Glikoliza

Schemat glikolizy

Glikoliza, szlak Embdena-Meyerhofa-Parnasa – ciąg reakcji biochemicznych, podczas których jedna cząsteczka glukozy zostaje przekształcona w dwie cząsteczki pirogronianu.

Glikoliza jest ewolucyjnie starym szlakiem metabolicznym, szeroko rozpowszechnionym wśród organizmów żywych należących do wszystkich trzech domen^[1]^[2]. U eukariotów i wielu prokariotów; przebiega w cytoplazmie podstawowej^[3] oraz w plastydach obecnych w komórkach roślin^[4]^[5]. U niektórych protistów^[6], takich jak Trypanosoma^[7]^[8] i Leishmania^[9] glikoliza zachodzi w wyspecjalizowanych organellach nazywanych glikosomami^[10]^[11].

Najczęstszym typem glikolizy jest schemat Embden-Meyerhof-Parnas, który został odkryty przez Gustava Embdena, Otto Meyerhofa i Jakuba Karola Parnasa.

Sumaryczna reakcja glikolizy jest następująca:

glukoza + 2 P_i + 2 ADP + 2 NAD⁺ → 2 cząsteczki pirogronianu + 2 ATP + 2 NADH + 2 H⁺ + 2 H₂O

Rola

Rolą glikolizy jest:

dostarczanie energii – w wyniku glikolizy powstają 2 cząsteczki ATP oraz substraty do cyklu kwasu cytrynowego i fosforylacji oksydacyjnej, gdzie wytwarzana jest większa ilość ATP.
wytwarzanie intermediatów dla szlaków biosyntetycznych.

Etapy

Fosforylacja glukozy

Struktura krystaliczna heksokinazy 1 z Kluyveromyces lactis^[12].

	ATP ADP Heksokinaza lub Glukokinaza
α-D-Glukoza		α-D-Glukozo-6-fosforan

Fosforylacja glukozy i powstanie glukozo-6-fosforanu jest reakcją nieodwracalną katalizowaną przez heksokinazę lub bardziej specyficznie w wątrobie przez glukokinazę^[13]. Jako dawca fosforanu potrzebny jest do tej reakcji ATP, reagujący w formie kompleksu Mg-ATP. Jon magnezu Mg²⁺ lub dwuwartościowy jon innego metalu, na przykład Mn²⁺, jest konieczny do aktywności heksokinazy. Enzym ten składa się z dwóch części, które podczas połączenia z glukozą zbliżają się do siebie. W wyniku zbliżenia cząsteczka glukozy zostaje zamknięta wewnątrz białka. Indukowane przez glukozę zmiany struktury enzymu powodują, że środowisko wokół cząsteczki cukru staje się mniej polarne. Jedynym elementem wystającym na zewnątrz enzymu jest węgiel C-6 glukozy z grupą hydroksylową. Obniżenie polarności ułatwia przeniesienie grupy fosforanowej z ATP na węgiel C-6. Zamykanie szczeliny indukowane substratem zapobiega reakcji hydrolizy ATP przy użyciu H₂O. Reakcja taka zachodziłaby, gdyby miejsce atomu C-6 z grupą hydroksylową mogło być zajęte przez cząsteczkę wody^[3].

W komórkach roślinnych występuje wiele rodzajów heksokinaz. Większość z nich to enzymy cytozolowe zdolne do fosforylacji zarówno glukozy, jak i innych heksoz w tym fruktozy i mannozy. W niektórych tkankach wstępujące heksokinaza związana zewnętrzną błoną mitochondrialną, fosforylująca przede wszystkim glukozę^[14].

Izomeryzacja

Struktura izomerazy glukozo-6-fosforanowej z Oryctolagus cuniculus^[15].

	Izomeraza glukozo- fosforanowa
α-D-Glukozo-6-fosforan		α-D-Fruktozo-6-fosforan

Przekształcenie glukozo-6-fosforanu we fruktozo-6-fosforan następuje przy udziale izomerazy glukozo-6-fosforanowej^[13], z zastrzeżeniem, że przemianie tej ulega tylko anomer α glukozo-6-fosforanu. Reakcja polega na przekształceniu aldozy, którą jest glukoza z grupą aldehydową przy C-1, do ketozy, którą jest fruktoza z grupą ketonową przy C-2. Pierwszy etap reakcji polega na otworzeniu formy pierścieniowej glukozo-6-fosforanu. Dopiero otwarta forma łańcuchowa ulega izomeryzacji do formy łańcuchowej fruktozo-6-fosforanu. Ostatni etap to przekształcenie otwartej formy łańcuchowej do pięcioczłonowej formy pierścieniowej^[3].

Fosforylacja fruktozo-6-fosforanu

Struktura fosfofruktokinazy 1 (PFK-1).

	ATP ADP Fosfo- frukto- kinaza
β-D-Fruktozo-6-fosforan		β-D-Fruktozo-1,6-bisfosforan

Fosforylację fruktozo-6-fosforanu przy użyciu ATP przeprowadza enzym fosfofruktokinaza I (PFK-1, ATP-fosfofruktokinaza), powstaje fruktozo-1,6-bisfosforanu oraz ADP^[13]. Reakcja ta jest nieodwracalna w warunkach fizjologicznych.

W komórkach roślin wyższych i części niższych fosforylacja fruktozo-6-fosforanu może zachodzić przy udziale fosfofruktokinazy lub 1-fosfotransferazy pirofosforan-fruktozo-6-fosforan (PP_i-fosfofruktokinaza). Ten drugi enzym przeprowadza reakcję fosforylacji zużywając nie ATP, lecz pirofosforan, a katalizowana reakcja jest odwracalna. W tkankach młodych fruktozo-1,6-bisfosforan powstaje głównie w wyniku reakcji przeprowadzanej przez PP_i-fosfofruktokinazę, a w tkankach starszych ATP-fosfofruktokinazę^[14].

Rozszczepienie fruktozo-1,6-bisfosforanu

Struktura aldolazy z wątroby Oryctolagus cuniculus.

	Aldolaza
β-D-Fruktozo-1,6-bisfosforan		Fosfo- dihydroksy- aceton		D-Aldehyd- 3-fosfo- glicerynowy

Rozszczepienie fruktozo-1,6-bisfosforanu na dwie fosfotriozy – aldehyd 3-fosfoglicerynowy oraz fosfodihydroksyaceton przeprowadzane jest przez aldolazę^[13]. Enzym ten katalizuje reakcję kondensacji aldolowej oraz reakcję odwrotną. Nazwa pochodzi od reakcji kondensacji, jednak w glikolizie dochodzi do rozszczepienia sześciowęglowego cukru^[3]. Znane są dwie klasy aldolazy fruktozo-1,6-bisfosforanu (EC 4.1.2.13) o różnym mechanizmie enzymatycznym. Klasa I przeprowadza reakcję poprzez wytworzenie zasady Schiffa pomiędzy grupą karbonylową substratów a grupą aminowa lizyny znajdującej się w centrum aktywnym enzymu. Klasa druga stabilizuje związek pośredni w postaci karboanionu za pomocą dwuwartościowego jonu metalu. Enzymy należące do klasy I nie są jednorodne. U eukariontów to najczęściej homotetramer o masie podjednostki około 40 kDa, a u bakterii są zróżnicowanymi oligomerami o masie podjednostek pomiędzy 27-4- kDa. Aldolazy należące do klasy II występujące u bakterii i eukariontów zwykle są dimerami o masie podjednostek około 40 kDa^[16]. U archeanów występują aldolazy zaliczane do klasy I oraz klasy II^[17]^[16]. Różnią się one jednak znacznie od enzymów występujących w pozostałych domenach^[16]. W plastydach najczęściej występuje aldolaza klasy I, jednak u niektórych organizmów stwierdzono występowanie w plastydach aldolazy klasy II^[18]. Z badań nad aldolazą klasy II u Escheriachia coli wynika, że kluczowe dla funkcji enzymu są reszty aminokwasów Asn-35, Ser,-61 i Lys-325. Ser-61 bierze udział w wiązaniu aldehydu 3-fosfoglicerynowego. Pozostałe dwie reszty mają wpływ na zdolności katalityczne enzymu^[19].

Dziedziczny niedobór aldolazy w erytrocytach może wywoływać niedokrwistość hemolityczną.

Przekształcenie fosfodihydroksyacetonu w aldehyd 3-fosfoglicerynowy

Struktura izomerazy triozofosforanowej.

	Izomeraza triozo- fosforanowa
Fosfo- dihydroksy- aceton		D-Aldehyd- 3-fosfo- glicerynowy

Przekształcenie fosfodihydroksyacetonu w aldehyd 3-fosfoglicerynowy przez izomerazę triozofosforanową^[13]. W stanie równowagi 96% triozofosforanów występuje w postaci fosfodihydroksyacetonu. Mimo to dzięki izomerazie triozofosforanowej (TIM) możliwe jest szybkie wytworzenie aldehydu 3-fosfoglicerynowego niezbędnego do dalszego zachodzenia glikolizy. Katalizowana wewnątrzcząsteczkowa reakcja oksydoredukcyjna polega na przeniesieniu atomu wodoru z C-1 na C-2. W oderwaniu protonu od atomu węgla bierze udział Glu-165, zaś His-95 dostarcza proton grupie karbonylowej C-2 stabilizując jej ładunek ujemny. Produktem pośrednim reakcji jest endiol. Enzym zapobiega rozpadowi endiolowego związku pośredniego na metyloglioksal i ortofosforan, nie pozwalając związkowi endiolowemu na oderwanie się. W utrzymywaniu produktu pośredniego uczestniczy 10 reszt aminokwasowych TIM, zamykających endiol w centrum aktywnym^[3].

Utlenianie i fosforylacja aldehydu 3-fosfoglicerynowego

Struktura dehydrogenazy aldehydu 3-fosfoglicerynowego.

	NAD⁺ NADH + P_i + H⁺ Dehydrogenaza aldehydu- 3-fosfoglicerynowego
D-Aldehyd 3-fosfoglicerynowy		D-1,3-bisfosfoglicerynian

Przekształcenie aldehydu 3-fosfoglicerynowego w 1,3-bisfosfoglicerynian (1,3-BPG) z użyciem fosforanu nieorganicznego, NAD⁺ i enzymu dehydrogenazy aldehydu 3-fosfoglicerynowego^[13]. Jest to jednoczesna reakcja utleniania i fosforylacji, która może być zmodyfikowana w obecności arsenianu – reaguje on z nieorganicznym fosforanem i tworzy 1-arseno-3-fosfoglicerynian i – zamiast ATP – energię cieplną. Reakcja utleniania jest korzystna termodynamicznie i wykazuje zmianę standardowej energii swobodnej ΔG°' około -50 kJ mol⁻¹. Reakcja ta przebiega w dwóch etapach. W pierwszym z nich aldehyd 3-fosfoglicerynowy łącząć się z grupą tiolową Cys-149 tworzy hemitioacetal. W drugim etapie jon wodorkowy przenoszony jest na NAD⁺ połączonym z enzymem w pobliżu reszty cysteiny. W oderwaniu protonu od hemiacetalu bierze udział His-176. Druga reakcja wiąże się ze zmianą standardowej energii swobodnej o podobną wartość z przeciwnym znakiem. Sprzężenie obu reakcji jest możliwe dzięki produktowi pośredniemu o charakterze tioestru. Tioestrowy związek pośredni reaguje z ortofosforanem tworząc acylofosforan. W wyniku połączenia z ortofosforanem zostaje uwolniona reszta Cys-149 i powstaje 1,3-bisfosfoglicerynian. Do połączenia może jednak dość tylko gdy powstały w pierwszej reakcji NADH odłączy się od enzymu, a w jego miejsce przyłączy się kolejna cząsteczka NAD⁺. To właśnie dodatni ładunek dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego ułatwia przyłączenie ortofosforanu. Energetyczne sprzężenie obu reakcji jest kluczowe dla pozyskania energii użytecznej metabolicznie w postaci ATP^[3].

Synteza ATP 1

Struktura kinaza fosfoglicerynianowej z drożdży^[20].

	Kinaza fosfo- glicerynianowa ADP ATP
D-1,3-bisfosfoglicerynian		D-3-fosfoglicerynian

Przeniesienie grupy fosforanowej z 1,3-BPG na ADP i utworzenie ATP (fosforylacja substratowa) oraz 3-fosfoglicerynianu – reakcja katalizowana przez kinazę fosfoglicerynianową^[21]. Enzym jest monomerem o masie 45 kDa i wysokim stopniu podobieństwa u różnych gatunków. Enzymy z mięśni konia i drożdży są niemal identyczne^[22]. Podobnie jak u innych kinaz substraty przyłączane są do dwóch domen. Pierwsza łączy się z 1,3-bisfosfoglicerynianem a druga z kompleksem Mg-ADP^[23]^[24]. W wyniku zmian konformacyjnych dochodzi do zbliżenia obu substratów i przeniesienia grupy fosforanowej z pozycji C-1 1,3-bisfosfoglicerynianu na ADP^[25]^[26] Reakcja jest odwracalna^[25].

Przesunięcie fosforanu

(c) Zephyris z angielskojęzycznej Wikipedii, CC-BY-SA-3.0

Struktura fosfogliceromoutazy.

	Fosfo- glicero- mutaza
D-3-fosfoglicerynian		D-2-fosfoglicerynian

Przekształcenie 3-fosfoglicerynianu w 2-fosfoglicerynian przez fosfogliceromutazę^[13]. Przesunięcie grupy fosforanowej odbywa się poprzez przyłączenie do 3-fosfoglicerynianu fosforanu pochodzącego z reszty histydyny enzymu. W efekcie powstaje 2,3-bisfosfoglicerynian (2,3-BPG). Związek ten służy następnie do ufosforylowania reszty histydyny. Na enzym przenoszona jest grupa z pozycji 3. Do działania enzymu potrzebna jest katalityczna ilość 2,3-bisfosfoglicerynianu^[3].

Odwodnienie

Struktura enolazy z drożdży^[27].

	–H₂O Enolaza
D-2-fosfoglicerynian		Fosfoenolopirogronian

Odwodnienie 2-fosfoglicerynianu i powstanie fosfoenolopirogronianu (PEP) katalizowane jest przez enolazę (EC 4.2.1.11)^[13]. U człowieka enzym składa się z dwóch podjednostek. Mogą być to podjednostka α, β lub γ, z których składają się różne izoenzymu zawierające αα, αβ, αγ, ββ lub γγ^[28]^[29]. Masa enzymu mieści w zakresie 82-100 kDa^[28]^[30]. Podjednostki połączone są wiązaniem jonowym pomiędzy Glu-20 pierwszej podjednostki a Arg-414 drugiej podjednostki. Dla aktywności enzymu kluczowe są reszty His-159, Glu-168, Glu-211, Lys-345 i Lys-396^[28]. Z centrum aktywnym połączone są dwa jony Mg²⁺ zapewniające stabilizację substratu oraz związku pośredniego w postaci karboanionu^[29]^[28]^[31]. Dlatego Aktywność enzymu zależy od obecności jonów magnezu lub manganu^[32]^[33], a hamowana jest w obecności fluorków. Działanie fluorków jest odpowiedzialne za zahamowanie aktywności enolazy bakterii odpowiedzialnych na wywoływanie próchnicy^[34].

Synteza ATP 2

Struktura kinazy pirogronianowej drożdży^[35].

	ADP ATP Kinaza pirogronianowa
Fosfoenolopirogronian		Pirogronian

Przeniesienie grupy fosforanowej z PEP na ADP i powstanie ATP oraz pirogronianu katalizowane jest przez kinazę pirogronianową (PK, EC 2.7.1.40)^[13]. Podczas przenoszenia grupy fosforanowej z enolofosforanu na ADP dochodzi do przekształcenia formy enolowej pirogronianu do stabilnej formy ketonowej^[3]. Ze względu na znaczną utratę energii swobodnej w postaci ciepła, musi być traktowana jako reakcja fizjologicznie nieodwracalna. U większości badanych organizmów PK jest tetramerem zbudowanym z identycznych podjednostek. Enzym jest aktywny w obecności jonów K⁺ oraz Mg²⁺ i Mn²⁺. Różnice w budowie enzymu u różnych organizmów wiążą się ze zróżnicowaniem efektorów allosterycznych. Chociaż podstawowym związkiem regulującym aktywność enzymu jest fruktozo-2,6- fosforan to u wielu bakterii zwiększenie aktywności następuje pod wpływem monofosforanów cukrów takich jak 5-fosforan rybozy^[36]. Dziedziczny niedobór kinazy pirogronianowej w erytrocytach może wywoływać niedokrwistość hemolityczną.

Substraty oddechowe

Podstawowym substratem dla glikolizy jest glukoza, jednak szlak jest podstawową drogi katabolizmu wielu heksoz. Fruktoza w organizmach zwierzęcych pochodzi z rozkładu sacharozy obecnej w pokarmie, a w organizmach roślinnych z rozkładu cukrów zapasowych takich jak sacharoza i inulina jest prowadzana do glikolizy na kilka sposobów^[13]^[14]. W komórkach mięśni i tkance tłuszczowej fruktoza ulega fosforylacji przy udziale heksokinazy. W efekcie powstaje fruktozo-6-fosforan będący związkiem pośrednim w glikolizie. W komórkach wątroby podstawowym enzymem przeprowadzającym fosforylację glukozy jest glukokinaza. Włączenie fruktozy w glikolizę jest możliwe dzięki obecności dodatkowego enzymu, nazywanego fruktokinazą, przekształcającego fruktozę we fruktozo-1-fosforan, który jest rozszczepiany do aldehydu glicerynowego i fosfodihydroksyacetonu przez aldolazę fruktozo-1-fosforanu. Aldehyd glicerynowy ulega fosforylacji przeprowadzanej przez kinazę trioz. Dwa powstałe produkty są już metabolitami uczestniczącymi w glikolizie. Dwie dodatkowe reakcje określane są jako szlak fruktozo-1-fosforanowy^[13]. W komórkach roślinnych fruktoza może być fosforylowana przez cytozolową heksokinazę lub fruktokinazę przyłączająca grupę fosforanową z ATP w pozycji 6^[14].

Przekształcenie galaktozy do glukozy. 1 – galaktoza, 2 – galaktozo-1-fosforan, 3 – UDP-glukoza, 4 – UDP-galaktoza, 5 – glukozo-1-fosforan, 6 – glukozo-6-fosforan. GK – galaktokinaza, GALT – urydylilotransferaza galaktozo-1-fosforanowa, UEG – 4-epimeraza UDP-glukozy, PGM – fosfoglukomutaza.

Galaktoza, powstająca w organizmach zwierzęcych w wyniku rozkładu laktozy jest fosforylowana do glaktozo-1-fosforanu przez galaktokinazę. Następnie urydylilotransferaza galaktozo-1-fosforanowa przenosi grupę urydynową z UDP-glukozy wytwarzając UDP-galaktozę oraz glukozo-1-fosforan. UDP-galaktoza może być przekształcona do UDP-glukozy przez 4-epimerazę UDP-galaktozy. Opisane reakcje przekształcania galaktozy nazywane są szlakiem wzajemnych przemian galaktoza-glukoza. Powstający w drugiej reakcji szlaku glukozo-1-fosforan może być włączony w glikolizę poprzez przeniesienie grupy fosforanowej z pozycji 6 na pozycję 1 przez fosfoglukomutazę^[13].

Dalsze losy pirogronianu

Powstający w wyniku zachodzenia reakcji glikolizy pirogronian może być przetworzony do różnych produktów anabolicznych. Najczęściej jednak jest katabolizowany poprzez utlenienie do acetylo-CoA, utlenianemu następnie w cyklu Krebsa. W warunkach beztlenowych pirogronian staje się substratem dla fermentacji^[37].

Warunki tlenowe

U prokariontów w warunkach tlenowych pirogronian ulega utlenieniu i dekarboksylacji z udziałem kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej^[37].

W zdecydowanej większości ludzkich komórek (poza erytrocytami i włóknami mięśniowymi w czasie intensywnej pracy) przeważa metabolizm tlenowy. W warunkach tlenowych pirogronian, otrzymany w wyniku glikolizy pobierany jest przez mitochondria, w których po przekształceniu do acetylo-CoA (reakcja ta katalizowana jest przez wieloenzymatyczny kompleks dehydrogenazy pirogronianowej, do której działania niezbędna staje się difosfotiamina – pochodna witaminy B1), zostaje utleniony do dwutlenku węgla w cyklu Krebsa. Powstałe w glikolizie równoważniki redukujące są przenoszone zaś z NADH+H⁺ do wnętrza mitochondriów. Przenoszenie elektronów z cytoplazmatycznego NADH na mitochondrialny łańcuch oddechowy odbywa się dzięki krótkim sekwencjom reakcji zwanych tzw. czółenkami. Aktywne mogą być: czółenko glicerolo-3-fosforanowe lub jabłczanowo-asparaginianowe.

Arsenian, jony rtęciowe oraz niedobór tiaminy w diecie powodują nagromadzanie się pirogronianu w komórkach i doprowadzają do szybkiej kwasicy mleczanowej, będącej objawem niedoboru dehydrogenazy mleczanowej – prowadzi to u człowieka do zaburzeń neurologicznych poprzez zakłócenie podstawowych funkcji mózgu. Utlenieniu glukozy w warunkach tlenowych towarzyszy wytworzenie 38 moli ATP. Ogólny zysk wynosi więc 36 moli ATP^[38].

Warunki beztlenowe

Jeśli przeważają warunki beztlenowe, niemożliwa staje się reoksydacja NADH w łańcuchu oddechowym przez przeniesienie równoważników redukujących na tlen. Pirogronian ulega redukcji przez NADH do mleczanu w reakcji katalizowanej przez dehydrogenazę mleczanową. Reoksydacja NADH w reakcji powstawania mleczanu przez odtworzenie NAD potrzebnego w następnym cyklu reakcji umożliwia dalszy przebieg glikolizy w przypadku nieobecności tlenu^[38].

Przykładem komórek, które przeprowadzają wyłącznie glikolizę beztlenową są erytrocyty ssaków, ze względu na brak mitochondriów, niezbędnych do przeprowadzanie reakcji łańcucha oddechowego^[38]. Jednak w przypadku krwinek czerwonych glikoliza zachodzi z ominięciem reakcji katalizowanej przez kinazę fosfoglicerynianową. Dodatkowy enzym, jakim jest mutaza bisfosfoglicerynianowa katalizuje przekształcenie 1,3-BPG w 2,3-BPG, który ostatecznie ulega przemianie do 3-fosfoglicerynianu przy udziale fosfatazy 2,3-bisfosfoglicerynianowej.

U prokariontów beztlenowych pirogronian może być przekształcony do acetylo-CoA w reakcja katalizowanej przez oksydazę pirogronian:ferredoksyna. Produktem reakcji poza acetylo-CoA i CO₂ jest także zredukowana ferredoksyna. Inną możliwą droga przekształcenia pirogronianu jest reakcja katalizowana przez liazę pirogronian:mrówczan. Reakcja zachodzi u beztlenowych bakterii wydzielających mrówczan^[37].

Możliwe jest także przekształcenie pirogronianu do aldehydu octowego przez dekarboksylazę pirogronianową. Aldehyd octowy jest następnie przekształcany do etanolu. Ta droga metabolizmu pirogronianu występuje u bakterii, drożdży i roślin^[37]^[14]. Redukcja aldehydu przeprowadzana jest przez dehydrogenazę alkoholową przy użyciu NADH^[14].

Organizmy roślinne przeprowadzają fermentację mleczanową w bardzo ograniczonym stopniu tylko przez krótki czas przy braku dostępu tlenu. Dłuższy okres anoksji prowadzi do rozpoczęcia procesów fermentacji alkoholowej^[14].

Regulacja procesu glikolizy

Glikoliza regulowana jest na trzech etapach obejmujących z reakcji nieodwracalnych, to jest w miejscu działania heksokinazy (lub glukokinazy), fosfofruktokinazy I oraz kinazy pirogronianowej.

Regulacja heksokinazy

Reakcja katalizowana przez heksokinazę nie jest właściwa tylko dla glikolizy, gdyż jest to wspólny etap dla wszystkich dróg metabolizmu węglowodanów, w których glukoza jest substratem (szlak pentozofosforanowy, synteza glikogenu). Regulacja tej reakcji polega na hamującym działaniu glukozo-6-fosforanu. Związek ten gromadzi się gdy zahamowaniu ulega aktywność innego enzymu uczestniczącego w glikolizie – PFK. Glukozo-6-fosforan oraz fruktozo-6-fosforan pozostają w równowadze dzięki aktywności izomerazy glukozofosforanowej. Glukozo-6-fosforan może być jednak zużywany w komórkach zwierząt również do syntezy glikogenu, dlatego heksokinaza nie jest kluczowym enzymem w regulacji glikolizy^[13].

Regulacja PFK

Najważniejszym miejscem regulacji glikolizy jest fosfofruktokinaza, czasami reakcja przeprowadzana przez ten enzym nazywana jest reakcją ograniczającą glikolizy. Aktywność enzymu regulowana jest na kilka sposobów. Pierwszy polega allosterycznym hamowaniu przez ATP. Efekt jest znoszony przez AMP. W ten sposób komórka może dostosować wytwarzanie ATP do aktualnego zapotrzebowania na energię. Gdy ilość ATP jest wystarczająca zachodzenie reakcji szlaku ulega ograniczeniu. Podwyższone stężenie AMP jest sygnałem do przyspieszenia glikolizy. Aktywność PFK ulega również zahamowaniu przy podwyższonych stężeniach cytrynianu, będącego jednym ze związków pośrednich cyklu Krebsa. Fruktozo-2,6-bisfosforan silnie aktywuje fosfofruktokinazę. Związek ten jest wytwarzany z fruktozo-6-fosforanu przez fosfofruktokinazę 2 (PFK 2) i może być hydrolizowany z powrotem przez fruktozobisfosfatazę (FBPazę). Ponieważ fruktozo-6-fosforan zwiększa aktywność PFK 2 i hamuje aktywność FBPazy to pośrednio wpływa na aktywność PFK. Fruktozobisfosfatazę zwiększa swoją aktywność również w efekcie fosforylacji, co ma miejsce w sytuacji podwyższonego stężenia ATP w cytozolu. Hydroliza fruktozo-2,6-bisfosforanu prowadzi do obniżenia aktywności PFK i spowolnienia całego szlaku glikolitycznego. Na aktywność PFK wpływają również jony H⁺. Do obniżenia pH cytozolu dochodzi, gdy w warunkach beztlenowych wytworzony zostanie kwas mlekowy^[13].

Kinaza pirogronianowa

Kinaza pirogronianowa kontroluje wypływ metabolitów glikolizy. Jest ostatnią, nieodwracalną reakcją szlaku. Enzym aktywowany jest przez fruktozo-1,6-bisfosforan, a hamowany przez ATP oraz alaninę. W organizmach zwierząt dodatkowo kinaza pirogronianowa ulega fosforylacji przez kaskadę cAMP wywoływaną pojawieniem się glukagonu. Fosforylacja enzymu powoduje spowolnienie glikolizy i w efekcie podniesienie poziomu glukozy we krwi^[13]. Allosteryczną regulację przez fruktozo-1,6-bisfosforan stwierdzono u ssaków. U mikroorganizmów w regulacji uczestniczą różne ufosforylowane cukry. Na przykład u świdrowców do aktywacji kinazy pirogronianowej dochodzi przy mikromolowych stężeniach fruktozo-2,6-bisfosforan^[39].

Ewolucja

Glikoliza jako szlak metaboliczny służący pozyskiwaniu energii przydatnej metabolicznie wykształciła się na wczesnych etapach ewolucji. Reakcje szlaku umożliwiają pozyskanie energii z węglowodanów w warunkach beztlenowych^[3]. Część szlaku, obejmująca metabolizm trioz jest obecna u organizmów należących do wszystkich trzech domen. Podobieństwo części enzymów odpowiedzialnych za metabolizm trioz wskazuje na ewolucyjne powiązanie glikolizy z glukoneogenezą^[2]. Enzymy biorące udział w przekształcaniu heksoz różnią się u poszczególnych gatunków i nie występują wcale u części archeanów^[40]. U archeanów występuje obok szlaku Embdena-Meyerhofa zmodyfikowany tryb glikolizy określany nazwą szlak Entnera-Doudoroffa^[1]^[41]. Część glikolizy obejmująca metabolizm trioz, będąca zarazem częścią glukoneogenezy jest prawdopodobnie najstarszym ewolucyjnie fragmentem szlaku. Reakcje obejmujące przekształcanie heksoz wyewoluowały później,a różnice pomiędzy gatunkami mają związek dostępnością poszczególnych cukrów w środowisku organizmów. Badania sekwencji czterech kinaz i dwóch izomeraz uczestniczących w reakcjach glikolizy wskazują na odmienne pochodzenie tych enzymów. Nie powstały one w wyniku duplikacji i dywergencji jednego genu^[3]. Długa ewolucja szlaku doprowadziła do wysokiej wydajności energetycznej w wyniku optymalizacji wytwarzania ATP. U części bakterii występują starsze ewolucyjnie szlaki glikolityczne o mniejszej wydajności^[42].

Historia

Otto Fritz Meyerhof

Za początek badań nad glikolizą uznaje się obalenie poglądu Ludwika Pasteura z 1860 roku, że fermentacja jest procesem zachodzącym wyłącznie w żywych komórkach. Głoszony przez Pasteura dogmat witalistyczny obalili przypadkowo w roku 1897 bracia Hans i Eduard Buchnerowie, którzy starając się uzyskać ekstrakt drożdżowy do celów medycznych, próbowali utrwalić go za pomocą sacharozy. Okazało się, że pomimo braku żywych komórek sacharoza została szybko przekształcona w alkohol. W ten sposób udowodnili, że fermentacja może zachodzić poza żywą komórką. Przez kolejne lata poznano dokładnie reakcje fermentacji alkoholowej i mleczanowej. Udało się wykazać, że przebiegająca w mięśniach fermentacja mleczanowa jest w dużym stopniu podobna do fermentacji alkoholowej. Poznanie poszczególnych reakcji glikolizy było możliwe dzięki pracom Gustawa Embdena, Otto Meyerhofa, Carla Neuberga, Jakuba Parnasa, Otto Warburga, Gerty i Carla Corich. Wszystkie reakcje szlaku zostały poznane do roku 1940. Wkład części wymienionych naukowców został doceniony w stosowanej nazwie „szlaku Embdena-Meyerhofa-Parnasa”^[3].

Galeria