Hfst 16, glycolyse en gluconeogenese
Inleiding
Glycolyse, is de reeks aan reacties die 1
molecuul glucose omzetten in 2 pyruvaat
moleculen met een netto productie van 2
ATP moleculen. Dit proces is geëvolueerd
voordat er grote hoeveelheden zuurstof in de
atmosfeer aanwezig waren en is dan ook
anaeroob.
Pyruvaat, kan anaeroob verwerkt worden tot
lactaat (lactid acid fermentation) of ethanol
(alchoholic fermentation). Onder aerobe omstandigheden kan het compleet geoxideerd worden tot
CO2 waarbij veel meer ATP vrijkomt.
Gluconeogenese, glucose is een waardevolle brandstof en metabole producten, zoals pyruvaat en
lactaat, worden dan ook behouden om glucose te synthetiseren in een proces genaamd
gluconeogenese.
Desondanks dat glycolyse en gluconeogenese een paar enzymen gemeen hebben, zijn deze pathways
niet elkaars tegenovergestelde. De highly exergonic, onomkeerbare stappen van glycolyse worden
vermeden bij gluconeogenese.
Regulatie, glycolyse en gluconeogenese worden wederzijds gereguleerd zodat glycolyse en
gluconeogenese niet tegelijkertijd plaatsvinden in dezelfde cel.
Hans & Eduard Buchner, maakte in 1897 per ongeluk een belangrijk ontdekking over glucose
metabolisme. Zij waren bezig cel-vrije extracten van gist te maken en deze moesten behouden
worden zonder het gebruik van antiseptics (zoals phenol). Zij kozen voor het gebruik van sucrose, een
veel gebruikt conserveringsmiddel in keuken chemie. Sucrose werd snel gefermenteerd tot alcohol
door de gist vloeistoffen. De Buchners demonstreerde zo voor het eerst dat fermentatie plaats kan
vinden buiten levende cellen.
Eenheid, onderzoek naar spierextracten toonden dat veel reacties in lactic acid (melkzuur)
fermentatie hetzelfde waren als degene van alcohol fermentatie. Deze ontdekking onthulde een
onderliggende eenheid in biochemie.
Embden-Meyerhof pathway, glycolyse wordt ook wel de Embden-Meyerhof pathway genoemd,
aangezien dit twee pioniers waren in onderzoek naar glycolyse.
α-amylase, in ons dieet zitten grote hoeveelheden zetmeel en kleinere hoeveelheden glycogeen.
Deze complexe koolhydraten moeten in simpelere suikers omgezet worden om door de darmen
opgenomen te kunnen worden en in het bloed getransporteerd te kunnen worden. Dit wordt met
name gedaan door α-amylase uit de alvleesklier, maar ook een beetje door α-amylase dat in het
speeksel aanwezig is. Het klieft de α-1,4 bindingen van zetmeel en glycogeen, maar niet de α-1,6
bindingen. De producten zijn de di- en trisachariden maltose en maltotriose. Het materiaal dat niet
verteerbaar is vanwege de α-1,6 bindingen wordt limit dextrin genoemd.
Maltase, klieft maltose tot twee glucose moleculen.
α-glucosidase, verwerkt maltotriose en andere oligosachariden.
α-dextrinase, verteert de limit dextrins verder.
Sucarase, is net als maltase en α-glucosidase gelokaliseerd aan het oppervlak van de darmcellen. Het
degradeert sucrose dat afkomstig is van groentes tot fructose en glucose.
Lactase, dit enzym is verantwoordelijk voor de afbraak van het melksuiker lactose tot glucose en
galactose.
Glucose, in zoogdieren is glucose de enige brandstof die door de hersenen gebruikt wordt onder
niet-verhongering omstandigheden en rode bloedcellen kunnen zelfs alleen glucose gebruiken. Bijna
alle organismen gebruiken glucose en verwerken dit meestal op eenzelfde/vergelijkbare manier.
Maar waarom glucose en geen andere monosacharide? Glucose is een van de verschillende
,monosachariden die vanuit formaldehyde gevormd kan worden onder prebiotische omstandigheden.
Dit kan dus al een brandstof zijn geweest voor primitieve biochemische systemen. Ten tweede heeft
glucose in vergelijking met andere monosachariden een lage neiging om eiwitten niet-enzymatisch te
glycosyleren.
Glycosylatie, in hun open keten vormen bevatten monosachariden carbonyl groepen die met
aminogroepen van eiwitten kunnen reageren om Schiff bases te vormen. Deze gemodificeerde
eiwitten functioneren vaak niet effectief en je wil glycosylation dus voorkomen. Glucose heeft de
neiging in ring formatie voor te komen en heeft daardoor dus een relatief lage neiging om eiwitten te
modificeren.
E-module
AK-lecture, er is o.a. een AK-lecture op Youtube te vinden over ‘Introduction tot glucose
metabolism’.
Vragen, zie hieronder twee vragen uit de e-module:
16.1 Glycolyse is een energie-conversie pathway in veel organismen
Glycolyse pathway, komt in zowel pro- als eukaryoten voor. In eukaryoten vindt
het plaats in het cytoplasma. De pathway kan opgedeeld worden in 2 fases:
1. Stage 1, is de ‘trapping’ en voorbereidende fase. Hierbij wordt geen ATP
gegenereerd en wordt glucose middels 3 stappen omgezet in fructose-
1,6-bifosfaat: fosforilatie, isomerisatie en een 2e fosforilatie. Stage 1
eindigt met de klieving van fructose-1,6-bifosfaat in twee 3-C
fragmenten. Stage 1 vangt dus glucose en zorgt dat het gekliefd kan
worden tot twee gefosforileerde 3-C fragmenten.
2. Stage 2, in deze fase wordt ATP geoogst door de oxidatie van de 3-C
fragmenten tot pyruvaat.
Glucose, komt de cel binnen door specifieke transport eiwitten en wordt
vervolgens m.b.v. ATP gefosforileerd om glucose 6-fosfaat te vormen. Deze stap
is om meerdere redenen van belang:
− Glucose 6-fosfaat kan niet door het membraan vanwege de negatieve
lading van de phosphoryl groep en is zo ook geen substraat voor
glucose transporters.
− Toevoeging van de phosphoryl groep faciliteert verdere metabolisme
van glucose tot 3-C moleculen met high-phosphoryl-transfer-potential.
Hexokinase, katalyseert de overdracht van de phosphoryl groep van ATP naar
de hydroxylgroep van C6 van glucose:
,Kinases, katalyseren de transfer van een
phosphoryl groep van ATP naar een acceptor. Zo
katalyseert hexokinase de transfer van de
phosphoryl groep van ATP naar een variëteit aan
6-C suikers (hexoses), zoals glucose en mannose.
Kinases hebben Mg2+ of een ander divalent
metaal ion nodig voor hun activiteit. Dit metaal
ion vormt een complex met ATP.
Conformatie hexokinase, binding van glucose aan
hexokinase zorgt voor een grote conformatie
verandering in het enzym. Hexokinase bestaat uit
twee ‘kwabben’ die naar elkaar bewegen bij
binding van glucose. De spleet tussen de
kwabben sluit en het gebonden glucose raakt
omringd met eiwit, behalve de hydroxyl groep
aan koolstofatoom 6 die de phosphoryl groep van
ATP zal accepteren. De door glucose
geïnduceerde structurele veranderingen zijn in
twee aspecten significant:
1. De omgeving rond glucose wordt meer
apolair. Dit favors de reactie tussen de
OH groep van glucose en de terminale
phosphoryl groep van ATP.
2. Hierdoor kan het kinase onderscheid
maken tegen H2O als substraat,
aangezien het sluiten van de spleet
watermoleculen uit de active site houdt.
Induced fit, het sluiten van de spleet in
hexokinase is een voorbeeld van induced fit in
enzym actie.
H2O & hexokinase, als hexokinase rigide was en
een water molecuul de binding site voor CH2OH
zou bezetten, zou water de terminale phosphoryl
groep van ATP aan kunnen vallen om ADP en Pi te
vormen. Een rigide kinase zou dan dus ook een
ATPase zijn.
Substrate-induced cleft closing, andere kinases
die onderdeel zijn van de glycolyse pathways (phosphofructokinase, phosphoglycerate kinase &
pyruvaat kinase) bevatten ook een spleet tussen twee kwabben die sluit bij substraatbinding. De
verdere structuur van deze kinases is anders, maar substrate-induced cleft closing is dus een
algemene eigenschap van kinases.
Isomerisatie van glucose 6-fosfaat tot fructose 6-fosfaat, is de volgende stap in de glycolyse, zoals in
bovenstaande afbeelding te zien is. De open-keten vorm van glucose bevat een aldehyde groep aan
C-1, terwijl de open-keten vorm van fructose een keto groep bevat aan C-2. De isomerisatie van
glucose 6-fosfaat (G-6P) tot fructose 6-fosfaat (F-6P) is dus een conversie van een aldose tot een
ketose. Deze conversie vindt in meerdere stappen plaats, aangezien zowel G-6P als F-6P in ring vorm
voorkomen. Phosphoglucose isomerase moet dus eerst de G-6P ring openen, vervolgens de
isomerisatie katalyseren en tot slot de vorming van een 5-delige ring van F-6P promoten.
Phosphoglucose isomerase, katalyseert de conversie van G-6P tot F-6P:
, F-6P fosforilatie, na isomerisatie volgt een tweede fosforilatie ten koste van ATP. Hierbij wordt
fructose 6-fosfaat gefosforileerd tot fructose-1,6-bifosfaat (F-1,6-BP).
Phosphofructokinase (PFK), katalyseert de fosforilatie van F-6P tot F-1,6-BP. Dit is een allosterisch
enzym dat het tempo van glycolyse bepaalt.
Bi- VS difosfaat, bij een bifosfaat zijn er twee aparte monophosphoryl groepen aanwezig en bij een
difosfaat, zoals ADP, zijn de twee phosphoryl groepen aan elkaar verbonden middels een anhydride
binding.
Nut isomerisatie en 2e fosforilatie, als de aldol klieving
plaats zou hebben gevonden op de aldose glucose, zou
een 2-C en 4-C fragment ontstaan. Hiervoor zouden dan
twee verschillende metabole pathways nodig zijn.
Fosforilatie van F-6P tot F-1,6-BP voorkomt de
hervorming van G-6P, waardoor bij aldol klieving twee
gefosforileerde 3-C fragmenten ontstaan die in elkaar
omgezet kunnen worden. Hier is dus maar één metabole
pathway nodig voor verdere verwerking.
Aldolase, is het enzym dat de klieving van F-1,6-BP tot
dihydroxyacetone phosphate (DHAP) en glyceraldehyde-3-phosphate (GAP) katalyseert. Dit enzym
heeft zijn naam te danken aan de omgekeerde reactie: een aldol condensatie. GAP bevindt zich in de
directe glycolyse pathways, maar DHAP niet. Het is dus maar goed ook dat deze moleculen isomeren
van elkaar zijn en in elkaar omgezet kunnen worden. Anders zou DHAP als bruikbaar 3-C fragment
voor ATP generatie verloren gaan.
DHAP VS GAP, dihydroxyacetone fosfaat is een ketose, terwijl de glyceraldehyde-3-fosfaat een
aldose is.
Triose phosphate isomerase (TPI), katalyseert de isomerisatie van DHAP en GAP. Deze reactie vindt
snel plaats en is reversibel. In evenwicht komt 96% van het triose fosfaat voor als DHAP. Desondanks
vindt de reactie plaats van DHAP tot GAP. Dat komt doordat opvolgende reacties van de glycolyse
pathway GAP wegnemen. Triose phosphate isomerase wordt ook weleens als TIM afgekort.
TPI deficiëntie, is de enige glycolytische enzymopathie die lethaal is. Het wordt geraktateriseerd door
hemolytische anemie en neurodegeneratie.
Mechanisme TPI, TPI katalyseert de transfer van een H atoom van C1 naar C2. Hier is dus sprake van
een intra-moleculaire oxidatie-reductie. Deze isomerisatie van een ketose tot een aldose vindt plaats
middels een enediol intermediate. Glutamaat 165 speelt een rol als general acid-base catalyst: het
