UNIVERZITET BIJELJINA
FAKULTET ZDRAVSTVENIH STUDIJA
- S E M I N A R S K I R A D –
IZ PREDMETA: BIOHEMIJA
TEMA: GLIKOLIZA – KLJUČNI ENZIMI
Predavač: Student:
Doc. dr Ivanka Zelen Almir Bukvić 76-14
Bijeljina, mart 2015.
Glikoliza – ključni enzimi BIOHEMIJA
SADRŽAJ:
UVOD.............................................................................................................................................3
1.GLIKOLIZA..................................................................................................................................4
2. GLIKOLIZA – REAKCIJE I ENZIMI............................................................................................5
2.1. Pregled reakcija glikolize.....................................................................................................7
2.2. Glikoliza (reakcija 1)..........................................................................................................11
2.3. Glikoliza (reakcija 2)..........................................................................................................12
2.4. Glikoliza (reakcija 3)..........................................................................................................12
2.5. Glikoliza (reakcija 4)..........................................................................................................13
2.6. Glikoliza (reakcija 5)..........................................................................................................14
2.7. Glikoliza (reakcija 6)..........................................................................................................15
2.8. Glikoliza (reakcija 7)..........................................................................................................16
2.9. Glikoliza (reakcija 8)..........................................................................................................17
2.10. Glikoliza (reakcija 9)........................................................................................................17
2.11. Glikoliza (reakcija 10)......................................................................................................18
ZAKLJUČAK.................................................................................................................................20
Literatura......................................................................................................................................21
2 Almir
Bukvić
Glikoliza – ključni enzimi BIOHEMIJA
UVOD
Tema seminarskog rada kojom ću se baviti na narednim stranicama su ključni enzimi
procesa glikolize . U prvom poglavlju rada pisaću uopšteno o glikolizi, kakav je to proces, zbog
čega je značajan, kako se odvija u aerobnim i anaerobnim sredinama itd.
Prvo poglavlje govori o glikolizi kao hemijskoj reakciji koja je neophodna da bi uopšte
postojao biljni i životinjski svet kakvog poznajemo. Glikolitička razgradnja glukoze je jedini izvor
metaboličke energije u nekim tkivima i ćelijama sisara. Neke biljke koje su prilagođene za
čuvanje skroba, kao i neke vodene biljke, najveću količinu energije dobijaju putem glikolize.
Mnogi aerobni mikroorganizmi u potpunosti su zavisni od glikolize.
U drugom poglavlju pišem o reakcijama glikolize, najpre uopšteno, a zatim deo po deo
objašanjavam svaku pojedinačnu reakciju kao i enzime koji katalizuju te reakcije. Svaka
prikazana reakcija je pored detaljnog objašnjenja prikazana i odgovarajućom formulom, odnosno
ilustracijom gde je potrebno.
Na kraju rada su zaključak i literatura.
3 Almir
Bukvić
Glikoliza – ključni enzimi BIOHEMIJA
1.GLIKOLIZA
Glikoliza je proces koji se sastoji od niza reakcija i kojim se glukoza konvertuje u
pirogrožđanu kiselinu i pri čemu se proizvodi relativno mala količina molekula ATP-a. U
aerobnim organizmima glikoliza je praćena Krebsovim ciklusom i lancem elektronskog transfera,
kojim se i proizvodi najveća količina molekula ATP-a, (ATP je izvor energije koju ćelije koriste).
U aerobnim uslovima, tj. u prisustvu kiseonika, pirogrožđana kiselina ulazi u mitohondriju, gde se
potpuno oksidiše u ugljen-dioksid i vodu. Ako je količina kiseonika neadekvatna, na primer kao u
mišićima tokom intezivne aktivnosti (trčanje, intenzivni fizički rad, itd.) pirogrožđana kiselina biva
konvertovana u mlečnu kiselinu. U anaerobnim uslovima, u uslovima gde kiseonik nije prisutan,
pirogrođžana kiselina se konvertuje u etanol. Ova transformacije pirogrožđane kiseline u etanol
je primer fermentacije. Alternativni katabolički put razgradnje glukoze je fosfoglukonatni put u
kojem nastaju redukcioni ekvivalenti ključni za brojne anaboličke procese.
Glikoliza je veoma važan proces bez kojeg ćelije ne bi mogle da funkcionišu. Glikoliza
je takođe veoma složen proces, ali upoznavanjem osnovnih tipova rekacija, i sam proces biva
jasniji. Tipovi rekacija koje čine glikolizu, zajedno sa enzimima koji katalizuju reakcije, su:
premeštanje fosforil grupe. U ovoj reakciji, fosforil grupa biva premeštena sa
jednog atoma kiseonika na drugi u samom molekulu. Katalizator ove reakcije je
enzim koji pripada porodici mutaza.
transfer fosforil grupe. U ovoj reakciji fosforil grupa biva premeštena sa ATP
molekula na međučlan glikolize ili sa međučlana na ATP. Katalizator reakcije
pripada porodoci aenzima kinaza.
izomerizacija. Pri izomerizaciji ketoza se konvertuje u aldozu, i obrnuto,
enzimom izomeraza.
dehidracija. Pri dehidraciji molekule vode se eliminiše. Reakcija je katalizovana
od strane enzima dehidrataza.
kidanje aldol veze. Veza između dva ugljenikova atoma se kida pri ovoj reakciji, koja je katalizovana enzimom tipa aldolaze.1
1http://sr.wikipedia.org/sr-el/ Гликолиза , pristupljeno 11.03.2015.
4 Almir
Bukvić
Glikoliza – ključni enzimi BIOHEMIJA
2. GLIKOLIZA – REAKCIJE I ENZIMI
Glukoza zauzima centralno mesto u metabolizmu mnogih organizama. Molekul glukoze
ima relativno visoku potencijalnu energiju i potpuno iskorištenje glukoze (do CO2) oslobađa ΔG
= - 2840 kJmol−1. Organizmi koji ne mogu koristiti glukozu kao hranu, sami sintetišu glukozu.
Slika 1. Uloga glukoze2
Fotosintetski organizmi sintetišu glukozu tako da redukuju atmosferski CO2 u trioze, a
nakon toga pretvaraju trioze u glukozu. Nefotosintetski organizmi sintetišu glukozu putem
glukoneogeneze.3
Glikolizom se molekul glukoze razgrađuje do piruvata, molekula od 3-C atoma. Energija
koja je pohranjena u molekulu glukoze, tokom razgradje glukoze oslobađa se u obliku ATP i
NADH, a najvećim delom ostaje pohranjena u molekulu piruvata. Glikoliza je gotovo univerzalni
centralni metabolički put glukoze. Glikolitička razgradnja glukoze je jedini izvor metaboličke
2 https://www.pmf.unizg.hr/_download/repository/14obk-p17-glikoliza.pdf, str.1, Figure 14-1, pristupljeno
11.03.2015.3 https://www.pmf.unizg.hr/_download/repository/14obk-p17-glikoliza.pdf, str.1, pristupljeno 11.03.2015.
5 Almir
Bukvić
Glikoliza – ključni enzimi BIOHEMIJA
energije u nekim tkivima i ćelijama sisara (eritrocitima, meduli bubrega, mozgu, spermi). Neke
biljke koje su prilagođene za čuvanje skroba (krtola krompira), kao i neke vodene biljke, najveću
količinu energije dobijaju putem glikolize. Mnogi aerobni mikroorganizmi u potpunosti su zavisni
od glikolize.
Slika 2. Životinje, biljke i mnoge ćelije mikroorganizama u aerobnim uslovima4
Fermentacija je opšti izraz za anaerobnu razgradnju glukoze ili drugih organskih
molekula kako bi se dobila hemijska energija u vidu ATP.
Kako su organizmi prvo nastali u atmosferi bez kiseonika, anaerobna razgradnja
glukoze je verovatno najstariji biološki mehanizam pomoću kojeg se dobija energija iz organskih
molekula.
Među vrstama, put razgradnje glukoze razlikuje se samo po nekim detaljima, kao i u
metaboličkim konverzijama piruvata.
4 https://www.pmf.unizg.hr/_download/repository/14obk-p17-glikoliza.pdf, str. 2, Figure 14-3, pristupljeno
11.03.2015.
6 Almir
Bukvić
Glikoliza – ključni enzimi BIOHEMIJA
Slika 3. Fermentacija glukoze5
2.1. Pregled reakcija glikolize
Prve četiri reakcije su pripremne faze glikolize, u kojima se molekula glukoze “priprema”
za cijepanje i oslobađanje energije.
S kemijskog stajališta, izomerizacija koju provodi fosfoheksoza izomeraza u reakciji (2)
ključna je reakcija koja omogućava reakcije (3) i (4).
Cijepanje fruktoza 1,6-bisfosfata u gliceraldehid 3-fosfat i dihidroksiaceton fosfat je “liza”
tj. reakcija po kojoj je put dobio ime.
5 https://www.pmf.unizg.hr/_download/repository/14obk-p17-glikoliza.pdf, str. 2, Figure 15-1, pristupljeno
11.03.2015.
7 Almir
Bukvić
Glikoliza – ključni enzimi BIOHEMIJA
Slika 4. Faza pripreme6
Energija se dobija u reakcijama 6-10. U reakcijama glikolize razlikujemo tri vrste
hemijskih reakcija:
1. razgradnju ugljenikovog skeleta glukoze u piruvat;
2. fosforilaciju ADP u ATP pomoću spojeva koji imaju visok potencijal za prenos
fosforilnih grupa, fosforilacije na nivou supstrata;
3. prenos vodonikovog jona (H-) na NAD+, kako bi nastao NADH.
6 https://www.pmf.unizg.hr/_download/repository/14obk-p17-glikoliza.pdf, str. 3, Figure 14-2a, pristupljeno
11.03.2015.
8 Almir
Bukvić
Glikoliza – ključni enzimi BIOHEMIJA
Slika 5. Reakcije dobijanja energije u glikolizi7
2.1.1. Sudbina piruvata
U aerobnim organizmima piruvat se dekarboksiliše i pretvara u acetil CoA koji se u
potpunosti oksidira do CO2 u citratnom ciklusu. Elektroni dobijeni ovom oksidacijom prenose se
mitohondrijskim respiratornim lancem na O2, te nastaje H2O. Energija koja se oslobađa
prenosom elektrona podstiče sintezu ATP u mitohondrijima.
Druga etapa pretvaranja piruvata je redukcija piruvata u laktat (mlečno kiselo vrenje).
Ova reakcija se odvija u mišićima tokom napornog rada. U ovim uslovima piruvat se redukuje do
laktata te prihvata elektrone s NADH pa nastaje NAD+ koji je neophodan za nastavak glikolize.
7 https://www.pmf.unizg.hr/_download/repository/14obk-p17-glikoliza.pdf, str. 3, Figure 14-2b, pristupljeno
11.03.2015.
9 Almir
Bukvić
Glikoliza – ključni enzimi BIOHEMIJA
Treća etapa reakcije vodi do etanola, proces nazivamo i etanolnim vrenjem. Oksidacija
piruvata važan je katabolički proces, ali piruvat se uključuje i u anaboličke procese, jer može
davati ugljenikove skelete za sintezu aminokiselina ili za sintezu masnih kiselina.
2.1.2. Nastanak ATP i NADH su povezani sa glikolizom
Tokom glikolize, energija koja je pohranjena u molekulu glukoze delimično je sačuvana
kao ATP, ali najveći deo energije ostaje sačuvan kao piruvat.
glukoza + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi → 2piruvata + 2NADH + 2H+ +
2ATP + 2H2O
Ako se reakcija podeli u dve reakcije:
glukoza + 2NAD+ → 2piruvata + 2NADH + 2H+
ΔG1’o = - 146 kJ/mol
2ADP + 2Pi → 2ATP ΔG2’o = (2x30,5) kJ/mol = 61,0 kJ/mol.
Suma ukupne reakcije je ΔG’o = ΔG1’o + ΔG2’o = - 85,0 kJ/mol
U standardnim uslovima, ali i u nestandardnim uslovima kakvi su u ćeliji, glikoliza je
ireverzibilan proces kojim se oslobađa velika količina slobodne energije. Većina energije koja
se dobija glikolizom sačuvana je u obliku piruvata. Hemijska energija sadržana u piruvatu će se
u potpunosti osloboditi u citratnom ciklusu i narednom oksidacijskom fosforilacijom.8
2.1.3. Važnost fosforilisanih ostataka
Svaki od 9 ostataka tokom pretvaranja glukoze u piruvat je fosforilisan. Fosforilne grupe
imaju tri funkcije:
1. Plazmatske membrane nemaju transportere koji bi prenosili fosforilisane šećere,
pa fosforilisani šećeri ne mogu izaći iz ćelije. Kada su jednom fosforilisani, više
nije potrebna energija kako bi se ti fosforilisani ostaci zadržali u ćeliji uprkos
8 https://www.pmf.unizg.hr/_download/repository/14obk-p17-glikoliza.pdf, str. 4, pristupljeno 11.03.2015.
10 Almir
Bukvić
Glikoliza – ključni enzimi BIOHEMIJA
tome što postoji velika razlika u njihovim intra- i ekstracelularnim
koncentracijama.
2. Fosforilne grupe su ključne komponente tokom enzimskog skladištenja energije.
Energija koja se oslobađa cepanjem fosfoanhidridnih veza (ATP), delimično se
sačuva stvaranjem fosfatnih estara, kao što je glukoza 6-fosfat. Energijom
bogate veze koje nastaju tokom glikolize (1,3-bisfosfoglicerat i fosfoenol piruvat)
doniraju fosforilne grupe ADP-u, te nastaje ATP.
3. Energija vezivanja koja nastaje vezivanjem fosfatnih grupa u aktivna središta
enzima snižava energije aktivacija i povećava specifičnost enzimskih reakcija.
Fosfatne skupine ADP, ATP kao i ostataka glikolize čine komplekse s Mg2+, i to
su vezna mesta mnogih glikolitičkih enzima. Za većinu glikolitičkih enzima Mg2+
joni potrebni su za aktivnost.
2.2. Glikoliza (reakcija 1)
Fosforilacijom glukoze sa heksokinazom, glukoza-6-fosfat ostaje u ćeliji.
Prvu reakciju katalizuje heksokinaza i to je ireverzibilna reakcija u ćeliji. Heksokinaze se
nalaze u gotovo svim organizmima. Kod ljudi, postoji četiri različite heksokinaze (I – IV) i svi
11 Almir
Bukvić
Glikoliza – ključni enzimi BIOHEMIJA
enzimi katalizuju identičnu reakciju. Jedan od izoenzima, heksokinaza IV nalazi se u jetri,
razlikuje se od ostalih heksokinaza i naziva se često glukokinazom.
2.3. Glikoliza (reakcija 2)
Fosfoheksoza izomeraza omogućava naredne reakcije
Ovo je ključna hemijska reakcija, jer je premeštanje karbonilnih i hidroksilnih skupina
na C-1 i C-2 nužno za sledeće korake glikolize. U reakciji (3) glikolize, za fosforilaciju je nužno
da se grupa na C-1 prvo pretvori iz karbonilne grupe u hidroksilnu grupu, dok je za korak (4)
glikolize, gdje se cepa veza između C-3 i C-4, važno da je karbonilna grupa na C-2.
2.4. Glikoliza (reakcija 3)
Fosfofrukto kinaza katalizuje odlučujući korak u glikolizi. Enzim koji katalizuje
stvaranje fruktoza 1,6-bisfosfata, nazivamo PFK-1 (fosfofrukto kinaza -1), kako bi ga razlikovali
od PFK-2, koji katalizuje nastanak fruktoza 2,6-bisfosfata. Reakcija koju katalizuje PFK-1 je
ireverzibilna reakcija i prvi je odlučujući korak u glikolitičkom putu. Glukoza 6-fosfatom kao i
12 Almir
Bukvić
Glikoliza – ključni enzimi BIOHEMIJA
fruktoza 6-fosfatom mogu se još koristiti i drugi metabolički putevi, ali fruktoza 1,6-bisfosfat može
se razložiti samo glikolitskim reakcijama.
Fosfofruktokinaza-1 je alosterički regulisan enzim. Aktivnost kinaze se povećava kada
je nivo ATP u ćeliji nizak, odnosno kada su koncentracije ADP i AMP visoke. Enzim je inaktivan
kada je u ćeliji mnogo ATP ili kada u ćeliji ima mnogo masnih kiselina. U nekim organizmima
fruktoza 2,6-bisfosfat je alosterički inhibitor fosfofruktokinaze-1.
2.5. Glikoliza (reakcija 4)
Aldolaza cepa heksozu u dve trioze.
Enzim fruktoza 1,6-bisfosfat aldolaza, a često se naziva aldolaza, katalizuja razgradnju
fruktoza 1,6-bisfosfata na dve različite trioze, dihidroksiaceton fosfat (ketozu) i gliceraldehid 3-
fosfat (aldozu).
13 Almir
Bukvić
Glikoliza – ključni enzimi BIOHEMIJA
Postoje dve vrste aldolaza. Aldolaze tipa I nalaze se u životinjama i biljkama, a aldolaze
tipa II koriste gljive i bakterije. Iako reakcija aldolaze ima veliku standardnu promenu slobodne
energije, u uslovima kakvi vladaju u ćeliji, tj. kod niskih koncentracija trioza, pogotovo
dihidroksiaceton fosfata, cepanje fruktoza 1,6-bisfosfata na dve trioze gotovo je reverzibilna
reakcija.
2.6. Glikoliza (reakcija 5)
Triozafosfat izomeraza katalizuje izomerizaciju dihidroksiaceton fosfata u
gliceraldehid-3-fosfat.
Dihidroksiaceton fosfat brzo se i reverzibilno pretvara u gliceraldehid 3-fosfat, a reakciju
katalizuje trioza fosfat izomeraza. Mehanizam reakcije sličan je mehanizmu kojim se pretvara
aldoza u ketozu, tj. reakcija koju katalizuje fosfoheksoza izomeraza (reakcija 2).
14 Almir
Bukvić
Glikoliza – ključni enzimi BIOHEMIJA
2.7. Glikoliza (reakcija 6)
Gliceraldehid-3-fosfat dehidrogenaza katalizira sintezu energijom bogatog acil-
fosfata: 1,3-bisfosfoglicerata
Aldehidna grupa gliceraldehid 3-fosfata oksidira se u fosfoanhidrid karboksilne grupe, koji
nazivamo acilni fosfat, vezu s vrlo velikom standardnom promenom energije hidrolize (ΔG’o = -
49,3 kJ/mol). Za reakciju je nužan NAD+. Količina NAD+ u ćeliji je < 10-5 mol dm-3 i daleko je
manja od količine glukoze. Glikoliza bi se zaustavila ukoliko u ćeliji ne bi postojao mehanizam
obnove NAD+ iz NADH.
15 Almir
Bukvić
Glikoliza – ključni enzimi BIOHEMIJA
2.8. Glikoliza (reakcija 7)
Fosfoglicerat kinaza prenosi energijom bogatu fosforilnu skupinu s 1,3-
bisfosfoglicerata na ADP te nastaju ATP i 3-fosfoglicerat.
Enzim je dobio ime po tome što tokom glukoneogeneze kao i tokom asimilacije
CO2 u procesu fotosinteze katalizuje reakciju u suprotnom smeru. U glikolizi, reakcija se odvija u
smeru dobijanja ATP.
Sintezu ATP, prenos fosforilne grupe na ADP, zbog toga što se fosforilna grupa prenosi
sa supstrata, nazivamo fosforilacijom na nivou supstrata. Ovaj naziv se koristi, kako bi ovu
16 Almir
Bukvić
Glikoliza – ključni enzimi BIOHEMIJA
fosforilaciju razlikovali od fosforilacije koja je povezana s respiracijom (oksidacijskom
fosforilacijom).
2.9. Glikoliza (reakcija 8)
Reakciju katalizuje fosfoglicerat mutaza (priprema za sintezu energijom bogate veze).
2.10. Glikoliza (reakcija 9)
Enolaza katalizuje sintezu energijom bogate veze.
17 Almir
Bukvić
Glikoliza – ključni enzimi BIOHEMIJA
Gubitkom vode, 2-fosfoglicerat se pretvara u fosfoenolpiruvat. Ovom reakcijom iz
gliceraldehid 2-fosfata, veze s relativno niskom standardom promenom energije hidrolize (ΔG’o
= - 17,6 kJ/mol), nastaje veza fosfoenolpiruvat s visokim potencijalom za prenos fosforilnih
grupa, kojoj je standardna promena energije hidrolize, ΔG’o = - 61,9 kJ/mol.
2.11. Glikoliza (reakcija 10)
Ovu gotovo ireverzibilnu reakciju katalizira piruvat kinaza
Prenos fosforilnih skupina s fosfoenolpiruvata na ADP katalizuje piruvat kinaza. Za
aktivnost ovog enzima potrebni su K+, te ili Mg2+ ili Mn2+ joni.
Tokom reakcije fosforilacije na nivou supstrata, koju katalizuje piruvat kinaza, prvo
nastaje piruvat u enolnom obliku koji tautomerizacijom prelazi u keto oblik.
18 Almir
Bukvić
Glikoliza – ključni enzimi BIOHEMIJA
Ova 10. reakcija ima veliku negativnu standardnu promenu energije i to prvenstveno
zahvaljujući spontanom prelazu enolnog oblika piruvata u keto oblik. Oko polovine količine
energije koja se oslobađa hidrolizom PEP (ΔG’o = - 61,9 kJ/mol) sačuvana je u obliku
fosfoanhidridne veze ATP (ΔG’o = -30,5 kJ/mol), a ostatak od -31,4 kJ/mol predstavlja
potencijalnu energiju koja “gura” reakciju u smeru sinteze ATP.
19 Almir
Bukvić
Glikoliza – ključni enzimi BIOHEMIJA
ZAKLJUČAK
Glikoliza je glavni metabolički put razgradnje glukoze koji se događa u citoplazmi svih
sisara, a pretvara glukozu C6H12O6 u piruvat CH3COCOO− + H+. Slobodna energija oslobođena u
tom procesu koristi se za sintezu energijom bogatih jedinjenja kao što su ATP (adenozin
trifosfat) i NADH (redukovani oblik nikotinamid adenin dinukleotida).
Glukoza je najčešće najvažnije metaboličko gorivo, a potrebe se za istom razlikuju
među tkivima pa je tako mozak organ sa izuzetno velikim potrebama za glukozom. Glikoliza se
može odvijati aerobno i anaerobno zavisno od dostupnosti kiseonika i lancu za prenos elektrona.
Osim glukoze, glikoliza je glavni metabolički put i fruktoze, galaktoze i drugih ugljenih hidrata iz
hrane.
U uslovima nedostataka kiseonika za metabolizam je izuzetno važna mogućnost
snabdevanja ATP-om iz glikolize za šta je najbolji primer intenzivan rad skeletnih mišića u
uslovima nedovoljne opskrbljenosti kiseonikom. Takođe, ovo je način pomoću kojeg većina tkiva
može preživeti u epizodama nedovoljnog snabdevanja kiseonikom. Nasuprot tome, srčani mišić,
koji je prilagođen radu u izuzetno aerobnim uslovima, ima relativno nisku glikolitičku aktivnost pa
stoga i slabo preživljavanje u uslovima ishemije. Bolesti u kojima su enzimi glikolize u
nedostatku (npr. piruvat-kinaza) nazivaju se hemolitičkim anemijama, a zbog nedostatka
glikolitičkih enzima u skeletnim mišićima dolazi do zamora.
U brzo rastućim tumorskim ćelijama povećan je metabolizam glukoze pri čemu nastaju
velike količine piruvata koji se redukuje u laktat i izlučuje iz ćelija. Na ovaj način nastaje relativno
kisela sredina u tumoru što može biti značajno u razvoju terapija. Laktat se zatim iskorištava u
jetri u procesu glukoneogeneze koji je odgovoran za hipermetabolizam uočen u tumorskoj
kaheksiji. Laktatna ili mlečna acidoza ima nekoliko uzroka, a jedan je od njih i smanjena
aktivnost piruvat-dehidrogenaze.
20 Almir
Bukvić
Glikoliza – ključni enzimi BIOHEMIJA
Literatura
[1] https://www.pmf.unizg.hr/_download/repository/14obk-p17-glikoliza.pdf
[2] http://sr.wikipedia.org/sr-el/Гликолиза
21 Almir
Bukvić