GLYCOLYSIS: CHỨC NĂNG, ENZYM, GIAI ĐOẠN, SẢN PHẨM, TẦM QUAN TRỌNG - SINH HỌC - 2025

Đường phân hay đường phân là con đường chính của quá trình dị hóa glucose, mục đích cuối cùng là tạo ra năng lượng ở dạng ATP và giảm năng lượng ở dạng NADH, từ carbohydrate này.

Lộ trình này, được làm sáng tỏ đầy đủ vào những năm 1930 bởi Gustav Embden và Otto Meyerhof trong khi nghiên cứu sự tiêu thụ glucose trong các tế bào cơ xương, bao gồm quá trình oxy hóa hoàn toàn monosaccharide này và tự nó đại diện cho một con đường kỵ khí đối với thu được năng lượng.

Cấu trúc phân tử của ATP, một trong những sản phẩm đường phân (Tóm tắt về con đường đường phân (Nguồn: Tekks tại Wikipedia tiếng Anh / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) qua Wikimedia Commons) qua Wikimedia Commons)

Nó là một trong những con đường trao đổi chất chính, vì nó xảy ra, với sự khác biệt của nó, ở tất cả các sinh vật sống tồn tại, đơn bào hay đa bào, sinh vật nhân sơ hay sinh vật nhân chuẩn, và nó được cho là một chuỗi phản ứng được bảo tồn về mặt tiến hóa trong tự nhiên.

Trên thực tế, có một số sinh vật và loại tế bào phụ thuộc hoàn toàn vào con đường này để tồn tại.

Trong trường hợp đầu tiên, quá trình đường phân bao gồm quá trình oxy hóa glucose, có 6 nguyên tử cacbon, thành pyruvat, có 3 nguyên tử cacbon; với việc sản xuất đồng thời ATP và NADH, hữu ích cho tế bào theo quan điểm trao đổi chất và tổng hợp.

Trong các tế bào có khả năng xử lý tiếp các sản phẩm thu được từ quá trình dị hóa glucose, quá trình đường phân kết thúc với việc sản xuất carbon dioxide và nước thông qua chu trình Krebs và chuỗi vận chuyển điện tử (đường phân hiếu khí).

Mười phản ứng enzym diễn ra trong quá trình đường phân, và mặc dù cơ chế điều hòa của những phản ứng này có thể hơi khác nhau giữa các loài, các cơ chế điều hòa cũng khá được bảo tồn.

Chức năng của đường phân

Theo quan điểm trao đổi chất, glucose là một trong những loại carbohydrate quan trọng nhất đối với mọi sinh vật.

Nó là một phân tử ổn định và rất dễ hòa tan, vì vậy nó có thể được vận chuyển tương đối dễ dàng trong toàn bộ cơ thể của động vật hoặc thực vật, từ nơi lưu trữ và / hoặc thu được đến nơi cần thiết làm nhiên liệu tế bào.

Cấu trúc của glucose (Nguồn: Oliva93 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) qua Wikimedia Commons)

Năng lượng hóa học chứa trong glucose được các tế bào sống khai thác thông qua quá trình đường phân, bao gồm một loạt các bước được kiểm soát cao, nhờ đó năng lượng giải phóng từ quá trình oxy hóa carbohydrate này có thể được "bắt" thành các dạng năng lượng hữu ích hơn. , do đó tầm quan trọng của nó.

Thông qua con đường này, không chỉ thu được năng lượng (ATP) và năng lượng khử (NADH), mà còn cung cấp một loạt các chất trung gian trao đổi chất là một phần của các con đường khác, cũng quan trọng từ quá trình đồng hóa (sinh tổng hợp) và hoạt động chung của tế bào. Đây là danh sách:

- Glucose 6-phosphate cho Con đường Pentose Phosphate (PPP)

- Pyruvate để lên men lactic

- Pyruvate để tổng hợp các axit amin (chủ yếu là alanin)

- Pyruvate cho chu trình axit tricarboxylic

- Fructose 6-phosphate, glucose 6-phosphate và dihydroxyacetone phosphate, có chức năng như “khối xây dựng” trong các lộ trình khác như tổng hợp glycogen, axit béo, triglyceride, nucleotide, axit amin, v.v.

Sản xuất năng lượng

Lượng ATP được tạo ra theo con đường đường phân, khi tế bào tạo ra nó không thể sống trong điều kiện hiếu khí, đủ để cung cấp nhu cầu năng lượng của tế bào khi nó được kết hợp với các loại quá trình lên men khác nhau.

Tuy nhiên, đối với các tế bào hiếu khí, quá trình đường phân cũng đóng vai trò như một nguồn năng lượng khẩn cấp và đóng vai trò như một "bước chuẩn bị" trước khi xảy ra các phản ứng phosphoryl hóa oxy hóa đặc trưng cho các tế bào có chuyển hóa hiếu khí.

Các enzym tham gia vào quá trình đường phân

Glycolysis chỉ có thể thực hiện được nhờ sự tham gia của 10 enzym xúc tác các phản ứng đặc trưng cho con đường này. Nhiều trong số các enzym này có tính dị hình và thay đổi hình dạng hoặc cấu trúc khi chúng thực hiện chức năng xúc tác của mình.

Có những enzym phá vỡ và hình thành liên kết cộng hóa trị giữa các chất nền của chúng và có những enzym khác đòi hỏi các đồng yếu tố cụ thể để thực hiện chức năng của chúng, chủ yếu là các ion kim loại.

Về mặt cấu trúc, tất cả các enzym đường phân đều có trung tâm bao gồm cơ bản là các tấm β song song được bao quanh bởi các xoắn α và được sắp xếp trong nhiều vùng. Hơn nữa, các enzym này có đặc điểm là các vị trí hoạt động của chúng thường ở vị trí liên kết giữa các miền.

Cũng cần lưu ý rằng sự điều hòa chính của con đường đi qua sự kiểm soát (nội tiết tố hoặc bởi các chất chuyển hóa) của các enzym như hexokinase, phosphofructokinase, glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase và pyruvate kinase.

Các điểm điều chỉnh chính của con đường đường phân (Nguồn: Gregor 0492 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) qua Wikimedia Commons)

1- Hexokinase (HK)

Phản ứng đầu tiên của quá trình đường phân (sự phosphoryl hóa glucose) được xúc tác bởi hexokinase (HK), mà cơ chế hoạt động của nó dường như bao gồm một chất nền “thắt chặt gây ra” thúc đẩy “khóa” enzyme xung quanh ATP và của glucose (cơ chất của nó) một khi nó đã liên kết với chúng.

Tùy thuộc vào sinh vật được xem xét, có thể có một hoặc nhiều isoenzyme, có trọng lượng phân tử nằm trong khoảng từ 50 (khoảng 500 axit amin) đến 100 kDa, vì chúng dường như nhóm lại với nhau ở dạng dimer, mà sự hình thành của chúng được ưu tiên bởi sự hiện diện của glucose, ion magiê. và ATP.

Hexokinase có cấu trúc bậc ba bao gồm các tấm alpha và beta mở, mặc dù có nhiều khác biệt về cấu trúc trong các enzym này.

2- Phosphoglucose isomerase (PGI)

Glucose được phosphoryl hóa bởi hexokinase được đồng phân hóa thành fructose 6-phosphate thông qua phosphoglucose isomerase (PGI), còn được gọi là glucose 6-phosphate isomerase. Khi đó, enzyme không loại bỏ hoặc thêm các nguyên tử mà sắp xếp lại chúng ở mức cấu trúc.

Đây là một loại enzyme hoạt động ở dạng dimeric của nó (monome nặng hơn hoặc ít hơn 66 kDa) và không chỉ tham gia vào quá trình đường phân, mà còn tham gia vào quá trình tạo gluconeogenesis, tổng hợp carbohydrate trong thực vật, v.v.

3- Phosphofructokinase (PFK)

Fructose 6-phosphate là cơ chất cho enzyme phosphofructokinase, enzyme này có khả năng tái phosphoryl hóa phân tử này bằng cách sử dụng ATP làm chất cho nhóm phosphoryl, tạo ra fructose 1,6-bisphosphate.

Enzyme này tồn tại trong vi khuẩn và động vật có vú như là một enzyme homotetrameric (bao gồm bốn tiểu đơn vị giống nhau 33 kDa mỗi đơn vị đối với vi khuẩn và 85 kDa mỗi đơn vị ở động vật có vú) và trong nấm men, nó là một octamer (bao gồm các tiểu đơn vị lớn hơn, giữa 112 và 118 kDa).

Nó là một enzym allosteric, có nghĩa là nó được điều chỉnh tích cực hoặc tiêu cực bởi một số sản phẩm của nó (ADP) và bởi các phân tử khác như ATP và citrate.

4- Aldolasse

Còn được gọi là fructose 1,6-bisphosphate aldolase, aldolase xúc tác sự phân hủy xúc tác của fructose 1,6-bisphosphate thành dihydroxyacetone phosphate và glyceraldehyde 3-phosphate và phản ứng ngược lại, tức là sự kết hợp của cả hai loại đường để hình thành fructozơ 1,6-bisphotphat.

Nói cách khác, enzyme này cắt fructose 1,6-bisphosphate ngay một nửa, giải phóng hai hợp chất 3 carbon đã được phosphoryl hóa. Aldolase cũng bao gồm 4 đơn vị con giống nhau, mỗi đơn vị có vị trí hoạt động riêng.

Sự tồn tại của hai lớp (I và II) của enzym này đã được xác định, chúng được phân biệt bởi cơ chế phản ứng mà chúng xúc tác và bởi vì một số (lớp đầu tiên) xảy ra ở vi khuẩn và sinh vật nhân thực "thấp hơn", và những lớp khác ( thứ hai) có trong vi khuẩn, nguyên sinh và metazoan.

Aldolase của sinh vật nhân chuẩn "cao hơn" bao gồm homotetramer của các tiểu đơn vị trọng lượng phân tử 40 kDa, mỗi đơn vị bao gồm một thùng được tạo thành từ 8 tấm β / α.

5- Triose phosphate isomerase (TIM)

Hai bộ ba được phosphoryl hóa có thể được chuyển đổi cho nhau nhờ hoạt động của triose-phosphate isomerase, cho phép cả hai loại đường được sử dụng trong suốt quá trình đường phân, đảm bảo sử dụng đầy đủ từng phân tử glucose đi vào con đường này.

Enzyme này đã được mô tả là loại enzyme "hoàn hảo", vì nó xúc tác phản ứng được mô tả nhanh hơn khoảng một nghìn tỷ lần so với phản ứng xảy ra mà không có sự tham gia của bạn. Vị trí hoạt động của nó nằm ở trung tâm của cấu trúc thùng bêta, đặc trưng của nhiều enzym đường phân.

Nó là một protein dimeric, được tạo thành từ hai tiểu đơn vị giống nhau có kích thước xấp xỉ 27 kDa, cả hai đều có cấu trúc hình cầu.

6- Glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase (GAPDH)

Glyceraldehyde 3-phosphate được tạo ra bởi tác động của aldolase và triose phosphate isomerase đóng vai trò như một chất nền cho GAPDH, là một enzyme homotetrameric (34-38 kDa mỗi tiểu đơn vị) hợp tác liên kết với một phân tử NAD + trong mỗi trong số 4 vị trí hoạt động của nó, cũng như 2 ion photphat hoặc sunfat.

Trong bước này, enzyme cho phép phosphoryl hóa một trong các chất nền của nó bằng cách sử dụng phosphate vô cơ làm chất cho nhóm phosphoryl, với sự khử đồng thời hai phân tử NAD + và sản xuất 1,3-bisphosphoglycerate.

7- Phosphoglycerate kinase (PGK)

Phosphoglycerate kinase chịu trách nhiệm chuyển một trong các nhóm phosphate của 1,3-bisphosphoglycerate thành phân tử ADP bằng cách phosphoryl hóa ở mức cơ chất. Enzyme này sử dụng một cơ chế tương tự như được sử dụng bởi hexokinase, vì nó đóng lại khi tiếp xúc với chất nền, bảo vệ chúng khỏi các phân tử nước gây nhiễu.

Enzyme này, giống như những enzyme khác sử dụng hai hoặc nhiều chất nền, có một vị trí liên kết cho ADP và một vị trí khác cho phosphate đường.

Không giống như các enzym khác được mô tả, protein này là một đơn phân 44 kDa có cấu trúc song bào, bao gồm hai vùng có cùng kích thước được nối với nhau bằng một “khe hở” hẹp.

8- Phosphoglycerate đột biến

3-phosphoglycerate trải qua sự thay đổi từ nhóm phosphate sang carbon 2, ở giữa phân tử, thể hiện vị trí không ổn định chiến lược, tạo điều kiện thuận lợi cho việc chuyển nhóm tiếp theo sang phân tử ATP trong phản ứng cuối cùng của con đường.

Sự sắp xếp lại này được xúc tác bởi enzyme phosphoglycerate mutase, một loại enzyme dimeric cho người và tetrameric cho nấm men, với kích thước tiểu đơn vị gần 27 kDa.

9- Enolase

Enolase xúc tác sự mất nước của 2-phosphoglycerate thành phosphoenolpyruvate, một bước cần thiết để tạo ATP trong phản ứng tiếp theo.

Nó là một enzym dimeric bao gồm hai tiểu đơn vị 45 kDa giống nhau. Nó phụ thuộc vào các ion magiê để ổn định và thay đổi cấu trúc cần thiết để liên kết với chất nền của nó. Nó là một trong những enzym được biểu hiện nhiều nhất trong bào tương của nhiều sinh vật và thực hiện các chức năng ngoài các enzym đường phân.

10- Pyruvate kinase

Quá trình phosphoryl hóa ở mức cơ chất thứ hai xảy ra trong quá trình đường phân được xúc tác bởi pyruvate kinase, chất này chịu trách nhiệm chuyển nhóm phosphoryl từ phosphoenolpyruvate thành ADP và sản xuất pyruvate.

Enzyme này phức tạp hơn bất kỳ enzym đường phân nào khác và ở động vật có vú, nó là enzym homotetrameric (57 kDa / tiểu đơn vị). Ở động vật có xương sống, có ít nhất 4 isoenzyme: L (trong gan), R (trong hồng cầu), M1 (trong cơ và não) và M2 (mô bào thai và mô trưởng thành).

Các giai đoạn đường phân (từng bước)

Con đường đường phân bao gồm mười bước tuần tự và bắt đầu với một phân tử glucose. Trong quá trình này, phân tử glucose được “kích hoạt” hoặc “chuẩn bị” với việc bổ sung hai phốt phát, đảo ngược hai phân tử ATP.

Sau đó, nó được "cắt" thành hai đoạn và cuối cùng nó được biến đổi về mặt hóa học một vài lần, trên đường đi, tổng hợp bốn phân tử ATP, sao cho độ lợi ròng của lộ trình tương ứng với hai phân tử ATP.

Từ những điều trên, có thể suy ra rằng lộ trình được chia thành giai đoạn “nghịch đảo” năng lượng, cơ bản cho quá trình oxy hóa hoàn toàn phân tử glucose và một giai đoạn “tăng” năng lượng khác, trong đó năng lượng được sử dụng ban đầu được thay thế và hai là thu được. các phân tử ATP ròng.

- Giai đoạn đầu tư năng lượng

1- Bước đầu tiên của con đường đường phân bao gồm quá trình phosphoryl hóa glucose qua trung gian hexokinase (HK), enzyme này sử dụng một phân tử ATP cho mỗi phân tử glucose được phosphoryl hóa. Đây là một phản ứng không thể đảo ngược và phụ thuộc vào sự hiện diện của các ion magiê (Mg2 +):

Glucose + ATP → Glucose 6-phosphate + ADP

2- Glucose 6-phosphate do đó được tạo ra được đồng phân hóa thành fructose 6-phosphate nhờ hoạt động của enzyme phosphoglucose isomerase (PGI). Đây là một phản ứng thuận nghịch và không liên quan đến việc tiêu tốn thêm năng lượng:

Glucose 6-photphat → Fructozơ 6-photphat

3- Sau đó, một bước nghịch đảo năng lượng khác liên quan đến quá trình phosphoryl hóa fructose 6-phosphate để tạo thành fructose 1,6-bisphosphate. Phản ứng này được xúc tác bởi enzyme phosphofructokinase-1 (PFK-1). Giống như bước đầu tiên của con đường, phân tử cho nhóm photphat là ATP và nó cũng là một phản ứng không thuận nghịch.

Fructose 6-phosphate + ATP → Fructose 1,6-bisphosphate + ADP

4- Trong bước đường phân này, có sự xúc tác phân hủy fructose 1,6-bisphosphate thành dihydroxyacetone phosphate (DHAP), một ketosis, và glyceraldehyde 3-phosphate (GAP), một aldose. Sự ngưng tụ aldol này được xúc tác bởi enzym aldolase và là một quá trình thuận nghịch.

Fructose 1,6-bisphosphate → Dihydroxyacetone phosphate + glyceraldehyde 3-phosphate

5- Phản ứng cuối cùng của giai đoạn nghịch đảo năng lượng bao gồm sự chuyển hóa lẫn nhau của triose phosphate DHAP và GAP được xúc tác bởi enzyme triose-phosphate isomerase (TIM), một thực tế là không cần thêm năng lượng và cũng là một quá trình thuận nghịch.

Dihydroxyacetone phosphate ↔ Glyceraldehyde 3-phosphate

- Giai đoạn tăng năng lượng

6- Glyceraldehyde 3-phosphate được sử dụng "hạ lưu" trong con đường đường phân như một chất nền cho phản ứng oxy hóa và một chất khác cho sự phosphoryl hóa, được xúc tác bởi cùng một loại enzyme, glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase (GAPDH).

Enzyme xúc tác quá trình oxy hóa cacbon C1 của phân tử thành axit cacboxylic và quá trình phosphoryl hóa nó ở cùng vị trí, tạo ra 1,3-bisphosphoglycerate. Trong quá trình phản ứng, mỗi phân tử glucozơ bị khử 2 phân tử NAD + và 2 phân tử photphat vô cơ được sử dụng.

2Glyceraldehyde 3-phosphate + 2NAD + + 2Pi → 2 (1,3-bisphosphoglycerate) + 2NADH + 2H

Ở các sinh vật hiếu khí, mỗi NADH được tạo ra theo cách này sẽ đi qua chuỗi vận chuyển điện tử để làm chất nền cho quá trình tổng hợp 6 phân tử ATP bằng quá trình phosphoryl hóa oxy hóa.

7- Đây là bước tổng hợp ATP đầu tiên trong quá trình đường phân và liên quan đến hoạt động của phosphoglycerate kinase (PGK) trên 1,3-bisphosphoglycerate, chuyển nhóm phosphoryl (phosphoryl hóa ở mức cơ chất) từ phân tử này sang phân tử của ADP, tạo ra 2ATP và 2 phân tử 3-photphoglycerat (3PG) cho mỗi phân tử glucoza.

2 (1,3-bisphosphoglycerate) + 2ADP → 2 (3-phosphoglycerate) + 2ATP

8- 3-phosphoglycerate đóng vai trò như một chất nền cho enzyme phosphoglycerate mutase (PGM), chuyển đổi nó thành 2-phosphoglycerate bằng cách chuyển nhóm phosphoryl từ carbon 3 sang carbon 2 thông qua một phản ứng hai bước có thể đảo ngược và phụ thuộc vào ion magie (Mg + 2).

2 (3-phosphoglycerate) → 2 (2-phosphoglycerate)

9- Enzyme enolase khử nước 2-phosphoglycerate và tạo ra phosphoenolpyruvate (PEP) thông qua một phản ứng không đảm bảo bổ sung năng lượng và mục đích của nó là tạo ra một hợp chất năng lượng cao, có khả năng tặng nhóm phosphoryl của nó như sau phản ứng.

2 (2-phosphoglycerate) → 2 Phosphoenolpyruvate

10- Phosphoenolpyruvate là cơ chất cho enzyme pyruvate kinase (PYK), chịu trách nhiệm chuyển nhóm phosphoryl trong phân tử này sang phân tử ADP, do đó xúc tác phản ứng phosphoryl hóa khác ở mức cơ chất.

Trong phản ứng, 2ATP và 2 phân tử pyruvate được tạo ra cho mỗi glucose và sự hiện diện của kali và magiê ở dạng ion là cần thiết.

2Phosphoenolpyruvate + 2ADP → 2Pyruvate + 2ATP

Sản lượng thực của quá trình đường phân, theo cách này, bao gồm 2ATP và 2NAD + cho mỗi phân tử glucose đi vào con đường.

Nếu đó là các tế bào có quá trình trao đổi chất hiếu khí, thì tổng sự phân giải của một phân tử glucose tạo ra từ 30 đến 32 ATP thông qua chu trình Krebs và chuỗi vận chuyển điện tử.

Sản phẩm của quá trình đường phân

Phản ứng tổng quát của quá trình đường phân như sau:

Glucose + 2NAD + + 2ADP + 2Pi → 2Pyruvate + 2ATP + 2NADH + 2H +

Do đó, nếu nó được phân tích ngắn gọn, có thể đảm bảo rằng các sản phẩm chính của con đường đường phân là pyruvate, ATP, NADH và H.

Tuy nhiên, số phận trao đổi chất của mỗi chất trung gian phản ứng phụ thuộc phần lớn vào nhu cầu của tế bào, đó là lý do tại sao tất cả các chất trung gian có thể được coi là sản phẩm phản ứng, và có thể được liệt kê như sau:

- Glucose 6-phosphate

- Fructose 6-phosphate

- Fructose 1,6-bisphosphat

- Dihydroxyacetone phosphate và glyceraldehyde 3-phosphate

- 1,3-bisphosphoglycerate

- 3-phosphoglycerate và 2-phosphoglycerate

- Phosphoenolpyruvate và pyruvate

Tầm quan trọng

Mặc dù thực tế là quá trình đường phân, tự nó (có thể nói là đường phân kỵ khí), chỉ tạo ra khoảng 5% ATP có thể được chiết xuất từ ​​quá trình dị hóa hiếu khí của glucose, con đường chuyển hóa này là cần thiết vì một số lý do:

- Nó đóng vai trò như một nguồn năng lượng “nhanh chóng”, đặc biệt là trong những trường hợp động vật phải nhanh chóng thoát ra khỏi trạng thái nghỉ ngơi, mà quá trình oxy hóa hiếu khí sẽ không đủ nhanh.

- Ví dụ, các sợi cơ xương "trắng" trong cơ thể người là các sợi co giật nhanh và phụ thuộc vào quá trình đường phân kỵ khí để hoạt động.

- Khi, vì một số lý do, tế bào cần phải làm gì mà không có một số ti thể (là những bào quan thực hiện quá trình phosphoryl hóa oxy hóa một phần của các sản phẩm đường phân, trong số những thứ khác) thì tế bào trở nên phụ thuộc nhiều hơn vào năng lượng thu được bởi con đường đường phân.

- Nhiều tế bào phụ thuộc vào glucose như một nguồn năng lượng thông qua đường phân, trong số đó có các tế bào hồng cầu , thiếu các cơ quan bên trong và các tế bào của mắt (đặc biệt là giác mạc) không có mật độ cao của ti thể.

Người giới thiệu

1. Canback, B., Andersson, SGE, & Kurland, CG (2002). Sự phát sinh loài toàn cầu của các enzym glycolytic. Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia, 99 (9), 6097-6102.
2. Chaudhry R, ​​Varacallo M. Hóa sinh, Glycolysis. . Trong: StatPearls. Đảo kho báu (FL): Nhà xuất bản StatPearls; 2020 tháng 1-. Có tại: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK482303/
3. Fothergill-Gilmore, LA, & Michels, PA (1993). Diễn biến của quá trình đường phân. Tiến bộ trong lý sinh và sinh học phân tử, 59 (2), 105-235.
4. Kim, JW, & Dang, CV (2005). Các vai trò nhiều mặt của enzym đường phân. Xu hướng trong khoa học sinh hóa, 30 (3), 142-150.
5. Kumari, A. (2017). Hóa sinh ngọt ngào: Ghi nhớ cấu trúc, chu kỳ và con đường bằng kỹ thuật ghi nhớ. Báo chí Học thuật.
6. Li, XB, Gu, JD, & Zhou, QH (2015). Đánh giá về quá trình đường phân hiếu khí và các enzym chính của nó - mục tiêu mới cho liệu pháp điều trị ung thư phổi. Ung thư lồng ngực, 6 (1), 17-24.