GLYKOLYSE: FUNKTIONEN, ENZYME, PHASEN, PRODUKTE, BEDEUTUNG - BIOLOGIE - 2025

Die Glykolyse oder Glykolyse ist der Hauptweg des Glukosekatabolismus, dessen letztendliches Ziel darin besteht, aus diesem Kohlenhydrat Energie in Form von ATP zu erzeugen und die Energie in Form von NADH zu reduzieren.

Dieser Weg, der in den 1930er Jahren von Gustav Embden und Otto Meyerhof bei der Untersuchung des Glukoseverbrauchs in Skelettmuskelzellen vollständig aufgeklärt wurde, besteht aus der vollständigen Oxidation dieses Monosaccharids und stellt für sich genommen einen anaeroben Weg für die Energie gewinnen.

Molekülstruktur von ATP, einem der glykolytischen Produkte (Zusammenfassung des glykolytischen Weges (Quelle: Tekks in der englischen Wikipedia / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) über Wikimedia Commons) über Wikimedia Commons)

Es ist einer der Hauptstoffwechselwege, da es mit seinen Unterschieden in allen lebenden Organismen auftritt, die existieren, einzellig oder mehrzellig, prokaryotisch oder eukaryotisch, und es wird angenommen, dass es sich um eine Kette von Reaktionen handelt, die in der Natur evolutionär hoch konserviert ist.

Tatsächlich gibt es einige Organismen und Zelltypen, die ausschließlich von diesem Überlebensweg abhängen.

In erster Linie besteht die Glykolyse aus der Oxidation von Glucose mit 6 Kohlenstoffatomen zu Pyruvat mit drei Kohlenstoffatomen; mit der gleichzeitigen Produktion von ATP und NADH, nützlich für Zellen aus metabolischer und synthetischer Sicht.

In Zellen, die die aus dem Glukosekatabolismus gewonnenen Produkte weiterverarbeiten können, endet die Glykolyse mit der Produktion von Kohlendioxid und Wasser über den Krebszyklus und die Elektronentransportkette (aerobe Glykolyse).

Zehn enzymatische Reaktionen finden im Verlauf des glykolytischen Weges statt, und obwohl die Regulation dieser Reaktionen von Spezies zu Spezies etwas unterschiedlich sein kann, sind die Regulationsmechanismen auch ziemlich konserviert.

Funktionen der Glykolyse

Aus metabolischer Sicht ist Glukose eines der wichtigsten Kohlenhydrate für alle Lebewesen.

Es ist ein stabiles und sehr lösliches Molekül, so dass es relativ leicht durch den gesamten Körper eines Tieres oder einer Pflanze transportiert werden kann, von wo es gelagert und / oder gewonnen wird, bis zu dem Ort, an dem es als Zellbrennstoff benötigt wird.

Struktur der Glukose (Quelle: Oliva93 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) über Wikimedia Commons)

Die in Glukose enthaltene chemische Energie wird von lebenden Zellen durch Glykolyse genutzt, die aus einer Reihe stark kontrollierter Schritte besteht, mit denen die durch die Oxidation dieses Kohlenhydrats freigesetzte Energie in nutzbarere Energieformen „eingefangen“ werden kann. daher seine Bedeutung.

Auf diesem Weg werden nicht nur Energie (ATP) und Reduktionskraft (NADH) gewonnen, sondern es werden auch eine Reihe von Stoffwechselintermediären bereitgestellt, die Teil anderer Wege sind, die auch von einem anabolen (Biosynthese-) und einem wichtigen Stoffwechselweg wichtig sind allgemeine zelluläre Funktion. Hier ist eine Liste:

- Glucose-6-phosphat für den Pentosephosphatweg (PPP)

- Pyruvat zur Milchfermentation

- Pyruvat zur Synthese von Aminosäuren (hauptsächlich Alanin)

- Pyruvat für den Tricarbonsäurezyklus

- Fruktose-6-phosphat, Glucose-6-phosphat und Dihydroxyacetonphosphat, die auf anderen Wegen wie der Synthese von Glykogen, Fettsäuren, Triglyceriden, Nukleotiden, Aminosäuren usw. als „Bausteine“ fungieren.

Energie Produktion

Die Menge an ATP, die durch den glykolytischen Weg produziert wird, wenn die Zelle, die sie produziert, nicht unter aeroben Bedingungen leben kann, reicht aus, um den Energiebedarf einer Zelle zu decken, wenn sie an verschiedene Arten von Fermentationsprozessen gekoppelt ist.

Bei aeroben Zellen dient die Glykolyse jedoch auch als Notstromquelle und als "Vorbereitungsschritt" vor den oxidativen Phosphorylierungsreaktionen, die Zellen mit aerobem Metabolismus charakterisieren.

An der Glykolyse beteiligte Enzyme

Glykolyse ist nur dank der Beteiligung der 10 Enzyme möglich, die die Reaktionen katalysieren, die diesen Weg charakterisieren. Viele dieser Enzyme sind allosterisch und ändern ihre Form oder Konformation, wenn sie ihre katalytischen Funktionen ausüben.

Es gibt Enzyme, die brechen und kovalente Bindungen zwischen ihren Substraten bilden, und es gibt andere, die bestimmte Cofaktoren benötigen, um ihre Funktionen zu erfüllen, hauptsächlich Metallionen.

Strukturell gesehen haben alle glykolytischen Enzyme ein Zentrum, das im Wesentlichen aus parallelen β- Faltblättern besteht, die von α-Helices umgeben und in mehr als einer Domäne angeordnet sind. Darüber hinaus zeichnen sich diese Enzyme dadurch aus, dass sich ihre aktiven Stellen üblicherweise an den Bindungsstellen zwischen Domänen befinden.

Es ist auch wichtig zu beachten, dass die Hauptregulation des Weges durch die Kontrolle (hormonell oder durch Metaboliten) von Enzymen wie Hexokinase, Phosphofructokinase, Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase und Pyruvatkinase erfolgt.

Hauptregulationspunkte des glykolytischen Weges (Quelle: Gregor 0492 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) über Wikimedia Commons)

1- Hexokinase (HK)

Die erste Reaktion der Glykolyse (Glukosephosphorylierung) wird durch Hexokinase (HK) katalysiert, deren Wirkmechanismus aus einem Substrat zu bestehen scheint, das "induziert" wird und das "Lock" des Enzyms um ATP und fördert von Glukose (seinen Substraten), sobald es an sie gebunden hat.

Abhängig vom betrachteten Organismus können ein oder mehrere Isoenzyme vorhanden sein, deren Molekulargewicht zwischen 50 (etwa 500 Aminosäuren) und 100 kDa liegt, da sie sich in Form von Dimeren zu gruppieren scheinen, deren Bildung durch die Anwesenheit von Glucose und Magnesiumionen begünstigt wird und ATP.

Hexokinase hat eine Tertiärstruktur, die aus offenen Alpha- und Betablättern besteht, obwohl es bei diesen Enzymen viele strukturelle Unterschiede gibt.

2- Phosphoglucoseisomerase (ggA)

Durch Hexokinase phosphorylierte Glucose wird über Phosphoglucoseisomerase (PGI), auch als Glucose-6-phosphat-Isomerase bekannt, zu Fructose-6-phosphat isomerisiert. Das Enzym entfernt oder fügt also keine Atome hinzu, sondern ordnet sie auf struktureller Ebene neu an.

Dies ist ein aktives Enzym in seiner dimeren Form (das Monomer wiegt mehr oder weniger 66 kDa) und ist nicht nur an der Glykolyse, sondern auch an der Glukoneogenese, an der Synthese von Kohlenhydraten in Pflanzen usw. beteiligt.

3- Phosphofructokinase (PFK)

Fructose 6-Phosphat ist ein Substrat für das Phosphofructokinase-Enzym, das dieses Molekül unter Verwendung von ATP als Phosphorylgruppendonor rephosphorylieren kann und Fructose-1,6-bisphosphat produziert.

Dieses Enzym existiert in Bakterien und Säugetieren als homotetrameres Enzym (bestehend aus vier identischen Untereinheiten von jeweils 33 kDa für Bakterien und 85 kDa für Säugetiere) und in Hefen ist es ein Oktamer (zusammengesetzt aus größeren Untereinheiten dazwischen) 112 und 118 kDa).

Es ist ein allosterisches Enzym, was bedeutet, dass es durch einige seiner Produkte (ADP) und durch andere Moleküle wie ATP und Citrat positiv oder negativ reguliert wird.

4- Aldolasse

Aldolase, auch als Fructose-1,6-bisphosphat-Aldolase bekannt, katalysiert den katalytischen Abbau von Fructose-1,6-bisphosphat in Dihydroxyacetonphosphat und Glycerinaldehyd-3-phosphat und die Umkehrreaktion, dh die Vereinigung beider Zucker zur Bildung von Fructose-1,6-bisphosphat.

Mit anderen Worten, dieses Enzym halbiert das Fructose-1,6-bisphosphat genau in zwei Hälften und setzt zwei phosphorylierte 3-Kohlenstoff-Verbindungen frei. Aldolase besteht ebenfalls aus 4 identischen Untereinheiten mit jeweils einer eigenen aktiven Stelle.

Die Existenz von zwei Klassen (I und II) dieses Enzyms wurde bestimmt, die sich durch den Mechanismus der von ihnen katalysierten Reaktion unterscheiden und weil einige (die ersten) in Bakterien und "niederen" Eukaryoten und die anderen (die) auftreten zweitens) sind in Bakterien, Protisten und Metazoen.

Die "höhere" eukaryotische Aldolase besteht aus einem Homotetramer von Untereinheiten mit einem Molekulargewicht von 40 kDa, die jeweils aus einem Zylinder bestehen, der aus 8 β / α-Schichten besteht.

5- Triose-Phosphat-Isomerase (TIM)

Die beiden phosphorylierten Trios können dank der Wirkung der Triose-Phosphat-Isomerase, die es ermöglicht, beide Zucker während der gesamten Glykolyse zu verwenden, miteinander umgewandelt werden, wodurch die vollständige Nutzung jedes Glucosemoleküls sichergestellt wird, das in den Weg eintritt.

Dieses Enzym wurde als "perfektes" Enzym beschrieben, da es die beschriebene Reaktion etwa eine Billion Mal schneller katalysiert als ohne Ihre Teilnahme. Sein aktives Zentrum befindet sich im Zentrum einer Beta-Barrel-Struktur, die für viele glykolytische Enzyme charakteristisch ist.

Es ist ein dimeres Protein, das aus zwei identischen Untereinheiten von ungefähr 27 kDa besteht, beide mit einer Kugelstruktur.

6- Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase (GAPDH)

Glycerinaldehyd-3-phosphat, das durch Einwirkung von Aldolase und Triose-Phosphat-Isomerase hergestellt wird, dient als Substrat für GAPDH, ein homotetrameres Enzym (34-38 kDa pro Untereinheit), das kooperativ an ein Molekül NAD + in jedem bindet von seinen 4 aktiven Stellen sowie 2 Phosphat- oder Sulfationen.

In diesem Schritt des Weges ermöglicht das Enzym die Phosphorylierung eines seiner Substrate unter Verwendung von anorganischem Phosphat als Phosphorylgruppendonor unter gleichzeitiger Reduktion von zwei NAD + -Molekülen und der Produktion von 1,3-Bisphosphoglycerat.

7- Phosphoglyceratkinase (PGK)

Die Phosphoglyceratkinase ist für die Übertragung einer der Phosphatgruppen von 1,3-Bisphosphoglycerat auf ein ADP-Molekül durch Phosphorylierung auf Substratebene verantwortlich. Dieses Enzym verwendet einen ähnlichen Mechanismus wie die Hexokinase, da es sich beim Kontakt auf seinen Substraten schließt und sie vor störenden Wassermolekülen schützt.

Dieses Enzym hat wie andere, die zwei oder mehr Substrate verwenden, eine Bindungsstelle für ADP und eine andere für Zuckerphosphat.

Im Gegensatz zu den anderen beschriebenen Enzymen ist dieses Protein ein 44 kDa-Monomer mit einer bilobalen Struktur, das aus zwei Domänen gleicher Größe besteht, die durch eine enge "Spalte" verbunden sind.

8- Phosphoglyceratmutase

Das 3-Phosphoglycerat ändert sich in der Mitte des Moleküls in Richtung Kohlenstoff 2, was eine strategische Instabilitätsstelle darstellt, die den anschließenden Transfer der Gruppe auf ein ATP-Molekül in der letzten Reaktion des Weges erleichtert.

Diese Umlagerung wird durch das Enzym Phosphoglyceratmutase katalysiert, ein dimeres Enzym für Menschen und tetramer für Hefe mit einer Größe der Untereinheit nahe 27 kDa.

9- Enolase

Enolase katalysiert die Dehydratisierung von 2-Phosphoglycerat zu Phosphoenolpyruvat, ein notwendiger Schritt für die Erzeugung von ATP in der nächsten Reaktion.

Es ist ein dimeres Enzym, das aus zwei identischen 45 kDa-Untereinheiten besteht. Es hängt von Magnesiumionen für seine Stabilität und für die Konformationsänderung ab, die notwendig ist, um an sein Substrat zu binden. Es ist eines der Enzyme, die im Cytosol vieler Organismen am häufigsten exprimiert werden, und erfüllt neben glykolytischen auch Funktionen.

10-Pyruvatkinase

Die zweite Phosphorylierung auf Substratebene, die bei der Glykolyse auftritt, wird durch Pyruvatkinase katalysiert, die für den Transfer der Phosphorylgruppe von Phosphoenolpyruvat zu ADP und für die Produktion von Pyruvat verantwortlich ist.

Dieses Enzym ist komplexer als jedes andere glykolytische Enzym und bei Säugetieren ein homotetrameres Enzym (57 kDa / Untereinheit). Bei Wirbeltieren gibt es mindestens 4 Isoenzyme: L (in der Leber), R (in Erythrozyten), M1 (in Muskel und Gehirn) und M2 (fötales Gewebe und adulte Gewebe).

Phasen der Glykolyse (Schritt für Schritt)

Der glykolytische Weg besteht aus zehn aufeinander folgenden Schritten und beginnt mit einem Molekül Glucose. Während des Prozesses wird das Glucosemolekül durch Zugabe von zwei Phosphaten "aktiviert" oder "hergestellt", wobei zwei ATP-Moleküle umgekehrt werden.

Anschließend wird es in zwei Fragmente "geschnitten" und schließlich einige Male chemisch modifiziert, wobei vier ATP-Moleküle auf dem Weg synthetisiert werden, so dass der Nettogewinn auf dem Weg zwei ATP-Molekülen entspricht.

Aus dem Obigen kann geschlossen werden, dass der Weg in eine Energie "Investitions" -Phase unterteilt ist, die für die vollständige Oxidation des Glucosemoleküls von grundlegender Bedeutung ist, und in eine andere Energie "Gewinn" -Phase, in der die anfänglich verwendete Energie ersetzt und zwei gewonnen werden. Netto-ATP-Moleküle.

- Energieinvestitionsphase

1- Der erste Schritt des glykolytischen Weges besteht in der Phosphorylierung von durch Hexokinase (HK) vermittelter Glucose, für die das Enzym ein ATP-Molekül für jedes phosphorylierte Glucosemolekül verwendet. Es ist eine irreversible Reaktion und hängt von der Anwesenheit von Magnesiumionen (Mg2 +) ab:

Glucose + ATP → Glucose 6-Phosphat + ADP

2- Das so erzeugte Glucose-6-phosphat wird dank der Wirkung des Enzyms Phosphoglucose-Isomerase (PGI) zu Fructose-6-phosphat isomerisiert. Dies ist eine reversible Reaktion und erfordert keinen zusätzlichen Energieverbrauch:

Glucose-6-phosphat → Fructose-6-phosphat

3- Anschließend beinhaltet ein weiterer Energieinversionsschritt die Phosphorylierung von Fructose-6-phosphat unter Bildung von Fructose-1,6-bisphosphat. Diese Reaktion wird durch das Enzym Phosphofructokinase-1 (PFK-1) katalysiert. Wie der erste Schritt auf dem Weg ist das Phosphatgruppendonormolekül ATP und es ist auch eine irreversible Reaktion.

Fruktose 6-Phosphat + ATP → Fruktose 1,6-Bisphosphat + ADP

4- In diesem Schritt der Glykolyse erfolgt der katalytische Abbau von Fructose-1,6-bisphosphat in Dihydroxyacetonphosphat (DHAP), eine Ketose, und Glycerinaldehyd-3-phosphat (GAP), eine Aldose. Diese Aldolkondensation wird durch das Enzym Aldolase katalysiert und ist ein reversibler Prozess.

Fructose 1,6-Bisphosphat → Dihydroxyacetonphosphat + Glycerinaldehyd-3-phosphat

5- Die letzte Reaktion der Energieinversionsphase besteht in der Umwandlung des durch das Enzym Triose-Phosphat-Isomerase (TIM) katalysierten Triose-Phosphat-DHAP und -GAP, was keine zusätzliche Energieaufnahme erfordert und auch ein reversibler Prozess ist.

Dihydroxyacetonphosphat ↔ Glycerinaldehyd-3-phosphat

- Energiegewinnphase

6- Glycerinaldehyd-3-phosphat wird "stromabwärts" im glykolytischen Weg als Substrat für eine Oxidationsreaktion und ein anderes für die Phosphorylierung verwendet, katalysiert durch dasselbe Enzym, Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase (GAPDH).

Das Enzym katalysiert die Oxidation des C1-Kohlenstoffs des Moleküls zu einer Carbonsäure und deren Phosphorylierung an derselben Position, wobei 1,3-Bisphosphoglycerat entsteht. Im Verlauf der Reaktion werden 2 Moleküle NAD + für jedes Glucosemolekül reduziert und 2 Moleküle anorganisches Phosphat verwendet.

2Glycerinaldehyd-3-phosphat + 2NAD + + 2Pi → 2 (1,3-Bisphosphoglycerat) + 2NADH + 2H

In aeroben Organismen durchläuft jedes auf diese Weise hergestellte NADH die Elektronentransportkette und dient als Substrat für die Synthese von 6 ATP-Molekülen durch oxidative Phosphorylierung.

7- Dies ist der erste ATP-Syntheseschritt in der Glykolyse und beinhaltet die Wirkung von Phosphoglyceratkinase (PGK) auf 1,3-Bisphosphoglycerat, wobei eine Phosphorylgruppe (Phosphorylierung auf Substratebene) von diesem Molekül auf ein Molekül übertragen wird von ADP, was 2ATP und 2 Moleküle 3-Phosphoglycerat (3PG) für jedes Glucosemolekül ergibt.

2 (1,3-Bisphosphoglycerat) + 2ADP → 2 (3-Phosphoglycerat) + 2ATP

8-3-Phosphoglycerat dient als Substrat für das Enzym Phosphoglyceratmutase (PGM), das es durch Verschiebung der Phosphorylgruppe von Kohlenstoff 3 zu Kohlenstoff 2 durch eine zweistufige Reaktion, die reversibel und abhängig ist, in 2-Phosphoglycerat umwandelt Magnesiumionen (Mg + 2).

2 (3-Phosphoglycerat) → 2 (2-Phosphoglycerat)

9- Das Enolaseenzym dehydratisiert das 2-Phosphoglycerat und produziert Phosphoenolpyruvat (PEP) durch eine Reaktion, die die Zugabe zusätzlicher Energie nicht rechtfertigt und deren Zweck darin besteht, eine hochenergetische Verbindung herzustellen, die in der Lage ist, ihre Phosphorylgruppe im Folgenden abzugeben Reaktion.

2 (2-Phosphoglycerat) → 2 Phosphoenolpyruvat

10-Phosphoenolpyruvat ist ein Substrat für das Enzym Pyruvatkinase (PYK), das für die Übertragung der Phosphorylgruppe in diesem Molekül auf ein ADP-Molekül verantwortlich ist und so eine weitere Phosphorylierungsreaktion auf Substratebene katalysiert.

Bei der Reaktion werden für jede Glucose 2ATP- und 2 Pyruvatmoleküle erzeugt, und die Anwesenheit von Kalium und Magnesium in ionischer Form ist erforderlich.

2Phosphoenolpyruvat + 2ADP → 2Pyruvat + 2ATP

Die Nettoausbeute der Glykolyse besteht auf diese Weise aus 2ATP und 2NAD + für jedes Glucosemolekül, das in den Weg eintritt.

Wenn es sich um Zellen mit aerobem Metabolismus handelt, erzeugt der vollständige Abbau eines Glucosemoleküls zwischen 30 und 32 ATP über den Krebszyklus und die Elektronentransportkette.

Produkte der Glykolyse

Die allgemeine Reaktion der Glykolyse ist wie folgt:

Glucose + 2NAD + + 2ADP + 2Pi → 2Pyruvat + 2ATP + 2NADH + 2H +

Wenn es kurz analysiert wird, könnte daher sichergestellt werden, dass die Hauptprodukte des glykolytischen Weges Pyruvat, ATP, NADH und H sind.

Das metabolische Schicksal jedes Reaktionsvermittlers hängt jedoch in hohem Maße von den zellulären Bedürfnissen ab, weshalb alle Zwischenprodukte als Reaktionsprodukte betrachtet und wie folgt aufgelistet werden können:

- Glucose-6-phosphat

- Fruktose-6-phosphat

- Fructose-1,6-bisphosphat

- Dihydroxyacetonphosphat und Glycerinaldehyd-3-phosphat

- 1,3-Bisphosphoglycerat

- 3-Phosphoglycerat und 2-Phosphoglycerat

- Phosphoenolpyruvat und Pyruvat

Bedeutung

Trotz der Tatsache, dass die Glykolyse an sich (man könnte von anaerober Glykolyse sprechen) nur etwa 5% des ATP produziert, das aus dem aeroben Katabolismus von Glukose extrahiert werden kann, ist dieser Stoffwechselweg aus mehreren Gründen wesentlich:

- Es dient als „schnelle“ Energiequelle, insbesondere in Situationen, in denen ein Tier schnell aus dem Ruhezustand kommen muss, für die die aeroben Oxidationsprozesse nicht schnell genug wären.

- Die "weißen" Skelettmuskelfasern im menschlichen Körper sind beispielsweise schnell zuckende Fasern und hängen von der anaeroben Glykolyse ab, um zu funktionieren.

- Wenn eine Zelle aus irgendeinem Grund auf einige ihrer Mitochondrien verzichten muss (dies sind die Organellen, die unter anderem die oxidative Phosphorylierung eines Teils der glykolytischen Produkte durchführen), wird die Zelle stärker von der Energie abhängig, die sie erhält glykolytischer Weg.

- Viele Zellen sind auf Glukose als Energiequelle über Glykolytika angewiesen, darunter die roten Blutkörperchen ohne innere Organellen und die Zellen des Auges (insbesondere die der Hornhaut), die keine hohe Dichte an Mitochondrien aufweisen.

Verweise

1. Canback, B., Andersson, SGE & Kurland, CG (2002). Die globale Phylogenie glykolytischer Enzyme. Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften, 99 (9), 6097-6102.
2. Chaudhry R, ​​Varacallo M. Biochemie, Glykolyse. . In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing; 2020 Jan-. Verfügbar unter: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK482303/
3. Fothergill-Gilmore, LA & Michels, PA (1993). Entwicklung der Glykolyse. Fortschritte in der Biophysik und Molekularbiologie, 59 (2), 105-235.
4. Kim, JW & Dang, CV (2005). Vielfältige Rollen glykolytischer Enzyme. Trends in den biochemischen Wissenschaften, 30 (3), 142-150.
5. Kumari, A. (2017). Süße Biochemie: Erinnern an Strukturen, Zyklen und Wege durch Mnemonik. Akademische Presse.
6. Li, XB, Gu, JD & Zhou, QH (2015). Überprüfung der aeroben Glykolyse und ihrer Schlüsselenzyme - neue Ziele für die Lungenkrebstherapie. Thoraxkrebs, 6 (1), 17-24.