Glikolízis

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

• ATP termelése (anaerob metabolizmus)
• Piruváttermelés a citrátciklus számára, illetve NADH termelése (aerob légzés)
• Hat, három szénatomos és piroszőlősav köztitermékek termelése más anyagcsere-folyamatok (például aminosav-szintézis) céljaira.

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

A glikolízis 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 glikolízis igen ősi folyamat, az első prokariótákban jelent meg 3,5 milliárd éve vagy még annál is régebben.

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

A glikolízis két szakaszra bontható:

1. Befektetési szakasz: ATP-fogyasztó
2. Termelő szakasz: a fogyasztottnál több ATP keletkezik

A glikolízis felfedezése

A glikolitikus 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 Fritz Meyerhof és később Luis Leloir munkássága eredményeként. A glikolízis részleteinek feltárását leginkább az nehezítette meg, hogy az átmeneti termékeknek nagyon rövid volt az élettartama, és nagyon alacsony volt a nyugalmi koncentrációja.

Áttekintés

A glikolízis nettó egyenlete:

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

A látszólag hiányzó egyensúlyt a P_i csoportok állítják helyre:

• Mindegyik hidrogénfoszfátként (HPO2−4) van jelen, melyek disszociációja összesen 2 protont ad.
• Mindegyikük lead egy oxigénatomot, ezzel két oxigénatomot adva. A töltésegyensúlyt az ADP és az ATP közti töltéskülönbség tartja fenn: míg az ADP 3 negatív töltéssel rendelkezik, az ATP 4-gyel.

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 glikolízis részeként, hanem további aerob reakciókban, melyek a glikolízis során megtermelt piruvátot és NADH H -t használják. Az eukarióta aerob respiráció során a glikolízisben közvetlenül és közvetve (NADH-kból) termelődő ATP-ken kívül további 25 (tehát összesen 30-32) molekula ATP termelődik minden egyes lebontott glükózmolekula után, de ezek többsége a glikolízis szubsztrátszintű 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 glikolízis, egészen addig, amíg valamilyen más, anaerob módon oxidálható szubsztrát (például zsírsavak) rendelkezésre nem áll.

A glikolízis reakciói

A glikolízis első szakasza

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

A glikolízis 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 (vagyis hexokináz IV) 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 foszfohexóz izomeráz enzim segítségével. A fruktóz – foszforilációt követően – ezen a ponton léphet be a glükolitikus reakciósorba. A szerkezetváltozás redoxireakcióval jön létre: az aldehidcsoport alkohollá redukálódik, míg a szomszédos szénatom hidroxilcsoportja ketonná oxidálódik. Ez a reakció normál körülmények között nem preferált, de a (glikolízis 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) {{{forward_enzyme}}} β-D-fruktóz-6-foszfát (F6P)   {{{minor_forward_substrate(s)}}} {{{minor_forward_product(s)}}}

Egy újabb ATP felhasználását ebben a lépésben két dolog is indokolja: A glikolitikus folyamat innentől fogva irreverzibilis és az újabb foszfátcsoport 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 glukoneogenezis]. Kofaktor: Mg2

β-D-fruktóz-6-foszfát (F6P) {{{forward_enzyme}}} β-D-fruktóz-1,6-biszfoszfát (F1,6BP)   {{{minor_forward_substrate(s)}}} {{{minor_forward_product(s)}}}

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

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

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

dihidroxiaceton-foszfát (DHAP) {{{forward_enzyme}}} D-glicerinaldehid-3-foszfát (GADP)   {{{minor_forward_substrate(s)}}} {{{minor_forward_product(s)}}}

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

A glikolízis második szakasza

A második, kifizetődő (pay-off) szakasz szintén öt lépésből áll, ezalatt a keletkezett glicerinaldehid-3-foszfát piruváttá alakul át. Egy glicerinaldehid-3-foszfát átalakulása alatt kettő ATP keletkezik.

(Összegezve 1 db glükóz-foszfátból 2db ATP molekula felhasználásával 2 db piruvát molekula keletkezik, amelyek egyenként 2, összesen tehát 4 db ATP molekulát adnak, amikor glicerinaldehid-foszfátból létrejönnek. Mivel a glükóznak a fruktóz-biszfoszfáttá alakítása 2 db ATP molekulát vett igénybe, kívülről nézve a glikolízis összesen 4-2=2 ATP molekulát termelt.)

1. Az első lépésben a glicerinaldehid-3-foszfát 1,3-biszfoszfogliceráttá alakul át egy anorganikus foszfát beépülésével és az aldehidcsoport oxidálásával. Ezt a reverzibilis folyamatot a glicerinaldehid-3-foszfát-dehidrogenáz katalizálja.
2. A következő lépésben szubsztrátszintű foszforiláció történik: a magas csoportátviteli potenciálú foszfátcsoportot a foszfoglicerát-kináz enzim átviszi az ADP-re, így az 1,3-biszfoszfoglicerátból 3-foszfoglicerát keletkezett. Standard körülmények között a reakció exergonikus, ám a koncentrációviszonyoktól függően a folyamat visszafele is lejátszódhat.
3. Ezután a 3-foszfoglicerát 2-foszfogliceráttá alakul, a reakciót a foszfoglicerát-mutáz katalizálja.
4. Enoláz enzim segítségével a 2-foszfoglicerátból foszfoenolpiruvát (PEP) lesz, a reakció során vízkilépés történik.
5. A foszfoenolpiruváz az 1,3-biszfoszfgliceráthoz hasonlóan magas csoportátviteli potenciállal rendelkezik, így a glikolízis utolsó lépésében is szubsztrátszintű foszforiláció történik. A reakcióban a piruvát-kináz játszik szerepet, és a glikolízis harmadik, egyben utolsó irreverzibilis reakcióját alkotja.

A 3. lépést katalizálhatja a pirofoszfát-dependens foszfofruktokináz (PFP vagy PP_i-PFK). Ez ugyanazt a reakciót katalizálja, mint a PFK1 (más néven ATP-PFK), de foszfátdonorja pirofoszfát (PP_i), nem ATP. E reakció reverzibilis, növelve a glikolízis rugalmasságát. Ez az enzim nem található meg állatokban, de a legtöbb növényben, egyes eukarióta egysejtűekben, baktériumokban és archeákban igen. Egy ritkább ADP-dependens PFK (ADP-PFK) megtalálható egyes archeákban.

A glikolízis regulációja

A glikolízis szabályozása a három irreverzibilis reakciót katalizáló enzim szabályozásán keresztül történik.

1. Az első szabályozható pont a glükóz -> glükóz-6-foszfát átalakulás. A reakciót katalizáló hexokináz allosztérikus gátlója a reakció végterméke, vagyis a glükóz-6-foszfát.
2. A második szabályozási lehetőség a foszfofruktokináz I regulációja. Az enzimet allosztérikusan aktiválja a megnövekedett AMP szint, amely a sejt alacsony energiatöltöttségét jelenti, illetve a fruktóz-2,6-biszfoszfát. Allosztérikusan gátol a magas ATP-, citrát- és H -szint. A folyamat hormonálisan is szabályozható: az inzulin aktiválja, míg a glukagon gátolja az enzim működését. Mindkét enzim a fruktóz-2,6-biszfoszfát mennyiségének a megváltoztatásával fejti ki a hatását.
3. Az utolsó regulációs pont a glikolízis utolsó reakciója, amelyet a piruvát-kináz katalizál. Allosztérikusan aktivál a fruktóz-1,6-biszfoszfát (feed-forward mechanizmus), hogy ne halmozódjanak fel a köztitermékek. Allosztérikusan gátol az ATP, alanin és az acetil-koenzim-A.

Források

• Ádám Veronika (szerk.): Orvosi biokémia (Semmelweis Kiadó, 2016) ISBN 9789633314005