GLIKOLISIS: FUNGSI, ENZIM, FASA, PRODUK, KEPENTINGAN - BIOLOGI - 2024

The glikolisis atau glikolisis adalah laluan utama katabolisme glukosa, yang bertujuan utama adalah untuk menjana tenaga dalam yang bentuk ATP dan mengurangkan kuasa dalam yang bentuk NADH, dari karbohidrat ini.

Laluan ini, dijelaskan sepenuhnya pada tahun 1930-an oleh Gustav Embden dan Otto Meyerhof semasa mengkaji penggunaan glukosa dalam sel otot rangka, terdiri daripada pengoksidaan lengkap monosakarida ini dan, dengan sendirinya, mewakili jalan anaerobik untuk memperoleh tenaga.

Struktur molekul ATP, salah satu produk glikolitik (Ringkasan jalur glikolitik (Sumber: Tekks di Wikipedia Bahasa Inggeris / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) melalui Wikimedia Commons) melalui Wikimedia Commons)

Ini adalah salah satu laluan metabolik utama, kerana ia berlaku, dengan perbezaannya, pada semua organisma hidup yang ada, uniselular atau multiselular, prokariotik atau eukariotik, dan ia dianggap sebagai rangkaian reaksi yang secara semula jadi sangat terpelihara secara semula jadi.

Sebenarnya, ada sebilangan organisma dan jenis sel yang bergantung sepenuhnya pada laluan ini untuk terus hidup.

Pada mulanya, glikolisis terdiri daripada pengoksidaan glukosa, 6 atom karbon, menjadi piruvat, yang mempunyai tiga atom karbon; dengan pengeluaran ATP dan NADH yang bersamaan, berguna untuk sel dari sudut metabolik dan sintetik.

Dalam sel yang mampu memproses lebih lanjut produk yang diperoleh dari katabolisme glukosa, glikolisis berakhir dengan penghasilan karbon dioksida dan air melalui kitaran Krebs dan rantai pengangkutan elektron (glikolisis aerobik).

Sepuluh reaksi enzimatik berlaku sepanjang jalan glikolitik, dan walaupun peraturan tindak balas ini mungkin agak berbeza dari spesies ke spesies, mekanisme pengawalseliaan juga cukup terpelihara.

Fungsi glikolisis

Dari sudut metabolik, glukosa adalah salah satu karbohidrat terpenting untuk semua makhluk hidup.

Ini adalah molekul yang stabil dan sangat larut, sehingga dapat diangkut dengan mudah ke seluruh tubuh binatang atau tumbuhan, dari mana ia disimpan dan / atau diperoleh ke tempat yang diperlukan sebagai bahan bakar selular.

Struktur glukosa (Sumber: Oliva93 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) melalui Wikimedia Commons)

Tenaga kimia yang terkandung dalam glukosa dieksploitasi oleh sel-sel hidup melalui glikolisis, yang terdiri daripada serangkaian langkah yang sangat terkawal di mana tenaga yang dilepaskan dari pengoksidaan karbohidrat ini dapat "ditangkap" menjadi bentuk tenaga yang lebih berguna. , oleh itu pentingnya.

Melalui laluan ini bukan sahaja tenaga (ATP) dan daya pengurangan (NADH) diperoleh, tetapi juga menyediakan rangkaian perantara metabolik yang merupakan sebahagian daripada laluan lain, juga penting dari anabolik (biosintetik) dan fungsi sel am. Berikut adalah senarai:

- Glukosa 6-fosfat untuk Pentosa Fosfat Jalur (PPP)

- Piruvat untuk penapaian laktik

- Piruvat untuk sintesis asid amino (alanin, terutamanya)

- Piruvat untuk kitaran asid tricarboxylic

- Fruktosa 6-fosfat, glukosa 6-fosfat dan dihydroxyacetone fosfat, yang berfungsi sebagai "blok bangunan" dalam laluan lain seperti sintesis glikogen, asid lemak, trigliserida, nukleotida, asid amino, dll.

Pengeluaran tenaga

Jumlah ATP yang dihasilkan oleh jalur glikolitik, ketika sel yang menghasilkannya tidak dapat hidup dalam keadaan aerobik, cukup untuk memenuhi keperluan tenaga sel ketika digabungkan dengan berbagai jenis proses penapaian.

Walau bagaimanapun, berkaitan dengan sel aerobik, glikolisis juga berfungsi sebagai sumber tenaga kecemasan dan berfungsi sebagai "langkah persediaan" sebelum reaksi fosforilasi oksidatif yang mencirikan sel dengan metabolisme aerobik.

Enzim yang terlibat dalam glikolisis

Glikolisis hanya dapat dilakukan berkat penyertaan 10 enzim yang menjadi pemangkin reaksi yang menjadi ciri jalan ini. Sebilangan besar enzim ini bersifat alosterik dan berubah bentuk atau konformasi ketika mereka menjalankan fungsi pemangkinnya.

Terdapat enzim yang memutuskan dan membentuk ikatan kovalen antara substratnya dan ada yang memerlukan kofaktor khusus untuk menjalankan fungsinya, terutamanya ion logam.

Secara struktural, semua enzim glikolitik mempunyai pusat yang terdiri daripada kepingan β selari yang dikelilingi oleh heliks α dan disusun dalam lebih dari satu domain. Selanjutnya, enzim ini dicirikan bahawa tapak aktifnya biasanya berada di tempat pengikat antara domain.

Penting juga untuk diperhatikan bahawa peraturan utama laluan melalui kawalan (hormon atau metabolit) enzim seperti heksokinase, fosfofruktokinase, gliseraldehid 3-fosfat dehidrogenase dan piruvat kinase.

Perkara utama peraturan laluan glikolitik (Sumber: Gregor 0492 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) melalui Wikimedia Commons)

1- Hexokinase (HK)

Reaksi pertama glikolisis (fosforilasi glukosa) dikatalisis oleh heksokinase (HK), yang mekanisme tindakannya terdiri dari substrat "pengetatan yang diinduksi" yang mendorong "penguncian" enzim di sekitar ATP dan glukosa (substratnya) setelah ia mengikatnya.

Bergantung pada organisma yang dipertimbangkan, mungkin ada satu atau lebih isoenzim, yang berat molekulnya berkisar antara 50 (sekitar 500 asid amino) dan 100 kDa, kerana mereka kelihatan berkelompok dalam bentuk dimer, yang pembentukannya disukai oleh kehadiran glukosa, ion magnesium dan ATP.

Hexokinase mempunyai struktur tersier yang terdiri daripada lembaran alfa dan beta terbuka, walaupun terdapat banyak perbezaan struktur dalam enzim ini.

2- Isomerase fosfoglukosa (PGI)

Glukosa difosforilasi oleh heksokinase diisomerkan menjadi fruktosa 6-fosfat melalui fosfoglukosa isomerase (PGI), juga dikenali sebagai glukosa 6-fosfat isomerase. Oleh itu, enzim tidak mengeluarkan atau menambah atom, tetapi menyusunnya semula pada tahap struktur.

Ini adalah enzim aktif dalam bentuk dimerinya (monomer beratnya lebih kurang 66 kDa) dan terlibat bukan sahaja dalam glikolisis, tetapi juga dalam glukoneogenesis, dalam sintesis karbohidrat pada tumbuhan, dll.

3- Phosphofructokinase (PFK)

Fruktosa 6-fosfat adalah substrat untuk enzim phosphofructokinase, yang mampu mengfosforilasi semula molekul ini menggunakan ATP sebagai penderma kumpulan fosforil, menghasilkan fruktosa 1,6-bifosfat.

Enzim ini terdapat pada bakteria dan mamalia sebagai enzim homotetramerik (terdiri daripada empat subunit yang sama masing-masing 33 kDa untuk bakteria dan 85 kDa masing-masing pada mamalia) dan dalam ragi ia adalah oktamer (terdiri daripada subunit yang lebih besar, antara 112 dan 118 kDa).

Ini adalah enzim allosteric, yang bermaksud bahawa ia diatur secara positif atau negatif oleh beberapa produknya (ADP) dan oleh molekul lain seperti ATP dan sitrat.

4- Aldolasse

Juga dikenali sebagai fruktosa 1,6-bifosfat aldolase, aldolase menjadi pemangkin pemecahan pemangkin fruktosa 1,6-bifosfat menjadi dihydroxyacetone fosfat dan gliseraldehid 3-fosfat dan tindak balas terbalik, iaitu penyatuan kedua-dua gula untuk pembentukan fruktosa 1,6-bifosfat.

Dengan kata lain, enzim ini memotong fruktosa 1,6-bifosfat tepat pada separuh, melepaskan dua sebatian 3-karbon yang terfosforilasi. Aldolase juga terdiri daripada 4 subunit yang sama, masing-masing mempunyai laman web aktifnya sendiri.

Kewujudan dua kelas (I dan II) enzim ini telah ditentukan, yang dibezakan oleh mekanisme reaksi yang mereka memangkinkan dan kerana beberapa (yang pertama) berlaku pada bakteria dan eukariota "lebih rendah", dan yang lain (yang kedua) terdapat dalam bakteria, protista dan metazoa.

Aldolase eukariotik "lebih tinggi" terdiri daripada homotetramer dari subunit berat molekul 40 kDa, masing-masing terdiri daripada tong yang terdiri daripada 8 kepingan β / α.

5- Triose fosfat isomerase (TIM)

Dua triofosforilasi dapat saling bertukar antara satu sama lain berkat tindakan isomerase triose-fosfat, yang memungkinkan kedua gula digunakan sepanjang glikolisis, memastikan penggunaan penuh setiap molekul glukosa yang memasuki jalur.

Enzim ini telah digambarkan sebagai enzim "sempurna", kerana memangkin reaksi yang dijelaskan kira-kira satu triliun kali lebih cepat daripada apa yang akan berlaku tanpa penyertaan anda. Laman aktifnya berada di tengah-tengah struktur beta-tong, ciri banyak enzim glikolitik.

Ini adalah protein dimerik, terdiri dari dua subunit yang sama dengan kira-kira 27 kDa, keduanya dengan struktur globular.

6- Glyceraldehyde 3-fosfat dehidrogenase (GAPDH)

Glyceraldehyde 3-fosfat yang dihasilkan oleh tindakan aldolase dan triose fosfat isomerase berfungsi sebagai substrat untuk GAPDH, yang merupakan enzim homotetramerik (34-38 kDa setiap subunit) yang secara kolektif mengikat molekul NAD + di masing-masing dari 4 laman aktifnya, serta 2 ion fosfat atau sulfat.

Dalam langkah ini, enzim membenarkan fosforilasi salah satu substratnya menggunakan fosfat anorganik sebagai penderma kumpulan fosforil, dengan pengurangan dua molekul NAD + dan penghasilan 1,3-bifosfogliserat.

7- Phosphoglycerate kinase (PGK)

Phosphoglycerate kinase bertanggungjawab untuk memindahkan salah satu kumpulan fosfat 1,3-bisphosphoglycerate ke molekul ADP dengan fosforilasi pada tahap substrat. Enzim ini menggunakan mekanisme yang serupa dengan yang digunakan oleh hexokinase, kerana ia ditutup pada sentuhan pada substratnya, melindungi mereka daripada mengganggu molekul air.

Enzim ini, seperti yang lain yang menggunakan dua atau lebih substrat, mempunyai tapak pengikat untuk ADP dan yang lain untuk gula fosfat.

Tidak seperti enzim lain yang dijelaskan, protein ini adalah monomer 44 kDa dengan struktur bilobal, terdiri dari dua domain dengan ukuran yang sama yang dihubungkan oleh "sumbing" sempit.

8- Fosfogliserat mutase

3-fosfogliserat mengalami perubahan dari kumpulan fosfat ke arah karbon 2, di tengah-tengah molekul, yang mewakili laman web ketidakstabilan strategik yang memfasilitasi pemindahan kumpulan seterusnya ke molekul ATP pada reaksi terakhir laluan.

Penyusunan semula ini dikatalisis oleh enzim phosphoglycerate mutase, enzim dimeric untuk manusia dan tetrameric untuk ragi, dengan ukuran subunit mendekati 27 kDa.

9- Enolase

Enolase memangkinkan dehidrasi 2-fosfogliserat menjadi phosphoenolpyruvate, langkah yang perlu bagi penjanaan ATP dalam tindak balas seterusnya.

Ia adalah enzim dimerik yang terdiri daripada dua subunit 45 kDa yang serupa. Ia bergantung pada ion magnesium untuk kestabilannya dan perubahan konformasi yang diperlukan untuk mengikat substratnya. Ini adalah salah satu enzim yang paling banyak dinyatakan dalam sitosol banyak organisma dan menjalankan fungsi sebagai tambahan kepada glikolitik.

10- Piruvate kinase

Fosforilasi tahap substrat kedua yang berlaku dalam glikolisis dikatalisis oleh piruvat kinase, yang bertanggungjawab untuk pemindahan kumpulan fosforil dari fosfenolpyruvat ke ADP dan untuk pengeluaran piruvat.

Enzim ini lebih kompleks daripada enzim glikolitik lain dan pada mamalia ia adalah enzim homotetramerik (57 kDa / subunit). Terdapat, dalam vertebrata, sekurang-kurangnya 4 isoenzim: L (di hati), R (dalam eritrosit), M1 (di otot dan otak) dan M2 (tisu janin dan tisu dewasa).

Fasa glikolisis (langkah demi langkah)

Jalur glikolitik terdiri daripada sepuluh langkah berturutan dan bermula dengan satu molekul glukosa. Semasa proses, molekul glukosa "diaktifkan" atau "disiapkan" dengan penambahan dua fosfat, membalikkan dua molekul ATP.

Selanjutnya, ia "dipotong" menjadi dua pecahan dan akhirnya ia diubah secara kimia beberapa kali, mensintesis empat molekul ATP di sepanjang jalan, sehingga keuntungan bersih dalam rute tersebut sepadan dengan dua molekul ATP.

Dari perkara di atas, dapat disimpulkan bahawa laluan tersebut dibahagikan kepada fasa "pelaburan" tenaga, asas untuk pengoksidaan lengkap molekul glukosa, dan fasa "penguatan" tenaga lain, di mana tenaga yang digunakan pada mulanya diganti dan dua diperoleh. molekul ATP bersih.

- Fasa pelaburan tenaga

1- Langkah pertama jalur glikolitik terdiri daripada fosforilasi glukosa yang dimediasi oleh heksokinase (HK), yang mana enzim menggunakan satu molekul ATP untuk setiap molekul glukosa yang difosforilasi. Ini adalah reaksi yang tidak dapat dipulihkan dan bergantung pada kehadiran ion magnesium (Mg2 +):

Glukosa + ATP → Glukosa 6-fosfat + ADP

2- Glukosa 6-fosfat yang dihasilkan di isomerisasi menjadi fruktosa 6-fosfat berkat tindakan enzim fosfoglukosa isomerase (PGI). Ini adalah reaksi yang boleh dibalikkan dan tidak melibatkan perbelanjaan tenaga tambahan:

Glukosa 6-fosfat → Fruktosa 6-fosfat

3- Selepas itu, satu lagi langkah penyongsangan tenaga melibatkan fosforilasi fruktosa 6-fosfat untuk membentuk fruktosa 1,6-bifosfat. Tindak balas ini dikatalisis oleh enzim phosphofructokinase-1 (PFK-1). Seperti langkah pertama dalam laluan, molekul penderma kumpulan fosfat adalah ATP dan ia juga merupakan reaksi yang tidak dapat dipulihkan.

Fruktosa 6-fosfat + ATP → Fruktosa 1,6-bifosfat + ADP

4- Dalam tahap glikolisis ini, pemecahan katalitik fruktosa 1,6-bifosfat menjadi dihydroxyacetone fosfat (DHAP), ketosis, dan gliseraldehid 3-fosfat (GAP), aldose, berlaku. Pemeluwapan aldol ini dikatalisis oleh enzim aldolase dan merupakan proses terbalik.

Fruktosa 1,6-bifosfat → Dihidroksiaseton fosfat + gliseraldehid 3-fosfat

5- Reaksi terakhir fasa penyongsangan tenaga terdiri daripada interkonversi triose fosfat DHAP dan GAP yang dikatalisis oleh enzim triose-fosfat isomerase (TIM), suatu fakta yang tidak memerlukan pengambilan tenaga tambahan dan juga merupakan proses yang boleh diterbalikkan.

Dihydroxyacetone fosfat ↔ Glyceraldehyde 3-fosfat

- Fasa penambahan tenaga

6- Glyceraldehyde 3-phosphate digunakan "downstream" di jalur glikolitik sebagai substrat untuk tindak balas pengoksidaan dan yang lain untuk fosforilasi, dikatalisis oleh enzim yang sama, glyceraldehyde 3-fosfat dehidrogenase (GAPDH).

Enzim ini memangkinkan pengoksidaan karbon C1 molekul kepada asid karboksilik dan fosforilasi dalam kedudukan yang sama, menghasilkan 1,3-bifosfogliserat. Semasa tindak balas, 2 molekul NAD + dikurangkan untuk setiap molekul glukosa dan 2 molekul fosfat anorganik digunakan.

2Glyceraldehyde 3-phosphate + 2NAD + + 2Pi → 2 (1,3-bisphosphoglycerate) + 2NADH + 2H

Dalam organisma aerobik, setiap NADH yang dihasilkan dengan cara ini melalui rantai pengangkutan elektron untuk berfungsi sebagai substrat untuk sintesis 6 molekul ATP oleh fosforilasi oksidatif.

7- Ini adalah langkah sintesis ATP pertama dalam glikolisis dan melibatkan tindakan phosphoglycerate kinase (PGK) pada 1,3-bisphosphoglycerate, memindahkan kumpulan fosforil (fosforilasi tahap substrat) dari molekul ini ke molekul ADP, menghasilkan 2ATP dan 2 molekul 3-fosfogliserat (3PG) untuk setiap molekul glukosa.

2 (1,3-bisphosphoglycerate) + 2ADP → 2 (3-phosphoglycerate) + 2ATP

8- 3-phosphoglycerate berfungsi sebagai substrat untuk enzim phosphoglycerate mutase (PGM), yang mengubahnya menjadi 2-phosphoglycerate dengan anjakan kumpulan fosforil dari karbon 3 ke karbon 2 melalui tindak balas dua langkah yang boleh diterbalikkan dan bergantung pada ion magnesium (Mg + 2).

2 (3-phosphoglycerate) → 2 (2-phosphoglycerate)

9- Enzim enolase mengeringkan 2-fosfogliserat dan menghasilkan phosphoenolpyruvate (PEP) melalui tindak balas yang tidak menjamin penambahan tenaga tambahan dan yang bertujuan untuk menghasilkan sebatian bertenaga tinggi, yang mampu menyumbangkan kumpulan fosforilnya sebagai berikut reaksi.

2 (2-phosphoglycerate) → 2 Phosphoenolpyruvate

10- Phosphoenolpyruvate adalah substrat untuk enzim piruvate kinase (PYK), yang bertanggungjawab untuk pemindahan kumpulan fosforil dalam molekul ini ke molekul ADP, sehingga menjadi pemangkin reaksi fosforilasi lain pada tahap substrat.

Dalam tindak balas itu, molekul 2ATP dan 2 piruvat dihasilkan untuk setiap glukosa dan kehadiran kalium dan magnesium dalam bentuk ion diperlukan.

2Phosphoenolpyruvate + 2ADP → 2Pyruvate + 2ATP

Hasil bersih glikolisis, dengan cara ini, terdiri daripada 2ATP dan 2NAD + untuk setiap molekul glukosa yang memasuki jalur.

Sekiranya ia adalah sel dengan metabolisme aerobik, maka degradasi total molekul glukosa menghasilkan antara 30 dan 32 ATP melalui kitaran Krebs dan rantai pengangkutan elektron.

Produk glikolisis

Reaksi umum glikolisis adalah seperti berikut:

Glukosa + 2NAD + + 2ADP + 2Pi → 2Pyruvate + 2ATP + 2NADH + 2H +

Oleh itu, jika dianalisis secara ringkas, dapat dipastikan bahawa produk utama jalur glikolitik adalah piruvat, ATP, NADH dan H.

Walau bagaimanapun, nasib metabolik setiap perantara tindak balas bergantung, sebahagian besarnya, pada keperluan selular, itulah sebabnya semua perantaraan dapat dianggap sebagai produk reaksi, dan dapat disenaraikan seperti berikut:

- Glukosa 6-fosfat

- Fruktosa 6-fosfat

- Fruktosa 1,6-bifosfat

- Dihydroxyacetone fosfat dan gliseraldehid 3-fosfat

- 1,3-bifosfogliserat

- 3-phosphoglycerate dan 2-phosphoglycerate

- Phosphoenolpyruvate dan piruvate

Kepentingan

Walaupun fakta bahawa glikolisis, dengan sendirinya (seseorang dapat berbicara tentang glikolisis anaerob), menghasilkan hanya sekitar 5% ATP yang dapat diekstrak dari katabolisme aerobik glukosa, jalur metabolik ini penting kerana beberapa sebab:

- Ini berfungsi sebagai sumber tenaga "cepat", terutama dalam situasi di mana seekor binatang harus keluar dari keadaan rehat dengan cepat, yang proses oksidasi aerobiknya tidak cukup cepat.

- Serat otot rangka "putih" di dalam tubuh manusia, misalnya, adalah serat cepat-cepat dan bergantung pada glikolisis anaerob untuk berfungsi.

- Apabila, untuk beberapa sebab, sel perlu dilakukan tanpa beberapa mitokondria (yang merupakan organel yang melakukan fosforilasi oksidatif sebahagian daripada produk glikolitik, antara lain) sel menjadi lebih bergantung pada tenaga yang diperoleh oleh laluan glikolitik.

- Banyak sel bergantung pada glukosa sebagai sumber tenaga melalui glikolitik, di antaranya sel darah merah , kekurangan organel dalaman, dan sel mata (terutama sel kornea) yang tidak mempunyai ketumpatan tinggi mitokondria menonjol.

Rujukan

1. Canback, B., Andersson, SGE, & Kurland, CG (2002). Filogeni enzim glikolitik global. Prosiding Akademi Sains Nasional, 99 (9), 6097-6102.
2. Chaudhry R, ​​Varacallo M. Biokimia, Glikolisis. . Dalam: StatPearls. Treasure Island (FL): Penerbitan StatPearls; 2020 Jan-. Boleh didapati dari: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK482303/
3. Fothergill-Gilmore, LA, & Michels, PA (1993). Evolusi glikolisis. Kemajuan dalam biofizik dan biologi molekul, 59 (2), 105-235.
4. Kim, JW, & Dang, CV (2005). Peranan pelbagai aspek enzim glikolitik. Trend sains biokimia, 30 (3), 142-150.
5. Kumari, A. (2017). Biokimia Manis: Mengingat Struktur, Kitaran, dan Laluan oleh Mnemonics. Akhbar Akademik.
6. Li, XB, Gu, JD, & Zhou, QH (2015). Kajian semula glikolisis aerobik dan enzim utamanya - sasaran baru untuk terapi barah paru-paru. Kanser toraks, 6 (1), 17-24.