Almir Bukvic Seminarski Rad

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








2.10. Glikoliza (reakcija 9)........................................................................................................17

2.11. Glikoliza (reakcija 10)......................................................................................................18

ZAKLJUČAK.................................................................................................................................20

Literatura......................................................................................................................................21

2 Almir

Bukvić


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


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

http://sr.wikipedia.org/sr-el/%D0%93%D0%BB%D0%B8%D0%BA%D0%BE%D0%BB%D0%B8%D0%B7%D0%B0


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

https://www.pmf.unizg.hr/_download/repository/14obk-p17-glikoliza.pdf



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



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



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



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



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



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


enzimi katalizuju identičnu reakciju. Jedan od izoenzima, heksokinaza IV nalazi se u jetri,

razlikuje se od ostalih heksokinaza i naziva se često glukokinazom.


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.


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


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.


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


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.


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



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



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


fosforilaciju razlikovali od fosforilacije koja je povezana s respiracijom (oksidacijskom

fosforilacijom).


Reakciju katalizuje fosfoglicerat mutaza (priprema za sintezu energijom bogate veze).


Enolaza katalizuje sintezu energijom bogate veze.

17 Almir

Bukvić


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.


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


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


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

http://hr.wikipedia.org/w/index.php?title=Mlije%C4%8Dna_acidoza&action=edit&redlink=1

http://hr.wikipedia.org/wiki/Glukoneogeneza

http://hr.wikipedia.org/w/index.php?title=Laktat&action=edit&redlink=1

http://hr.wikipedia.org/wiki/Tumor

http://hr.wikipedia.org/wiki/Enzimi

http://hr.wikipedia.org/wiki/Ishemija

http://hr.wikipedia.org/wiki/Ugljikohidrati

http://hr.wikipedia.org/wiki/Fruktoza

http://hr.wikipedia.org/wiki/Oksidacijska_fosforilacija

http://hr.wikipedia.org/wiki/Mozak

http://hr.wikipedia.org/wiki/NADH

http://hr.wikipedia.org/wiki/ATP

http://hr.wikipedia.org/wiki/Citosol

http://hr.wikipedia.org/wiki/Glukoza


Literatura

[1] https://www.pmf.unizg.hr/_download/repository/14obk-p17-glikoliza.pdf

[2] http://sr.wikipedia.org/sr-el/Гликолиза

21 Almir

Bukvić

http://sr.wikipedia.org/sr-el/%D0%93%D0%BB%D0%B8%D0%BA%D0%BE%D0%BB%D0%B8%D0%B7%D0%B0


Documents

Almir Bukvic Seminarski Rad