Vilka effekter kan hämma glykolys?

Glykolys är en universell metabolisk process bland världens levande saker. Denna serie med 10 reaktioner i cytoplasman i alla celler omvandlar sockermolekylen med sex kol glukos i två pyruvatmolekyler, två molekyler ATP och två NADH-molekyler.
Lär dig om glykolys.

I prokaryoter, som är de enklaste organismerna, är glykolys egentligen det enda cellmetabolismspelet i stan. Dessa organismer, som nästan alla består av en enda cell med relativt få innehåll, har begränsat metaboliska behov, och glykolys är tillräckligt för att låta dem blomstra och reproducera i avsaknad av konkurrens faktorer. Eukaryoterå andra sidan, rulla ut glykolys som något av en nödvändig aptitretare innan huvudrätten med aerob andning kommer in i bilden.

Diskussioner om glykolys handlar ofta om förhållandena som gynnar det, t.ex. adekvat substrat- och enzymkoncentration. Mindre ofta nämnt, men också viktigt, är saker som kan av design hämma hastigheten av glykolys. Även om celler behöver energi, är det inte alltid ett önskat cellulärt resultat att köra så mycket råmaterial genom glykolysfabriken. Lyckligtvis för cellen har många deltagare i glykolys kapacitet att påverka dess hastighet.

Glukos är ett sexkolssocker med formeln C₆H₁₂O₆. (Roliga biomolekyltrivia: Varje kolhydrat - oavsett om det är socker, stärkelse eller olöslig fiber - har den allmänna kemiska formeln C_NH_2NO_N.) Den har en molär massa på 180 g, liknar de tyngre aminosyrorna när det gäller dess storlek. Den kan diffundera fritt in i och ut ur cellen genom plasmamembranet.

Glukos är en monosackarid, vilket innebär att den inte framställs genom att kombinera mindre sockerarter. Fruktos är en monosackarid, medan sackaros ("bordssocker") är en disackarid sammansatt från en glukosmolekyl och en fruktosmolekyl.

I synnerhet är glukos i form av en ring, representerad som en sexkant i de flesta diagram. Fem av de sex ringatomerna är glukos, medan den sjätte är syre. Siffran 6-kol ligger i en metyl (- CH₃) grupp utanför ringen.

Den kompletta formeln för summan av de 10 glykolysreaktionerna är:

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

Med ord betyder detta att en glukosmolekyl omvandlas till två glukosmolekyler, vilket genererar 2 ATP och 2 NADH (den reducerade formen av nikotinamid-adenindinukleotid, en vanlig "elektronbärare" i biokemi).

Observera att inget syre krävs. Även om pyruvat nästan alltid konsumeras i aeroba andningssteg, sker glykolys i både aeroba och anaeroba organismer.

Glykolys är klassiskt uppdelad i två delar: en "investeringsfas", som kräver 2 ATP (adenosintrifosfat, "energi valuta "av celler) för att forma glukosmolekylen till något med en hel del potentiell energi, och en" utdelning "eller" skörd " fas, i vilken 4 ATP genereras via omvandlingen av en trekolmolekyl (glyceraldehyd-3-fosfat eller GAP) till en annan, pyruvat. Detta innebär att totalt 4-2 = 2 ATP genereras per glukosmolekyl.

När glukos kommer in i en cell fosforyleras den (dvs. har en fosfatgrupp fäst vid den) under enzymets verkan hexokinas. Detta enzym, eller proteinkatalysator, är bland de viktigaste av de reglerande enzymerna i glykolys. Var och en av de 10 reaktionerna i glykolys katalyseras av ett enzym, och det enzymet katalyserar i sin tur bara den ena reaktionen.

Glukos-6-fosfat (G6P) som härrör från detta fosforyleringssteg omvandlas sedan till fruktos-6-fosfat (F6P) innan en andra fosforylering inträffar, denna gång i riktning mot fosfofruktokinas, ett annat kritiskt reglerande enzym. Detta resulterar i bildningen av fruktos-1,6-bisfosfat (FBP), och den första fasen av glykolys är klar.

Fruktos-1,6-bisfosfat delas upp i ett par trekolmolekyler, dihydroxiacetonfosfat (DHAP) och glyceraldehyd-3-fosfat (GAP). DHAP omvandlas snabbt till GAP, så splittringens nettoeffekt är skapandet av två identiska trekolmolekyler från en enda kolmolekyl.

GAP omvandlas sedan av enzymet glyceraldehyd-3-fosfatdehydrogenas till 1,3-difosfoglycerat. Detta är ett upptaget steg; NAD⁺ omvandlas till NADH och H⁺ med användning av väteatomer avlägsnade från GAP och sedan fosforyleras molekylen.

I de återstående stegen, som transformerar 1,3-difosfoglycerat till pyruvat, avlägsnas båda fosfaterna i sekvens från trekolmolekylen för att generera ATP. Eftersom allt efter delningen av FBP händer två gånger per glukosmolekyl betyder det att 2 NADH, 2 H⁺ och 4 ATP genereras i returfasen för ett netto av 2 NADH, 2H⁺ och 2 ATP.
Läs mer om slutresultatet av glykolys.

Tre av de enzymer som deltar i glykolys spelar viktiga roller i regleringen av processen. Två, hexokinas och fosfofruktokinas (eller PFK), har redan nämnts. Den tredje, pyruvatkinas, är ansvarig för att katalysera den slutliga glykolysreaktionen, omvandlingen av fosfoenolpyruvat (PEP) till pyruvat.

Var och en av dessa enzymer har aktivatorer såväl som hämmare. Om du är bekant med kemi och begreppet feedbackhämning kan du kanske förutsäga de förhållanden som leder till att ett visst enzym påskyndar eller saktar ner dess aktivitet. Till exempel, om en region i en cell är rik på G6P, skulle du förvänta dig att hexokinas aggressivt skulle söka efter glukosmolekyler som vandrade förbi? Du skulle förmodligen inte göra det, för under dessa förhållanden finns det inget brådskande behov av att generera ytterligare G6P. Och du skulle ha rätt.

Medan hexokinas hämmas av G6P aktiveras det av AMP (adenosinmonofosfat) och ADP (adenosindifosfat), liksom PFK och pyruvatkinas. Detta beror på att högre nivåer av AMP och ADP i allmänhet betyder lägre nivåer av ATP, och när ATP är lågt är drivkraften för att glykolys ska uppstå hög.

Pyruvatkinas aktiveras också av fruktos-1,6-bisfosfat, vilket är vettigt, eftersom för mycket FBP innebär att en glykolysmellanprodukt ackumuleras uppströms och saker måste hända snabbare vid svansänden av bearbeta. Fruktos-2,6-bisfosfat är också en aktivator av PFK.

Hexokinas inhiberas, som noterat, av G6P. PFK och pyruvatkinas inhiberas båda av närvaron av ATP av samma grundskäl som de aktiveras av AMP och ADP: Energitillståndet i cellen gynnar en minskning av glykolyshastigheten.

PFK hämmas också av citrat, en del av Krebs-cykeln som sker nedströms i aerob andning. Pyruvatkinas hämmas av acetyl CoA, som är molekylen som pyruvat omvandlas till efter att glykolys avslutats och innan Krebs-cykeln börjar (i själva verket kombineras acetyl CoA med oxaloacetat i det första steget i cykeln för att skapa citrat). Slutligen hämmar aminosyran alanin också pyruvatkinas.

Du kan förvänta dig att andra produkter av glykolys förutom G6P hämmar hexokinas, eftersom deras närvaro i betydande mängder tycks indikera ett minskat behov av G6P. Men endast G6P inhiberar hexokinas. Varför är detta?

Anledningen är ganska enkel: G6P behövs för andra reaktionsvägar än glykolys, inklusive pentosfosfat shunt och glykogensyntes. Därför, om andra nedströmsmolekyler än G6P kunde hålla hexokinas från sitt arbete, dessa andra reaktionsvägar skulle också sakta ner på grund av brist på G6P som kommer in i processen och skulle därför representera säkerhetsskador av ett slag.