6.3: Деякі деталі гліколізу
- Page ID
- 6005
А. гліколіз, стадія 1
Реакція 1: При першій реакції гліколізу фермент гексокіназа швидко фосфорилює глюкозу, що надходить в клітину, утворюючи глюкозо-6-фосфат (G-6-P). Як показано нижче, загальна реакція ексергонічна; зміна вільної енергії для реакції становить -4 Ккал на моль синтезованого G-6-P.
Це зв'язана реакція, при якій фосфорилювання глюкози з'єднується з гідролізом АТФ. Вільна енергія гідролізу АТФ (енергетично сприятлива реакція) підживлює фосфорилювання глюкози (енергетично не сприятлива реакція). Реакція також біологічно незворотна, про що показує єдина вертикальна стрілка. Надлишок харчової глюкози може зберігатися в більшості клітин (особливо клітин печінки та нирок) у вигляді сильно розгалуженого полімеру мономерів глюкози, який називається глікогеном. У зелених водоростях і рослині глюкоза, вироблена шляхом фотосинтезу, зберігається у вигляді полімерів крохмалю. Коли глюкоза необхідна для отримання енергії, гідроліз глікогену і крохмалю утворює глюкозо-1- фосфат (G-1-P), який потім перетворюється в G-6-P.
Давайте розглянемо енергетику (вільний потік енергії) реакції, каталізованої гексокіназою. Цю реакцію можна розглядати як суму двох реакцій, показану нижче.
Нагадаємо, що гідроліз АТФ - це ексергонічна реакція, що вивільняє ~7 ккал/моль (округлення вниз!) в закритій системі при стандартних умовах. Реакція конденсації фосфорилювання глюкози відбувається при DgO +3 Ккал/моль. Це ендергонічна реакція в стандартних умовах. Підсумовуючи зміни вільної енергії двох реакцій, ми можемо обчислити загальний DgO -4 ккал/моль для зв'язаної реакції в стандартних умовах в замкнутій системі.
Реакції вище пишуться так, ніби вони оборотні. Однак ми говорили, що загальна поєднана реакція є біологічно незворотною. Де протиріччя? Щоб пояснити, ми говоримо, що ферментативно-каталізована реакція є біологічно незворотною, коли продукти мають відносно низьку спорідненість до активної ділянки ферменту, що робить каталіз (прискорення) зворотної реакції дуже неефективним. Ферменти, що каталізують біологічно незворотні реакції, не дозволяють повернутися до реагентів, але вони часто алостерично регулюються. Це стосується гексокінази. Уявіть собі клітину, яка уповільнює споживання G-6-P, оскільки її потреби в енергії задовольняються. Що відбувається, коли рівень G-6-P підвищується в клітині? Ви можете очікувати, що реакція гексокінази сповільниться, щоб клітина не надмірно споживала дорогоцінний енергетичний ресурс поживних речовин. Аллостерична регуляція гексокінази проілюстрована нижче.
Оскільки концентрації G-6-P підвищуються в клітині, надлишок G-6-P зв'язується з алостеричним сайтом на гексокіназі. Конформаційна зміна ферменту потім переноситься на активну ділянку, пригнічуючи реакцію.
152 Гліколіз Стадія 1, Реакція 1
Реакція 2: У цій злегка ендергонічній та оборотній реакції ізомераза каталізує ізомеризацію G-6-P до фруктози-6-P (F-6-P), як показано нижче.
Реакція 3: У цій біологічно незворотній реакції 6-фосфофруктокіназа (6-P- фруктокіназа) каталізує фосфорилювання F-6-P з утворенням фруктози 1,6 ді- фосфату (F1,6 DiP). Це також парна реакція, при якій АТФ забезпечує другий фосфат. Загальна реакція записується як сума двох реакцій, як показано нижче.
Як і реакція гексокінази, реакція 6-Р-фруктокінази - це зв'язана, ексергонічна і аллостерично регульована реакція. Кілька аллостеричних ефекторів, включаючи АТФ, АДФ і АМФ і довголанцюгові жирні кислоти регулюють цей фермент.
Реакції 4 і 5: Це останні реакції першої стадії гліколізу. У реакції 4 F1,6 DiP (цукор 6-С) оборотно розщеплюється на дигідроксиацетон фосфат (ДХАП) і гліцеральдегід-3-фосфат (G-3-P). У реакції 5 (також оборотна) ДХАП перетворюється в інший G-3-P. Ось реакції:
Чистий результат - утворення двох молекул G-3-P в останніх реакціях 1 стадії гліколізу. Ферменти F-dip альдолаза і триоза-P-ізомераза каталізують вільно оборотні реакції. Крім того, обидві реакції протікають із позитивною зміною вільної енергії і тому є ендергонічними. Сума змін вільної енергії для розщеплення F1,6 DiP на два G-3-Ps - колосальні +7,5 Ккал на моль, дуже енергетично несприятливий процес.
Підсумовуючи, до кінця 1 стадії гліколізу ми спожили дві молекули АТФ, і розбили один 6С вуглевод на два 3-С вуглеводи. Ми також бачили два біологічно незворотні та алостерично регульовані ферменти.
Б. гліколіз, 2 стадія
Ми будемо стежити лише за однією з двох молекул G-3-P, що генеруються до кінця 1 стадії гліколізу, але пам'ятайте, що обидві проходять етап 2 гліколізу.
Реакція 6: Це окислювально-відновна реакція. G-3-P окислюється до 1,3, дифосфогліцеринову кислоту (1,3, DiPG) і NAD+ відновлюють до НАДГ. Реакція, каталізована г ліцеральдегід-3-фосфатдегідрогеназою, показана нижче.
У цій вільно оборотної ендергонової реакції молекула водню (Н 2) видаляється з G-3-P, залишаючи після себе фосфогліцеринову кислоту. Цей короткочасний проміжний проміжний продукт окислення фосфорилюється з утворенням 1,3 дифосфогліцеринової кислоти (1,3DiPG). При цьому молекула водню розщеплюється на іон гідриду (Н -) і протон (Н +). Іони H- зменшують NAD + до NADH, залишаючи протони позаду в розчині. Пам'ятайте, що все це відбувається в активній ділянці одного і того ж ферменту!
Незважаючи на те, що каталізує оборотну реакцію, G-3-P дегідрогеназа регулюється аллостерично. Однак, на відміну від регуляції гексокінази, що G-3-P дегідрогенази є більш складним! Регулятором є НАД+, а механізм аллостеричної регуляції G-3-P дегідрогенази НАД+називається негативною кооперативністю. Виходить, що чим вище [NAD +] в клітині, тим нижче спорідненість ферменту для більшої кількості NAD + і тим швидше реакція в клітині! Механізм розглядається за посиланням нижче.
154 Гліколіз 2 стадія; Реакція 6
Реакція 7: Реакція, показана нижче, каталізується фосфогліцераткіназою. Він вільно оборотний і ексергонічний, що дає АТФ і 3-фосфогліцеринову кислоту (3PG).
Каталіз перенесення фосфатної групи між молекулами кіназами називається фосфорилюванням на рівні субстрату, часто фосфорилювання АДФ, щоб зробити АТФ. У цій зв'язаній реакції вільна енергія, що виділяється гідролізом фосфату з 1,3 DiPG, використовується для отримання АТФ. Пам'ятайте, що ця реакція відбувається двічі на стартову глюкозу. Два АТФ були синтезовані до цього моменту при гліколізі. Ми називаємо 1,3 DiPG дуже високоенергетичною фосфатною сполукою.
Реакція 8: Ця вільно оборотна ендергонічна реакція переміщує фосфат з вуглецю номер 3 3PG до вуглецю номер 2, як показано нижче.
Мутази, такі як фосфогліцератмутаза, каталізують перенесення функціональних груп всередині молекули.
Реакція 9: У цій реакції (показано нижче) енолаза каталізує перетворення 2PG в фосфоенол піруват (PEP).
Реакція 10: Ця реакція призводить до утворення піровиноградної кислоти (пірувату), як показано нижче. Знову запам'ятайте, що на початкову молекулу глюкози виробляється два пірувати.
Фермент піруваткіназа з'єднує біологічно незворотний ексергонічний гідроліз фосфату з ПЕП та перенесення фосфату в АДФ у зв'язаній реакції. Продукт реакції, PEP, - це ще одна дуже високоенергетична фосфатна сполука.
155 Гліколіз 2 стадія; Реакції 7-10
Піруваткіназа аллостерично регулюється АТФ, лимонною кислотою, довголанцюговими жирними кислотами, F1,6 DiP, і одним з власних субстратів - ПЕП.
При неповному (аеробному) гліколізі піруват окислюється в мітохондріях під час дихання (див. Альтернативні долі пірувату вище). Ферментації називають повним гліколізом, оскільки піруват знижується до того чи іншого кінцевого продукту. Нагадаємо, що м'язова втома результати, коли скелетні м'язи використовують анаеробне бродіння, щоб отримати енергію під час енергійних фізичних вправ. Коли піруват знижується до молочної кислоти (лактату), накопичення молочної кислоти викликає м'язову втому. Фермент лактатдегідрогеназа (ЛДГ), який каталізує цю реакцію, регулюється, але не аллостерично. Замість різних м'язових тканин регулюють ЛДГ, роблячи різні версії ферменту! Натисніть посилання нижче для пояснення.
156 Бродіння: Регулювання зниження пірувату НЕ є аллостеричним!
C. Хімічний та енергетичний баланс для гліколізу
Порівняйте баланси для повного гліколізу (бродіння) з молочною кислотою і неповним (аеробним) гліколізом, показуючи хімічні продукти і енергетичні перенесення.
У стадії 2 гліколізу є дві реакції, які дають молекулу АТФ. Оскільки кожна з цих реакцій відбувається двічі на початкову молекулу глюкози, 2 етап гліколізу виробляє чотири молекули АТФ. Оскільки стадія 1 споживала два АТФ, чистий вихід хімічної енергії як АТФ до кінця гліколізу становить два АТФ, будь то повний до лактату або неповний до пірувату! Оскільки вони не можуть використовувати кисень, анаероби повинні задовольнятися на мізерні 15 Ккал на суму АТФ, які вони отримують від бродіння. Оскільки потенційно доступні 687 Ккал від повного згоряння моля глюкози, залишається набагато більше вільної енергії, яку потрібно захопити під час решти дихання.
Пам'ятайте також, що єдина окислювально-відновна реакція при аеробному гліколізі знаходиться на стадії 2. Це окислення G-3-P, гліколітичного проміжного продукту 3С. Тепер перевірте окислювально-відновну реакцію шляхом бродіння. Оскільки піруват, також проміжний продукт 3С, був відновлений, не було чистого окислення глюкози (тобто гліколітичних проміжних продуктів) при повному гліколізі.
До цього часу ви зрозумієте, що гліколіз - це чистий енергетично сприятливий (швидкісний, спонтанний) шлях реакції в замкнутій системі, із загальним негативним ΔgO. Гліколіз також зазвичай спонтанний у більшості наших клітин, обумовлений постійною потребою в енергії для клітинної роботи. Таким чином, фактична вільна енергія гліколізу, або ΔG', також є негативною. Насправді гліколіз у активно дихаючих клітин протікає з виділенням більшої кількості вільної енергії, ніж це було б у замкнутій системі. Іншими словами, ΔG' для гліколізу в активних клітиках є більш негативним, ніж ΔgO гліколізу!
Тепер, на мить, давайте подивимося на глюконеогенез, дієту Аткінса і деякі не дуже нормальні обставини, коли гліколіз по суті йде в зворотному напрямку, принаймні в декількох типах клітин. За цих умов гліколіз енергетично несприятливий, і ці зворотні реакції протікають з негативним ΔG'!