A glikolízis (Embden-Meyerhof-Parnas út)

A glikolízis – hexóz-difoszfát-, vagy felfedezőinek tiszteletére Embden–Meyerhof–Parnas (EMP) útnak nevezett reakciósor - az „egyetemes” anyagcsere folyamatok egyike. A legősibb anyagcsere utak közé tartozik. Erre utal, hogy pro- és eukarióta szervezetekben egyaránt megtalálható, valamint hogy anaerob és aerob feltételek mellett is működőképes. Koenzimigénye minimális, energiatermelése pedig szubsztrát szintű foszforilációval történik.

A glikolízis folyamatát, aminek során egy molekula glükózból 2 piroszőlősav képződik, az alábbiak szerint összesíthetjük.

glükóz + 2 ATP + 2 P_i+ 2 NAD⁺→ 2 piruvát + 4 ATP + 2 NAD + H⁺

A reakciósor több szakaszra bontható: egy energia befektetést igénylő bevezető, egy oxido-redukciós és egy energiatermelő szakaszra. (7.2/13. ábra)

I. szakasz

Az első, energiaigényes előkészítő szakaszban történik a hexózok aktiválása, aminek eredményeképpen hexózfoszfátok és -biszfoszfátok jönnek létre:

1.Ennek első lépése a glükóz foszforilációja, aminek több módja lehetséges.

1/a.Anaerob és fakultatív anaerob baktériumoknál a glükóz már a membránon való átjutáskor - a foszfotranszferáz rendszer közreműködésével történő aktív transzport során - foszforilálódik. A foszfát donor ebben az esetben a foszfo-enol-piroszőlősav, ami a glikolízis egyik intermedier vegyülete.

Ez jellemzi pl. anaerob Clostridiumspp. vagy a fakultatív anaerob Escherichia coli, Salmonella typhimurium baktériumokat.

1/b.Aerob baktériumok valamint eukarióta sejtek esetén a glükóz a membránon foszforiláció nélkül is átjuthat.

Ebben az esetben a citoplazmában található szabad glükózt az ATP foszforilálja, egy hexokináz enzim és a Mg²⁺

koenzim közreműködésével.

A nagy szabadenergia csökkenés (ΔG⁰¹= -20,9 kJ/mol) miatt ez a reakció irreverzibilis.

2.A következő, a glulóz-6-foszfát fruktóz-6-foszfáttá való átalakulása, a kis szabadenergia változásnak (ΔG⁰¹= 2,2 kJ/mol) köszönhetően már reverzibilis folyamat. A reakciót katalizáló foszfohexóz-izomeráz az aldóz - ketóz egyensúly mellett a gyűrűs forma nyitását és zárását is katalizálja.

3.A harmadik lépés, egy ATP terhére történő foszforilációval, a fruktóz-1,6-biszfoszfát képződése.

A reakció és egyben a glikolízis kulcsenzime a froszfofruktokináz, aminek fontos szerepe van a glükóz anyagcsere szabályozásban. Aktivitását több tényező az is befolyásolja. Ilyen pl. ATP – ADP arány. Az ATP ugyanis nemcsak szubsztrátja, hanem alloszterikus inhibitora is a fruktokináznak, és így inkább szénhidrát megtartó szerepe van,

míg az ADP serkenti a működését, azaz a glikolízis irányába tolja el a folyamatot. Az ATP-hez hasonlóan a szénhidrátlebontás egyes intermedier vegyületei (mint pl. glicerinsav-foszfátok, PEP) is alloszterikusan gátolják az foszfofruktokináz működését.

4.A hat szénatomos fruktóz–1,6-biszfoszfátot aztán az aldoláz enzim a 3. és 4. szénatomok közti

kötésnél két triózfoszfáttá hasítja. A reakció a ΔG^0′= -22,8 kJ/mol szabadenergia változás ellenére reverzibilis. A folyamat mégis inkább a három szénatomos molekulák képződésének irányába tolódik el, mivel a triózfoszfátok azonnal tovább alakulnak.

5.Az aldoláz hatására keletkező dihidroxiaceton-foszfát és glicerinaldehid-3-foszfát között egyensúlyi állapot áll fenn, és energia befektetés nélkül egymásba alakulhatnak. A két trióz közti átrendeződési folyamatot, egy telítetlen diol intermedieren keresztül, a triózfoszfát-izomeráz katalizálja.

És ezzel lezárult a glikolízis bevezető, előkészítő szakasza, ami utat nyit az oxidoredukciós és az energiatermelő folyamatoknak.

II. szakasz

6.A következő lépések a glicerinaldehid-3-foszfátból indulnak ki, ami egy dehidrogenáz enzim és a NAD⁺-koenzim közreműködésével glicerinsav-foszfáttá oxidálódik, miközben triózonként egy NAD⁺ redukálódik. Az aldehid csoport karbonsavvá történő oxidációja során a hidrogénelvonás nagy energia felszabadulással jár. Ez pedig egy anorganikus foszfát belépésével nagy energiájú kötés szintézisére használható.

Ebben a folyamatban a glicerinaldehid-3-foszfát a dehidrogenáz aktív központjában lévő cisztein oldallánccal előbb egy tiofélacetál, majd egy nagyenergiájú acil-tioészter intermediert képez. Ez aztán egy molekula anorganikus foszfát belépésével alakul át glicerinsav-1,3-biszfoszfáttá.

III. szakasz

7. A következő lépésben a glicerinsav-1,3-biszfoszfátból glicerinsav-3-foszfát lesz, miközben a nagyenergiájú acilfoszfátjáról leváló foszfát csoport egy ADP-re tevődik át. A reakciót magnézium jelenlétében a foszfoglicerokináz katalizálja, és triózonként egy-egy ATP képződik.

Ezzel megtörtént az első energianyerés, amikor is az előbb beépült anorganikus foszfát egy ADP-re került. Ez a glikolízis első szubsztrát szintű foszforilációja, ami a reakciósor sztöchiometriáját tekintve, egy kiindulási glükóz molekulára számítva, 2 molekula ATP képződését jelenti.

8.A glicerinsav-3-foszfát foszfátcsoportja ezt követően – egy 2,3-biszfoszfo-glicerinsav intermedier belépésével - a 3. szénatomról (ahol a foszforsav egy alkoholos csoportot észteresít) a 2. szénatom hidroxiljára kerül át. Ezt a reakciót Mg²⁺jelenlétében a foszfoglicero-mutáz katalizálja.

9.A foszfoenolpiruvát képződéséhez is feltétlenül szükség van Mg²⁺ionra. Ebben az energianövelő lépésben a 2-foszfoglicerinsav foszfátcsoportja kis energiájú kötésből nagy energiájúba megy át.

Az enoláz enzim katalizise mellett egy víz kilépésével telítetlen kötés, a foszfát észterből pedig nagy energiájú enolfoszfát (enol~P) képződik.

10.A következőkben a foszfoenolpiruvát nagyenergiájú ~foszfát csoportja egy ADP-ből ATP-t képez, miközben enolpiroszőlősav keletkezik. És ezzel megtörténik a glikolízis második szusztrátszintű foszforilációja, ami triózonként egy, (1 kiindulási glükózra számolva pedig 2 ATP) szintézisét jelenti. Ezt a reakciót a piruvát kináz (+ Mg²⁺, K⁺) katalizálja, míg az enolpiroszőlősav, a sokkal stabilabb piroszőlősavvá már spontán, nem enzimatikus úton alakul át.

A piroszőlősav képződése a glikolízis utolsó lépése. A piroszőlősav azonban fontos elágazási pont, ahonnan a reakcióutak - a sejt anyagcsere rendszere, valamint a környezet oxigén parciális nyomásának függvényében -mind az anaerob, mind az aerob anyagcsere irányában folytatódhatnak.

Anaerob körülmények között a fermentáció irányába, amikor is a piruvát redukciója során - a glikolízis egyetlen oxidoredukciós lépésében - keletkezett NADH +H⁺visszaoxidálódik.

Aerob körülmények között pedig az oxidáció irányába. Ekkor a piroszőlősav acetil-CoA-vá alakul és, a citrát ciklusban oxidálódik. A redukált koenzimek pedig a légzési lánc közreműködésével oxidálódnak vissza.

Az Embden-Meyerhof-Parnas anyagcsereutat, a keletkezett ATP és NADH +H⁺1 molekula glükózra vonatkoztatott mennyiségét, az egyes reakciók enzimeit és a szabadenergia változás értékét (ΔG^0′) a7.2/13. ábrán foglaltuk össze (lásd még7.2/1. táblázat).

7.2/13. ábra. A glikolízis (Embden-Meyerhof-Parnas út) folyamata

7.2/1. táblázat. Az Embden-Meyerhof-Parnas út során keletkezett ATP és NADH +H⁺egy molekula glükózra vonatkoztatott mennyisége,az egyes reakciók enzimei és a szabadenergia változás értéke(ΔG^0′: ΔG a reakciónkénti szabadenergia változás kJ mértékegységben, 0 az élő rendszerre utal, 25^oC, pH=7, a ′ jel a standard

körülményeket jelzi, 1 mólos koncentrációt, 1 atm. nyomást)

ΔG0′ (kJ/mol)

A glikolízis folyamata, aminek során egy molekula glükózból két piroszőlősav képződik, a sejt alapvető szükségleteit biztosítja: 1 NADH +H⁺alakjában redukáló képességet, triózfoszfát intermediereket, valamint 2 ATP-t, amiben a cukorfoszfátok átalakulása során keletkezett energia konzerválódott.

A sejtnek azonban még szüksége lehet négy-, öt- és hét-szénatomos intermedierekre, valamint további reduktív kapacitásra, amit más, hasonlóképpen a glükóz-6-foszfátból kiinduló alternatív anyagcsere utak biztosítanak. Ilyen például a pentóz-foszfát- vagy az Entner-Doudoroff-út.

Azt sem szabad elfelejteni, hogy számos baktériumban nem működik az Embden-Meyerhof-Parnas-út, s ezekben különös fontossága van egy, a glükóztól piroszőlősavig vezető alternatív útnak.

7.2.1.3. Pentóz-foszfát-út

A pentóz-foszfát útnak, – más néven hexóz-monofoszfát-söntnek - nevezett reakciósor aerob és fakultatív anaerob baktériumokban egyaránt megtalálható.

Működése esszenciális, mivel számos létfontosságú vegyület képződését teszi lehetővé.

A glükóz-6-foszfátból kiinduló, - és három-, négy-, öt-, hat- és hét-szénatomos cukorfoszfátokon keresztül zajló - folyamat összevont reakcióegyenlete a következő:

3 glükóz-6-foszfát + 6 NADP⁺→ 6 NAD(P)H +H⁺+ 3 CO₂+ glicerinaldehid 3-foszfát vagy

3 glükóz-6-foszfát + 12 NADP⁺→ 12 NAD(P)H +H⁺+ 6 CO₂+ 5 glükóz-6-foszfát

A fenti egyenletből jól látszik, hogy a teljessé vált ciklus NADPH +H⁺-t és glicerinaldehid-3-foszfátot állít elő.

Tehát a különböző szénatom számú intermediereken túlmenően, a pentóz-foszfát út fő funkciója NADPH +H⁺ előállítása a sejtben folyó reduktív bioszintetikus folyamatok (pl. zsírsavszintézis) számára (7.2/14. ábra).

Másrészt az itt keletkező glicerinaldehid-3-foszfát – a glikolízis első szabályozási pontjait elkerülve – kapcsolódhat be az Embden-Meyerhof-Parnas-útba, és ezzel annak folyamatosságát biztosíthatja, vagy éppen a glükoneogenezis irányába futva ismét glükóz-6-foszfáttá alakulhat.

De nézzük, hogyan is zajlik a pentóz-foszfát út. A reakciósor két részre, egy oxidatív és egy nem oxidatív szakaszra bontható.