Glykolyse

Glykolysen (fra gresk glykys – «søt», og lysis – «løse opp») er den katabolske stoffskifteveien hvor glukose, som er et monosakkarid med seks karbon-atomer, spaltes og nedbrytes til to pyruvatmolekyler, som er trekarbonforbindelser. Disse pyruvatmolekylene kan så gå videre gjennom sitronsyresyklusen eller Krebs' syklus. Glykolysen består av ti godt definerte reaksjoner med ni ulike intermediater, altså mellomprodukter, som er veldig like i praktisk talt alle celler, både prokaryote og eukaryote. Reaksjonsgangen ble oppdaget av hovedsakelig Gustav Embden, Otto Meyerhof og Jakub Karol Parnas i 1940, og glykolysen blir derfor også ofte referert til som Embden-Meyerhof-Parnas-stoffskifteveien (EMP pathway). Den motsatte reaksjonen, oppbygning av glukose, kalles glukoneogenesen.

Oversikt over glykolysen

Overblikk over glykolysen

Nettoreaksjonen fra selve glykolysen er:

D-Glukose				Pyruvat
	+ 2 [NAD]+ + 2 [ADP] + 2 [P]i		2		+ 2 [NADH] + 2 H+ + 2 [ATP]

Energiutbyttet fra glykolysereaksjonene fås ved at det dannes høyenergiforbindelser i form av to ATP og to NADH i netto. ATP-molekylene som dannes i glykolysen kan brukes direkte som energi, mens NADH først må gjennom elektrontransportkjeden, hvor NADH effektivt omdannes til ATP.

Flere andre metabolitter, slik som fruktose, galaktose og mannose, eller aminosyrer, blir omformet til enten glukose eller en intermediat i glykolysen, og går deretter inn i glykolysestoffskifteveien. For eksempel kan fruktose blant annet gå inn i fettvevet og omformes til intermediatet fruktose-6-fosfat og i leveren til dihydroksyacetonfosfat og glyseraldehyd-3-fosfat. Galaktose kan på sin side omformes til intermediatet glukose-6-fosfat. I tillegg kan intermediater fra glykolysen være til direkte nytte for kroppen. Dihydroksyacetonfosfat kan omdannes til glyserol, som spleiser fettsyrer sammen til fett. Stoffskifteveien er anaerob, som vil si at den ikke forbruker oksygen. Glykolysen finner sted i cytoplasma hos dyr og kloroplasten i blad hos planter.

Det er tre reaksjoner i glykolysen som er regulert, nemlig dannelsene av glukose-6-fosfat, fruktose-1,6-bisfosfat og pyruvat. De andre reaksjonene i stoffskifteveien står i likevekt, og er dermed ikke regulert.

Glykolysen kan deles opp i to faser etter hvordan energien benyttes:

• Investeringsfasen – hvor to ATP investeres i de første trinnene.
• Utbyttefasen – hvor det avspaltes fire ATP i de siste trinnene.

Detaljerte reaksjonstrinn i glykolysen

Investeringsfasen

De første reaksjonstrinnene går ut på å tilføre energi i form av ATP til glukosemolekylet, slik at det under den senere delen av glykolysen kan utvinne energi i form av mer ATP og NADH.

Glukose → glukose-6-fosfat Det første trinnet i glykolysen er en glukosefosforylering ved hjelp av et enzymkompleks, enten heksokinase eller glukokinase, og det dannes glukose-6-fosfat. I reaksjonen går det med energi i form av ATP som omdannes til ADP, men dette gjøres for å holde glukosekonsentrasjonen lav. Dette fremmer i sin tur at glukose fortløpende transporteres inn i cellen gjennom cellemembranens transportere. I tillegg forhindrer det at glukose lekker ut av cellen ettersom fosfatgruppen på glukosen gjør molekylet polart, noe som hindrer diffusjon gjennom den upolare membranen. Eller så kan glukose dannes fra glykogen som nedbrytes via glukose-6-fosfat, og da vil det skje en fosforolyse, avspalting av fosfatgruppe. Heksokinasen har en høy affinitet for glukose, det vil si en lav Km, selv i et blod med lite glukose. Det gjør at cellene kan benytte seg av blodglukosen selv ved lavt blodsukker. Heksokinasen har imidlertid en lav Vmax, topphastighet, som gjør at heksokinasen ikke kan fosforylere mange glukose-molekyler på kort tid. I mange virveldyr, deriblant mennesket, finnes et isozym av heksokinase kalt glukokinase eller heksokinase IV, som finnes i parenkymcellene (de aktive organcellene) i blant annet levra, bukspyttkjertelen, hjernen og i fordøyelsessystemet. I motsetning har glukokinasen andre enzymatiske egenskaper. Den har en større Km, og denne lavere glukoseaffiniteten sørger for at glukokinase kun fungerer ordentlig ved høy konsentrasjon av blodglukose, slik som etter man har spist. Glukokinasen har også en høy Vmax som gjør at den effektivt kan ta unna store mengder blodglukose raskt. Glukokinase forhindrer derfor, sammen med insulin, hyperglykemi (høyt blodsukker) når næring absorberes i kroppen. I tillegg fungerer glukokinase som en glukosesensor i bukspyttkjertelen for å avgjøre om insulin skal skilles ut. Regulering Ettersom dette er det første trinnet i glykolysen, er det hensiktsmessig at det er regulert. Heksokinase inhiberes av sitt eget produkt glukose-6-fosfat, mens glukokinase inhiberes av fruktose-6-fosfat, en videre intermediat i stoffskifteveien som står i likevekt med glukose-6-fosfat. Glukokinase er også positivt stimulert av glukose, slik at den ved store glukosekonsentrasjoner tar inn mye blodsukker inn i cellen. Reguleringen av glukokinase skjer gjennom et protein kalt glukokinase-reguleringsprotein (GKRP) som kan reversibelt binde til seg glukokinase. Ved binding vil glukokinase-GKRP-komplekset gå fra cytosol til inni cellekjernen og dermed gjøre glykokinasen inaktiv. Fruktose-1-fosfat, et intermediat i fruktosekatabolismen, inhiberer også at komplekset skal dannes og stimulerer dermed glukokinasen, og slik forbereder kroppen seg på at et sukkerholdig måltid fordøyes. GKRP aktiveres av fruktose-6-fosfat og gjør dermed glykokinasen inaktiv, mens reguleringsproteinet inaktiveres av glukose, og slik gjøres glykokinasen aktiv. Kofaktoren i reaksjonen er Mg2+.

D-Glukose heksokinase / glukokinase α-D-glukose-6-fosfat ATP ADP+H+

Glukose-6-fosfat → fruktose-6-fosfat Denne reaksjonen utføres av enzymet fosfoglukoseisomerase. Fruktose kan også bli tatt inn i glykolysen her ved å fosforyleres til fruktose-6-fosfat. I reaksjonen endres glukose-6-fosfat sin struktur til fruktose-6-fosfat i en isomeriseringsreaksjon. Reaksjonen er lett reversibel i en vanlig celle. Ofte er det imidlertid en lav konsentrasjon av fruktose-6-fosfat ettersom det tas unna i glykolysen, og da vil likevekten forskyves mot fruktose-6-fosfat. Dersom det er opphopning av dette stoffet, vil reaksjonen gå den andre veien. Dette kjemiske prinsippet kalles Le Chateliers prinsipp. Isomeriseringen fra en aldose til en ketose er nødvendig for å stabilisere karbanionet i det fjerde reaksjonstrinnet.

α-D-Glukose fosfoglukoseisomerase β-D-fruktose-6-fosfat

Fruktose-6-fosfat → fruktose-1,6-bisfosfat I dette reaksjonstrinnet oksideres 1 ATP til 1 ADP (reaksjonen forbruker energi) og det katalyseres av enzymet fosfofruktokinase-1. Enzymet hemmes av mengden sitrat og ATP, som er signalmolekyler som indikerer at det er nok energi i cellen, mens det stimuleres av mengden fruktose-2,6-bisfosfat. At det går med enda et ATP-molekyl i dette trinnet kan rettferdiggjøres på to måter. For det første vil energien i reaksjonstrinnet gjøre intermediatet fruktose-6-fosfat ustabilt, noe som er nødvendig for de videre glykolytiske trinnene. For det andre vil reaksjonen være så godt som irreversibel, ettersom reaksjonsenzymet fosfofruktokinase 1 (PFK 1) er koblet til hydrolysen av ATP. Det gjør nemlig reaksjonen gunstig energimessig. For å gå den motsatte stoffskifteveien, må glukoneogenesen ta en omvei ved dette trinnet. Det gjør at dette er et regulatorisk reaksjonstrinn, og det blir dermed også ett av de tre hastighetsbestemmende trinnene i glykolysen. Videre er den andre forforyleringen som skjer i dette trinnet nødvendig for å få dannet to ladde grupper i stedet for kun en. Det gjør at man kan utnytte seg av begge molekylene som intermediatet blir spaltet til, senere i stoffskifteveien, samt slik at de ikke skal diffundere ut gjennom cellen. Den samme reaksjonen kan også katalyseres av pyrofosfat-avhengig fosfofruktokinase (PFP eller PPi-PFK), som finnes i de fleste planter, noen bakterier, urbakterier og protister, men ikke i dyr. Dette enzymet tar i bruk pyrofosfat (PPi) som fosfatdonoren i stedet for ATP. Dette er i motsetning en reversibel reaksjon som gjør denne stoffskifteveien mer fleksibel. I tillegg har en sjeldnere ADP-avhengig PFK-enzymvariant blitt oppdaget hos urbakterier. Regulering I tillegg til å bli regulert av sitrat- og ATP-konsentrasjonen i cellen, påvirkes reaksjonsenzymet fosfofruktokinase-1 (PFK-1) av fruktose-2,6-bisfosfat. Et høyt nivå av fruktose-2,6-bisfosfat gir stor enzymatisk aktivitet til PFK-1. Fruktose-2,6-bisfosfat er dannet av fosfofruktokinase-2 (PFK-2), altså et annet enzym enn PFK-1. PFK-2 er et enzym med to aktive seter som kan fosforylere fruktose-2,6-bisfosfat fra fruktose-6-fosfat eller defosforylere fruktose-2,6-bisfosfat tilbake til fruktose-6-fosfat. Kinasedelen av PFK-2 som danner fruktose-2,6-bisfosfat blir aktivert av insulin, og når man har spist vil det dermed tas opp mer glukose fra blodet. Likedan er fosfatasedelen av PFK-2 som tibakedanner fruktose-6-fosfat, aktivert av glukagon, og ved faste vil til slutt PFK-1 hemmes slik at den glukoneogenetiske reaksjonen aktiveres i stedet. Kofaktoren i trinnet er Mg2+.

β-D-fruktose-6-fosfat fosfofruktokinase β-D-fruktose-1,6-bisfosfat ATP ADP+H+

Fruktose-1,6-bisfosfat → dihydroksyacetonfosfat (DHAP) og glyseraldehyd-3-fosfat Takket være at fruktose-1,6-bisfosfat ble gjort ustabilt i det forrige trinnet, kan denne heksoseringen bli kløyvet av enzymet aldolase til to triosefosfater (trekarbonsmonosakkarider med fosfat-gruppe på), nemlig ketonet dihydroksyacetonfosfat og aldosen glyseraldehyd-3-fosfat. Av aldolasene finnes det to typer som bruker ulike mekanismer på å splitte opp heksosen. Klasse I av aldolasene finnes i dyr og planter, mens klasse II aldolaser er i sopp og bakterier. Reaksjonen er reversibel og uregulert. Produktene vil stå i likevekten 96 % dihydroksyacetonfosfat og 4 % glyseraldehyd-3-fosfat, selv om det bare er glyseraldehyd-3-fosfat som benyttes videre i glykolysen. Legg merke til at i dette trinnet dannes det to molekyler. I totalregnskapet for hele reaksjonen skal altså trinn 6–10 regnes dobbelt.

β-D-fruktose-1,6-bisfosfat fruktosebifosfataldolase D-glyseraldehyd-3-fosfat Dihydroksyacetonfosfat +

Dihydroksyacetonfosfat (DHAP) $\leftrightarrow$ glyseraldehyd-3-fosfat Dette trinnet er en isomerisering og reaksjonen er reversibel. Molekylene er isomerer og står i likevekt. Når glyseraldehyd-3-fosfat tas opp av trinn 6, blir likevekten forskjøvet i retning glyseraldehyd-3-fosfat etter Le Chateliers prinsipp.

Dihydroksyacetonfosfat triosefosfatisomerase D-glyseraldehyd-3-fosfat

Utbyttefasen

Glyseraldehyd-3-fosfat → 1,3-bisfosfoglyserat I reaksjonen reduseres en NAD+ + H+ til en NADH

D-glyseraldehyd-3-fosfat glyseraldehydfosfatdehydrogenase 1,3-bisfosfoglyserat NAD++Pi NADH+H

1,3-Bisfosfoglyserat → 3-fosfoglyserat Reaksjonen katalyseres av enzymet fosfoglyseratkinase. Molekylet defosforyleres mens en ADP fosforyleres til en ATP. Dette kalles substratnivåfosforylering.

1,3-bisfosfoglyserat fosfoglyseratkinase 3-fosfoglyserat ADP+Pi ATP

3-Fosfoglyserat → 2-fosfoglyserat Forflytning av fosfatgruppen fra karbon 3 til karbon 2. Kofaktor i reaksjonen er Mg+

3-fosfoglyserat fosfoglyseratmutase 2-fosfoglyserat

2-Fosfoglyserat → fosfoenolpyruvat (PEP) og H2O Vann trekkes ut for å lage en svært energirik binding til fosfatgruppen slik at den kan bidra til den andre fosforyleringen av ADP i trinn 10.

2-fosfoglyserat enolase fosfoenolpyruvat H20

Fosfoenolpyruvat → pyruvat Reaksjonen katalyseres av enzymet pyruvatkinase og koenzymet biotin og fosforylerer en ADP til ATP, den andre substratnivåfosforyleringen. Pyruvatkinase stimuleres av insulin og mengden fruktose-1,6-bisfosfat og hemmes av glukagon. Det siste regulerende trinnet i glykolysen

Fosfoenolpyruvat Pyruvatkinase Pyruvat ADP ATP

Pyruvats videre stoffskifteveier

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 fermentering 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), men denne veien har mindre betydning i planter idet surgjøringen skrur av melkesyreproduksjonen. Under aerobe forhold omsettes pyruvat til CO2 og acetyl-CoA som kan gå inn i Krebs syklus (trikarboksylsyresuklus) katalysert av pyruvat dehydrogenase.

Regulering av glykolysen

Glykolysen reguleres ved å stimulere eller hemme enzymene til de ulike trinnene i stoffskifteveien, som resulterer i at reaksjonshastigheten henholdsvis øker og avtar. Om et trinn er regulert, kjennes det gjerne igjen på en endring i fri energi, ΔG, for hvert reaksjonstrinn. Dersom produktene og reaktantene til et trinn står i likevekt, antas det at det ikke er regulert. Siden forandringen i fri energi er null for et system i likevekt, vil ethvert trinn med en svært liten endring i fri energi være regulert. Dersom et reaksjonstrinn er regulert, så vil enzymet som katalyserer reaksjonen ikke omdanne reaktanter til produkter så raskt som det kan, noe som gir en opphopning av reaktanter som kunne bli omgjort til produkt om enzymet jobbet raskere. Ettersom reaksjonen er termodynamisk gunstig, vil trinnets forandring i fri energi være negativ. Et trinn med en stor negativ endring i fri energi er ofte regulert.

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.

Se også

• Sitronsyresyklusen
• Oksidativ fosforylering