Glikolízis

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából

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:

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[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A glikolízis nettó egyenlete:

D-glükóz piruvát
D-glucose wpmp.png + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi Biochem reaction arrow forward NNNN horiz med.png 2 Pyruvate wpmp.png + 2 NADH + 2 H+ + 2 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 szubsztrátszintű 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.

 m • v • sz 
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
D-glucose wpmp.png ATP ADP Alpha-D-glucose-6-phosphate wpmp.png Beta-D-fructose-6-phosphate wpmp.png ATP ADP Beta-D-fructose-1,6-bisphosphate wpmp.png Glycerone-phosphate wpmp.png D-glyceraldehyde-3-phosphate wpmp.png D-glyceraldehyde-3-phosphate wpmp.png NAD+ + Pi NADH + H+
Biochem reaction arrow forward YYNN horiz med.png Biochem reaction arrow reversible NNNN horiz med.png Biochem reaction arrow forward YYNN horiz med.png Biochem reaction arrow reversible NNNN horiz med.png + Biochem reaction arrow reversible NNNN horiz med.png 2 Biochem reaction arrow reversible YYYY horiz med.png
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 komplex Acetil-CoA
1,3-bisphospho-D-glycerate.svg ADP ATP 3-phospho-D-glycerate.svg 2-phospho-D-glycerate wpmp.png H2O Phosphoenolpyruvate wpmp.png ADP ATP Pyruvate wpmp.png CoA + NAD+ NADH + H+ + CO2 Acetyl co-A wpmp.png
2 Biochem reaction arrow reversible YYYY horiz med.png 2 Biochem reaction arrow reversible NNNN horiz med.png 2 Biochem reaction arrow reversible NYYN horiz med.png 2 Biochem reaction arrow forward YYNN horiz med.png 2 Biochem reaction arrow forward YYNN horiz med.png 2
ADP ATP H2O

A glikolízis reakciói[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A glikolízis első szakasza[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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)
D-glucose wpmp.png   Alpha-D-glucose-6-phosphate wpmp.png
ATP ADP
Biochem reaction arrow forward YYNN horiz med.png
 
 


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)
Alpha-D-glucose-6-phosphate wpmp.png   Beta-D-fructose-6-phosphate wpmp.png
Biochem reaction arrow reversible NNNN horiz med.png
 
 


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)
Beta-D-fructose-6-phosphate wpmp.png   Beta-D-fructose-1,6-bisphosphate wpmp.png
ATP ADP
Biochem reaction arrow forward YYNN horiz med.png
 
 


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)
Beta-D-fructose-1,6-bisphosphate wpmp.png D-glyceraldehyde-3-phosphate wpmp.png + Glycerone-phosphate wpmp.png
Biochem reaction arrow reversible NNNN horiz med.png


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)
Glycerone-phosphate wpmp.png   D-glyceraldehyde-3-phosphate wpmp.png
Biochem reaction arrow reversible NNNN horiz med.png
 
 
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[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]