GLIKOLISIS: FUNGSI, ENZIM, FASE, PRODUK, KEPENTINGAN - BIOLOGI - 2025

The glikolisis atau glikolisis adalah rute utama dari katabolisme glukosa, yang tujuan utamanya adalah untuk menghasilkan energi di dalam bentuk ATP dan kekuasaan mengurangi di dalam bentuk NADH, dari karbohidrat ini.

Rute ini, sepenuhnya dijelaskan pada tahun 1930-an oleh Gustav Embden dan Otto Meyerhof saat mempelajari konsumsi glukosa dalam sel otot rangka, terdiri dari oksidasi lengkap monosakarida ini dan, dengan sendirinya, merupakan jalur anaerobik untuk mendapatkan energi.

Struktur molekul ATP, salah satu produk glikolitik (Ringkasan jalur glikolitik (Sumber: Tekks di Wikipedia bahasa Inggris / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) melalui Wikimedia Commons) melalui Wikimedia Commons)

Ini adalah salah satu rute metabolisme utama, karena terjadi, dengan perbedaannya, di semua organisme hidup yang ada, uniseluler atau multiseluler, prokariotik atau eukariotik, dan dianggap sebagai rantai reaksi yang secara evolusioner sangat lestari di alam.

Faktanya, ada beberapa organisme dan jenis sel yang bergantung secara eksklusif pada jalur ini untuk bertahan hidup.

Pertama, glikolisis terdiri dari oksidasi glukosa, dari 6 atom karbon, menjadi piruvat, yang memiliki tiga atom karbon; dengan produksi ATP dan NADH secara bersamaan, berguna untuk sel dari sudut pandang metabolisme dan sintetik.

Dalam sel yang mampu memproses lebih lanjut produk yang diperoleh dari katabolisme glukosa, glikolisis diakhiri dengan produksi karbon dioksida dan air melalui siklus Krebs dan rantai transpor elektron (glikolisis aerobik).

Sepuluh reaksi enzimatik terjadi dalam perjalanan jalur glikolitik, dan meskipun regulasi reaksi ini mungkin agak berbeda dari spesies ke spesies, mekanisme pengaturannya juga cukup dipertahankan.

Fungsi glikolisis

Dari sudut pandang metabolisme, glukosa merupakan salah satu karbohidrat terpenting bagi semua makhluk hidup.

Ini adalah molekul yang stabil dan sangat larut, sehingga dapat diangkut dengan relatif mudah ke seluruh tubuh hewan atau tumbuhan, dari mana ia disimpan dan / atau diperoleh ke tempat yang dibutuhkan sebagai bahan bakar seluler.

Struktur glukosa (Sumber: Oliva93 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) melalui Wikimedia Commons)

Energi kimiawi yang terkandung dalam glukosa dieksploitasi oleh sel-sel hidup melalui glikolisis, yang terdiri dari serangkaian langkah-langkah yang sangat terkontrol di mana energi yang dilepaskan dari oksidasi karbohidrat ini dapat "ditangkap" menjadi bentuk energi yang lebih dapat digunakan. , karena itu pentingnya.

Melalui jalur ini tidak hanya energi (ATP) dan daya pereduksi (NADH) yang diperoleh, tetapi juga menyediakan serangkaian perantara metabolisme yang merupakan bagian dari jalur lain, juga penting dari anabolik (biosintetik) dan fungsi seluler umum. Berikut daftarnya:

- Glukosa 6-fosfat untuk Pentose Phosphate Pathway (PPP)

- Piruvat untuk fermentasi laktat

- Piruvat untuk sintesis asam amino (alanin, terutama)

- Piruvat untuk siklus asam trikarboksilat

- Fruktosa 6-fosfat, glukosa 6-fosfat dan dihidroksiaseton fosfat, yang berfungsi sebagai “blok pembangun” di jalur lain seperti sintesis glikogen, asam lemak, trigliserida, nukleotida, asam amino, dll.

Produksi energi

Jumlah ATP yang diproduksi oleh jalur glikolitik, ketika sel yang memproduksinya tidak dapat hidup dalam kondisi aerobik, cukup untuk mensuplai kebutuhan energi sel ketika digabungkan dengan berbagai jenis proses fermentasi.

Namun, jika menyangkut sel aerobik, glikolisis juga berfungsi sebagai sumber energi darurat dan berfungsi sebagai "langkah persiapan" sebelum reaksi fosforilasi oksidatif yang menjadi ciri sel dengan metabolisme aerobik.

Enzim yang terlibat dalam glikolisis

Glikolisis hanya mungkin terjadi berkat partisipasi 10 enzim yang mengkatalisasi reaksi yang menjadi ciri jalur ini. Banyak dari enzim ini adalah alosterik dan berubah bentuk atau konformasi ketika mereka menggunakan fungsi katalitiknya.

Ada enzim yang memecah dan membentuk ikatan kovalen antara substratnya dan ada enzim lain yang membutuhkan kofaktor spesifik untuk menjalankan fungsinya, terutama ion logam.

Secara struktural, semua enzim glikolitik memiliki pusat yang pada dasarnya terdiri dari lembaran β paralel yang dikelilingi oleh heliks α dan disusun dalam lebih dari satu domain. Lebih lanjut, enzim ini dicirikan bahwa situs aktifnya biasanya berada di situs pengikatan antar domain.

Penting juga untuk dicatat bahwa regulasi utama dari jalur melewati kontrol (hormonal atau metabolit) enzim seperti heksokinase, fosfofruktokinase, gliseraldehida 3-fosfat dehidrogenase dan piruvat kinase.

Poin utama dari regulasi jalur glikolitik (Sumber: Gregor 0492 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) melalui Wikimedia Commons)

1- Hexokinase (HK)

Reaksi pertama glikolisis (fosforilasi glukosa) dikatalisis oleh heksokinase (HK), yang mekanisme kerjanya tampaknya terdiri dari "pengetatan yang diinduksi" substrat yang mendorong "penguncian" enzim di sekitar ATP dan glukosa (substratnya) setelah terikat padanya.

Bergantung pada organisme yang dipertimbangkan, mungkin ada satu atau lebih isoenzim, yang berat molekulnya berkisar antara 50 (sekitar 500 asam amino) dan 100 kDa, karena mereka tampak berkelompok bersama dalam bentuk dimer, yang pembentukannya disukai oleh keberadaan glukosa, ion magnesium dan ATP.

Hexokinase memiliki struktur tersier yang terdiri dari lembaran alfa dan beta terbuka, meskipun terdapat banyak perbedaan struktural pada enzim ini.

2- Isomerase fosfoglukosa (PGI)

Glukosa terfosforilasi oleh heksokinase diisomerisasi menjadi fruktosa 6-fosfat melalui fosfoglukosa isomerase (PGI), juga dikenal sebagai isomerase glukosa 6-fosfat. Enzim, kemudian, tidak menghilangkan atau menambah atom, tetapi menyusunnya kembali pada tingkat struktural.

Ini adalah enzim aktif dalam bentuk dimernya (berat monomer kurang lebih 66 kDa) dan tidak hanya terlibat dalam glikolisis, tetapi juga dalam glukoneogenesis, dalam sintesis karbohidrat pada tumbuhan, dll.

3- Fosfofruktokinase (PFK)

Fruktosa 6-fosfat merupakan substrat untuk enzim fosfofruktokinase yang mampu melakukan fosforilasi ulang molekul ini dengan menggunakan ATP sebagai donor gugus fosforil, menghasilkan fruktosa 1,6-bifosfat.

Enzim ini ada pada bakteri dan mamalia sebagai enzim homotetrameric (terdiri dari empat subunit identik masing-masing 33 kDa untuk bakteri dan 85 kDa pada mamalia) dan pada ragi itu adalah oktamer (terdiri dari subunit yang lebih besar, antara 112 dan 118 kDa).

Ini adalah enzim alosterik, yang berarti diatur secara positif atau negatif oleh beberapa produknya (ADP) dan oleh molekul lain seperti ATP dan sitrat.

4- Aldolasse

Juga dikenal sebagai fruktosa 1,6-bifosfat aldolase, aldolase mengkatalisis pemecahan katalitik fruktosa 1,6-bifosfat menjadi dihidroksiaseton fosfat dan gliseraldehida 3-fosfat dan reaksi sebaliknya, yaitu, penyatuan kedua gula untuk pembentukan fruktosa 1,6-bifosfat.

Dengan kata lain, enzim ini memotong fruktosa 1,6-bifosfat menjadi dua, melepaskan dua senyawa 3-karbon terfosforilasi. Aldolase juga terdiri dari 4 subunit identik, masing-masing dengan situs aktifnya sendiri.

Keberadaan dua kelas (I dan II) enzim ini telah ditentukan, yang dibedakan oleh mekanisme reaksi yang dikatalisasinya dan karena beberapa (yang pertama) terjadi pada bakteri dan eukariota "rendah", dan yang lainnya ( kedua) berada pada bakteri, protista dan metazoa.

Aldolase eukariotik yang "lebih tinggi" terdiri dari homotetramer dari subunit dengan berat molekul 40 kDa, masing-masing terdiri dari sebuah barel yang terdiri dari 8 lembar β / α.

5- Triose fosfat isomerase (TIM)

Dua triosa terfosforilasi dapat dipertukarkan satu sama lain berkat aksi isomerase triosa-fosfat, yang memungkinkan kedua gula digunakan selama glikolisis, memastikan penggunaan penuh setiap molekul glukosa yang memasuki jalur.

Enzim ini telah digambarkan sebagai enzim yang "sempurna", karena mengkatalisis reaksi yang dijelaskan sekitar satu triliun kali lebih cepat daripada yang akan terjadi tanpa partisipasi Anda. Situs aktifnya berada di tengah struktur beta-barrel, karakteristik dari banyak enzim glikolitik.

Ini adalah protein dimer, terdiri dari dua subunit identik sekitar 27 kDa, keduanya dengan struktur bulat.

6- Glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase (GAPDH)

Gliseraldehida 3-fosfat yang dihasilkan oleh aksi aldolase dan triosa fosfat isomerase berfungsi sebagai substrat untuk GAPDH, yang merupakan enzim homotetrameric (34-38 kDa tiap subunit) yang secara kooperatif mengikat molekul NAD + di masing-masing dari 4 situs aktifnya, serta 2 ion fosfat atau sulfat.

Pada langkah jalur ini, enzim memungkinkan fosforilasi salah satu substratnya menggunakan fosfat anorganik sebagai donor gugus fosforil, dengan pengurangan dua molekul NAD + secara bersamaan dan produksi 1,3-bifosfogliserat.

7- Phosphoglycerate kinase (PGK)

Phosphoglycerate kinase bertanggung jawab untuk mentransfer salah satu gugus fosfat 1,3-bifosfogliserat ke molekul ADP melalui fosforilasi pada tingkat substrat. Enzim ini menggunakan mekanisme yang mirip dengan yang digunakan oleh heksokinase, karena ia menutup kontak pada substratnya, melindunginya dari gangguan molekul air.

Enzim ini, seperti enzim lain yang menggunakan dua atau lebih substrat, memiliki situs pengikatan untuk ADP dan satu lagi untuk gula fosfat.

Berbeda dengan enzim lain yang dijelaskan, protein ini adalah monomer 44 kDa dengan struktur bilobal, terdiri dari dua domain berukuran sama yang dihubungkan oleh “celah” sempit.

8- mutase fosfogliserat

3-fosfogliserat mengalami perubahan dari gugus fosfat ke karbon 2, di tengah molekul, yang merupakan situs ketidakstabilan strategis yang memfasilitasi transfer selanjutnya dari gugus ke molekul ATP dalam reaksi terakhir jalur.

Penataan ulang ini dikatalisis oleh enzim phosphoglycerate mutase, enzim dimer untuk manusia dan tetrameric untuk yeast, dengan ukuran subunit mendekati 27 kDa.

9- Enolase

Enolase mengkatalisis dehidrasi 2-fosfogliserat menjadi fosfoenolpiruvat, langkah penting untuk pembentukan ATP pada reaksi berikutnya.

Ini adalah enzim dimer yang terdiri dari dua subunit 45 kDa yang identik. Itu tergantung pada ion magnesium untuk stabilitasnya dan untuk perubahan konformasi yang diperlukan untuk mengikat substratnya. Ini adalah salah satu enzim yang paling banyak diekspresikan dalam sitosol banyak organisme dan melakukan fungsi selain yang glikolitik.

10- piruvat kinase

Fosforilasi tingkat substrat kedua yang terjadi dalam glikolisis dikatalisis oleh piruvat kinase, yang bertanggung jawab untuk transfer gugus fosforil dari fosfoenolpiruvat ke ADP dan untuk produksi piruvat.

Enzim ini lebih kompleks daripada enzim glikolitik lainnya dan pada mamalia itu adalah enzim homotetrameric (57 kDa / subunit). Ada, pada vertebrata, setidaknya 4 isoenzim: L (dalam hati), R (dalam eritrosit), M1 (dalam otot dan otak) dan M2 (jaringan janin dan jaringan dewasa).

Fase glikolisis (langkah demi langkah)

Jalur glikolitik terdiri dari sepuluh langkah berurutan dan dimulai dengan satu molekul glukosa. Selama proses tersebut, molekul glukosa "diaktifkan" atau "disiapkan" dengan penambahan dua fosfat, membalikkan dua molekul ATP.

Selanjutnya, ia "dipotong" menjadi dua fragmen dan akhirnya dimodifikasi secara kimiawi beberapa kali, mensintesis empat molekul ATP di sepanjang jalan, sehingga perolehan bersih dalam rute tersebut sesuai dengan dua molekul ATP.

Dari penjelasan di atas, dapat disimpulkan bahwa rute tersebut dibagi menjadi fase "investasi" energi, fundamental untuk oksidasi lengkap molekul glukosa, dan fase "penguatan" energi lainnya, di mana energi yang digunakan awalnya diganti dan dua lagi diperoleh. molekul ATP bersih.

- Fase investasi energi

1- Langkah pertama jalur glikolitik terdiri dari fosforilasi glukosa yang dimediasi oleh heksokinase (HK), di mana enzim menggunakan satu molekul ATP untuk setiap molekul glukosa yang difosforilasi. Ini adalah reaksi yang tidak dapat diubah dan bergantung pada keberadaan ion magnesium (Mg2 +):

Glukosa + ATP → Glukosa 6-fosfat + ADP

2- Glukosa 6-fosfat yang dihasilkan diisomerisasi menjadi fruktosa 6-fosfat berkat aksi enzim fosfoglukosa isomerase (PGI). Ini adalah reaksi yang dapat dibalik dan tidak melibatkan pengeluaran energi tambahan:

Glukosa 6-fosfat → Fruktosa 6-fosfat

3- Selanjutnya, langkah pembalikan energi lainnya melibatkan fosforilasi fruktosa 6-fosfat untuk membentuk fruktosa 1,6-bifosfat. Reaksi ini dikatalisis oleh enzim fosfofruktokinase-1 (PFK-1). Seperti langkah pertama dalam jalur, molekul donor gugus fosfat adalah ATP dan juga merupakan reaksi yang tidak dapat diubah.

Fruktosa 6-fosfat + ATP → Fruktosa 1,6-bifosfat + ADP

4- Pada tahap glikolisis ini, terjadi pemecahan katalitik fruktosa 1,6-bifosfat menjadi dihidroksiaseton fosfat (DHAP), ketosis, dan gliseraldehida 3-fosfat (GAP), aldosa. Kondensasi aldol ini dikatalisis oleh enzim aldolase dan merupakan proses yang dapat dibalik.

Fruktosa 1,6-bifosfat → Dihydroxyacetone fosfat + gliseraldehida 3-fosfat

5- Reaksi terakhir dari fase inversi energi terdiri dari interkonversi dari triosa fosfat DHAP dan GAP yang dikatalisis oleh enzim triosa-fosfat isomerase (TIM), sebuah fakta yang tidak memerlukan asupan energi tambahan dan juga merupakan proses yang dapat dibalik.

Dihydroxyacetone phosphate ↔ Gliseraldehida 3-fosfat

- Fase penguatan energi

6- Gliseraldehida 3-fosfat digunakan "hilir" dalam jalur glikolitik sebagai substrat untuk reaksi oksidasi dan yang lainnya untuk fosforilasi, dikatalisasi oleh enzim yang sama, gliseraldehida 3-fosfat dehidrogenase (GAPDH).

Enzim mengkatalisis oksidasi karbon C1 molekul menjadi asam karboksilat dan fosforilasinya pada posisi yang sama, menghasilkan 1,3-bifosfogliserat. Selama reaksi, 2 molekul NAD + direduksi untuk setiap molekul glukosa dan 2 molekul fosfat anorganik digunakan.

2 Gliseraldehida 3-fosfat + 2NAD + + 2Pi → 2 (1,3-bisfosfogliserat) + 2NADH + 2H

Dalam organisme aerobik, setiap NADH yang diproduksi dengan cara ini melewati rantai transpor elektron untuk berfungsi sebagai substrat untuk sintesis 6 molekul ATP melalui fosforilasi oksidatif.

7- Ini adalah langkah sintesis ATP pertama dalam glikolisis dan melibatkan aksi fosfogliserat kinase (PGK) pada 1,3-bifosfogliserat, mentransfer gugus fosforil (fosforilasi tingkat substrat) dari molekul ini ke molekul ADP, menghasilkan 2ATP dan 2 molekul 3-fosfogliserat (3PG) untuk setiap molekul glukosa.

2 (1,3-bisphosphoglycerate) + 2ADP → 2 (3-phosphoglycerate) + 2ATP

8- 3-fosfogliserat berfungsi sebagai substrat untuk enzim fosfogliserat mutase (PGM), yang mengubahnya menjadi 2-fosfogliserat dengan perpindahan gugus fosforil dari karbon 3 ke karbon 2 melalui reaksi dua langkah yang reversibel dan bergantung pada ion magnesium (Mg + 2).

2 (3-fosfogliserat) → 2 (2-fosfogliserat)

9- Enzim enolase mendehidrasi 2-fosfogliserat dan menghasilkan fosfoenolpiruvat (PEP) melalui reaksi yang tidak memerlukan penambahan energi tambahan dan yang tujuannya adalah untuk menghasilkan senyawa berenergi tinggi, yang mampu menyumbangkan gugus fosforilnya sebagai berikut reaksi.

2 (2-phosphoglycerate) → 2 Phosphoenolpyruvate

10- Fosfoenolpiruvat adalah substrat untuk enzim piruvat kinase (PYK), yang bertanggung jawab untuk transfer gugus fosforil dalam molekul ini ke molekul ADP, sehingga mengkatalis reaksi fosforilasi lain pada tingkat substrat.

Dalam reaksinya, 2ATP dan 2 molekul piruvat diproduksi untuk setiap glukosa dan keberadaan kalium dan magnesium dalam bentuk ion diperlukan.

2Phosphoenolpyruvate + 2ADP → 2Pyruvate + 2ATP

Hasil bersih glikolisis, dengan cara ini, terdiri dari 2ATP dan 2NAD + untuk setiap molekul glukosa yang memasuki jalur tersebut.

Jika itu adalah sel dengan metabolisme aerobik, maka degradasi total molekul glukosa menghasilkan antara 30 dan 32 ATP melalui siklus Krebs dan rantai transpor elektron.

Produk glikolisis

Reaksi umum glikolisis adalah sebagai berikut:

Glukosa + 2NAD + + 2ADP + 2Pi → 2Pyruvate + 2ATP + 2NADH + 2H +

Oleh karena itu, jika dianalisis secara singkat, dapat dipastikan bahwa produk utama jalur glikolitik adalah piruvat, ATP, NADH dan H.

Namun, nasib metabolisme setiap perantara reaksi sangat bergantung pada kebutuhan seluler, itulah sebabnya semua zat antara dapat dianggap sebagai produk reaksi, dan dapat didaftar sebagai berikut:

- Glukosa 6-fosfat

- Fruktosa 6-fosfat

- Fruktosa 1,6-bifosfat

- Dihydroxyacetone fosfat dan gliseraldehida 3-fosfat

- 1,3-bifosfogliserat

- 3-fosfogliserat dan 2-fosfogliserat

- Phosphoenolpyruvate dan pyruvate

Pentingnya

Terlepas dari kenyataan bahwa glikolisis, dengan sendirinya (orang dapat berbicara tentang glikolisis anaerobik), hanya menghasilkan sekitar 5% ATP yang dapat diekstraksi dari katabolisme aerobik glukosa, jalur metabolisme ini penting karena beberapa alasan:

- Ini berfungsi sebagai sumber energi "cepat", terutama dalam situasi di mana hewan harus keluar dari keadaan istirahat dengan cepat, yang proses oksidasi aerobiknya tidak akan cukup cepat.

- Serat otot rangka "putih" dalam tubuh manusia, misalnya, adalah serat berkedut cepat dan bergantung pada fungsi glikolisis anaerobik.

- Ketika, karena alasan tertentu, sel perlu melakukannya tanpa beberapa mitokondria (yang merupakan organel yang melakukan fosforilasi oksidatif dari bagian produk glikolitik, antara lain), sel menjadi lebih bergantung pada energi yang diperoleh jalur glikolitik.

- Banyak sel yang bergantung pada glukosa sebagai sumber energi melalui glikolitik, di antaranya adalah sel darah merah , organel internal yang kurang, dan sel mata (terutama kornea) yang tidak memiliki kepadatan mitokondria yang tinggi.

Referensi

1. Canback, B., Andersson, SGE, & Kurland, CG (2002). Filogeni global enzim glikolitik. Prosiding National Academy of Sciences, 99 (9), 6097-6102.
2. Chaudhry R, ​​Varacallo M. Biokimia, Glikolisis. . Masuk: StatPearls. Treasure Island (FL): Penerbitan StatPearls; 2020 Jan-. Tersedia dari: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK482303/
3. Fothergill-Gilmore, LA, & Michels, PA (1993). Evolusi glikolisis. Kemajuan dalam biofisika dan biologi molekuler, 59 (2), 105-235.
4. Kim, JW, & Dang, CV (2005). Peran multifaset dari enzim glikolitik. Tren dalam ilmu biokimia, 30 (3), 142-150.
5. Kumari, A. (2017). Biokimia Manis: Mengingat Struktur, Siklus, dan Jalur oleh Mnemonik. Pers Akademik.
6. Li, XB, Gu, JD, & Zhou, QH (2015). Review glikolisis aerobik dan enzim kuncinya - target baru untuk terapi kanker paru. Kanker toraks, 6 (1), 17-24.