Glikolízis

A glikolízis egy anyagcsereút, melynek során egy molekula glükóz két molekula piruváttá oxidálódik. Az elnevezés a glükóz (glycys görögül: édes) és a lízis (lysis görögül: hasadás) szavakból származó összetétel. Ez a folyamat a szénhidrátok katabolizmusának kezdő lépése, mely három alapvető célt szolgál:

• Makroerg molekulák (úgymint ATP és NADH) termelése (anaerob légzés)
• Piruváttermelés a citrátciklus számára (aerob légzés)
• Hat- és háromszénatomos köztitermékek termelése más anyagcsere-folyamatok (például aminosav-szintézis) céljaira.

Mint az aerob és anaerob légzés alapfolyamata, a glikolízis az őstípusa az ismert egyetemes anyagcsere-folyamatoknak és szinte az összes élő szervezet sejtjeiben megtalálható. A glikolízis sok prokarióta valamint mitokondrium nélküli (például vörösvérsejt) vagy oxigénhiányos környezetnek kitett (például nehéz munkát végző izom) eukarióta sejt legfőbb energiaforrása (anaerob légzés).

A glikolízis mind eukariótákban, mind prokariótákban a citoszolban zajlik, bár a növényekben egyes reakciók – melyek a Calvin-Benson ciklusban is megtalálhatók – a kloroplasztiszokban történnek. Ez a konzervativizmus alátámasztja a feltételezést, hogy a glikolízis igen ősi folyamat, az első prokariótákban jelent meg 3,5 milliárd éve vagy még annál is régebben.

A glikolízis legáltalánosabb és legismertebb útja az Embden-Meyerhof útvonal, melyet először Gustav Embden és Otto Meyerhof fedett fel. Bár a glikolízis kifejezést egyéb, alternatív útvonalakra is vonatkozhat (például a Entner-Doudoroff útvonal), ebben a cikkben az Embden-Meyerhof útvonalat taglaljuk.

A glikolízis felfedezése

A glikolitikus folyamatok módszeres tanulmányozását Louis Pasteur kezdte meg 1860-ban, amikor felfedezte, hogy az erjedésért mikroorganizmusok a felelősek. 1897-ben Eduard Buchner kimutatta, hogy bizonyos sejtkivonatokkal erjedést lehet előidézni. A következő lépés az volt, amikor Arthur Harden és William Young 1905-ben megállapította, hogy a fermentáció létrejöttéhez egy hőérzékeny, nagy molekulatömegű szubcelluláris frakció (az enzimek) és egy kevésbé hőérzékeny, alacsony molekulatömegű sejtplazmafrakció (ADP, ATP, NAD⁺ és egyéb kofaktorok) együttes jelenléte szükséges. Az egyes konkrét részreakciókat 1940-re határozták meg, leginkább Otto Meyerhof és később Luis Leloir munkássága eredményeként. A glikolízis részleteinek feltárását leginkább az nehezítette meg, hogy az átmeneti termékeknek nagyon rövid volt az élettartama és a nagyon alacsony volt a nyugalmi koncentrációja.

Áttekintés

A glikolízis nettó egyenlete:

D-glükóz				piruvát
	+ 2 NAD+ + 4 ADP + 2 Pi		2		+ 2 NADH + 2 H+ + 4 ATP + 2 H2O

Egyszerű anaerob fermentáció során egy molekula glükóz két molekula piruváttá alakul, s ennek során két molekula ATP szintetizálódik. A legtöbb sejt további reakciók során „visszafizeti” az elhasznált NAD⁺-ot etanol vagy laktát termelése mellett. Egyes baktériumok szervetlen vegyületeket használnak hidrogén akceptorként a NAD⁺ regenerálásához.

Aerob légzést végző sejtek sokkal több ATP-t szintetizálnak, de már nem a glikolízis részeként, hanem további areob reakciókban, melyek a glikolízis során megtermelt piruvátot és NADH + H⁺-t használják. Az eukarióta aerob respiráció során további 34 molekula ATP termelődik minden egyes lebontott glükózmolekula után, de ezek többsége a glikolízis szubsztrát-szintű foszforilációjától teljesen eltérő módon szintetizálódik.

Mivel az egy lebontott glükózmolekulára eső energiatermelés sokkal alacsonyabb az anaerob légzés, mint az aerob légzés esetében, hipoxiás körülmények között sokkal intenzívebb a glikolízis, egészen addig, amíg valamilyen más, anaerob módon oxidálható szubsztrát (például zsírsavak) rendelkezésre nem áll.

Glikolízis

Glükóz Hexokináz Glükóz-6-foszfát foszfohexóz izomeráz Fruktóz - 6 - foszfát foszfofruktokináz-1 Fruktóz - 1,6 - biszfoszfát aldoláz Dihidroxiaceton - foszfát Glicerinaldehid - 3 - foszfát Triózfoszfát izomeráz Glicerinaldehid - 3 - foszfát Glicerinaldehid - 3 - foszfát - dehidrogenáz ATP ADP ATP ADP NAD+ + Pi NADH + H+ + 2 NAD+ + Pi NADH + H+ Glicerinsav 1,3-biszfoszfát Foszfoglicerinsav-kináz Glicerinsav 3-foszfát Foszfoglicerinsav mutáz Glicerinsav 2-foszfát Foszfoglicerinsav hidratáz(Enoláz) Foszfoenolpiroszőlősav Piroszőlősav kináz Piroszőlősav Piruvát dehidrogenáz Acetil-CoA ADP ATP H2O ADP ATP CoA + NAD+ NADH + H+ + CO2 2 2 2 2 2 2 ADP ATP H2O

A glikolízis reakciói

A glikolízis első szakasza

Az első öt lépést előkészítő (vagy befektetési) szakasznak is szokták nevezni, mivel energiát használ fel ahhoz, hogy a hatszénatomos glükózt két háromszénatomos trióz-foszfáttá (glicerinaldehid-3-foszfát) alakítsa át.

A glikolízis első reakciója a glükóz foszforilációja glükóz-6-foszfáttá (G6P) a hexokináz enzimcsaládba tartozó enzimek közreműködésével. Ez a reakció ATP-t fogyaszt, és elsősorban az a szerepe, hogy alacsonyan tartsa a glükózkoncentrációt, ami elősegíti a glükóz folyamatos beáramlását a sejtbe a plazmamembrán-transzportereken keresztül. Ugyanakkor meggátolja a glükóz-kiáramlást, mivel a plazmamembránban nincsenek glükóz-6-foszfát-transzporterek. A glükóz az intracelluláris keményítő vagy glikogén lebontásából eredhet. Az állati szervezetekben a hexokináz egyik izoenzime, a glükokináz is szerephez jut a májban. Ennek az enzimnek sokkal kisebb a glükóz iránti affinitása (Km-je a normoglikémia környékén van) és regulációjában is különbözik. Ezek az eltérések a máj normoglikémiát fenntartó szerepére világítanak rá. Kofaktor: Mg2+

D-glükóz (Glc) hexokináz (HK) enzimosztály: transzferáz α-D-glükóz-6-foszfát (G6P)   ATP ADP

Ezután a G6P izomerizációja történik fruktóz-6-foszfáttá (F6P) a foszfohexóz izomeráz enzim segítségével. A fruktóz – foszforilációt követően – ezen a ponton léphet be a glükolitikus reakciósorba. A szerkezetváltozás redox-reakcióval jön létre: az aldehid-csoport alkohollá redukálódik, míg a szomszédos szénatom hidroxil-csoportja ketonná oxidálódik. Ez a reakció normál körülmények között nem preferált, de a (glikolízis következő reakciója által) folyamatosan alacsonyan tartott fruktóz-6-foszfát-szint mégis fenntartja. Magas fruktóz-6-foszfát-koncentráció esetén ez a reakció azonnal a visszájára fordul.

α-D-glükóz-6-foszfát (G6P) foszfohexóz izomeráz enzimosztály: izomeráz β-D-fruktóz-6-foszfát (F6P)

Egy újabb ATP felhasználását ebben a lépésben két dolog is indokolja: A glikolitikus folyamat innentől fogva irreverzibilis és az újabb foszfát-csoport bevitele jelentette többletenergia destabilizálja a cukormolekulát. Mivel a foszfofruktokináz I enzim által katalizált reakció nagyon kedvező, a lépés gyakorlatilag irreverzibilis, ezért a glükoneogenezis során egy eltérő reakcióutat kell használni az ellenkező irányú lépés végrehajtásához. Ez egyúttal a reguláció kulcspontjává is teszi ezt a lépést (lásd lejjebb). [Koplalás során a fruktóz-2,6-biszfoszfát (a PFK-1 allosztérikus aktivátora) koncentrációja alacsony, ezért a PFK-1 aktivitása is csökkent, ennek következtében fokozódik a glikoneogenezis]. Kofaktor: Mg2+

β-D-fruktóz-6-foszfát (F6P) foszfofruktokináz I (PFK-1) enzimosztály: transzferáz β-D-fruktóz-1,6-biszfoszfát (F1,6BP)   ATP ADP

Az előző lépésben előidézett destabilizáció lehetővé teszi, hogy az aldoláz a hatszénatomos fruktóz-1,6-biszfoszfátot két háromszénatomos trióz-foszfátra, egy dihidroxiaceton-foszfátra és egy glicerinaldehid-3-foszfátra bontsa.

β-D-fruktóz-1,6-biszfoszfát (F1,6BP) aldoláz (ALDO) enzimosztály: liáz D-glicerinaldehid-3-foszfát (GADP) dihidroxiaceton-foszfát (DHAP) +

A triózfoszfát-izomeráz hatékonyan alakítja át egymásba a dihidroxiaceton-foszfátot és a glicerinaldehid-3-foszfátot. Ez lehetővé teszi, hogy a dihidroxiaceton-foszfát is ugyanazon a reakcióúton haladjon végig, mint a glicerinaldehid-3-foszfát, leegyszerűsítve ezáltal a regulációt.

dihidroxiaceton-foszfát (DHAP) triózfoszfát-izomeráz (TPI) enzimosztály: izomeráz D-glicerinaldehid-3-foszfát (GADP)

Megjegyzés – Az utolsó lépést a pirofoszfát-dependens foszfofruktokináz (PFP vagy PPi-PFK) is katalizálhatja. Ez az enzim ugyanazt a reakciót katalizálja, mint a PFK1 (más néven ATP-PFK), de ATP helyett pirofoszfátot (PPi) használ foszfátdonorként. Ez a reakció reverzibilis, megnövelve ezáltal a glükolitikus metabolizmus rugalmasságát. Ez az enzim állati (és emberi) szervezetekben nem, csak növényi, baktérium- és archaeasejtekben.

A glikolízis második szakasza

Glukuronát anyagcsere Pentóz átalakítás Inozitol anyagcsere Cellulóz és szukróz anyagcsere Keményítő és glikogén anyagcsere Más cukrok anyagcseréje Pentóz foszfát út Glikolízis és Glükoneogenezis Amino cukrok anyagcseréje Kis aminosavak szintézise Elágazó aminosavak szintézise Purin bioszintézis Hisztidin anyagcsere Aromás aminosavak szintézise Piruvát dekarboxiláció Anaerob légzés Zsírsav- anyagcsere Urea ciklus Aszpartát aminosav- csoport szintézise Porfirin és korrinoid anyagcsere Citromsav-ciklus Glutamát aminosav- csoport synthesis Pirimidin bioszintézis