Гликолиза — дефиниция, етапи и роля в клетъчното дишане

Гликолиза: ясна дефиниция, 10 етапа, ключови ензими и ролята ѝ в аеробно и анаеробно клетъчно дишане — изчерпателно за студенти и изследователи.

Гликолизата е метаболитен процес в повечето организми. Той е първият етап от клетъчното дишане. Той позволява както аеробно, така и анаеробно дишане. При гликолизата се освобождава само малко количество енергия.

Гликолизата се смята за архетип на универсален метаболитен път. Той се среща с различни варианти в почти всички организми, както аеробни, така и анаеробни. Широкото разпространение на гликолизата показва, че тя е един от най-древните познати метаболитни пътища.

Гликолизата има десет междинни съединения, които се катализират от десет различни ензима. Тук са описани само най-общите очертания.

Какво представлява гликолизата — накратко

Гликолизата е поредица от десет ензимно-катализирани реакции, при които една молекула глюкоза (6 въглерода) се разгражда до две молекули пируват (по 3 въглерода). Процесът протича в цитозола на клетката и не изисква кислород, затова е общ за аеробни и анаеробни организми. В рамките на гликолизата се извършва фосфорилиране, изомериране, разграждане и субстратно-фосфорилиране.

Етапи на гликолизата

• Фаза на инвестиция (подготовка) — първите 3–5 стъпки (в зависимост от схема) използват енергия: две молекули ATP се изразходват, за да се фосфорилира и активира глюкозата и нейните производни.
• Фаза на разделяне — шествъглеродният захар се разкъсва на две тривъглеродни молекули (например глицерол-3-фосфат / дифосфоглицератни междинни форми).
• Фаза на възвръщане и печалба — всяка от двете тривъглеродни молекули се окислява и фосфорилира, което води до образуване на ATP и NADH; в крайна сметка се образуват две молекули пируват.

Енергетичен баланс и коензими

Като краен резултат от разграждането на една молекула глюкоза чрез гликолиза се получават:

• нето 2 ATP (изразходвани са 2 ATP, произведени са 4 ATP при субстратно-фосфорилиране);
• 2 NADH (възстановени коензими, които при аеробни условия могат да предадат електрони на дихателната верига и да доведат до допълнително производство на ATP);
• 2 молекули пируват, които са ключов метаболитен възел за по-нататъшни реакции.

Съдба на пирувата

• При аеробни условия пируватът обикновено се превръща в ацетил-CoA и навлиза в цикъла на Кребс (цитратен цикъл) и след това в електронтранспортната верига, където се добива голяма част от енергията чрез окислително фосфорилиране.
• При анаеробни условия пируватът се редуцира, за да регенерира NAD+ и да позволи продължаване на гликолизата — при животни и някои бактерии това води до лактат (млячна киселина), при дрожди до етанол и CO2 (алкохолна ферментация).

Регулация — ключови ензими и сигнали

Гликолизата е здраво регулирана, за да отговаря на нуждите на клетката. Най-важните контролните точки са:

• Хексокиназа / глюкокиназа — фосфорилира глюкозата в първата стъпка; в черния дроб специфичният изоформ глюкокиназа има различни регулаторни свойства.
• Фосфофруктокиназа-1 (PFK-1) — главният регулиращ ензим; инхибира се от високи нива на ATP и цитрат, а се активира от AMP и фрукто-2,6-бисфосфат.
• Пируват киназа — каталитична стъпка в края на пътя; регулира се алостерично и чрез кинази/фосфатази в зависимост от енергийното състояние на клетката.

Освен алостеричната регулация, гликолизата се контролира и на ниво транскрипция (напр. при клетки с повишена потребност от глюкоза) и чрез хормони (инсулин/глюкагон влияят на някои ензими в тъканите).

Варианти и еволюционно значение

Има няколко варианта на разграждане на глюкозата: класическата ембед-мейерхофна парсън (EMP) гликолиза, Entner–Doudoroff път при някои бактерии и други вариации. Широкото разпространение на гликолитичните реакции и сравнително простият набор от ензими говорят, че този път е много древен и еволюционно запазен.

Клетъчна и медицинска значимост

• Гликолизата е основен източник на енергия за клетки и тъкани, които имат ограничен достъп до кислород (например мускул при интензивна работа, по-малки организми или анаеробни микроорганизми).
• При някои заболявания и тумори гликолизата е интензифицирана (т.нар. Уорбърг ефект), което има диагностични и терапевтични последици.
• Нарушения в ензимите на гликолизата могат да доведат до метаболитни болести (например дефекти в пируват киназата причиняват хемолитична анемия).

Бележки и допълнителни съображения

Въпреки че гликолизата дава сравнително малко ATP на молекула глюкоза, тя е бърз и прост начин за добив на енергия и осигурява междинни метаболити за синтези и анаболни пътища (напр. синтез на аминокиселини, нуклеотиди, мазнини). Глюконеогенезата (синтез на глюкоза) използва някои от същите ензими, но включва и специфични обходни реакции и различна регулация — тоест не е просто обратим процес на гликолизата.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява гликолизата?

В: Какъв вид дишане позволява гликолизата?

В: Колко енергия се отделя при гликолизата?

В: Какво е значението на думата "гликолиза"?

В: Кой е универсалният метаболитен път, за чийто архетип се смята гликолизата?

В: В кои организми се среща гликолизата?

В: Колко междинни съединения и ензими има гликолизата?

Търсене по буква