5.1: Гліколіз

Last updated
Save as PDF

Page ID: 3480

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Майже всі метаболічні реакції каталізуються ферментами, щоб не відставати від енергетичних і матеріальних потреб клітини. Насправді обговорення деяких обмінних процесів в цьому розділі майже здасться пральні списки ферментів. Почнемо з одного такого списку в описі катаболізму простого цукру, глюкози, через процес гліколізу.

гліколіз

Незалежно від того, чи є клітина прокаріотичною чи еукаріотичною, одним з її основних методів отримання корисної енергії є гліколіз. Цей процес використовує глюкозу, яка є найпоширенішим джерелом енергії для більшості клітин. Однак глюкозу не можна безпосередньо розщеплювати, щоб забезпечити енергію для клітини: гліколіз - це процес, який розщеплює її в ряді реакцій на створення аденозинтрифосфату (АТФ), який є найпоширенішою енергетичною «валютою» клітини. Тобто АТФ може виділяти корисну енергію за одну реакцію.

Глюкоза, будучи 6-вуглецевим цукром, має велику кількість потенційної енергії, що зберігається в її зв'язках. Однак, оскільки він термодинамічно стабільний, знадобиться вкладення великої кількості зовнішньої енергії, щоб вивільнити енергію глюкози за один крок (наприклад, запалюючи її на вогні, щоб розбити її на CO ₂ _{та H 2} O), і не тільки клітини не можуть генерувати таку енергію при один раз, клітина не має механізму використовувати всю енергію, що виділяється в один момент часу. Більша частина буде витрачена даремно як надлишок тепла. Натомість клітина використовує ферменти для дестабілізації та розщеплення цукру через низку перетворень у проміжні сполуки. Основний процес і задіяні ферменти полягають в наступному.

1. Глюкоза фосфорилюється гексокіназою для отримання глюкозо-6-фосфату. Фермент названий так, тому що це кіназа (ставить фосфатну групу), яка діє на гексозу (шестивуглецевий цукор). У цьому випадку він поміщає фосфат на 6-вуглець глюкози. Однак гексокіназа може також фосфорилювати інші гексози, такі як фруктоза та манноза (все в D-конформації). Є дві основні причини, що це добре для клітини. Оскільки концентрація глюкози всередині клітини вище, ніж зовні, існує тиск, щоб вона повернулася назад з клітини. Перетворюючи його в G6P, він більше не є частиною градієнта концентрації глюкози, і він має заряджену фосфатну групу, що робить його майже неможливим витік з мембрани. Додавання фосфату також збільшує енергію в молекулі, роблячи її менш термодинамічно стабільною, так що її можна розщепити. Ця реакція вимагає використання АТФ як донора фосфатів та енергії, необхідної для його приєднання. Тобто енергія використовується на цьому етапі, а не виробляється. Вважайте це інвестицією енергії, хоча, оскільки до кінця гліколізу виробляється більше АТФ, ніж використовується.

Гексокіназа вимагає АТФ у вигляді комплексу (до ^2-ї і ^3-ї фосфатних груп) з двовалентним катіоном, зазвичай Mg ²⁺ in vivo. Тільки АТФ є фактично конкурентним інгібітором гексокінази. Продукт, G6P, також функціонує як інгібітор, забезпечуючи тим самим певну міру регулювання зворотного зв'язку. Насправді м'язові клітини, що використовують запаси глікогену, перетворюють глікоген безпосередньо в G6P, тому активність гексокінази в цих клітині дуже низька.

2. Глюкозо-6-фосфат перетворюється на фруктозо-6-фосфат фосфоглюкозоізомеразою. Як випливає з назви, ізомераза просто переставляє існуючі атоми в межах G6P, щоб зробити F6P без видалення або додавання будь-яких атомів.

3. Фруктоза-6-фосфат фосфорилюється фосфофруктокіназою (ПФК) до фруктози- 1,6-бісфосфату. Знову існує інвестиція АТФ для забезпечення фосфатної групи та енергії для її приєднання.

ПФК є важливим регулятором гліколізу. Це тетрамерний білок, і кожна субодиниця має два місця зв'язування для АТФ: один є нормальним сайтом субстрату, інший - інгібуючим сайтом, таким чином, що зв'язування АТФ знижує спорідненість ферменту до F6P. АТФ - не єдиний регулятор активності ПФК: АМП також є позитивним регулятором ПФК, і може підвищувати його до 5 разів.

4. Фруктоза-1,6-бісфосфат розрізають навпіл альдолазою, отримуючи молекулу дихі- дроксіацетону фосфату і молекулу гліцеральдегід-3-фосфату.

Існує два класи альдолаз: клас I зустрічаються у тварин і рослин, тоді як II клас - у грибів та бактерій. Клас I не вимагає кофакторів, але клас II вимагає двовалентного катіону (фізіологічно зазвичай Fe ²⁺ або Zn ²⁺).

5. G3P може брати участь в наступній реакції, але дигідроксіацетон фосфат, незважаючи на свою схожість, не може. Так, його потрібно переставити триозофосфатізомеразою, яка перетворює його в іншу молекулу гліцеральдегід-3-фосфату.

Триоза фосфатізомераза є «досконалим ферментом», який каталізує утворення продукту так швидко, як фермент і субстрат можуть контактувати в розчині (тобто швидкість чисто дифузійно-обмежена).

6. Кожна з двох молекул G3P, що утворюється з молекули глюкози, зараз піддається окисленню, каталізованому гліцеральдегід-3-фосфатдегідрогеназою (GAPDH) у присутності NAD ⁺ та неорганічного фосфату (P _i). Кожна з цих реакцій виробляє 1,3-бісфосфогліцерит, який має високоенергетичну фосфатну групу, і НАДГ. NADH - високоенергетичний носій електронів (електрон походить від G3P). У еукаріотів з
аеробним середовищем цей NADH, ймовірно, буде використовуватися, щоб допомогти генерувати АТФ через цикл трикарбонової кислоти (він же цикл Кребса або цикл лимонної кислоти). У анаеробних ситуаціях NADH братиме участь у бродінні з причин, розглянутих у наступному розділі.

Знімок екрана 2018-12-23 в 10.12.42 AM.png — Малюнок\(\PageIndex{1}\). NAD ⁺ знижується гліцеральдегід-3-фосфатдегідрогеназою з утворенням НАДГ. NADH звільняється шляхом заміни іншим NAD ⁺.

7. Фосфатна група по 1-вуглецю 1,3-бісфосфогліцерату переноситься на АДФ фосфогліцераткіназою з отриманням 3-фосфогліцерату і АТФ (нарешті!). З двох молекул G3P, що входять в крок 6, ми отримуємо дві молекули АТФ для забезпечення енергією для клітини на цьому етапі. Згадуючи більш ранні інвестиції АТФ (в кроках 1 і 3), реакція тільки «зламана навіть» в цей момент. 2 в, 2 з.

Назва ферменту говорить про те, що до фосфогліцерату додають фосфат. Це не помилка: пам'ятайте, що ферменти можуть каталізувати реакції в будь-якому напрямку, в залежності від умов реакції. В умовах високого фосфогліцерату та АТФ відбудеться фосфорилювання фосфогліцерату. Однак фізіологічні умови є відносно високою концентрацією 1,3-бісфосфогліцерату порівняно з відносно низькими рівнями фосфогліцерату, таким чином, рухаючи реакцію «назад» щодо найменування ферменту.

8. Потім 3-фосфогліцерит перебудовується фосфогліцерат-мутазою з отриманням 2-фосфогліцерату. Ця молекула має більш високу вільну енергію гідролізу, ніж коли фосфатна група знаходиться на 3-вуглець.

Дія фосфогліцератмутази - це не просто перенесення внутрішньомолекулярної фосфатної групи, що здається на перший погляд. Фермент спочатку повинен бути активований фосфорилуванням, і саме фосфат ферменту додається до 2-вуглецю 3PG. Подвійно-фосфорильований проміжний продукт потім переносить свій 3-фосфат ферменту, і 2PG вивільняється.

9. Ця енергія використовується для створення АТФ, оскільки 2-фосфогліцерит піддається зневодненню енолазою, утворюючи фосфоенолпіруват (PEP).

PEP проводиться тому, що гідроліз фосфату з 2PG не виділяє достатньо енергії для приведення фосфорилювання АДФ до АТФ. З іншого боку, гідроліз ПЕП виділяє значно більше, ніж потрібно.

10. Піруваткіназа потім переносить високоенергетичну фосфатну групу з ПЕП до АДФ, виробляючи АТФ для використання клітиною, і піруват.

Піруваткіназа вимагає не тільки двовалентного Mg ²⁺, як для більшості інших кіназ, але і K ⁺. Фермент працює у два етапи: АДФ атакує фосфор ПЕП, утворюючи АТФ та енолпіруват. Потім енолпіруват перетворюється в його кето-таутомер.

Маючи на увазі подвоєння реакцій зі стадій 6-10 (розщеплення фруктози-1,6- бісфосфату генерує два G3P), загальна корисна вироблення енергії від гліколізу однієї молекули глюкози становить 4 АТФ і 2 НАДГ. Однак чисте виробництво АТФ становить лише 2 АТФ, якщо згадати початкові інвестиції двох СПС на ранніх етапах. Не зовсім нічого, про що писати додому. Крім того, хоча NADH і піруват можуть брати участь у циклі трикарбонової кислоти в аеробних еукаріотичних ситуаціях, щоб генерувати значну кількість АТФ, в анаеробних ситуаціях вони не виробляють корисну енергію.

Знімок екрана 2018-12-23 о 10.12.26 AM.png — Малюнок\(\PageIndex{2}\). Огляд гліколізу.

Двонаправлені стрілки вказують на ферменти, які використовуються як для гліколізу, так і для глюконеогенезу. Однонаправлені стрілки вказують на ферменти, які функціонують тільки при гліколізі. *Зверніть увагу, що реакції 6-10 відбуваються в двох примірниках (два G3P з однієї глюкози).

Таким чином, анаеробне виробництво АТФ, тобто гліколіз, набагато менш ефективно при вилученні енергії з молекули глюкози, ніж аеробне виробництво АТФ, яке може генерувати приблизно 38 АТФ на глюкозу. З іншого боку, коли багато АТФ має генеруватися швидко, гліколіз є механізмом вибору в клітині, таких як швидко смикаються волокна скелетних м'язів. Ці клітини насправді мають дуже мало мітохондрій, оскільки гліколіз може виробляти АТФ з набагато вищою (до 100 разів) швидкістю, ніж окислювальне фосфорилювання. Що відбувається з піруватом і НАДГ? У аеробно метаболізуючих клітині вони йдуть в мітохондрії для циклу ТСА і окислювального фосфорилювання. У анаеробів вони піддаються бродінню.

Зверніть увагу, що НАДГ, що виробляється гліколізом у цитоплазмі, не бере безпосередньої участі в окислювальному фосфорилюванні в мітохондріях, оскільки внутрішня мембрана мітохондрій непроникна для неї, але вона посилає «віртуальний еквівалент» в мітохондрії одним з двох шляхів: аспартат- малатний човник поєднує антипорти малат-α-кетоглутарату, антипорти аспартат-глутамат та взаємоперетворення метаболітів трансаміназою з малатдегідрогеназою для окислення NADH цитоплазматично та використання енергії, що генерується для зменшення NAD ⁺ в мітохондріальному матриксі; інший шлях - ДХАП шаттлова система, в якій NADH використовується для зниження дигідроксіацетону фосфату до гліцерин-3-р за допомогою цитоплазматичної гліцерин-3-фосфатдегідрогенази, і циклічного ДХАП до гліцерин-3-р через флавопротеїндегідрогеназу, вбудовану у внутрішню мітохондріальну мембрану. Ця флавопротеїндегідрогеназа приймає електрони з гліцерину 3-р, щоб зробити FADH ₂, який може брати участь у ланцюзі транспорту електронів.

Човник DHAP або гліцерофосфату менш ефективний, ніж малат-аспартатний човник, генеруючи приблизно 2 АТФ проти 2,7 АТФ на NADH. Однак він може діяти навіть тоді, коли концентрація цитоплазматичного НАДГ низька, як це відбувається в тканинах/клітині з дуже високою швидкістю метаболізму (включаючи скелетні м'язи та мозок), тоді як малат-аспартат човник (поширений у печінці та серці) чутливий до відносної концентрації NADH та NAD ⁺.