Glikoliza, schemat Embdena-Meyerhofa-Parnasa – ciąg reakcji biochemicznych, podczas których jedna cząsteczka glukozy zostaje przekształcona w dwie cząsteczki pirogronianu . Glikoliza zachodzi w pozamitochondrialnej, rozpuszczalnej frakcji komórkowej - cytoplazmie - wszystkich eukariotów i prokariotów .

schemat glikolizy

Sumaryczna reakcja glikolizy jest następująca:

glukoza + 2 P_i + 2 ADP + 2 NAD⁺ → 2 cząsteczki pirogronianu + 2 ATP + 2 NADH + 2 H⁺ + 2 H₂O

Rola

Rolą glikolizy jest:

• dostarczanie energii - w wyniku glikolizy powstają 2 cząsteczki ATP oraz substraty do cyklu kwasu cytrynowego i fosforylacji oksydacyjnej , gdzie wytwarzana jest większa ilość ATP.
• wytwarzanie intermediatów dla szlaków biosyntetycznych.

Etapy

etap 1 ΔG'°= -16,7 kJ/mol

Fosforylacja glukozy i powstanie glukozo-6-fosforanu - nieodwracalna reakcja katalizowana przez heksokinazę lub bardziej specyficznie w wątrobie przez glukokinazę . Jako dawca fosforanu potrzebny jest do tej reakcji ATP , reagujący w formie kompleksu Mg-ATP, ze względu na jednoczesną konieczność dostarczenia jonów magnezu Mg⁺².

etap 2 ΔG'°= 1,7 kJ/mol

Izomeraza glukozo-6-fosforanowa

Przekształcenie glukozo-6-fosforanu we fruktozo-6-fosforan przy pomocy izomerazy glukozo-6-fosforanowej , z zastrzeżeniem, że przemianie tej ulega tylko anomer α glukozo-6-fosforanu.

etap 3 ΔG'°= -14,2 kJ/mol

Fosfofruktokinaza I

Fosforylacja fruktozo-6-fosforanu przez ATP i przy pomocy enzymu fosfofruktokinazy I (PKF), powstaje fruktozo-1,6-bisfosforanu oraz ADP . Reakcja ta jest nieodwracalna w warunkach fizjologicznych.

etap 4 ΔG'°= 23,8 kJ/mol

Aldolaza

Rozszczepienie przez aldolazę fruktozo-1,6-bisfosforanu na dwie fosfotriozy - aldehyd 3-fosfoglicerynowy oraz fosfodihydroksyaceton . Dziedziczny niedobór aldolazy w erytrocytach może wywoływać niedokrwistość hemolityczną .

etap 5 ΔG'°= 7,5 kJ/mol

Przekształcenie fosfodihydroksyacetonu w aldehyd 3-fosfoglicerynowy przez izomerazę triozofosforanową .

etap 6 ΔG'°= 6,3 kJ/mol

Dehydrogenaza aldehydu 3-fosfoglicerynowego

Przekształcenie aldehydu 3-fosfoglicerynowego w 1,3-bisfosfoglicerynian (1,3-BPG) z użyciem fosforanu nieorganicznego, NAD ⁺ i enzymu dehydrogenazy aldehydu 3-fosfoglicerynowego . Jest to jednoczesna reakcja utleniania i fosforylacji, która może być zmodyfikowana w obecności arsenianu - reaguje on z nieorganicznym fosforanem i tworzy 1-arseno-3-fosfoglicerynian i - zamiast ATP - energię cieplną.

etap 7 ΔG'°= -18,5 kJ/mol

Kinaza fosfoglicerynianowa

Przeniesienie grupy fosforanowej z 1,3-BPG do ADP i utworzenie ATP ( fosforylacja substratowa ) oraz 3-fosfoglicerynianu - reakcja katalizowana przez kinazę fosfoglicerynianową .

etap 8 ΔG'°= 4,4 kJ/mol

Fosfogliceromutaza

Przekształcenie 3-fosfoglicerynianu w 2-fosfoglicerynian przez fosfogliceromutazę . Prawdopodobnym produktem pośrednim tej reakcji jest 2,3-bisfosfoglicerynian (2,3-BPG).

etap 9 ΔG'°= 7,5 kJ/mol

Enolaza

Odwodnienie 2-fosfoglicerynianu i powstanie fosfoenolopirogronianu (PEP) - reakcja katalizowana przez enolazę . Aktywność enzymu zależy od obecności jonów magnezu lub manganu, hamowana jest w obecności fluorków.

etap 10 ΔG'°= -31,4 kJ/mol

Kinaza pirogronianowa

Przeniesienie grupy fosforanowej z PEP na ADP i powstanie ATP oraz pirogronianu - reakcja katalizowana przez kinazę pirogronianową . Ze względu na znaczną utratę energii swobodnej w postaci ciepła, musi być traktowana jako reakcja fizjologicznie nieodwracalna. Dziedziczny niedobór kinazy pirogronianowej w erytrocytach może wywoływać niedokrwistość hemolityczną .

Struktury przestrzenne enzymów poszczególnych etapów glikolizy. Od lewej: 1. Heksokinaza, 2. Izomeraza glukozo-6-fosforanowa, 3. Fosfofruktokinaza I, 4. Aldolaza A, 5. Izomeraza triozofosforanowa, 6. Dehydrogenaza aldehydu 3-fosfoglicerynowego, 7. Kinaza fosfoglicerynianowa, 8. Fosfogliceromutaza, 9. Enolaza, 10. Kinaza pirogronianowa

Struktury przestrzenne enzymów poszczególnych etapów glikolizy. Od lewej: 1. Heksokinaza , 2. Izomeraza glukozo-6-fosforanowa , 3. Fosfofruktokinaza I , 4. Aldolaza A, 5. Izomeraza triozofosforanowa , 6. Dehydrogenaza aldehydu 3-fosfoglicerynowego , 7. Kinaza fosfoglicerynianowa , 8. Fosfogliceromutaza , 9. Enolaza , 10. Kinaza pirogronianowa

Glikoliza tlenowa

Glikoliza jest zawsze procesem niewymagajacym tlenu. Określenie "glikoliza tlenowa" obejmuje, prócz samej glikolizy, losy produktów glikolizy - pirogronianu oraz NADH w reakcjach wymagających tlenu. W zdecydowanej większości ludzkich komórek (poza erytrocytami i włóknami mięśniowymi w czasie intensywnej pracy) przeważa ten rodzaj metabolizmu. W warunkach tlenowych pirogronian, otrzymany w wyniku glikolizy pobierany jest przez mitochondria , w których po przekształceniu do acetylo-CoA (reakcja ta katalizowana jest przez wieloenzymatyczny kompleks dehydrogenazy pirogronianowej, do której działania niezbędna staje się difosfotiamina - pochodna witaminy B1 ), zostaje utleniony do dwutlenku węgla w cyklu Krebsa . Powstałe w glikolizie równoważniki redukujące są przenoszone zaś z NADH+H⁺ do wnętrza mitochondriów. Przenoszenie elektronów z cytoplazmatycznego NADH na mitochondrialny łańcuch oddechowy odbywa się dzięki krótkim sekwencjom reakcji zwanych tzw. czółenkami. Aktywne mogą być: czółenko glicerolo-3-fosforanowe lub jabłczanowo-asparaginianowe.

Arsenian, jony rtęciowe oraz niedobór tiaminy w diecie powodują nagromadzanie się pirogronianu w komórkach i doprowadzają do szybkiej kwasicy mleczanowej, będącej objawem niedoboru dehydrogenazy mleczanowej - prowadzi to u człowieka do zaburzeń neurologicznych poprzez zakłócenie podstawowych funkcji mózgu . Glikolizie tlenowej towarzyszy wytworzenie 38 moli ATP. Ogólny zysk wynosi więc 36 moli ATP.

Glikoliza beztlenowa

Jeśli przeważają warunki beztlenowe, uniemożliwiona staje się reoksydacja NADH w łańcuchu oddechowym przez przeniesienie równoważników redukujących na tlen. Pirogronian ulega redukcji przez NADH do mleczanu w reakcji katalizowanej przez dehydrogenazę mleczanową . Reoksydacja NADH w reakcji powstawania mleczanu przez odtworzenie NAD potrzebnego w następnym cyklu reakcji umożliwia dalszy przebieg glikolizy w przypadku nieobecności tlenu.

Przykładem komórek, które przeprowadzają wyłącznie glikolizę beztlenową są erytrocyty , ze względu na brak mitochondriów, niezbędnych do przeprowadzanie reakcji łańcucha oddechowego . Jednak w przypadku krwinek czerwonych glikoliza zachodzi z ominięciem reakcji katalizowanej przez kinazę fosfoglicerynianową. Dodatkowy enzym, jakim jest mutaza bisfosfoglicerynianowa katalizuje przekształcenie 1,3-BPG w 2,3-BPG, który ostatecznie ulega przemianie do 3-fosfoglicerynianu przy udziale fosfatazy 2,3-bisfosfoglicerynianowej.

Regulacja procesu glikolizy

Glikoliza regulowana jest na trzech etapach obejmujących reakcje nieodwracalne, tj. w miejscu działania heksokinazy (lub glukokinazy), fosfofruktokinazy I oraz kinazy pirogronianowej .

1. Reakcja katalizowana przez heksokinazę nie jest właściwa tylko dla glikolizy, gdyż jest to wspólny etap dla wszystkich dróg metabolizmu węglowodanów , w których glukoza jest substratem ( szlak pentozofosforanowy , synteza glikogenu ). Regulacja tej reakcji polega na hamującym działaniu nadmiaru glukozo-6-fosforanu , powstającego w wyniku rozpadu glikogenu - sprawia to bowiem, iż reakcja staje się na daną chwilę zbędna.
2. Reakcja z użyciem fosfofruktokinazy I jest najważniejszym miejscem regulacji glikolizy, czasami reakcja przeprowadzana przez ten enzym nazywana jest reakcją ograniczającą glikolizy. Enzym hamowany jest allosterycznie przez wzrost stężenia ATP (komórka otrzymuje sygnał o wystarczającym zapasie energii), cytrynianu (związany z dostarczaniem acetylo-CoA do cytozolu - stężenie cytrynianu jest sygnałem, iż prekursory syntezy kwasów tłuszczowych są obecne w dostatecznej ilości i nie ma potrzeby ich dalszej produkcji) i jonów wodorowych (przy obniżonej wartości pH komórka broni się przed nadmiernym gromadzeniem się kwasu mlekowego z glikolizy beztlenowej). Aktywowany zaś jest w obecności AMP .
3. Kinaza pirogronianowa kontroluje wypływ metabolitów glikolizy - regulacja indukowana przez fruktozo-1,6-bisfosforan (aktywujący enzym i tym samym przyśpieszająca proces glikolizy na tym etapie) oraz ATP oraz alaninę (hamujące enzym i spowalniające glikolizę)

Zobacz też

• Metabolizm fruktozy

Bibliografia

• Metabolizm węglowodanów. W: B.D.Hames, N.M.Hooper: Krótkie wykłady. Biochemia. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN , 2004. 
• Glikoliza i utlenianie pirogronianu. W: R.K. Murray: Biochemia Harpera. Warszawa: Wydawnictwo Lekarskie PZWL , 2000. 

Linki zewnętrzne

• Glikoliza (en)