GLIKOLIZ: FONKSIYONLAR, ENZIMLER, FAZLAR, ÜRÜNLER, ÖNEMI - BIYOLOJI - 2025

Glikoliz veya glikoliz nihai amacı enerji üretmek için glikoz katabolizmadan ana yoldur olarak ATP ve indirgeyici güç Bu karbonhidrat, NADH formunda.

1930'larda Gustav Embden ve Otto Meyerhof tarafından iskelet kası hücrelerinde glikoz tüketimini incelerken tam olarak aydınlatılan bu rota, bu monosakkaridin tam oksidasyonundan oluşur ve kendi başına, vücut için anaerobik bir yolu temsil eder. enerji elde etmek.

Glikolitik ürünlerden biri olan ATP'nin moleküler yapısı (Glikolitik yolun özeti (Kaynak: Tekks at English Wikipedia / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0), Wikimedia Commons aracılığıyla) Wikimedia Commons)

Tek hücreli veya çok hücreli, prokaryotik veya ökaryotik olan tüm canlı organizmalarda farklılıkları ile meydana geldiği için ana metabolik yollardan biridir ve doğada evrimsel olarak yüksek oranda korunan bir reaksiyonlar zinciri olduğu düşünülmektedir.

Aslında, hayatta kalmak için yalnızca bu yola bağımlı olan bazı organizmalar ve hücre türleri vardır.

İlk durumda glikoliz, 6 karbon atomlu glikozun üç karbon atomuna sahip piruvata oksidasyonundan oluşur; metabolik ve sentetik bakış açısından hücreler için yararlı olan ATP ve NADH'nin eşzamanlı üretimi ile.

Glikoz katabolizmasından elde edilen ürünleri daha fazla işleyebilen hücrelerde glikoliz, Krebs döngüsü ve elektron taşıma zinciri (aerobik glikoliz) yoluyla karbondioksit ve su üretimi ile sona erer.

Glikolitik yol boyunca on enzimatik reaksiyon meydana gelir ve bu reaksiyonların düzenlenmesi türden türe biraz farklı olabilse de, düzenleyici mekanizmalar da oldukça korunur.

Glikolizin fonksiyonları

Metabolik açıdan glikoz, tüm canlılar için en önemli karbonhidratlardan biridir.

Kararlı ve çok çözünür bir moleküldür, bu nedenle, bir hayvanın veya bir bitkinin tüm vücudu boyunca, depolandığı ve / veya hücresel yakıt olarak ihtiyaç duyulduğu yere kadar elde edildiği, nispeten kolay bir şekilde nakledilebilir.

Glikoz yapısı (Kaynak: Oliva93 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0), Wikimedia Commons aracılığıyla)

Glikozun içerdiği kimyasal enerji, canlı hücreler tarafından, bu karbonhidratın oksidasyonundan salınan enerjinin daha kullanılabilir enerji biçimlerine "yakalanabildiği" bir dizi yüksek kontrollü aşamadan oluşan glikoliz yoluyla kullanılır. , dolayısıyla önemi.

Bu yolla sadece enerji (ATP) ve indirgeme gücü (NADH) elde edilmez, aynı zamanda diğer yolların bir parçası olan, aynı zamanda bir anabolik (biyosentetik) ve genel hücresel işleyiş. İşte bir liste:

- Pentoz Fosfat Yolu (PPP) için Glikoz 6-fosfat

- Laktik fermantasyon için piruvat

- Amino asitlerin sentezi için piruvat (esas olarak alanin)

- Trikarboksilik asit döngüsü için piruvat

- Fruktoz 6-fosfat, glikoz 6-fosfat ve dihidroksiaseton fosfat, glikojen, yağ asitleri, trigliseritler, nükleotidler, amino asitler vb. Sentezi gibi diğer yollarda "yapı taşları" olarak işlev görür.

Enerji üretimi

Glikolitik yolun ürettiği ATP miktarı, onu üreten hücre aerobik koşullar altında yaşayamadığında, farklı fermantasyon işlemlerine bağlandığında bir hücrenin enerji ihtiyacını karşılamak için yeterlidir.

Bununla birlikte, aerobik hücreler söz konusu olduğunda, glikoliz aynı zamanda acil bir enerji kaynağı olarak hizmet eder ve aerobik metabolizma ile hücreleri karakterize eden oksidatif fosforilasyon reaksiyonlarından önce bir "hazırlık aşaması" olarak hizmet eder.

Glikolizde rol oynayan enzimler

Glikoliz ancak bu yolu karakterize eden reaksiyonları katalize eden 10 enzimin katılımıyla mümkündür. Bu enzimlerin çoğu allosteriktir ve katalitik işlevlerini yerine getirdiklerinde şekil veya konformasyon değiştirirler.

Alt tabakaları arasında kovalent bağları koparan ve oluşturan enzimler vardır ve özellikle metal iyonları olmak üzere işlevlerini yerine getirmek için özel kofaktörler gerektiren başkaları da vardır.

Yapısal olarak konuşursak, tüm glikolitik enzimler, esasen a sarmalları ile çevrili ve birden fazla alanda düzenlenmiş paralel p tabakalarından oluşan bir merkeze sahiptir . Ayrıca, bu enzimlerin özelliği, aktif bölgelerinin genellikle alanlar arasındaki bağlanma bölgelerinde olmasıdır.

Yolun ana düzenlemesinin, heksokinaz, fosfofruktokinaz, gliseraldehit 3-fosfat dehidrojenaz ve piruvat kinaz gibi enzimlerin kontrolünden (hormonal veya metabolitler) geçtiğine dikkat etmek de önemlidir.

Glikolitik yolun düzenlenmesinin ana noktaları (Kaynak: Gregor 0492 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0), Wikimedia Commons aracılığıyla)

1- Heksokinaz (HK)

Glikolizin ilk reaksiyonu (glikoz fosforilasyonu), etki mekanizması enzimin ATP etrafındaki "kilitlenmesini" destekleyen bir substrat "indüklenmiş sıkılaştırmadan" oluştuğu görülen heksokinaz (HK) tarafından katalize edilir ve onlara bağlandıktan sonra glikoz (substratları).

Dikkate alınan organizmaya bağlı olarak, moleküler ağırlığı 50 (yaklaşık 500 amino asit) ile 100 kDa arasında değişen bir veya daha fazla izoenzim olabilir, çünkü bunlar dimer şeklinde gruplaşıyor gibi görünmektedirler ve oluşumları glikoz, magnezyum iyonları tarafından tercih edilmektedir. ve ATP.

Heksokinaz, açık alfa ve beta yapraklardan oluşan üçüncül bir yapıya sahiptir, ancak bu enzimlerde birçok yapısal farklılık vardır.

2- Fosfoglukoz izomeraz (PGI)

Heksokinaz ile fosforile edilen glikoz, glukoz 6-fosfat izomeraz olarak da bilinen fosfoglukoz izomeraz (PGI) yoluyla fruktoz 6-fosfata izomerize edilir. O halde enzim atomları çıkarmaz veya eklemez, ancak bunları yapısal düzeyde yeniden düzenler.

Bu, dimerik formunda aktif bir enzimdir (monomerin ağırlığı yaklaşık 66 kDa'dır) ve sadece glikolizde değil, aynı zamanda glikoneojenezde, bitkilerde karbonhidratların sentezinde vb. Yer alır.

3- Fosfofruktokinaz (PFK)

Fruktoz 6-fosfat, bir fosforil grubu donörü olarak ATP'yi kullanarak bu molekülü yeniden fosforile edebilen ve fruktoz 1,6-bifosfat üreten fosfofruktokinaz enzimi için bir substrattır.

Bu enzim, bakterilerde ve memelilerde homotetramerik bir enzim olarak bulunur (bakteriler için her biri 33 kDa'lık dört özdeş alt birimden ve memelilerde her biri 85 kDa'dan oluşur) ve mayalarda bir oktamerdir (aralarında daha büyük alt birimlerden oluşur. 112 ve 118 kDa).

Allosterik bir enzimdir, yani bazı ürünleri (ADP) ve ATP ve sitrat gibi diğer moleküller tarafından pozitif veya negatif olarak düzenlendiği anlamına gelir.

4- Aldolas

Fruktoz 1,6-bifosfat aldolaz olarak da bilinen aldolaz, fruktoz 1,6-bifosfatın dihidroksiaseton fosfat ve gliseraldehit 3-fosfata katalitik olarak parçalanmasını ve ters reaksiyonu, yani her iki şekerin oluşumu için birleşmesini katalize eder. fruktoz 1,6-bifosfat.

Başka bir deyişle, bu enzim fruktoz 1,6-bifosfatı ikiye bölerek iki fosforile 3-karbon bileşiği açığa çıkarır. Aldolaz ayrıca her biri kendi aktif sitesine sahip 4 özdeş alt birimden oluşur.

Bu enzimin iki sınıfının (I ve II) varlığı belirlendi, bunlar katalize ettikleri reaksiyonun mekanizmasıyla farklılaştı ve bazıları (birincisi) bakterilerde ve "alt" ökaryotlarda meydana geldiğinden ve diğerleri ( ikincisi) bakteri, protist ve metazoanlar içindedir.

"Daha yüksek" ökaryotik aldolaz, 40 kDa moleküler ağırlığa sahip alt birimlerden oluşan bir homotetramerden oluşur ve her biri 8 p / a tabakasından oluşan bir namlu içerir.

5- Trioz fosfat izomeraz (TIM)

İki fosforile trioz, her iki şekerin glikoliz boyunca kullanılmasına izin veren ve yola giren her glikoz molekülünün tam olarak kullanılmasını sağlayan trioz-fosfat izomerazın etkisi sayesinde birbirleriyle dönüştürülebilir.

Bu enzim, sizin katılımınız olmadan gerçekleşeceğinden yaklaşık bir trilyon kat daha hızlı açıklanan reaksiyonu katalize ettiği için "mükemmel" enzim olarak tanımlanmıştır. Aktif bölgesi, birçok glikolitik enzimin özelliği olan bir beta fıçı yapısının merkezindedir.

Her ikisi de küresel yapıya sahip yaklaşık 27 kDa'lık iki özdeş alt birimden oluşan dimerik bir proteindir.

6- Gliseraldehit 3-fosfat dehidrojenaz (GAPDH)

Aldolaz ve trioz fosfat izomerazın etkisiyle üretilen gliseraldehit 3-fosfat, her birinde bir NAD + molekülüne birlikte bağlanan homotetramerik bir enzim (her alt birim 34-38 kDa) olan GAPDH için bir substrat görevi görür. 4 aktif bölgesinin yanı sıra 2 fosfat veya sülfat iyonu.

Yolun bu aşamasında, enzim, iki NAD + molekülünün birlikte indirgenmesi ve 1,3-bifosfogliserat üretimi ile bir fosforil grubu vericisi olarak inorganik fosfat kullanılarak substratlarından birinin fosforilasyonuna izin verir.

7- Fosfogliserat kinaz (PGK)

Fosfogliserat kinaz, 1,3-bifosfogliseratın fosfat gruplarından birini substrat seviyesinde fosforilasyon ile bir ADP molekülüne transfer etmekten sorumludur. Bu enzim, heksokinaz tarafından kullanılana benzer bir mekanizma kullanır, çünkü substratlarına temas ettiğinde kapanır ve onları karışan su moleküllerinden korur.

Bu enzim, iki veya daha fazla substrat kullanan diğerleri gibi, ADP için bir bağlanma yerine ve şeker fosfat için bir başka bölgeye sahiptir.

Tarif edilen diğer enzimlerin aksine, bu protein, dar bir "yarık" ile birbirine bağlanan aynı boyutta iki alandan oluşan, bilobal bir yapıya sahip 44 kDa'lık bir monomerdir.

8- Fosfogliserat mutaz

3-fosfogliserat, molekülün ortasında fosfat grubunun karbon 2'ye doğru bir değişikliğine uğrar ve bu, yolun son reaksiyonunda grubun daha sonra bir ATP molekülüne transferini kolaylaştıran stratejik bir kararsızlık alanını temsil eder.

Bu yeniden düzenleme, 27 kDa'ya yakın bir alt birim boyutuyla, insanlar için dimerik bir enzim ve maya için tetramerik enzim fosfogliserat mutaz tarafından katalize edilir.

9- Enolaz

Enolaz, bir sonraki reaksiyonda ATP'nin oluşturulması için gerekli bir adım olan 2-fosfogliseratın fosfoenolpiruvata dehidrasyonunu katalize eder.

İki özdeş 45 kDa alt biriminden oluşan dimerik bir enzimdir. Stabilitesi ve substratına bağlanması için gerekli konformasyonel değişiklik için magnezyum iyonlarına bağlıdır. Pek çok organizmanın sitozolünde en bol eksprese edilen enzimlerden biridir ve glikolitik olanlara ek olarak işlev görür.

10- Piruvat kinaz

Glikolizde meydana gelen ikinci substrat seviyesinde fosforilasyon, fosforil grubunun fosfoenolpiruvattan ADP'ye transferinden ve piruvat üretiminden sorumlu olan piruvat kinaz tarafından katalize edilir.

Bu enzim, diğer glikolitik enzimlerin herhangi birinden daha karmaşıktır ve memelilerde homotetramerik bir enzimdir (57 kDa / alt birim). Omurgalılarda en az 4 izoenzim vardır: L (karaciğerde), R (eritrositlerde), M1 (kas ve beyinde) ve M2 (fetal doku ve yetişkin dokular).

Glikoliz aşamaları (adım adım)

Glikolitik yol, on ardışık adımdan oluşur ve bir molekül glikoz ile başlar. İşlem sırasında, glikoz molekülü iki fosfat ilavesiyle "aktive edilir" veya "hazırlanır" ve iki ATP molekülünü tersine çevirir.

Daha sonra, iki parçaya "kesilir" ve son olarak birkaç kez kimyasal olarak modifiye edilir, yol boyunca dört ATP molekülünü sentezler, böylece yoldaki net kazanç iki ATP molekülüne karşılık gelir.

Yukarıdakilerden, yolun, glikoz molekülünün tam oksidasyonu için temel olan bir enerji "yatırım" aşamasına ve başlangıçta kullanılan enerjinin değiştirildiği ve ikisinin kazandığı başka bir enerji "kazanımı" aşamasına bölündüğü çıkarılabilir. net ATP molekülleri.

- Enerji yatırım aşaması

1- Glikolitik yolağın ilk adımı, enzimin fosforile edilen her glikoz molekülü için bir ATP molekülü kullandığı, heksokinazın (HK) aracılık ettiği glikoz fosforilasyonundan oluşur. Geri döndürülemez bir reaksiyondur ve magnezyum iyonlarının (Mg2 +) varlığına bağlıdır:

Glikoz + ATP → Glikoz 6-fosfat + ADP

2- Bu şekilde üretilen glikoz 6-fosfat, fosfoglukoz izomeraz (PGI) enziminin etkisi sayesinde fruktoz 6-fosfata izomerize edilir. Bu, tersinir bir reaksiyondur ve ek enerji harcamasını içermez:

Glikoz 6-fosfat → Fruktoz 6-fosfat

3- Daha sonra, başka bir enerji ters çevirme aşaması, fruktoz 1,6-bifosfat oluşturmak için fruktoz 6-fosfatın fosforilasyonunu içerir. Bu reaksiyon, fosfofruktokinaz-1 (PFK-1) enzimi tarafından katalize edilir. Yoldaki ilk adım gibi, fosfat grubu verici molekülü de ATP'dir ve aynı zamanda geri dönüşü olmayan bir reaksiyondur.

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

4- Glikolizin bu basamağında, fruktoz 1,6-bifosfatın katalitik olarak parçalanarak dihidroksiaseton fosfat (DHAP), bir ketoz ve bir aldoz olan gliseraldehit 3-fosfat (GAP) olarak parçalanması söz konusudur. Bu aldol yoğunlaşması, aldolaz enzimi tarafından katalize edilir ve tersine çevrilebilir bir işlemdir.

Fruktoz 1,6-bifosfat → Dihidroksiaseton fosfat + gliseraldehit 3-fosfat

5- Enerjiyi ters çevirme aşamasının son reaksiyonu, ek enerji alımı gerektirmeyen ve aynı zamanda geri dönüşümlü bir süreç olan, trioz-fosfat izomeraz (TIM) enzimi tarafından katalize edilen trioz fosfat DHAP ve GAP'ın karşılıklı dönüştürülmesinden oluşur.

Dihidroksiaseton fosfat ↔ Gliseraldehit 3-fosfat

- Enerji kazanma aşaması

6- Gliseraldehit 3-fosfat, aynı enzim, gliseraldehit 3-fosfat dehidrojenaz (GAPDH) ile katalize edilen, bir oksidasyon reaksiyonu için bir substrat ve fosforilasyon için bir substrat olarak glikolitik yolda "akış aşağı" kullanılır.

Enzim, molekülün C1 karbonunun bir karboksilik aside oksidasyonunu ve aynı pozisyondaki fosforilasyonunu katalize ederek 1,3-bifosfogliserat üretir. Reaksiyon sırasında, her glikoz molekülü için 2 NAD + molekülü indirgenir ve 2 inorganik fosfat molekülü kullanılır.

2 Gliseraldehit 3-fosfat + 2NAD + + 2Pi → 2 (1,3-bifosfogliserat) + 2NADH + 2H

Aerobik organizmalarda, bu şekilde üretilen her NADH, oksidatif fosforilasyon ile 6 ATP molekülünün sentezi için bir substrat olarak hizmet etmek üzere elektron taşıma zincirinden geçer.

7- Bu, glikolizdeki ilk ATP sentez aşamasıdır ve fosfogliserat kinazın (PGK) 1,3-bifosfogliserat üzerindeki etkisini, bu molekülden bir fosforil grubunu (substrat seviyesinde fosforilasyon) bir moleküle aktarmayı içerir. ADP, her glikoz molekülü için 2ATP ve 2 molekül 3-fosfogliserat (3PG) verir.

2 (1,3-bifosfogliserat) + 2ADP → 2 (3-fosfogliserat) + 2ATP

8- 3-fosfogliserat, geri dönüşümlü ve bağımlı olan iki aşamalı bir reaksiyonla fosforil grubunun karbon 3'ten karbon 2'ye yer değiştirmesiyle onu 2-fosfogliserata dönüştüren enzim fosfogliserat mutaz (PGM) için bir substrat görevi görür. magnezyum iyonları (Mg + 2).

2 (3-fosfogliserat) → 2 (2-fosfogliserat)

9- Enolaz enzimi, 2-fosfogliseratı dehidre eder ve ilave enerji eklenmesini hak etmeyen ve aşağıda fosforil grubunu bağışlayabilen yüksek enerjili bir bileşik üretmeyi amaçlayan bir reaksiyonla fosfoenolpiruvat (PEP) üretir. reaksiyon.

2 (2-fosfogliserat) → 2 Fosfoenolpiruvat

10- Fosfoenolpiruvat, bu moleküldeki fosforil grubunun bir ADP molekülüne transferinden sorumlu olan ve böylece substrat seviyesinde başka bir fosforilasyon reaksiyonunu katalize eden enzim piruvat kinaz (PYK) için bir substrattır.

Reaksiyonda her glikoz için 2ATP ve 2 piruvat molekülü üretilir ve iyonik formda potasyum ve magnezyum varlığı gereklidir.

2Fosfoenolpiruvat + 2ADP → 2Piruvat + 2ATP

Bu şekilde net glikoliz verimi, yola giren her glikoz molekülü için 2ATP ve 2NAD + 'dan oluşur.

Aerobik metabolizmalı hücreler ise, bir glikoz molekülünün toplam bozunması, Krebs döngüsü ve elektron taşıma zinciri boyunca 30 ila 32 ATP üretir.

Glikoliz ürünleri

Glikolizin genel reaksiyonu aşağıdaki gibidir:

Glikoz + 2NAD + + 2ADP + 2Pi → 2Pyruvate + 2ATP + 2NADH + 2H +

Bu nedenle kısaca incelendiğinde glikolitik yolun ana ürünlerinin piruvat, ATP, NADH ve H olduğu sağlanabilir.

Bununla birlikte, her reaksiyon aracısının metabolik kaderi, büyük ölçüde hücresel ihtiyaçlara bağlıdır, bu nedenle tüm ara ürünler reaksiyon ürünleri olarak kabul edilebilir ve aşağıdaki gibi sıralanabilir:

- Glikoz 6-fosfat

- Fruktoz 6-fosfat

- Fruktoz 1,6-bifosfat

- Dihidroksiaseton fosfat ve gliseraldehit 3-fosfat

- 1,3-bifosfogliserat

- 3-fosfogliserat ve 2-fosfogliserat

- Fosfoenolpiruvat ve piruvat

Önem

Glikolizin kendi başına (anaerobik glikolizden bahsedilebilir), glikozun aerobik katabolizmasından elde edilebilen ATP'nin yalnızca yaklaşık% 5'ini üretmesine rağmen, bu metabolik yol birkaç nedenden dolayı gereklidir:

- Özellikle bir hayvanın, aerobik oksidasyon süreçlerinin yeterince hızlı olmadığı bir dinlenme durumundan hızlı bir şekilde çıkması gereken durumlarda, "hızlı" bir enerji kaynağı olarak hizmet eder.

- Örneğin insan vücudundaki "beyaz" iskelet kası lifleri hızlı kasılan liflerdir ve işlev görmeleri için anaerobik glikolize bağlıdır.

- Herhangi bir nedenle, bir hücrenin mitokondrilerinin bir kısmını (diğer şeylerin yanı sıra glikolitik ürünlerin bir kısmının oksidatif fosforilasyonunu gerçekleştiren organeller olan) bir kısmı olmadan yapması gerektiğinde, hücre, glikolitik yol.

- Pek çok hücre, glikolitikler aracılığıyla enerji kaynağı olarak glikoza bağımlıdır; bunların arasında , iç organellerden yoksun kırmızı kan hücreleri ve yüksek mitokondri yoğunluğuna sahip olmayan göz hücreleri (özellikle kornea hücreleri).

Referanslar

1. Canback, B., Andersson, SGE ve Kurland, CG (2002). Glikolitik enzimlerin küresel filogenisi. Ulusal Bilimler Akademisi Bildirileri, 99 (9), 6097-6102.
2. Chaudhry R, ​​Varacallo M. Biyokimya, Glikoliz. . İçinde: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing; 2020 Ocak-. Erişim adresi: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK482303/
3. Fothergill-Gilmore, LA ve Michels, PA (1993). Glikolizin evrimi. Biyofizik ve moleküler biyolojide ilerleme, 59 (2), 105-235.
4. Kim, JW ve Dang, CV (2005). Glikolitik enzimlerin çok yönlü rolleri. Biyokimyasal bilimlerdeki eğilimler, 30 (3), 142-150.
5. Kumari, A. (2017). Tatlı Biyokimya: Anımsatıcılarla Yapıları, Döngüleri ve Yolları Hatırlamak. Akademik Basın.
6. Li, XB, Gu, JD ve Zhou, QH (2015). Aerobik glikoliz ve temel enzimlerinin gözden geçirilmesi - akciğer kanseri tedavisi için yeni hedefler. Göğüs kanseri, 6 (1), 17-24.