Glikolízis

A glikolízis ( γλῠκὖς Glykys "édes" és λύσις Lysis "felszabadulás") vagy Embden-Meyerhof-Parnas a glükózfelvétel és az energiatermelés metabolikus útja . A sejt hialoplazmájában (vagy citoszoljában) játszódik le . Ahogy a neve is mutatja, glükózra van szüksége, és lehetővé teszi a piruvát előállítását . Ez utóbbi vagy beléphet a Krebs-ciklusba , amely az eukarióták mitokondriumában vagy a baktériumok citoplazmájában zajlik aerobiosisban, vagy anaerobiosisban fermentációval metabolizálódhat , például laktát vagy etanol előállítására .

Általános elv

A glikolízis olyan ATP regenerációs mechanizmus , amely nem igényel oxigént . E folyamat során tanúi vagyunk:

azon redoxireakciók közül, amelyekben az elektronok akceptora ( koenzim NAD + ) redukálódik:

NAD + + 2 H + + 2 e - → NADH + H + .

szintézise ATP által foszforiláció a ADP (képződése négy molekula ATP , de a fogyasztás két molekula ATP , vagy egy teljes nettó kialakulását két molekula ATP ):

2 ADP + 2 P i + 2 H + → 2 ATP + 2 H 2 O.

A P i szimbólum itt a szervetlen foszfát HPO 4 2-vagy hidrogén-foszfát.

Mivel a glikolízis a koenzimek redukcióját eredményezi, ezért szerves molekulák oxidációja kíséri . Elmondhatjuk, hogy az megfelel-e a oxidációját glükóz a piruvát :

glükóz + 2 NAD + → 2 CH 3 -CO-COO -+ 2 ( NADH + H + ),

párosulva:

2 ADP + 2 P i + 2 H + → 2 ATP + 2 H 2 O,

összesen

glükóz + 2 ADP + 2 P i + 2 NAD + → 2 piruvát * + 2 ATP + 2 ( NADH + H + ) + 2 H 2 O.
* A piruvát CH 3 -CO-COO -szigorúan véve a konjugált bázisa a piroszőlősav CH 3 -CO-COOH.

D - glükóz				Piruvát
	+ 2 ADP + 2 P i + 2 NAD +		2		+ 2 ATP + 2 (NADH + H + ) + 2 H 2 O

A glikolízis döntő fontosságú a test számára, mivel ez a glükóz metabolizmusának fő útja. Ez az egyetlen metabolikus energiaforrás az agy számára , amely gyorsan összehúzza a vázizmokat vagy az eritrocitákat , kivéve a hosszan tartó éhgyomri vagy a hosszan tartó fizikai aktivitást. Valóban, amint a máj glikogénkészletei befejeződnek, a test lebontja lipidjeit, hogy szabad zsírsavakat és glicerint szabadítson fel a vérbe , amelyeket a béta-oxidáció keton testekké alakít át . Ezután ezek a keton testek táplálják az agyat és a test többi részét. A piruvát előállítása után a környezeti feltételektől függően több anyagcsere útvonalon haladhat.

A legtöbb szövetben, ha az oxigén bőséges, piruvát oxidálódik, elveszíti a karboxilcsoport formájában CO 2 , és a fennmaradó két-szén egység belép a citromsav-ciklus, majd megy foszforilációk. Oxidatív, a folyamatot nevezzük a sejtlégzést .

Ellenkező esetben oxigén hiányában a piruvát laktáttá redukálható a NADH + H + NAD + -nak kapcsolt oxidációja révén . Ezt a tejsavas erjedésnek nevezett folyamatot bizonyos mikroorganizmusok is megtalálják, például a joghurt előállításához használt tejsavbaktériumok.

Végül mikroorganizmusokban , például élesztőkben és egyes növények szöveteiben a piruvát redukálható etil-alkohollá ( etanol ), ismét a NADH NAD + -hoz kapcsolt oxidációjával . Ez alkoholos erjedés .

A glikolízis szakaszai

A glikolízis 10 reakciójának sorozata három szakaszra bontható:

1. fázis: A glükózt, egy 6 C szénatommal rendelkező fajt először foszforilezzük a C 6 és C 1 helyzetben (1., 2. és 3. reakció);
2. fázis: ezt követően két három szénatomos molekulára hasítják gliceraldehid-3-foszfát formájában (4. és 5. reakció)
3. fázis: a foszforilációkba fektetett energiát végül ATP formájában nyerik vissza (6-10 reakciók).

1. fázis: A hexózisok aktiválása egymást követő foszforilációkkal

A glükóz foszforilezése glükóz-6-foszfáttá

Ez a reakció igényel Mg 2+ kation , mint a kofaktor és fogyasztja egy ATP- molekula a foszforilálni egyes glükóz molekula . Segít a glükózkoncentráció viszonylag alacsony szinten tartásában a citoplazmában, hogy megkönnyítse a további glükózmolekulák bejutását. Ezenkívül a glükóz-6-foszfát már nem hagyhatja el a sejtet, mert a plazmamembrán nem rendelkezik transzporterrel ehhez a molekulához.

	+ ATP → ADP + H + +
Szőlőcukor		Glükóz-6-foszfát
Hexokináz - EC 2.7.1.1

Ez a reakció visszafordíthatatlan. Ez katalizálja egy kináz , vagy egy hexokináz , a nem-specifikus glükóz , amely emlősök , leggyakrabban megtalálható izom , vagy glükokináz , specifikus glükóz . Ez a két enzim eltérő Michaelis állandót ( K M ) a megfelelő értékek 0,1 mM és 10 mM tudva, hogy a K M fordítottan arányos a affinitása az enzim annak szubsztrátok. Ez a két enzim Mg 2+ -függő. Emberben a glükokináz a májban és a hasnyálmirigy sejtjeiben lokalizálódik . Ez utóbbi valóban tökéletesen megfelel a máj tárolási funkciójának (főleg nagy glükóz beáramláskor, például étkezés után működik, és így hozzájárul a vércukorszint szabályozásához ). Ennek az enzimnek a működési zavara ezért felelős a cukorbetegség bizonyos típusaiért (a MODY cukorbetegség, amely az esetek 50% -ában a glükokináz mutációjának tudható be ).

A glükóz-foszforilezés nem specifikus a glikolízisre. Ez a lépés kiindulópontként szolgál a pentóz-foszfát útvonalán vagy a glikogenogenezishez is.

Megjegyzés: minden olyan reakció, amely nagy szabad entalpia variációval rendelkezik, visszafordíthatatlan, és mivel ez a foszforilezés energetikailag nagyon kedvelt, a reakció visszafordíthatatlan. Éppen ezért ezek az enzimek erősen szabályozottak, hogy megakadályozzák a rendszer versenyzését, mint a glikolízis másik két visszafordíthatatlan lépése. ( Foszfofruktokináz-1 , Piruvát-kináz ). A hexokinázt a saját terméke, a glükóz-6-foszfát gátolja ( negatív visszacsatolás ), gén expresszióját az inzulin indukálja . A glükokinázt a glükóz-6-foszfát nem gátolja, gén expresszióját azonban az inzulin indukálja.

Fruktóz-6-foszfát izomerizáció

A α- D -glükóz-6-foszfát- termelt glikolízis során izomerizáljuk β- D -fruktóz-6-foszfát által glükóz-6-foszfát-izomeráz (GPI) vagy phosphohexose izomeráz. Ez a reakció visszafordítható, és továbbra is jobbra orientálódik a Fru-6-P koncentrációja miatt, amelyet a következő glikolízis-lépés azonnali fogyasztása miatt meglehetősen alacsony szinten tart.

	$\ rightleftharpoons$
Glükóz-6-foszfát		Fruktóz-6-foszfát
Glükóz-6-foszfát-izomeráz - EC 5.3.1.9

Foszforilezés fruktóz-1,6-biszfoszfáttá

A β- D -fruktóz-6-foszfát (Fru-6-P) során termelt az előző reakció foszforilezett , hogy β- D -fruktóz-1,6-biszfoszfát (Fru-1,6-BP) által foszfofruktokináz -1 ( PFK-1) egy ATP molekulából , átalakítva ADP-vé . Ez az energiafogyasztás visszafordíthatatlanná teszi ezt a lépést, és a glikolízis sebességének fő szabályozási pontját képezi. Egy Mg 2+ kation viselkedik, mint egy kofaktor .

	+ ATP → ADP + H + +
Fruktóz-6-foszfát		Fruktóz-1,6-biszfoszfát
Foszfofruktokináz-1 - EC 2.7.1.11

Vannak, főként eltérő szervezetekből állatok , különböző enzimek képes foszforilálni olyan a fruktóz-6-foszfát , szervetlen pirofoszfát az ATP helyett. Ez a difoszfát-fruktóz-6-foszfát-1-foszfotranszferáz (PFP) esete , amely számos növényben , bizonyos baktériumokban , archeákban és protisztokban található meg . Ritka archeákban van egy foszfofruktokináz-variáns, amely ezúttal ADP-t és nem ATP-t használ.

Ez a foszfofruktokináz (PFK) által katalizált reakció irreverzibilis és Mg2 + -függő. Ez az enzim katalizálja az első lépést, amely specifikus a glikolízisre. Erősen ellenőrzött módon alloszterikus ATP- mentes (az ATP- mentes a nem komplexált magnézium-ATP formája), amely a glikolízis "hasznos" végterméke. Plusz ATP-koncentráció mentes , annál lassabb ez a reakció, és fordítva, minél nagyobb az ATP- mentes koncentráció , annál alacsonyabb az enzim aktív. Ez egy önkontroll rendszer a glikolízishez. A glikolízis számos matematikai modelljét kidolgozták, amelyek azt mutatják, hogy ez a lépés a legfontosabb azok közül, amelyek szabályozzák a glikolízis áramlását.

Az ATP általi gátlást az AMP visszafordíthatja , ami lehetővé teszi az ATP / AMP arány állandó szinten tartását.

De főként a fruktóz-2,6-biszfoszfát szabályozza : valójában a fruktóz-2,6-biszfoszfát fruktóz-6-foszfátból történő termelésének egyetlen feladata a fruktóz-6-foszfát út telítettségének demonstrálása ( "túl tele"), mert a fruktóz-2,6-biszfoszfátnak nem kell metabolikussá válnia. By allostery , fruktóz-2,6-biszfoszfát tehát aktiválja a foszfofruktokináz-1 érdekében, hogy ösztönözze a fogyasztás a fruktóz-6-foszfátot, és így megakadályozzák a saját képződésének.

2. fázis: A fruktóz-1,6-biszfoszfát hasítása a glicerinaldehid-3-foszfát két molekulájába

Hasítás glicerinaldehid-3-foszfátba és dihidroxi-aceton-foszfátba

A β- D -fruktóz-1,6-biszfoszfát hasítjuk egy liáz , a fruktóz-bifoszfát-aldoláz , a D -gliceraldehid-3-foszfát- (G3P) és dihidroxi-aceton-foszfát (DHAP).

	$\ rightleftharpoons$		+
Fruktóz-1,6-biszfoszfát		G3P		DHAP
Fruktóz-biszfoszfát-aldoláz - EC 4.1.2.13

Két osztálya van az aldoláz hasítani képes fruktóz-1,6-biszfoszfát: class I in állatok és növények , és az osztály II a gombák és a baktériumok ; az enzimek ezen két osztálya különböző mechanizmusokat alkalmaz a ketózis hasítására .

A dihidroxi-aceton-foszfát izomerizálása glicerinaldehid-3-foszfáttá

A foszfát-dihidroxi-aceton van izomerizáljuk a D -gliceraldehid-3-foszfát- által triózfoszfát-izomeráz . Ezt a reakciót nem nagyon kedvelik, a „dihidroxi-acetonifoszfát → glicerinaldehid-3-foszfát” irányban 5% -ban, a másik irányban pedig 95% -ban megy végbe.

	$\ rightleftharpoons$
DHAP		G3P
Trióz-foszfát-izomeráz - EC 5.3.1.1

Bár egyensúlyban a ketózis forma (DHAP) sokkal nagyobb mennyiségben fordul elő, mint az aldóz forma (G3P), a DHAP → G3P transzformáció gyors, mert a G3P vegyületet a következő glikolízis-reakciók véglegesen eliminálják.

Így a β- D- fruktóz-1,6-biszfoszfát minden egyes molekulája végül két D- gliceraldehid-3-foszfát (G3P) molekulát eredményez .

3. fázis: A foszforilációkba fektetett energia visszanyerése

Foszforilezés 1,3-biszfoszfo-glicerinsavvá

A D -gliceraldehid-3-foszfát- van foszforilált a 1,3-bisphospho- D -glycérate (1,3-BPG) által glicerinaldehid-3-foszfát-dehidrogenáz egyidejű redukálását egy molekula NAD + a NADH + H + ; ez az egyetlen lépés a glikolízisben, ahol redukálóerő képződik, NADH + H + formájában . Ezt a reakciót az elektromos töltés és a hidrogénatomok szempontjából kiegyensúlyozza az a tény, hogy a szervetlen foszfát (Pi) a citoplazmatikus közegben HPO 4 2- hidrogén- foszfátion formájában létezik..

	+ NAD + + Pi NADH + H + + $\ rightleftharpoons$
G3P		1,3-BPG
Gliceraldehid-3-foszfát-dehidrogenáz - EC 1.2.1.12

Ez a reverzibilis és oxidoreduktáz által katalizált redox-reakció nagy átviteli potenciállal rendelkező acil-tioészter-kötés kialakulásához vezet. Ez a lépés jelenti a glikolízis második részének kezdetét. A nagy átviteli potenciállal rendelkező kötések energiáját felhasználják az ATP szintéziséhez. A koenzimek redukálódnak (elektrongyarapodás).

Átalakítás 3-foszfogliceráttá ATP visszanyeréssel

Az 1,3-biszfoszfosz- D- glicerát (1,3-BPG) nagy transzferpotenciálú foszfátcsoportja lehetővé teszi az ADP- molekula ATP- be foszforilezését , hogy foszfoglicerát-kináz hatására 3-foszfo- D- glicerátot (3PG) képezzen. ; ez a glikolízis első lépése, ahol az energiát újrafelhasználható formában nyerik vissza, ATP-ben tárolják.

	+ ADP ATP + $\ rightleftharpoons$
1,3-BPG		3PG
Foszfoglicerát- kináz - EC 2.7.2.3

2-foszfoglicerát izomerizáció

A 3-foszfo- D -glycérate van izomerizáljuk be 2-foszfo- D -glycérate (2PG) által foszfoglicerát mutáz .

	$\ rightleftharpoons$
3PG		2PG
Foszfoglicerát-mutáz - EC 5.4.2.1

Foszfoenol-piruváttá alakítás

A 2-foszfo- D- glicerátot (2PG) egy liáz , az enoláz (vagy foszfopiruvát-hidratáz) dehidrálja , így a foszfoenol-piruvátot (PEP) képezi . Egy Mg 2+ kation van szükség, mivel a katalizátor a dehidratálási reakció , míg egy második Mg 2+ Közbenjár egy „konformációs” szerepet együttműködve a karboxil -csoport a 2-foszfo- D -glycerate.

	$\ rightleftharpoons$ H 2 O +
2PG		ELEVENSÉG
Enoláz ( foszfopiruvát- hidratáz) - EC 4.2.1.11

Átalakítás piruváttá ATP-visszanyeréssel

A csoport -foszfát magas transzfer potenciál ( .DELTA.G ° ' = -61,9 kJ mol -1 ) a foszfo-enolpiruvát- lehetővé teszi foszforiláció egy molekula a ADP be ATP által piruvát kináz . Ehhez a reakcióhoz kofaktorként Mg 2+ kationra van szükség .

	+ ADP + H + → ATP +
ELEVENSÉG		Piruvát
Piruvát-kináz - EC 2.7.1.40

E reakció során a foszfoenol-piruvát a piruvát-kináz által valójában irreverzibilisen átalakul enol-piruváttá, majd az enol-piruvát tautomerizmussal reverzibilien pirimátot eredményez .

Glikolízis értékelés

Használt:

1 mol glükóz
2 mol oxidált koenzim ( NAD + )
4 mol ADP
2 mol ATP
2 mol szervetlen foszfát

Termelni :

2 mol piruvát
2 mol redukált koenzim ( NADH )
4 mol ATP
2 mol vizet
2 mol proton (H + )

Tehát 2 mol ATP keletkezik 1 mol glükóz feldolgozásával .

A glikolízis szabályozása

A glikolízist főleg három kulcsenzim szintjén szabályozzák: PFK-1 , piruvát-kináz és hexokináz .

A PFK-1 szabályozása

A PFK-1 vezérlés annyira allosztérikus :

Az ATP és a citrát gátlóként hat
Az AMP és a fruktóz-2,6-biszfoszfát aktivátorként működik.

A fruktóz-2,6-biszfoszfát koncentrációja ezért elengedhetetlen a glikolízishez. Foszfofruktokináz-2 szabályozza, amelynek aktivitása a foszforiláció állapotától függően eltérő:

az inzulin ( hipoglikémiás hormon ) hatása alatt defoszforilálódik és katalizálja a fruktóz-6-foszfát + ATP → fruktóz-2,6-biszfoszfát + ADP reakciót ; a fruktóz-2,6-biszfoszfát koncentrációja megnő és a glikolízis felgyorsul.
glükagon (hiperglikémiás hormon) hatása alatt foszforilálódik és katalizálja a reakciót: fruktóz-2,6-biszfoszfát + H 2 O→ fruktóz-6-foszfát + Pi ; a fruktóz-2,6-biszfoszfát koncentrációja csökken és a glikolízis lelassul.

A piruvát-kináz szabályozása

A piruvát-kinázt alloszterikusan szabályozzák, és ez mindenütt jelen van:

Az AMP és a fruktóz-1,6-biszfoszfát aktivátorok
Az ATP , az acetil-CoA és az alanin inhibitorok.

A májban szintén kovalensen szabályozzák (a hormonok hatására )

a glukagon ennek az enzimnek a foszforilezésével hat , amelynek gátló hatása van
az inzulin fordított hatást fejt ki, amelynek hatása a piruvát-kináz aktiválása.

A hexokináz szabályozása

Ennek az enzimnek a aktivitását a reakciótermék, a glükóz-6-foszfát gátolja . Ha felhalmozódik, termelése gyorsan csökken, hogy egyensúlyba kerüljön a fogyasztásával. Ez a folyamat megakadályozza a metabolitok felhalmozódását .

A koenzimek reoxidációja

A glikolízis akkor szűnik meg, ha a redukált koenzimek nem oxidálódnak újra, különösen, ha a NADH nem regenerálódik NAD + formában . Például a glicerinaldehid-3-foszfát-dehidrogenáz által katalizált lépés nem mehet végbe NAD + nélkül :

Oxidációs párosulva foszforilációja
a gliceraldehid-3-foszfát (G3P) a 1,3-biszfoszfoglicerát (1,3-BPG)

Ennek két fő metabolikus útja van, a táptalaj redox állapotától függően :

1) az anaerob környezetben , fermentációnak nevezzük , foszforilezéssel a szubsztrát szintjén és az elektronok szerves anyag általi elfogadásával. Számos fajtája létezik: tejsavas erjedés (ami az izmok nem oxigénjében fordul elő ) erjedés vajsav , alkoholos erjesztés . Tejerjesztés során a piruvátot közvetlenül a NADH redukálja laktáttá . Az élesztőgombák okozta alkoholos fermentáció során a glikolízist két további reakció meghosszabbítja: a piruvát dekarboxilezése acetaldehiddé, majd ez utóbbi etanollá redukálása . Ezért az első esetben a piruvát szolgál végső elektron-akceptorként, a második esetben pedig az acetaldehid.


A tejsavas fermentáció : a regeneráció NAD + biztosítja a közvetlen csökkentésére piruvát a laktát piruvát + 2 H + + 2 e - → laktát		Alkoholos erjedés : a regeneráció NAD + biztosítja a csökkentés acetaldehid , hogy etanol acetaldehid + 2 H + + 2 e - → etanolt

2) a másik irányba, egy aerob környezet , egyáltalán oxidatív foszforiláció (például használva oxigént a levegőből, mint a végső elektron akceptor), és az úgynevezett légzés , néhány beszélnek sejtlégzés , hogy megkülönbözteti a pulmonális szellőztetés , bár a környezetben a használata nem zavaró. Ez történik a légzési láncban a mitokondriumok (oxidatív foszforiláció) eukariótákban, és a baktériumok citoplazmájában. Citokróm-oxidázt foglal magában és H 2 O képződést okoz .

→ glikolízis Krebs-ciklus → légzési lánc
A protonok és elektronok végső akceptora a levegő oxigénje

A glikolízis és a légzés (32 ATP) energiamérlege körülbelül 20-szor magasabb, mint a glikolízisé, amelyet fermentáció követ (2 ATP a tejsavas erjesztéshez).

Megjegyzések és hivatkozások

A sejt molekuláris biológiája : Harvey Lodish, Arnold Berk, Paul Matsudaira, James Darnell , Chris A. Kaiser, Pierre L. Masson - 301. oldal.
Stephen D. Anton , Keelin Moehl , William T. Donahoo és Marosi Krisztina , „ A metabolikus kapcsoló megfordítása: A koplalás egészségügyi előnyeinek megértése és alkalmazása ”, Elhízás (Silver Spring, Md.) , Vol. 26, n o 22018. február, P. 254–268 ( ISSN 1930-7381 , PMID 29086496 , PMCID 5783752 , DOI 10.1002 / oby.22065 , online olvasás , hozzáférés : 2019. szeptember 19. )
(in) Reginald H. Garrett és Charles M. Grisham , biokémia , Wadsworth Publishing Co Inc.,2012, 5 -én ed. , 1280 p. ( ISBN 978-1-133-10629-6 és 1-133-10629-3 , olvassa el online )
Pascal Ribéreau-Gayon , Denis Dubourdieu , Bernard Donèche és Aline Lonvaud , a borászati szerződés , t. 1: A bor mikrobiológiája. Borászat , Dunod,2012. október 3, 6 th ed. ( ISBN 978-2-10-058234-1 és 2-10-058234-8 )
(in) HS Seeholzer, A. Jaworowski, IA Rose , " enolpiruvát: kémiai meghatározás piruvát-kináz köztitermékként " , Biochemistry , vol. 30, n o 3, 1991. január 22, P. 727-732 ( online olvasás ) PMID 1988060
George B. Johnson , Jonathan B. Losos , Peter H. Raven és Susan S. Singer ( ford. Angolul), Biológia: luxus változat , Brüsszel / Párizs, De Boeck Superior 2009. november 15, 1406 p. ( ISBN 978-2-8041-6638-0 )
Joseph-Pierre Guiraud , Élelmiszer-mikrobiológia , Dunod, 2012. szeptember 18, 2 nd ed. ( ISBN 978-2-10-057008-9 és 2-10-057008-0 )

Lásd is

Kapcsolódó cikkek

A glükóz lebontásának egyéb útjai: