Гликолиза – Уикипедия

Тази статия или раздел има нужда от повече източници, позволяващи проверка на твърденията. Можете да подобрите статията, като добавите благонадеждни източници. Неподкрепени с източници материали могат да бъдат оспорени и премахнати.

Гликолизата представлява катаболитна поредица от реакции, при които от една молекула глюкоза се получават две молекули пирува̀т. При анаеробни условия той се преобразува в лактат или алкохол. Смята се, че гликолизата е един от първите метаболитни пътища в клетките, възникнал преди повече от 3,5 милиарда години. Гликолизата е процес, протичащ в цитоплазмата на всички клетки: от най-нисшите бактерии до най-висшия бозайник – човека. При някои тя е единственият метаболитен път за доставяне на енергия на клетката – например за бактериите, а за други тя е метаболитен път, в който се „сливат“ и други метаболити – белтъци и липиди.

Гликолизата протича и при аеробни и при анаеробни условия. Процесът, протичащ при анаеробни условия (липса на кислород), се нарича анаеробна гликолиза – краен продукт лактат и ферментация при дрожди – алкохолна или млечнокисела ферментация. При аеробни условия, процесът се нарича аеробна гликолиза – краен продукт CO₂ и H₂O, протичащ на няколко етапа, гликолиза в тесен смисъл на термина, разграждане на глюкоза до пируват, пренос на пирувата в митохондриите, пируват дехидрогеназна реакция (ПДХК) с продукт ацетил-КоА и цикъл на Кребс, водещ до крайното разграждане на ацетил-КоА до CO₂, H₂O и редуциращи еквиваленти НАДН + Н⁺ и ФАДН₂, субстрат на дихателните вериги с краен продукт АТФ.

Гликолизата е последователност от 10 реакции (стъпки), включващи 10 междинни химични съединения, разделена на две фази: подготвителна и фаза, добиваща енергия и протичащи в цитоплазмата на клетките.

^1. Един „конформационен“ йон за свързване с карбоксилната група на субстрата и един „каталитичен“ йон, участващ в дехидратацията.

Глицералдехид-3-фосфатдехидрогеназната реакция и енолазната реакция са примери за окислително фосфорилиране в субстратната верига, продуциращи директно мол. АТФ в резултата на окисление на субстратите в самите метаболитни вериги. Благодарение на протичане им в гликолизата може да се синтезира АТФ при анаеробни условия, без участието на дихателните вериги (окислително фосфорилиране в дихателните вериги).

Наличието на кислород определя кой от двата пътя – анеробна или аеробна гликолиза следват. При анаеробни условия НАДH.Н не може да бъде последващо окислен през дихателната верига и пируватът се редуцира до катализиран лактат чрез лактат дехидрогеназа (ЛДХ). Това позволява окисляването на НАДH, позволявайки на други молекули глюкоза да се окислят в гликолизата, концентарцията на НАД⁺ + НАДН.Н⁺ = const в клетките е относително постоянна. Редуцирането на целия наличен НАД⁺ в клетките би инхибрало ГА3ФДХ реакция, а от там и анаеробната гликолиза. При аеробни условия пируватът се транспортира в митохондриите и претърпява окислително декарбоксилиране до ацетил-КоA (ПДХК), с последващо окисление до CO₂ и вода в цикъла на лимонената киселина. Редуциращите еквиваленти от НАДH, образувани в ГА3ФДХ реакция в гликолиза, се поема в митохондриите за окисление чрез совалките – малат-аспартатна или глицерофосфатна совалка, регенериращи НАД⁺.

Вътрешната митохондриална мембрана е непропусклива за НАДН.Н+ и НАДфН.Н+. Затова водородът от двете редокс системи се пренася в митохондрии за окисление в дихателните вериги, посредством совалкови механизми. Те се състоят от цитоплазмена и митохондриални изоформи на ензими – специфични дехидрогенази и редокс-двойка нискомолукулни съединения, притежаваща окисленма форма (с кето група =О) и редуцирана форма (с хидроксилна група -ОН).

Активна е в миокард, черен дроб и мастна тъкан. И двете изоформи на дехидрогеназния ензим – малат дехидрогеназа (МДХ) цитоплазмена и митохондриална, използват за кофактор НАД.

Тази совалка функционира в скелетна мускулатура, мозък и добре кръвоснабдени тъкани. Цитоплазмената изоформа на ензима глицерол-3-фосфат дехидрогеназа (ГФДХ) използва за кофактор НАД, а митохондрилната – ФАД. Това е причината при използването на тази совалка да се генерира по-малко количество АТФ 36 (30 по Хинкъл).

Теоретични и коригирани по Hinkle стойности за брой молекули АТФ, които се получават при анаеробното разграждане на молекула глюкоза до пируват -> лактат. Стойностите по Hinkle са екпериментално установени стойности на количество синтезиран АТФ (молекули) в дихателните вериги (ДВ) от редуциращи еквиваленти – НАДН + Н⁺ и ФАДН₂, получени от всички реакции на метаболизъм на трите основни групи вещества (въглехидрати, белтъци и липиди), протичащи в митохондриите. При анаеробни условия липсва О₂. Липсата на краен субтрат О₂, за действието на последния ензим цитохрам с оксидаза в ДВ, инхибира активността на дихателните вериги (те не са активни), водещо до инхибиране на ТКЦ и ПДХК. Така краен продукт при разграждането на глюкозата при анеробни условия е лактатът – реакция, катализирана от ензима лактат дехидрогеназа (ЛДХ) в цитоплазмата.

Анаеробно разграждане на глюкоза при физиологично условия се наблюдава в еритроцити (липсват митохондрии) и усилено съкращаваща се мускулатура (недостатъчно снабдяване с кръв (кислород) и изчерпване на запасите от О₂ в мускулните клетки (под формата на окси-миоглобин). Увеличените нива на лактат в мускулните клетки водят до мускулна треска, която се преодолява чрез неинтензивна мускулна активност, целяща пълното разграждане на лактата в мускулите, до CO₂, H₂O и H₂, чрез аеробна гликолиза, ЛДХ реакция е обратима, или изнасянето на лактата от мускулните клетки в кръвообръщението (ацетилсалициловата киселина има вазодилатиращо действие, спомагащо елиминирането на лактата от мускулите). При патологични състояния и онкологични заболявания се наблюдава т.нар. ефект на Пастьор, при който клетките поради намаленото си снабдяване с кръв, съответно кислород, преминават към анаеробно разграждане на глюкозата, свързано с повишен разход на глюкоза (повишена експресия на GLUT1 глюкозни транспортери) и хипогликемия. Анаеробната гликолиза и при физиологични и при патологични състояния се характеризира с повишени нива на крайния продукт от разграждането ѝ лактат в кръвната плазма -лактатемия, която може да доведе до ацидоза. Лактатът се метаболизира от черния дроб до пируват, отново чрез ензима лактат дехидрогеназа (ЛДХ_{1 – 5}), катализиращ реакцията в обратна посока, и чрез цикъла на Кори (лактатен цикъл) от пирувата се синтезира глюкоза, използвайки ензимите на глюконеогенезата в черен дроб. Синтезираната глюкоза може отново да премине в кръвообращението (GLUT2 глюкозни транспортери в черен дроб), за утилизация от периферните тъкани, включително мускули.

Теоретични и коригирани по Hinkle стойности за брой молекули АТФ, които се получават при аеробното разграждане на молекула глюкоза до CO₂, H₂O и редуциращи еквиваленти – НАДН + Н⁺ и ФАДН₂.

Поради липсата на митохондрии (липса на цикъл на Кребс, дихателна верига, β-окисление) в еритроцити, анаеробната гликолиза е единственият катаболитен метаболитен път, протичащ в тези клетки, осигуряващ енергетичните им нужди.

В гликолизата реакцията:

1,3-бисфоглицерат + АДФ → 3-фосфоглицерат + АТФ
се съпровожда със с интез н аАТФ. В еритроцити тази реакция може да протече чрез едно отклонение на гликолизата под действието на два допълнителни ензима: 2,3-бисфосфоглицерат мутаза и 2,3-бисфосфоглицерат фосфатаза. Като междинно съединение се получава 2,3-бисфосфоглицерат. Повечето клетки съдържат 2,3-бисфосфоглицерат в минимални (каталичияни) количества. В червените кръвни клетки 2,3-бисфосфоглицерат се натрупва във високи концентрации и функционира като физиологично важен алостеричен ефектор, повличващ свързването на О₂ с хемоглобин (Hb). Образуването на 2,3-бисфосфоглицерат в еритроцитите улеснява отдаване на О₂ от окси-хемоглобина в тъканите, поради това че 2,3-бисфоглицератът се свързва с хемоглобина, намалявайки афинитета на хемоглобина към кислород.

От 15 до 25% от глюкозата, превърната в лактат в еритрозитите, минава през този бисФГ шунт. Шунтирането на гликолизата без да се синтезира АТФ при превръщането на 1,3-бисфоглицерат → 2,3-бисфоглицерат → 3-фосфоглицерат в еритроцити се приема за предимство, осигуряващо протичането на гликолизата, дори и да няма нужда от АТФ.

Наблюдавани са наследствени дефекти в ензимите на гликолизата, засягащи афинитета на Hb към кислород:

1. дефекти, засягащи хексокиназа -концентрацията на всички метаболитни продукти на гликолизата са ниски, включително на 2,3-бисфосфоглицерат. Това води до повишен афинитет на Hb към кислород.
2. недостатъчност на пируват киназата – натрупване на гликолитични метаболити води до увеличение на 2,3-бисФГ и намален афинитет на Hb към кислород (улеснено отдаване в тъканите).^[1]

Мозъчните клетки са абсолютно зависими от доставянето на глюкоза за осигуряване на енергийните си нужди, поради това че мастните киселини, друг основен енергиен източник, не могат да преминат през кръвно-мозъчната бариера и да се окислят, продуцирайки АТФ в мозъка. Състояния на глад, водещи до хипогликемия, стойности на кръвната глюкоза под 3 mmol/l, могат да доведат до хипогликемична кома. Хипогликемична кома може да настъпи и след предозиране на назначения инсулин при лечение на диабетици, поради хипогликемичното му действие (увеличава транспорта и утилицазията на глюкоза в черен дроб и периферни тъкани). В състояние на глад мозъчните клетки могат да използват кетотела като резервен енергиен източник, продукт от разграждането на мастни киселини в черния дроб (кетогенеза), за осигуряване на енергетичните си нужди.

Трите регулационни ензими са хексокиназа (глюкокиназа), фосфофруктокиназа и пируват киназа (аеробна гликолиза – пируват дехидрогеназен комплекс (ПДХК), регулаторните ензими от цикъла на Кребс и дихателна верига).

Гликолизата се регулира в зависимост от условията извън и вътре в клетката.

Гликолизата и глюконеогензата споделят един и същ път, но в противоположна посока и се регулират реципрочно.

Промените в наличието на субстрати са отговорни за повечето промени в метаболизма, пряко или косвено действащи чрез промени в хормоналната секреция. Три механизма са отговорни за регулирането активността на ензимите, участващи във въглехидратния метаболизъм: (1) промяна в скоростта на синтез на ензимите, (2) ковалентна модификация чрез обратимо фосфорилиране/дефосфорилиране и (3) алостерични ефектори.

1. Индукция и репресия на ключовите ензими изисква няколко часа.

Промените в ензимната активност в черния дроб, които настъпват при различни метаболитни условия, са дадени в таблицата по-долу. Включените ензими катализират физиологично необратими неравновесни реакции. Ефектите като цяло се усилват от това, че активността на ензимите, катализиращи реакциите в обратна посока, варира реципрочно.

Ензимите, участващи в утилизацията на глюкозата (т.е. тези на гликолиза и липогенеза), са по-активни при излишък от глюкоза и при тези условия ензимите на глюконеогенезата са с ниска активност. Инсулинът, секретиран от β-клетките на панкреаса, в отговор на повишени нива на глюкоза в кръвта, засилва синтеза на ключовите ензими в гликолизата (глюкокиназа, ФФК1, ФФК2, пируват киназа, глицерол-3-фосфат дехидрогеназа; ацетил-КоА карбоксилаза, МК синтаза; β-ХМГКоА редуктаза) и чрез дефосфорилиране активира фосфатази фосфофруктокиназа 2 (ФФК2) (киназна активност), пируват киназа в мускули и ПДХК. Той също така антагонизира ефекта на глюкагон и глюкокортикоидите, стимулиращи синтезът на цАМФ, които индуцират синтеза на ключовите за глюконеогенезата ензими, чрез стимулиране на ензими разграждащи цАМФ до 5َ-АМФ, наречени фосфодиестерази (ФДЕ). Инсулинът проявява антагонистично действие по отношение на глюкогеназата и като инхибира експресията на ключови ензими (ФЕПКК, фруктозо-1,6-бисфосфатаза, глюкозо-6-фосфатаза) и дефосфорилира фосфофруктокиназа 2 (ФФК2), като инхибира фосфатазната ѝ активност.

2. Ковалентна модификация чрез обратимо фосфорилиране/дефосфорилиране осъществява бърза регулация на ензимната активност

Глюкагонът и епинефринът са хормони, които реагират на намалените нива на глюкоза в кръвобръщението, инхибират гликолизата и стимулират глюконеогенезата в черния дроб чрез повишаване на концентрацията на цАМФ. Това от своя страна активира цАМФ-зависимата протеин киназа (Протеин киназа А (ПКА)), водеща до фосфорилиране и инактивиране на пируват киназата.

Те също повлияват концентрацията на фруктоза 2,6-бисфосфата, чрез повлияване активността на фосфофруктокиназа 2 (ФФК2) регулирайки по този начин активността на двата реципрочнни ензима фосфофруктокиназа 1 (ФФК1) и фруктозо-1,6-бисфосфатаза и следователно гликолизата и глюконеогенезата.

Ензимите хексокиназа и глюкокиназа са отговорните за първата неспецифична реакция на гликолизата, която е обща за всички метаболитни пътища, свързани с утилизацията на глюкоза в клетките. Фосфорилирането на глюкозата до глюкозо-6-фосфат от ензимите, придава отрицателен заряд на фосфатния остатък в молекулата на глюкозата, пречейки на фосфорилираната глюкоза да напусне клетките и активирайки пътища свързани с обмяната на глюкозата, като гликогеногенеза (гликоген синтаза) и пентозофосфатен път (6-фосфоглюконат дехидрогеназа). Разликите между двата ензима са дадени в таблицата по-долу. Хексокиназат се експресира във всички тъкани и осигурява утилизацията (използването) на глюкоза в периферните тъкани, а функцията на глюкокиназата, изоформа на хексокиназата, се свързва с поддържане на постоянни кръвно-захарни нива след нахранване, чрез задържане на глюкозата в чернодробните клетки за синтез на депо-формата на глюкоза – гликоген. Ензимът се експресира и в β-клетките на панкреаса, чиято функция е тясно свързана със секрецията на хормона инсулин.

Глюкозо-6-фосфатазата е ензим, експресиращ се само в черен дроб и бъбреци, чиято функция е също тясно свързана с поддържане на постоянни кръвно-захарни нива, но в обратна посока, чрез дефосфорилиране на глюкозо-6-фосфата (продукт на гликогенолиза и глюконеогенеза) до свободна нефосфорилирана глюкоза, даващо ѝ възможност да премине от клетките в кръвообръщението. Общ ензим на глюконеогенезата и гликогенолизата.

3. Алостерична регулация – бърза регулация

В глюконеогенезата пируват карбоксилаза, която катализира синтеза на оксалоацетат от пируват, изисква ацетил-КоА като алостеричен активатор. Добавянето на ацетил-КоА промяна третичната структура на протеина, понижаване К_m (Константа на Михаелис) за бикарбонати. Това означава, че ацетил-КоА който е образуван от пируват, автоматично осигурява синтез на оксалоацетат и по-нататъшното му окисление в цикъла на лимонената киселина, чрез активиране на пируват карбоксилаза. Активирането на пируват карбоксилаза и реципрочното инхибиране на пируват дехидрогеназния комплекс от ацетил-КоА, получена от окисляването на мастните киселини, обяснява действието на мастните киселини като щадящи окисляването на пируват (и следователно глюкоза) и стимулиране на глюконеогенеза при високи нива на мастни киселини и глюкафон в плазмата. Реципрочната връзка между тези два ензима променя метаболитната съдба на пирувата, тъй като тъканта преминава от въглехидратно окисление (гликолиза) към β-окисление и глюконеогенеза по време на прехода от хранения до състояние на глад.

Основна роля на мастно киселинното окисляние при насърчаване на глюконеогенезата е снабдяване с АТФ и ГТФ (цикъл на Кребс, сукцинат тиокиназата в черен дроб и бъбреци използва за кофактор ФАД).

Фосфофруктокиназата (фосфофруктокиназа-1) заема ключова позиция в регулирането на гликолизата и също е обект на контрол тип обратната връзка. Инхибира се от цитрат и нормално вътреклетъчни концентрации на АТФ и се активира от 5'AMP.

При нормалния вътреклетъчен [АТФ] ензимът е около 90% инхибиран; това инхибиране се обръща от 5'AMP.

5'AMP действа като индикатор за енергийното състояние на клетката. Наличието на аденилат (аденилил) киназа в черния дроб и много други тъкани дава възможност за бързо уравновесяване на реакцията

2АДФ ↔ АТФ + 5′АМФ

По този начин, когато АТФ се използва в процеси, изискващи енергия, водещо до образуване на АДФ, [АМФ] се увеличава. Сравнително малък спад на [АТФ] причинява няколкократно увеличение на [АМФ], така [АМФ] действа като метаболитен усилвател на малките промени в концетрациите на [АТФ], а оттам и чувствителен сигнал за енергийното състояние на клетка. Следователно активността на фосфофруктокиназа-1 се регулира в отговор на енергийното състояние на клетката за регулиране на количеството въглехидрати, подложени на гликолиза преди влизането им в цикъла на лимонената киселина. В същото време АМФ активира гликоген фосфорилаза, увеличавайки гликогенолизата. Последица от инхибирането на фосфофруктокиназа-1 от АТФ е натрупване на глюкозо-6-фосфат, което от своя страна инхибира по-нататъшното усвояване на глюкоза в извънхепаталните тъкани чрез инхибиране на хексокиназа или стимулира пентозофосфатния път (ПФП) и гликогеногенезата в черен дроб.

Фруктозо-2,6-бисфосфатът играе уникална роля в регулацията на гликолизата и глюконеогенезата:

Най-мощният положителен алостеричен активатор на фосфофруктокиназа-1 и инхибитор на фруктоза 1,6-бисфосфатаза в черния дроб е фруктоза 2,6-бисфосфат. Той освобождава инхибирането на фосфофруктокиназа-1 от АТФ и повишава афинитета към фруктоза-6-фосфат. Инхибира фруктозата 1,6-бисфосфатаза чрез увеличаване на K_m за фруктозо 1,6-бисфосфат. Концентрацията му е под субстрат (алостеричен) и хормонален контрол (ковалентна модификация).

Фруктозата 2,6-бисфосфат се образува чрез фосфорилиране на фруктоза-6-фосфат от фосфофруктокиназа-2.

Същият ензимен протеин е отговорен и за разграждането му, поради това че притежава едновременно фруктоза 2,6-бисфосфатазна активност. Този бифункционален ензим е под алостеричния контрол на фруктоза-6-фосфат, който стимулира киназната и инхибира фосфатазната активност на ензима. Следователно при високи глюкозни концентрации, концентрацията на фруктоза 2,6-бисфосфат се увеличава, стимулира гликолизата чрез активиране фосфофруктокиназа-1 и инхибира фруктоза 1,6-бисфосфатаза. В състояние на глад глюкагонът стимулира синтеза на цАМФ, активиращ цАМФ-зависим протеин киназа – ПКА, която от своя страна инактивира фосфофруктокиназата-2 и активира фруктоза 2,6-бисфосфатаза чрез фосфорилиране. Следователно глюконеогенезата се стимулира в резултат на намаляване концентрацията на фруктоза 2,6-бисфосфата, като се инактивира фосфофруктокиназа-1 и се активира (чрез отпадане на инхибрането) фруктоза 1,6-бисфосфатаза. Ксилулоза 5-фосфат, междинен продукт в пентозофосфатния път, активира протеин фосфатазата, като дефосфорилира бифункционалния ензим, увеличавайки образуването на фруктоза 2,6-бисфосфат и съответно скоростта на гликолиза. Това води до повишен флукс през гликолиза и пентозния фосфатен път, и повишения синтез на мастни киселини.^[2][1]

• Цикъл на Кребс
• Цикъл на Кори
• Ферментация
• Глюконеогенеза
• Гликолитична осцилация