GLYCOLYSE: FUNCTIES, ENZYMEN, FASEN, PRODUCTEN, BELANG - BIOLOGIE - 2026

De glycolyse of glycolyse is de belangrijkste route van glucosekatabolisme, waarvan het uiteindelijke doel is om energie op te wekken in de vorm van ATP en het verminderen van vermogen in de vorm van NADH, uit dit koolhydraat.

Deze route, volledig toegelicht in de jaren dertig door Gustav Embden en Otto Meyerhof tijdens het bestuderen van de consumptie van glucose in skeletspiercellen, bestaat uit de volledige oxidatie van dit monosaccharide en vertegenwoordigt op zichzelf een anaërobe route voor de energie verkrijgen.

Moleculaire structuur van ATP, een van de glycolytische producten (Samenvatting van de glycolytische route (Bron: Tekks op Engelse Wikipedia / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) via Wikimedia Commons) via Wikimedia Commons)

Het is een van de belangrijkste metabole routes, aangezien het, met zijn verschillen, voorkomt in alle levende organismen die er zijn, eencellig of meercellig, prokaryotisch of eukaryotisch, en men denkt dat het een kettingreactie is die evolutionair sterk geconserveerd van aard is.

In feite zijn er enkele organismen en celtypen die uitsluitend afhankelijk zijn van deze route om te overleven.

In eerste instantie bestaat glycolyse uit de oxidatie van glucose, van 6 koolstofatomen, tot pyruvaat, dat drie koolstofatomen heeft; met de gelijktijdige productie van ATP en NADH, nuttig voor cellen vanuit metabolisch en synthetisch oogpunt.

In cellen die in staat zijn om de door glucosekatabolisme verkregen producten verder te verwerken, eindigt glycolyse met de productie van kooldioxide en water via de Krebs-cyclus en de elektronentransportketen (aërobe glycolyse).

Tien enzymatische reacties vinden plaats in de loop van de glycolytische route, en hoewel de regulatie van deze reacties enigszins kan verschillen van soort tot soort, zijn de regulerende mechanismen ook redelijk geconserveerd.

Functies van glycolyse

Metabool gezien is glucose een van de belangrijkste koolhydraten voor alle levende wezens.

Het is een stabiel en zeer oplosbaar molecuul, dus het kan relatief gemakkelijk door het hele lichaam van een dier of plant worden getransporteerd, van waar het wordt opgeslagen en / of verkregen naar waar het nodig is als cellulaire brandstof.

Structuur van glucose (Bron: Oliva93 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) via Wikimedia Commons)

De chemische energie in glucose wordt door levende cellen benut via glycolyse, die bestaat uit een reeks zeer gecontroleerde stappen waarmee de energie die vrijkomt bij de oxidatie van dit koolhydraat kan worden "opgevangen" in meer bruikbare vormen van energie. , vandaar het belang ervan.

Via deze route wordt niet alleen energie (ATP) en reducerend vermogen (NADH) verkregen, maar levert het ook een reeks metabole tussenpersonen op die deel uitmaken van andere routes, ook belangrijk vanuit een anabole (biosynthetische) en algemeen cellulair functioneren. Hier is een lijst:

- Glucose 6-fosfaat voor de Pentose Phosphate Pathway (PPP)

- Pyruvaat voor melkzuurgisting

- Pyruvaat voor de synthese van aminozuren (voornamelijk alanine)

- Pyruvaat voor de tricarbonzuurcyclus

- Fructose 6-fosfaat, glucose 6-fosfaat en dihydroxyacetonfosfaat, die functioneren als "bouwstenen" in andere routes zoals de synthese van glycogeen, vetzuren, triglyceriden, nucleotiden, aminozuren, etc.

Energie productie

De hoeveelheid ATP die door de glycolytische route wordt geproduceerd, wanneer de cel die het produceert, niet onder aërobe omstandigheden kan leven, is voldoende om in de energiebehoeften van een cel te voorzien wanneer deze is gekoppeld aan verschillende soorten fermentatieprocessen.

Als het echter om aërobe cellen gaat, dient glycolyse ook als een noodbron van energie en dient het als een "voorbereidende stap" voorafgaand aan de oxidatieve fosforyleringsreacties die cellen met aëroob metabolisme kenmerken.

Enzymen die betrokken zijn bij glycolyse

Glycolyse is alleen mogelijk dankzij de deelname van de 10 enzymen die de reacties katalyseren die deze route kenmerken. Veel van deze enzymen zijn allosterisch en veranderen van vorm of conformatie wanneer ze hun katalytische functies uitoefenen.

Er zijn enzymen die covalente bindingen tussen hun substraten breken en vormen, en er zijn andere die specifieke cofactoren nodig hebben om hun functies uit te voeren, voornamelijk metaalionen.

Structureel gezien hebben alle glycolytische enzymen een centrum dat in wezen bestaat uit parallelle β- vellen omgeven door α-helices en gerangschikt in meer dan één domein. Bovendien worden deze enzymen gekenmerkt doordat hun actieve sites zich gewoonlijk op de bindingsplaatsen tussen domeinen bevinden.

Het is ook belangrijk op te merken dat de belangrijkste regulatie van de route verloopt via de controle (hormonaal of door metabolieten) van enzymen zoals hexokinase, fosfofructokinase, glyceraldehyde-3-fosfaat dehydrogenase en pyruvaatkinase.

Belangrijkste punten van regulering van de glycolytische route (Bron: Gregor 0492 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) via Wikimedia Commons)

1- Hexokinase (HK)

De eerste reactie van glycolyse (glucosefosforylering) wordt gekatalyseerd door hexokinase (HK), waarvan het werkingsmechanisme lijkt te bestaan ​​uit een 'geïnduceerde verstrakking' van het substraat dat de 'vergrendeling' van het enzym rond ATP bevordert en van glucose (zijn substraten) zodra het eraan gebonden is.

Afhankelijk van het organisme dat wordt overwogen, kunnen er een of meer iso-enzymen zijn, waarvan het molecuulgewicht varieert tussen 50 (ongeveer 500 aminozuren) en 100 kDa, omdat ze lijken te groeperen in de vorm van dimeren, waarvan de vorming wordt bevorderd door de aanwezigheid van glucose, magnesiumionen en ATP.

Hexokinase heeft een tertiaire structuur die is samengesteld uit open alfa- en bètavellen, hoewel er veel structurele verschillen zijn tussen deze enzymen.

2- fosfoglucose-isomerase (PGI)

Glucose gefosforyleerd door hexokinase wordt geïsomeriseerd tot fructose 6-fosfaat via fosfoglucose isomerase (PGI), ook bekend als glucose 6-fosfaat isomerase. Het enzym verwijdert of voegt dus geen atomen toe, maar herschikt ze op structureel niveau.

Dit is een actief enzym in zijn dimere vorm (het monomeer weegt ongeveer 66 kDa) en is niet alleen betrokken bij glycolyse, maar ook bij gluconeogenese, bij de synthese van koolhydraten in planten, enz.

3- fosfofructokinase (PFK)

Fructose-6-fosfaat is een substraat voor het fosfofructokinase-enzym, dat in staat is om dit molecuul opnieuw te fosforyleren met ATP als donor van een fosforylgroep, waarbij fructose-1,6-bisfosfaat wordt geproduceerd.

Dit enzym komt in bacteriën en zoogdieren voor als een homotetrameer enzym (bestaande uit vier identieke subeenheden van 33 kDa elk voor bacteriën en 85 kDa elk bij zoogdieren) en in gisten is het een octameer (bestaande uit grotere subeenheden, tussen 112 en 118 kDa).

Het is een allosterisch enzym, wat betekent dat het positief of negatief wordt gereguleerd door sommige van zijn producten (ADP) en door andere moleculen zoals ATP en citraat.

4- Aldolasse

Ook bekend als fructose 1,6-bisfosfaat aldolase, aldolase katalyseert de katalytische afbraak van fructose 1,6-bisfosfaat in dihydroxyacetonfosfaat en glyceraldehyde 3-fosfaat en de omgekeerde reactie, dat wil zeggen, de vereniging van beide suikers voor de vorming van fructose 1,6-bisfosfaat.

Met andere woorden, dit enzym snijdt het fructose 1,6-bisfosfaat doormidden, waardoor twee gefosforyleerde 3-koolstofverbindingen vrijkomen. Aldolase is ook samengesteld uit 4 identieke subeenheden, elk met zijn eigen actieve site.

Het bestaan ​​van twee klassen (I en II) van dit enzym is vastgesteld, die worden gedifferentieerd door het mechanisme van de reactie die ze katalyseren en omdat sommige (de eerste) voorkomen in bacteriën en 'lagere' eukaryoten, en de anderen (de tweede) zijn in bacteriën, protisten en metazoans.

De "hogere" eukaryote aldolase bestaat uit een homotetrameer van subeenheden met een molecuulgewicht van 40 kDa, die elk bestaan ​​uit een vat dat bestaat uit 8 β / α-vellen.

5- Triose-fosfaatisomerase (TIM)

De twee gefosforyleerde triosen kunnen met elkaar worden omgezet dankzij de werking van triose-fosfaatisomerase, waardoor beide suikers tijdens de glycolyse kunnen worden gebruikt, zodat elk glucosemolecuul dat de route binnenkomt volledig wordt benut.

Dit enzym is beschreven als het "perfecte" enzym, omdat het de beschreven reactie ongeveer een biljoen keer sneller katalyseert dan wat er zou gebeuren zonder uw deelname. De actieve plaats bevindt zich in het midden van een beta-barrel-structuur, kenmerkend voor veel glycolytische enzymen.

Het is een dimeer eiwit, bestaande uit twee identieke subeenheden van ongeveer 27 kDa, beide met een bolvormige structuur.

6- Glyceraldehyde 3-fosfaat dehydrogenase (GAPDH)

Glyceraldehyde-3-fosfaat geproduceerd door de werking van aldolase en triosefosfaatisomerase dient als substraat voor GAPDH, een homotetrameer enzym (34-38 kDa elke subeenheid) dat coöperatief bindt aan een molecuul van NAD + in elk van zijn 4 actieve sites, evenals 2 fosfaat- of sulfaationen.

In deze stap van de route maakt het enzym de fosforylering van een van zijn substraten mogelijk met behulp van anorganisch fosfaat als donor van de fosforylgroep, met de gelijktijdige reductie van twee NAD + -moleculen en de productie van 1,3-bisfosfoglyceraat.

7- Fosfoglyceraatkinase (PGK)

Fosfoglyceraatkinase is verantwoordelijk voor het overbrengen van een van de fosfaatgroepen van 1,3-bisfosfoglyceraat naar een ADP-molecuul door fosforylering op substraatniveau. Dit enzym gebruikt een mechanisme dat vergelijkbaar is met dat van hexokinase, aangezien het zich sluit bij contact met zijn substraten en ze beschermt tegen storende watermoleculen.

Dit enzym heeft, net als andere die twee of meer substraten gebruiken, een bindingsplaats voor ADP en een ander voor suikerfosfaat.

In tegenstelling tot de andere beschreven enzymen, is dit eiwit een monomeer van 44 kDa met een bilobale structuur, samengesteld uit twee domeinen van dezelfde grootte die verbonden zijn door een smalle "spleet".

8- Fosfoglyceraatmutase

Het 3-fosfoglyceraat ondergaat een verandering van de fosfaatgroep naar koolstof 2, in het midden van het molecuul, wat een strategische instabiliteitsplaats vertegenwoordigt die de daaropvolgende overdracht van de groep naar een ATP-molecuul in de laatste reactie van het pad vergemakkelijkt.

Deze omlegging wordt gekatalyseerd door het enzym fosfoglyceraatmutase, een dimeer enzym voor mensen en tetrameer voor gist, met een subeenheidgrootte van bijna 27 kDa.

9- Enolase

Enolase katalyseert de dehydratie van 2-fosfoglyceraat tot fosfoenolpyruvaat, een noodzakelijke stap voor het genereren van ATP in de volgende reactie.

Het is een dimeer enzym dat is samengesteld uit twee identieke subeenheden van 45 kDa. Het is afhankelijk van magnesiumionen voor zijn stabiliteit en voor de conformatieverandering die nodig is om aan zijn substraat te binden. Het is een van de enzymen die het meest overvloedig tot expressie komen in het cytosol van veel organismen en heeft naast glycolytische ook functies.

10- Pyruvaatkinase

De tweede fosforylering op substraatniveau die optreedt bij glycolyse wordt gekatalyseerd door pyruvaatkinase, dat verantwoordelijk is voor de overdracht van de fosforylgroep van fosfoenolpyruvaat naar ADP en voor de productie van pyruvaat.

Dit enzym is complexer dan alle andere glycolytische enzymen en bij zoogdieren is het een homotetrameer enzym (57 kDa / subeenheid). Er zijn bij gewervelde dieren minstens 4 iso-enzymen: L (in lever), R (in erytrocyten), M1 (in spieren en hersenen) en M2 (foetaal weefsel en volwassen weefsels).

Fasen van glycolyse (stap voor stap)

De glycolytische route bestaat uit tien opeenvolgende stappen en begint met één molecuul glucose. Tijdens het proces wordt het glucosemolecuul “geactiveerd” of “geprepareerd” door de toevoeging van twee fosfaten, waardoor twee ATP-moleculen worden omgekeerd.

Vervolgens wordt het in twee fragmenten "gesneden" en tenslotte wordt het een paar keer chemisch gemodificeerd, waarbij onderweg vier ATP-moleculen worden gesynthetiseerd, zodat de netto winst in de route overeenkomt met twee ATP-moleculen.

Uit het bovenstaande kan worden afgeleid dat de route is verdeeld in een energie "investerings" fase, fundamenteel voor de volledige oxidatie van het glucosemolecuul, en een andere energie "winst" fase, waarin de energie die aanvankelijk werd gebruikt wordt vervangen en twee worden gewonnen. netto ATP-moleculen.

- Energie-investeringsfase

1- De eerste stap van de glycolytische route bestaat uit de fosforylering van glucose gemedieerd door hexokinase (HK), waarvoor het enzym één molecuul ATP gebruikt voor elk glucosemolecuul dat wordt gefosforyleerd. Het is een onomkeerbare reactie en hangt af van de aanwezigheid van magnesiumionen (Mg2 +):

Glucose + ATP → Glucose 6-fosfaat + ADP

2- Het aldus geproduceerde glucose-6-fosfaat wordt geïsomeriseerd tot fructose-6-fosfaat dankzij de werking van het enzym fosfoglucose-isomerase (PGI). Dit is een omkeerbare reactie en brengt geen extra energieverbruik met zich mee:

Glucose 6-fosfaat → Fructose 6-fosfaat

3- Vervolgens omvat een andere energie-inversiestap de fosforylering van fructose 6-fosfaat om fructose 1,6-bisfosfaat te vormen. Deze reactie wordt gekatalyseerd door het enzym fosfofructokinase-1 (PFK-1). Net als de eerste stap in de route, is het fosfaatgroepdonormolecuul ATP en het is ook een onomkeerbare reactie.

Fructose 6-fosfaat + ATP → Fructose 1,6-bisfosfaat + ADP

4- In deze stap van glycolyse is er de katalytische afbraak van fructose 1,6-bisfosfaat in dihydroxyacetonfosfaat (DHAP), een ketose, en glyceraldehyde 3-fosfaat (GAP), een aldose. Deze aldolcondensatie wordt gekatalyseerd door het enzym aldolase en is een omkeerbaar proces.

Fructose 1,6-bisfosfaat → Dihydroxyacetonfosfaat + glyceraldehyde 3-fosfaat

5- De laatste reactie van de energie-inversiefase bestaat uit de onderlinge omzetting van het triosefosfaat DHAP en GAP gekatalyseerd door het enzym triose-fosfaatisomerase (TIM), een feit dat geen extra energie-inname vereist en ook een omkeerbaar proces is.

Dihydroxyacetonfosfaat ↔ Glyceraldehyde 3-fosfaat

- Energiewinstfase

6- Glyceraldehyde 3-fosfaat wordt "stroomafwaarts" in de glycolytische route gebruikt als een substraat voor een oxidatiereactie en een ander voor fosforylering, gekatalyseerd door hetzelfde enzym, glyceraldehyde 3-fosfaat dehydrogenase (GAPDH).

Het enzym katalyseert de oxidatie van de C1-koolstof van het molecuul tot een carbonzuur en de fosforylering ervan op dezelfde positie, waarbij 1,3-bisfosfoglyceraat wordt geproduceerd. In de loop van de reactie worden 2 moleculen NAD + gereduceerd voor elk molecuul glucose en worden 2 moleculen anorganisch fosfaat gebruikt.

2Glyceraldehyde 3-fosfaat + 2NAD + + 2Pi → 2 (1,3-bisfosfoglyceraat) + 2NADH + 2H

In aërobe organismen passeert elke op deze manier geproduceerde NADH de elektronentransportketen om als substraat te dienen voor de synthese van 6 ATP-moleculen door oxidatieve fosforylering.

7- Dit is de eerste ATP-synthesestap in glycolyse en omvat de werking van fosfoglyceraatkinase (PGK) op 1,3-bisfosfoglyceraat, waarbij een fosforylgroep (fosforylering op substraatniveau) van dit molecuul naar een molecuul wordt overgedragen ADP, wat 2ATP en 2 moleculen 3-fosfoglyceraat (3PG) oplevert voor elk molecuul glucose.

2 (1,3-bisfosfoglyceraat) + 2ADP → 2 (3-fosfoglyceraat) + 2ATP

8-3-fosfoglyceraat dient als substraat voor het enzym fosfoglyceraatmutase (PGM), dat het omzet in 2-fosfoglyceraat door verplaatsing van de fosforylgroep van koolstof 3 naar koolstof 2 via een tweestapsreactie die omkeerbaar is en afhankelijk van magnesiumionen (Mg + 2).

2 (3-fosfoglyceraat) → 2 (2-fosfoglyceraat)

9- Het enolase-enzym dehydrateert het 2-fosfoglyceraat en produceert fosfoenolpyruvaat (PEP) door middel van een reactie die de toevoeging van extra energie niet rechtvaardigt en waarvan het doel is om een ​​hoogenergetische verbinding te produceren die zijn fosforylgroep kan afstaan ​​in de volgende reactie.

2 (2-fosfoglyceraat) → 2 Fosfoenolpyruvaat

10- Fosfoenolpyruvaat is een substraat voor het enzym pyruvaatkinase (PYK), dat verantwoordelijk is voor de overdracht van de fosforylgroep in dit molecuul naar een ADP-molecuul, waardoor een andere fosforyleringsreactie op substraatniveau wordt gekatalyseerd.

In de reactie worden 2ATP- en 2 pyruvaatmoleculen geproduceerd voor elke glucose en de aanwezigheid van kalium en magnesium in ionische vorm is noodzakelijk.

2Fosfoenolpyruvaat + 2ADP → 2Pyruvaat + 2ATP

De netto-opbrengst van glycolyse bestaat op deze manier uit 2ATP en 2NAD + voor elk glucosemolecuul dat de route binnenkomt.

Als het cellen zijn met aëroob metabolisme, dan produceert de totale afbraak van een glucosemolecuul tussen 30 en 32 ATP door de Krebs-cyclus en de elektronentransportketen.

Producten van glycolyse

De algemene reactie van glycolyse is als volgt:

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

Daarom, als het kort wordt geanalyseerd, kan ervoor worden gezorgd dat de belangrijkste producten van de glycolytische route pyruvaat, ATP, NADH en H.

Het metabolische lot van elke reactie-tussenpersoon hangt echter in grote mate af van de cellulaire behoeften, en daarom kunnen alle tussenproducten worden beschouwd als reactieproducten en als volgt worden opgesomd:

- Glucose 6-fosfaat

- Fructose 6-fosfaat

- Fructose 1,6-bisfosfaat

- Dihydroxyacetonfosfaat en glyceraldehyde 3-fosfaat

- 1,3-bisfosfoglyceraat

- 3-fosfoglyceraat en 2-fosfoglyceraat

- Fosfoenolpyruvaat en pyruvaat

Belang

Ondanks het feit dat glycolyse op zichzelf (men zou kunnen spreken van anaërobe glycolyse) slechts ongeveer 5% van het ATP produceert dat kan worden geëxtraheerd uit het aërobe afbraak van glucose, is deze metabole route essentieel om verschillende redenen:

- Het dient als een "snelle" energiebron, vooral in situaties waarin een dier snel uit een rusttoestand moet komen, waarvoor de aërobe oxidatieprocessen niet snel genoeg zouden zijn.

- De "witte" skeletspiervezels in het menselijk lichaam, bijvoorbeeld, zijn vezels met snelle spiertrekkingen en zijn voor hun functioneren afhankelijk van anaërobe glycolyse.

- Wanneer een cel om de een of andere reden een deel van zijn mitochondriën moet missen (dit zijn de organellen die onder andere oxidatieve fosforylering uitvoeren van een deel van de glycolytische producten), wordt de cel meer afhankelijk van de energie die wordt verkregen door glycolytische route.

- Veel cellen zijn afhankelijk van glucose als energiebron via glycolytica, waaronder de rode bloedcellen , die geen interne organellen hebben, en de cellen van het oog (vooral die van het hoornvlies) die geen hoge dichtheid van mitochondriën hebben.

Referenties

1. Canback, B., Andersson, SGE en Kurland, CG (2002). De wereldwijde fylogenie van glycolytische enzymen. Proceedings of the National Academy of Sciences, 99 (9), 6097-6102.
2. Chaudhry R, ​​Varacallo M. Biochemistry, Glycolysis. . In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing; 2020 januari-. Beschikbaar vanaf: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK482303/
3. Fothergill-Gilmore, LA en Michels, PA (1993). Evolutie van glycolyse. Vooruitgang in biofysica en moleculaire biologie, 59 (2), 105-235.
4. Kim, JW en Dang, CV (2005). Veelzijdige rollen van glycolytische enzymen. Trends in biochemische wetenschappen, 30 (3), 142-150.
5. Kumari, A. (2017). Sweet Biochemistry: Remembering Structures, Cycles, and Pathways by Mnemonics. Academische pers.
6. Li, XB, Gu, JD en Zhou, QH (2015). Herziening van aërobe glycolyse en de belangrijkste enzymen - nieuwe doelen voor longkankertherapie. Thoracale kanker, 6 (1), 17-24.