- 解糖の機能
- エネルギー生産
- 解糖に関与する酵素
- 1-ヘキソキナーゼ（HK）
- 2-ホスホグルコースイソメラーゼ（PGI）
- 3-ホスホフルクトキナーゼ（PFK）
- 4-アルドラス
- 5-トリオースリン酸イソメラーゼ（TIM）
- 6-グリセルアルデヒド3-リン酸デヒドロゲナーゼ（GAPDH）
- 7-ホスホグリセリン酸キナーゼ（PGK）
- 8-ホスホグリセリン酸ムターゼ
- 9-エノラーゼ
- 10-ピルビン酸キナーゼ
- 解糖の段階（段階的）
- -エネルギー投資段階
- -エネルギー獲得フェーズ
- 解糖の製品
- 重要性
- 参考文献
解糖又は解糖が究極の目的でエネルギーを生成することであるグルコース異化の主要な経路であるATPの形とで電力を低減この炭水化物から、NADHの形態。
1930年代に骨格筋細胞でのグルコースの消費を研究している間、グスタフエンブデンとオットーマイヤーホフによって完全に解明されたこの経路は、この単糖の完全な酸化からなり、それ自体で、エネルギーを得る。
解糖生成物の1つであるATPの分子構造（解糖経路の概要（出典：Tekks at English Wikipedia / CC BY-SA（https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0）via Wikimedia Commons）viaウィキメディア・コモンズ）
存在するすべての生物、単細胞または多細胞、原核生物または真核生物で発生するため、これは主要な代謝経路の1つであり、自然界で進化的に高度に保存されている一連の反応であると考えられています。
実際、生き残るためにこの経路にのみ依存している生物や細胞の種類がいくつかあります。
最初の例では、解糖は、炭素原子6個のグルコースの、炭素原子3個のピルビン酸への酸化で構成されます。ATPとNADHが同時に生成され、代謝および合成の観点から細胞に有用です。
グルコースの異化作用から得られた生成物をさらに処理できる細胞では、解糖はクレブス回路と電子伝達鎖を介した二酸化炭素と水の生成で終わります（好気性解糖）。
解糖経路の過程で10の酵素反応が起こり、これらの反応の調節は種によって多少異なる場合がありますが、調節機構もかなり保存されています。
解糖の機能
代謝の観点から見ると、グルコースはすべての生物にとって最も重要な炭水化物の1つです。
それは安定した非常に溶解性の高い分子であり、動物や植物の体全体に比較的容易に輸送でき、保管場所や入手場所から細胞燃料として必要な場所まで輸送できます。
ブドウ糖の構造（出典：Oliva93 / CC BY-SA（https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0）via Wikimedia Commons）
グルコースに含まれる化学エネルギーは、解糖を介して生細胞によって利用されます。解糖は一連の高度に制御されたステップで構成され、この炭水化物の酸化から放出されるエネルギーを、より利用可能なエネルギーの形に「捕捉」できます。 、したがって、その重要性。
このルートを通じて、エネルギー（ATP）と還元力（NADH）が得られるだけでなく、他のルートの一部である一連の代謝中間体も提供します。これは、アナボリック（生合成）および一般的な細胞機能。ここにリストがあります：
-ペントースリン酸経路（PPP）用のグルコース6-リン酸
-乳酸発酵用のピルビン酸
-アミノ酸（主にアラニン）の合成のためのピルビン酸塩
-トリカルボン酸サイクルのためのピルビン酸塩
-フルクトース6-リン酸、グルコース6-リン酸、ジヒドロキシアセトンリン酸。これらは、グリコーゲン、脂肪酸、トリグリセリド、ヌクレオチド、アミノ酸などの合成などの他の経路で「ビルディングブロック」として機能します。
エネルギー生産
解糖経路によって生成されるATPの量は、それを生成する細胞が好気性条件下で生きられない場合、細胞がさまざまな種類の発酵プロセスと結びついているときに、細胞のエネルギー需要を供給するのに十分です。
しかし、好気性細胞に関しては、解糖は緊急のエネルギー源としても機能し、好気性代謝を伴う細胞を特徴付ける酸化的リン酸化反応の前の「準備段階」として機能します。
解糖に関与する酵素
解糖は、この経路を特徴付ける反応を触媒する10個の酵素が関与することによってのみ可能です。これらの酵素の多くはアロステリックであり、触媒機能を発揮すると形状や構造が変化します。
それらの基質間の共有結合を破壊して形成する酵素があり、それらの機能を実行するために特定の補因子、主に金属イオンを必要とする他のものがあります。
構造的に言えば、すべての解糖酵素は本質的に、αヘリックスに囲まれ、複数のドメインに配置された平行なβシートからなる中心を持っています。さらに、これらの酵素は、それらの活性部位が通常ドメイン間の結合部位にあることを特徴とする。
経路の主な調節は、ヘキソキナーゼ、ホスホフルクトキナーゼ、グリセルアルデヒド3-リン酸デヒドロゲナーゼ、ピルビン酸キナーゼなどの酵素の制御（ホルモンまたは代謝産物）を通過することに注意することも重要です。
解糖経路の調節の主なポイント（出典：グレゴール0492 / CC BY-SA（https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0）ウィキメディアコモンズ経由）
1-ヘキソキナーゼ（HK）
解糖の最初の反応（グルコースのリン酸化）はヘキソキナーゼ（HK）によって触媒され、その作用機序はATPの周りの酵素の「ロック」を促進する基質の「引き締め」によって構成されているように見え、グルコース（その基質）が結合すると、
考慮される生物によっては、分子量が50（約500アミノ酸）から100 kDaの範囲にある1つ以上のアイソザイムが存在する可能性があります。それらは、グルコース、マグネシウムイオンの存在により形成される二量体の形でグループ化されるようです。とATP。
ヘキソキナーゼは、オープンアルファシートとベータシートで構成される3次構造を持っていますが、これらの酵素には多くの構造上の違いがあります。
2-ホスホグルコースイソメラーゼ（PGI）
ヘキソキナーゼによってリン酸化されたグルコースは、グルコース6-リン酸イソメラーゼとしても知られるホスホグルコースイソメラーゼ（PGI）を介してフルクトース6-リン酸に異性化されます。次に、酵素は原子を削除または追加しませんが、構造レベルで原子を再配置します。
これは、その二量体型（モノマーの重量は66 kDa程度）の活性酵素であり、解糖だけでなく、糖新生、植物での炭水化物の合成などにも関与しています。
3-ホスホフルクトキナーゼ（PFK）
フルクトース6-リン酸は、ホスホフルクトキナーゼ酵素の基質であり、ATPをホスホリル基供与体として使用してこの分子をリン酸化し、フルクトース1,6-二リン酸を生成することができます。
この酵素は、ホモ四量体酵素（細菌ではそれぞれ33 kDa、哺乳動物ではそれぞれ85 kDaの4つの同一のサブユニットで構成される）として細菌と哺乳動物に存在し、酵母では8量体（より大きなサブユニットで構成される、 112および118 kDa）。
これはアロステリック酵素です。つまり、一部の製品（ADP）や、ATPやクエン酸塩などの他の分子によって正または負に調節されます。
4-アルドラス
アルドラーゼは、フルクトース1,6-ビスリン酸アルドラーゼとしても知られ、フルクトース1,6-ビスリン酸のジヒドロキシアセトンリン酸とグリセルアルデヒド3-リン酸への接触分解、およびその逆反応、つまり両方の糖の結合による生成を触媒しますフルクトース1,6-二リン酸。
つまり、この酵素はフルクトース1,6-二リン酸を半分に切断し、2つのリン酸化3-炭素化合物を放出します。アルドラーゼも4つの同一のサブユニットで構成され、それぞれに独自の活性部位があります。
この酵素の2つのクラス（IとII）の存在が確認されました。これらは、それらが触媒する反応のメカニズムによって区別されます。第二に）細菌、原生生物、後生動物です。
「より高次の」真核生物アルドラーゼは、分子量40 kDaのサブユニットのホモ四量体で構成され、それぞれが8つのβ/αシートで構成されるバレルで構成されます。
5-トリオースリン酸イソメラーゼ（TIM）
2つのリン酸化トリオースは、トリオースリン酸イソメラーゼの作用により相互に相互変換できます。これにより、両方の糖を解糖作用全体で使用でき、経路に入る各グルコース分子を完全に使用できます。
この酵素は、「完全な」酵素として説明されています。これは、説明された反応を、参加しなければ発生するよりも約1兆倍速く触媒するためです。その活性部位は、多くの解糖酵素に特徴的なベータバレル構造の中心にあります。
これは、約27 kDaの2つの同一のサブユニットから構成される二量体タンパク質で、どちらも球状構造を持っています。
6-グリセルアルデヒド3-リン酸デヒドロゲナーゼ（GAPDH）
アルドラーゼとトリオースリン酸イソメラーゼの作用によって生成されたグリセルアルデヒド3-リン酸は、GAPDHの基質として機能します。GAPDHは、それぞれのNAD +の分子に協調的に結合するホモ四量体酵素（各サブユニット34-38 kDa）です。その4つの活性部位のほか、2つのリン酸または硫酸イオン。
経路のこのステップでは、2つのNAD +分子の同時還元と1,3-ビスホスホグリセリン酸の生成を伴う、リン酸基ドナーとして無機リン酸を使用して、酵素がその基質の1つのリン酸化を可能にします。
7-ホスホグリセリン酸キナーゼ（PGK）
ホスホグリセリン酸キナーゼは、基質レベルでのリン酸化により、1,3-ビスホスホグリセリン酸のリン酸基の1つをADP分子に転移させる役割を果たします。この酵素はヘキソキナーゼと同様のメカニズムを使用します。これは、基質との接触時に閉じ、水分子の干渉から保護するためです。
この酵素は、2つ以上の基質を使用する他の酵素と同様に、ADPと糖リン酸の結合部位を持っています。
説明されている他の酵素とは異なり、このタンパク質は二葉構造を持つ44 kDaのモノマーで、狭い「クレフト」によって接続された同じサイズの2つのドメインで構成されています。
8-ホスホグリセリン酸ムターゼ
3-ホスホグリセレートは、分子の中央でリン酸基が炭素2に向かって変化します。これは、経路の最後の反応でATP分子へのその後の基の移動を促進する戦略的不安定部位を表します。
この転位は、酵素であるホスホグリセリン酸ムターゼによって触媒されます。これは、ヒトでは二量体酵素、酵母では四量体酵素で、サブユニットのサイズは27 kDaに近くなります。
9-エノラーゼ
エノラーゼは、2-ホスホグリセリン酸のホスホエノールピルビン酸への脱水を触媒します。これは、次の反応でATPを生成するために必要なステップです。
これは、2つの同一の45 kDaサブユニットで構成される二量体酵素です。それはその安定性とその基質に結合するために必要な構造変化のためにマグネシウムイオンに依存しています。これは、多くの生物のサイトゾルで最も豊富に発現している酵素の1つであり、解糖作用に加えて機能も果たします。
10-ピルビン酸キナーゼ
解糖系で発生する2番目の基質レベルのリン酸化は、ホスホエノールピルビン酸からADPへのホスホリル基の移動とピルビン酸の生成に関与するピルビン酸キナーゼによって触媒されます。
この酵素は他の解糖酵素のどれよりも複雑で、哺乳類ではホモ四量体酵素（57 kDa /サブユニット）です。脊椎動物には、少なくとも4つのアイソザイムがあります：L（肝臓）、R（赤血球）、M1（筋肉と脳）、M2（胎児組織と成人組織）。
解糖の段階（段階的）
解糖経路は10の連続したステップで構成され、1分子のグルコースから始まります。プロセス中に、グルコース分子は2つのリン酸を追加して「活性化」または「準備」され、2つのATP分子が反転します。
その後、2つのフラグメントに「カット」され、最後に2、3回化学修飾され、途中で4つのATP分子が合成されるため、ルートの正味のゲインは2つのATP分子に対応します。
上記から、ルートは、グルコース分子の完全な酸化の基本となるエネルギー「投資」フェーズと、最初に使用されたエネルギーが置き換えられて2つが得られる別のエネルギー「ゲイン」フェーズに分けられると推測できます。ネットATP分子。
-エネルギー投資段階
1-解糖経路の最初のステップは、ヘキソキナーゼ（HK）によって媒介されるグルコースのリン酸化から成ります。この場合、酵素は、リン酸化されるグルコースの各分子に対して1分子のATPを使用します。これは不可逆的な反応であり、マグネシウムイオン（Mg2 +）の存在に依存します。
グルコース+ ATP→グルコース6-リン酸+ ADP
2-このようにして生成されたグルコース6-リン酸は、酵素ホスホグルコースイソメラーゼ（PGI）の作用により、フルクトース6-リン酸に異性化されます。これは可逆的な反応であり、追加のエネルギー消費は含まれません。
グルコース6-リン酸→フルクトース6-リン酸
3-続いて、別のエネルギー反転ステップには、フルクトース6-リン酸のリン酸化によるフルクトース1,6-二リン酸の形成が含まれます。この反応は、酵素ホスホフルクトキナーゼ-1（PFK-1）によって触媒されます。経路の最初のステップと同様に、リン酸基ドナー分子はATPであり、これも不可逆反応です。
フルクトース6-リン酸+ ATP→フルクトース1,6-二リン酸+ ADP
4-解糖のこのステップでは、フルクトース1,6-二リン酸がケトーシスであるジヒドロキシアセトンリン酸（DHAP）とアルドースであるグリセルアルデヒド3-リン酸（GAP）に触媒分解されます。このアルドール縮合は酵素アルドラーゼによって触媒され、可逆的なプロセスです。
フルクトース1,6-二リン酸→ジヒドロキシアセトンリン酸+グリセルアルデヒド3-リン酸
5-エネルギー反転フェーズの最後の反応は、酵素トリオースリン酸イソメラーゼ（TIM）によって触媒されるトリオースリン酸DHAPとGAPの相互変換で構成されます。これは、追加のエネルギー摂取を必要とせず、可逆的なプロセスでもあります。
ジヒドロキシアセトンリン酸3-グリセルアルデヒド3-リン酸
-エネルギー獲得フェーズ
6-グリセルアルデヒド3-リン酸は、解糖経路の「下流」で、同じ酵素であるグリセルアルデヒド3-リン酸デヒドロゲナーゼ（GAPDH）によって触媒される、酸化反応および別のリン酸化の基質として使用されます。
この酵素は、分子のC1炭素のカルボン酸への酸化と同じ位置でのリン酸化を触媒し、1,3-ビスホスホグリセリン酸を生成します。反応の過程で、グルコースの各分子について2分子のNAD +が還元され、2分子の無機リン酸塩が使用されます。
2グリセルアルデヒド3-リン酸+ 2NAD + + 2Pi→2（1,3-ビスホスホグリセリン酸）+ 2NADH + 2H
好気性生物では、このようにして生成された各NADHは電子輸送鎖を通過して、酸化的リン酸化による6 ATP分子の合成の基質として機能します。
7-これは解糖系の最初のATP合成ステップであり、1,3-ビスホスホグリセリン酸に対するホスホグリセリン酸キナーゼ（PGK）の作用を伴い、この分子から分子にホスホリル基（基質レベルのリン酸化）を移動します。グルコースの各分子に対して2ATPと2分子の3-ホスホグリセリン酸（3PG）が生成されます。
2（1,3-ビスホスホグリセレート）+ 2ADP→2（3-ホスホグリセレート）+ 2ATP
8- 3-ホスホグリセリン酸は、酵素ホスホグリセリン酸ムターゼ（PGM）の基質として機能します。PGMは、可逆的で依存する2段階の反応により、ホスホリル基を炭素3から炭素2に置換することにより、2-ホスホグリセリン酸に変換します。マグネシウムイオン（Mg + 2）。
2（3-ホスホグリセリン酸）→2（2-ホスホグリセリン酸）
9-エノラーゼ酵素は、2-ホスホグリセリン酸を脱水し、追加のエネルギーの追加を保証しない反応を通じてホスホエノールピルビン酸（PEP）を生成します。その目的は、以下のホスホリル基を提供できる高エネルギー化合物を生成することです反応。
2（2-ホスホグリセリン酸）→2ホスホエノールピルビン酸
10-ホスホエノールピルビン酸は酵素ピルビン酸キナーゼ（PYK）の基質であり、この分子のホスホリル基のADP分子への転移を担い、基質レベルで別のリン酸化反応を触媒します。
反応では、各グルコースに対して2ATPと2つのピルビン酸分子が生成され、イオン形態のカリウムとマグネシウムの存在が必要です。
2ホスホエノールピルビン酸+ 2ADP→2ピルビン酸+ 2ATP
このように、解糖の正味収量は、経路に入るグルコース分子ごとに2ATPと2NAD +で構成されます。
それが好気性代謝を伴う細胞である場合、グルコース分子の完全な分解は、クレブス回路と電子輸送鎖を介して30から32の間のATPを生成します。
解糖の製品
解糖の一般的な反応は次のとおりです。
グルコース+ 2NAD + + 2ADP + 2Pi→2ピルビン酸+ 2ATP + 2NADH + 2H +
したがって、簡単に分析すると、解糖経路の主な生成物がピルビン酸、ATP、NADH、Hであることを確認できます。
ただし、各反応中間体の代謝運命は、細胞の必要性に大きく依存します。そのため、すべての中間体を反応生成物と見なすことができ、次のようにリストできます。
-グルコース6-リン酸
-フルクトース6-リン酸
-フルクトース1,6-二リン酸
-ジヒドロキシアセトンリン酸およびグリセルアルデヒド3-リン酸
-1,3-ビスホスホグリセリン酸塩
-3-ホスホグリセリン酸と2-ホスホグリセリン酸
-ホスホエノールピルビン酸およびピルビン酸
重要性
解糖それ自体（嫌気性解糖といってもよい）は、グルコースの好気的異化作用から抽出できるATPの約5％しか生成しないという事実にもかかわらず、この代謝経路はいくつかの理由で不可欠です：
-特に動物が安静状態から素早く出なければならない状況で、好気性酸化プロセスが十分に速くないため、「迅速な」エネルギー源として機能します。
-たとえば、人体の「白い」骨格筋線維は、速筋線維であり、機能するには嫌気性解糖に依存しています。
-何らかの理由で、細胞がミトコンドリア（特に解糖生成物の一部の酸化的リン酸化を実行する細胞小器官）の一部なしで行う必要がある場合、細胞は以下によって得られるエネルギーにより依存するようになります解糖経路。
-多くの細胞は解糖剤を介してエネルギー源としてグルコースに依存しています。その中には、赤血球、内部オルガネラを欠いている細胞、および高密度のミトコンドリアがない目の細胞（特に角膜の細胞）があります。
参考文献
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