-foszfát további szerepet játszhat a glikolízisben vagy a pentóz-foszfát folyamatban [21] .

A fent leírt helyzet csak a sejten belül tárolt glikogénre és keményítőre jellemző. A táplálékból származó glikogén és keményítő emésztőrendszerben történő foszforolízisének nincs előnye a hagyományos hidrolízissel szemben : mivel a sejtmembránok áthatolhatatlanok a cukor-foszfátokkal szemben, a foszforolízis során képződő glükóz-6-foszfátot először közönséges cukorrá kell alakítani 21] . Például az α-amiláz emésztőenzim által végzett hidrolízis során a glikozidkötést megtámadó részecske a víz, nem a foszfátion [20] .

Disacharidok

A diszacharidok a sejtbe való behatolásuk előtt előzetesen hidrolizálódnak a megfelelő monoszacharidokká . Az emésztőrendszerben az ilyen hidrolízist az emésztőhám sejtjeinek felületéhez kapcsolódó enzimek hajtják végre ( a megfelelő reakciót katalizáló enzim zárójelben van feltüntetve):

Dextrin (poliszacharid) + n H 2 O → n D-glükóz ( dextrináz ); Maltóz + H 2 O → 2 D-glükóz ( maltáz ); Laktóz + H 2 O → D - galaktóz + D-glükóz ( laktáz ); Szacharóz + H 2 O → D-fruktóz + D-glükóz ( szacharáz ); Trehalóz + H 2 O → 2 D-glükóz ( trehaláz ) [21] .

A keletkező monoszacharidok aktívan eljutnak a hámsejtekbe, majd bejutnak a véráramba, és különféle szövetekbe kerülnek, ahol foszforilálódnak és részt vesznek a glikolízisben [21] .

Egyéb monoszacharidok

Fruktóz

A legtöbb szervezetben a glükózon kívül más hexózok is részt vesznek a glikolízisben, miután foszforilált származékká alakulnak. A fruktóz glikolitikus lebontását fruktolízisnek [22] nevezik . A D-fruktózt, amely sok gyümölcsben szabad formában van jelen, és gerinceseknél a vékonybélben a szacharóz hidrolízise során képződik , a hexokináz foszforilálja:

Fruktóz + ATP → fruktóz-6-foszfát + ADP (a reakció Mg 2+ jelenlétében megy végbe ) [23] .

Ez az út a fő mechanizmus, amellyel a fruktóz részt vesz az izom- és veseglikolízisben . A májban másképpen vesz részt a glikolízisben. A fruktokináz májenzim katalizálja a fruktóz foszforilációját a C-1-ben, nem a C-6-ban:

Fruktóz + ATP → fruktóz-1-foszfát + ADP (a reakció Mg 2+ jelenlétében megy végbe ).

Ezenkívül a fruktóz-1-foszfátot a fruktóz-1-foszfát-aldoláz enzim glicerinaldehiddé és dihidroxi-aceton -foszfáttá hasítja . Ezenkívül a dihidroxi-aceton -foszfátot glicerinaldehid-3-foszfáttá alakítja a trióz-foszfát-izomeráz glikolitikus enzim, a glicerinaldehidet pedig az ATP és a triosekináz enzim glicerinaldehid-3-foszfáttá foszforilezi:

Gliceraldehid + ATP → Gliceraldehid-3-foszfát + ADP (a reakció Mg 2+ jelenlétében megy végbe ).

A keletkező 2 molekula glicerinaldehid-3-foszfát részt vesz a glikolízisben [23] . Az alábbiakban a fenti folyamatok diagramja látható:

Galaktóz

A D-galaktóz, a laktóz hidrolízis terméke a bélből a vérbe szívódik fel , ahonnan a májba kerül , ahol a galaktokináz C-1-en foszforilálja az ATP fogyasztásával:

Galaktóz + ATP → galaktóz-1-foszfát + ADP (a reakció Mg 2+ jelenlétében megy végbe ).

A galaktóz-1-foszfát a C-4-ben tovább epimerizálódik glükóz-1-foszfáttá egy sor reakció során, amelyben az uridin-difoszfát (UDP) koenzimszerű hexóz transzporterként működik. Az epimerizálás során először a 4-es szénatomon lévő hidroxilcsoportot ketocsoporttá oxidálják, majd a ketocsoportot fordított hidroxilcsoporttá redukálják. Ebben a két oxidációs és redukciós reakcióban a NAD kofaktorként működik [23] . Az alábbiakban a leírt folyamat diagramja látható:

Mannose

A D - mannóz , amely számos poliszacharid és glikoprotein emésztési lebontása során keletkezik, a hexokináz C-6-on foszforilálható:

Mannóz + ATP → mannóz-6-foszfát + ADP (a reakció Mg 2+ jelenlétében megy végbe ).

A mannóz-6-foszfátot a foszfomannóz-izomeráz enzim tovább izomerizáljafruktóz -6-foszfáttá , a glikolízis közbenső termékévé [23] .

rendelet

A glikolízis szabályozását általában a fordított folyamat - glükoneogenezis - szabályozásával együtt hajtják végre . Emlősökben a glükoneogenezis főként a májban megy végbe, ahol a glükóz szintetizálása a más szövetekbe történő szállítás érdekében olyan helyzetekben, amikor a glikogénraktárak kimerültek, és a szervezet nem jut elegendő glükózhoz táplálékkal. Mint fentebb említettük, a glükoneogenezis során a tízből hét glikolízis reakció reverzibilitása miatt ezek a reakciók ellentétes irányban mennek végbe, és ugyanazok az enzimek katalizálják őket, míg az irreverzibilis reakciókhoz (1, 3 és 10) kerülőutakat alkalmaznak. Ezek a bypass reakciók szintén visszafordíthatatlanok. Így a glükoneogenezis során a piruvát foszfoenolpiruváttá alakul az oxál -acetát képződés közbenső szakaszán keresztül a katalízis során a piruvát-karboxiláz , amely a piruvátot oxálacetáttá alakítja, és a foszfoenol -piruvát-karboxináz en], amely a piruvát-karboxináz [enoszphalofát], amely a piruvát-tenosz- acetofent alakítja át. színpad). A harmadik szakasz bypass reakciója a fruktóz-1,6-biszfoszfát átalakítása fruktóz-6-foszfáttá a fruktóz-1,6-biszfoszfatáz enzim által , az első szakaszban pedig a glükóz-6-foszfát átalakítása. glükózt glükóz-6-foszfatázzal [24] .

A hexokináz szabályozása

A hexokinázt, amely az 1. szakaszban katalizálja a glükóz foszforilációját, az emberi szervezetben négy izoforma (I-IV) képviseli. Különböző gének kódolják őket.[ mi? ] , de ugyanazt a reakciót katalizálják. A myocitákban a hexokináz II , amelynek nagy affinitása van a glükózhoz, dominál – féltelítettsége 0,1 mM glükóznál következik be . Mivel a glükóz a vérből jut be a szívizomsejtekbe, ahol a glükózkoncentráció 4-5 mM, a sejten belüli glükózkoncentrációt elegendően tartják a hexokináz II telítéséhez, és ez az enzim teljes erővel működik. Az izomhexokináz I-et és II-t termékük, a glükóz-6-foszfát allosztérikusan gátolja, így amikor a glükóz-6-foszfát intracelluláris koncentrációja a normál szint fölé emelkedik, akkor ezen enzimek aktivitása átmenetileg visszafordítható. Így a glükóz-6-foszfát képződési sebessége egyensúlyban van lebomlásának sebességével [25] .

A hexokináz izoformák a májban és az izomzatban a szénhidrát-anyagcserében különböző szerepet töltenek be: az izmokban a glükóz energiát használ fel, a máj pedig a glükóz fogyasztásával vagy a koncentrációtól függően glükoneogenezis útján alakítja ki a vércukorkoncentrációt. A májban a hexokináz IV (glukokináz) dominál, amely három fontos vonatkozásban különbözik az izomhexokináz I-III-tól. Először is, az a glükózkoncentráció, amelynél a hexokináz IV félig telítődik, körülbelül 10 mM, ami magasabb, mint a normál vércukorkoncentráció. A hepatociták citoszoljában és a vérben a glükózkoncentráció gyors kiegyenlítése biztosítja a glükóz transzporter fehérjék, a GLUT2 jelenlétét a hepatociták membránjában . Amikor a vércukorszint megemelkedik, például egy szénhidrátban gazdag étkezés után, a felesleges glükóz a hepatocitákba kerül, ahol a hexokináz IV glükóz-6-foszfáttá alakítja. Mivel a hexokináz IV nincs telítve 10 mM glükóz mellett, aktivitása tovább növekszik, ha a glükózkoncentráció 10 mM vagy többre emelkedik. Alacsony vércukorkoncentráció esetén a hepatocitákban való koncentrációja nem elegendő a hexokináz IV működéséhez, és a glükoneogenezis során képződött glükóz elhagyja a sejtet, és nem foszforilálódik. Másodszor, a hexokináz IV-et nem gátolja a glükóz-6-foszfát, ezért továbbra is működhet akkor is, ha a glükóz-6-foszfát felhalmozódása teljesen gátolja az I-III hexokinázt. Végül, harmadszor, a hexokináz IV elnyomódik, ha a szabályozó fehérje reverzibilisen kötődik hozzá.[ mi? ] , amely csak a májban található. Ez a fehérje a leghatékonyabban kötődik a hexokináz IV-hez az alloszterikus szabályozó, a fruktóz-6-foszfát jelenlétében . A glükóz azonban verseng a fruktóz-6-foszfátnak ehhez a fehérjéhez való kötődéséért, ami ahhoz kötve a fehérje és az enzim komplexének disszociációját okozza, és gyengíti aktivitásának elnyomását. Közvetlenül egy szénhidrátban gazdag étkezés után, amikor magas a vércukorszint, a glükóz a GLUT2-n keresztül bejut a hepatocitákba, és a fent leírt mechanizmussal aktiválja a hexokináz IV-et. Éhgyomorra, amikor a vércukorszint 5 mM alá esik, a fruktóz-6-foszfát aktiválja a hexokináz IV szuppresszióját ezzel a szabályozó fehérjével, ami miatt a máj nem versenyez más szervekkel a glükózfelvételért. A szabályozó fehérje általi gátlás ezen mechanizmusa abból a szempontból is érdekes, hogy ez a fehérje rögzíti a hexokináz IV -et a sejtmagban , így az elválik a citoszolban lokalizált többi glikolízis enzimtől. A citoszolban lévő glükózkoncentráció növekedésével a glükóz koncentrációjával a sejtmagban a magpórusokon keresztül történő szállítás révén kiegyenlítődik . A glükóz a szabályozó fehérje disszociációját okozza, a hexokináz IV belép a citoszolba, és elkezdi foszforilálni a glükózt [26] .

A hexokináz IV és a glükóz-6-foszfatáz szintén a transzkripció szintjén szabályozott (a transzkripciós szabályozásról bővebben lásd alább) [27] .

A foszfofruktokináz-1 szabályozása

Mint már említettük, a glükóz-6-foszfát részt vehet mind a glikolízisben, mind más folyamatokban, beleértve a glikogén szintézist és a pentóz-foszfát folyamatot. A foszfofruktokináz-1 (PFK-1) által katalizált, metabolikusan irreverzibilis reakció egy olyan lépés, amely szigorúan rögzíti ennek a glükózmolekulának csak a glikolízisben való részvételét. A szubsztrátkötő helyek mellett ez a komplex enzim számos szabályozó hellyel rendelkezik, amelyek alloszterikus aktivátorokhoz vagy inhibitorokhoz kötődnek [27] .

Az ATP nemcsak a PFK-1 szubsztrátja, hanem a glikolízis végterméke is. Amikor az ATP magas szintje a sejtben azt jelzi, hogy az ATP termelése meghaladja a fogyasztását, az ATP egy speciális alloszterikus helyen kötődik a PFK-1-hez, és csökkenti ennek az enzimnek az affinitását a fruktóz-6-foszfát szubsztráthoz . Az ADP és az AMP , amelyek koncentrációja nő, ha az ATP-fogyasztás meghaladja a képződését, allosztérikusan kötődnek a PFK-1-hez, és csökkentik az ehhez az enzimhez kötött ATP gátló hatását. Ezek a mechanizmusok hozzájárulnak az enzim aktivitásának növekedéséhez az ADP vagy AMP felhalmozódásával és az ATP felhalmozódásának csökkenésével [28] .

A citrát , a piruvát, a zsírsavak és az aminosavak aerob oxidációjának kulcsfontosságú köztiterméke, a PFK-1 alloszterikus szabályozója is. A citrát magas koncentrációja fokozza az ATP gátló hatását, tovább csökkentve a glükóz lebomlását a glikolízis során. Ebben az esetben, akárcsak az alábbiakban leírt más esetekben, a citrát intracelluláris jelként működik, jelezve, hogy a sejt kielégíti energiaszükségletét a zsírok és fehérjék oxidációja során [28] .

A glikolízisben a PFK-1 által katalizált reakció megfelel a glükoneogenezis reakciójának, amelyben a fruktóz-1,6-biszfoszfát fruktóz-6-foszfáttá alakul. Ezt a reakciót a fruktóz-biszfoszfatáz-1 (FBPáz-1) enzim katalizálja. Az alloszterikus AMP-kötés erősen elnyomja az FBPáz-1-et, így amikor a sejt ATP-raktárai alacsonyak és az AMP -szint magas, az ATP-függő glükózszintézis felfüggesztődik [28] .

Így a glikolízis és a glükoneogenezis ellentétes lépései, amelyeket a PFK-1, illetve az FBPáz-1 katalizál, koordináltan és reciprok módon (azaz fordítottan) szabályozzák. Általában megfelelő koncentrációjú acetil-CoA vagy citrát ( az acetil-CoA oxál -acetáttal történő Krebs-ciklusú kondenzációjának terméke ) vagy ha a celluláris adenilát nagy része ATP formájában van, a glükoneogenezis az előnyös eljárás. Az AMP szintjének növekedésével a glikolízist a PFK-1 stimulálása stimulálja [29] .

Fruktóz 2,6-biszfoszfát, mint szabályozó

A máj különleges szerepe a vér állandó glükózszintjének fenntartásában további szabályozó mechanizmusokat igényel, amelyek koordinálják a glükóz képződését és fogyasztását. Amikor a vércukorszint csökken, a glukagon hormon jelzi a májnak, hogy több glükózt termeljen és engedjen fel a véráramba, és hagyja abba a glükóz felhasználását saját szükségleteire. A glükóz egyik forrása a májban tárolt glikogén. Egy másik forrás a glükoneogenezis, amely piruvátot, laktátot , glicerint és néhány aminosavat használ kiindulási reagensként . Ha a vércukorszint magas, egy másik hormon, az inzulin jelzi a májnak, hogy a glükózt "üzemanyagként" és prekurzorként használja fel a glikogén és triacilglicerin szintéziséhez és tárolásához [30] .

A glikolízis és glükoneogenezis gyors hormonális szabályozását a fruktóz-2,6-biszfoszfát  , a PFK-1 és FBPáz-1 enzimek alloszterikus szabályozója közvetíti. Amikor a fruktóz-2,6-biszfoszfát a PFK-1 specifikus alloszterikus helyéhez kötődik, megnöveli az enzim affinitását szubsztrátjához, a fruktóz-6-foszfáthoz , és csökkenti az affinitását az alloszterikus inhibitorokhoz, az ATP-hez és a citráthoz. A PFK-1 szubsztrátok - ATP és fruktóz-6-foszfát , valamint ezen enzim egyéb pozitív vagy negatív effektorai (ADP, AMP, citrát) fiziológiás koncentrációinál a PFK-1 inaktivált formában van , fruktóz hiányában. 2,6-biszfoszfát . Az FBPáz-1-en a fruktóz-2,6-biszfoszfát ellenkező hatást fejt ki: csökkenti a szubsztrátok iránti affinitását, és ezáltal lassítja a glükoneogenezist [31] .

Az alloszterikus szabályozó fruktóz-2,6-biszfoszfát sejtkoncentrációja képződése és pusztulása relatív sebességének összege. A foszfofruktokináz-2 (PFK-2) enzim által a fruktóz-6-foszfát foszforilezésével jön létre , és a fruktóz-2,6-biszfoszfatáz (FBPáz-2) tönkreteszi. A PFK-2 és az FBPáz-2 ugyanazon bifunkcionális fehérje két különböző enzimaktivitása. Ezen aktivitások egyensúlyát a májban, amelyek meghatározzák a fruktóz-2,6-biszfoszfát sejtszintjét, a glukagon és az inzulin szabályozza [32] .

A glukagon serkenti a máj adenilát-ciklázát, hogy az ATP -ből 3',5'- cAMP -t szintetizáljon. A cAMP továbbá aktiválja a cAMP-függő protein kinázt, amely egy foszforilcsoportot visz át az ATP-ről a PFK-2/FBPáz-2 bifunkciós fehérjére. Ennek a fehérjének a foszforilációja fokozza az FBPáz-2 aktivitását és elnyomja a PFK-2 aktivitását. Ezért a glukagon csökkenti a fruktóz-2,6-biszfoszfát szintjét a sejtben, ezáltal gátolja a glikolízist és serkenti a glükoneogenezist. Ennek oka a glukagonnak a vércukorszintet növelő hatása. Az inzulin ellenkező hatást fejt ki, mivel serkenti a foszfoprotein-foszfatáz aktivitását , amely katalizálja a foszforilcsoport átvitelét a PFK-2/FBPáz-2-ből, ami aktiválja a PFK-2-t, ami a fruktóz-2,6-biszfoszfát növekedését eredményezi. szinteket, a glikolízis stimulálását és a glükoneogenezis elnyomását [32] .

Xilulóz-5-foszfát, mint szabályozó

Egy másik szabályozó mechanizmus működése szintén a fruktóz-2,6-biszfoszfát szintjének szabályozásán alapul. Az emlősök májában a xilulóz-5-foszfát, a pentóz-foszfát reakcióút terméke, szintén részt vesz a szénhidrátban gazdag étkezés elfogyasztása utáni glikolízis sebességének növelésében. A xilulóz-5-foszfát szintje a sejtben megemelkedik, amikor a májba belépő glükóz glükóz-6-foszfáttá alakul, és mind a glikolízisben, mind a pentóz-foszfát folyamatban részt vesz. A xilulóz-5-foszfát aktiválja a foszfoprotein-foszfatáz 2A-t ( PP2A ), amely defoszforilezi a PFK-2/FBPáz-2 bifunkciós enzimet. A defoszforiláció aktiválja a PFK-2-t és elnyomja az FBPáz-2-t, ami növeli a fruktóz-2,6-biszfoszfát koncentrációját, ami stimulálja a glikolízist és elnyomja a glükoneogenezist. A glikolízis sebességének növekedése acetil-CoA képződését váltja ki, a pentóz-foszfát út sebességének növekedése pedig NADPH képződéséhez vezet. Az acetil-CoA és a NADPH kiindulási reagensként szolgál a zsírsavak szintéziséhez, így szénhidrátban gazdag élelmiszerek fogyasztásakor intenzív zsírsavszintézis megy végbe. A xilulóz-5-foszfát emellett fokozza a zsírsavszintézishez szükséges összes enzim képződését [32] .

A piruvát kináz szabályozása

A gerinceseknek legalább 3 piruvát-kináz izoenzimük van, amelyek különböznek a szövetek elhelyezkedésében és a modulátorokra adott válaszában. A magas koncentrációjú ATP, acetil-CoA, hosszú zsírsavak (az elegendő energiaellátás jelei) alloszterikusan elnyomják az összes piruvát-kináz izoenzimet. A máj piruvát-kinázát (L-forma), de nem az izmokat (M-forma), szintén a foszforiláció szabályozza. Amikor az alacsony vércukorszint glukagon felszabadulását eredményezi, a cAMP-függő protein-kináz foszforilezi a piruvát-kináz L-izoenzimét, és inaktiválja azt. Ez lelassítja a glükóz felhasználását a májban, mint energiaforrást, és az agyba és más szervekbe történő exportálásra irányítja. Az izmokban a cAMP-koncentráció növekedésének hatása szigorúan ellentétes. Az adrenalin hatására a cAMP aktiválja a glikogén lebontását és a glikolízist [33] .

Transzkripciós vezérlés

A fent leírt szabályozási útvonalak többségét gyors, könnyen visszafordítható folyamatok közvetítik: alloszterikus hatás, enzimfoszforiláció vagy szabályozó fehérjéhez való kötődés. Léteznek azonban olyan szabályozási mechanizmusok is, amelyek a sejtben lévő enzimmolekulák számának változásán alapulnak az enzimszintézis és -pusztulás egyensúlyának megváltozása miatt. Ezeket a mechanizmusokat a megfelelő enzim transzkripciójának szintjén szabályozzák [34] .

Az inzulin több mint 150 emberi gén transzkripcióját befolyásolja. Ezek közé tartoznak a glikolízisben és annak szabályozásában részt vevő gének, nevezetesen a hexokináz II-t és IV-et, a PFK-1-et, a piruvát-kinázt, a PFK-2/FBPáz-2-t kódoló gének [34] .

A szénhidrát-anyagcsere szempontjából fontos transzkripciós faktorok egyike a ChREBP ( szénhidrát válaszelem-kötő fehérje ), amely főleg a májban, a zsírszövetben és a vesében expresszálódik . A szénhidrátok és zsírok szintéziséhez szükséges enzimek szintézisének koordinálására szolgál. Inaktív formájában a ChREBP két foszfáttal foszforilálódik, és a citoszolban tartózkodik, nem tud átjutni a sejtmagba. Amikor a PP2A foszfoprotein-foszfatáz eltávolít belőle egy foszfátot, a ChREBP belép a sejtmagba, ahol a PP2A egy második foszfátot eltávolít belőle. Az így aktivált ChREBP egy partnerfehérjéhez, az Mlx -hez kötődik . A ChREBP-Mlx komplex most a DNS CHORE eleméhez ( szénhidrát válaszelemhez ) kötődik a promoter régiójában, és serkenti annak transzkripcióját . A PP2A-t allosztérikusan aktiválja a xilulóz-5-foszfát. A ChREBP szabályozza az olyan enzimek szintézisét, mint a piruvát-kináz, a zsírsav-szintáz és az acetil-CoA karboxiláz . Egy másik, a májban működő transzkripciós faktor, a SREBP-1c  szabályozza a piruvát-kináz, a hexokináz IV, a lipoprotein lipáz, az acetil-CoA karboxiláz és a zsírsavszintáz termelését. A SREBP-1c szintézist az inzulin stimulálja, a glukagon pedig elnyomja [35] .   

Módosítások

Egy további reakció lejátszódhat az 1,3-biszfoszfoglicerátot 2,3-biszfoszfogliceráttá alakító glikolízis során ; ezt a reakciót a biszfoszfoglicerát mutáz enzim katalizálja . A 2,3-biszfoszfoglicerát a 2,3-biszfoszfoglicerát-foszfatáz enzim segítségével visszaforgatható a glikolízisbe , amely 3-foszfogliceráttá alakítja . A legtöbb szövetben a 2,3-biszfoszfoglicerát mennyisége alacsony, az eritrocitákban viszont jelentős, mivel ott a hemoglobin alloszterikus szabályozójaként működik . A hemoglobinhoz kötődik, és csökkenti annak oxigén iránti affinitását, elősegítve az utóbbi disszociációját és szövetekbe való bejutását [36] .

A glikolízis számos módosulását találták baktériumokban. Különösen, ha a glicerinaldehid-3-foszfát 6. lépésben a glicerinaldehid-3-foszfát-dehidrogenáz általi oxidációját a tápközeg alacsony foszfáttartalma korlátozza, E. coliban és néhány más baktériumban a dihidroxi-aceton-foszfát 3 piruváttá oxidálódik. metilglioxál shuntot alkotó reakciók . Az 1. reakcióban a liáz lehasítja a foszfátot, és metilglioxált képez . A 2. reakcióban a metilglioxál vizet ad hozzá, és a glioxiláz hatására laktáttá, vízzé alakul . A 3. reakcióban a laktátot a membránhoz kötött flavin - tartalmú D-laktát-oxidáz piruváttá oxidálja. Ha a táptalajban magas a foszfáttartalom, akkor a metilglioxál sönt nem működik, mivel a liázt foszfát gátolja [37] .

Végül, az anaerob baktériumoknak további útjaik vannak a szénhidrátok lebontására. Különösen azok a baktériumok, amelyek szubsztrátként a pentózokat részesítik előnyben, a pentózokat és hexózokat xilulóz-5-foszfáttá alakítják, amelyet a foszfoketoláz tovább hasít [37] .

Ezenkívül néhány termofil archaeában csak kettő glikolitikus enzim található, az enoláz és a piruvát-kináz [38] .

Eloszlás és élettani jelentősége

A glikolízis a glükóz katabolizmusának univerzális, bár nem az egyetlen módja, és mind a pro- , mind az eukarióta szervezetek aktívan használják [1] . A glikolízis mind a tíz enzime vízben oldódik és a citoszolban található . Egyes állati szövetek és sejtek képesek a glükózt kizárólag glikolízissel katabolizálni (például agyi neuronok vagy vese tubuláris sejtek ). A májban és a zsírszövetben a glikolízis élettani szerepe némileg eltér a többi szövetben betöltött szerepétől. A májban és a zsírszövetben történő emésztés során a glikolízis elsősorban a zsírszintézis szubsztrátforrásaként működik [ 39 ] . Egyes növényi szöveteket speciális módon módosítják a keményítő tárolására (például egy burgonyagumóban), és egyes vízi növények (például a vízitorma ) energia nagy részét glikolízis útján kapják [40] .

Ahogy fentebb megjegyeztük, aerob körülmények között a piruvát glikolízis után acetil-CoA-t képez, és részt vesz a Krebs-ciklusban. Két NADH molekula, amelyek a citoszolban a glikolízis során képződnek, ilyen körülmények között ismét NAD + -dá oxidálódnak, és elektronjaikat az elektrontranszport láncnak (ETC) adják, amely az eukariótákban a mitokondriumokban található . Az ETC-n keresztül ezek az elektronok egyik hordozóról a másikra mozognak, amíg el nem érik a végső elektronakceptort, az oxigént:

2NADH + 2H + + O 2 → 2NAD + + 2H 2O .

Az elektronok NADH-ról O 2 -re történő átvitele a mitokondriumokban energiát biztosít az ATP szintéziséhez oxidatív foszforiláción keresztül [18] .

Anaerob körülmények között a piruvát további átalakulásokon megy keresztül, lehetővé téve a NAD + és más bioszintetikus prekurzorok regenerálódását ( fermentáció ). Ebben az esetben fermentációs termékek képződnek, mint például laktát vagy etanol . Ilyen körülmények között a glikolízis az egyetlen módja annak, hogy ATP-ből és Pi-ből energiát nyerjünk az ATP szintéziséhez [ 19] . Egyes anaerobokban, akárcsak az aerobokban, az ETC működik, de a végső elektronakceptor nem oxigén, hanem egy ettől eltérő oxidált szerves vagy szervetlen anyag [41] .

Ezenkívül egyes szervek és szövetek az anaerob típusú anyagcserére váltanak át hipoxia (oxigénhiány) esetén, például a vázizmok aktív munkavégzés közben. Anaerob körülmények között a piruvátot laktáttá alakítják, amely más szövetekbe (például májba, szívizomba ) szállítódik, és ott ismét piruváttá alakul ( Cori-ciklus ) [42] . Ezenkívül a glükóz anaerob lebomlása megy végbe az eritrocitákban, mivel nincsenek mitokondriumok [42] .

A glikolízis különösen élettani jelentőséggel bír a zsírsejtekben , ahol metabolitokat szállít a lipogenezishez , és a zsírsavakat a szükségtelen oxidáció helyett a trigliceridszintézisbe irányítja , ezáltal csökkentve az oxidatív stresszt . A hipotalamusz neuronjaiban a glikolízis fontos szabályozó láncszem az étkezési viselkedés szabályozásában [43] .

Orvosi jelentősége

Az anaerob körülmények között képződő laktát vérben történő felhalmozódásával (például intenzív és hosszan tartó munkavégzés során) tejsavas acidózis alakul ki - a vér pH -jának  csökkenése a laktát felhalmozódása miatt , ami éles zavarokat okoz a sejtanyagcserében. . Ez bizonyos kóros állapotokban fordul elő, amikor a szövetek oxigénellátása megszakad: szívinfarktus , tüdőembólia , vérzés [44] . A tejsavas acidózis oka lehet a diabetes mellitus , amikor az aerob glikolízist anaerob váltja fel [45] . Mivel az inzulin felgyorsítja a glikolízist, az I-es típusú cukorbetegség (amikor túl kevés inzulin termelődik) lelassítja a glikolízist [46] . Emiatt a glikolitikus enzimeket és a glikolízist szabályozó enzimeket stimuláló gyógyszerek fontos kezelési módot jelenthetnek a cukorbetegségben [43] .

Számos állati és emberi rákos megbetegedés esetén a glükózfelvétel és a glikolízis a normál sejtekhez képest csaknem 10-szeresére gyorsul fel a tumorsejtekben. Tény, hogy a daganatsejtek többsége hipoxiás körülmények között él, mivel eleinte nincs olyan kapilláris hálózat, amely a szükséges mértékben ellátná őket oxigénnel. Emiatt a daganatsejtek energia szempontjából teljesen függővé válnak a glikolízistől, amely energetikailag sokkal kevésbé hatékony, mint a glükóz szén-dioxiddá és vízzé történő teljes oxidációja, és a daganatsejtnek a normálisnál jóval több glükózt kell fogyasztania. Nyilvánvalóan a normál sejt tumorossá való átalakulásának korai szakaszában kizárólag glikolitikus energiaellátásra való átállás következik be, és az extracelluláris közeg alacsony pH-jával szembeni rezisztencia alakul ki (a pH csökkenése a laktát felhalmozódása miatt következik be ) [47] .

A tumorsejtekben a glikolízis sebességének növekedését a glikolitikus enzimek és az inzulin-független membrán glükóz transzporterek ( GLUT1 és GLUT3 ) szintézisének fokozása éri el. A hipoxia-indukálható transzkripciós faktor ( HIF-1 ) mRNS -szinten legalább nyolc glikolitikus enzim, valamint glükóztranszporterek termelését fokozza oxigénhiányos körülmények között. Növeli a VEGF ( vascular endothelialis növekedési faktor ) peptidhormon termelődését is , amely serkenti a kapillárishálózat daganat felé történő tágulását [47] .

A daganatok glikolízistől való nagyobb függősége a normál szövetekhez képest lehetőséget ad a rákellenes terápia fejlesztésére : a glikolízis-gátlók befolyásolnák és elpusztítanák a tumorsejteket, csökkentve azok ATP-ellátását. A jövőben három hexokináz-inhibitor használható kemoterápiás szerként: a 2-dezoxiglükóz , a lonidamin és a 3-brómpiruvát . A glükóz-6-foszfát képződésének megakadályozásával nem csak a glikolízist, hanem a pentóz-foszfát útvonalat is blokkolják , amely szintén ezzel a vegyülettel kezdődik. Az így képződő pentóz-foszfátok nélkül a sejt nem tud DNS- és RNS - nukleotidokat szintetizálni , ezért növekedni és osztódni. Egy másik, már használatban lévő gyógyszer az imatinib , egy tirozin-kináz  blokkoló , amely megakadályozza a hexokináz termelés kináz által aktivált növekedését [48] .

A tumorsejtekben a glikolízis magas aránya szintén fontos a rák diagnosztizálásához. A szövet glükózfelvételének relatív sebessége bizonyos esetekben segíthet a daganat lokalizálásában. Pozitron emissziós tomográfiával a páciensbe ártalmatlan, fluorizotóppal jelölt glükózt (fluorodeoxiglükózt) fecskendeznek be , amelyet a hexokináz 6 -foszfodezoxiglükózzá alakít, majd nem megy át metabolikus átalakulásokon, felhalmozódik a sejtekben. A címkét az egész testben elhelyezett speciális detektorok észlelik, és így határozzák meg a daganat lokalizációját [49] .

Evolúció

A glikolízis szerepe a fermentációban és a légzésben egyaránt evolúciós alapokon nyugszik. Feltételezik, hogy az ősi prokarióták glikolízist alkalmaztak ATP előállítására, jóval azelőtt, hogy az oxigént a Föld légkörében tárolták volna . A baktériumok legrégebbi ismert kövületei 3,5 milliárd évesek, de jelentős mennyiségű oxigén kezdett felhalmozódni a légkörben 2,7 milliárd évvel ezelőtt. A cianobaktériumok a fotoszintézis során melléktermékként O 2 -t termeltek. Emiatt a glikolízis lehetett az egyetlen ATP-forrás az ősi prokarióták számára. Az a tény, hogy a glikolízis jelenleg a legelterjedtebb anyagcsereút a Földön, megerősíti, hogy az élettörténet nagyon korán megjelent. A glikolízis ősiségét bizonyítja az is, hogy minden enzime a citoszolban lokalizálódik, és ehhez az úthoz nincs szükség speciális membránszervecskékre, amelyek körülbelül egymilliárd évvel a prokarióta sejtek megjelenése után jelentek meg. Fentebb már említettük, hogy egyes termofil archaeákban a 10 glikolitikus enzim közül csak enoláz és piruvát kináz található, így előfordulhat, hogy a glikolízis enzimrendszer egy ilyen kétkomponensű rendszerből fejlődött ki [38] . Így a glikolízis a korai sejtekből származó anyagcsere "örökségnek" tekinthető, amelyet még az erjesztés során használnak, és a szerves vegyületek légzés során történő elpusztításának első lépéseként [3] .

Tanulmánytörténet

A glikolízis volt az első anyagcsereút, amelyet alaposan leírtak, és a mai napig talán a legtöbbet tanulmányozott. Miután Eduard Buchner 1897-ben felfedezte az alkoholos fermentációt élesztősejt -kivonatokban [50] , és leírta a glikolízis teljes folyamatát élesztőben ( Otto Warburg [51] és Hans Euler-Helpin ) és izomszövetben ( Gustav Embden , Otto ). Meyerhof , Jacob Parnass [52] , akiket a glikolízis felfedezőinek tartanak, tiszteletükre kapta a glikolízis második nevét) a glikolízis reakcióinak sajátos mechanizmusa állt a biokémiai kutatások középpontjában. A glikolízis tanulmányozása során kidolgozták az enzimek izolálásának módszereit, felfedezték a koenzimeket, különösen a NAD-t, és megállapították globális szerepüket, megállapították az ATP és más foszforilált vegyületek legfontosabb metabolikus szerepét [40] .

Annak megértése, hogy a foszforilált hexózok a glikolízis közbenső vegyületei, nem jött azonnal és szerencsés véletlenül. 1906-ban Arthur Garden és William Young tesztelte azt a hipotézisüket, hogy a proteolitikus enzimek inhibitorai stabilizálják a glükóz fermentáló enzimeket. Proteolitikus enzimek inhibitorait tartalmazó vérszérumot adtak az élesztőkivonathoz, és megfigyelték a glükóz anyagcsere várható növekedését. A kontrollkísérletben azonban, amelynek azt kellett volna mutatnia, hogy a főtt tejsavónak nincs stimuláló hatása, kiderült, hogy a főtt tejsavó stimulálja a glikolízist. A szérumkomponensek gondos vizsgálata azt mutatta, hogy a stimuláció oka a szérumban lévő szervetlen foszfát [53] . Később Garden and Young megállapította, hogy az élesztőkivonathoz hozzáadott glükóz hexóz-biszfoszfáttá alakult (egy "Garden-Young-észter", amelyet fruktóz-1,6-biszfoszfátként ismernek). Ez volt a kezdete annak a felfedezéseknek, amelyek a szerves észterek és foszfát-anhidridek szerepét mutatták be a biokémiában [7] .

Lásd még

Jegyzetek

  1. ↑ 1 2 Netrusov, Kotova, 2012 , p. 123.
  2. ↑ 12. Nelson , Cox, 2008 , p. 528, 530.
  3. ↑ 12 Campbell , 2011 , p. 179.
  4. ↑ 1 2 3 Nelson, Cox, 2008 , p. 530.
  5. ↑ Nelson, Cox, 2008 , p. 528-530.
  6. ↑ Severin, 2011 , p. 264.
  7. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Nelson, Cox, 2008 , p. 531.
  8. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Nelson, Cox, 2008 , p. 532.
  9. ↑ 1 2 3 4 Nelson, Cox, 2008 , p. 533.
  10. ↑ Növények működés közben / A glikolitikus útvonal (hozzáférhetetlen kapcsolat) . Letöltve: 2019. április 18. Az eredetiből archiválva : 2018. március 20. 
  11. ↑ William C. Plaxton. Az anyagcsere rugalmassága segít a növényeknek túlélni a stresszt . Letöltve: 2014. augusztus 15. Az eredetiből archiválva : 2015. február 25.
  12. ↑ 1 2 3 Nelson, Cox, 2008 , p. 534.
  13. ↑ 1 2 3 4 Nelson, Cox, 2008 , p. 535.
  14. ↑ 12. Nelson , Cox, 2008 , p. 535-536.
  15. ↑ 12. Nelson , Cox, 2008 , p. 536.
  16. ↑ 1 2 3 4 Nelson, Cox, 2008 , p. 537.
  17. ↑ Nelson, Cox, 2008 , p. 537-538.
  18. ↑ 1 2 3 4 5 6 Nelson, Cox, 2008 , p. 538.
  19. ↑ 1 2 Kolman, Rem, 2012 , p. 152.
  20. ↑ 12. Nelson , Cox, 2008 , p. 543.
  21. ↑ 1 2 3 4 Nelson, Cox, 2008 , p. 544.
  22. ↑ Katz N. , Jungermann K. Autoregulatory shift fruktolízisről laktát glükoneogenisisre patkány hepatocita szuszpenziókban. A máj parenchyma metabolikus zónájának problémája.  (német)  // Hoppe-Seyler Zeitschrift fur physiologische Chemie. - 1976. - 1. évf. 357, 3. sz . - P. 359-375. — PMID 955564 .
  23. ↑ 1 2 3 4 Nelson, Cox, 2008 , p. 545.
  24. ↑ Nelson, Cox, 2008 , p. 582-583.
  25. ↑ Nelson, Cox, 2008 , p. 583-584.
  26. ↑ Nelson, Cox, 2008 , p. 584-585.
  27. ↑ 12. Nelson , Cox, 2008 , p. 585.
  28. ↑ 1 2 3 Nelson, Cox, 2008 , p. 586.
  29. ↑ Nelson, Cox, 2008 , p. 586-587.
  30. ↑ Nelson, Cox, 2008 , p. 587.
  31. ↑ Nelson, Cox, 2008 , p. 587-588.
  32. ↑ 1 2 3 Nelson, Cox, 2008 , p. 588.
  33. ↑ Nelson, Cox, 2008 , p. 588-589.
  34. ↑ 12. Nelson , Cox, 2008 , p. 590.
  35. ↑ Nelson, Cox, 2008 , p. 591-592.
  36. ↑ Severin, 2011 , p. 269-270.
  37. ↑ 1 2 Modern Mikrobiológia / Szerk. J. Lengeler, G. Drews, G. Schlegel. - M . : Mir, 2005. - T. 1. - S. 267. - 654 p.
  38. ↑ 1 2 Simon Potter, Linda A. Fothergill-Gilmore. Molekuláris evolúció: A glikolízis eredete  // Biokémiai oktatás. - 1993. - T. 21 , 1. sz . - S. 45-48 .
  39. ↑ Severin, 2011 , p. 270.
  40. ↑ 12. Nelson , Cox, 2008 , p. 528.
  41. ↑ Netrusov, Kotova, 2012 , p. 145.
  42. ↑ 1 2 Severin, 2011 , p. 268-267.
  43. ↑ 1 2 Xin Guo, Honggui Li, Hang Xu, Shihlung Woo, Hui Dong, Fuer Lu, Alex J. Lange, Chaodong Wu. Glikolízis a vércukor homeosztázis szabályozásában.  // Acta Pharmaceutica Sinica B. - 2012. - Vol. 2, 4. sz . - P. 358-367. - doi : 10.1016/j.apsb.2012.06.002 .
  44. ↑ Severin, 2011 , p. 269.
  45. ↑ Pogatsa G. Metabolikus energiaanyagcsere cukorbetegségben: terápiás vonatkozások.  (angol)  // Koszorúér-betegség. - 2001. - 20. évf. 12 Melléklet 1. - P. 29-33. — PMID 11286305 .
  46. ↑ Cukorbetegség – Az anyagcsere hibái . Letöltve: 2014. szeptember 4. Az eredetiből archiválva : 2010. július 9..
  47. ↑ 12. Nelson , Cox, 2008 , p. 540.
  48. ↑ Nelson, Cox, 2008 , p. 540-541.
  49. ↑ Nelson, Cox, 2008 , p. 541.
  50. ↑ Eduard Buchner. Alkoholische Gärung ohne Hefezellen (Vorläufige Mitteilung)  (német)  // Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft : bolt. - 1897. - Bd. 30 . - S. 117-124 . - doi : 10.1002/cber.18970300121 .
  51. ↑ Otto Warburg. Über die Rolle des Eisens in der Atmung des Seeigeleis nebst Bemerkungen über einige durch Eisen beschleunigte Oxydationen. // Uber die Katalytischen Wirkungen der Lebendigen Substanz. - 1928. - P. 47-66.
  52. ↑ Jakov Oskarovics Parnas - cikk a Great Soviet Encyclopedia- ból . 
  53. ↑ Arthur Harden, William John Young. Az élesztőlé alkoholos erjesztése. III. rész – A foszfátok funkciója a glükóz élesztőlé általi fermentációjában.  // A Londoni Királyi Társaság közleményei. B sorozat, Biológiai jellegű papírokat tartalmaz. - 1908. - Kt. 80, 540. sz . - P. 299-311.

Irodalom

  • David E. Metzler. Biokémia: Az élő sejtek kémiai reakciói.. - 2. kiadás. - Academic Press, 2003. - Vol. 2. - 1973 p. - ISBN 978-0-1249-2541-0 .
  • David L. Nelson, Michael M. Cox. Lehninger biokémia alapelvei. — Ötödik kiadás. – New York: WH Freeman és társasága, 2008. – 1158 p. - ISBN 978-0-7167-7108-1 .
  • Campbell NA, Reece JB, Urry LA és biológia. 9. kiadás - Benjamin Cummings, 2011. - 1263 p. — ISBN 978-0-321-55823-7 .
  • Kolman J., Ryom K.-G. Vizuális biokémia. - 4. kiadás - M . : BINOM. Tudáslaboratórium, 2012. - 469 p. - ISBN 978-5-9963-0620-6 .
  • Biológiai kémia gyakorlatokkal és feladatokkal / Szerk. S. E. Severina. - M . : "GEOTAR-Media" kiadói csoport, 2011. - 624 p.
  • Netrusov A.I., Kotova I.B. Mikrobiológia. - 4. kiadás, átdolgozva. és további .. - M . : "Akadémia" Kiadói Központ, 2012. - 384 p. - ISBN 978-5-7695-7979-0 .

Linkek

  Ugrás a Wikidata elemre  Szótárak és enciklopédiák
Bibliográfiai katalógusokban