Glykolyse

Glykolyse - (gr. glykys - søt, sukker; lysis - løse opp, spalte) - Embden-Meyerhof-Parnas glykolytisk vei. Oppdaget av Embden og Meyerhof. En rekke  enzymkatalyserte trinn i cytoplasma i cellene,  som ved oksidasjon uten bruk av oksygen omdanner glukose til pyruvat. Glykosen er ikke avhengig av oksygen, og kan skje i alle levende celler, prokaryoter og eukaryoter. Glykolysen er katabolisme og en del av cellerespirasjonen.

Glykolysen  består av en energiinvesteringsfase som bruker bruker kjemisk energi (ATP) og en energiavkastningsfase som lager ATP og og reduksjonskraft (NADH).

Glykolyse - oksidasjon av glukose til pyruvat, og høsting av kjemisk energi og reduksjonskraft

Glykolysen er startfasen i alle typer av cellerespirasjon hvor glukose (6 karbonatomer) omdannes uten oksygen til to molekyler pyrodruesyre (pyruvat med 3 karbonatomer) uten at det skilles ut karbondioksid, men hvor netto energiutbytte ved oksidasjon et et molekyl glukose er to molekyler reduksjonskraft (NADH) og to molekyler kjemisk energi (ATP). Glykolyse er enzymatisk anaerob trinnvis nedbrytning av glukose , og produktet blir for hvert glukosemolekyl to molekyler med pyruvat,  og netto to molekyler ATP, samt to molekyler med reduksjonskraften nikotinamid adenindinukleotid i redusert form (NADH + H+) hvor elektroner og protoner blir midlertidig lagret. ATP i glykolysen blir laget  ved substratfosforylering.

Enzymene i glykolysen finnes i cytosol i cellen. Hos planter kommer sukker fra triosefosfater i fotosyntesen på tre hovedmåter:

1) 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:

sukrose + UTP ⇔ fruktose + UDP-glukose

UDP-glukose omdannes i reaksjon med pyrofosfat (PPi) videre til glukose-1-fosfat katalysert av UDP-glukose pyrofosforylase:

UDP-glukose + PPi ⇔ 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 + Pi→ glukose-1-fosfat

Deretter skjer det videre enzymatisk omdanning til triosefosfater.

Glykolysen starter med en energiinvesteringsfase ved at glukose blir aktivert og omdannet  til glukose-6-fosfat katalysert av enzymet heksokinase i en ATP-avhengig reaksjon, hvor uorganisk fosfat fra ATP blir overført til glukose.  Glukose-6-fosfat blir videre omsatt til fruktose-6-fosfat katalysert av en heksosefosfatisomerase. Fruktose-6-fosfat fosforyleres i den andre enden av molekylet via ATP til fruktose-1,6-bisfosfat,  katalysert av enzymet fosfofruktokinase. Bisfosfat betyr at de to fosfatgruppene er lokalisert på to forskjellige steder i molekylet.

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. Det finnes isoenzymer av heksokinase og noen kan bruke glukose, noen fruktose og noen kan bruke begge substratene Fosforyleringen øker den kjemiske reaktiviteten og fanger glukose siden membranen er impermeabel for fosfatforbindelsene. Heksosefosfat isomerase katalyserer isomeriseringen mellom disse heksosene:

glukose-6-fosfat ⇔ fruktose-6-fosfat

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

fruktose-6-fosfat + ATP → fruktose-1,6-bisfosfat + ADP + Pi

Det finnes både ATP-avhengig og pyrofosfat (PPi) -avhengig fosfofruktokinase PPi-avhengig fosfofruktokinase aktiveres av fruktose-2,6-bisfosfat. ATP-avhengig fosfofruktokinase hemmes av fosfoenolpyruvat, og aktiveres av fosfat.

 Fruktose-1,6-bisfosfat blir deretter kløyvet til det viktige intermediatet 3-fosfoglyceraldehyd (glyceraldehyd-3-fosfat), katalysert av enzymet aldolase.

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

fruktose-1,6-bisfosfat → dihydroksyacetonfosfat + 3-fosfoglyceraldehyd

Glyceraldehyd 3-fosfat er i likevekt med dihydroksyacetonfosfat katalysert ev enzymet isomerase.

Triosefosfat isomerase katalyserer isomeriseringen fra dihydroksyacetonfosfat til 3-fosfoglyceraldehyd. Reaksjonen er reversibel og det finnes isoenzymer i plastider og cytosol:

dihydroksyacetonfosfat ⇔ 3-fosfoglyceraldehyd

 Det er glyceraldehyd-3-fosfat som omsettes videre i glykolysen som nå går inn i energihøstingsfase.  Etter i starten å ha invester to molekyler ATP blir glyceraldehyd-3-fosfat oksidert med NAD+ hvor to elektroner og to protoner gir reduksjonskraften NADH + H+, det blir hektet på en fosfatgruppe og produktet er 1,3-bisfosfoglycersyre.

Glykolysen har nå skaffet to molekyler 3-fosfoglyceraldehyd fra en hexose 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:

3-fosfoglyceraldehyd + NAD+ + Pi ⇔ 1,3-difosfoglycersyre + NADH

Legg merke til at dette er reaksjonsjoner som vi finner igjen i reduksjonen av karbondioksid i fotosyntesen i kloroplastene, altså reaksjonen går motsatt vei og brukes NADPH i stedet for NADH.  1,3-bisfosfoglycerat blir deretter brukt til å lage ATP ved substratnivåfosforylering, samt 3-fosfoglycerat. Man ser at dette er en reversering av karbonreduksjonen i fotosyntesen.

Plantene inneholder tre forskjellige 3-fosfoglyceraldehyd dehydrogenase, og NADPH avhengig enzym finnes i plastider og cytosol og har til oppgave å lage 3-fosfoglyceraldehyd. Videre lages det for første gang i glykosen ATP ved substratfosforylering katalysert av fosfoglycerat kinase:

1,3-bisfosfoglycerat + ADP + Pi → 3-fosfoglycerat + ATP

3-fosfoglycersyre er ikke et sukker siden ketogruppen (-C=O) er oksidert til en syregruppe (-COOH). Fosfoglycerat kinase finnes både i plastider og cytosol. I en muteringsreaksjon flyttes fosfat fra karbonatom 3 til 2 og 3-fosfoglycerat omdannes til 2-fosfoglycerat katalysert av fosfoglycerat mutase:

3-fosfoglycerat ⇔ 2-fosfoglycerat

Videre blir 3-fosfoglycerat  via 2-fosfoglycerat (katalysert av fosfoglyceromutase) omdannet fosfoenolpyruvat i en dehydreringsreaksjon katalysert av enolase. Vann fjernes, det lages en dobbeltbinding og den energirike forbindelsen fosfoenolpyruvat lages katalysert av enolase, en enzymaktivitet som kan øke under stress:

2-fosfoglycerat ⇔ fosfoenolpyruvat + H2O

Fosfoenol pyruvat blir til å lage ATP katalysert av pyruvat kinase, hvor fosfatgruppen fra fosfoenolpyruvat blir overført til ATP,  i en ny substratnivåfosforylering. Nå kan det nok en gang lages ATP katalysert av pyruvat kinase, enzymet finnes også i plastider:

fosfoenolpyruvat + ADP + Pi ⇔ pyruvat + ATP

Fosfatestere som fosfoenolpyruvat, ATP, pyrofosfat (PPi) og 1,3-bisfosfatglycerat og glukose-6-fosfat er høyenergimolekyler hvor energi kan frigis ved hydrolyse. Dette kan brukes til å utføre kjemisk arbeid i energikrevende reaksjoner. Fosfoenolpyruvat har også mulighet til å inngå i en karboksyleringsreaksjon i karbonassimilasjonen hos C4-planter, katalysert av fosfoenolpyruvat karboksylase, men denne inngår ikke i glykolysen

Glykolysen trenger to ATP for å omdanne glukose til fruktose-1,6-bisfosfat i starten, men utbytte er fire molekyler ATP og to molekyler NADH for hvert heksosemolekyl som oksideres, men netto energiutbytte blir to molekyler ATP og to molekyler NADH.  Legg merke til at i C4-metabolismen i fotosyntesen blir fosfoenolpyruvat brukt i CO2-assimilasjonen, og pyruvat fra malatenzym hvor CO2 blir frigitt må på nytt omdannes til fosfoenolpyruvat.

Glykolysen gir generelt lavt energiutbytte, sammenlignet med videre oksidasjon i sitronsyresyklus. Dette kompenseres ved en mer aktiv glykolyse, noe som gir Pasteur-effekt.

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.

Regulering av glykolysen

Viktige reguleringspunkter i glykolysen er enzymene fosfofruktokinase som hemmes av fosfoenolpyruvat og pyruvat kinase som hemmes av intermediater i trikarboksylsyresyklus. Det finnes også en mulighet for at fosfoenolpyruvat kan karboksyleres og via oksaleddiksyre omdannes til malat som kan fraktes til kloroplastene og brukes i syntesen av fettsyrer. Malat enzym omdanner malat til pyruvat som kan omdannes til acetyl-CoA. En alternativ karbonkilde er heksosefosfater. Triosefosfater fra kloroplastene bygger opp heksosefosfater i cytosol. Heksosefosfater kommer fra glukoneogenese eller via fosforylering av frie heksoser dannet fra nedbrytning av stivelse om natten. Heksoser brukes i glykolyse, pentosefosfatvei, og til å lage sukrose. Det skjer heksosefosfatisomerisering. Fruktose-6-fosfat ↔ glukose-6-fosfat katalysert av heksosefosfat isomerase.

Glukose-6-fosfat ↔ glukose-1-fosfat katalysert av fosfoglukomutase.

Regulering av glykolysen skjer nedenfra og opp via endeproduktene ved trinnet fosforylering av fruktose-6-fosfat → fruktose-1,6-bisfosfat katalysert av ATP-avhengig fosfofruktokinase som hemmes av fosfoenolpyruvat og hemmingen reduseres av fritt uorganisk fosfat.  Det andre reguleringstrinnet  omsetningen av fosfoenolpyurvat → fosfoenolpyruvat katalysert av pyruvat kinase som hemmes av malat, citrat, 2-oksoglutarat og glutamat. Reguleringsmetabolitten fruktose-2,6-bisfosfat hemmer fruktose-1,6-bisfosfatase i cytosol og aktiverer PPi-avhengig fosfofruktokinase. I glykolysen omdannes sukker (heksosefosfat)  til pyruvat og malat. Malat (eplesyre) omsettes i mitokondriene via malic enzyme og malat dehydrogenase. Det er mye malat i planter. Malat lages uten ATP-syntese, 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.

Melkesyre- og etanolgjæring

Melkesyregjæring via melkesyrebakterier lager et surt konserverende miljø med melkesyre hvor få andre bakterier kan vokse og formere seg. Melkesyrebakterier i mikrobiomet på kroppen kan hindre andre bakterier i å vokse på ytre og indre kroppsoverflater. Ensilering er høy til husdyr er basert på melkesyregjæring. Melkesyrebakterier anvendes i produksjon av en rekke matretter som sauerkraut, kimchi, soysauce, og youghurt. Etanolgjæring benyttes innen produksjon av vin, øl og baking, hvor høy konsentrasjoner av etanol til slutt kan drepe gjærcellene (jfr. Grønnskjeggeffekt).  Propionsyrebakterier benyttes innen produksjon av Sveitserost og Jarlsbergost, hvor hullene i osten som blir dannet under lagringen skyldes fermentering.  Planter som overlever i oversvømt jord ved å lage luftvev (aerenkym) har etanolgjæring, og genene som koder for alkohol dehydrogenase blir aktivert under anaerobe forhold rundt røttene.

Videre til anaerob fermentering eller aerob sitronsyresyklus

Pyruvat som er produktet i glykolysen kan ta forskjellige veier avhengig av oksygentilgangen. Hvis ikke oksygen er tilstede f.eks. røtter i anaerob jord, vil pyruvat laget i glykolysen ved alkoholfermentering omsettes til acetaldehyd katalysert av pyruvat dekarboksylase. Acetaldehyd virker som elektronakseptor og reduseres til etanol katalysert av alkohol dehydrogenase. Pyruvat kan også virke som elektronakseptor og reduseres til laktat (melkesyre), via laktatfermentering, men denne veien har mindre betydning i planter idet surgjøringen skrur av melkesyreproduksjonen. Fakultativt anaerobe slik som bakegjær kan skifte mellom fermentering og aerob metabolisme avhengig av oksygentilgangen. I muskelceller hos dyr og mennesker vil mangel på oksygen gi melkesyregjæring og opphopning av melkesyre i muskelcellene, noe som kjennes smertefylt.  

Under aerobe forhold omsettes pyruvat til CO2 og acetyl-CoA som kan gå inn i Krebs syklus (trikarboksylsyresuklus eller sitronsyresyklus som den også kalles) katalysert av pyruvat dehydrogenase. Glykolysen finnes både i cytoplasma og kloroplasten i blad. Glykolysen er som andre omsetningsveier under streng metabolsk kontroll. Fruktose-2,6-bisfosfat som er et stoff som har stor betydning for regulering av karbonfluksen i planter aktiverer fosfofruktokinase, men hemmer fruktose-1,6-bisfosfatase som hydrolyserer fruktose-1,6-bisfosfat tilbake til fruktose-6-fosfat. Glykolysen brukes ikke bare i katabolismen til å oksidere karbohydrater til pyruvat og skaffe energi i form av ATP, men gir i anabolismen viktige stoffer (metabolitter) til andre biosynteseveier. En alternativ omsetningsvei er katabolisme via oksidativ pentosefosfatvei, en reversing av reduktiv pentosefosfatvei (Calvin-Benson-Bassham-syklus) i karbonreaksjoneni fotosyntesen.

Glukoneogenese - reversering av glykolysen

Når fettfrø spirer omdannes fett til sukker via glyoksylatsyklus. I denne forbindelsen benyttes en revers glykolyse, glukoneogenese, til å lage sukker. Det er bare planter og bakterier som kan omdanne fett til sukker. Mennesker omdanner i stedet fett til ketonlegemer.

Kreftceller og glykolyse

Kreftceller har svært aktiv glykolyse, spesielt før kreftcellene har laget vekstfaktorer som sørger for nydannelse av blodårer til kreftcellene. En av mange behandlingsmetoder går ut på å blokkere glykolysen bl.a. med glukoseanalogen 2-deoksyglukose som kompetitiv hemmer av heksokinase i glykolysen. Heksokinase omsetter 2-deoksyglukose til 2-deoksyglukose-fosfat som ikke kan omsettes videre.  Aktiv glykolyse i kreftceller blir også anvendt innen diagnostikk med fluor-18-merket 18F-2-deoksyglukose, hvor 2-hydroksylgruppe i glukose er erstattet  med hydrogen, slik at 2-deoksy-D-glukose-fosfat laget via heksokinase blir ikke videre omsatt i glykolysen og akkumulerer. Fluor-18-isotopen blir laget i en syklotron, og er en korlevet (halveringstid 109.771 minutter og gir 18O) radioisotop som desintegrerer ved å sende ut positronstråling (positivt ladete elektroner) og noe elektroninnfanging, og i annihilering med et elektron blir det dannet gammastråling som kan registreres i såkalt PET-scanning (positronemisjonstomografi).  

positron + elektron → gammastråling

Glykolyse

Tilbake til hovedside

Publisert 4. feb. 2011 10:22 - Sist endret 8. mars 2019 11:19