In overeenstemming met de basiswetten van de natuurkunde, hebben alle levende wezens in een of andere vorm energie uit de omgeving nodig om het leven in stand te houden. Het is duidelijk dat verschillende organismen verschillende manieren hebben ontwikkeld om brandstof uit verschillende bronnen te oogsten om de cellulaire machinerie aan te drijven die alledaagse processen zoals groei, herstel en reproductie aandrijft.
Planten en dieren verwerven duidelijk geen voedsel (of het equivalent daarvan in organismen die eigenlijk niets kunnen "eten") door: vergelijkbare middelen, en hun respectieve ingewanden verteren geen moleculen die op afstand op dezelfde manier uit brandstofbronnen worden gewonnen. Sommige organismen hebben zuurstof nodig om te overleven, andere worden erdoor gedood en weer anderen kunnen het verdragen, maar functioneren goed als het afwezig is.
Ondanks de reeks strategieën die levende wezens gebruiken om energie te halen uit de chemische bindingen in koolstofrijke verbindingen, is de reeks van tien metabolische reacties die gezamenlijk worden genoemd
glycolyse komen voor in vrijwel alle cellen, zowel in prokaryotische organismen (die bijna allemaal bacteriën zijn) als in eukaryote organismen (voornamelijk planten, dieren en schimmels).Glycolyse: reactanten en producten
Een overzicht van de belangrijkste inputs en outputs van glycolyse is een goed startpunt om te begrijpen hoe cellen zich omzetten moleculen verzameld uit de buitenwereld tot energie voor het ondersteunen van de talloze levensprocessen waarin de cellen van uw lichaam zich voortdurend bevinden bezig.
Glycolyse-reactanten worden vaak vermeld als glucose en zuurstof, terwijl water, koolstofdioxide en ATP (adenosine trifosfaat, het molecuul dat het meest wordt gebruikt om cellulaire processen aan te drijven) worden gegeven als glycolyseproducten, als volgt:
C6H12O6 + 6 O2 --> 6 CO2 + 6 H2O + 36 (of 38) ATP
Dit 'glycolyse' noemen, zoals sommige teksten doen, is onjuist. Dit is de netto reactie van aërobe ademhaling als geheel, waarvan glycolyse de eerste stap is. Zoals je in detail zult zien, zijn de producten van glycolyse op zich eigenlijk pyruvaat en een bescheiden hoeveelheid energie in de vorm van ATP:
C6H12O6 --> 2 C3H4O3 + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+
NADH, of NAD+ in zijn gedeprotoneerde toestand (nicotinamide-adenine-dinucleotide), is een zogenaamde hoogenergetische elektronendrager en een tussenproduct bij veel cellulaire reacties die betrokken zijn bij het vrijkomen van energie. Merk hier twee dingen op: een daarvan is dat glycolyse alleen lang niet zo efficiënt is in het vrijgeven van ATP als volledige aerobe ademhaling, in waarbij het bij glycolyse geproduceerde pyruvaat de Krebs-cyclus binnengaat op weg naar die koolstofatomen die in het elektronentransport terechtkomen ketting. Terwijl glycolyse plaatsvindt in het cytoplasma, vinden de daaropvolgende reacties van aerobe ademhaling plaats in cellulaire organellen die mitochondriën worden genoemd.
Glycolyse: eerste stappen
Glucose, dat een structuur met zes ringen bevat die vijf koolstofatomen en één zuurstofatoom bevat, wordt door gespecialiseerde transporteiwitten de cel in getransporteerd door het plasmamembraan. Eenmaal binnen wordt het onmiddellijk gefosforyleerd, d.w.z. er wordt een fosfaatgroep aan gehecht. Dit doet twee dingen: het geeft het molecuul een negatieve lading, waardoor het in feite in de cel wordt gevangen (geladen moleculen kunnen dat niet). gemakkelijk door het plasmamembraan) en het destabiliseert het molecuul, waardoor het voor mij meer realiteit wordt, opgesplitst in kleinere componenten.
Het nieuwe molecuul wordt glucose-6-fosfaat (G-6-P) genoemd, omdat de fosfaatgroep is gehecht aan het nummer 6 koolstofatoom van glucose (de enige die buiten de ringstructuur ligt). Het enzym dat deze reactie katalyseert is een hexokinase; "hex-" is het Griekse voorvoegsel voor "zes" (zoals in "zes-koolstofsuiker") en kinasen zijn enzymen die een fosfaatgroep van het ene molecuul halen en het ergens anders vastpinnen; in dit geval wordt het fosfaat uit ATP gehaald, waardoor ADP (adenosinedifosfaat) achterblijft.
De volgende stap is de omzetting van glucose-6-fosfaat naar fructose-6-fosfaat (F-6-P). Dit is gewoon een herschikking van atomen, of een isomerisatie, zonder toevoegingen of aftrekkingen, zodat een van de koolstofatomen in de glucosering wordt buiten de ring verplaatst, waardoor er een ring met vijf atomen achterblijft plaats. (Je herinnert je misschien dat fructose "vruchtensuiker" is, een veel voorkomend en natuurlijk voorkomend voedingselement.) Het enzym dat deze reactie katalyseert, is fosfoglucose-isomerase.
De derde stap is een andere fosforylering, gekatalyseerd door fosfofructokinase (PFK) en fructose 1,6-bisfosfaat (F-1,6-BP) oplevert. Hier wordt de tweede fosfaatgroep verbonden met het koolstofatoom dat in de voorgaande stap uit de ring is getrokken. (Tip van de scheikundenomenclatuur: de reden dat dit molecuul "bisfosfaat" wordt genoemd in plaats van "difosfaat" is dat de twee fosfaten verbonden met verschillende koolstofatomen, in plaats van dat de ene is verbonden met de andere tegenover een koolstof-fosfaatbinding.) Zowel in deze als in de vorige fosforyleringsstap, het geleverde fosfaat is afkomstig van een ATP-molecuul, dus deze vroege glycolysestappen vereisen een investering van twee ATP.
De vierde stap van glycolyse breekt een nu zeer onstabiel zes-koolstofmolecuul in twee verschillende drie-koolstofmoleculen: glyceraldehyde 3-fosfaat (GAP) en dihydroxyacetonfosfaat (DHAP). Aldolase is het enzym dat verantwoordelijk is voor deze splitsing. Je kunt aan de namen van deze drie-koolstofmoleculen zien dat elk van hen een van de fosfaten van het moedermolecuul krijgt.
Glycolyse: laatste stappen
Omdat glucose is gemanipuleerd en in ongeveer gelijke stukken is verdeeld vanwege een kleine hoeveelheid energie, is de resterende glycolysereacties omvatten het terugwinnen van de fosfaten op een manier die resulteert in een netto-energie krijgen. De fundamentele reden dat dit gebeurt, is dat het verwijderen van fosfaatgroepen uit deze verbindingen meer is energetisch gunstiger zijn dan ze eenvoudig rechtstreeks van ATP-moleculen te nemen en op andere toe te passen doeleinden; denk aan de eerste stappen van glycolyse in termen van een oud gezegde: "Je moet geld uitgeven om geld te verdienen."
Net als G-6-P en F-6-P zijn GAP en DHAP isomeren: ze hebben dezelfde molecuulformule, maar verschillende fysieke structuren. GAP ligt namelijk op de directe chemische route tussen glucose en pyruvaat, terwijl DHAP dat niet doet. Daarom neemt in de vijfde stap van glycolyse een enzym genaamd triose-fosfaatisomerase (TIM) de leiding en zet DHAP om in GAP. Dit enzym wordt beschreven als een van de meest efficiënte in het hele menselijke energiemetabolisme, en versnelt de reactie die het katalyseert met een factor van ongeveer tien miljard (1010).
In de zesde stap wordt GAP onder invloed van het enzym door glyceraldehyde 3-fosfaatdehydrogenase omgezet in 1,3-bisfosfoglyceraat (1,3-BPG). Dehydrogenase-enzymen doen precies wat hun naam doet vermoeden: ze verwijderen waterstofatomen (of protonen, als je dat liever hebt). De waterstof die vrijkomt uit GAP vindt zijn weg naar een molecuul NAD+ en levert NADH op. Houd er rekening mee dat vanaf deze stap, voor boekhoudkundige doeleinden, alles met twee wordt vermenigvuldigd, omdat het initiële glucosemolecuul wordt twee moleculen van GAP. Dus na deze stap zijn twee NAD+-moleculen gereduceerd tot twee moleculen NADH.
De feitelijke omkering van de eerdere fosforyleringsreacties van glycolyse begint met de zevende stap. Hier verwijdert het enzym fosfoglyceraatkinase een fosfaat uit 1,3-BPG om 3-fosfoglyceraat (3-PG) op te leveren, waarbij het fosfaat op ADP terechtkomt om ATP te vormen. Omdat het opnieuw twee 1,3-BOG-moleculen betreft voor elk glucosemolecuul dat in de glycolyse terechtkomt stroomopwaarts, dit betekent dat er in totaal twee ATP's worden geproduceerd, waardoor de twee ATP's die in stap één zijn geïnvesteerd, worden opgeheven en drie.
In stap acht wordt 3-PG omgezet in 2-fosfoglyceraat (2-PG) dankzij fosfoglyceraatmutase, dat de resterende fosfaatgroep extraheert en één koolstof eroverheen verplaatst. Mutase-enzymen verschillen van isomerasen doordat, in plaats van de structuur van een heel molecuul significant te herschikken, ze verplaatsen slechts één "residu" (in dit geval een fosfaatgroep) naar een nieuwe locatie terwijl ze de algehele structuur verlaten intact.
In stap negen wordt dit behoud van structuur echter betwist, aangezien 2-PG door het enzym enolase wordt omgezet in fosfoenolpyruvaat (PEP). Een enol is een combinatie van een alk_een_ en en een alcohol. Alkenen zijn koolwaterstoffen die een dubbele koolstof-koolstofbinding bevatten, terwijl alcoholen koolwaterstoffen zijn waaraan een hydroxylgroep (-OH) is toegevoegd. De -OH in het geval van een enol is bevestigd aan een van de koolstoffen die betrokken zijn bij de dubbele koolstof-koolstofbinding van PEP.
Ten slotte, in de tiende en laatste stap van de glycolyse, wordt PEP omgezet in pyruvaat door het enzym pyruvaatkinase. Als je uit de namen van de verschillende actoren in deze stap vermoedt dat er in het proces nog twee ATP-moleculen worden gegenereerd (één per daadwerkelijke reactie), dan heb je gelijk. De fosfaatgroep wordt verwijderd uit PEP en toegevoegd aan ADP dat in de buurt op de loer ligt, wat ATP en pyruvaat oplevert. Pyruvaat is een keton, wat betekent dat het een niet-eindstandige koolstof heeft (dat wil zeggen, een die niet aan de uiteinde van het molecuul) betrokken bij een dubbele binding met zuurstof en twee enkele bindingen met ander koolstof atomen. De chemische formule voor pyruvaat is C3H4O3, maar dit uitdrukken als (CH3)CO(COOH) geeft een meer verhelderend beeld van het eindproduct van glycolyse.
Energieoverwegingen en het lot van pyruvaat
De totale hoeveelheid vrijgekomen energie (het is verleidelijk maar verkeerd om te zeggen "geproduceerd", aangezien energie "productie" een verkeerde benaming is) wordt handig uitgedrukt als twee ATP per molecuul glucose. Maar om wiskundig preciezer te zijn, dit is ook 88 kilojoule per mol (kJ/mol) glucose, gelijk aan ongeveer 21 kilocalorieën per mol (kcal/mol). Een mol van een stof is de massa van die stof die het aantal moleculen van Avogadro bevat, of 6,02 × 1023 moleculen. De molecuulmassa van glucose is iets meer dan 180 gram.
Aangezien, zoals eerder opgemerkt, aërobe ademhaling meer dan 30 moleculen ATP per glucose kan verkrijgen geïnvesteerd, is het verleidelijk om de energieproductie van glycolyse alleen als triviaal te beschouwen, bijna waardeloos. Dit is volledig onwaar. Bedenk dat bacteriën, die al bijna drie en een half miljard jaar bestaan, redelijk goed kunnen rondkomen met behulp van alleen glycolyse, omdat dit buitengewoon eenvoudige levensvormen zijn die weinig van de vereisten van eukaryote organismen hebben Doen.
In feite is het mogelijk om aërobe ademhaling anders te bekijken door het hele schema op zijn kop te zetten: terwijl dit soort energie productie is zeker een biochemisch en evolutionair wonder, organismen die er gebruik van maken, vertrouwen er voor het grootste deel absoluut op het. Dit betekent dat wanneer zuurstof nergens te vinden is, organismen die uitsluitend of sterk afhankelijk zijn van aërobe metabolisme - dat wil zeggen, elk organisme dat deze discussie leest - kan niet lang overleven in de afwezigheid van zuurstof.
Hoe dan ook, het grootste deel van het pyruvaat dat bij de glycolyse wordt geproduceerd, gaat naar de mitochondriale matrix (analoog aan de cytoplasma van hele cellen) en komt terecht in de Krebs-cyclus, ook wel de citroenzuurcyclus of het tricarbonzuur genoemd fiets. Deze reeks reacties dient voornamelijk om veel hoogenergetische elektronendragers te genereren, zowel NADH als een verwante verbinding genaamd FADH2, maar levert ook twee ATP per oorspronkelijk glucosemolecuul op. Deze moleculen migreren vervolgens naar het mitochondriale membraan en nemen deel aan de elektronentransportkettingreacties die uiteindelijk 34 meer ATP vrijmaken.
Bij gebrek aan voldoende zuurstof (zoals bij zware inspanning), ondergaat een deel van het pyruvaat fermentatie, een soort anaëroob metabolisme waarbij pyruvaat wordt omgezet in melkzuur, waardoor meer NAD+ wordt gegenereerd voor gebruik in metabole processen.