Glükolízis

A Wikipédiából, a szabad lexikonból.

A glükolízis egy anyagcsereút, melynek során egy molekula glükóz két molekula piruváttá oxidálódik. Az elnevezés a glükóz (glycys görögül: édes) és a lízis (lysis görögül: hasadás) szavakból származó összetétel. Ez a folyamat a szénhidrátok katabolizmusának kezdő lépése, mely három alapvető célt szolgál:

• Makroerg molekulák (úgymint ATP és NADH) termelése (anaerob légzés)
• Piruváttermelés a citrátciklus számára (aerob légzés)
• Hat- és háromszénatomos köztitermékek termelése más anyagcserefolyamatok (pl. aminosav-szintézis) céljaira.

Mint az aerob és anaerob légzés alapfolyamata, a glükolízis az őstípusa az ismert egyetemes anyagcsere-folyamatoknak és szinte az összes élő szervezet sejtjeiben megtalálható. A glükolízis sok prokarióta valamint mitokondrium nélküli (pl. vörösvérsejt) vagy oxigénhiányos környezetnek kitett (pl. nehéz munkát végző izom) eukarióta sejt legfőbb energiaforrása (anaerob légzés).

A glükolízis mind eukariótákban, mind prokariótákban a citoszolban zajlik, bár a növényekben egyes reakciók - melyek a Calvin-Benson ciklusban is megtalálhatók - a kloroplasztiszokban történnek. Ez a konzervativizmus alátámasztja a feltételezést, hogy a glükolízis igen ősi folyamat, az első prokariótákban jelent meg 3,5 milliárd éve vagy még annál is régebben.

A glükolízis legáltalánosabb és legismertebb útja az Embden-Meyerhof útvonal, melyet először Gustav Embden és Otto Meyerhof fedett fel. Bár a glükolízis kifejezést egyéb, alternatív útvonalakra is vonatkozhat (pl. a Entner-Doudoroff útvonal), ebben a cikkben az Embden-Meyerhof útvonalat taglaljuk.

Tartalomjegyzék 1 A glükolízis felfedezése 2 Áttekintés 3 A glükolízis reakciói 3.1 A glükolízis első szakasza

[szerkesztés] A glükolízis felfedezése

A glükolitikus folyamatok módszeres tanulmányozását Louis Pasteur kezdte meg 1860-ban, amikor felfedezte, hogy az erjedésért mikroorganizmusok a felelősek. 1897-ben Eduard Buchner kimutatta, hogy bizonyos sejtkivonatokkal erjedést lehet előidézni. A következő lépés az volt, amikor Arthur Harden és William Young 1905-ben megállapította, hogy a fermentáció létrejöttéhez egy hőérzékeny, nagy molekulatömegű szubcelluláris frakció (az enzimek) és egy kevésbé hőérzékeny, alacsony molekulatömegű sejtplazmafrakció (ADP, ATP, NAD⁺ és egyéb kofaktorok) együttes jelenléte szükséges. Az egyes konkrét részreakciókat 1940-re határozták meg, leginkább Otto Meyerhof és később Luis Leloir munkássága eredményeként. A glükolízis részleteinek feltárását leginkább az nehezítette meg, hogy az átmeneti termékeknek nagyon rövid volt az élettartama és a nagyon alacsony volt a nyugalmi koncentrációja.

[szerkesztés] Áttekintés

A glükolízis nettó egyenlete:

D-glükóz				piruvát
	+ 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi		2		+ 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP + 2 H2O

A bruttó folyamat:

Egyszerű anaerob fermentáció során egy molekula glükóz két molekula piruváttá alakul, s ennek során két molekula ATP szintetizálódik. A legtöbb sejt további reakciók során „visszafizeti” az elhasznált NAD⁺-ot etanol vagy laktát termelése mellett. Egyes baktériumok szervetlen vegyületeket használnak hidrogén akceptorként a NAD⁺ regenerálásához.

Aerob légzést végző sejtek sokkal több ATP-t szintetizálnak, de már nem a glükolízis részeként, hanem további areob reakciókban, melyek a glükolízis során megtermelt piruvátot és NADH + H⁺-t használják. Az eukarióta areob respiráció során további 34 molekula ATP termelődik minden egyes lebontott glükózmolekula után, de ezek többsége a glükolízis szubsztrát-szintű foszforilációjától teljesen eltérő módon szintetizálódik.

Mivel az egy lebontott glükózmolekulára eső energiatermelés sokkal alacsonyabb az anaerob légzés, mint az aerob légzés esetében, hipoxiás körülmények között sokkal intenzívebb a glükolízis, egészen addig, amíg valamilyen más, anaerob módon oxidálható szubsztrát (pl. zsírsavak) rendelkezésre nem áll.

[szerkesztés] A glükolízis reakciói

[szerkesztés] A glükolízis első szakasza

Az első öt lépést előkészítő (vagy befektetési) szakasznak is szokták nevezni, mivel energiát használ fel ahhoz, hogy a hatszénatomos glükózt két háromszénatomos trióz-foszfáttá (glicerinaldehid-3-foszfát) alakítsa át.

A glükolízis első reakciója a glükóz foszforilációja glükóz-6-foszfáttá (G6P) a hexokináz enzimcsaládba tartozó enzimek közreműködésével. Ez a reakció ATP-t fogyaszt, és elsősorban az a szerepe, hogy alacsonyan tartsa a glükózkoncentrációt, ami elősegíti a glükóz folyamatos beáramlását a sejtbe a plazmamembrán-transzportereken keresztül. Ugyanakkor meggátolja a glükóz-kiáramlást, mivel a plazmamembránban nincsenek glükóz-6-foszfát-transzporterek. A glükóz az intracelluláris keményítő vagy glikogén lebontásából eredhet. Az állati szervezetekben a hexokináz egyik izoenzime, a glükokináz is szerephez jut a májban. Ennek az enzimnek sokkal kisebb a glükóz iránti affinitása (Km-je a normoglikémia környékén van) és regulációjában is különbözik. Ezek az eltérések a máj normoglikémiát fenntartó szerepére világítanak rá. Kofaktor: Mg2+

D-glükóz (Glc) hexokináz (HK) enzimosztály: transzferáz α-D-glükóz-6-foszfát (G6P)   ATP ADP

Ezután a G6P izomerizációja történik fruktóz-6-foszfáttá (F6P) a foszfoglükóz izomeráz enzim segítségével. A fruktóz - foszforilációt követően - ezen a ponton léphet be a glükolitikus reakciósorba. A szerkezetváltozás redox-reakcióval jön létre: az aldehid-csoport alkohollá redukálódik, míg a szomszédos szénatom hidroxil-csoportja ketonná oxidálódik. Ez a reakció normál körülmények között nem preferált, de a (glükolízis következő reakciója által) folyamatosan alacsonyan tartott fruktóz-6-foszfát-szint mégis fenntartja. Magas fruktóz-6-foszfát-koncentráció esetén ez a reakció azonnal a visszájára fordul.

α-D-glükóz-6-foszfát (G6P) foszfoglükóz izomeráz enzimosztály: izomeráz β-D-fruktóz-6-foszfát (F6P)

Egy újabb ATP felhasználását ebben a lépésben két dolog is indokolja: A glükolitikus folyamat innentől fogva irreverzibilis és az újabb foszfát-csoport bevitele jelentette többletenergia destabilizálja a cukormolekulát. Mivel a foszfofruktokináz I enzim által katalizált reakció nagyon kedvező, a lépés gyakorlatilag irreverzibilis, ezért a glükoneogenezis során egy eltérő reakcióutat kell használni az ellenkező irányú lépés végrehajtásához. Ez egyúttal a reguláció kulcspontjává is teszi ezt a lépést (lásd lejjebb). [Koplalás során a fruktóz-2,6-biszfoszfát (a PFK-1 allosztérikus aktivátora) koncentrációja alacsony, ezért a PFK-1 aktivitása is csökkent, ennek következtében fokozódik a glükoneogenezis]. Kofaktor: Mg2+

β-D-fruktóz-6-foszfát (F6P) foszfofruktokináz I (PFK-1) enzimosztály: transzferáz β-D-fruktóz-1,6-biszfoszfát (F1,6BP)   ATP ADP

Az előző lépésben előidézett destabilizáció lehetővé teszi, hogy az aldoláz a hatszénatomos fruktóz-1,6-biszfoszfátot két háromszénatomos trióz-foszfátra, egy dihidroxi-aceton-foszfátra és egy glicerinaldehid-3-foszfátra bontsa.

β-D-fruktóz-1,6-biszfoszfát (F1,6BP) aldoláz (ALDO) enzimosztály: liáz D-glicerinaldehid-3-foszfát (GADP) dihidroxi-aceton-foszfát (DHAP) +

A triózfoszfát-izomeráz hatékonyan alakítja át egymásba a dihidroxi-aceton-foszfátot és a glicerinaldehid-3-foszfátot. Ez lehetővé teszi, hogy a dihidroxi-aceton-foszfát is ugyanazon a reakcióúton haladjon végig, mint a glicerinaldehid-3-foszfát, leegyszerűsítve ezáltal a regulációt.

dihidroxi-aceton-foszfát (DHAP) triózfoszfát-izomeráz (TPI) enzimosztály: izomeráz D-glicerinaldehid-3-foszfát (GADP)

Megjegyzés - Az utolsó lépést a pirofoszfát-dependens foszfofruktokináz (PFP vagy PPi-PFK) is katalizálhatja. Ez az enzim ugyanazt a reakciót katalizálja, mint a PFK1 (másnéven ATP-PFK), de ATP helyett pirofoszfátot (PPi) használ foszfátdonorként. Ez a reakció reverzibilis, megnövelve ezáltal a glükolitikus metabolizmus rugalmasságát. Ez az enzim állati (és emberi) szervezetekben nem, csak növényi, baktérium- és archaeasejtekben.