Universitatea din PitetiFacultatea de tiine

,,Glicoliza

Disciplina: Biochimie ecologic

Profesor ndrumtor: Topal CarmenStudeni: Turescu Sorina Specializarea: Ingineria mediului Anul II

Cuprins

Introducere3Principiul catabolismului glicolitic8Bilantul energetic9Glicoliza aeroba.11 5. Glicoliza la plante superioare12

1.Introducere

Glicoliza reprezint procesul de degradare anaerob a glucozei sau glicogenului, care are drept rezultat formarea acidului lactic. Procesul a fost studiat n esutul muscular i dup numele celor care au adus contribuiile cele mai nsemnate n elucidarea mecanismului de reacie, aceast degradare poart numele de calea glicolitic Embden-Meyerhof-Parnas.Pornind de la glicogen, procesul de degradare anaerob parcurge 12 faze, care se desfoar astfel:1. Prima etap reprezint un proces de fosforoliz, prin care sub influena fosforilazei, acidul fosforic scindeaz mereu cte o molecul de glucoz din macromolecula glicogenului:2.

2. n etapa a doua glucozo-1-fosfatul este izomerizat de ctre fosfoglucomutaz cu formare de glucozo-6-fosfat:

Reacia decurge de fapt n dou etape intervenind i glucozo-1,6-difosfatul care ndeplinete rolul de coenzim a fosfoglucomutazei:

Echilibrul se stabilete la 30 n favoarea glucozo-6-fosfatului, care se formeaz n proporie de 94,5%.Dac glicoliza pornete de la glucoz, aceasta este fosforilat cu ajutorul ATP, n prezena glucokinazei, n cadrul unei reacii practic ireversibile:

3. Esterul glucozo-6-fosforic, format att din glicogen, ct i din glucoz, este izomerizat sub aciunea fosfohexoizomerazei la ester fructozo-6-fosforic (esterul lui Neubergj):4. Etapa a patra reprezint o treapt important din punct de vedere energetic, deoarece are loc din nou intervenia unei molecule de ATP care transfer nc un rest fosforic pe fructozo-6-fosfat, sub influena fosfofructokinazei, formndu-se fructozo-l,6-difosfatul (Esterul Haiden -Young). Reacia reclam prezena catalitic a ionilor Mg2+:

5.Fructozo-l,6-difosfatul este ulterior scindat n prezena aldolazei n dou fosfotrioze: aldehida 3-fosfogliceric (aldoz) i dihidroxiacetonfosfatul (cetoz):

Dei echilibrul care se stabilete este net n favoarea hexozei, prin faptul c cele dou trioze formate sunt scoase mereu din sistem (reacioneaz n continuare), reacia se deplaseaz n sensul scindrii fructozo-1,6-difosfatului. 6. Printr-o reacie de izomerizare realizat sub influena triozofosfatizomerazei se menine n permanen un echilibru ntre cele dou trioze formate anterior:

Echilibrul este deplasat n favoarea dihidroxiacetonfosfatului, ns datorit faptului c n etapa urmtoare (7) se consum aldehida fosfogliceric, are loc n permanen o regenerare a ei din cetoz, astfel c n mod practic i dihidroxiacetona este antrenat n fazele urmtoare ale glicolizei.De remarcat c dihidroxiacetonfosfatul n exces poate fi redus la ester glicerinfosforic (acid -glicerinfosforic), substan care aparine metabolismului lipidelor. Se realizeaz astfel o strns conexiune ntre metabolismul glucidelor i lipidelor. 7. Etapa a aptea are o semnificaie cu totul deosebit, ntruct prin procesul de fosforilare oxidativ care are loc, se realizeaz nglobarea energiei rezultate din reacia de oxidare, n molecula noului produs, sub forma unei legturi macroergice. Oxidarea se realizeaz cu participarea NAD+ care acceptnd doi atomi de H (dehidrogenare) de la aldehida gliceric activat de ctre o enzim ce conine gruparea SH (HS-Enzim), d natere acidului 1,3-difosfogliceric:

Aceast reacie de fosforilare oxidativ este cuplat cu reacia etapei 12 (etapa reductiv), deoarece NADH format n etapa 7 este folosit pentru efectuarea unei reduceri (n etapa 12) i este astfel retransformat n NAD+. 8.Legtura macroergic a acidului 1,3-difosfogliceric este cedat apoi sub influena fosfoglicerolkinazei (activat de Mg2+) unei molecule de ADP care se transform n ATP, rezervorul de energie din organism:

Efectund bilanul ecuaiilor 7 i 8 prin nsumarea lor, se ajunge la rezultatul global al acestor dou transformri, care poate fi astfel redat:

Energia reaciei exergonice de oxidare, n loc s se piard sub form de cldur, apare conservat n legtura macroergic a ATP. 9.Acidul 3-fosfogliceric obinut n faza anterioar, se izomerizeaz n prezena fosfogliceromutazei, trecnd n acid 2-fosfogliceric:

Ca i n cazul izomerizrii glucozo-1-fosfatului, n glucozo-6-fosfat (faza 2a), este necesar prezena unei coenzime care este acidul 2,3-difosfogliceric: Dovada participrii catalitice a acidului 2,3-difosfogliceric n aceast reacie a fost fcut utilizndu-se acid 3-fosfogliceric marcat cu 32P radioactiv i demonstrndu-se c izotopul radioactiv apare n molecula derivatului difosforilat. 10. Sub influena enolazei, acidul 2-fosfogliceric pierde o molecul de ap trecnd n acid fosfoenolpiruvic, n care legtura esteric obinuit s-a transformat ntr-o legtur macroergic:

Aceast etap prezint deci aceeai deosebit importan din punct de vedere energetic ca i etapa a aptea. 11. Acidul fosfoenolpiruvic cedeaz legtura sa macroergic acidului ADP care trece astfel n ATP, iar acidul enolpiruvic eliberat, trece spontan n forma sa cetonic, acidul piruvic

Formarea acidului piruvic n aceast etap are o semnificaie cu totul deosebit, deoarece el reprezint pe de o parte punctul de pornire n degradarea aerob a glucidelor (prin carboxilare i decarboxilare), iar pe de alt parte realizeaz una din cele mai importante puni de legtur cu metabolismul protidic, crendu-se posibilitatea trecerii prin transaminare n alanin. 12. Ultima faz a glicolizei reprezint o reacie reductiv al crei rezultat este reducerea acidului piruvic cu ajutorul NADH (obinut n faza a 7-a oxidativ) la acid /lactic, produsul filial al glicolizei, care se depune n muchi n urma travaliului muscular:

De remarcat, c i n cazul fermentaiei lactice se obine tot acid lactic, ns forma racemic.Etapa reductiv prin care se formeaz acidul lactic este cuplat cu etapa (7) oxidativ, n decursul creia se formeaz acidul 1,3-difosfogliceric, prin intermediul reaciei

NAD+ NADH + H+

7. Aldehida fosfogliceric + NAD+ + H3PO4 Acid 1,3-difosfogliceric + NADH + H+

12. Acid piruvic + NADH + H+ Acid lactic + NAD+

n acest mod NADH format n faza 7 este utilizat n permanen n faza 12, iar NAD+ format n reacia 12, este utilizat n reacia 7.ntregul proces se desfsoar de-a lungul celor 12 etape conform schemei (fig. 7,7).ntregul ir de reacii ce constituie procesul degradrii anaerobe a glucidelor a fost confirmat experimental. Exist ntr-adevr dovezi complete i incontestabile n acest sens, deoarece s-a reuit izolarea tuturor intermediarilor, i chiar izolarea i purificarea enzimelor implicate n aceste transformri; s-a demonstrat c acidul iodacetic, care inhib fosfatdehidrogenaza, inhib i procesul glicolizei; n fine, o serie de esuturi i de extracte tisulare s-au dovedit capabile s produc asupra produilor intermediari ai glicolizei in vitro" exact aceleai reacii care se petrec i in vivo".Transformarea global care are loc pe parcursul etapelor glicolizei poate fi redat prin ecuaia:

Fig. 1. Glicoliza.

Calea Embde n-Mejerhof- Parnas : (1)-fosforilaza ;[2a]-fosfoglucomutaza; [2b]-hexokinaza; (3)-fosfohexozoizonieraza;(4)- fosfofructokinaza ;(5)-aldoIaza ;(6)-triozofosfatizomeraza ;(7)-3-fosfogliceroaldehiddehidrogenaza; (8)-fosfoglicerolkinaza;(9)-fosfogliceriomutaza; [10]-enolaza; [11] -piruvickinaza; [12] -lacticodehidrogenaza. Rostul multiplelor faze, de-a lungul acestei degradri exergonice, este acela de a furniza, treptat n etape i n cantiti mici, energia care poate fi astfel depozitat, n mod avantajos sub form de legturi macroergice n ATP, acest acumulator universal din care organismul poate utiliza uor i direct energia, pe msura necesitilor sale.

2. Principiul catabolismului glicolitic

Caracterul esenial al glicolizei este c poate s se desfoare anaerob i c n acest caz se obine energie (36 kcal pentru un mol de glucoza, cu ajutorul crora pot s fie introduse 2 moli de acid fosforic sub form de ATP substan macroergic). Dei ecuaia sumar

C6H12O6 = 2 C3H6O3 glucoz = 2 acid lactic

corespunde unei izomerizri, un stadiu de dehidrogenare se intercaleaz i in procesul de glicoliz ; coenzima se regenereaz ns printr-o reacie de hidrogenare. n timp ce n catabolismul direct al glucozei dehidrogenarea este la nceputul lanului de reacii, n scindarea pe calea Embden-Meyerhof, ea este ainnat ntr-o etap mult mai trzie. Putem s distingem patru faze: 1.Transformarea hexozei n 2 moli de triozofosfat; aceasta are loc in stadiul de oxidare a hidrocarbonatului i necesit ATP pentru fosfo r ilare. 2.Dehidrogenarea triozofosfatului cu NAD+ n acid fosfogliceric, cu eliberare de energie, care este conservat n parte ca energie chimic sub form de ATP (1 mol pentru fiecare mol de trioz). 3.Transformarea acidului fosfogliceric n acid piruvic, proces n care fosfatul inserat se ridic la un nivel crescut de energie i se retransfer la ATP. 4.Transformarea acidului piruvic, n care catabolismul anaerob se separ de cel aerob; n al doilea caz (oxibioz) catabolismul intr in ciclul acidului citric i n lanul respirator, n primul caz coenzima (NAD+) se regenereaz printr-un stadiu de hidrogenare, care pune n libertate acid lactic n muchi i alcool etilic n cazul drojdiei de bere.

3. Bilanul energetic

Bilanul energetic al glicolizei arat c n etapa a 4-a se consum o molecul de ATP, iar n etapele 8 i 11 se acumuleaz dou molecule de ATP. innd ns cont de faptul c n etapa 5, o hexoz se transform n dou trioze i c n continuare toate etapele au ca punct de plecare cele dou molecule de trioze, nseamn c n fazele 8 i 11, pentru fiecare molecul de hexoz se ctig cte dou molecule de ATP. n cazul n care glicoliza pornete de la glucoz i nu de la glicogen, mai intervine o etap consumatoare de ATP, etapa n care se formeaz glucozo-6-fosfatul.Bilanul energetic final n cele dou cazuri este redat n tabelul 7.1. Acumularea de ATP este deci mai mare dac glicoliza pornete de la glicogen, dect dac acest proces are ca punct de plecare glucoza. Acest avantaj este ns numai aparent, pentru c fcnd un bilan global, trebuie s remarcm c n cadrul glicogenogenezei, pentru ncorporarea fiecrei molecule de glucoz n molecula glicogenului se consum cte o molecul de ATP. Lundu-se n considerare formarea celor dou molecule de ATP a cror hidroliz elibereaz 16 kcal (2 x 8 000 cal) i cunoscndu-se c reacia de oxidare a glucozei la acid lactic d posibilitatea acumulrii a 56 kcal, reiese c organismul poate valorifica efectiv (sub form de ATP) energia acestei transformri cu un randament de aproximativ 30%, randament ce poate fi considerat drept eficace. Dac acest randament se compar cu cel obinut pe calea degradrii aerobe, care duce la formarea a 38 molecule ATP prin degradarea fiecrei molecule de glucoz, iese n eviden utilizarea neeconomic a substanei organice pe calea glicolizei. Cu toate acestea, n condiii n care aportul de oxigen nu este suficient (de exemplu n cazul efortului ndelungat i intens) sau n condiiile n care acesta lipsete complet (pentru o scurt perioad), organismul, pentru rezolvarea necesitilor energetice stringente, este obligat s fac apel i la degradarea anaerob, neavantajoas din punct de vedere al bilanului energetic.Tabelul 7.1Bilanul energetic al procesului de glicolizGlicogenolizaGlicoIiza

etapa 4etapa 8etapa 11ATP+ 2ATP+ 2 ATPetapa 2aetapa 4etapa 8etapa 11ATPATP+ 2ATP+ 2ATP

Total+ 3ATPTotal+ 2ATP

n ceea ce privete acidul lactic rezultat n timpul glicolizei, aceasta este judicios utilizat de organism, fiind convertit n glicogen prin parcurgerea reaciilor glicolizei n sens invers. Bineneles c acest proces se realizeaz numai n prezena unui furnizor de energic, capabil s cedeze energia necesar depirii barierelor energetice ce stau n calea reaciilor endergonice, inverse glicolizei. Aceast resintez e realizabil doar n ficat (unde acidul lactic e transportat prin intermediul sngelui), pe calea ciclului lui Utter, dup ce o parte din acidul lactic a fost oxidat total la CO2 i H2O pentru a se obine energia necesar glicogenoneoge-nezei. S-a constatat c la broasc, aceast resintez a glicogenului se realizeaz chiar n muchi pe seama energiei furnizate prin degradarea complet, cu formare de CO2 i H2O, a circa 20% din acidul lactic rezultat din glicoliz. Prin aceast oxidare se utilizeaz i restul de energie chimic potenial nmagazinat n molecula iniial de glucoz, dup ce o prim parte a fost utilizat la crearea legturilor macroergice ale celor dou molecule de ATP. Glicoliza furnizeaz rezerva principal de ATP din muchi (n faza anaerob) ns pe o cale mai lent de-a lungul celor 12 reacii ce sfresc cu formarea acidului lactic:

C6H12O6 (din glicogen) + 3ADP + 3H3PO4 3ATP + 2 acid lactic

Conexiunea strns existent ntre contracia muscular i glicoliz, precum i ponderea mare pe care o are glicoliza n realizarea travaliului muscular este pus n eviden i de constatarea c n urma unei excitri a muchiului viteza glicolizei crete de aproape o mie de ori. Glicoliza, pe lng avantajul pe care-l prezint ca furnizoare de energie n lipsa oxigenului, are ns i dezavantajul c acidul lactic rezultat are influen negativ asupra activitii musculare. S-au semnalat ca valori maxime n sngele unor sportivi care au efectuat eforturi de intensitate mare, prelungite pn la limita maxim, concentraii de pn la 300 mg% acid lactic (fa de valoarea de aproximativ 12 mg% n repaus). Creterea concentraiei de acid lactic este, se pare, cauza apariiei punctului mort" sau a senzaiei de epuizare pe parcursul sau la sfritul unor probe sportive n care se face apel n mare msur la degradarea anaerob. Constatrile c unii sportivi foarte bine antrenai suport mai uor concentraii sporite de acid lactic sau formeaz cantiti mai mici de acid lactic, au dus la concluzia c exista pe de o parte posibiliti de neutralizare a aciunii nocive a acidului lactic, iar pe de alt parte posibiliti de generare anaerob a energiei n alt mod. Cercetrile ntreprinse n acest domeniu au dus la concluzii interesante:exist posibilitatea de mpiedicare a formrii acidului lactic prin combinarea acidului piruvic format n faza 11 a degradrii anaerobe cu amoniacul i reducerca imediat a produsului obinut cu ajutorul NADH (care n cazul glicolizei obinuite reduce n etapa 12 acidul piruvic la acid lactic)

Se obine pe aceast cale alanina, produs neduntor, calea prezentnd nc un avantaj, acela de a neutraliza amoniacul care dup cum se tie este toxic;

exist o variant a glicolizei fr acid lactic" n care acceptorul de hidrogen numai este acidul piruvic (care s-ar reduce astfel la acid lactic) ci dihidroxiacetonfosfatul care trece n glicerofosfat (acid glicerinfosforic):

Acidul glicerinfosforic astfel format se poate apoi rcoxida la aldehid fosfogliceric, iar aceasta pe calea glicolizei obinuite mai furnizeaz nc energie prin transformrile care duc la formarea acidului piruvic.

4. Glicoliza aerob Glicoliza care elibereaz doar a treisprezecea parte din energia chimic potenial a glucidelor asigur numai pe o durat scurt energia necesar travaliului muscular. Deci n muchi (i n alte esuturi) ea este urmat de cele mai multe ori de degradarea oxidativ a glucidelor, care prin oxidarea unei cote pri a acidului piruvic furnizat de glicoliz, produce energii mult mai mari dect totalul de glucoz degradat pe cale anaerob. ndat ce condiiile anaerobe nceteaz, glicoliza i mpreun cli ea consumul de glucoz este mult restrns. Exist i o glicoliz aerob n care fermentaia i oxidarea glucozei se produc paralel i cu viteze apreciabile, ns aceasta se ntlnete numai n retin, n esuturi embrionare, tumorale i cerebrale; ea lipsete la majoritatea esuturilor normale. Un fenomen remarcabil n reglarea metabolismului glucidic l constituie faptul c n condiii anaerobe glicoliza se produce fr ntrziere, iar n condiii aerobe ea nceteaz, respectiv este limitat la producerea unei cantiti foarte mici de acid piruvic, suficient pentru a furniza pe cale oxidativ energia necesar celulelor. Acest mecanism de reglare a fost denumit reacia (sau efectul) lui Pasteur i Meyerhof dup cei doi cercettori, care l-au semnalat pentru ntia oar la levuri (Pasteur) i n muchi (Meyerhof). n esutul muscular, Meyerhof a pus n eviden nu numai ncetinirea nsemnat a glicolizei n aerobioz, ci i resinteza glicogenului n contul energiei furnizate de oxidarea unei treimi sau unei esimi din cantitatea total de acid lactic format. Se numete factorul lui Meyerhof" raportul dintre cantitatea de acid lactic oxidat n continuare i cea format n glicoliz. Acest factor poate avea valoarea cuprins ntre 1/3 i 1/6. Meyerhof a presupus c glicoliza are loc cu aceeai vitez i n condiii aerobe, ns atunci cea mai mare parte a acidului lactic format este imediat resintetizat la glicogen.Pasteur presupune c oxigenul inhib procesul de glicoliz prin oxidarea unuia dintre fermenii specifici participani n acest proces. Recent, aceast ipotez a fost confirmat i de Engelhardt, care arat c n prezena aerului, este inactivat fosfofructokinaza. Dup cum s-a menionat, acest ferment catalizeaz formarea fructozo-1,6-difosfatului, i n urma inhibrii lui oxidative, glicoliza are loc numai n msur necesar pentru a asigura oxidarea unor mici cantiti de glucoz. Lynell i Johnson sunt de prere c efectul Pasteur -Meyerhof este consecina concurenei pentru acidul fosforic i ADP-ul necesari att glicolizei, ct i degradrii oxidative. n condiii anaerobe, datorit consumului de energie din celule, iau natere cantiti importante de fosfat i ADP i astfel glicoliza poate porni fr ntrziere. n aerobioz fosfatul i ADP sunt solicitai competitiv pentru glicoliz i pentru fosforilrile oxidative. n consecin glicoliza este nlturat de oxidare, cci fosforilarea oxidativ este posibil i la o concentraie mai mic de fosfat dect cea necesar n glicoliz. Experienele demonstreaz c cele dou teorii nu explic ndeajuns efectul Pasteur Meyerhof, deoarece n acest fenomen joac un rol important i localizarea intracelular a proceselor metabolice, anume sistemul enzimatic complet al procesului de oxidare terminal (corelat n special cu ciclul citric) a fost gsit numai n mitocondrii, iar sistemul enzimatic al glicolizei se gsete n hialoplasm. ndat ce oxidarea pornete, n hialoplasm scade concentraia ADP-ului i a fosfatului anorganic i astfel glicoliza se oprete. Lynen este de prere c datorit declanrii oxidaiei intramitocondriale, nucleotidele migreaz din plasm n mitocondrii i, din acest motiv, plasma nu este n stare s declaneze glicoliza. Produii finali ai oxidrii glucozei sunt bioxidul de carbon i apa. ns acetia nu iau natere n reacia direct a piruvatului cu oxigenul. Hidrogenul piruvatului este cedat codehidrogenazelor NAD+, NADP+, FAD. Acestea fixeaz n mod reversibil cte doi atomi de hidrogen, mijlocind unirea lor cu oxigenul molecular n procesul de oxidare terminal. Reacia cu oxigenul nu este necesar nici n oxidarea carbonului la anhidrida carbonic, deoarece prin repetate adiii de ap, urmate de dehidrogenri, atomii de carbon ai substratului pot fi oxidai succesiv la grupri carboxilice, care apoi prin decarboxilare pun n libertate bioxidul de carbon. Aceast oxidare a carbonului, care furnizeaz simultan i hidrogenul transportat de coenzime (NADH, NADPH etc.) spre enzimele oxidrii terminale are loc n ciclul citric descoperit de Krebs i Szent-Gyrgyi A.

5. Glicoliza la plantele superioare

Degradarea glucozei la acid piruvic reprezint o cale important de metabolizare a glucidelor i la plantele superioare, fotosintetizante. Existena glicolizei la vegetale o dovedesc: izolarea tuturor enzimelor schemei Embden - Meyerhof din materiale vegetale; acumularea etanolului (mai rar i a acidului lactic) n anaerobioza esuturilor vegetale i materialele vegetale masiv ncrcate cu acid piruvic; experienele efectuate in vitro i in vivo cu inhibitorii enzimelor glicolitice (acid monoiodacetic, florari etc.) respectiv cu atomi marcai; tehnicile prin care diverse glucide (glucozo-l-fosfat, fructoz, fructozo-l,6-difosfat) au fost practic cantitativ degradate la piruvat sau la alcool etilic (uneori chiar cu formare de ATP) conform schemei Embden-Meyerhof lucrnd pe materiale vegetale.Menionm totui c, exclusiv n celulele vegetale fotosintetizante, alturi de fosfogliceroaldehiddehidrogenaza (PGAD) NAD-specific, identic cu cea din celulele animale, mai exist i un PGAD NADP-specific, a crui activitate crete paralel cu iluminarea i cu activitatea fotosintetic a celulei. n aerobioza celulelor vegetale, piruvatul format prin glicoliz constituie principalul substrat al oxidrilor biologice.

Bibliografie

I. F. Dumitru,S. Mager, A. Turcu Biochimie generala, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1973, pag. 369 375, 511;

I. D. Manta, Biochimie medical, Editura Didactic i pedagogic, Bucureti, 1968, pag. 365 370;

P. Karlson , Manual de biochimie, Editura Medical , Bucureti, 1967, pag. 304 310;

S. Cplna, D. Tnsescu, E. Truia,Biochimie medical, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1975, pag. 214 222;

E. Felszeghv, A. Abraham, Biochimie,Editura didactic i pedagogic,Bucureti,1972, pag. 187 195.

1