Які ефекти можуть стримувати гліколіз?

Гліколіз є універсальним процесом обміну речовин серед живих істот світу. Ця серія з 10 реакцій у цитоплазмі всіх клітин перетворює шестивуглецеву молекулу цукру глюкоза на дві молекули пірувату, дві молекули АТФ і дві молекули NADH.
Дізнайтеся про гліколіз.

В прокаріоти, які є найпростішими організмами, гліколіз - насправді єдина гра клітинного метаболізму в місті. Ці організми, майже всі з яких складаються з однієї клітини з відносно невеликим вмістом, мають обмежений вміст метаболічні потреби, і гліколізу достатньо, щоб вони могли процвітати і розмножуватися за відсутності конкуруючих фактори. Еукаріоти, з іншого боку, розкачайте гліколіз як щось із необхідної закуски до того, як основна страва аеробного дихання увійде в картину.

Обговорення гліколізу часто зосереджується на умовах, які сприяють цьому, наприклад, адекватна концентрація субстрату та ферментів. Рідше згадуються, але також важливі речі, які можуть задуматися інгібувати швидкість гліколізу. Незважаючи на те, що клітинам потрібна енергія, постійне пропускання стільки сировини через гліколіз не завжди є бажаним клітинним результатом. На щастя для клітини, численні учасники гліколізу здатні впливати на її швидкість.

Глюкоза - це шестивуглецевий цукор із формулою С₆H₁₂О₆. (Забавні дрібниці щодо біомолекул: кожен вуглевод - будь то цукор, крохмаль або нерозчинна клітковина - має загальну хімічну формулу С_NH_2NО_N.) Він має молярну масу 180 г, схожу на важчі амінокислоти за своїм розміром. Він здатний вільно дифундувати в клітину та з неї через плазматичну мембрану.

Глюкоза є моносахаридом, це означає, що він не виробляється комбінуванням менших цукрів. Фруктоза є моносахаридом, тоді як сахароза («столовий цукор») - це дисахарид, зібраний із молекули глюкози та молекули фруктози.

Примітно, що глюкоза має форму кільця, представленого у вигляді шестикутника на більшості діаграм. П'ять з шести кільцевих атомів - це глюкоза, а шостий - кисень. Вуглець номер 6 лежить у метилі (- CH₃) група поза рингом.

Повна формула для суми 10 реакцій гліколізу:

C.₆H₁₂О₆ + 2 НАД⁺ + 2 Pi + 2 ADP → 2 CH₃(C = O) COOH + 2 ATP + 2 NADH + 2 H⁺

Словами це означає, що молекула глюкози перетворюється на дві молекули глюкози, утворюючи 2 АТФ і 2 NADH (відновлена ​​форма нікотинаміду аденіндинуклеотиду, загальний "електронний носій" у біохімія).

Зверніть увагу, що кисень не потрібен. Хоча піруват майже незмінно споживається в аеробних стадіях дихання, гліколіз відбувається і в аеробних, і в анаеробних організмах.

Гліколіз класично розділений на дві частини: "інвестиційна фаза", яка вимагає 2 АТФ (аденозинтрифосфат, "енергія" валюта "клітин"), щоб сформувати молекулу глюкози у щось із великою кількістю потенційної енергії та "виграшем" або "збиранням" фаза, в якій 4 АТФ утворюються шляхом перетворення однієї молекули з трьох вуглеців (гліцеральдегід-3-фосфат або GAP) в іншу, піруват. Це означає, що в цілому на молекулу глюкози утворюється 4 -2 = 2 АТФ.

Коли глюкоза потрапляє в клітину, вона фосфорилюється (тобто має приєднану до неї фосфатну групу) під дією ферменту гексокіназа. Цей фермент, або білковий каталізатор, є одним з найважливіших з регулюючих ферментів гліколізу. Кожна з 10 реакцій гліколізу каталізується одним ферментом, а цей фермент, в свою чергу, каталізує лише цю реакцію.

Потім глюкозо-6-фосфат (G6P), отриманий на цій стадії фосфорилювання, перетворюється у фруктозо-6-фосфат (F6P) перед тим, як відбувається друге фосфорилювання, цього разу за напрямком фосфофруктокіназа, ще один важливий регуляторний фермент. Це призводить до утворення фруктозо-1,6-бісфосфату (FBP), і перша фаза гліколізу завершена.

Фруктоза-1,6-бісфосфат розщеплюється на пару з трьох вуглецевих молекул, дигідроксиацетонфосфату (DHAP) та гліцеральдегід-3-фосфату (GAP). DHAP швидко перетворюється на GAP, тому чистий ефект розщеплення полягає у створенні двох однакових тривуглецевих молекул з однієї-шести молекул вуглецю.

Потім GAP перетворюється ферментом гліцеральдегід-3-фосфатдегідрогеназа в 1,3-дифосфогліцерат. Це напружений крок; НАД⁺ перетворюється на NADH і H⁺ з використанням атомів водню, позбавлених GAP, а потім молекула фосфорилюється.

На інших стадіях, які перетворюють 1,3-дифосфогліцерат у піруват, обидва фосфати послідовно видаляються з молекули трьох вуглеців для утворення АТФ. Оскільки все після розщеплення FBP відбувається двічі на молекулу глюкози, це означає, що 2 NADH, 2 H⁺ і 4 АТФ генеруються у фазі повернення, для мережі 2 NADH, 2 H⁺ і 2 АТФ.
Докладніше про кінцевий результат гліколізу.

Три ферменти, які беруть участь у гліколізі, відіграють важливу роль у регуляції процесу. Два з них, гексокіназа та фосфофруктокіназа (або PFK), вже були згадані. Третій, піруваткіназавідповідає за каталізацію кінцевої реакції гліколізу, перетворення фосфоенолпірувату (PEP) у піруват.

Кожен із цих ферментів має активатори так само, як інгібітори. Якщо ви знайомі з хімією та концепцією пригнічення зворотного зв’язку, ви, можливо, зможете передбачити умови, що призводять до того, що даний фермент пришвидшує або сповільнює його активність. Наприклад, якщо область клітини багата G6P, чи могли б ви очікувати, що гексокіназа агресивно шукатиме будь-які блукаючі молекули глюкози? Ви, мабуть, не зробили б, оскільки за цих умов немає необхідності терміново генерувати додаткові G6P. І ти мав би рацію.

Поки гексокіназа інгібується G6P, вона активується АМФ (аденозинмонофосфат) та АДФ (аденозиндифосфат), як і PFK та піруваткіназа. Це пов’язано з тим, що більш високі рівні АМФ та АДФ, як правило, означають нижчі рівні АТФ, а коли АТФ низький, поштовхом до гліколізу є високий.

Піруваткіназа також активується фруктозо-1,6-бісфосфатом, що має сенс, оскільки занадто велика кількість FBP передбачає що проміжний продукт гліколізу накопичується вище за течією, і все повинно відбуватися швидше на хвостовій частині процес. Також фруктоза-2,6-бісфосфат є активатором ПФК.

Як зазначалося, гексокіназа інгібується G6P. ПФК і піруваткіназа пригнічуються наявністю АТФ з тієї ж основної причини, що вони активуються АМФ та АДФ: Енергетичний стан клітини сприяє зменшенню швидкості гліколізу.

PFK також інгібується цитрат, складова циклу Кребса, що відбувається нижче за течією аеробного дихання. Піруваткіназа інгібується ацетил КоА, яка є молекулою, в яку перетворюється піруват після закінчення гліколізу та до циклу Кребса починається (фактично, ацетил-КоА поєднується з оксалоацетатом на першому етапі циклу для створення цитрат). Нарешті, амінокислота аланін також пригнічує піруваткіназу.

Можна очікувати, що інші продукти гліколізу, крім G6P, пригнічують гексокіназу, оскільки їх присутність у значних кількостях свідчить про зменшення потреби в G6P. Однак лише сам G6P інгібує гексокіназу. Чому це?

Причина досить проста: G6P необхідний для реакційних шляхів, крім гліколізу, включаючи пентозофосфатний шунт та синтез глікогену. Отже, якщо подальші молекули, крім G6P, можуть утримати гексокіназу від її роботи, ці інші реакційні шляхи також сповільниться через відсутність G6P, що вступає в процес, і, отже, буде побічним збитком.