Hvilke effekter kan hemme glykolyse?

Glykolyse er en universell metabolsk prosess blant verdens levende ting. Denne serien med 10 reaksjoner i cytoplasmaet til alle celler omdanner seks-karbon sukkermolekylet glukose i to molekyler av pyruvat, to molekyler av ATP og to molekyler av NADH.
Lær om glykolyse.

I prokaryoter, som er de enkleste organismer, er glykolyse egentlig det eneste cellulære metabolisme-spillet i byen. Disse organismer, som nesten alle består av en enkelt celle med relativt lite innhold, har begrenset metabolske behov, og glykolyse er nok til at de kan trives og reprodusere i fravær av å konkurrere faktorer. Eukaryoterderimot, rull ut glykolyse som noe av en nødvendig forrett før hovedretten med aerob respirasjon kommer inn i bildet.

Diskusjoner om glykolyse fokuserer ofte på forholdene som favoriserer det, f.eks. Tilstrekkelig substrat- og enzymkonsentrasjon. Mindre ofte nevnt, men også viktig, er ting som kan være av design hemme frekvensen av glykolyse. Selv om celler trenger energi, er det ikke alltid et ønsket cellulært resultat å løpe så mye råstoff gjennom glykolysefabrikken. Heldigvis for cellen har mange deltakere i glykolyse evnen til å påvirke hastigheten.

Glukose er et seks-karbon sukker med formelen C₆H₁₂O₆. (Morsomme biomolekyler trivia: Hvert karbohydrat - enten det er sukker, stivelse eller uoppløselig fiber - har den generelle kjemiske formelen C_NH_2NO_N.) Den har molær masse på 180 g, som ligner på de tyngre aminosyrene når det gjelder størrelsen. Den er i stand til å diffundere fritt inn i og ut av cellen gjennom plasmamembranen.

Glukose er et monosakkarid, noe som betyr at det ikke er laget ved å kombinere mindre sukker. Fruktose er et monosakkarid, mens sukrose ("bordsukker") er et disakkarid samlet fra et glukosemolekyl og et fruktosemolekyl.

Spesielt er glukose i form av en ring, representert som en sekskant i de fleste diagrammer. Fem av de seks ringatomene er glukose, mens det sjette er oksygen. Tallet 6 karbon ligger i en metyl (- CH₃) gruppe utenfor ringen.

Den komplette formelen for summen av de 10 reaksjonene av glykolyse er:

C₆H₁₂O₆ + 2 NAD⁺ + 2 Pi + 2 ADP → 2 CH₃(C = O) COOH + 2 ATP + 2 NADH + 2 H⁺

Med ord betyr dette at et molekyl glukose blir omdannet til to glukosemolekyler, og genererer 2 ATP og 2 NADH (den reduserte formen av nikotinamidadenindinukleotid, en vanlig "elektronbærer" i biokjemi).

Merk at det ikke kreves oksygen. Selv om pyruvat nesten alltid forbrukes i aerobe trinn i respirasjon, skjer glykolyse i både aerobe og anaerobe organismer.

Glykolyse er klassisk delt i to deler: en "investeringsfase", som krever 2 ATP (adenosintrifosfat, "energi valuta "av celler) for å forme glukosemolekylet til noe med mye potensiell energi, og en" utbetaling "eller" høsting " fase, hvor 4 ATP genereres via omdannelse av ett tre-karbonmolekyl (glyseraldehyd-3-fosfat, eller GAP) til et annet, pyruvat. Dette betyr at totalt 4-2 = 2 ATP genereres per molekyl glukose.

Når glukose kommer inn i en celle, fosforyleres den (dvs. har en fosfatgruppe festet til den) under påvirkning av enzymet heksokinase. Dette enzymet, eller proteinkatalysatoren, er blant de viktigste av regulatoriske enzymer i glykolyse. Hver av de 10 reaksjonene i glykolyse katalyseres av ett enzym, og det enzymet katalyserer i sin tur bare den ene reaksjonen.

Glukose-6-fosfat (G6P) som resulterer fra dette fosforyleringstrinnet blir deretter omdannet til fruktose-6-fosfat (F6P) før en annen fosforylering inntreffer, denne gangen i retning av fosfofruktokinase, et annet kritisk regulatorisk enzym. Dette resulterer i dannelse av fruktose-1,6-bisfosfat (FBP), og den første fasen av glykolyse er fullført.

Fruktose-1,6-bisfosfat er delt i et par tre-karbonmolekyler, dihydroksyacetonfosfat (DHAP) og glyseraldehyd-3-fosfat (GAP). DHAP konverteres raskt til GAP, så nettoeffekten av splittelsen er dannelsen av to identiske tre-karbonmolekyler fra et enkelt-seks karbonmolekyl.

GAP omdannes deretter av enzymet glyceraldehyd-3-fosfatdehydrogenase til 1,3-difosfoglyserat. Dette er et travelt trinn; NAD⁺ blir konvertert til NADH og H⁺ ved hjelp av hydrogenatomer fjernet fra GAP, og deretter fosforyleres molekylet.

I de gjenværende trinnene, som transformerer 1,3-difosfoglyserat til pyruvat, blir begge fosfater fjernet i rekkefølge fra tre-karbonmolekylet for å generere ATP. Fordi alt etter splitting av FBP skjer to ganger per glukosemolekyl, betyr dette at 2 NADH, 2 H⁺ og 4 ATP genereres i returfasen, for et netto på 2 NADH, 2 H⁺ og 2 ATP.
Les mer om sluttresultatet av glykolyse.

Tre av enzymene som deltar i glykolyse spiller store roller i reguleringen av prosessen. To, heksokinase og fosfofruktokinase (eller PFK), er allerede nevnt. Den tredje, pyruvat kinase, er ansvarlig for å katalysere den endelige glykolysereaksjonen, omdannelsen av fosfoenolpyruvat (PEP) til pyruvat.

Hver av disse enzymene har aktivatorer i tillegg til hemmere. Hvis du er kjent med kjemi og begrepet tilbakemeldingsinhibering, kan du kanskje forutsi forholdene som fører til at et gitt enzym øker eller reduserer aktiviteten. For eksempel, hvis en region i en celle er rik på G6P, forventer du at heksokinase aggressivt vil oppsøke glukosemolekyler som vandrer forbi? Du ville sannsynligvis ikke, for under disse forholdene er det ikke noe presserende behov for å generere ekstra G6P. Og du ville ha rett.

Mens heksokinase inhiberes av G6P, aktiveres den av AMP (adenosinmonofosfat) og ADP (adenosindifosfat), det samme er PFK og pyruvatkinase. Dette er fordi høyere nivåer av AMP og ADP generelt betyr lavere nivåer av ATP, og når ATP er lavt, er drivkraften for glykolyse å forekomme høy.

Pyruvat-kinase aktiveres også av fruktose-1,6-bisfosfat, noe som gir mening, fordi for mye FBP innebærer at et glykolysemellomprodukt akkumuleres oppstrøms og ting må skje raskere i bakenden av prosess. Fruktose-2,6-bisfosfat er også en aktivator av PFK.

Heksokinase er, som nevnt, inhibert av G6P. PFK og pyruvatkinase hemmes begge av tilstedeværelsen av ATP av samme grunnleggende grunn som de aktiveres av AMP og ADP: Energitilstanden til cellen favoriserer en reduksjon i hastigheten på glykolyse.

PFK hemmes også av sitrat, en komponent av Krebs-syklusen som forekommer nedstrøms i aerob respirasjon. Pyruvatkinase hemmes av acetyl CoA, som er molekylet som pyruvat omdannes til etter at glykolyse er avsluttet og før Krebs-syklusen begynner (faktisk kombineres acetyl CoA med oksaloacetat i det første trinnet av syklusen for å lage sitrat). Til slutt hemmer aminosyren alanin også pyruvatkinase.

Du kan forvente at andre produkter av glykolyse i tillegg til G6P vil hemme heksokinase, siden deres tilstedeværelse i betydelige mengder ser ut til å indikere et redusert behov for G6P. Imidlertid hemmer bare G6P i seg selv heksokinase. Hvorfor er det sånn?

Årsaken er ganske enkel: G6P er nødvendig for andre reaksjonsveier enn glykolyse, inkludert pentosefosfat shunt og glykogensyntese. Derfor, hvis andre nedstrøms molekyler enn G6P kunne holde heksokinase fra sitt arbeid, disse andre reaksjonsveiene vil også redusere farten på grunn av mangel på G6P som kommer inn i prosessen, og vil derfor representere sikkerhetsskader av et slag.