Jakie efekty mogą hamować glikolizę?

Glikoliza jest uniwersalnym procesem metabolicznym wśród żywych organizmów na świecie. Ta seria 10 reakcji w cytoplazmie wszystkich komórek przekształca sześciowęglową cząsteczkę cukru glukoza na dwie cząsteczki pirogronianu, dwie cząsteczki ATP i dwie cząsteczki NADH.
Dowiedz się o glikolizie.

W prokariota, które są najprostszymi organizmami, glikoliza jest tak naprawdę jedyną grą w metabolizmie komórkowym w mieście. Te organizmy, z których prawie wszystkie składają się z jednej komórki o stosunkowo niewielkiej zawartości, mają ograniczoną potrzeby metaboliczne, a glikoliza wystarczy, aby mogły się rozwijać i rozmnażać przy braku rywalizacji czynniki. Eukarionty, z drugiej strony, wprowadź glikolizę jako coś w rodzaju wymaganej przekąski, zanim główne danie, jakim jest oddychanie tlenowe, pojawi się na obrazie.

Dyskusje na temat glikolizy często koncentrują się na sprzyjających jej warunkach, np. odpowiednim stężeniu substratu i enzymu. Rzadziej wymieniane, ale również ważne, są rzeczy, które mogą być zaprojektowane

Glukoza to cukier sześciowęglowy o wzorze C₆H₁₂O₆. (Zabawne ciekawostki dotyczące biomolekuł: każdy węglowodan – czy to cukier, skrobia czy nierozpuszczalny błonnik – ma ogólny wzór chemiczny C_NH_2NO_N.) Ma masę molową 180 g, zbliżoną wielkością do cięższych aminokwasów. Jest w stanie swobodnie dyfundować do iz komórki przez błonę plazmatyczną.

Glukoza jest monosacharydem, co oznacza, że ​​nie powstaje z połączenia mniejszych cukrów. Fruktoza jest monosacharydem, podczas gdy sacharoza („cukier stołowy”) jest disacharydem złożonym z cząsteczki glukozy i cząsteczki fruktozy.

Warto zauważyć, że glukoza ma postać pierścienia, reprezentowanego na większości diagramów jako sześciokąt. Pięć z sześciu atomów pierścienia to glukoza, a szósty to tlen. Węgiel numer 6 znajduje się w metylu (- CH₃) poza ringiem.

Pełny wzór na sumę 10 reakcji glikolizy to:

do₆H₁₂O₆ + 2 NAD⁺ + 2 Pi + 2 ADP → 2 CH₃(C=O)COOH + 2 ATP + 2 NADH + 2 H⁺

Słowem oznacza to, że cząsteczka glukozy jest przekształcana w dwie cząsteczki glukozy, generując 2 ATP i 2 NADH (zredukowana forma dinukleotydu nikotynamidoadeninowego, powszechnego „nośnika elektronów” w biochemia).

Pamiętaj, że nie jest wymagany tlen. Chociaż pirogronian prawie zawsze jest spożywany w tlenowych etapach oddychania, glikoliza zachodzi zarówno w organizmach tlenowych, jak i beztlenowych.

Glikoliza jest klasycznie podzielona na dwie części: „fazę inwestycyjną”, która wymaga 2 ATP (adenozynotrójfosforanu, „energia waluta komórek) w celu ukształtowania cząsteczki glukozy w coś z dużą ilością energii potencjalnej i „wypłatą” lub „zbiorem” faza, w której 4 ATP są generowane przez konwersję jednej trójwęglowej cząsteczki (gliceraldehydo-3-fosforanu, czyli GAP) w inną, pirogronian. Oznacza to, że na cząsteczkę glukozy generowane jest łącznie 4 -2 = 2 ATP.

Gdy glukoza wchodzi do komórki, jest fosforylowana (tj. ma dołączoną do niej grupę fosforanową) pod działaniem enzymu heksokinaza. Ten enzym lub katalizator białkowy jest jednym z najważniejszych enzymów regulatorowych w glikolizie. Każda z 10 reakcji glikolizy jest katalizowana przez jeden enzym, a ten enzym z kolei katalizuje tylko tę jedną reakcję.

Glukozo-6-fosforan (G6P) powstały w tym etapie fosforylacji jest następnie przekształcany do fruktozo-6-fosforanu (F6P) przed wystąpieniem drugiej fosforylacji, tym razem w kierunku fosfofruktokinaza, inny krytyczny enzym regulatorowy. Powoduje to powstanie fruktozo-1,6-bisfosforanu (FBP) i zakończenie pierwszej fazy glikolizy.

Fruktozo-1,6-bisfosforan jest podzielony na parę trójwęglowych cząsteczek, fosforan dihydroksyacetonu (DHAP) i gliceraldehydo-3-fosforan (GAP). DHAP jest szybko przekształcany w GAP, więc efektem netto podziału jest utworzenie dwóch identycznych trójwęglowych cząsteczek z jednej sześciowęglowej cząsteczki.

GAP jest następnie przekształcany przez enzym dehydrogenazę gliceraldehydo-3-fosforanową w 1,3-difosfoglicerynian. To jest pracowity krok; NAD⁺ jest konwertowany na NADH i H⁺ przy użyciu atomów wodoru wyrwanych z GAP, a następnie cząsteczka jest fosforylowana.

W pozostałych etapach, które przekształcają 1,3-difosfoglicerynian w pirogronian, oba fosforany są kolejno usuwane z cząsteczki trójwęglowej w celu wytworzenia ATP. Ponieważ wszystko po rozszczepieniu FBP dzieje się dwa razy na cząsteczkę glukozy, oznacza to, że 2 NADH, 2 H⁺ i 4 ATP są generowane w fazie powrotu, dla sieci 2 NADH, 2 H⁺ i 2 ATP.
Przeczytaj więcej o końcowym wyniku glikolizy.

Trzy z enzymów biorących udział w glikolizie odgrywają główną rolę w regulacji procesu. Dwa, heksokinaza i fosfofruktokinaza (lub PFK), zostały już wspomniane. Trzeci, kinaza pirogronianowa, jest odpowiedzialny za katalizowanie końcowej reakcji glikolizy, konwersji fosfoenolopirogronianu (PEP) do pirogronianu.

Każdy z tych enzymów ma aktywatory jak również inhibitory. Jeśli jesteś zaznajomiony z chemią i koncepcją hamowania przez sprzężenie zwrotne, możesz przewidzieć warunki, które powodują, że dany enzym przyspiesza lub spowalnia swoją aktywność. Na przykład, jeśli region komórki jest bogaty w G6P, czy spodziewałbyś się, że heksokinaza będzie agresywnie wyszukiwać przechodzące obok cząsteczki glukozy? Prawdopodobnie nie, ponieważ w tych warunkach nie ma pilnej potrzeby generowania dodatkowego G6P. I miałbyś rację.

Podczas gdy heksokinaza jest hamowana przez G6P, jest aktywowana przez AMP (monofosforan adenozyny) i ADP (difosforan adenozyny), podobnie jak PFK i kinaza pirogronianowa. Dzieje się tak, ponieważ wyższe poziomy AMP i ADP ogólnie oznaczają niższe poziomy ATP, a gdy ATP jest niskie, bodziec do wystąpienia glikolizy jest wysoki.

Kinaza pirogronianowa jest również aktywowana przez fruktozo-1,6-bisfosforan, co ma sens, ponieważ zbyt dużo FBP implikuje że półprodukt glikolizy gromadzi się w górę rzeki i wszystko musi toczyć się szybciej na końcowym końcu proces. Również fruktozo-2,6-bisfosforan jest aktywatorem PFK.

Jak wspomniano, heksokinaza jest hamowana przez G6P. PFK i kinaza pirogronianowa są hamowane przez obecność ATP z tego samego podstawowego powodu, dla którego są aktywowane przez AMP i ADP: stan energetyczny komórki sprzyja zmniejszeniu szybkości glikolizy.

PFK jest również hamowany przez cytrynian, składnik cyklu Krebsa, który występuje poniżej w oddychaniu tlenowym. Kinaza pirogronianowa jest hamowana przez acetylo-CoA, czyli cząsteczka, w którą przekształca się pirogronian po zakończeniu glikolizy i przed cyklem Krebsa zaczyna się (w rzeczywistości acetylo-CoA łączy się ze szczawiooctanem w pierwszym etapie cyklu, tworząc cytrynian). Wreszcie, aminokwas alanina hamuje również kinazę pirogronianową.

Można się spodziewać, że inne produkty glikolizy oprócz G6P będą hamować heksokinazę, ponieważ ich obecność w znacznych ilościach wydaje się wskazywać na zmniejszone zapotrzebowanie na G6P. Jednak tylko sam G6P hamuje heksokinazę. Dlaczego to?

Powód jest dość prosty: G6P jest potrzebny do szlaków reakcji innych niż glikoliza, w tym do bocznika pentozofosforanowego i synteza glikogenu. Dlatego też, jeśli dalsze cząsteczki inne niż G6P mogą uniemożliwić działanie heksokinazy, te inne szlaki reakcji spowolniłoby to również z powodu braku wejścia G6P do procesu, a zatem stanowiłoby pewnego rodzaju uboczną szkodę.