V metabolismu je glykolýza sérií biochemických reakcí, kterými se molekula glukózy (Glc) oxiduje na dvě molekuly pyruvátové kyseliny (Pyr) a na uvolnění ATP, což je forma energie. V závislosti na typu buňky může být pyruvát přeměněn na ethanol (anaerobní proces), kyselinu mléčnou (anaerobní proces) nebo na acetylový koenzym A, který vstupuje do Krebova cyklu a zahajuje proces aerobního dýchání.
Slovo glykolýza je z řeckého glyk (znamená sladký) a lysis (znamená rozpuštění). Je počátečním procesem mnoha drah sacharidového katabolismu a slouží dvěma hlavním funkcím: generování vysokoenergetických molekul (ATP a NADH) a produkce různých meziproduktů šesti- nebo tříuhlíkatých metabolitů, které mohou být v různých fázích procesu odstraněny pro jiné intracelulární účely (například biosyntézu nukleotidů).
Glykolýza je jedním z nejuniverzálnějších známých metabolických procesů a vyskytuje se (s obměnami) v mnoha typech buněk v téměř všech typech organismů. Glykolýza sama o sobě produkuje méně energie na jednu molekulu glukózy než kompletní aerobní oxidace, a tak je tok cestou větší v anaerobních podmínkách (tj. při absenci kyslíku).
Nejčastějším a nejznámějším typem glykolýzy je Embden-Meyerhofova dráha, zpočátku objasněná Gustavem Embdenem a Ottem Meyerhofem. Termín lze chápat tak, že zahrnuje i alternativní dráhy, jako je Entner-Doudorovova dráha. Nicméně glykolýza zde bude použita jako synonymum pro Embden-Meyerhofovu dráhu.
Celková reakce glykolýzy je:
Pro jednoduché fermentace má tedy metabolismus 1 molekuly glukózy čistý výtěžek 2 molekuly ATP. Buňky provádějící respiraci syntetizují mnohem více ATP, ale to není považováno za součást vlastní glykolýzy, i když tyto aerobní reakce využívají produkt glykolýzy. Eukaryotická aerobní respirace produkuje dalších 34 molekul (přibližně) ATP pro každou zoxidovanou molekulu glukózy. Na rozdíl od většiny molekul ATP produkovaných aerobní respirací jsou ty glykolýzy produkovány fosforylací na úrovni substrátů.
U eukaryot probíhá glykolýza uvnitř cytosolu buňky. Některé glykolytické reakce jsou konzervovány v Calvinově cyklu, který funguje uvnitř chloroplastu. To je v souladu s faktem, že glykolýza je v evoluci vysoce konzervována, je běžná téměř pro všechny živé organismy. To naznačuje velké starověku; mohla vzniknout u prvních prokaryot, před 3,5 miliardami let a více.
Prvních pět kroků je považováno za přípravnou fázi, protože ve skutečnosti spotřebovávají energii, protože glukóza je přeměněna na dva fosfáty s třemi uhlíky (G3P). Tučné zkratky v obou tabulkách odpovídají názvosloví použitému v diagramu.
Druhá polovina glykolýzy je známá jako výplatní fáze, charakterizovaná čistým ziskem energeticky bohatých molekul ATP a NADH. Vzhledem k tomu, že glukóza vede v přípravné fázi ke dvěma cukrům triosy, dochází ve výplatní fázi ke každé reakci dvakrát na jednu molekulu glukózy. Tím vznikají 2 molekuly NADH a 4 molekuly ATP, což vede k čistému zisku 2 molekul NADH a 2 molekul ATP z gylcolytické dráhy na glukózu.
Prvním krokem v glykolýze je fosforylace Glcu skupinou enzymů nazývaných HKs za vzniku G6P. V játrech se používá izoenzym hexokinázy zvaný GCK, který se liší především regulačními vlastnostmi. Tato reakce spotřebuje 1 ATP, ale energie je dobře využitelná – udržuje [Glc]i nízko, aby umožnil kontinuální vstup Glcu přes jeho plazmatické membránové transportéry; zabraňuje úniku Glcu ven – buňka takové transportéry pro G6P postrádá; aktivuje Glc připravující jej na další metabolické změny.
G6P je pak GPI přeskupen do F6P. Fru může v tomto bodě také vstoupit do glykolytické dráhy prostřednictvím fosforylace.
Tok glykolytickou dráhou musí být upraven v reakci na podmínky uvnitř i vně buňky. Rychlost je regulována tak, aby uspokojila dvě hlavní buněčné potřeby: (1) produkci ATP a (2) zajištění stavebních bloků pro biosyntetické reakce. V glykolýze jsou reakce katalyzované hexokinázou, fosfofruktokinázou a pyruvátkinázou prakticky nevratné. V metabolických drahách jsou tyto enzymy potenciálními místy kontroly a všechny tyto tři enzymy slouží tomuto účelu v glykolýze.
Existuje několik různých způsobů regulace aktivity enzymu. Okamžitou formou kontroly je zpětná vazba přes alosterické efektory nebo kovalentní modifikací. Pomalejší formou kontroly je transkripční regulace, která řídí množství těchto důležitých enzymů.
Fosfruktokináza je důležitým kontrolním bodem v glykolytické dráze, protože se nachází bezprostředně za vstupními body pro hexosové cukry.
Vysoké hladiny ATP inhibují enzym PFK snížením jeho afinity k F6P. ATP způsobuje tuto kontrolu vazbou na specifické regulační místo, které je odlišné od katalytického místa. To je dobrý příklad alosterické kontroly. AMP může zvrátit inhibiční účinek ATP. Důsledkem je, že PFK je pevně řízen poměrem ATP/AMP v buňce. To dává smysl, protože tyto molekuly jsou přímými indikátory energetického náboje v buňce.
Nízké pH také inhibuje aktivitu fosfofruktokinázy a zabraňuje nadměrnému vzestupu kyseliny mléčné během anaerobních stavů, které by jinak mohly způsobit pokles pH krve (acidózu).
Fruktóza 2,6-bisfosfát (F2,6BP) je silný aktivátor fosfofruktózy (PFK-1), který je syntetizován, když je F6P fosforylován druhou fosfofruktózou (PFK2). Tento druhý enzym je neaktivní, když je cAMP vysoký, a spojuje regulaci glykolýzy s hormonální aktivitou v těle. Jak glukagon, tak adrenalin způsobují vysoké hladiny cAMP v játrech. Výsledkem jsou nižší hladiny jaterní fruktózy 2,6-bisfosfátu takové, že je upřednostňována glukoneogeneze (glykolýza naopak). To je v souladu s rolí jater v takových situacích, protože reakcí jater na tyto hormony je uvolňování glukózy do krve.
Každá molekula GADP je pak oxidována molekulou NAD+ za přítomnosti GAP, čímž vzniká 1,3-bisfosfoglycerát. V dalším kroku PGK vytváří molekulu ATP a zároveň vytváří 3-fosfoglycerát. V tomto kroku dosáhla glykolýza hranice rentability: byly spotřebovány 2 molekuly ATP a 2 nové molekuly byly syntetizovány. Tento krok, jeden ze dvou fosforylačních kroků na úrovni substrátu, vyžaduje ADP; tedy, když má buňka dostatek ATP (a málo ADP), tato reakce nenastane. Protože ATP se rozkládá relativně rychle, když není metabolizován, je to důležitý regulační bod v glykolytické dráze.
PGAM pak tvoří 2-fosfoglycerát, ENO pak fosfoenolpyruvát a další fosforylace na úrovni substrátu pak tvoří molekulu Pyr a molekulu ATP pomocí enzymu PK. To slouží jako další regulační krok.
Po vzniku F1,6bP je mnoho reakcí energeticky nepříznivých. Jediné reakce, které jsou příznivé, jsou 2 fosforylační kroky na úrovni substrátu, které vedou ke vzniku ATP. Tyto dvě reakce táhnou glykolytickou dráhu k dokončení.
Konečný osud pyruvátu a NADH produkovaných v glykolýze závisí na organismu a podmínkách, především na přítomnosti či nepřítomnosti kyslíku a dalších vnějších elektronových akceptorů.
V aerobních organismech pyruvát typicky vstupuje do mitochondrií, kde je plně oxidován na oxid uhličitý a vodu pomocí pyruvát dekarboxylázy a souboru enzymů cyklu kyseliny citronové (také známého jako TCA nebo Krebsův cyklus). Produkty pyruvátu jsou při průchodu cyklem postupně dehydrogenovány, čímž se konzervují ekvivalenty vodíku redukcí NAD+ na NADH. NADH je nakonec oxidován elektronovým transportním řetězcem za použití kyslíku jako konečného akceptoru elektronů a vzniká velké množství ATP působením ATP syntázového komplexu, což je proces známý jako oxidativní fosforylace. Malé množství ATP je také produkováno fosforylací na úrovni substrátů během cyklu TCA.
Ačkoli je lidský metabolismus primárně aerobní, za hypoxických (nebo částečně anaerobních) podmínek, například v přepracovaných svalech, které trpí nedostatkem kyslíku, nebo v buňkách infarktového srdečního svalu, se pyruvát přeměňuje na odpadní produkt laktát. Tyto a podobné reakce jsou známé jako fermentace a jsou řešením pro udržení metabolického toku prostřednictvím glykolýzy v reakci na anaerobní nebo silně hypoxické prostředí.
Existuje několik druhů fermentace, při nichž jsou pyruvát a NADH anaerobně metabolizovány za vzniku jakéhokoli z různých produktů, přičemž organická molekula působí jako konečný akceptor vodíku. Například bakterie, které se podílejí na výrobě jogurtu, jednoduše redukují pyruvát na kyselinu mléčnou, zatímco kvasinky produkují ethanol a oxid uhličitý. Anaerobní bakterie jsou schopny používat širokou škálu sloučenin, jiných než kyslík, jako konečné akceptory elektronů v dýchání: dusíkaté sloučeniny (například dusičnany a dusitany), sloučeniny síry (například sírany, siřičitany, oxid siřičitý a elementární síra), oxid uhličitý, sloučeniny železa, sloučeniny manganu, sloučeniny kobaltu a sloučeniny uranu.
Zprostředkovatelé pro jiné cesty
Tento článek se soustředí na katabolickou roli glykolýzy s ohledem na přeměnu potenciální chemické energie na využitelnou chemickou energii během oxidace glukózy na pyruvát. Mnoho metabolitů v glykolytické dráze je také využíváno anabolickými dráhami, a v důsledku toho je tok touto dráhou kritický také pro udržení zásobní uhlíkové kostry pro biosyntézu.
Z energetického hlediska se NADH buď recykluje na NAD+ během anaerobních podmínek, aby se udržel tok přes glykolytickou dráhu, nebo se používá během aerobních podmínek k produkci většího množství ATP oxidativní fosforylací. Z hlediska anabolického metabolismu má NADH roli při řízení syntetických reakcí, a to tak, že přímo nebo nepřímo redukuje zásobník NADP+ v buňce na NADPH, což je další důležité redukční činidlo pro biosyntetické dráhy v buňce.
V anaerobních podmínkách je glykolýza buněčným mechanismem k získání ATP, a to fermentací. V savčích buňkách je však glykolýza spojena s aerobním dýcháním. Za přítomnosti kyslíku mitochondrie přijímají pyruvát, konečný produkt glykolýzy, a dále jej oxidují na CO2 a vodu. Výsledkem je, že tok glykolytickou dráhou je v aerobních podmínkách nižší, protože úplná oxidace jedné molekuly pyruvátu (odpovídající jedné polovině molekuly glukózy) může vést k 18krát vyššímu ATP. Maligní rychle rostoucí nádorové buňky však mají glykolytickou rychlost, která je až 200krát vyšší než u jejich normálních tkání původu, a to i přes bohatou dostupnost kyslíku. Klasické vysvětlení tvrdí, že lokální úbytek kyslíku v nádoru je příčinou vysoké glykolytické rychlosti v nádorových buňkách. Nicméně existují i silné experimentální důkazy, které připisují tyto vysoké aerobní glykolytické rychlosti
nadměrně exprimované formě mitochondriálně vázané hexokinázy zodpovědné za řízení vysoké glykolytické aktivity, když kyslík není nutně vyčerpán. Tento jev byl poprvé popsán v roce 1930 Otto Warburgem, a proto je označován jako Warburgův efekt. Ten má v současnosti významné lékařské využití, protože aerobní glykolýza zhoubnými nádory je klinicky využívána k diagnostice a sledování léčebných odpovědí nádorů zobrazováním vychytávání 2-18F-2-deoxyglukózy (radioaktivní modifikovaný substrát hexokinázy) s pozitronovou emisní tomografií (PET) , .
Zprostředkovatelé pro jiné cesty
Tento článek se soustřeďuje na katabolickou roli glykolýzy s ohledem na přeměnu potenciální chemické energie na využitelnou chemickou energii během oxidace glukózy na pyruvát. Mnoho metabolitů v glykolytické dráze je také využíváno anabolickými dráhami a v důsledku toho je tok touto dráhou kritický pro udržení přísunu uhlíkových koster pro biosyntézu.
Navíc ne všechen uhlík vstupující do dráhy odchází jako pyruvát a může být extrahován v dřívějších fázích, aby se vytvořily sloučeniny uhlíku pro jiné dráhy.
Z pohledu anabolického metabolismu má NADH roli při řízení syntetických reakcí, a to tak, že přímo nebo nepřímo redukuje zásobník NADP+ v buňce na NADPH, což je další důležité redukční činidlo pro biosyntetické dráhy v buňce.
S Alzheimerovou chorobou je spojována nefunkční glykolýza nebo metabolismus glukózy ve fronto-temporo-parietální a cingulární kortice, pravděpodobně v důsledku sníženého amyloidu β (1-42) (Aβ42) a zvýšeného tau, fosforylovaného tau v mozkomíšním moku (CSF) Tyto změny v biomarkerech CSF svědčí o tom, že pacient trpí Alzheimerovou chorobou
Některé z metabolitů v glykolýze mají alternativní názvy a názvosloví. Částečně je to způsobeno tím, že některé z nich jsou společné jiným cestám, například Calvinovu cyklu.