Glikoliza: definicja, kroki, produkty i reagenty

Zgodnie z podstawowymi prawami fizyki, wszystkie żywe istoty potrzebują w jakiejś formie energii ze środowiska, aby podtrzymać życie. Najwyraźniej różne organizmy wyewoluowały różne sposoby pozyskiwania paliwa z różnych źródeł w celu zasilania maszynerii komórkowej, która napędza codzienne procesy, takie jak wzrost, naprawa i reprodukcja.

Rośliny i zwierzęta oczywiście nie zdobywają pożywienia (lub jego odpowiednika w organizmach, które faktycznie nie mogą niczego „zjeść”) przez podobne środki, a ich wnętrzności nie trawią molekuł wyekstrahowanych ze źródeł paliwa w ten sam sposób. Niektóre organizmy potrzebują tlenu do przeżycia, inne są przez niego zabijane, a jeszcze inne mogą go tolerować, ale dobrze funkcjonują pod jego nieobecność.

Pomimo szeregu strategii, które żywe istoty stosują do wydobywania energii z wiązań chemicznych w związkach bogatych w węgiel, seria dziesięciu reakcji metabolicznych określanych zbiorczo jako glikoliza są wspólne dla praktycznie wszystkich komórek, zarówno w organizmach prokariotycznych (z których prawie wszystkie są bakteriami), jak iw organizmach eukariotycznych (głównie roślinach, zwierzętach i grzybach).

Przegląd głównych czynników wejściowych i wyjściowych glikolizy jest dobrym punktem wyjścia do zrozumienia, w jaki sposób komórki przechodzą do konwersji cząsteczki zebrane ze świata zewnętrznego w energię do podtrzymania niezliczonych procesów życiowych, w których komórki twojego ciała są nieustannie body zaręczony.

Wśród reagentów glikolizy wymienia się często glukozę i tlen, podczas gdy woda, dwutlenek węgla i ATP (adenozyna) trifosforan, cząsteczka żyjąca najczęściej używana do zasilania procesów komórkowych) są podawane jako produkty glikolizy, następująco:

do₆H₁₂O₆ + 6 O₂ --> 6 CO₂ + 6 godz₂O + 36 (lub 38) ATP

Nazywanie tego „glikolizą”, jak to czynią niektóre teksty, jest błędne. To jest reakcja netto oddychanie aerobowe jako całość, której pierwszym etapem jest glikoliza. Jak zobaczysz szczegółowo, produktami glikolizy per se są w rzeczywistości pirogronian i niewielka ilość energii w postaci ATP:

do₆H₁₂O₆ --> 2 C₃H₄O₃ + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+

NADH lub NAD+ w stanie zdeprotonowanym (dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy) jest tak zwanym nośnikiem elektronów o wysokiej energii i pośrednikiem w wielu reakcjach komórkowych związanych z uwalnianiem energii. Zwróć uwagę na dwie rzeczy: po pierwsze, sama glikoliza nie jest tak skuteczna w uwalnianiu ATP, jak całkowite oddychanie tlenowe, w w którym pirogronian wytworzony w procesie glikolizy wchodzi w cykl Krebsa w drodze do tych atomów węgla lądujących w transporcie elektronów łańcuch. Podczas gdy glikoliza zachodzi w cytoplazmie, kolejne reakcje oddychania tlenowego zachodzą w organellach komórkowych zwanych mitochondriami.

Glukoza, która zawiera sześciopierścieniową strukturę zawierającą pięć atomów węgla i jeden atom tlenu, jest transportowana do komórki przez błonę plazmatyczną przez wyspecjalizowane białka transportowe. Po wejściu do środka jest natychmiast fosforylowany, tj. Dołączona jest do niego grupa fosforanowa. Robi to dwie rzeczy: Daje cząsteczce ładunek ujemny, w efekcie zatrzymując ją w komórce (naładowane cząsteczki nie mogą łatwo przechodzi przez błonę plazmatyczną) i destabilizuje molekułę, ustawiając ją bardziej realnie rozbitą na mniejsze składniki.

Nowa cząsteczka nazywa się glukozo-6-fosforan (G-6-P), ponieważ grupa fosforanowa jest przyłączona do 6 atomu węgla glukozy (jedyny, który znajduje się poza strukturą pierścienia). Enzymem, który katalizuje tę reakcję, jest heksokinaza; „hex-” to grecki prefiks oznaczający „sześć” (jak w „cukier sześciowęglowy”), a kinazy to enzymy, które usuwają grupę fosforanową z jednej cząsteczki i przypinają ją w innym miejscu; w tym przypadku fosforan jest pobierany z ATP, pozostawiając po sobie ADP (adenozynodifosforan).

Kolejnym krokiem jest konwersja glukozo-6-fosforanu do fruktozo-6-fosforanu (F-6-P). Jest to po prostu przegrupowanie atomów lub izomeryzacja bez dodawania lub odejmowania, tak że jeden z atomów węgla w pierścieniu glukozy zostaje przesunięty poza pierścień, pozostawiając w swoim pierścieniu pięcioatomowy miejsce. (Możesz sobie przypomnieć, że fruktoza jest „cukrem owocowym”, powszechnym i naturalnie występującym składnikiem diety.) Enzymem katalizującym tę reakcję jest izomeraza fosfoglukozy.

Trzeci etap to kolejna fosforylacja, katalizowana przez fosfofruktokinazę (PFK) i dająca 1,6-bisfosforan fruktozy (F-1,6-BP). Tutaj druga grupa fosforanowa jest połączona z atomem węgla, który został wyciągnięty z pierścienia w poprzednim etapie. (Wskazówka dotycząca nomenklatury chemicznej: Powodem, dla którego ta cząsteczka jest nazywana „bisfosforanem”, a nie „difosforanem”, jest to, że dwa fosforany są połączone z różnymi atomami węgla, zamiast jednego połączonego z drugim naprzeciw wiązania węgiel-fosforan). W poprzednim etapie fosforylacji dostarczany fosforan pochodzi z cząsteczki ATP, więc te wczesne etapy glikolizy wymagają inwestycji dwa ATP.

Czwarty etap glikolizy rozbija obecnie bardzo niestabilną sześciowęglową cząsteczkę na dwie różne trójwęglowe cząsteczki: 3-fosforan aldehydu glicerynowego (GAP) i fosforan dihydroksyacetonu (DHAP). Enzymem odpowiedzialnym za to rozszczepienie jest aldolaza. Po nazwach tych trójwęglowych cząsteczek można rozpoznać, że każda z nich otrzymuje jeden z fosforanów z cząsteczki macierzystej.

Ponieważ glukoza została zmanipulowana i podzielona na mniej więcej równe części dzięki niewielkiemu nakładowi energii, pozostałe reakcje glikolizy obejmują odzyskiwanie fosforanów w sposób, który daje energię netto zdobyć. Podstawowym powodem, dla którego tak się dzieje, jest to, że usuwanie grup fosforanowych z tych związków jest większe energetycznie korzystne niż po prostu pobieranie ich bezpośrednio z cząsteczek ATP i nakładanie ich na inne cele; pomyśl o początkowych etapach glikolizy w kategoriach starego powiedzenia: „Musisz wydawać pieniądze, żeby zarabiać”.

Podobnie jak G-6-P i F-6-P, GAP i DHAP są izomerami: mają ten sam wzór cząsteczkowy, ale różne struktury fizyczne. Tak się składa, że ​​GAP leży na bezpośrednim szlaku chemicznym między glukozą a pirogronianem, podczas gdy DHAP nie. Dlatego w piątym etapie glikolizy enzym zwany izomerazą fosforanu triozy (TIM) przejmuje ładunek i przekształca DHAP w GAP. Enzym ten jest opisywany jako jeden z najbardziej wydajnych w całym ludzkim metabolizmie energetycznym, przyspieszając katalizowaną przez niego reakcję około dziesięciu miliardów razy (10¹⁰).

W szóstym etapie GAP jest przekształcany w 1,3-bisfosfoglicerynian (1,3-BPG) pod wpływem enzymu przez dehydrogenazę 3-fosforanową aldehydu glicerynowego. Enzymy dehydrogenazy robią dokładnie to, co sugerują ich nazwy – usuwają atomy wodoru (lub protony, jeśli wolisz). Wodór uwolniony z GAP trafia do cząsteczki NAD+, dając NADH. Należy pamiętać, że począwszy od tego kroku, dla celów księgowych, wszystko jest mnożone przez dwa, ponieważ początkowa cząsteczka glukozy staje się dwa cząsteczki GAP. Tak więc po tym etapie dwie cząsteczki NAD+ zostały zredukowane do dwóch cząsteczek NADH.

De facto odwrócenie wcześniejszych reakcji fosforylacji glikolizy rozpoczyna się od siódmego etapu. Tutaj enzym kinaza fosfoglicerynianowa usuwa fosforan z 1,3-BPG, tworząc 3-fosfoglicerynian (3-PG), z fosforanem lądującym na ADP, tworząc ATP. Ponieważ znowu dotyczy to dwóch cząsteczek 1,3-BOG na każdą cząsteczkę glukozy, która wchodzi w glikolizę w górę, oznacza to, że w sumie produkowane są dwa ATP, co znosi dwa ATP zainwestowane w pierwszym etapie i trzy.

W kroku ósmym 3-PG jest przekształcany w 2-fosfoglicerynian (2-PG) dzięki mutazie fosfoglicerynianowej, która ekstrahuje pozostałą grupę fosforanową i przesuwa ją o jeden węgiel. Enzymy mutazy różnią się od izomeraz tym, że zamiast znacząco zmieniać strukturę całej cząsteczki, po prostu przesuwają jedną „resztę” (w tym przypadku grupę fosforanową) do nowej lokalizacji, pozostawiając ogólną strukturę nienaruszony.

Jednak w kroku dziewiątym, to zachowanie struktury jest dyskusyjne, ponieważ 2-PG jest przekształcany w fosfoenolopirogronian (PEP) przez enzym enolazę. Enol jest kombinacją alk_eny i alkoholu. Alkeny to węglowodory zawierające podwójne wiązanie węgiel-węgiel, podczas gdy alkohole to węglowodory z dołączoną grupą hydroksylową (-OH). -OH w przypadku enolu jest przyłączony do jednego z węgli biorących udział w podwójnym wiązaniu węgiel-węgiel PEP.

Wreszcie, w dziesiątym i ostatnim etapie glikolizy, PEP jest przekształcany w pirogronian przez enzym kinazę pirogronianową. Jeśli na podstawie nazw różnych aktorów na tym etapie podejrzewasz, że w procesie powstają kolejne dwie cząsteczki ATP (jedna na rzeczywistą reakcję), masz rację. Grupa fosforanowa jest usuwana z PEP i dołączana do czającego się w pobliżu ADP, dając ATP i pirogronian. Pirogronian jest ketonem, co oznacza, że ​​zawiera węgiel niekońcowy (to znaczy taki, który nie znajduje się w koniec cząsteczki) zaangażowany w podwójne wiązanie z tlenem i dwa pojedyncze wiązania z innym węglem atomy. Wzór chemiczny pirogronianu to C₃H₄O₃, ale wyrażając to jako (CH₃)CO(COOH) oferuje bardziej pouczający obraz końcowego produktu glikolizy.

Całkowitą ilość uwolnionej energii (kuszące, ale błędne jest stwierdzenie „wyprodukowana”, ponieważ „produkcja” energii jest mylącą nazwą) jest dogodnie wyrażana jako dwa ATP na cząsteczkę glukozy. Ale mówiąc dokładniej, jest to również 88 kilodżuli na mol (kJ/mol) glukozy, co odpowiada około 21 kilokalorii na mol (kcal/mol). Mol substancji to masa tej substancji, która zawiera liczbę cząsteczek Avogadro, czyli 6,02 × 10²³ molekuły. Masa cząsteczkowa glukozy wynosi nieco ponad 180 gramów.

Ponieważ, jak zauważono wcześniej, oddychanie tlenowe może wytwarzać znacznie ponad 30 cząsteczek ATP na glukozę zainwestowanych, kuszące jest traktowanie samej produkcji energii glikolizy jako trywialnej, prawie Bezwartościowy. To jest kompletna nieprawda. Weź pod uwagę, że bakterie, które istnieją od prawie trzech i pół miliarda lat, mogą całkiem dobrze sobie radzić samą glikolizę, ponieważ są to niezwykle proste formy życia, które mają niewiele wymagań dla organizmów eukariotycznych zrobić.

W rzeczywistości można inaczej spojrzeć na oddychanie tlenowe, stawiając cały schemat na głowie: Podczas gdy ten rodzaj energii produkcja jest z pewnością cudem biochemicznym i ewolucyjnym, na którym organizmy, które z niej korzystają, w większości całkowicie polegają to. Oznacza to, że gdy nigdzie nie można znaleźć tlenu, organizmy, które polegają wyłącznie lub w dużym stopniu na aerobiku metabolizm – to znaczy każdy organizm czytający tę dyskusję – nie może długo przetrwać w przypadku braku tlen.

W każdym razie większość pirogronianu wytwarzanego w glikolizie przemieszcza się do macierzy mitochondrialnej (analogicznie do cytoplazma całych komórek) i wchodzi w cykl Krebsa, zwany również cyklem kwasu cytrynowego lub kwasem trikarboksylowym cykl. Ta seria reakcji służy przede wszystkim do generowania wielu nośników elektronów o wysokiej energii, zarówno NADH, jak i pokrewnego związku zwanego FADH₂, ale również daje dwa ATP na oryginalną cząsteczkę glukozy. Cząsteczki te następnie migrują do błony mitochondrialnej i uczestniczą w reakcjach łańcuchowych transportu elektronów, które ostatecznie uwalniają 34 więcej ATP.

W przypadku braku wystarczającej ilości tlenu (np. podczas intensywnych ćwiczeń) część pirogronianu ulega fermentacji, rodzaj metabolizmu beztlenowego, w którym pirogronian jest przekształcany w kwas mlekowy, generując więcej NAD+ do wykorzystania w metabolizmie procesy.