Glykolýza je proces, ktorý prebieha v cytoplazme buniek a tie z neho získavajú určité množstvo energie. Výsledným produktom je pyruvát. Z neho vznikajú ďalšie látky, medzi nimi aj oxalacetát, ktorý vstupuje do citrátového cyklu a podieľa sa na vzniku ďalšej energie pre bunku.
Význam glykolýzy teda spočíta v tvorbe energie a ďalších využiteľných látok. Prebiehať môže v dvoch rôznych podmienkach – pri prísune kyslíka, alebo pri jeho nedostatku. Podľa toho rozlišujeme aeróbnu a anaeróbnu glykolýzu.
Celý proces začína príchodom glukózy do bunky. Tá je v priebehu niekoľkých reakcií premenená na fruktóza-1,6-bisfosfát. V tejto fáze je nutné dodať energiu vo forme ATP.
V druhej fáze sa pôvodná šesťuhlíkatá molekula štiepi na trojuhlíkaté látky, ktoré vstupujú do záverečných reakcií.
Keď sa glykolýza dostane do poslednej fáze, produkujú sa zlúčeniny uchovávajúce energiu. Tá sa využije na tvorbu ATP.
Takmer všetky reakcie tejto metabolickej dráhy sú vratné a keď prebiehajú v opačnom smere, ide o glukoneogenézu – tvorbu glukózy de novo. Výnimkou sú tri nevratné reakcie, ktoré sú miestom regulácie glykolýzy.
Fosforylácia glukózy
Glukóza vstupuje do bunky a okamžite je fosforylovaná, t.j. naväzuje sa na ňu fosfát. Ten získa z ATP, takže táto reakcia potrebuje dodať energiu a je nevratná. Vzniká glukóza-6-fosfát. Enzýmom je hexokináza (kinázy všeobecne sú enzýmy katalyzujúce fosforyláciu), ktorá fosforyluje aj iné hexózy (šesťuhlíkaté zlúčeniny). V prípade, keď do bunky prichádza väčšie množstvo glukózy a hexokináza ju už nestačí spracovať, zapája sa glukokináza. Na rozdiel od hexokinázy je tento enzým určený špecificky pre glukózu a funkčný je až pri jej vysokých koncentráciách.
Glukóza-6-fosfát môže vzniknúť aj inak
Alternatívnou cestou je vznik z glykogénu. Jeho štiepením (fosforolýza, štiepenie anorganickým fosfátom) vzniká bez spotreby energie glukóza-1-fosfát, ktorý je izomerizovaný na glukóza-6-fosfát. Enzýmom je mutáza. V tomto prípade bude výťažok energie vyšší, pretože glykolýza „preskočí“ úvodnú reakciu – fosforyláciu glukózy.
Izomerizácia glukóza-6-fosfátu
Druhá reakcia je vratná, katalyzovaná fosfoglukoizomerázou. Glukóza-6-fosfát je premieňaný na fruktóza-6-fosfát.
Všimni si
V predchádzajúcej reakcii bola spomenutá mutáza, tu je izomeráza. V čom je rozdiel? Obidva enzýmy patria do skupiny izomeráz. Mutázy však prenášajú funkčnú skupinu len v rámci molekuly – z jedného miesta na iné.
Fosforylácia fruktóza-6-fosfátu
Táto reakcia je ďalšou, v ktorej je potrebné energiu dodať. Fruktóza-6-fosfát reaguje s ATP a vzniká fruktóza-1,6-bisfosfát. Reakcia je nevratná a najpomalšia v rámci celej glykolýzy – určuje rýchlosť glykolýzy. To znamená, že reakcia prebieha pri maximálnej rýchlosti. Pridať substrát nám nepomôže, aby sme priebeh zrýchlili, jedinou možnosťou je pridať enzým. Tým je v tomto prípade fosfofruktokináza.
Fosfofruktokináza je citlivá na viacero vplyvov, podľa ktorých glykolýza buď prebieha, alebo nie. Rýchlo pôsobia ATP a citrát, ktoré glykolýzu inhibujú (bunka má dosť energie, nemusí sa získavať z glykolýzy), naopak AMP ju aktivuje.
Prečo práve citrát?
Keď máme málo energie, jej najväčším zdrojom je β-oxidácia mastných kyselín. Pri tomto deji vzniká acetyl-CoA – pretože ho je dostatok, inhibuje sa premena pyruvátu (ako výsledného produktu glykolýzy) na acetyl-CoA. Namiesto toho vzniká z pyruvátu oxalacetát a spolu s acetyl-CoA vstupuje do citrátového cyklu. Tam dochádza k akumulácii citrátu, v dôsledku čoho začne prestupovať z mitochondrie do cytoplazmy a blokuje fosfofruktokinázu. Vydáva signál, že mitochondrie majú dostatok substrátov na tvorbu energie.
Z dlhodobejšieho hľadiska je významné pôsobenie hormónov. Po jedle sa uvoľňuje inzulín, ktorý indukuje syntézu fosfofruktokinázy a tá je tak aktívnejšia – pridali sme enzým, reakcia bude prebiehať rýchlejšie. Glukagón, ktorý prevláda počas hladovania, má opačný účinok – zastavuje glykolýzu a podporuje opačnú dráhu, tvorbu glukózy, aby sa udržala jej konštantná hladina v krvi.
Glykolýza – z vysokej školy
Dôležitou látkou podieľajúcou sa na regulácii je aj fruktóza-2,6.bisfosfát. Vzniká v bunkách pečene a slúži výlučne ako regulátor. Glykolýzu stimuluje a glukoneogenézu inhibuje. Tvorbu tejto zlúčeniny ovplyvňujú hormóny. Zatiaľ čo inzulín množstvo fruktóza-2,6-bisfosfátu zvyšuje, glukagon s adrenalínom pôsobia opačne.
Štiepenie hexózy
Fruktóza-1,6-bisfosfát má šesť uhlíkov. V tejto reakcii sa pôsobením enzýmu aldoláza štiepi na dve trojuhlíkaté zlúčeniny (triózy) – dihydroxyacetónfosfát a glyceraldehyd-3-fosfát. Reakcia je vratná, kondenzáciou týchto produktov môže spätne vznikať fruktóza-1,6-bisfosfát.
Rovnováha medzi triózami
Produkty, ktoré vznikli v tejto reakcii, sú v rovnováhe a dokážu sa na seba premieňať pomocou triosofosfátizomerázy. To je dôležité, pretože ďalších reakcií glykolýzy sa zúčastňuje iba glyceraldehyd-3-fosfát. Priebežne je tak dopĺňaný z dihydroxyacetónfosfátu.
Obr.č.5 – Rovnováha medzi triózami
Glyceraldehyd-3-fosfát oxidujeme a fosforylujeme
Aby mohla reakcia prebehnúť, potrebujeme kofaktor NAD+ a anorganický fosfát (na fosforyláciu v tomto prípade nevyužívame ATP). Z glyceraldehyd-3-fosfátu vzniká 1,3-bisfosfoglycerát. Enzýmom je glyceraldehyd-3-P dehydrogenáza. V priebehu dehydrogenácie (oxidácie) sa na prvom uhlíku mení aldehydová skupina na karboxylovú.
NADH+H+, ktoré v reakcii vzniká, je za normálnych podmienok (dostatočný prísun kyslíka) spätne oxidované v dýchacom reťazci. Pri anaeróbnych podmienkach reaguje s pyruvátom, pri čom vzniká laktát (napr. v pracujúcom svale).
Anorganický fosfát sa naväzuje na karboxylovú skupinu anhydridovou väzbou.
Glykolýza je dráha, kde vzniká energia
Z 1,3-bisfosfoglycerátu vzniká 3-fosfoglycerát. Je to prvá reakcia glykolýzy, v ktorej vzniká energia a ukladá sa vo forme ATP. Výsledný zisk sú 2 ATP, keďže z jednej molekuly glukózy vzniknú 2 triózy. Spôsob, ktorým ATP vzniká, sa označuje substrátová fosforylácia.
Pri dodaní energie prebieha reakcia v opačnom smere, je teda vratná. Katalyzuje ju fosfoglycerátkináza, ktorá patrí do skupiny transferáz.
Čo sa deje v erytrocytoch?
V červených krvinkách prebiehajú reakcie inak. 1,3-bisfosfoglycerát sa pomocou mutázy premieňa na 2,3-bisfosfoglycerát. Z neho je hydrolyticky odštiepený anorganický fosfát, takže ATP nevzniká. Výsledným produktom je 3-fosfoglycerát.
Napriek „strate“ energie je táto reakcia pre správne fungovanie ľudského tela nevyhnutná. 2,3-bisfosfoglycerát, ktorý vzniká v priebehu reakcie, podporuje uvoľnenie kyslíka z hemoglobínu. Kyslík sa následne presúva do tkanív.
Ďalšia mutáza
3-fosfoglycerát sa v ďalšej vratnej reakcii izomerizuje na 2-fosfoglycerát. Enzým katalyzujúci reakciu je mutáza, konkrétne fosfoglycerátmutáza.
Tvorba fosfoenolpyruvátu
Z 2-fosfoglycerátu sa odštiepuje voda, čím vzniká vysokoenergetický fosfoenolpyruvát. Enzýmom je enoláza, reakcia je vratná. Keďže odoberáme vodu, jedná sa o dehydratáciu.
Glykolýza končí vznikom pyruvátu
Do poslednej reakcie glykolýzy vstupuje fosfoenolpyruvát, podstupujúci substrátovú fosforyláciu. Fosfát, ktorý sa z jeho molekuly odštepuje, reaguje s ADP a vzniká ATP. Opäť platí, že na jednu molekulu glukózy pripadajú dva fosfoenolpyruváty, takže 2 ATP. Produktom je okrem ATP aj pyruvát.
Enzým katalyzujúci túto nevratnú reakciu je pyruvátkináza. Názov je teda odvodený od reakcie prebiehajúcej v opačnom smere – napriek tomu, že tak reakcia prebiehať nemôže.
Keďže je reakcia nevratná, môžeme ju regulovať. Aktivovaná je prítomnosťou fruktóza-1,6-bisfosfátu (produkt poslednej regulovanej reakcie), inhibujú ju ATP a acetyl-CoA. Jej aktivitu takisto znižuje aj glukagón.
Čo keď chýba v erytrocyte pyruvátkináza?
Nastáva situácia, kedy je glykolýza a jej priebeh narušený. Erytrocyt nezískava toľko energie, koľko potrebuje, čo má vplyv nielen na metabolizmus, ale aj na udržiavanie tvaru. Ten sa mení a v dôsledku toho je takýto erytrocyt vychytávaný a ničený v slezine. To vedie k chronickej hemolýze červených krviniek a pacient trpí anémiou.
Glykolýza skončí, ale čo sa deje s pyruvátom ďalej?
Pyruvát je v metabolizme dôležitou látkou. Môže sa v ďalších reakciách premienať na acetyl-CoA, oxalacetát, laktát, alebo alanín. Mikroorganizmy z neho dokážu vytvoriť aj etanol.
Pri anaeróbnej glykolýze sa pyruvát premieňa na laktát. Cieľom reakcie nie je tvorba laktátu, ale oxidácia kofaktorov NADH+H+, ktoré vznikajú v priebehu glykolýzy (tvorba 1,3-bisfosfoglycerátu). A keďže bunka nemá dostatok kyslíka, nemôžu sa zúčastniť dýchacieho reťazca. Touto cestou sa dostanú späť do oxidovanej formy NAD+ a sú opäť použiteľné.
Touto cestou sa pyruvát spracúva prevažne v erytrocytoch. Tie nemajú mitochondrie, takže v nich nemôže prebiehať dýchací reťazec.
Iné využitie spomenutej dráhy je v tzv. Coriho cykle. V pracujúcom svale sa odbúrava glykogén (zásoba glukózy) a vzniká glukóza. Tá podlieha glykolýze, výsledným produktom je pyruvát. Po tom, ako sa premení na laktát, môže prechádzať do krvi, ktorá ho transportuje do pečene. V nej prebiehajú reakcie opačne, z laktátu vzniká pyruvát a ten je použiteľný na tvorbu glukózy. Táto glukóza sa vylúči naspäť do krvi. Výhodou je „recyklácia“ uhlíkatého skeletu. Keby sa glukóza zmetabolizovala až na CO2, uhlíky by sa nedali opätovne použiť na stavbu glukózy.
Dekarboxyláciou pyruvátu vzniká acetyl-CoA. Prebieha v mitochondriách, je potrebných viacero kofaktorov a reakcia je nevratná. Ide však o dôležitú spojnicu medzi glykolýzou a citrátovým cyklom. Vďaka tejto reakcii je tak zaistený úplný katabolizmus glukózy a z každého acetyl-CoA sa získa 12 ATP.
Glykolýza a jej energetický zisk
Ako bolo spomenuté, na začiatku glykolýzy je nutné určité množstvo energie investovať. Spotrebujú sa spolu 2 ATP na glukózu. Produkcia ATP prebieha dvakrát, čo znamená zisk 2 ATP. Ide však o reakcie, v ktorých vystupujú triózy a tie získame z jednej glukózy dve. Takže zisk predstavuje 4 ATP, po odčítaní počiatočnej investície získame celkovo 2 ATP. Ak do glykolýzy nevstupuje glukóza, ale glukóza-1-fosfát získaná štiepením glykogénu, ušetríme 1 ATP a konečný zisk bude predstavovať 3 ATP.
Pri jednej v reakcii vzniká NADH + H+. V prípade anaeróbnej glykolýzy je energia v ňom uložená nevyužiteľná, premieňa pyruvát na laktát. Pri aeróbnej glykolýze vstúpi do dýchacieho reťazca a získame 2-3 ATP. Celkovo 4-6 ATP, keďže sa tvorí v reakcii trojuhlíkatej zlúčeniny.
Keď má bunka dostatok kyslíka, pyruvát sa premieňa na acetyl-CoA, pri čom vzniká molekula NADH + H+, čo predstavuje na glykózu zisk 2*3 = 6 ATP. Acetyl-CoA vstupuje do citrátového cyklu, v ktorom sa získa ďalších 12 ATP, t.j. na molekulu glukózy 2*12 = 24 ATP.
Celkový zisk z aeróbnej glykolýzy je 2 + (4-6) + 6 + 24 = 36-38 ATP na jednu molekulu glykózy. Zisk z anaeróbnej glykolýzy predstavuje len 2 ATP.
Zdroj:
prezentácia Metabolismus glukosy Ústavu biochémie Lekárskej fakulty Masarykovej univerzity (2017)
