8.1: Co to jest glikoliza?

przegląd

Komórki wytwarzają energię poprzez rozkład makrocząsteczek. Oddychanie komórkowe to proces biochemiczny, który przekształca “energię pokarmową” (z wiązań chemicznych makrocząsteczek) w energię chemiczną w postaci adenozynotrójfosforanu (ATP). Pierwszym krokiem tego ściśle regulowanego i skomplikowanego procesu jest glikoliza. Słowo glikoliza pochodzi od łacińskiego glico (cukier) i lysis (rozpad). Glikoliza pełni dwie główne funkcje wewnątrzkomórkowe: wytwarzanie ATP i wytwarzanie metabolitów pośrednich, które zasilają inne szlaki. Szlak glikolityczny przekształca jedną heksozę (sześciowęglowy węglowodan, taki jak glukoza) w dwie cząsteczki triozy (węglowodany trójwęglowe), takie jak pirogronian, w celu wytworzenia całkowitej ilości netto dwóch cząsteczek ATP (cztery wyprodukowane, dwie zużyte) i dwie cząsteczki dinukleotydu nikotynamidoadeninowego (NADH).

Wyjaśnienie glikolizy

W połowie XIX wieku Louis Pasteur ustalił, że mikroorganizmy powodują rozkład glukozy przy braku tlenu (fermentacji). W 1897 roku Eduard Buchner odkrył, że reakcje fermentacji można nadal przeprowadzać w bezkomórkowych ekstraktach drożdżowych, rozbijając komórkę i zbierając cytoplazmę zawierającą rozpuszczalne cząsteczki i organelle. Wkrótce potem, w 1905 roku, Arthur Harden i William Young odkryli, że szybkość fermentacji zmniejsza się bez dodatku nieorganicznego fosforanu (P_i) i że fermentacja wymaga obecności zarówno składnika wrażliwego na ciepło (później zidentyfikowanego jako zawierającego wiele enzymów), jak i frakcji o niskiej masie cząsteczkowej, stabilnej termicznie (jony nieorganiczne, ATP, ADP i koenzymy, takie jak NAD). Do 1940 roku, dzięki wysiłkowi wielu osób, Gustav Embden, Otto Meyerhof, Jakub Karol Parnas i inni stworzyli kompletny szlak glikolizy. Teraz glikoliza jest znana jako szlak EMP.

Przeznaczenie glukozy

Istnieją dwa sposoby, w jakie glukoza może dostać się do komórki. Grupa integralnych białek GLUT (transportera glukozy) transportuje glukozę do cytozolu poprzez ułatwioną dyfuzję. Członkowie rodziny białek GLUT są obecni w określonych tkankach w całym organizmie człowieka. Alternatywnie, transbłonowe białka symporterowe przemieszczają glukozę w kierunku przeciwnym do jej gradientu stężenia poprzez wtórny transport aktywny. Symetrer wykorzystuje energię elektrochemiczną z pompowania jonów. Przykładami są transportery związane z sodem i glukozą w jelicie cienkim, sercu, mózgu i nerkach.

W warunkach tlenowych (bogatych w O₂) i beztlenowych (z niedoborem O₂) glikoliza może rozpocząć się, gdy glukoza dostanie się do cytozolu komórki. Istnieją dwie główne fazy glikolizy. Pierwsza faza to wymagający energii etap przygotowawczy, który zatrzymuje glukozę w komórce i restrukturyzuje sześciowęglowy szkielet, aby można go było skutecznie rozszczepić. Druga faza uwalnia energię i wytwarza pirogronian.

Losy pirogronianu

W zależności od poziomu tlenu i obecności mitochondriów, pirogronian może mieć jeden z dwóch możliwych losów. W warunkach tlenowych z obecnymi mitochondriami pirogronian dostaje się do mitochondriów, przechodząc cykl kwasu cytrynowego i łańcuch transportu elektronów (ETC), który ma zostać utleniony do CO₂, H₂O, a nawet więcej ATP. Natomiast w warunkach beztlenowych (tj. pracujących mięśni) lub bez mitochondriów (tj. prokariotów) pirogronian ulega fermentacji mleczanowej (tj. jest redukowany do mleczanu w warunkach beztlenowych). Co ciekawe, drożdże i niektóre bakterie w warunkach beztlenowych mogą przekształcać pirogronian w etanol w procesie znanym jako fermentacja alkoholowa.

Regulacja glikolizy

Ścisła kontrola i regulacja szlaków metabolicznych za pośrednictwem enzymów, takich jak glikoliza, ma kluczowe znaczenie dla prawidłowego funkcjonowania organizmu. Kontrola jest sprawowana przez ograniczenie substratu lub regulację związaną z enzymami. Ograniczenie substratu występuje, gdy stężenie substratów i produktów w komórce jest bliskie równowagi. W związku z tym dostępność substratu decyduje o szybkości reakcji. W regulacji enzymatycznej stężenie substratów i produktów jest dalekie od równowagi. Aktywność trzech enzymów (heksokinazy, fosfofruktokinazy i kinazy pirogronianowej) określa szybkość reakcji, która kontroluje przepływ całego szlaku.