Samokształcenie

Opracowała: Joanna Rutkowska

Grupa 7

Położnictwo I rok

Temat: Glikoliza w warunkach tlenowych oraz beztlenowych - etapy, enzymy, efekty energetyczne, regulacja. Bilans energetyczny katabolizmu glukozy w warunkach tlenowych i beztlenowych w powiązaniu z cyklem kwasów trikarboksylowych oraz łańcuchem oddechowym.

Glukoza jest metabolizowana we wszystkich komórkach ssaków w procesie glikolizy do pirogronianu i mleczanu. Glikoliza może przebiegać w nieobecności tlenu (anaerobowo), ale końcowym produktem jest tylko mleczan. Tkanki, które mogą zużywać tlen (aerobowe), są zdolne do metabolizowania pirogronianu do acetylo-CoA, który z kolei może wejść do cyklu kwasu cytrynowego, ulegając całkowitemu utlenieniu do CO₂ i H₂O z uwolnieniem znacznej ilości energii swobodnej, wykorzystanej do syntezy ATP w procesie zwanym fosforylacją oksydacyjną. Jednakże w procesie całkowitego utlenienia glukozy, a więc utlenienia także końcowego produktu glikolizy – pirogronianu, konieczny jest udział nie tylko tlenu, ale również niektórych zespołów enzymów mitochondrialnych, takich jak kompleks dehydrogenazy pirogronianowej, cykl kwasu cytrynowego oraz łańcuch oddechowy.

Glikoliza może przebiegać w warunkach beztlenowych.

Podczas badań stwierdzono, że gdy mięsień kurczy się w środowisku beztlenowym, to znika glikogen, a pojawia się mleczan jako główny produkt końcowy. Gdy tlen jest dostępny, pojawia się glikogen, natomiast mleczan znika. Jeżeli jednak skurcz następuje w warunkach tlenowych, to mleczan się nie gromadzi, a głównym produktem glikolizy jest pirogronian, który utleniany jest dalej do CO₂ i wody. Jeżeli tlen jest dostępny tylko przez krótki okres, to jest ograniczona reoksydacja NADH powstałego w czasie glikolizy. W tych warunkach NADH jest utleniany w reakcji redukcji pirogronianu do mleczanu, a tak utworzony NAD umożliwia dalszy przebieg glikolizy. W ten sposób glikoliza może zachodzić w warunkach beztlenowych, lecz ma to swoją cenę – dochodzi bowiem do ograniczenia ilości energii uwalnianej na mol utlenianej glukozy. W konsekwencji, aby wytworzyć tę samą ilość energii, więcej glukozy musi ulec glikolizie w warunkach beztlenowych niż w warunkach tlenowych.

Glikoliza jest głównym szlakiem katabolizmu glukozy. Może dostarczać ATP w nieobecności tlenu.

Ogólne równanie glikolizy z glukozy do mleczanu jest następujące:

Glukoza + 2ADP + 2P_i 2L(+) -Mleczan + 2ATP + 2H₂O

Wszystkie enzymy szlaku glikolitycznego znajdują się w pozamitochondrialnej rozpuszczalnej frakcji komórkowej, w cytozolu. Katalizują one reakcje zachodzące podczas przemiany glukozy do pirogronianu i mleczanu następująco:

Glukoza wchodzi do szlaku glikolitycznego ulegając fosforylacji do glukozo-6-fosforanu. Zachodzi to przy udziale enzymu heksokinazy. Jednakże w komórkach parenchymalnych wątroby oraz komórkach wysepek trzustkowych, ten proces katalizuje glukokinaza. Jako dawca fosforanu potrzebny jest ATP i jak w wielu reakcjach związanych z fosforylacją, reaguje on w formie kompleksu Mg-ATP. W reakcji zużywa się 1 bogatoenergetyczne wiązanie fosforanowe ATP i powstaje ADP. Reakcji towarzyszy znaczna strata energii swobodnej w postaci ciepła. Heksokinaza jest hamowana w sposób izosteryczny przez produkt reakcji glukozo-6-fosforan.

Mg²⁺

Glukoza +ATP glukozo-6-fosforan +ADP

Jej rola polega na zapewnieniu dostarczenia glukozy do tkanek. Działa za równo na anomer α, jak i β glukozy i może również katalizować fosforylację innych heksoz.

Funkcją glukokinazy jest usuwanie glukozy z krwi po spożyciu posiłku. Działa optymalnie przy stężeniu glukozy we krwi wynoszącym powyżej 5mmol/l. Jest swoista względem glukozy.

Glukozo-6-fosforan jest przekształcany w glikolizie w fruktozo-6-fosforan przez izomeryzację aldozowo-ketozową przy udziale izomerazy fosfoheksozowej. Przemianie tej ulega tylko anomer α glukozo-6-fosforanu. Po tej reakcji następuje druga fosforylacja z udziałem ATP, katalizowana przez enzym fosfofruktokinazę (fosfofruktokinazę-1), tworzącą fruktozo-1,6-bisfosforan. Fosfofruktokinaza jest zarówno enzymem allosterycznym, jak i indykowanym, którego aktywność odgrywa główną rolę w regulacji szybkości glikolizy.

D-fruktozo-6-fosforan + ATP D-fruktozo-1,6-bisfosforan + ADP

Fruktozo-1,6-bisfosforan jest rozszczepiany przez aldolazę na 2 fosfotriozy, gliceraldehydo-3-fosforan i dihydroksyacetonofosforan. Przekształcają się one jeden w drugi pod wpływem enzymu izomerazy fosfotriozowej.

Następny etap glikolizy to utlenianie gliceraldehydo-3-fosforanu do 1,3-bisfosfoglicerynianu.

D-gliceraldehydo-3-fosforan + NAD⁺ + P_i 1,3-bisfosfoglicerynian + NADH + H⁺

Enzym warunkujący utlenianie – dehydrogenaza gliceraldehydo-3-fosforanowa – jest zależny od NAD. Ten bogatoenergetyczny fosforan, 1,3-bisfosfoglicerynian znajdzie się następnie w ATP w wyniku katalizowanej przez kinazę fosfoglicerynianową reakcji zachodzącej w obecności ADP i tworzącej 3-fosfoglicerynian. Ponieważ z cząsteczki glukozy podlegającej glikolizie powstają 2 cząsteczki fosfotrioz, na tym etapie wytwarzają się również 2 cząsteczki ATP na cząsteczkę glukozy; jest to przykład fosforylacji substratowej. Powstający w powyższych reakcjach 3-fosfoglicerynian jest przekształcany w 2-fosfoglicerynian przez enzym mutazę fosfoglicerynianową.

Następny etap glikolizy jest katalizowany przez enolazę, która powoduje odłączenie wody, przemieszczenie energii wewnątrz cząsteczki, przejście fosforanu w pozycji 2 w stan bogatoenergetyczny i w rezultacie tego utworzenie fosfoenolopirogronianu. Enolaza jest hamowana przez fluorki, aktywność enzymu zależy od obecności Mg²⁺ lub Mn²⁺.

2-fosfoglicerynian fosfoenolopirogronian + H₂O

Następnie fosforan bogatoenergetyczny jest przenoszony z fosfoenolopirogronianu na ADP przez enzym kinazę pirogronianową, tworzący na tym etapie 2 cząsteczki ATP na cząsteczkę utlenianej glukozy. Utworzony w tej reakcji enolopirogronian przekształca się spontanicznie w formę ketonową pirogronianu.

Fosfoenolopirogronian + ADP pirogronian + ATP

Na tym etapie stan redoks tkanki decyduje, który z dwóch szlaków metabolicznych zajdzie. Jeżeli przeważają warunki beztlenowe, to uniemożliwiona jest reoksydacja NADH w łańcuchu oddechowym przez przeniesienie równoważników redukujących na tlen. Pirogronian ulega redukcji przez NADH do mleczanu w reakcji katalizowanej przez dehydrogenazę mleczanową.

Pirogronian + NADH + H⁺ L(+) –Mleczan + NAD⁺

Reoksydacja NADH w reakcji powstawania mleczanu, przez odtworzenie NAD⁺ potrzebnego w następnym cyklu reakcji katalizowanej przez dehydrogenazę gliceraldehydo-3-fosforanową, umożliwia przebieg glikolizy w nieobecności tlenu. Natomiast w warunkach tlenowych, pirogronian jest pobierany przez mitochondria, w których po przekształceniu do acetylo-CoA zostaje utleniony do CO₂ w cyklu kwasu cytrynowego.

Glikoliza jest regulowana na trzech etapach obejmujących reakcje „nieodwracalne”.

Chociaż większość reakcji glikolitycznych jest odwracalna, to jednak trzy z nich są wyraźnie egzoergiczne i z tego powodu muszą być uważane za reakcje fizjologiczne nieodwracalne. Są to reakcje katalizowane przez heksokinazę (i glukokinazę), fosfofruktokinazę i kinazę pirogronianową. Reakcje te stanowią zasadnicze miejsca regulacji glikolizy.

Utlenianie pirogronianu do acetylo-CoA jest nieodwracalnym procesem łączącym glikolizę z cyklem kwasu cytrynowego.

Aby pirogronian mógł wejść do cyklu kwasu cytrynowego, musi najpierw zostać przetransportowany do wnętrza mitochondrium przez przenośnik pirogronianowy, który umożliwia przejście pirogronianu przez wewnętrzną błonę mitochondrialną. W tym procesie transportowi cząsteczki pirogronianu towarzyszy transport 1 protonu. Tego typu mechanizm transportu określa się mianem symportu. Wewnątrz mitochondrium pirogronian ulega dekarboksylacji oksydacyjnej do acetylo-CoA. Reakcja ta jest katalizowana przez kilka różnych enzymów. Enzym te określa się zbiorowym mianem kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej, który jest analogiczny do kompleksu dehydrogenazy α-ketoglutaranowej w cyklu kwasu cytrynowego. Pirogronian, przy udziale dehydrogenazy pirogronianowej ulega dekarboksylacji do hydroksyetylowej pochodnej pierścienia tiazolowego difosfotiaminy związanej z enzymem, która reaguje z kolei z utlenionym lipoamidem, grupą prostetyczną acetylotransferazy dihydrolipoamidowej, tworząc acetylolipoamid. Acetylolipoamid reaguje z koenzymem A, tworząc acetylo-CoA i zredukowany lipoamid. Gdy ten ostatni zostanie ponownie utleniony przez flawoproteinę (zawierającą FAD), w obecności dehydrogenazy dihydrolipoamidowej, cykl reakcji jest zakończony. Ostatecznie zredukowana flawoproteina jest utleniana przez NAD, który z kolei przenosi równoważniki redukujące do łańcucha oddechowego.

Pirogronian + NAD⁺ + CoA acetylo-CoA + NADH + H⁺ + CO₂

Dehydrogenaza pirogronianowa jest hamowana przez produkty jej reakcji, acetylo-CoA oraz NADH. Jest również regulowana przez ATP-zależną fosforylację trzech reszt seryny dehydrogenazy pirogronianowej, katalizowaną przez kinazę, co prowadzi do zmniejszenia aktywności, oraz przez defosforylację przy udziale fosfatazy, co z kolei prowadzi do zwiększenia aktywności dehydrogenazy. Kinaza ulega aktywacji przy zwiększeniu wartości stosunków [acetylo-CoA]/[CoA], [NADH]/[NAD⁺] lub [ATP]/[ADP]. Dehydrogenaza pirogronianowa –a zatem i glikoliza – jest więc hamowana nie tylko przez potencjał bogatoenergetyczny, lecz także w warunkach, gdy zachodzi utlenianie kwasów tłuszczowych, w czasie którego zwiększają się wartości wyżej wymienionych stosunków.

Utlenienie cząsteczki glukozy dostarcza 38 moli ATP w warunkach tlenowych i tylko 2 mole ATP w nieobecności tlenu.

Gdy jedną cząsteczkę glukozy spali się w kalorymetrze do CO₂ i wody, uwolni się ok. 2870kJ ciepła. Każdej cząsteczce glukozy utlenionej do CO₂ i wody towarzyszy wytworzenie 38 moli ATP. Większość ATP tworzy się podczas fosforylacji oksydacyjnej w wyniku reoksydacji zredukowanych koenzymów w łańcuchu oddechowym. Pozostały ATP wytwarzany jest przez fosforylację substratową.

Streszczenie:

1. glikoliza jest szlakiem metabolicznym zachodzącym w cytozolu, gdzie glukoza zostaje przekształcona w pirogronian i mleczan.

2. glikoliza może przebiegać w warunkach beztlenowych dzięki sprzężeniu dwóch reakcji, z których jedna redukując pirogronian do mleczanu odtwarza utlenioną formę NAD koniecznego w reakcji katalizowanej przez dehydrogenazę gliceraldehydo-3-fosforanową.

3. mleczan jest końcowym produktem glikolizy zachodzącej w warunkach beztlenowych(np. w pracującym mięśniu) lub zachodzącej w komórkach niezdolnych do utleniania pirogronianu (np. w erytrocytach).

4. glikoliza jest regulowana przez trzy enzymy katalizujące reakcje nieodwracalne: heksokinazę (lub glukokinazę), fosfofruktokinazę i kinazę pirogronianową.

5. pirogronian jest utleniany do acetylo-CoA przez kompleks wieloenzymowy zwany kompleksem dehydrogenazy pirogronianowej. Reakcja wymaga udziału difosfotiaminy, która jest pochodną witaminy B₁.

6. brak możliwości metabolizowania (utleniania) pirogronianu prowadzi często do kwasicy mleczanowej.