Mida biokeemia uurib? Glükolüüs on tõsine ensümaatiline glükoosi lagunemise protsess, mis toimub loomade ja inimeste kudedes ilma hapnikku kasutamata. Biokeemikud peavad teda piimhappe- ja ATP-molekulide saamise viisiks.
Definitsioon
Mis on aeroobne glükolüüs? Biokeemia peab seda protsessi ainsaks elusorganismidele iseloomulikuks protsessiks, mis varustab energiat.
Just sellise protsessi abil suudab loomade ja inimeste organism ebapiisava hapnikusisalduse tingimustes teatud aja jooksul teatud füsioloogilisi funktsioone täita.
Kui glükoosi lagundamise protsess viiakse läbi hapniku osalusel, toimub aeroobne glükolüüs.
Mis on selle biokeemia? Glükolüüsi peetakse esimeseks sammuks glükoosi oksüdeerimisel veeks ja süsinikdioksiidiks.
Ajaloolehed
Lépin kasutas 19. sajandi lõpus terminit "glükolüüs" vereringesüsteemist eemaldatud vere glükoosisisalduse vähendamise protsessi kohta. Mõnel mikroorganismil on glükolüüsiga sarnased fermentatsiooniprotsessid. Selliste jaokstransformatsioonis kasutatakse ühtteist ensüümi, millest enamik on isoleeritud homogeensel, kõrgelt puhastatud või kristalsel kujul, nende omadused on hästi uuritud. See protsess toimub raku hüaloplasmas.
Protsessi spetsiifika
Kuidas glükolüüs toimub? Biokeemia on teadus, milles seda protsessi peetakse mitmeastmeliseks reaktsiooniks.
Glükolüüsi esimene ensümaatiline reaktsioon, fosforüülimine, on seotud ortofosfaadi ülekandmisega glükoosiks ATP molekulide poolt. Ensüüm heksokinaas toimib selles protsessis katalüsaatorina.
Glükoos-6-fosfaadi teke selles protsessis on seletatav märkimisväärse koguse energia vabanemisega süsteemist, see tähendab, et toimub pöördumatu keemiline protsess.
Selline ensüüm nagu heksokinaas toimib katalüsaatorina mitte ainult D-glükoosi enda, vaid ka D-mannoosi ja D-fruktoosi fosforüülimise protsessis. Lisaks heksokinaasile on maksas veel üks ensüüm – glükokinaas, mis katalüüsib ühe D-glükoosi fosforüülimise protsessi.
Teine etapp
Kuidas seletab kaasaegne biokeemia selle protsessi teist etappi? Glükolüüs on selles etapis glükoos-6-fosfaadi üleminek heksoosfosfaadi isomeraasi toimel uueks aineks - fruktoos-6-fosfaadiks.
Protsess kulgeb kahes vastastikku vastandlikus suunas, ei nõua kofaktoreid.
Kolmas etapp
Seda seostatakse saadud fruktoos-6-fosfaadi fosforüülimisega ATP molekulide abil. Selle protsessi kiirendaja on ensüüm fosfofruktokinaas. Reaktsioonpeetakse pöördumatuks, see esineb magneesiumikatioonide juuresolekul, peetakse selle interaktsiooni aeglaselt kulgevaks etapiks. Just tema on glükolüüsi kiiruse määramise aluseks.
Fosfofruktokinaas on üks allosteeriliste ensüümide esindajatest. Seda inhibeerivad ATP molekulid, stimuleerivad AMP ja ADP. Diabeedi puhul paastumise ajal, aga ka paljudes muudes tingimustes, kus rasvu tarbitakse suures koguses, suureneb tsitraadisisaldus koerakkudes kordades. Sellistes tingimustes pärsib tsitraat märkimisväärselt fosfofruktokinaasi täisväärtuslikku aktiivsust.
Kui ATP ja ADP suhe saavutab märkimisväärsed väärtused, inhibeeritakse fosfofruktokinaasi, mis aitab glükolüüsi aeglustada.
Kuidas saate glükolüüsi suurendada? Biokeemia teeb ettepaneku selle intensiivsustegurit vähendada. Näiteks mittetöötavas lihases on fosfofruktokinaasi aktiivsus madal, kuid ATP kontsentratsioon suureneb.
Kui lihas töötab, kasutatakse märkimisväärselt ATP-d, mis põhjustab ensüümi taseme tõusu, põhjustades glükolüüsiprotsessi kiirenemist.
Neljas etapp
Ensüüm aldolaas on glükolüüsi selle osa katalüsaator. Tänu temale toimub aine pöörduv jagunemine kaheks fosfotrioosiks. Sõltuv alt temperatuuri väärtusest saavutatakse tasakaal erinevatel tasemetel.
Kuidas seletab biokeemia toimuvat? Glükolüüs koos temperatuuri tõusuga kulgeb otsese reaktsiooni, saaduse suunasmis on glütseraldehüüd-3-fosfaat ja dihüdroksüatsetoonfosfaat.
Muud etapid
Viies etapp on trioosfosfaatide isomeerimisprotsess. Protsessi katalüsaatoriks on ensüüm trioosfosfaadi isomeraas.
Kuues reaktsioon kokkuvõtlikult kirjeldab 1,3-difosforglütserhappe tootmist NAD-fosfaadi kui vesiniku aktseptori juuresolekul. Just see anorgaaniline aine eemaldab glütseraldehüüdist vesiniku. Tekkiv side on habras, kuid see on energiarikas ja lõhustamisel saadakse 1,3-difosfoglütseriinhape.
Seitsmes etapp, mida katalüüsib fosfoglütseraatkinaas, hõlmab energia ülekandmist fosfaadijäägilt ADP-le, et moodustada 3-fosfoglütseriinhape ja ATP.
Kaheksandas reaktsioonis toimub fosfaatrühma molekulisisene ülekanne, samal ajal kui 3-fosfoglütseriinhape muutub 2-fosfoglütseraadiks. Protsess on pöörduv, seetõttu kasutatakse selle rakendamiseks magneesiumi katioone.
2,3-difosfoglütseriinhape toimib selles etapis ensüümi kofaktorina.
Üheksas reaktsioon hõlmab 2-fosfoglütseriinhappe üleminekut fosfoenoolpüruvaadiks. Ensüüm enolaas, mida aktiveerivad magneesiumikatioonid, toimib selle protsessi kiirendajana ja fluoriid toimib sel juhul inhibiitorina.
Kümnes reaktsioon kulgeb sideme katkemisega ja fosfaadijäägi energia ülekandmisega fosfoenoolpüroviinamarihappest ADP-le.
Üheteistkümnes etapp on seotud püroviinamarihappe vähendamisega, piimhappe saamisega. See muundamine nõuab ensüümi laktaatdehüdrogenaasi osalemist.
Kuidas saate glükolüüsi üldiselt üles kirjutada? Reaktsioonid, mille biokeemiat oli eespool käsitletud, taandatakse glükolüütiliseks oksüdatsioonireduktsiooniks, millega kaasneb ATP molekulide moodustumine.
Protsessi väärtus
Vaatasime, kuidas biokeemia kirjeldab glükolüüsi (reaktsioone). Selle protsessi bioloogiline tähtsus on suure energiavaruga fosfaatühendite saamine. Kui esimeses etapis kulutatakse kaks ATP molekuli, siis on etapp seotud selle ühendi nelja molekuli moodustumisega.
Mis on selle biokeemia? Glükolüüs ja glükoneogenees on energiasäästlikud: 2 ATP molekuli moodustavad 1 glükoosimolekuli. Energiamuutus kahe happemolekuli moodustumisel glükoosist on 210 kJ/mol. 126 kJ lahkub soojusena, 84 kJ koguneb ATP fosfaatsidemetesse. Terminali sideme energiaväärtus on 42 kJ/mol. Sarnaste arvutustega tegeleb ka biokeemia. Aeroobse ja anaeroobse glükolüüsi efektiivsus on 0,4.
Huvitavaid fakte
Arvukate katsete tulemusena õnnestus määrata iga inimese tervetes erütrotsüütides toimuva glükolüüsireaktsiooni täpsed väärtused. Kaheksa glükolüüsi reaktsiooni on lähedal termodünaamilisele tasakaalule, kolm protsessi on seotud vaba energia hulga olulise vähenemisega ja neid peetakse pöördumatuteks.
Mis on glükoneogenees? Protsessi biokeemia seisneb süsivesikute lagunemises, mis toimubmitu etappi. Iga sammu kontrollivad ensüümid. Näiteks kudedes, mida iseloomustab aeroobne ainevahetus (südame koed, neerud), reguleerivad seda isoensüümid LDH1 ja LDH2. Neid inhibeerivad väikesed kogused püruvaat, mille tulemusena piimhappe süntees ei ole lubatud ja saavutatakse atsetüül-CoA täielik oksüdatsioon trikarboksüülhappe tsüklis.
Mis veel iseloomustab anaeroobset glükolüüsi? Näiteks biokeemia hõlmab teiste süsivesikute kaasamist protsessi.
Laboratoorsete uuringute tulemusena selgus, et umbes 80% toiduga inimkehasse sattuvast fruktoosist metaboliseerub maksas. Siin toimub selle fosforüülimise protsess fruktoos-6-fosfaadiks, ensüüm heksokinaas toimib selle protsessi katalüsaatorina.
Glükoos pärsib seda protsessi. Saadud ühend muundatakse mitmel etapil glükoosiks, millega kaasneb fosforhappe eemaldamine. Lisaks on võimalikud selle hilisemad muundumised muudeks fosforit sisaldavateks orgaanilisteks ühenditeks.
ATP ja fosfofruktokinaasi mõjul muutub fruktoos-6-fosfaat fruktoos-1,6-difosfaadiks.
Seejärel metaboliseeritakse see aine glükolüüsile iseloomulike etappide kaudu. Lihastes ja maksas on ketoheksokinaas, mis võib kiirendada fruktoosi fosforüülimist selle fosforit sisaldavaks ühendiks. Protsessi ei blokeeri glükoos ja tekkiv fruktoos-1-fosfaat laguneb ketoos-1-fosfaat-aldolaasi toimel glütseraldehüüdiks ja dihüdroksüatsetoonfosfaadiks. D-glütseraldehüüd alltriosokinaasi mõjul siseneb see fosforüülimisse, lõpuks vabanevad ATP molekulid ja saadakse dihüdroksüatsetoonfosfaat.
Kaasasündinud anomaaliad
Biokeemikud on suutnud tuvastada mõningaid fruktoosi metabolismiga seotud kaasasündinud kõrvalekaldeid. Seda nähtust (essentsiaalne fruktosuuria) seostatakse ensüümi ketoheksokinaasi sisalduse bioloogilise puudulikkusega organismis, mistõttu glükoos inhibeerib kõiki selle süsivesikute lagunemisprotsesse. Selle rikkumise tagajärg on fruktoosi kogunemine veres. Fruktoosi puhul on neerude lävi madal, nii et fruktosuuriat saab tuvastada vere süsivesikute kontsentratsioonil umbes 0,73 mmol/l.
Osalemine galaktoosi biosünteesis
Galaktoos satub organismi koos toiduga, mis laguneb seedetraktis glükoosiks ja galaktoosiks. Esiteks muundatakse see süsivesik galaktoos-1-fosfaadiks, protsessi katalüüsib galaktokinaas. Järgmisena muudetakse fosforit sisaldav ühend glükoos-1-fosfaadiks. Selles etapis moodustub ka uridiindifosfogalaktoos ja UDP-glükoos. Protsessi järgmised etapid kulgevad glükoosi lagundamisega sarnase skeemi järgi.
Lisaks sellele galaktoosi metabolismi rajale on võimalik ka teine skeem. Esiteks moodustub ka galaktoos-1-fosfaat, kuid järgnevad etapid on seotud UTP-molekulide ja glükoos-1-fosfaadi moodustumisega.
Arvukate süsivesikute ainevahetusega seotud patoloogiliste seisundite hulgas on galaktoseemial eriline koht. Seda nähtust seostatakse retsessiivselt päriliku haigusega, millemille puhul veresuhkru tase tõuseb galaktoosi mõjul ja jõuab 16,6 mmol/l. Samal ajal vere glükoosisisaldus praktiliselt ei muutu. Lisaks galaktoosile koguneb sellistel juhtudel verre ka galaktoos-1-fosfaat. Lastel, kellel on diagnoositud galaktoseemia, on vaimne alaareng ja neil on ka katarakt.
Kuna süsivesikute ainevahetuse häirete kasv väheneb, on põhjuseks galaktoosi lagunemine teist teed pidi. Tänu sellele, et biokeemikutel õnnestus käimasoleva protsessi olemus välja selgitada, sai võimalikuks lahendada probleeme, mis on seotud glükoosi mittetäieliku lagunemisega organismis.
