Glykolyse - fra glukose til pyruvat

I glykolysen omdannes sukker til pyruvat og malat (eplesyre). Malat omsettes i mitokondriene via malat enzym og malat dehydrogenase. Det er mye malat i planter. Malat lages uten ATPsyntese, mens overgangen fra fosfoenolpyruvat til pyruvat lager 1 ATP. Når malat lages blir det ikke dannet noe NADH siden overgangen fra oksaledikksyre til malat forbruker NADH.

Glykolysen består av en:

1) Energiinvesteringsfase som bruker ATP.

2) Energiavkastningsfase som lager ATP og NADH

Enzymene i glykolysen finnes i cytosol i cellen.

Kilder til glukose hos planter

Sukker kommer fra triosefosfater i fotosyntesen på 3 hovedmåter:

1) Via fruktose-6-fosfat laget direkte i fotosyntesen fra triosefosfat.

2) Fra tranportert sukrose som brytes til til glukose og fruktose katalysert av invertase:

sukrose → glukose + fruktose

Eller fra fruktose og UDP-glukose katalysert av sukrose syntase:

I en reaksjon mellom sukrose og uridintrifosfat (UTP)

Sukrose + UTP ↔ fruktose + UDP-glukose

Uridin-5’-trifosfat består av et pyrimidin nukleosid med tre fosforgrupper i 5’-posisjon og kan virke som en aktivator i metabolske reaksjoner eller inngå i RNA. Hos dyr er det UDP-glukose som blir brukt til å lage glykogen.

UDP-glukose omdannes videre til glukose-1-fosfat katalysert av UDP-glukose pyrofosforylase: hvor PP_i er pyrofosfat:

UDP-glukose + PP_i  ↔ glukose-1-fosfat + UTP

Glukose-1-fosfat gir glukose-6-fosfat katalysert av fosfoglukomutase:

glukose-1-fosfat ↔ glukose-6-fosfat

3) Fra stivelse i plastider nedbrutt av amylase:

stivelse + H₂O → glukose

eller stivelse fosforylase:

stivelse + P_i → glukose-1-fosfat

Deretter skjer det videre enzymatisk omdanning til triosefosfater. Starten på glykolysen er at glukose og fruktose kan omdannes til henholdsvis glukose-6-fosfat og fruktose-6-fosfat katalysert av henholdsvis glukose kinase og fruktose kinase. Fosforyleringen øker den kjemiske reaktiviteten og fanger glukose siden membranen er impermeabel for fosfatforbindelsene.

Heksokinase:

glukose + ATP → glukose-6-fosfat + ADP

Fosfat er en fosforylgruppe (-PO₄^2-) festet til glukose. Det er en slik fosforylgruppe som også  inngår i de andre mellomproduktene i glykolysen. Fosforyleringen skjer i hydroksylgruppen ved karbonatom 6. Karbonatom 1 er en karbonylgruppe og kan ikke bli fosforylert

Heksosefosfat isomerase katalyserer isomeriseringen mellom disse heksosene:

glukose-6-fosfat ↔ fruktose-6-fosfat

Isomeriseringen flytter karbonylgruppen til karbonatom 2 i fruktose, slik at hydroksylgruppen på karbonatom 1 i glukose kan bli fosforylert og gir fruktose-1,6-bisfofat. Legg merke til at termen bisfosfat blir brukt om fosforylgrupper som er plassert i hver sin ende av molekylet, forskjellig fra et difosfat.

Fruktose-6-fosfat fosforyleres av fosfofruktokinase til fruktose-1,6-bisfosfat. Her forbrukes ATP og dette er et viktig reguleringsenzym:

fruktose-6-fosfat + ATP → fruktose1,6-bisfosfat + ADP

Fruktose-1,6-bisfosfat vil katalysert av en aldolase gi dihydroksyacetonfosfat og 3- fosfoglyceraldehyd.

fruktose-1,6-bisfosfat ↔ glyceraldehyd-3-fosfat + dihydroksyacetonfosfat

Karbonylgruppen ved karbonatom 2 gjør at fruktose-1,6-bisfofat kan spaltes i to trekarbonforbindelser. Når enzymet virker motsatt vei i glukoneogenese så er dette en aldolkonkondensasjon.

Triosefosfat isomerase katalyserer isomeriseringen fra dihydroksyacetonfosfat til 3- fosfoglyceraldehyd:

dihydroksyacetonfosfat ↔ glyceraldehyd-3-fosfat

Glykolysen har nå skaffet to molekyler 3-fosfoglyceraldehyd fra en heksose og de neste trinnene får dobbel dose med substrater. Nå kan energifrigivelsen starte og først skaffes reduksjonkraft i form av NADH katalysert av 3-fosfoglyceraldehyd dehydrogenase. NADH kan brukes som elektrondonor i redoksreaksjoner. I tillegg blir det dannet 1,3-bisfosfoglycerat (1,3-difosfoglycersyre):

(2)glyceraldehyd-3-fosfat + 2NAD⁺ + 2P_i ↔  (2)1,3-bisfosfolycerat + 2NADH + 2H⁺

Deretter lages for første gang i glykosen ATP ved substratnivåfosforylering katalysert av fosfoglycerat kinase, en oksidativ fosforylering

(2)1,3-bisfosfolycerat + 2ADP ↔ (2)3-fosfoglycerat + 2ATP

3-fosfoglycersyre (3-fofoglycerat) er ikke et sukker siden ketogruppen (-C=O) er oksidert til en syregruppe (- COOH). I en muteringsreaksjon flyttes fosfat fra karbonatom 3 til 2 og 3-fosfoglycerat omdannes til 2-fosfoglycerat katalysert av fosfoglycerat mutase. Fosforylgruppen flytter seg til karbonatom 2

(2)3-fosfoglycerat ↔ (2)2-fosfoglycerat

Vann fjernes, det lages en dobbeltbinding og den energirike forbindelsen fosfoenolpyruvat lages katalysert av enolase:

(2)2-fosfoglycerat ↔ (2)fosfoenolpyruvat + 2H₂O

Nå kan det nok en gang lages ATP katalysert av pyruvat kinase. ATP blir laget ved substratnivåfosforylering

(2)fosfoenolpyruvat +2ADP → (2)pyruvat + 2ATP

Fosfatestere som fosfoenolpyruvat, ATP, pyrofosfat (PP_i) og 1,3-bisfosfatglycerat og glukose-6- fosfat er høyenergimolekyler hvor energi kan frigis ved hydrolyse. Lagret energi kan brukes til å utføre kjemisk arbeid i energikrevende reaksjoner. Fosfoenolpyruvat har også mulighet til å inngå i en karboksyleringsreaksjon katalysert av PEP karboksylase, men denne inngår ikke i glykolysen.

ATP investeringen i glykolysen gir 100 % utbytte. Det skytes inn 2 ATP og en heksose og det hentes ut 4 ATP, 2 NADH, 2 pyruvat og 2 H₂O. Imidlertid frigir glykolysen mindre enn 1/4 av energien som finnes i glukose.

Oppsummert:

glukose + 2NAD⁺ + 2ADP + 2P_i → (2)pyruvat + 2NADH + 2ATP + 2H₂O + 2H⁺

For hvert molekyl glukose som blir oksidert blir det laget to molekyler pyruvat, 2 molekyler nikotinamid adenin dinukleotid i redusert form (NADH), to molekyler ATP og vann (H₂O). Energi som er frigitt i glykolysen er ΔG’⁰= - 85 kJ mol^-1. For å lage to molekyler ATP er det brukt ΔG’⁰= 2∙ 30.5 kJ mol^-1= 61 kJ mol^-1. Det blir egentlig laget 4 ATP i glykolysen, men to av dem blir brukt i energiinvesteringsfasen fra glukose til glukose-6-fosfat. Hvis det er oksygen tilstede, aerob glykolyse, så vil NADH avgi sine elektroner til elektrontransportkjeden og blir brukt til å lage ATP.  Dessuten vil pyruvat bli omdannet til acetyl-CoA som går inn i sitronsyresyklus og blir videre oksidert til CO₂ og H₂O.

Reguleringsmekanismer i glykolysen

Viktige reguleringspunkter i glykolysen er enzymene:

1) Fosfofruktokinase som hemmes av fosfoenolpyruvat.

2) Pyruvat kinase som hemmes av intermediater i trikarboksylsyresyklus.

Fermentering: omsetning av pyruvat uten oksygen

Ved hypoksis eller anoksis, det vil si lave oksygenkonsentrasjoner eller helt uten oksygen ved fermentering er det to mulige omsetningsveier for pyruvat som fremdeles inneholder mye av energien som var i glukose. Uten oksygen får man ikke gjendannet NAD+ fra NADH, og i melkesyrefermentering i melkesyrebakterier, skjelettmuskler eller røde blodlegemer med for dårlig oksygentilførel er det et organisk stoff, her pyruvat, som fungerer som elektronakeptor og det blir dannet laktat (melkesyre).

Laktat dehydrogenase:

pyruvat + NADH + H⁺  → laktat + NAD⁺

I alkoholgjæring i gjær og bakterier så blir pyruvat omdannet til acetaldehyd og videre til etanol:

Pyruvat dekarboksylase med thiaminpyrofosfat og magnesium (Mg²⁺)som kofaktor:

pyruvat → acetaldehyd + CO₂

Neste trinn er katalysert av alkohol dehydrogenase, og her er det acetaldehyd som er elektronakseptor og gjør det mulig å resirkulere NAD⁺. 

acetaldehyd + NADH + H⁺ → etanol + NAD⁺

Tilbake til hovedside