Glikoliza Flashcards
Što je glikoliza? Svrha i gdje se odvija?
Glikoliza je katabolički metabolički put koji se sastoji od niza od 10 međusobno povezanih enzimskih reakcija kojima se molekula glukoze prevodi u dvije molekule piruvata. Osnovna svrha razgrađnje glukoze u procesu glikolize je dobivanje energije za sintezu ATP-a. Sve reakcije glikolize odvijaju se u citosolu bez direktnog sudjelovanja kisika. Cijeli proces se može podijeliti u 3 stupnja.
Nabroji reakcije prvog stupnja.
Prvi stupanj glikolize se sastoji od tri reakcije kojima se glukoza prevodi u fruktoza-1,6-bisfosfat.
Prva je reakcija fosforilacije glukoze (C6-OH) koju katalizira enzim heksokinaza. Nastaja glukoza-6-fosfat.
Druga reakcija je reakcija izomerizacije glukoze-6-fosfata u fruktozu-6-fosfat koju katalizira enzim fosfoglukoza izmomeraza.
Treća reakcija je fosforilacija fruktoze-6-fosfata (C1-OH) koju katalizira enzim fosfofruktokinaza.
Što su kinaze? Mehanizam djelovanja?
Enzimi koji kataliziraju prijenos terminalne fosfatne grupe s ATP-a na neki supstrat ili sa fosforiliranog supstrata na ADP. Zajednički mehanizam djelovanja velikog broja kinaza je mehanizam “izazvanog pristajanja” (aktivno mjesto enzima poprima konačnu konformaciju tek prilikom vezanja supstrata).
Objasni građu i djelovanje heksokinaze.
Heksokinaza je građena tako da se aktivno mjesto nalazi u procjepu između dvije polutke enzima koje se nakon vezanja molekule glukoze zakreću i međusobno približe, pri čemu zatvore molekulu glukoze tako da je za interakciju sa ATP-om dostupna samo C6-OH grupa koja se treba fosforilirati. Zatvaranje aktivnog mjesta ujedno sprječava pristup molekulama vode čime se onemogućava nepoželjna reakcija prijenosa fosfatne skupine ATP-a na molekulu vode, a manje polarna mikrookolina dodatno olakšava prijenos fosfatne grupe sa ATP-a na glukozu.
Enzim heksokinaza nije strogo specifičan prema glukozi nego može fosforilirati i druge šećere sa 6 C atoma (heksoze). Međutim, afinitet heksokinaze prema glukozi je znatno veći nego prema drugim heksozama.
Zašto je bitna fosforilacija glukoze u prvoj reakciji glikolize?
Fosforilacija glukoze u glukoza-6-fosfat osigurava zadržavanje glukoze u stanici budući da u fosforiliranom obliku nije supstrat za protein transporter glukoze koji prenosi glukozu kroz staničnu membranu. Osim toga se ovom fosforilacijom povećava i reaktivnost molekule glukoze, što olakšava njen daljnji metabolizam.
Detaljno objasni i nacrtaj reakcije prvog stupnja.
Prvu reakciju fosforilacije glukoze katalizira enzim heksokinaza. Fosfatna skupina se u ovoj reakciji prenosi s molekule ATP-a na C6-OH skupinu glukoze, pri čemu nastaju produkti reakcije ADP i glukoza-6-fosfat.
U sljedećoj reakciji, koju katalizira enzim fosfoglukoza izomeraza, dolazi do izomerizacije glukoze-6-fosfata u fruktozu-6-fosfat. Pri tome se glukoza-6-fosfat, koja se u otopini nalazi pretežno u cikličkoj konformaciji, prvo prevodi u lančasti oblik pa onda izomerizira iz aldoze u ketozu, fruktozu-6-fosfat, koja se zatim ciklizira.
Nakon toga se fruktoza-6-fosfat u reakciji s ATPom fosforilira na C1-OH u reakciji koju katalizira enzim fosfofruktokinaza. Produkti ove reakcije su ADP i fruktoza-1,6-bisfosfat.
Nabroji reakcije drugog stupnja.
Prva reakcija je aldolno cijepanje fruktoze-1,6-bisfosfata na dvije fosforilirane trioze ( gliceraldehid-3-fosfat i dihidroksiacetonfosfat). Ovu reakciju katalizira enzim aldolaza.
Ta dva supstrata se lako prevode jedan u drugi i sljedećoj reakciji izomerizacije koju katalizira trioza-fosfat izomeraza.
Koji enzim je primjer kinetički savršenog enzima?
U ravnoteži je 96% trioza-fosfata u formi dihidroksiacetonfosfata, ali on brzo izomerizira u gliceraldehid-3-fosfat koji se koristi kao supstrat sljedeće reakcije u nizu. Odvođenje gliceraldehid-3-fosfata u sljedeću reakciju rezultira kontinuiranom izomerizacijom dihidroksiacetonfosfata u gliceraldehid-3-fosfat i onemogućava uspostavljanje ravnoteže reakcije. Trioza-fosfat izomeraza je primjer tzv. ˝kinetički savršenog enzima˝ jer mu je efikasnost (kcat/Km) toliko visoka da je brzina katalize ograničena jedino brzinom difuzije enzima i supstrata.
Nacrtaj i nabroji reakcije drugog stupnja.
Drugi stupanj glikolize započinje aldolnim cijepanjem fruktoza-1,6-bisfosfata na dvije fosforilirane trioze – gliceraldehid-3-fosfat i dihidroksiacetonfosfat. Ovu reakciju katalizira enzim aldolaza.
Reakcijama koje kataliziraju fosfoglukoza izomeraza i fosfofruktokinaza uspostavlja se konformacija molekule supstrata koja je potrebna da bi se u ovoj reakciji molekula heksoze pocijepala na dvije trioze. Gliceraldehid-3-fosfat i dihidroksiacetonfosfat koji nastaju aldolnim cijepanjem fruktoza-1,6- bisfosfata su izomeri koji se lako prevode jedan u drugi u reakciji izomerizacije koju katalizira enzim trioza-fosfat izomeraza. U ravnoteži je 96% trioza-fosfata u formi dihidroksiacetonfosfata, ali on brzo izomerizira u gliceraldehid-3-fosfat koji se koristi kao supstrat sljedeće reakcije u nizu. Odvođenje gliceraldehid-3-fosfata u sljedeću reakciju rezultira kontinuiranom izomerizacijom dihidroksiacetonfosfata u gliceraldehid-3-fosfat i onemogućava uspostavljanje ravnoteže reakcije.
Zašto su reakcije koje kataliziraju fosfoglukoza izomeraza i fosfofruktokinaza bitne za ovaj proces?
Tim reakcijama uspostavlja se konformacija molekule supstrata koja je potrebna da bi se u reakciji aldolnog cijepanja fruktoze-1,6-bisfosfata molekula heksoze pocijepala na dvije trioze.
Kada bi izostala reakcija izomerizacije glukoza-6-fosfata u fruktoza-6- fosfat, produkt druge fosforilacije bi bila molekula glukoza-1,6-bisfosfata. Ovakav slijed reakcija bi bio nepovoljan za stanicu jer bi u tom slučaju produkti reakcije aldolnog cijepanja bili jedna molekula sa dva i jedna sa četiri C atoma. Tada bi za daljnje odvijanje glikolize bila potrebna dva niza reakcija kojima bi se metabolizirale nastale molekule, ili se jedna od njih ne bi mogla koristiti za daljnje dobijanje energije. Nasuprot tome, gliceraldehid-3-fosfat i dihidroksiacetonfosfat koji nastaju aldolnim cijepanjem fruktoza-1,6- bisfosfata su izomeri koji se lako prevode jedan u drugi u reakciji izomerizacije.
Nabroji reakcije trećeg stupnja.
Prvo se gliceraldehid-3-fosfat oksidira i fosforilira u 1,3-bisfosfoglicerat pomoću enzima gliceraldehid-3-fosfat dehidrogenaza.
Zatim 1,3-bisfosfoglicerat predaje svoju fosfatnu skupinu na ADP (fosforilacija ADP-a u ATP) u reakciji koju katalizira fosfoglicerat kinaza pri čemu nastaje 3-fosfoglicerat.
Nakon toga 3-fosfoglicerat se pregrađuje u 2-fosfoglicerat djelovanjem enzima fosfoglicerat mutaze.
Zatim se 2-fosfoglicerat dehidratira djelovanjem enzima enolaze pri čemu nastaje fosfoenolpiruvat.
Na kraju dolazi do prijenosa fosfatne skupine s fosfoenolpiruvata na ADP pri čemu nastaje ATP i keton (piruvat). Ovu reakciju katalizira piruvat kinaza.
Nacrtaj i objasni reakciju koju katalizira enzim gliceraldehid-3-fosfat dehidrogenaza.
Gliceraldehid-3-fosfat se u prvoj reakciji trećeg stupnja glikolize oksidira i fosforilira u 1,3-bisfosfoglicerat. Ovu reakciju katalizira enzim gliceraldehid-3-fosfat dehidrogenaza uz koenzim NAD+, a u reakciju ulazi i jedna molekula ortofosfata (Pi). Reakcije oksidacije gliceraldehid-3-fosfata u 3-fosfoglicerat te fosforilacije 3 fosfoglicerata u 1,3-bisfosfoglicerat su povezane aktiviranim međuproduktom. Reakcija oksidacije gliceraldehid-3-fosfata u 3-fosfoglicerat je termodinamički povoljna i tijekom njenog odvijanja se oslobađa velika količina energije, dok je reakcija nastajanja acilfosfata termodinamički nepovoljna. Kada bi se ove dvije reakcije odvijale jedna za drugom, druga reakcija ne bi bila termodinamički moguća zbog previsoke energije aktivacije. Enzim gliceraldehid-3-fosfat dehidrogenaza povezuje ove dvije reakcije nastajanjem međuprodukta bogatog energijom koji zatim reagira sa Pi da bi nastao 1,3-bisfosfoglicerat. U prvom koraku reakcije gliceraldehid-3-fosfat se veže sa cisteinskim ostatkom u aktivnom mjestu enzima pri čemu nastaje polutioacetal. Slijedi oksidacija pri čemu se koenzim NAD+ reducira u NADH i nastaje tioesterski međuprodukt koji je i dalje vezan na cisteinski ostatak. Reducirani NADH se zatim zamjenjuje sa NAD+, koji svojim pozitivnim nabojem polarizira tioesterski međuprodukt vezan na cisteinski ostatak. Ova polarizacija olakšava nukleofilni napad ortofosfata na tioestersku vezu između cisteinskog ostatka i 3-fosfoglicerata koja se usljed toga cijepa i Pi grupa se veže anhidridnom vezom na karboksilnu skupinu 3-fosfoglicerata. Time nastaje 1,3 bisfosfoglicerat, a –SH grupa cisteinskog ostatka u aktivnom mjestu enzima se oslobađa za daljnje odvijanje reakcije sa novom molekulom supstrata. Na ovaj način je energija oslobođena oksidacijom supstrata sačuvana u tioesterskoj vezi između enzima i aktiviranog međuprodukta i prenosi se u anhidridnu vezu koja nastaje vezanjem ortofosfata na 3-fosfoglicerat.
Što je fosforilacija na razini supstrata i navedi primjer.
Fosforilacija na razini supstrata je reakcija fosforilacije u kojoj do fosforilacije dolazi na račun energije oslobođene pretvorbom supstrata, a ne na račun energije oslobođene cijepanjem anhidridne veze ATP-a. Primjer takve reakcije je pretvorba gliceraldehid-3-fosfata u 1,3-bisfosfoglicerat (točnije reakcije fosforilacije 3-fosfoglicerata u 1,3-bisfosfoglicerat).
Nacrtaj i objasni reakciju koju katalizira fosfoglicerat kinaza.
1,3-bisfosfoglicerat ima viši potencijal za prijenos fosfata od ATP-a pa može predati svoju fosfatnu skupinu na ADP tj. fosforilirati ADP u ATP u reakciji koju katalizira enzim fosfoglicerat kinaza. I ova reakcija je reakcija fosforilacije na razini supstata, budući da energija potrebna za fosforilaciju molekule ADP-a potječe od cijepanja anhidridne veze u supstratu (1,3-bisfosfogliceratu). Energija koja je u prethodnoj reakciji oslobođena prilikom oksidacije
gliceraldehid-3-fosfata i privremeno pohranjena u anhidridnoj vezi 1,3-bisfosfoglicerata sada se
potroši na fosforilaciju ADP-a u ATP. Ovo je prva reakcija u nizu glikolize u kojoj dolazi do sinteze
ATP-a.
Nacrtaj i objasni zadnje tri reakcije glikolize.
3-fosfoglicerat se u reakciji izomerizacije pregrađuje u 2-fosfoglicerat djelovanjem enzima fosfoglicerat mutaze. 2-fosfoglicerat se zatim dehidratira djelovanjem enzima enolaze, pri čemu nastaje fosfoenolpiruvat.
Fosfoenolpiruvat ima visok potencijal za prijenos fosfata, za razliku od fosfatnog estera ˝običnog˝ alkohola (2-fosfoglicerata), jer je enolni oblik molekule vrlo nestabilan i stabiliziran samo prisustvom vezane fosfatne skupine. Prijenosom fosfatne skupine s fosfoenolpiruvata na ADP nastaje keton (piruvat) koji je puno stabilnija molekula pa se prilikom te reakcije oslobađa velika količina energije koja se iskoristi za nastajanje anhidridne veze u ATP-u. Visoki potencijal fosfoenolpiruvata za prijenos fosfata posljedica je stabilizacije molekule prilikom prelaska iz enolnog oblika u keton. Ova reakcija je također reakcija fosforilacije na razini supstrata i praktički je ireverzibilna, a katalizira ju enzim piruvat kinaza. Sumarno gledano tek dobitak ATP-a u ovoj reakciji predstavlja neto dobitak energije u ciklusu glikolize.
