Кіріспе
Бір-бірімен байланысты биохимиялық реакциялар сериясы. Гликолиз – глюкозаны (C6H12O6) пируватқа айналдыратын метаболизмік жол және көптеген организмдерде жасушалардың сұйық бөлігінде (цитозол) жүреді. Бұл процесте босатылған еркін энергия аденозин трифосфаты (АТФ) және тотыққан никотинамид аденоин динуклеотидінің (НАДН) жоғары энергиялы молекулаларын қалыптастыру үшін пайдаланылады. Гликолиз – ферменттер катализдейтін он реакцияның тізбегі. Гликолиздің басқа түрлерде кең таралғандығы оның ежелгі метаболизмік жол екенін көрсетеді. Шындығында, гликолизді құрайтын реакциялар және оның параллель жолы – пентоза фосфат жолы, Археан мұхиттарының оттегісіз жағдайында, тіпті ферменттердің болмауында, металл иондарының катализі арқылы жүруі мүмкін, яғни бұл абиогенез үшін ықтимал пребиотиктік жол. Гликолиздің ең көп таралған түрі – Гюстав Эмбден, Отто Мейерхоф және Якуб Карол Парнас ашқан Эмбден-Мейерхоф-Парнас (EMP) жолы. Гликолиз басқа жолдарды да білдіреді, мысалы, Энтнер-Дудоroff жолы және әр түрлі гетероферментативтік және гомоферментативтік жолдар. Дегенмен, бұл жердегі талқылау Эмбден-Мейерхоф-Парнас жолымен шектеледі. Гликолиз жолын екі кезеңге бөлуге болады:
Инвестициялық кезең – АТФ тұтынылатын кезең
Өнімділік кезеңі – бастапқыда тұтынылғаннан артық АТФ өндірілетін кезең.
Investment phase – wherein ATP is consumed
Yield phase – wherein more ATP is produced than originally consumed
Биохимиялық логика
Бірнеше реттеу нүктесінің болуы осы нүктелер арасындағы аралық заттардың басқа процестер арқылы гликолиз жолына кіріп, шығуы мүмкін екенін көрсетеді. Мысалы, бірінші реттелетін кезеңде гексокиназа глюкозаны глюкоза-6-фосфатқа айналдырады. Гликолиз жолымен жалғасудың орнына, бұл аралық молекула глюкозаны сақтау молекулаларына, мысалы гликогенге немесе крахмалға айналуы мүмкін. Кері реакция, мысалы гликогеннің ыдырауы, негізінен глюкоза-6-фосфатты құрайды; реакцияда өте аз мөлшерде еркін глюкоза пайда болады. Осылайша алынған глюкоза-6-фосфат бірінші бақылау нүктесінен кейін гликолизге кіре алады. Екінші реттелетін сатыда (гликолиздің үшінші сатысы) фосфофруктокиназа фруктоза-6-фосфатты фруктоза-1,6-бисфосфатқа айналдырады, ол кейін глицеральдегид-3-фосфатқа және дигидроксиацетон фосфатқа айналады. Дигидроксиацетон фосфатын гликолизден глицерол-3-фосфатқа айналдыру арқылы шығаруға болады, оны триглицеридтер құру үшін пайдалануға болады. Керісінше, триглицеридтер май қышқылдары мен глицеринге ыдырайды; соңғысы дигидроксиацетон фосфатқа айналуы мүмкін, ол екінші бақылау нүктесінен кейін гликолизге кіре алады.
Гексокиназа және глюкокиназа
Барлық жасушаларда гексокиназа ферменті бар, ол жасушаға енген глюкозаны глюкоза-6-фосфатына (G6P) түрлендіруді катализдейді. Жасуша мембранасы G6P-ге өткізбейтіндіктен, гексокиназа глюкозаны жасушаларға тасымалдаумен қатар, одан кейін оның жасушадан шығуына да кедергі келтіреді. Гексокиназа жасушадағы G6P деңгейі жоғары болғанда тежеледі. Сондықтан, глюкозаның жасушаларға ену жылдамдығы, G6P-нің гликолиз және гликоген синтезі (гликоген сақталатын бауыр және бұлшықеттер сияқты жасушаларда) арқылы қаншалықты жылдам жойылатынына ішінара байланысты. Глюкокиназа, гексокиназадан өзгеше, G6P-мен тежелмейді. Ол бауыр жасушаларында кездеседі және қандағы глюкоза мөлшері жеткілікті болғанда ғана жасушаға енген глюкозаны фосфорилдеп, глюкоза-6-фосфатын (G6P) түзетін болады. Бұл бауырдағы гликолиттік жолдың бірінші қадамы болғандықтан, бұл ағзадағы гликолиттік жолды бақылаудың қосымша деңгейін қамтамасыз етеді. АТФ концентрациясы физиологиялық жағдайларда шамамен 10%-дан артық өзгере қоймайды, ал АТФ концентрациясының 10%-ға төмендеуі АМФ деңгейін 6 есеге арттырады. Осылайша, АТФ-ның аллостериялық эффект ретіндегі маңыздылығы күмәнді. АМФ деңгейінің артуы жасушадағы энергия зарядының төмендеуінің салдары болып табылады. Цитрат, in vitro жағдайында зерттелгенде, АТФ-ның тежегіш әсерін күшейту арқылы фосфофруктокиназаны тежейді. Дегенмен, цитраттың цитозольде негізгі функциясы май және холестерин синтезі үшін ацетил-КоА-ға айналу болғандықтан, бұл әсердің in vivo маңызды болуы даулы. TIGAR, p53-тің индукциялаған ферменті, фосфофруктокиназаның реттелуіне жауапты және тотығу стресінен қорғайды. TIGAR – F2,6BP-ні реттейтін екі функцияға ие бір фермент. Ол фосфатаза (фруктоза 2,6-бисфосфатаза) ретінде әрекет ете алады, 2-көміртектегі фосфатты бөліп, F6P-ні түзетін болады. Сонымен қатар, ол F6P-нің 2-көміртегіне фосфат қосып, F2,6BP-ні түзетін киназа (PFK2) ретінде де әрекет ете алады. Адамдарда TIGAR ақуызы C12orf5 генімен кодталады. TIGAR ферменті фруктоза-6-фосфатының (F6P) жиналуын тудыру арқылы гликолиздің алға жылжуын тежейді, ал ол глюкоза-6-фосфатына (G6P) изомерленеді. G6P-нің жиналуы көміртектерді пентоза фосфаты жолына бағыттайды.
Генетикалық аурулар
Гликолиттік мутациялар метаболизмік жолдың маңыздылығына байланысты көбінесе сирек кездеседі; туындаған мутациялардың көпшілігі жасушаның тыныс алуын мүмкін етпейді, демек жасуша ерте сатыда өледі. Дегенмен, кейбір мутациялар (гликогенді жинақтау аурулары және көмірсулар метаболизміне байланысты басқа да туа біткен бұзылыстар) кездеседі, соның ішіндегі ең айқын мысалы – пируваткиназа жетіспеушілігі, ол созылмалы гемолитикалық анемияға алып келеді.
Қатерлі ісік
Қатерлі ісік жасушалары гликолизді қатерлі емес тіндерге қарағанда он есе жылдам жүргізеді. Олардың пайда болуы кезінде капиллярлық қолдаудың жеткіліксіздігі көбінесе ісік жасушалары ішінде гипоксияға (оттегінің жетіспеуіне) алып келеді. Сондықтан, бұл жасушалар АТФ (аденозин трифосфаты) үшін гликолиз сияқты анаэробты метаболизм процестеріне тәуелді болады. Кейбір ісік жасушалары белгілі бір гликолиттік ферменттерді артық өндіреді, бұл гликолиздің жоғары деңгейіне әкеледі. Көбінесе бұл ферменттер дәстүрлі гликолиз ферменттерінің изоферменттері болып табылады, олар дәстүрлі кері байланыс тежелуіне сезімталдық деңгейі бойынша өзгешеленеді. Гликолиттік белсенділіктің артуы гипоксияның әсерін күшін жояды, себебі осы анаэробтық жол арқылы жеткілікті АТФ өндіріледі. Бұл құбылысты алғаш рет 1930 жылы Отто Варбург сипаттаған және ол Варбург эффектісі деп аталады. Варбург гипотезасы қатерлі ісіктердің негізгі себебі митохондриялық метаболизмнің дисфункциясы екенін, жасушалардың бақыланбай көбеюі емес екенін көрсетеді. Варбург эффектін түсіндіру үшін бірнеше теориялар ұсынылған. Олардың бірі – гликолиздің жоғарылауы организмнің қалыпты қорғаныс механизмі және қатерлі өзгерістерге энергия метаболизмі себеп болуы мүмкін деген пікірді білдіреді. Бұл жоғары гликолиз деңгейі маңызды медициналық қолданысқа ие, себебі қатерлі ісіктердің жоғары аэробты гликолизі позитрон-эмиссиялық томография (ПЭТ) арқылы 2 18F 2 дезоксиглюкозаның (FDG) (радиоактивті модификацияланған гексокиназа субстраты) сіңірілуін визуализациялау арқылы қатерлі ісіктердің емге жауабын диагностикалау және бақылау үшін клиникалық түрде қолданылады. Митохондриялық метаболизмге әсер ету және гликолизді төмендету арқылы қатерлі ісікке қарсы ем жасау, осылайша қатерлі жасушаларды түрлі жаңа тәсілдермен, соның ішінде кетогенді диета арқылы аштықтан құтқару бойынша зерттеулер жалғастырылуда.
Интерактивті жол картасы
Төмендегі диаграммада адам ақуыздарының атаулары көрсетілген. Басқа организмдердегі атаулар өзгеше болуы мүмкін, сондай-ақ изоферменттердің саны (мысалы, HK1, HK2) да әрқалай болуы мүмкін.
Фишер проекцияларындағы гликолиз компоненттерінің құрылымы және көпбұрышты модель
Гликолиздің Фишер проекцияларында бейнеленген аралық заттар химиялық өзгерістердің қадам сайын қалай жүзеге асатынын көрсетеді. Мұндай бейнелеуді көпбұрышты модельмен салыстыруға болады. Гликолиздегі Фишер проекциялары мен көпбұрышты модельдің тағы бір салыстыруы видеода көрсетілген. YouTube-тағы сол арнадағы бейнеанимацияларды басқа метаболизм жолы (Кребс циклы) және органикалық химияда көпбұрышты модельдің бейнеленуі мен қолданылуы бойынша қарауға болады.