Glykolýza
Glykolýza
Význam glykolýzy pro buňku
Každá živá buňka potřebuje pro svůj život energii. Jedním ze způsobů, jak může energii získat, nabízí proces glykolýzy. Jedná se v podstatě o sled biochemických reakcí rozkladu glukózy na pyruvát za současné tvorby ATP. Glykolýza předchází dalším dvěma pro buňku zcela rozhodujícím biochemickým procesům, a to cyklu trikarbonových kyselin a respiračnímu řetězci, které za aerobních podmínek společně s glykolýzou zajistí maximální možný zisk energie uložené v molekule glukózy.
Pro buňku má glykolýza zcela zásadní význam, protože poskytuje energii jak za podmínek dostatečného přísunu kyslíku, tak i za podmínek jeho nedostatku. Při aerobních podmínkách je vzniklý pyruvát transportován do mitochondrií, kde dochází k jeho dalšímu rozkladu až na vodu a oxid uhličitý. Při nedostatku kyslíku (například u svalových buněk vykonávajících v daném okamžiku zvýšenou práci) se pyruvát přeměňuje na laktát. U některých mikroorganismů (např. kvasinky) se zase přeměňuje na ethanol. Tvorba laktátu nebo ethanolu z glukózy jsou příkladem procesu kvašení.
Historie objevování procesu glykolýzy
Glykolýza znamená vlastně rozklad cukrů a odvozuje se od latinských slov (glycos = sladký a lysis = rozložení). Přestože byl proces kvašení cukru znám již mnoho staletí, teprve v roce 1860 Luis Pasteur učinil za tento proces odpovědné mikroorganismy. Ovšem mylně schopnost měnit cukr na alkohol přisoudil pouze živým buňkám. V roce 1897 pracovali Hans a Eduard Buchnerovi s extraktem získaným z autolyzovaných kvasinek, a protože pro jeho konzervaci nemohli použít do té doby běžně používaný fenol, vyzkoušeli klasický potravinářský recept - koncentrovaný roztok cukru. K jejich velkému překvapení se však cukr rychle měnil na alkohol. Tento poznatek měl obrovský význam. Ukázal totiž, že proces kvašení může probíhat i mimo živou buňku.
Později, v roce 1905, objevili Arthur Harden a William Young význam anorganického fosfátu v procesu kvašení a následně vyizolovali fruktózo-1,6-bisfosfát. Také definovali dvě nutné komponenty, jejichž přítomnost byla pro proces kvašení nezbytná. Označili je jako zymáza (v jejich pojetí termolabilní nedialyzovatelná frakce) a kozymáza (termostabilní dialyzovatelná frakce). Z dnešního pohledu se jednalo u zymázy o skupinu několika enzymů a v případě kozymázy o některé ionty, ATP, ADP a koenzym NAD+.
V následujících letech bylo prokázáno, že při mléčném kvašení (jak u mléčných baktérií, tak i ve svalových buňkách při snížené dodávce kyslíku) probíhá mnoho shodných reakcí, které byly popsány v případech přeměny cukru na alkohol. Plně byl proces glykolýzy objasněn až v roce 1940, zejména díky pracím Gustava Embdena a Otto Meyerhofa. Velkým dílem přispěli i Carl Neuberg, Jacob Parnas, Otto Warburg, Gerti Cori a Carl Cori. Někdy bývá na počest objevitelů glykolýza označována i jako Embden-Meyerhofova dráha.
Glykolýza probíhá ve třech fázích
V dřívějším pojetí byla glykolýza rozdělována na dvě části, fázi anaerobní a fázi aerobní. Vycházelo se ze zjištění, že při nedostatku kyslíku v aktivním svalu mizí glykogen a narůstá koncentrace laktátu jako konečného produktu. V okamžiku prokysličení svalové tkáně nastal proces obnovy glykogenu a laktát mizel. V případech dostatečného přísunu kyslíku do aktivní svalové buňky se laktát nehromadil, nehromadil se ale ani pyruvát, protože byl rozkládán až na vodu a oxid uhličitý. Dělit glykolýzu na fázi anaerobní a aerobní je však chybné, protože všechny reakce vedoucí k tvorbě pyruvátu probíhají stejně a nejsou závislé na přítomnosti nebo nepřítomnosti kyslíku v buňce. Jediným rozdílem je intenzita průběhu některých reakčních kroků. Pokud je kyslíku málo, nedochází k reoxidaci NADH dostatečně rychle (neuplatňují se reakce probíhající v respiračním řetězci) ale vytvořené NADH se reoxiduje ve spřažené reakci při přeměně pyruvátu na laktát. Bohužel za tento alternativní způsob musí buňka zaplatit svoji daň, a ta spočívá v celkově výrazně nižším energetickém výtěžku glykolýzy. Aby buňka dosáhla potřebného zisku energie, musí v konečném důsledku přeměnit mnohem více glukózy.
Nově se glykolýza pomyslně rozděluje na 3 fáze a všechny probíhají v cytosolu buňky. V první fázi buňka investuje do glukózy vlastní energii a metabolity povyšuje na energeticky výhodnější pozici. Tato fáze zahrnuje první 3 kroky. V prvním kroku se glukóza po vstupu do buňky fosforyluje hexokinázou (1, v jaterních buňkách specializovaným enzymem glukokinázou) na glukóza-6-fosfát. Od tohoto kroku se všechny meziprodukty glykolýzy nachází ve fosforylované formě. Vazba mezi fosfátovou skupinou a příslušným cukrem je esterová nebo anhydridová. Ve druhém kroku dochází k tvorbě fruktóza-6-fosfátu a reakci katalyzuje enzym fosfohexosaizomeráza (2). Nakonec je další fosforylací zvýšena energetická úroveň vzniklého fruktóza-1,6-bisfosfátu, tuto reakci katalyzuje enzym fosfofruktokináza (3). Ovlivňování aktivity tohoto enzymu je prvním významným regulačním místem procesu glykolýzy. V první fázi glykolýzy se tedy na přeměnu 1 molekuly glukózy spotřebují 2 ATP. Cílem je zvýšení energetického potenciálu fruktóza-1,6-bisfosfátu a tím i umožnění dalších reakcí glykolýzy. Na následujícím schématu je pro větší přehlednost znázorněn šipkami pouze směr přeměny glukózy směrem k pyruvátu, i když většina reakcí je vratných. Ze stejného důvodu jsou místo dlouhých názvů enzymů použita čísla umístěná na šipkách.
Ve druhé fázi dochází působením enzymu aldolázy (4) ke štěpení fruktóza-1,6-bisfosfátu na dva tříuhlíkaté fosforylované cukry. Jednak vzniká glyceraldehyd-3-fosfát (GAP) a také dihydroxyacetonfosfát (DHAP, glyceronfosfát). Protože v glykolýze může pokračovat pouze glyceraldehyd-3-fosfát, vyřešila buňka problém s vedlejším produktem reakce (dihydroxyacetonfosfátem) velice efektivně. Do procesu se zapojuje další enzym, fosfotriosaizomerázu (5), který dokáže dostatečně rychle přeměňovat dihydroxyacetonfosfát na glyceraldehyd-3-fosfát. S troškou nadsázky bychom řekli, dokonalý příklad bezodpadové technologie. Ve skutečnosti má tato izomerace mimořádný význam při propojení glykolýzy s využitím glycerolu uvolněného z tuků.
Ve třetí fázi se nejprve oxiduje glyceraldehyd-3-fosfát na 1,3-bisfosfoglycerát za účasti enzymu glyceraldehyddehydrogenázy (6). V šestém kroku glykolýzy přenáší 3-fosfoglycerátkináza (7) fosfátovou skupinu na ADP za současného vzniku 3-fosfoglycerátu. Ten se v sedmém kroku přeměňuje působením enzymu fosfoglycerátmutázy (8) na 2-fosfoglycerát, jehož molekula má prostorové uspořádání výhodnější pro následný přesmyk elektronů, uvolnění vody a vznik fosfoenolpyruvátu, což je sloučenina s vysokým potenciálem pro přenos fosfátové skupiny. Tuto klíčovou reakci katalyzuje enzym enoláza (9). Posledním krokem je přenos fosfátové skupiny na ADP za účasti pyruvátkinázy (10) a uvolnění pyruvátu. Pyruvát je konečným metabolitem glykolýzy a jeho další přeměna je závislá na dostupnosti kyslíku v buňce. Ve třetí fázi glykolýzy se na přeměnu 1 molekuly glukózy vytvoří 4 ATP a 2 NADH+H+.
Fosforylace glukózy - krok 1
Glukóza se vstřebává do buňky především díky koncentračnímu spádu (facilitovaná difúze s využitím některého z přenašečů, jedná se o formu pasivního transportu). Aby tedy mohla být glukóza do buňky kontinuálně vstřebávána, musí se v cytosolu udržovat její nízká koncentrace. Hexokináza je přítomna ve všech buňkách s výjimkou jaterního parenchymu a pankreatických ostrůvků. Má vysokou afinitu (nízká hodnota Km) ke glukóze, což v důsledku znamená, že je schopna reakci katalyzovat i při poměrně nízkých koncentracích glukózy. Jejím hlavním úkolem je tedy zajišťovat dodávku glukózy tkáním i při nízkém obsahu glukózy v krvi. Glukóza vstřebaná do buňky je pod účinkem hexokinázy ihned fosforylována na glukóza-6-fosfát, čímž je neustále udržována nízká koncentrace glukózy v cytosolu buňky a tedy i potřebný koncentrační spád směrem dovnitř buňky. Hexokináza nemá vyhraněnou specifitu, je schopna fosforylovat α- i β-anomer glukózy a dokonce i některé další hexózy (i když s nižší rychlostí). Tento enzym je allostericky inhibován zvýšenou koncentrací právě glukóza-6-fosfátu. To znamená, že pokud nabídka glukóza-6-fosfátu překračuje jeho potřeby pro právě probíhající ostatní reakce, jeho syntéza se utlumí, koncentrace glukózy v cytosolu buňky se začne zvyšovat, to vede ke zmenšení koncentračního spádu a snížení rychlosti vstřebávání glukózy do buňky.
V buňkách jaterního parenchymu a v buňkách pankreatických ostrůvků se nachází specifická glukokináza, jejíž účinek na glukózu je stejný jako v případě hexokinázy, aktivita enzymu je však inducibilní (je závislá na obsahu glukózy v krvi) a navíc působí nejlépe při koncentracích glukózy vyšších než 5 mmol/l (hodnota Km je vysoká). Tento enzym je specifický pouze pro glukózu, nefosforyluje jiné hexózy. Oba enzymy musí zajistit dostatečný přísun glukóza-6-fosfátu pro glykolýzu. Zatímco v buňkách s hexokinázou se nijak dramaticky nezvyšuje produkce glukóza-6-fosfátu ani při výrazném zvýšení obsahu glukózy v krvi, v případě jaterních buněk s glukokinázou je tomu právě naopak. Čím vyšší koncentrace glukózy v krvi je, tím více se enzymu v buňce vytváří a také se zvyšuje jeho aktivita. Proto jsou právě játra místem intenzivní tvorby glykogenu a právě zde je také lokalizována rozhodující glykogenová zásoba v těle. Rozdílné chování hexokinázy a glukokinázy má tedy zásadní význam pro využití glukózy v okamžiku po jídle a v době hladovění.
Glukóza-6-fosfát je důležitou sloučeninou na spojce mezi několika metabolickými drahami (glykolýzy, glukoneogeneze, glykogenolýzy, glykogenogeneze a pentosofosfátové dráhy). Jako donor fosfátu je využit ATP (ve formě komplexu s kationtem hořčíku, alternativně i s manganem) a při této reakci se ztrácí hodně volné energie ve formě tepla. Díky této ztrátě volné energie se stává reakce prakticky nevratnou.
Změna aldózy na ketózu - krok 2
Aby mohla glykolýza dále pokračovat, je nutné změnit aldózu na ketózu. Děje se tak působením fosfoglukosaizomerázy, což je enzym s vysokou specifitou (působí pouze na α - anomer glukózy). Z chemického hlediska se šestičlenný pyranózní kruh glukóza-6-fosfátu mění na pětičlenný furanózní kruh fruktóza-6-fosfátu.
Význam tohoto kroku je názorněji patrný, pokud se výše uvedená reakce znázorní vzorci v lineární podobě. Reakce je za fyziologických podmínek vratná.
Druhá fosforylace - krok 3
V tomto kroku glykolýzy dochází k další fosforylaci. Reakci katalyzuje fosfofruktokináza (přesněji fosfofruktokináza 1, PFK-1), což je inducibilní a allosterický enzym a ovlivňování jeho aktivity je jedním z hlavních regulačních mechanismů celého procesu glykolýzy. Aktivitu enzymu snižuje vysoká koncentrace ATP (ale pokud je současně i vysoká koncentrace ADP, inhibiční efekt ATP se snižuje) a také citrátu. Enzym se skládá ze čtyř podjednotek a ATP se váže na jeho specifické regulační místo (odlišné od katalytického centra enzymu). Tím se snižuje afinita enzymu k fruktóza-6-fosfátu.
Vysoký obsah citrátu znamená, že určité meziprodukty citrátového cyklu (intermediární metabolity) jsou také přítomny v nadbytku a jejich doplňování dalším rozkladem glukózy je zbytečné. Proto vysoká koncentrace citrátu způsobí i výrazné snížení aktivity fosfofruktokinázy a tedy i zpomalení procesu glykolýzy. Aktivita enzymu je normální při požadavku dodávky energie nebo potřebě syntézy. Jakmile je vytvořeno dostatečné množství ATP a není potřeba vytvářet uhlíkatý skelet pro syntetické procesy, aktivita enzymu klesá téměř k nule. Snížení aktivity fosfofruktokinázy způsobí i pokles aktivity hexokinázy. Pokud se přestane spotřebovávat fruktóza-6-fosfát, narůstá koncentrace i glukóza-6-fosfátu, protože oba tyto fosforylované estery jsou v rovnováze. Zvýšená koncentrace glukóza-6-fosfátu způsobí i inhibici aktivity enzymu hexokinázy. Jedná se v pořadí o druhou reakci glykolýzy, která je nevratná. Regulace aktivity fosfofruktokinázy je považována za nejdůležitější faktor řízení celého procesu glykolýzy.
Tvorba tříuhlíkatých metabolitů - krok 4
Vznikem fruktóza-1,6-bisfosfátu se vytvoří sloučenina s dostatečným energetickým potenciálem, která snadno hydrolyzuje na dva tříuhlíkaté fosforylované estery. To proto, že molekula fruktóza-1,6-bisfosfátu je velice polarizovaná, k čemuž významně přispívá rovnoměrné rozložení fosfátových skupin (na uhlíku 1 a 6). Díky této polarizaci se stává vazba mezi 3 a 4 uhlíkem velice labilní a snadno se rozštěpí.
Působením aldolázy dochází k snadnému rozštěpení fruktóza-1,6-bisfosfátu právě mezi 3 a 4 uhlíkem na dva tříuhlíkaté fosforylované estery, které jsou si vzájemnými izomery. Glyceraldehyd-3-fosfát je aldózou, dihydroxyacetonfosfát (glyceronfosfát) je ketózou. Pro další průběh glykolýzy je nutná další fosforylace spřažená s oxidací a tato reakce je možná pouze u prostorového uspořádání aldózy. Proto se v následném kroku uplatňuje pouze glyceraldehyd-3-fosfát.
Z pohledu glykolýzy by se dihydroxyacetonfosfát mohl jevit jako odpadní produkt reakce. Buňka nemá ráda odpadní produkty, protože to pro ni znamená vydávat zbytečnou energii a práci na jejich likvidaci. Protože se jedná o velice podobnou sloučeninu odlišující se pouze jiným uspořádáním elektronů na prvním a druhém uhlíku, „vymyslela příroda“ efektnější způsob, jak se této sloučeniny zbavit. A nejlepší by bylo, aby jí přitom ještě posloužila. Zapojila tedy do procesu glykolýzy další enzym, v tomto případě triosafosfátizomerázu, která potřebný přesmyk elektronů zajistí. Rázem se z odpadního produktu stává velice žádoucí zásobní forma pro glyceraldehyd-3-fosfát. A že tomu tak skutečně v buňce je, potvrzuje i rovnováha, která se mezi oběma fosfoestery ustavuje. Poměr mezi dihydroxyacetonfosfátem a glyceraldehyd-3-fosfátem je při fyziologických podmínkách přibližně 96 : 4 (vyjádřeno v %). Tím se dostává dihydroxyacetonfosfát do pozice, kdy plynule udržuje konstantní koncentraci glyceraldehyd-3-fosfátu pro hladký průběh dalších reakcí glykolýzy. Jak je navíc patrné z reakcí spojených s metabolismem tuků stává se také intermediárním metabolitem propojujícím reakce glykolýzy a reakcí spojených právě s metabolismem tuků a mastných kyselin. Pro další průběh glykolýzy lze zjednodušeně tento reakční krok posuzovat tak, že z jedné molekuly fruktóza-1,6-bisfosfátu vzniknou 2 molekuly glyceraldehyd-3-fosfátu. Proto je třeba mít na zřeteli, že všechny další kroky jsou z důvodů větší přehlednosti popisovány ve vztahu k jedné molekule glyceraldehyd-3-fosfátu, ve skutečnosti se to ale týká dvou molekul. Obě reakce probíhající ve 4 kroku glykolýzy jsou vratné.
Oxidace glyceraldehyd-3-fosfátu - krok 5
V tomto kroku glykolýzy dochází k oxidaci aldehydické skupiny glyceraldehyd-3-fosfátu, která je spřažená se současným navázáním ortofosfátu na vzniklý karboxyl. Při této oxidačně-redukční reakci vzniká acylfosfát, sloučenina s vysokým potenciálem pro přenos fosfátové skupiny. Energie, která se uvolňuje při oxidaci, je transformována do energie fosfátové vazby. Tato reakce je příkladem fosforylace na substrátové úrovni.
Aby mohlo dojít k uvedené reakci, musí být od aldehydické skupiny odtržen hydridový iont, což je vlastně atom vodíku se dvěma elektrony (modře znázorněný). K tomu může dojít pouze za podmínky, kdy je atom uhlíku aldehydické skupiny atakován vhodným nukleofilním činidlem (na schématu označeno jako X), které oslabí částečný kladný náboj atomu uhlíku (k tomu přispívá i proton působící na atom kyslíku, protože oslabuje vliv kyslíku na rozdělení hustoty elektronového oblaku tvořícího vazbu mezi kyslíkem a uhlíkem).
Reakci katalyzuje glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenáza, což je enzym tvořený 4 podjednotkami vytvářející tetramer. V aktivním centru enzymu se nachází aminokyselina cystein a její sulfhydrylová skupina se chová jako nukleofilní činidlo. Nejprve je aktivní centrum enzymu aktivováno navázáním NAD+, které vystupuje v reakci jako koenzym (I). Dochází k pozměnění prostorového uspořádání aktivního centra enzymu, přičemž sulfhydrylová skupina (v oxidované formě) se dostane do polohy umožňující vazbu na aldehydický uhlík glyceraldehyd-3-fosfátu za vzniku thiohemiacetalu (II).
Koenzym NAD+ je schopen vázat hydridový iont (III), ovšem za cenu přerozdělení elektronů v pyridinovém jádře. To způsobí výrazné snížení vazebné síly enzymu směrem k nově vytvořenému NADH a ten se díky tomu uvolní z aktivního centra enzymu (IV). Uvolnění NADH z vazby s enzymem způsobí, že se z thiohemiacetalu vlastně vytvoří thioester (jedná se o oxidaci), který lze považovat za energeticky bohatou sloučeninu (V).
Následně se na uvolněné místo opětovně naváže NAD+ (V) a to umožní fosforolýzu sirné makroergické vazby a transformaci energie do fosfátové skupiny. Vzniká energeticky bohatá kyselina 1,3-bisfosfoglycerová (VI). Při oxidaci aldehydické skupiny se uvolňuje energie, která se fixuje do thioesterové vazby. Hydrolýzou se energie této makroergické vazby následně fixuje do kineticky stabilní acylfosfátové vazby.
Tvorba 1,3-bisfosfoglycerátu z glyceraldehyd-3-fosfátu má mimořádně velký význam, protože termodynamicky nevýhodná reakce (vznik acylfosfátu z karboxylu) je spřažena s termodynamicky výhodnou reakcí (oxidace aldehydu). Jedná se o vratnou reakci.
Zachycení makroergického fosfátu - krok 6
Makroergický fosfát vytvořený v předešlém kroku je přenesen na ADP za současného vzniku 3-fosfoglycerátu. Reakci katalyzuje fosfoglycerátkináza. Jedná se o první reakci glykolýzy, při které vzniká ATP. Reakce je vratná.
V erytrocytech některých savců se přeměňuje přibližně pětina 1,3-bisfosfoglycerátu na 2,3-bisfosfoglycerát. Reakci katalyzuje bisfosfoglycerátmutáza. Důvodem, proč erytrocyty vynechávají fosfoglycerátkinázovou reakci (při které se tvoří ATP) je, že 2,3-bisfosfoglycerát slouží jako významný modulátor při asociaci kyslíku na hemoglobin.
Změna prostorového uspořádání - krok 7
Aby mohla buňka využít energetický potenciál 3-fosfoglycerátu, musí nejprve zvýšit potenciál pro přenos fosfátové skupiny. Prvním krokem k dosažení tohoto cíle je přesun fosfátové skupiny ze třetího na druhý uhlík. Reakci katalyzuje fosfoglyceromutáza. Reakce je vratná.
Je pravděpodobné, že přeměna 3-fosfoglycerátu na 2-fosfoglycerát probíhá přes tvorbu meziproduktu, kterým je 2,3-bisfosfoglycerát. Donorem fosfátové skupiny je 1,3-bisfosfoglycerát a akceptorem je 3-fosfoglycerát.
Tvorba enolu - krok 8
Vznikem 2-fosfoglycerátu se dosáhlo potřebného prostorového uspořádání umožňujícího realizovat buňce rozhodující elektronové přeskupení a vytvoření potřebné dvojné vazby mezi druhým a třetím uhlíkem. Odstranění kyslíku ze třetího uhlíku a vytvoření dvojné vazby významně zesílí účinek karboxylu na hustotu elektronového oblaku kolem druhého uhlíku a tím i zvýšení polarity makroergické vazby. V tomto elektronovém přeskupení tkví zvýšení potenciálu pro přenos fosfátové skupiny.
Dehydratací se dosáhne potřebného povýšení energetického potenciálu fosfátové skupiny na druhém uhlíku a výsledným produktem tohoto kroku glykolýzy je energeticky velice bohatá sloučenina fosfoenolpyruvát. Reakci katalyzuje enoláza a jedná se o vratnou reakci.
Pyruvát je konečným produktem glykolýzy - krok 9
Posledním krokem je vznik pyruvátu za současné produkce ATP. Reakci katalyzuje pyruvátkináza. Na rozdíl od produkce ATP při přeměně 1,3-bisfosfoglycerátu se v tomto případě nejedná o oxidačně-redukční reakci, ale přímo o přenos fosfátové skupiny. Při reakci vzniká enol-forma pyruvátu, která je však méně stabilní a proto zcela spontánně přechází na keto formu. Tento spontánní proces je doprovázený uvolněním volné energie, především ve formě tepla. Tato ztráta energie způsobí, že lze tuto reakci považovat za fyziologických podmínek za nevratnou.
Energetická výtěžnost glykolýzy
Výtěžnost glykolýzy je nutno posuzovat v souvislosti s navazujícími procesy. Pokud výpočet vychází z přeměny volné glukózy, pak se na fosforylaci spotřebují 2 ATP (tvorba glukóza-6-fosfátu a fruktóza-1,6-bisfosfátu). Zisk činí 4 ATP (2 ATP při přeměně 1,3-bisfosfoglycerátu a 2 ATP v pyruvátkinázové reakci). Celková bilance je tedy 4 - 2 = 2 ATP. Pokud se však jako výchozí substrát bere glykogen, je výchozím substrátem glukóza-1-fosfát (ne volná glukóza). Protože přeměna glukóza-1-fosfátu na glukóza-6-fosfát nevyžaduje dodávku energie, je v tomto případě celková bilance glykolýzy 4 - 1 = 3 ATP.
Pokud probíhá glykolýza za aerobních podmínek, je k celkové bilanci nutno připočítat ještě energii získanou po vstupu NADH do dýchacího řetězce. Je-li NADH přeneseno do mitochondrií formou malátového člunku, je celková bilance 8 ATP. Pokud je přeneseno glycerolfosfátovým člunkem, je celková bilance 6 ATP. Následnou přeměnou pyruvátu na vodu a oxid uhličitý se získá dalších 30 ATP. Celková bilance glykolýzy za aerobních podmínek může činit až 38 ATP.
Za anaerobních podmínek se však vytvořené NADH spotřebuje na tvorbu laktátu a celková bilance činí pouze 2 ATP. Pokud však vychází glykolýza z glykogenu, je celková bilance glykolýzy za anaerobních podmínek 3 ATP. Proto je za anaerobních podmínek pro buňku velkou výhodou, jestliže vychází z glykogenu (a ne z volné glukózy), protože celková produkce makroergických fosfátů je o 50 % vyšší (ve vztahu ke stejnému množství vyprodukovaného laktátu).
Regulace glykolýzy
Glykolýza je proces, který plní v metabolismu dvojí roli. Jednak je zdrojem ATP, na druhou stranu vytváří uhlíkatý skelet nutný pro biosyntetické reakce. Jakým směrem se bude konečná přeměna pyruvátu ubírat, závisí na momentálním stavu buňky a její potřebě. Glykolýzu lze tedy považovat za sled reakcí amfibolického charakteru a teprve konkrétní situace rozhodne, zda bude využívána pro tvorbu ATP (katabolická dráha) nebo pro tvorbu tuků (anabolická dráha).
Fyzická zátěž je příkladem aktivace glykolýzy pro katabolické procesy, zejména pro buňky kosterního svalstva. Dalším příkladem je zajištění energie pro mozek a erytrocyty, v tomto případě je glykolýza nezastupitelným procesem pro zajištění ATP. Naopak příjem potravy stimuluje glykolýzu pro anabolické procesy a produkci tuků v játrech a v tukové tkáni.
Enzymy katalyzující reakce glykolýzy se nachází v cytosolu buňky a jsou proto velice dobře přístupné k případnému ovlivňování jejich aktivity. Zásadní význam pro regulaci glykolýzy mají enzymy, které katalyzují nevratné reakce. Na následujícím schématu jsou znázorněny klíčové reakce (i navazující na glykolýzu) a rozhodující substráty případně hormony, které aktivitu těchto enzymů ovlivňují.
Hexokináza (1) je aktivována inzulínem a inhibována glukagonem. Současně je inhibována (allostericky) zvýšenou koncentrací glukóza-6-fosfátu. Jaterní glukokináza inzulínem ani vyšší koncentrací glukóza-6-fosfátu ovlivňována není, zvyšuje ale svoji aktivitu v důsledku příjmu vysokosacharidové potravy.
Fosfofruktokináza (2) je klíčovým enzymem celé glykolýzy. Aktivuje se snižováním koncentrace citrátu a ATP (přesněji snižováním poměru ATP/AMP) a zvyšováním koncentrace fruktóza-2,6-bisfosfátu (důležitý substrát regulace glykolýzy, signální molekula v řízení procesu).
Pyruvátkináza (3) je stimulována inzulínem a hlavně zvyšující se koncentrací fruktóza-1,6-bisfosfátu. To znamená, že pokud probíhá intenzívně glykolýza, zvyšuje se i aktivita pyruvátkinázy. Stejně tak se stimuluje její aktivita při zvýšené potřebě energie v erytrocytech, tedy když se zvyšuje koncentrace fruktóza-2,6-bisfosfátu. V játrech, kde jsou upřednostňovány především anabolické procesy, je její aktivita inhibována vyšší koncentrací alaninu a ATP.
Z enzymů katalyzujících navazující reakce na glykolýzu je to především pyruvátdehydrogenáza (4), laktátdehydrogenáza (5) a enzym s dvojí aktivitou regulující tvorbu fruktóza-2,6-bisfosfátu (6).
Regulace metabolismu glukózy je precizní proces zajišťující udržování konstantní koncentrace glukózy v krvi v rozmezí 3,5 až 5,5 mmol/l, která za fyziologických podmínek (u zdravého člověka) nestoupne ani po příjmu vysokosacharidové potravy na více než 10 mmol/l. Stálá hodnota glukózy je udržována za cenu jejího intenzívního metabolismu, především procesem glykolýzy a glukoneogeneze. Předpokládá se, že každá molekula glukózy přijatá potravou se denně přemění až 25x (rozloží se a opětovně syntetizuje na jiném místě) než v podobě vody a oxidu uhličitého nakonec opustí tělo.
Důležitou úlohu v regulaci průběhu glykolýzy hraje aktuální koncentrace jednotlivých fosforylovaných metabolitů. Jak zásadní vliv má změna koncentrace některého z metabolitů na průběh glykolýzy je názorně ukázáno na následujícím grafu. I reakce, která za rovnovážných podmínek probíhá jedním směrem, má zcela opačný průběh při koncentracích obvyklých za fyziologických podmínek.
Související články
Termochemické zákony - biochemie
Adenosinfosfátové koenzymy - biochemie
Nikotinamidové koenzymy - biochemie
Odkazy
Při zpracovávání textů a grafické stránky článků byly využity podklady z odborné literatury a internetu. Převzaté obrázky byly graficky upraveny pro potřeby tohoto webu. Kreslené obrázky podléhají autorským právům. Seznam použité literatury naleznete zde.