Ką tiria biochemija? Glikolizė yra rimtas fermentinis gliukozės skilimo procesas, vykstantis gyvūnų ir žmonių audiniuose nenaudojant deguonies. Būtent jį biochemikai laiko būdu gauti pieno rūgšties ir ATP molekulių.
Apibrėžimas
Kas yra aerobinė glikolizė? Biochemija šį procesą laiko vieninteliu gyviems organizmams būdingu procesu, kuris tiekia energiją.
Būtent tokio proceso pagalba gyvūnų ir žmonių organizmas tam tikrą laiką, esant nepakankamam deguonies kiekiui, gali atlikti tam tikras fiziologines funkcijas.
Jei gliukozės skaidymo procesas vyksta dalyvaujant deguoniui, įvyksta aerobinė glikolizė.
Kokia jo biochemija? Glikolizė laikoma pirmuoju gliukozės oksidavimo į vandenį ir anglies dioksidu proceso žingsniu.
Istorijos puslapiai
Terminą „glikolizė“Lépinas vartojo XIX amžiaus pabaigoje, siekdamas sumažinti gliukozės kiekį kraujyje, kuris buvo pašalintas iš kraujotakos sistemos. Kai kuriuose mikroorganizmuose vyksta fermentacijos procesai, panašūs į glikolizę. Tokiamtransformacijai naudojama vienuolika fermentų, kurių dauguma išskiriami homogenine, labai išgryninta arba kristaline forma, jų savybės gerai ištirtos. Šis procesas vyksta ląstelės hialoplazmoje.
Proceso specifika
Kaip vyksta glikolizė? Biochemija yra mokslas, kuriame šis procesas laikomas daugiapakope reakcija.
Pirmoji fermentinė glikolizės reakcija, fosforilinimas, yra susijusi su ortofosfato perkėlimu į gliukozę ATP molekulėmis. Fermentas heksokinazė šiame procese veikia kaip katalizatorius.
Gliukozės-6-fosfato susidarymas šiame procese paaiškinamas tuo, kad iš sistemos išsiskiria didelis kiekis energijos, tai yra, vyksta negrįžtamas cheminis procesas.
Toks fermentas kaip heksokinazė veikia kaip ne tik pačios D-gliukozės, bet ir D-manozės, D-fruktozės fosforilinimo proceso katalizatorius. Be heksokinazės, kepenyse yra dar vienas fermentas – gliukokinazė, kuri katalizuoja vienos D-gliukozės fosforilinimo procesą.
Antras etapas
Kaip šiuolaikinė biochemija paaiškina antrąjį šio proceso etapą? Glikolizė šiame etape yra gliukozės-6-fosfato perėjimas, veikiamas heksozės fosfato izomerazės, į naują medžiagą - fruktozę-6-fosfatą.
Procesas vyksta dviem priešingomis kryptimis, nereikia kofaktorių.
Trečias etapas
Jis yra susijęs su susidariusio fruktozės-6-fosfato fosforilinimu ATP molekulių pagalba. Šio proceso greitintuvas yra fermentas fosfofruktokinazė. Reakcijayra laikomas negrįžtamu, jis atsiranda esant magnio katijonams, tai laikoma lėtai vykstančia šios sąveikos stadija. Būtent ji yra pagrindas nustatyti glikolizės greitį.
Fosfofruktokinazė yra viena iš allosterinių fermentų atstovų. Jį slopina ATP molekulės, stimuliuoja AMP ir ADP. Sergant cukriniu diabetu, nevalgius, taip pat daugeliu kitų sąlygų, kai riebalai suvartojami dideliais kiekiais, citratų kiekis audinių ląstelėse padidėja kelis kartus. Tokiomis sąlygomis citratas labai slopina visavertį fosfofruktokinazės aktyvumą.
Jei ATP ir ADP santykis pasiekia reikšmingas vertes, fosfofruktokinazė slopinama, o tai padeda sulėtinti glikolizę.
Kaip padidinti glikolizę? Biochemija tam siūlo sumažinti intensyvumo koeficientą. Pavyzdžiui, neveikiančiame raumenyje fosfofruktokinazės aktyvumas yra mažas, tačiau ATP koncentracija didėja.
Kai raumuo dirba, labai sunaudojama ATP, dėl kurios padidėja fermento lygis ir pagreitėja glikolizės procesas.
Ketvirtasis etapas
Fermentas aldolazė yra šios glikolizės dalies katalizatorius. Jo dėka įvyksta grįžtamasis medžiagos padalijimas į dvi fosfotriozes. Atsižvelgiant į temperatūros reikšmę, pusiausvyra nustatoma skirtingais lygiais.
Kaip biochemija paaiškina, kas vyksta? Glikolizė didėjant temperatūrai vyksta tiesioginės reakcijos, produkto, kryptimikuris yra gliceraldehido-3-fosfatas ir dihidroksiacetono fosfatas.
Kiti etapai
Penktasis etapas yra triozės fosfatų izomerizacijos procesas. Proceso katalizatorius yra fermentas triozės fosfato izomerazė.
Šeštoje reakcijoje santraukoje aprašoma 1,3-difosforglicerino rūgšties gamyba, kai vandenilio akceptorius yra NAD fosfatas. Būtent šis neorganinis agentas pašalina vandenilį iš gliceraldehido. Susidaręs ryšys yra trapus, tačiau jame gausu energijos, o suskaidžius gaunama 1,3-difosfoglicerino rūgštis.
Septintasis etapas, katalizuojamas fosfogliceratkinazės, apima energijos perkėlimą iš fosfato liekanos į ADP, kad susidarytų 3-fosfoglicerino rūgštis ir ATP.
Aštuntoje reakcijoje vyksta intramolekulinis fosfatų grupės perkėlimas, o 3-fosfoglicerino rūgštis virsta 2-fosfogliceratu. Procesas yra grįžtamasis, todėl jam įgyvendinti naudojami magnio katijonai.
2,3-difosfoglicerino rūgštis šiame etape veikia kaip fermento kofaktorius.
Devintoji reakcija apima 2-fosfoglicerino rūgšties perėjimą į fosfoenolpiruvatą. Enolazės fermentas, kurį aktyvuoja magnio katijonai, veikia kaip šio proceso greitintuvas, o fluoridas šiuo atveju veikia kaip inhibitorius.
Dešimtoji reakcija vyksta nutrūkus ryšiui ir fosfato liekanos energijai perkeliant į ADP iš fosfenolpiruvinės rūgšties.
Vienuoliktasis etapas yra susijęs su piruvo rūgšties mažinimu, pieno rūgšties gavimu. Šiam konversijai reikalingas fermento laktato dehidrogenazės dalyvavimas.
Kaip galima bendrai užrašyti glikolizę? Reakcijos, kurių biochemija buvo aptarta aukščiau, redukuojama iki glikolitinės oksidoredukcijos, kurią lydi ATP molekulių susidarymas.
Apdorojimo vertė
Pažiūrėjome, kaip biochemija apibūdina glikolizę (reakcijas). Šio proceso biologinė reikšmė – gauti fosfatų junginius, turinčius didelį energijos rezervą. Jei pirmajame etape išnaudojamos dvi ATP molekulės, tada etapas yra susijęs su keturių šio junginio molekulių susidarymu.
Kokia jo biochemija? Glikolizė ir gliukoneogenezė efektyviai naudoja energiją: 2 ATP molekulės sudaro 1 gliukozės molekulę. Energijos pokytis susidarant dviem rūgšties molekulėms iš gliukozės yra 210 kJ/mol. 126 kJ palieka šilumos pavidalu, 84 kJ susikaupia ATP fosfatiniuose ryšiuose. Galinės jungties energinė vertė yra 42 kJ/mol. Biochemija atlieka panašius skaičiavimus. Aerobinės ir anaerobinės glikolizės efektyvumas yra 0,4.
Įdomūs faktai
Dėl daugybės eksperimentų buvo galima nustatyti tikslias kiekvienos glikolizės reakcijos, vykstančios nepažeistuose žmogaus eritrocituose, vertes. Aštuonios glikolizės reakcijos yra artimos termodinaminei pusiausvyrai, trys procesai yra susiję su reikšmingu laisvosios energijos kiekio sumažėjimu ir yra laikomi negrįžtamomis.
Kas yra gliukoneogenezė? Proceso biochemija susideda iš angliavandenių skilimo, kuris vykstakeli etapai. Kiekvieną žingsnį kontroliuoja fermentai. Pavyzdžiui, audiniuose, kuriems būdingas aerobinis metabolizmas (širdies, inkstų audiniai), jį reguliuoja izofermentai LDH1 ir LDH2. Juos slopina nedideli piruvato kiekiai, dėl to pieno rūgšties sintezė neleidžiama, o trikarboksirūgšties cikle pasiekiama visiška acetil-CoA oksidacija.
Kas dar būdinga anaerobinei glikolizei? Pavyzdžiui, biochemija apima kitų angliavandenių įtraukimą į procesą.
Laboratorinių tyrimų metu buvo nustatyta, kad apie 80 % fruktozės, kuri patenka į žmogaus organizmą su maistu, metabolizuojama kepenyse. Čia vyksta jo fosforilinimo į fruktozę-6-fosfatą procesas, fermentas heksokinazė veikia kaip šio proceso katalizatorius.
Šį procesą slopina gliukozė. Gautas junginys paverčiamas gliukoze keliais etapais, kartu pašalinant fosforo rūgštį. Be to, galimi vėlesni jo virsmai kitais fosforo turinčiais organiniais junginiais.
Veikiant ATP ir fosfofruktokinazei, fruktozė-6-fosfatas virsta fruktoze-1,6-difosfatu.
Tada ši medžiaga metabolizuojama glikolizei būdingais etapais. Raumenyse ir kepenyse yra ketoheksokinazės, kuri gali pagreitinti fruktozės fosforilinimo procesą į jos fosforo turintį junginį. Proceso neblokuoja gliukozė, o susidaręs fruktozė-1-fosfatas, veikiamas ketozės-1-fosfato aldolazės, skyla į gliceraldehidą ir dihidroksiacetono fosfatą. D-gliceraldehidas pagalveikiamas triozokinazės, jis patenka į fosforilinimą, galiausiai išsiskiria ATP molekulės ir gaunamas dihidroksiacetono fosfatas.
Įgimtos anomalijos
Biochemikai sugebėjo nustatyti kai kurias įgimtas anomalijas, susijusias su fruktozės metabolizmu. Šis reiškinys (esminė fruktozurija) yra susijęs su biologiniu fermento ketoheksokinazės kiekio organizme trūkumu, todėl gliukozė slopina visus šio angliavandenių skilimo procesus. Šio pažeidimo pasekmė – fruktozės kaupimasis kraujyje. Fruktozės inkstų slenkstis yra žemas, todėl fruktozurija gali būti aptikta, kai angliavandenių koncentracija kraujyje yra apie 0,73 mmol/l.
Dalyvavimas galaktozės biosintezėje
Galaktozė į organizmą patenka su maistu, kuri virškinamajame trakte suskaidoma į gliukozę ir galaktozę. Pirma, šis angliavandenis paverčiamas galaktozė-1-fosfatu, procesą katalizuoja galaktokinazė. Tada fosforo turintis junginys paverčiamas gliukozės-1-fosfatu. Šiame etape taip pat susidaro uridino difosfogalaktozė ir UDP-gliukozė. Tolesni proceso etapai vyksta pagal schemą, panašią į gliukozės skaidymą.
Be šio galaktozės metabolizmo būdo, galima ir antra schema. Pirma, taip pat susidaro galaktozės-1-fosfatas, bet tolesni veiksmai yra susiję su UTP molekulių ir gliukozės-1-fosfato susidarymu.
Tarp daugelio patologinių būklių, susijusių su angliavandenių apykaita, galaktozemija užima ypatingą vietą. Šis reiškinys yra susijęs su recesyviai paveldima liga, sukurioje dėl galaktozės pakyla cukraus kiekis kraujyje ir siekia 16,6 mmol/l. Tuo pačiu metu gliukozės kiekis kraujyje praktiškai nesikeičia. Be galaktozės, tokiais atvejais kraujyje kaupiasi ir galaktozė-1-fosfatas. Vaikai, kuriems diagnozuota galaktozemija, turi protinį atsilikimą ir kataraktą.
Sumažėjus angliavandenių apykaitos sutrikimų augimui, priežastis yra galaktozės skilimas antruoju keliu. Dėl to, kad biochemikams pavyko išsiaiškinti vykstančio proceso esmę, tapo įmanoma spręsti problemas, susijusias su nepilnu gliukozės skilimu organizme.
