AËROBE GLYCOLYSE: GLYCOLYTISCHE REACTIES EN TUSSENPRODUCTEN - BIOLOGIE - 2026

De aërobe glycolyse of aëroob gedefinieerd als het gebruik van overtollige glucose wordt niet verwerkt door oxidatieve fosforylering tot de vorming van "fermentatieve" producten, zelfs onder omstandigheden van hoge zuurstofconcentraties en ondanks de daling van de energie-efficiëntie.

Het komt vaak voor in weefsels met een hoge proliferatieve snelheid, waarvan het verbruik van glucose en zuurstof hoog is. Voorbeelden hiervan zijn kankertumorcellen, sommige parasitaire cellen in het bloed van zoogdieren en zelfs cellen in sommige delen van de hersenen van zoogdieren.

Glycolytische route (Bron:] via Wikimedia Commons)

De energie die wordt onttrokken door de afbraak van glucose, wordt behouden in de vorm van ATP en NADH, die stroomafwaarts worden gebruikt in verschillende metabole routes.

Tijdens aërobe glycolyse wordt pyruvaat gericht naar de Krebs-cyclus en de elektronentransportketen, maar het wordt ook verwerkt via de fermentatieroute voor de regeneratie van NAD + zonder extra productie van ATP, wat eindigt met de vorming van lactaat.

Aërobe of anaërobe glycolyse komt voornamelijk voor in het cytosol, met uitzondering van organismen zoals trypanosomatiden, die gespecialiseerde glycolytische organellen bezitten die bekend staan ​​als glycosomen.

Glycolyse is een van de bekendste metabole routes. Het werd in de jaren dertig volledig geformuleerd door Gustav Embden en Otto Meyerhof, die het pad in skeletspiercellen bestudeerden. Aërobe glycolyse staat echter sinds 1924 bekend als het Warburg-effect.

Reacties

Het aërobe afbraak van glucose vindt plaats in tien enzymatisch gekatalyseerde stappen. Veel auteurs zijn van mening dat deze stappen zijn onderverdeeld in een fase van energie-investering, die tot doel heeft het gehalte aan vrije energie in de tussenpersonen te verhogen, en een andere fase van vervanging en de winst van energie in de vorm van ATP.

Energie-investeringsfase

1-Fosforylering van glucose tot glucose 6-fosfaat gekatalyseerd door hexokinase (HK). In deze reactie wordt één ATP-molecuul omgekeerd voor elk glucosemolecuul, dat fungeert als een fosfaatgroepdonor. Het levert glucose-6-fosfaat (G6P) en ADP op en de reactie is onomkeerbaar.

Het enzym vereist noodzakelijkerwijs de vorming van een compleet Mg-ATP2- voor zijn werking, en daarom heeft het magnesiumionen nodig.

2-isomerisatie van G6P tot fructose-6-fosfaat (F6P). Het brengt geen energieverbruik met zich mee en is een omkeerbare reactie die wordt gekatalyseerd door fosfoglucose-isomerase (PGI).

3-fosforylering van F6P tot fructose 1,6-bisfosfaat gekatalyseerd door fosfofructokinase-1 (PFK-1). Een molecuul ATP wordt gebruikt als de fosfaatgroepdonor en de reactieproducten zijn F1,6-BP en ADP. Dankzij de waarde van ∆G is deze reactie onomkeerbaar (net als reactie 1).

4-katalytische splitsing van F1,6-BP in dihydroxyacetonfosfaat (DHAP), een ketose, en glyceraldehyde 3-fosfaat (GAP), een aldose. Het enzym aldolase is verantwoordelijk voor deze omkeerbare aldolcondensatie.

5-Triosefosfaatisomerase (TIM) is verantwoordelijk voor de onderlinge omzetting van triosefosfaat: DHAP en GAP, zonder extra energie-input.

Energieterugwinningsfase

1-GAP wordt geoxideerd door glyceraldehyde 3-fosfaat dehydrogenase (GAPDH), dat de overdracht van een fosfaatgroep naar GAP katalyseert om 1,3-bisfosfoglyceraat te vormen. Bij deze reactie worden twee moleculen NAD + gereduceerd per molecuul glucose en worden twee moleculen anorganisch fosfaat gebruikt.

Elke geproduceerde NADH passeert de elektronentransportketen en 6 ATP-moleculen worden gesynthetiseerd door oxidatieve fosforylering.

2-fosfoglyceraatkinase (PGK) draagt ​​een fosforylgroep over van 1,3-bisfosfoglyceraat naar ADP, waarbij twee ATP- en twee 3-fosfoglyceraat (3PG) moleculen gevormd worden. Dit proces staat bekend als fosforylering op substraatniveau.

De twee ATP-moleculen die worden verbruikt in de reacties van HK en PFK worden bij deze stap in de route vervangen door PGK.

3-3PG wordt omgezet in 2PG door fosfoglyceraatmutase (PGM), dat de verplaatsing van de fosforylgroep tussen koolstof 3 en 2 van glyceraat in twee omkeerbare stappen katalyseert. Het magnesiumion is ook vereist door dit enzym.

4-A dehydratatiereactie gekatalyseerd door enolase zet 2PG om in fosfoenolpyruvaat (PEP) in een reactie die geen energie-investering vereist, maar een verbinding genereert met een groter energiepotentieel voor de overdracht van de fosfaatgroep later.

5-Ten slotte katalyseert pyruvaatkinase (PYK) de overdracht van de fosforylgroep in PEP naar een ADP-molecuul, met de gelijktijdige productie van pyruvaat. Per glucosemolecuul worden twee ADP-moleculen gebruikt en worden 2 ATP-moleculen gegenereerd. PYK gebruikt kalium- en magnesiumionen.

De totale energieopbrengst van glycolyse is dus 2 moleculen ATP voor elk molecuul glucose dat de route binnenkomt. Onder aerobe omstandigheden omvat de volledige afbraak van glucose het verkrijgen van tussen de 30 en 32 moleculen ATP.

Het lot van glycolytische tussenproducten

Na glycolyse ondergaat pyruvaat decarboxylering, produceert het CO2 en doneert het de acetylgroep aan acetylco-enzym A, dat ook wordt geoxideerd tot CO2 in de Krebs-cyclus.

Elektronen die tijdens deze oxidatie vrijkomen, worden naar zuurstof getransporteerd via mitochondriale ademhalingskettingreacties, die uiteindelijk de ATP-synthese in dit organel aansturen.

Tijdens aërobe glycolyse wordt het overtollige geproduceerde pyruvaat verwerkt door het enzym lactaatdehydrogenase, dat lactaat vormt en een deel van de NAD + verbruikte stappen in de glycolyse regenereert, maar zonder de vorming van nieuwe ATP-moleculen.

Lactaatdehydrogenase-mechanisme (bron: Jazzlw via Wikimedia Commons)

Daarnaast kan pyruvaat worden gebruikt in anabole processen die bijvoorbeeld leiden tot de vorming van het aminozuur alanine, of kan het ook fungeren als skelet voor de synthese van vetzuren.

Net als pyruvaat, het eindproduct van glycolyse, vervullen veel van de reactietussenproducten andere functies in katabole of anabole routes die belangrijk zijn voor de cel.

Dat is het geval met glucose-6-fosfaat en de pentosefosfaatroute, waar de ribose-tussenproducten aanwezig in nucleïnezuren worden verkregen.

Referenties

1. Akram, M. (2013). Mini-review over glycolyse en kanker. J. Canc. Educ., 28, 454-457.
2. Esen, E., & Long, F. (2014). Aërobe glycolyse bij osteoblasten. Curr Osteoporos Rep, 12, 433-438.
3. Haanstra, JR, González-Marcano, EB, Gualdrón-López, M., & Michels, PAM (2016). Biogenese, onderhoud en dynamiek van glycosomen bij trypanosomatide parasieten. Biochimica et Biophysica Acta - Moleculair celonderzoek, 1863 (5), 1038-1048.
4. Jones, W., & Bianchi, K. (2015). Aërobe glycolyse: verder dan proliferatie. Frontiers in Immunology, 6, 1–5.
5. Kawai, S., Mukai, T., Mori, S., Mikami, B., en Murata, K. (2005). Hypothese: structuren, evolutie en voorouder van glucosekinasen in de hexokinasefamilie. Journal of Bioscience and Bioengineering, 99 (4), 320-330.
6. Nelson, DL en Cox, MM (2009). Lehninger Principles of Biochemistry. Omega Editions (5e ed.).