77 Frumuöndun

7.2 Glýkólýsa

Námsmarkmið

Í lok þessa hluta munt þú geta gert eftirfarandi:

Lýst heildarniðurstöðu glýkólýsu með tilliti til sameinda sem myndast við efnafræðilegt niðurbrot glúkósa
Borið saman afrakstur glýkólýsu með tilliti til ATP-sameinda og NADH-sameinda sem myndast

Eins og þú hefur lesið kemur nær öll orka sem lifandi frumur nota úr tengjum sykursins glúkósa. Glýkólýsa er fyrsta skrefið í niðurbroti glúkósa til að vinna orku fyrir efnaskipti frumna. Nánast allar lífverur framkvæma glýkólýsu sem hluta af efnaskiptum sínum. Ferlið notar ekki súrefni beint og er því loftfirrt. Glýkólýsa fer fram í umfrymi bæði dreifkjörnunga og heilkjörnunga. Glúkósi fer inn í ófrumbjarga frumur á tvo vegu. Önnur leiðin er annars stigs virkur flutningur, þar sem flutningurinn fer fram gegn styrkfallanda glúkósa. Hin leiðin notar hóp innfelldra himnupróteina sem kallast GLUT-prótein, einnig þekkt sem glúkósaflutningsprótein. Þessi flutningsprótein auðvelda flæði glúkósa.

Glýkólýsa hefst með sex kolefna hringbyggingu einnar glúkósasameindar og endar með tveimur sameindum af þriggja kolefna sykri sem kallast pýrúvat. Glýkólýsa skiptist í tvo aðskilda fasa. Fyrri hluti glýkólýsuferilsins fangar glúkósasameindina í frumunni og notar orku til að breyta henni þannig að sex kolefna sykursameindin geti klofnað jafnt í tvær þriggja kolefna sameindir. Seinni hluti glýkólýsu vinnur orku úr sameindunum og geymir hana í formi ATP og NADH. Mundu að NADH er afoxað form NAD.

The illustration shows a simplified process of glucose moving through the stages of glycolysis. First two A T P are added, then the glucose is split into two branches, with N A D H and two A T P being released. The net products are 2 pyruvate molecules and 2 N A D H and 2 A T P molecules. — **Mynd 7.7.** Glýkólýsa hefst með orkufjárfestingarfasa sem krefst 2 ATP-sameinda til að fosfóra upphaflegu glúkósasameindina. Sex kolefna milliefnið klofnar síðan í tvær þriggja kolefna sykursameindir. Í orkuendurheimtufasanum oxast hver þriggja kolefna sykur síðan í pýrúvat og orkan flyst til myndunar NADH og 2 ATP-sameinda. Heimild: Rao, A. og Ryan, K., líffræðideild Texas A&M-háskóla.

Fyrri helmingur glýkólýsu (orkukrefjandi skref)

Fyrsta skref glýkólýsu (mynd 7.8) er hvatað af hexókínasa, ensími með víða sértækni sem hvatar fosfórun sex kolefna sykra. Hexókínasi fosfórar glúkósa með því að nota ATP sem uppsprettu fosfatsins og myndar glúkósa-6-fosfat, hvarfgjarnara form glúkósa. Þetta hvarf kemur í veg fyrir að fosfóraða glúkósasameindin haldi áfram að bindast GLUT-próteinum og hún getur ekki lengur yfirgefið frumuna, því neikvætt hlaðið fosfatið kemst ekki yfir vatnsfælinn innri hluta frumuhimnunnar.
Í öðru skrefi glýkólýsu breytir ísómerasi glúkósa-6-fosfati í eina hverfu þess, frúktósa-6-fosfat; í þessari hverfu er fosfat tengt við sjötta kolefni hringsins. Ísómerasi er ensím sem hvatar umbreytingu sameindar í eina hverfu hennar. Þessi breyting úr fosfóglúkósa í fosfófrúktósa gerir mögulegt að kljúfa sykurinn síðar í tvær þriggja kolefna sameindir.
Þriðja skrefið er fosfórun frúktósa-6-fosfats, hvötuð af ensíminu fosfófrúktókínasa. Önnur ATP-sameind gefur orkuríkt fosfat til frúktósa-6-fosfats og myndar frúktósa-1,6-bisfosfat. Í þessum ferli er fosfófrúktókínasi hraðatakmarkandi ensím. Það er virkt þegar styrkur ADP er hár, en minna virkt þegar ADP er lítið og ATP er mikið. Ef „nægilegt“ ATP er í kerfinu hægir því á ferlinu. Þetta er tegund lokaafurðarhömlunar, því ATP er lokaafurð niðurbrots glúkósa.
Nýbættu orkuríku fosfathóparnir gera frúktósa-1,6-bisfosfat enn óstöðugra. Í fjórða skrefi glýkólýsu notar fruman ensímið aldólasa til að kljúfa frúktósa-1,6-bisfosfat í tvær þriggja kolefna hverfur: díhýdroxýasetónfosfat og glýseraldehýð-3-fosfat.
Í fimmta skrefinu breytir ísómerasi díhýdroxýasetónfosfati í hverfu þess, glýseraldehýð-3-fosfat. Ferillinn heldur því áfram með tveimur sameindum af glýseraldehýð-3-fosfati. Á þessum tímapunkti hefur fruman lagt nettó tvær ATP-sameindir í niðurbrot einnar glúkósasameindar.
Mynd 7.8. Fyrri helmingur glýkólýsu notar tvær ATP-sameindir við fosfórun glúkósa, sem klofnar síðan í tvær þriggja kolefna sameindir.

Seinni helmingur glýkólýsu (orkulosandi skref)

Hingað til hefur glýkólýsa kostað frumuna tvær ATP-sameindir og framleitt tvær litlar þriggja kolefna sykursameindir. Báðar þessar sameindir halda áfram í gegnum seinni helming ferilsins og næg orka er unnin til að endurgreiða ATP-sameindirnar tvær sem voru notaðar í upphafsfjárfestingunni og skila frumunni hagnaði: tveimur ATP-sameindum til viðbótar og tveimur enn orkuríkari NADH-sameindum.

Skref 6. Sjötta skref glýkólýsu (mynd 7.9) oxar sykurinn glýseraldehýð-3-fosfat og vinnur úr honum orkuríkar rafeindir sem rafeindaferjan NAD⁺ tekur við, þannig að NADH myndast. Sykurinn er síðan fosfóraður með viðbót annars fosfathóps og myndar 1,3-bisfosfóglýserat. Athugaðu að þessi seinni fosfathópur krefst ekki annarrar ATP-sameindar.

This illustration shows the steps in the second half of glycolysis. In step six, the enzyme glyceraldehyde dash 3 dash phosphate dehydrogenase produces one N A D H molecule and forms 1, 3 dash bisphosphoglycerate. In step seven, the enzyme phosphoglycerate kinase removes a phosphate group from the substrate, forming one A T P molecule and 3 dash phosphoglycerate. In step eight, the enzyme phosphoglycerate mutase rearranges the substrate to form 2 dash phosphoglycerate. In step nine, the enzyme enolase rearranges the substrate to form phosphoenolpyruvate. In step ten, a phosphate group is removed from the substrate, forming one A T P molecule and pyruvate. — **Mynd 7.9.** Seinni helmingur glýkólýsu felur í sér fosfórun án ATP-fjárfestingar (skref 6) og framleiðir tvær NADH-sameindir og fjórar ATP-sameindir fyrir hverja glúkósasameind.

Hér er aftur hugsanlegur takmarkandi þáttur fyrir ferilinn. Framhald hvarfsins veltur á framboði oxaðs forms rafeindaferjunnar, NAD⁺. Þess vegna verður NADH stöðugt að oxast aftur í NAD⁺ til að halda þessu skrefi gangandi. Ef NAD⁺ er ekki til staðar hægir á seinni helmingi glýkólýsu eða hann stöðvast. Ef súrefni er til staðar í kerfinu oxast NADH auðveldlega, þó óbeint sé, og orkuríku rafeindirnar frá vetninu sem losnar í ferlinu eru notaðar til að framleiða ATP. Í súrefnislausu umhverfi getur annar ferill, gerjun, séð um oxun NADH í NAD⁺.

Skref 7. Í sjöunda skrefinu, sem fosfóglýseratkínasi hvatar, gefur 1,3-bisfosfóglýserat orkuríkt fosfat til ADP og myndar eina ATP-sameind. Þetta er dæmi um hvarfefnisfosfórun. Karbónýlhópur á 1,3-bisfosfóglýserati oxast í karboxýlhóp og 3-fosfóglýserat myndast.

Skref 8. Í áttunda skrefinu færist fosfathópurinn sem eftir er í 3-fosfóglýserati frá þriðja kolefninu yfir á annað kolefnið og myndar 2-fosfóglýserat, hverfu 3-fosfóglýserats. Ensímið sem hvatar þetta skref er mútasi, tegund ísómerasa.

Skref 9. Enólasi hvatar níunda skrefið. Ensímið veldur því að 2-fosfóglýserat missir vatn úr byggingu sinni; þetta er afvötnunarhvarf sem leiðir til myndunar tvítengis, eykur stöðuorku í fosfattenginu sem eftir er og myndar fosfóenólpýrúvat (PEP).

Skref 10. Síðasta skref glýkólýsu er hvatað af ensíminu pýrúvatkínasa, sem hér er nefnt eftir öfuga hvarfinu þar sem pýrúvat breytist í PEP. Skrefið leiðir til myndunar annarrar ATP-sameindar með hvarfefnisfosfórun og til myndunar efnasambandsins pýrúvatsýru, eða saltforms hennar, pýrúvats. Mörg ensím í ensímferlum eru nefnd eftir öfugum hvörfum, því ensímið getur hvatað bæði fram- og afturhvarf; þessi hvörf kunna upphaflega að hafa verið lýst út frá öfuga hvarfinu sem fer fram in vitro við ólífeðlisfræðilegar aðstæður.

Tengill á námsefni

Skoðaðu niðurbrot glúkósa í glýkólýsu í þessu gagnvirka efni.

Afrakstur glýkólýsu

Glýkólýsa hefst með glúkósa og myndar tvær pýrúvatsameindir, fjórar nýjar ATP-sameindir og tvær NADH-sameindir. Athugaðu að tvær ATP-sameindir eru notaðar í fyrri helmingi ferilsins til að undirbúa sex kolefna hringinn fyrir klofning, þannig að nettó ávinningur frumunnar er tvær ATP-sameindir og tvær NADH-sameindir. Ef fruman getur ekki brotið pýrúvatsameindirnar frekar niður fær hún aðeins tvær ATP-sameindir úr einni glúkósasameind. Þroskuð rauð blóðkorn spendýra hafa ekki hvatbera og geta því ekki framkvæmt loftháða öndun, ferlið þar sem lífverur umbreyta orku í viðurvist súrefnis, og glýkólýsa er eina uppspretta ATP þeirra. Ef glýkólýsa truflast missa þessar frumur hæfnina til að viðhalda natríum-kalíumdælum sínum og deyja að lokum.

Síðasta skref glýkólýsu fer ekki fram ef pýrúvatkínasi, ensímið sem hvatar myndun pýrúvats, er ekki til staðar í nægilegu magni. Við þessar aðstæður heldur allur glýkólýsuferillinn áfram, en aðeins tvær ATP-sameindir myndast í seinni hlutanum. Þannig er pýrúvatkínasi hraðatakmarkandi ensím fyrir glýkólýsu.