Vad utför glykolys?

Glykolys är en universell process bland livsformer på planeten Jorden. Från de enklaste encelliga bakterierna till de största valarna i havet använder alla organismer - eller mer specifikt var och en av deras celler - sexkolmolekylen glukos som en energikälla.

Glykolys är en uppsättning av 10 biokemiska reaktioner som fungerar som det första steget mot fullständig nedbrytning av glukos. I många organismer är det också det sista, och därför enda steget.

Glykolys är det första av tre steg i cellandningen inom det taxonomiska området (dvs. livsklassificering) Eukaryota (eller eukaryoter), som inkluderar djur, växter, protister och svampar.

I domänerna Bakterier och Archaea, som tillsammans utgör de mest encellulära organismer som kallas prokaryoterär glykolys den enda metaboliska showen i stan, eftersom deras celler saknar maskiner för att utföra cellulär andning till dess att den är klar.

Den fullständiga reaktionen som omfattas av de enskilda stegen i glykolys är:

C₆H₁₂O₆ + 2 NAD⁺ + 2 ADP + 2 P_i → 2 CH₃(C = O) COOH + 2 ATP + 2 NADH + 4 H⁺ + 2 H₂O

Med ord betyder detta att glukos, elektronbäraren nikotinamid-adenindinukleotid, adenosindifosfat och oorganiskt fosfat (P_i) kombineras för att bilda pyruvat, adenosintrifosfatden reducerade formen av nikotinamidadenindinukleotid och vätejoner (som kan betraktas som elektroner).

Observera att syre inte förekommer i denna ekvation, för glykolys kan fortsätta utan O₂. Detta kan vara en förvirringspunkt, eftersom glykolys är en nödvändig föregångare till de aeroba segmenten av cellulär andning i eukaryoter ("aerob" betyder "med syre"), ses det ofta felaktigt som en aerob bearbeta.

Glukos är ett kolhydrat, vilket innebär att dess formel antar förhållandet mellan två väteatomer för varje kol- och syreatom: C_nH_2nO_n. Det är ett socker, och särskilt ett monosackarid, vilket betyder att det inte kan delas upp i andra sockerarter, liksom disackarider sackaros och galaktos. Den innefattar en ringform med sex atomer, varav fem atomer är kol och en varav syre.

Glukos kan lagras i kroppen som en polymer som kallas glykogen, vilket är inget annat än långa kedjor eller ark av enskilda glukosmolekyler förenade med vätebindningar. Glykogen lagras främst i levern och i musklerna.

Idrottare som företrädesvis använder vissa muskler (t.ex. maratoner som förlitar sig på sina quadriceps och kalv muskler) anpassar sig genom träning för att lagra ovanligt stora mängder glukos, ofta kallad "carbo-loading".

Adenosintrifosfat (ATP) är "energivaluta" för alla levande celler. Detta innebär att när mat äts och bryts ner till glukos innan de kommer in i celler, är det yttersta målet för glukosmetabolismen syntesen av ATP, en process som drivs av den energi som frigörs när bindningarna i glukos och de molekyler den förändras till i glykolys och aerob andning är sönderdelade.

ATP som genereras genom dessa reaktioner används för kroppens grundläggande vardagliga behov, såsom vävnadstillväxt och reparation samt fysisk träning. När träningsintensiteten ökar, skiftar kroppen bort från förbränning av fett eller triglycerider (via oxidationen av fettsyror) för att bränna glukos eftersom den senare processen resulterar i mer ATP som skapas per molekyl bränsle.

Praktiskt taget alla biokemiska reaktioner är beroende av hjälp från specialiserade proteinmolekyler som kallas enzymer att fortsätta.

Enzymer är katalysatorer, vilket innebär att de påskyndar reaktionerna - ibland med en faktor på en miljon eller mer - utan att de själva förändras i reaktionen. De namnges vanligen för de molekyler som de verkar på och har "-as" i slutet, såsom "fosfoglukosisomeras", som omarrangerar atomerna i glukos-6-fosfat till fruktos-6-fosfat.

(Isomerer är föreningar med samma atomer men olika strukturer, analoga med anagram i ordvärlden.)

Mest enzymer i mänskliga reaktioner överensstämmer med en "en till en" regel, vilket betyder att varje enzym katalyserar en viss reaktion, och omvänt att varje reaktion endast kan katalyseras av ett enzym. Denna nivå av specificitet hjälper cellerna att reglera hastigheten på reaktioner och, i förlängningen, mängderna av olika produkter som produceras i cellen när som helst.

När glukos kommer in i en cell är det första som händer att det är fosforylerat - det vill säga en fosfatmolekyl är fäst vid ett av kolerna i glukos. Detta ger en negativ laddning på molekylen, vilket effektivt fångar den i cellen. Detta glukos-6-fosfat isomeriseras sedan såsom beskrivits ovan i fruktos-6-fosfat, som sedan genomgår ytterligare ett fosforyleringssteg att bli fruktos-1,6-bisfosfat.

Var och en av fosforyleringsstegen innefattar avlägsnande av ett fosfat från ATP och lämnar adenosindifosfat (ADP) Bakom. Detta betyder att även om syftet med glykolys är att producera ATP för cellens användning innebär det en "startkostnad" på 2 ATP per glukosmolekyl som går in i cykeln.

Fruktos-1,6-bisfosfat delas sedan upp i två trekolmolekyler, var och en med sitt eget fosfat fäst. En av dessa, dihydroxiacetonfosfat (DHAP), är kortlivad, eftersom den snabbt omvandlas till den andra, glyceraldehyd-3-fosfat. Från denna punkt framåt inträffar alltså varje listad reaktion två gånger för varje glukosmolekyl som kommer in i glykolys.

Glyceraldehyd-3-fosfat omvandlas till 1,3-difosfoglycerat genom tillsats av ett fosfat till molekylen. I stället för att härledas från ATP, existerar detta fosfat som ett fritt eller oorganiskt (dvs saknar en bindning till kol) fosfat. Samtidigt NAD⁺ omvandlas till NADH.

I nästa steg avlägsnas de två fosfaterna från en serie trekolmolekyler och bifogas ADP för att generera ATP. Eftersom detta händer två gånger per original glukosmolekyl skapas totalt 4 ATP i denna "utbetalningsfas". Eftersom "investeringsfasen" krävde en ingång på 2 ATP är den totala ökningen i ATP per glukosmolekyl 2 ATP.

För referens är molekylerna i reaktionen efter 1,3-difosfoglycerat 3-fosfoglycerat, 3-fosfoglycerat, fosfoenolpyruvat och slutligen pyruvat.

I eukaryoter kan pyruvat sedan fortsätta till en av två vägar efter glykolys, beroende på om tillräckligt med syre finns för att aerob andning ska kunna fortsätta. Om så är fallet, vilket vanligtvis är fallet när moderorganismen vilar eller tränar lätt, pyruvat transporteras från cytoplasman där glykolys sker i organeller ("små organ") kallad mitokondrier.

Om cellen tillhör en prokaryot eller en mycket hårt arbetande eukaryot - säg en människa som kör en hel mil eller lyfter vikter intensivt - omvandlas pyruvat till laktat. Medan laktat i sig själv inte kan användas som bränsle i de flesta celler, skapar denna reaktion NAD⁺ från NADH, varigenom glykolys fortsätter "uppströms" genom att tillhandahålla en kritisk NAD-källa⁺.

Denna process är känd som mjölksyrajäsning.

De aeroba faserna av cellulär andning som äger rum i mitokondrier kallas Krebs cyklar och den elektron transport kedjaoch dessa förekommer i den ordningen. De Krebs cyklar (ofta kallad citronsyracykel eller trikarboxylsyra-cykel) utvecklas mitt i mitokondrierna, medan elektron transport kedja tar plats på mitokondriernas membran som bildar sin gräns med cytoplasman.

Nettoreaktionen av cellulär andning, inklusive glykolys, är:

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + 38 ATP

Krebs-cykeln lägger till 2 ATP, och elektrontransportkedjan är en hel del 34 ATP för totalt 38 ATP per glukosmolekyl som helt konsumeras (2 + 2 + 34) i de tre metaboliska processerna.