GLYKOLYYSI! Glykolyyttinen metaboliareitti! LUENNON RAKENNE! ENERGIA HIILIHYDRAATEISTA. ATP:n ANAEROBINEN JA AEROBINEN UUDELLEENMUODOSTUS

Transkriptio

1 GLYKLYYSI LUENNN RAKENNE Anaerobinen (hapeton) vs. Aerobinen (hapellinen) energiantuotto Glykolyysin reaktiot Glykolyysin energetiikka Glykolyysi / anaerobinen energiantuotto syövässä ja liikunnassa Riikka Kivelä, LitT Tutkijatohtori Molekyyli- ja syöpäbiologian tutkimusohjelma elsingin yliopisto ATP:n ANAERBINEN JA AERBINEN UUDELLEENMUDSTUS ENERGIA IILIYDRAATEISTA iilihydraa)en () ensisijainen tehtävä on tuo6aa energiaa solujen työhön on ainoa energialähde, josta voidaan tuo6aa energiaa anaerobises; (muodostuu laktaa)a) on nopea tapa tuo6aa energiaa aerobises; verra6una rasvaan Glykolyyttinen metaboliareitti Glukoosi metaboloituu pyruvaatiksi Glykolyysi: kymmenen entsyymikatalysoidun reaktion sarja, jossa yksi glukoosimolekyyli hapetetaan kahdeksi pyruvaattimolekyyliksi Glucose glycolysis reaktiosarjan aikana 2 ADP:tä konvertoidaan 2 ATP:ksi ADP + 2P i ATP Glucose 1

2 Viisi ensimmäistä reaktiota Glykolyysin reaktiot Reaktio 1: α-d-glukoosin fosforylaatio glykolyysin valmisteva vaihe 2 α-d-glucose + - -P--P--AMP - - ATP hexokinase 2 P 3 α-d-glucose-6-phosphate + - -P--AMP - ADP Glykolyysi reaktio 1 Reaktio käyttää ATP:n hydrolyysistä vapautuvaa energiaa Glucose + P i Glucose-6-phosphate + 2 ΔG o' = kj mol -1 ATP + 2 ADP + Pi ΔG o' = kj mol -1 Glucose + ATP Glucose-6-phosphate + ADP ΔG o' = kj mol -1 Glykolyysi reaktio 1 Reaktiota katalysoi heksokinaasi, maksassa glukokinaasi Substraatin sitoutuessa heksokinaasiin tapahtuu konformaatiomuutos eksokinaasi ja heksokinaasi-glukoosi-kompleksi Glykolyysin reaktiot Glykolyysi reaktio 2 Reaktio 2: glukoosi-6-fosfaatin isomerisaatio fruktoosi-6-fosfaatiksi isomerisaatio esitettynä avoimella ketjumallilla; ketoenoli tautomerismia 6 2 P α-d-glucose-6-phosphate phosphoglucoisomerase 6 2 P α-d-fructose-6-phosphate Reaktiota katalysoi fosfoglukoisomeraasi P 3 2 P 3 2 P 3 Glucose-6-phosphate (An enediol) Fr uctose-6-phosphate -1 aldehydi hydroksyyliryhmäksi, -2 hydroksyyliryhmä ketoryhmäksi 2

3 Glykolyysi reaktio 3 Reaktio 3: fruktoosi-6-fosfaatin fosforylaatio Reaktiota katalysoi fosfofruktokinaasi 6 2 P phosphofructokinase + ATP 6 α-d-fructose-6-phosphate 2 P P 3 + ADP α-d-fructose-1,6-bisphosphate Glykolyysi reaktio 3 Fosfofruktokinaasi: glukoosimetabolian pääsäätelijä rakenteeltaan tetrameeri tetrameeri koostuu L ja M alayksiköistä mahdollisia variaatioita eli isotsyymejä M 4, M 3 L, M 2 L 2, ML 3 ja L 4 lihaksissa paljon M 4 -muotoa; maksassa paljon L 4 :ää ATP on allosteerinen säätelijä; suuri konsentraatio inhiboi entsyymiä, alhainen pitoisuus aktivoi fruktoosi-1,6-bisfosfaatti on myös allosteerinen säätelijä Glykolyysin tärkein kontrollivaihe Glykolyysi reaktio 3 Phosfofruktokinaasi on allosteerinen entsyymi Reaktio 4: fruktoosi-1,6-bisfosfaatin halkeaminen kahdeksi trioosifosfaatiksi 2 P 3 = Glykolyysin reaktiot 2 P 3 aldolase Fructose-1,6-bisphosphate 2 P 3 = 2 2 P 3 Reaktiota katalysoi aldolaasi Dihydroxyacetone phosphate D-Glyceraldehyde 3-phosphate Reaktio 5: trioosifosfaatin isomerisaatio reaktiota katalysoi trioosifosfaatti-isomeraasi tämän reaktion jälkeen glukoosista on muodostunut kaksi glyseraldehydi-3-fosfaattia 2 = Glykolyysin reaktiot 2 P 3 Dihydroxyacetone phosphate - 2 P 3 An enediol intermediate 2 P 3 D-Glyceraldehyde 3-phosphate 3

4 : Viisi viimeistä reaktiota Glykolyysin reaktiot Reaktio 6: D-glyseraldehydi-3-fosfaatin ryhmän hapettuminen - (aldehydi) hapettuu karboksyyliryhmäksi hapettava agenssi, NAD +, pelkistyy NAD:ksi A two-electron oxidation G G e - A two-electron reduction N AD e - N AD G N AD + G Glykolyysi reaktio 6 Reaktio voidaan jakaa kolmeen vaiheeseen 1. vaihe: tiohemiasetaalin muodostuminen G-- + S -Enz G--S-Enz S on kysteiinissä Glyceraldehyde 3-phosphate A thiohemiacetal Reaktiota katalysoi glyseraldehydi-3-fosfaattidehydrogenaasi Glykolyysi reaktio 6 2. vaihe: NAD + hapettaa tiohemiasetaalin G--S-Enz N+ Ad N 2 an enzyme-bound thioester G--S-Enz N Ad N 2 Glykolyysi reaktio 6 3. vaihe: tioesterin konversio anhydridiksi G--S-Enz + - -P- - - G---P- Enz-S - A tetrahedral carbonyl addition intermediate uom Lisätään fosfaatti G---P- - + Enz-S - - 1,3-Bisphosphoglycerate (a mixed anhydride) Glykolyysi reaktio 6 kokonaisreaktio käsittää energiaa tuottavan (exergonisen) hapettumisen ja energiaa käyttävän (endergonisen) fosforylaation Reaktio on hivenen endergoninen oxidation: - phosphorylation: to - - to --P- - - ΔG o' = kj mol -1 ΔG o' = kj mol -1 to --P- - ΔG o' = +6.2 kj mol -1-4

5 Glykolyysin reaktiot Glykolyysi reaktio 7 Reaktio 7: fosfaattiryhmän siirto 1,3- bisfosfoglyseraatilta ADP:lle reaktio on ADP:n endergonisen fosforylaation ja fosfaattianhydridin eksergonisen hydrolyysin summa - -P--AM P ĀDP -P P 3 1,3-Bisphosphoglycerate phosphoglycerate kinase - 2 P 3 3-Phosphoglycerate + - -P--P--AM P - - ATP phosphorylation: ADP + P i hydrolysis: --P P- - - ATP ADP + P i P i + ATP ΔG o' = +0.5 kj mol -1 ΔG o' = kj mol -1 ΔG o' = kj mol -1 Reaktiota katalysoi fosfoglyseraattikinaasi Reaktio 8: 3-fosfoglyseraatin isomerisaatio fosfoglyseraatiksi - Glykolyysin reaktiot 2 P 3 3-Phosphoglycerate phosphoglycerate mutase - P 3 2 Phosphoglycerate Glykolyysin reaktiot Reaktio 9: fosfoglyseraatin dehydraatio - - enolase P 3 P Phosphoglycerate Phosphoenolpyruvate Reaktiota katalysoi fosfoglyseromutaasi Reaktiota katalysoi enolaasi Glykolyysin reaktiot Glykolyysi reaktio 10 Reaktio 10: fosfaatin siirto ADP:lle 1. vaihe: fosfaattiryhmän siirto - - P P--AM P 2 - Phosphoenolpyruvate ADP Enol of pyruvate pyruvate kinase Reaktiota katalysoi pyruvaattikinaasi - -P--P--AM P - - ATP 2. vaihe: pyruvaatin enolaatio Enol of pyruvate - = 3 reaktio 10 on exergonisen hydrolyysin ja endergonisen ATP:n fosforylaation summa hydrolysis PEP P i ΔG o' = kj mol -1 phosphorylation ADP + P i ATP + 2 ΔG o' = kj mol -1 PEP + ADP + ATP ΔG o' = kj mol -1 5

6 Glykolyysin nettoreaktio N AD + + 2P 4 + 2ADP Glucose glycolysis + 2NAD + 2ATP Glykolyysin energetiikka Glykolyysin 10 reaktion vapaan energian muutos, ΔG ʼ, on vaihdellen negatiivinen ja positiivinen, mutta lopputuloksena on suuri vapaan energian aleneminen Erityisen suuri aleneminen tapahtuu kolmessa reaktiossa; näiden reaktioiden entsyymit ovat allosteerisesti säädeltyjä heksokinaasi fosfofruktokinaasi pyruvaattikinaasi Glukoosi pyruvaatiksi: vapaan energian nettomuutos -73 kj mol -1 Pyruvaatti metaboloidaan edelleen pääasiassa kolmella eri tavalla riippuen organismista ja hapen läsnäolosta Jos happea ei ole läsnä, glykolyysi tarvitsee jatkuvan NAD + -lähteen 3 - Glykolyysin lopputuote - PYRUVAATTI aerobic conditions plants and animals anaerobic conditions contracting muscle anaerobic conditions fermentation in yeast Lactate Ethanol Laktaatin muodostuminen Selkärankaisilla anaerobisissa olosuhteissa tärkein väylä NAD + :n regeneraatioon on pyruvaatin pelkistyminen laktaatiksi NAD + + lactate dehydrogenase NAD + Lactate laktaattidehydrogenaasi (LD) on tetrameerinen isoentsyymi, joka voi koostua - ja M-alayksiköistä; 4 on valtamuoto sydämessä ja M 4 raajalihaksissa Glukoosi laktaatiksi laktaatin muodostuminen sallii glykolyysin jatkumisen, seurauksena laktaatin ja + -ionien konsentraatio kasvaa lihaskudoksessa ja veressä Johtaa lopulta lihasten uupumukseen makohtaisia kokemuksia? Glucose lactate fermentation Lactate 6

7 Glukoosi laktaatiksi Pyruvaatti etanoliksi iivat ja useat muut organismit regeneroivat NAD Laktaatin muodostumiseen liittyy huomattava vapaan energian lasku Glucose + 2ADP + 2Pi + 2NAD ATP + 2NAD 2 + 2NAD + 2+ Glucose + 2ADP + 2Pi 2Lactate + 2NAD+ 2Lactate + 2ATP ΔG ' (kj mol-1) :n seuraavalla kaksivaiheisella reaktiolla pyruvaatin dekarboksylaatio asetaldehydiksi pyruvate decar boxylase Acetaldehyde asetaldehydin pelkistyminen etanoliksi alcohol dehydrogenase 3 + N AD + + Acetaldehyde NA D + Fermentaatio Pyruvaatti asetyyli-oa:ksi Ethanol Energiantuotto liikunnan aikana hapellisissa olosuhteissa pyruvaatille tapahtuu oksidatiivinen dekarboksylaatio karboksyyliryhmä konvertoidaan 2:ksi jäljelle jäävät kaksi hiiltä konvertoidaan asetyylil-oa:n asetyyliryhmäksi oxidative decar boxylation NA D + + oa S 3 SoA N A D Acetyl-oA LAKTAATIN MUDSTUS LIAKSESSA eart Brain Syntyvä maitohappo (363) esiintyy aina elimistön nesteissä laktaatti-ioniksi (353-) ja vetyioniksi (+) jakaantuneena 7

8 Monien syöpäsolujen aineenvaihdunta muuttuu The Warburg Effect Syöpäsolujen muuttunutta aineenvaihduntaa voidaan hyödyntää syöpädiagnostiikassa PET-kuvantamisen avulla Syöpäsolujen glukoosinotto soluihin on moninkertaista verrattuna terveisiin kudoksiin (primäärituumori + metastaasit) PET-kuvauksissa käytetään glukoosianalogia (FDG), joka on leimattu radioaktiivisella leimalla (18F) 8