Informatie

1.11: Glycolyse - Biologie


Glycolyse: een overzicht

Organismen, of ze nu eencellig of meercellig zijn, moeten manieren vinden om ten minste twee belangrijke dingen uit hun omgeving te halen: (1)

materie

of grondstoffen voor het in stand houden van een cel en het bouwen van nieuwe cellen en (2)

energie

om te helpen bij het werk van in leven blijven, groeien en reproduceren (bestrijding van entropie). Energie en de grondstoffen kunnen van verschillende plaatsen komen. Fotosynthetische organismen halen bijvoorbeeld voornamelijk energie uit zonlicht en halen grondstoffen voor het bouwen van biomoleculen uit niet-organische bronnen zoals CO2. Daarentegen vertrouwen sommige organismen op redoxreacties met kleine moleculen en/of gereduceerde metalen voor energie en halen hun grondstoffen voor het bouwen van biomoleculen uit verbindingen die niet verbonden zijn met deze chemische energiebron. Ondertussen zijn sommige organismen (waaronder wijzelf) geëvolueerd om energie EN de grondstoffen voor bouw en celonderhoud uit organische bronnen te halen, suikers leveren bijvoorbeeld zowel energie als koolstof.

Een metabole route is een reeks gekoppelde biochemische reacties. Glycolyse is de eerste metabole route besproken in BIS2A. Vanwege zijn alomtegenwoordigheid in de biologie, wordt verondersteld dat glycolyse waarschijnlijk een van de vroegste metabole routes was om te evolueren (hierover later meer). Het is een 10-stappentraject dat is gericht op de verwerking van glucose voor zowel energiewinning uit organische brandstof als voor de verwerking van de koolstoffen in glucose tot verschillende andere biomoleculen (waarvan sommige belangrijke voorlopers zijn van veel veel gecompliceerdere biomoleculen). Onze studie van glycolyse zal worden onderzocht met behulp van de principes die zijn uiteengezet in de ontwerpuitdaging en energie-uitdaging die ons vragen om formeel te overwegen wat er met ZOWEL materie als energie gebeurt in dit meerstappenproces.

Het energieverhaal en de ontwerpuitdaging

Ons onderzoek naar glycolyse is een goede gelegenheid om biologische processen te onderzoeken met behulp van zowel het energieverhaal als de perspectieven van de ontwerpuitdaging.

De ontwerpuitdaging zal proberen je actief te laten nadenken over zowel breed als specifiek over waarom we dit pad bestuderen - wat is er zo belangrijk aan? Welke "problemen" stelt de evolutie van een glycolytische route in staat om het leven op te lossen of te overwinnen? We zullen ook willen nadenken over alternatieve manieren om dezelfde problemen op te lossen en waarom ze al dan niet zijn geëvolueerd. Later zullen we een hypothese onderzoeken over hoe dit pad - en andere gekoppelde paden - daadwerkelijk kunnen zijn geëvolueerd. Nadenken over alternatieve strategieën om aan verschillende beperkingen te voldoen, zal dan van pas komen.

In de context van het energieverhaal vragen we je na te denken over glycolyse als een proces waaruit meer algemene concepten kunnen worden geleerd door te analyseren wat er met zowel materie als energie gebeurt. Hopelijk kunnen enkele algemene inzichten worden verkregen door het proces zorgvuldig te onderzoeken als een verzameling van materie en energie in- en output, een proces met een begin en een einde. Hoewel ik niet wil dat je al deze verbindingen en enzymen uit je hoofd leert, zullen we ons concentreren op een paar van de stappen als voorbeelden van meer algemene concepten in de thermodynamica van hoe energie door de cellen wordt geoogst en hoe cellen de metabole stroom kunnen reguleren. .

Dus wat is glycolyse? Laten we beginnen om erachter te komen. Zie onderstaande bespreking als meer dan u moet weten - raadpleeg de colleges voor een passender "overzicht". Als ik bijvoorbeeld een bepaald enzym bespreek in een examen, vertel ik je ook waar het in de glycolyse past.

De 10 biochemische reacties van glycolyse. Enzymen zijn blauw gemarkeerd. De structuur van elke van suiker afgeleide verbinding wordt weergegeven als een moleculair model - andere reactanten en producten kunnen worden afgekort (bijv. ATP, NAD+ enz.). Het kader rond de reactie gekatalyseerd door glyceraldehyde3-fosfaatdehydrogenase geeft aan dat deze reactie van bijzonder belang is in de cursus. Let op pijlen in één richting geven "effectief onomkeerbare" reacties aan. Naamsvermelding: Marc T. Facciotti (Origineel werk)

TAFEL 1: Glycolytische enzymen
EnzymStapΔG/(kJ/mol)ΔG°'/(kJ/mol)
Hexokinase1-34-16.7
Fosfoglucose isomerase2-2.91.67
Fosfofructokinase3-19-14.2
Fructose-bisfosfaat aldolase4-0.2323.9
Triose fosfaat isomerase52.47.56
Glyceraldehyde 3-fosfaatdehydrogenase6-1.296.30
Fosfoglyceraatkinase70.09-18.9
Fosfoglyceraatmutase80.834.4
Enolase91.11.8
Pyruvaatkinase10-23.0-31.7
De metingen van de energie in standaardtoestand (ΔG°'/(kJ/mol)) vergeleken met metingen uit een levende cel (ΔG/(kJ/mol)). Er zullen reacties optreden in de richting die leidt tot een afname van de waarde van de Gibbs vrije energie. Cellulaire metingen van ΔG kunnen drastisch verschillen van ΔG°'-metingen vanwege cellulaire omstandigheden, zoals concentraties van relevante metabolieten enz. Er zijn drie groot negatieve ΔG-druppels in de cel tijdens het proces van glycolyse. Vanwege deze grote negatieve ∆G worden deze reacties als "effectief onomkeerbaar" beschouwd en zijn daarom vaak onderworpen aan regulering.

De primaire invoer in deze route is een enkel glucosemolecuul, hoewel moleculen in verschillende stappen in en uit deze route kunnen komen. We zullen onze aandacht richten op (1) de gevolgen van het totale proces (2) verschillende belangrijke reacties die belangrijke soorten biochemie en fysisch-chemische principes benadrukken die we willen overbrengen naar andere contexten en (3) het alternatieve lot van de tussenproducten en producten van dit traject.

Opmerking ter referentie dat glycolyse een anaëroob proces, is er geen vereiste voor moleculaire zuurstof bij glycolyse (zuurstofgas is geen reactant in een van de chemische reacties bij glycolyse). Maar het proces kan zeker ook plaatsvinden in aërobe omgevingen (zoals onze cellen) - het is

niet

strikt anaëroob. Glycolyse vindt plaats in de cytosol of cytoplasma van cellen. Voor een kort (3 minuten) overzicht YouTube video van glycolyse klik hier.

Ontwerp uitdaging:

U, als cel, zou graag wat "klaar geld" willen genereren dat u zult gebruiken om de constructie van dure, complexe moleculen te financieren. Dit contante geld zal in de vorm van ATP zijn. U krijgt een externe bron van glucose en een interne bron van ADP en anorganisch fosfaat. Glucose heeft een hoge potentiële energie - u weet dat het afbreken en herschikken van de bindingen van glucose in moleculen met een lagere potentiële energie u de energie zou moeten geven die u nodig hebt om een ​​of meer ATP's te bouwen. Maar hoe koppel je de energie die vrijkomt/nodig is bij deze twee processen: de opbouw van ATP (endergonic) aan de vernietiging van glucose (exergonic)?

Eerste helft van glycolyse: energie-investeringsfase

De eerste paar stappen van glycolyse worden meestal een "energie-investeringsfase" van de route genoemd. Dit heeft echter weinig intuïtieve zin (in het kader van een ontwerpuitdaging is het niet duidelijk welk probleem deze energie-investering oplost) als men alleen naar glycolyse kijkt als een "energieproducerende" route en totdat deze stappen van glycolyse zijn in een bredere metabolische context te plaatsen. We zullen proberen om dat verhaal gaandeweg op te bouwen, dus onthoud voor nu dat we vermeldden dat sommige van de eerste stappen vaak worden geassocieerd met energie-investeringen en ideeën zoals 'trapping' en 'commitment' die in de onderstaande afbeelding worden vermeld.

Stap 1 van glycolyse:

De eerste stap in de glycolyse die hieronder wordt getoond, wordt gekatalyseerd door hexokinase (enzym 1 in de onderstaande figuur), een enzym met een brede specificiteit dat de fosforylering van suikers met zes koolstofatomen katalyseert. Hexokinase katalyseert de fosforylering van glucose, waarbij glucose en ATP substraten zijn voor de reactie, waarbij een molecuul glucose-6-fosfaat en ADP als producten wordt geproduceerd.

De eerste helft van de glycolyse wordt de "energie-investeringsfase" genoemd. In deze fase besteedt de cel twee ATP aan de reacties. Facciotti (origineel werk)

Voorgestelde discussie

De paragraaf hierboven stelt dat het enzym hexokinase een "brede specificiteit" heeft. Dit betekent dat het reacties met verschillende suikers kan katalyseren - niet alleen glucose. Kun je vanuit moleculair perspectief uitleggen waarom dit het geval zou kunnen zijn?

De omzetting van glucose in het negatief geladen glucose-6-fosfaat vermindert aanzienlijk de waarschijnlijkheid dat de gefosforyleerde glucose de cel verlaat door diffusie over het hydrofobe inwendige van het plasmamembraan. Het "markeert" ook de glucose op een manier die het effectief labelt voor verschillende mogelijke lotgevallen (zie onderstaande afbeelding).

Merk op dat deze figuur aangeeft dat glucose-6-fosfaat, afhankelijk van cellulaire omstandigheden, kan worden gericht op meerdere lotsbestemmingen. Hoewel het een onderdeel is van de glycolytische route, is het niet alleen betrokken bij glycolyse, maar ook bij de opslag van energie als glycogeen en bij de opbouw van verschillende andere moleculen zoals nucleotiden.
Bron: Marc T. Facciotti (origineel werk)

Zoals de figuur hierboven aangeeft, is glycolyse maar één mogelijk lot voor glucose-6-fosfaat (G6P). Afhankelijk van de cellulaire omstandigheden kan G6P worden omgeleid naar de biosynthese van glycogeen (een vorm van energieopslag) of kan het worden omgeleid naar de pentosefosfaatroute voor de biosynthese van verschillende biomoleculen, waaronder nucleotiden. Dit betekent dat G6P, hoewel het betrokken is bij de glycolytische route, in deze fase niet alleen wordt gelabeld voor oxidatie. Hopelijk helpt het tonen van de bredere context waar dit molecuul bij betrokken is (naast de reden dat het labelen van glucose met een fosfaat de kans verkleint dat het de cel verlaat) het schijnbaar tegenstrijdige te verklaren (als je glycolyse alleen beschouwt als een "energie" productie" proces) reden om energie van ATP op glucose over te brengen als het alleen later geoxideerd moet worden - dat wil zeggen, glucose wordt niet alleen door de cel gebruikt voor het oogsten van energie en verschillende andere metabole routes die afhankelijk zijn van de overdracht van de fosfaatgroep. Maar we zullen ook zien dat we een molecuul beginnen te creëren dat een krachtige fosfaatdonor zal zijn - krachtig genoeg om een ​​fosfaat op een ADP te duwen, om een ​​ATP te maken. Toevoeging van een ander fosfaat aan deze organische verbinding later in de glycolyse afkomstig van anorganisch fosfaat (vrij zwevend, niet-nucleotide-gebonden fosfaat) zal deze investering de moeite waard maken, in termen van netto productie, in plaats van hydrolyse, van ATP.

Stap 2 van glycolyse:

In de tweede stap van glycolyse, an isomerase katalyseert de omzetting van glucose-6-fosfaat in een van zijn isomeren, fructose-6-fosfaat. Een isomerase is een enzym dat de omzetting van een molecuul in een van zijn isomeren katalyseert.

Stap 3 van glycolyse:

De derde stap van glycolyse is de fosforylering van fructose-6-fosfaat, gekatalyseerd door het enzym fosfofructokinase. Een tweede ATP-molecuul doneert een fosfaat aan fructose-6-fosfaat, waardoor fructose-1,6-bisfosfaat en ADP als producten. In deze route is fosfofructokinase een snelheidsbeperkend enzym en de activiteit ervan is strak gereguleerd. Het is allosterisch geactiveerd door AMP wanneer de concentratie van AMP hoog is en matig allosterisch geremd door ATP op dezelfde plaats. Citraat - een verbinding die we binnenkort zullen bespreken - werkt ook negatief allosterisch regulator van dit enzym (allostery zal verder worden besproken wanneer we de eiwitstructuur bestuderen - voorlopig volstaat het om te zeggen dat de functie van het enzym wordt gereguleerd door de concentratie van respectievelijk AMP of citraat). Op deze manier bewaakt of detecteert fosfofructokinase moleculaire indicatoren van de energiestatus van de cellen en kan als reactie fungeren als een schakelaar die de stroom van substraat door de rest van de metabole route in- of uitschakelt, afhankelijk van of er "voldoende" ATP is. beschikbaar in het systeem. De omzetting van fructose-6-fosfaat in fructose-1,6-bisfosfaat wordt soms een "verbintenis"-stap van de cel genoemd voor de oxidatie van het molecuul in de rest van de glycolytische route door een substraat te creëren voor en te helpen bij energetische de volgende zeer endergonische (onder standaardomstandigheden) stap van het pad aandrijven.

Stap 4 van glycolyse:

In de vierde stap in de glycolyse splitst het enzym fructose-bisfosfaat-aldolase 1,6-bisfosfaat in twee drie-koolstofisomeren: dihydroxyacetonfosfaat en glyceraldehyde-3-fosfaat.

Stap 5 van glycolyse:

Een isomerase zet het dihydroxyacetonfosfaat om in zijn isomeer, glyceraldehyde-3-fosfaat. De 6-koolstofglucose is daarom nu omgezet in twee gefosforyleerde 3-koolstofmoleculen van G3P.

Tweede helft: energie-uitbetalingsfase

In afwezigheid van andere metabole routes heeft glycolyse de cel tot dusver twee ATP-moleculen gekost en twee kleine suikermoleculen met drie koolstofatomen (G3P) geproduceerd. Tot dusverre niet zo goed in termen van onze algehele uitdaging: bouw ATP op door glucose af te breken. Wanneer bekeken in een bredere context, lijkt deze investering van energie om een ​​verscheidenheid aan moleculen te produceren die in een verscheidenheid aan andere routes kunnen worden gebruikt, niet zo'n slechte investering, en zoals we hieronder zullen zien, is de rest van de glycolytische route zullen resulteren in een nettowinst - er zullen meer ATP's worden opgebouwd dan worden vernietigd.
Onze twee moleculen van G3P kunnen de tweede helft van de glycolyse doorlopen. We onderzoeken nu deze reacties.

De tweede helft van de glycolyse wordt de energie-uitbetalingsfase genoemd. In deze fase krijgt de cel twee ATP (van interne ADP + Pi) en 2 NADH (van interne NAD+) moleculen. Aan het einde van deze fase is glucose gedeeltelijk geoxideerd om pyruvaat te vormen.

Naamsvermelding: Marc T. Facciotti (origineel werk).

Stap 6 van glycolyse:

De zesde stap is de sleutel en een van waaruit we nu ons begrip van de verschillende soorten chemische reacties kunnen benutten. Als je op energie gericht bent, is dit eindelijk een stap van glycolyse waarbij een deel van de suiker wordt geoxideerd. De reactie wordt gekatalyseerd door het enzym glyceraldehyde-3-fosfaatdehydrogenase. Dit enzym katalyseert een meerstapsreactie tussen drie substraten, glyceraldehyde-3-fosfaat, de cofactor NAD+, en anorganisch fosfaat (Pl) en produceert drie producten 1,3-bisfosfoglyceraat, NADH en H+. Men kan deze reactie zien als twee reacties: (1) een oxidatie/reductie en (2) een condensatiereactie waarbij een anorganisch fosfaat wordt overgebracht op een molecuul. In dit specifieke geval is de redoxreactie (een overdracht van elektronen van G3P naar NAD+) is exergoon en de fosfaatoverdracht is toevallig endergonisch. Het net standaard- vrije energieverandering - deze twee reacties bij elkaar opgeteld - zweeft rond nul. Het enzym werkt hier als een moleculair koppelen middel om de energie van de exergonische reactie te koppelen aan die van de endergonische reactie; de ∆G van de oxidatie van G3P drijft de condensatie van Pi op het molecuul. Dit proces vindt plaats via een meerstapsmechanisme in de actieve plaats van het enzym en omvat de chemische activiteit van een verscheidenheid aan functionele groepen. Geen van deze reacties kan optreden (onder deze omstandigheden) in afwezigheid van het enzym - de activeringsenergie is te hoog. De truc die het enzym hier uitvoert, is de fysieke koppeling van de gekatalyseerde exergonische reactie aan de gelijktijdig gekatalyseerde endergonische reactie. Het enzym "laat" daarbij een gunstige reactie optreden, maar alleen wanneer tegelijkertijd een normaal ongunstige reactie optreedt. Deze koppeling van gunstige en ongunstige reacties is een essentieel concept in hoe het leven (oppervlakkig) de 2e wet lijkt te verslaan.

Het is belangrijk op te merken dat deze reactie afhangt van de beschikbaarheid van de geoxideerde vorm van de elektronendrager, NAD+. Als we bedenken dat er een beperkende pool van NAD . is+ we kunnen dan concluderen dat de gereduceerde vorm van de drager (NADH) continu terug moet worden geoxideerd tot NAD+ om deze stap gaande te houden. Als NAD+ niet beschikbaar is, vertraagt ​​of stopt de tweede helft van de glycolyse. Het hangt ook af van de beschikbaarheid van ADP - maar dat is natuurlijk het punt van de route - om ADP te veranderen in energierijk ATP.

Stap 7 van glycolyse:

De zevende stap van glycolyse, gekatalyseerd door fosfoglyceraatkinase (een enzym genoemd naar de omgekeerde reactie), 1,3-bisfosfoglyceraat brengt een fosfaat over naar ADP, waarbij één molecuul ATP en een molecuul 3-fosfoglyceraat wordt gevormd. Deze reactie is exergoon en is ook een voorbeeld van de vorming van ATP via "fosforylering op substraatniveau" - in tegenstelling tot "oxidatieve fosforylering", die we in een andere lezing zullen bespreken. Bij fosforylering op substraatniveau wordt het fosfaat gedoneerd door een hoogenergetische koolstofverbinding (in wezen een verbinding die een sterkere fosfaatdonor is dan ATP). Bij oxidatieve fosforylering daarentegen, bouwen we ATP op uit ADP en Pi, en versterken we dat door een daling van de concentratie van protonen.

Substraat fosforylering bij glycolyse. Hier is een voorbeeld van fosforylering op substraatniveau die optreedt bij glycolyse. Een directe overdracht van een fosfaatgroep van de koolstofverbinding naar ADP om ATP te vormen. Facciotti (eigen werk)

Opmerking: mogelijke discussie

Als een overdracht van een fosfaat van 1,3-BPG naar ADP exergoon is, wat zegt dat dan over de vrije energie van hydrolyse van het fosfaat van 1,3-BPG in vergelijking met de vrije energie van hydrolyse van het eindfosfaat op ATP ?

Stap 8 van glycolyse:

In de achtste stap beweegt de resterende fosfaatgroep in 3-fosfoglyceraat van de derde koolstof naar de tweede koolstof, waarbij 2-fosfoglyceraat (een isomeer van 3-fosfoglyceraat) wordt geproduceerd. Het enzym dat deze stap katalyseert, is een mutase (een soort isomerase).

Stap 9 van glycolyse:

Enolase katalyseert de negende stap. Dit enzym zorgt ervoor dat 2-fosfoglyceraat water uit zijn structuur verliest; dit is een uitdrogingsreactie, die resulteert in de vorming van een dubbele binding die de potentiële energie in de resterende fosfaatbinding verhoogt en fosfoenolpyruvaat (PEP) produceert.

Stap 10 van glycolyse:

De laatste stap in de glycolyse wordt gekatalyseerd door het enzym pyruvaatkinase. Omzetting van het serendipitair genoemde PEP in pyruvaat resulteert in de productie van een tweede ATP-molecuul door fosforylering op substraatniveau en de verbinding pyrodruivenzuur (of zijn zoutvorm, pyruvaat). Het enzym is in dit geval genoemd naar de achteruit reactie van de omzetting van pyruvaat in PEP (kinasen voeren de algemene reactie R + ATP --> ADP + R-P uit). Veel enzymen in enzymatische routes zijn genoemd naar de omgekeerde reacties, omdat de enzymen altijd zowel voorwaartse als omgekeerde reacties kunnen katalyseren (deze kunnen aanvankelijk zijn beschreven en ontdekt door analyse van de omgekeerde reactie die in vitro plaatsvindt).

Resultaten van glycolyse

Een paar dingen om te overwegen:

Een van de duidelijke resultaten van glycolyse is de biosynthese van verbindingen die een verscheidenheid aan metabole routes kunnen aangaan. Evenzo kunnen verbindingen die afkomstig zijn van andere metabole routes op verschillende punten in de glycolyse worden opgenomen. Deze route kan dus deel uitmaken van een centrale uitwisseling voor koolstofflux in de cel.

Als de glycolyse lang genoeg wordt uitgevoerd, zal de constante oxidatie van glucose met NAD+ kan de cel verlaten met een probleem; hoe NAD te regenereren+ van de 2 moleculen NADH geproduceerd. Als de NAD+ niet wordt geregenereerd, zal alle NAD van de cel bijna volledig worden omgezet in NADH. Dus hoe regenereren cellen NAD+ ? Dit is een andere ontwerpuitdaging.

Pyruvaat is niet volledig geoxideerd, er moet nog wat energie worden onttrokken - hoe kan dit gebeuren? En wat moet de cel met al die NADH doen? Is daar energie uit te halen?

Opmerking: sterk aanbevolen discussie/oefening

Kun je een schrijven energie verhaal voor het algehele proces van glycolyse. Voor energietermen, maak je gewoon zorgen over het beschrijven van dingen in termen van of ze exergoon of endergonisch zijn. Als ik het algemene proces zeg Ik bedoel het algemene proces: glucose moet worden vermeld in de reactanten en pyruvaat vermeld aan de productzijde van de pijl - u kunt de tussenproducten overslaan. U bent natuurlijk ook welkom om dit op een meer gedetailleerde manier te doen.


Fosfofructokinase 1

Fosfofructokinase-1 (PFK-1) is een van de belangrijkste regulerende enzymen (EC 2.7.1.11) van glycolyse. Het is een allosterisch enzym dat bestaat uit 4 subeenheden en wordt gecontroleerd door vele activatoren en remmers. PFK-1 katalyseert de belangrijke "toegewijde" stap van glycolyse, de omzetting van fructose-6-fosfaat en ATP in fructose-1,6-bisfosfaat en ADP. Glycolyse is de basis voor de ademhaling, zowel anaëroob als aeroob. Omdat fosfofructokinase (PFK) de ATP-afhankelijke fosforylering katalyseert om fructose-6-fosfaat om te zetten in fructose-1,6-bisfosfaat en ADP, is het een van de belangrijkste regulerende stappen van glycolyse. PFK is in staat om glycolyse te reguleren door middel van allosterische remming, en op deze manier kan de cel de snelheid van glycolyse verhogen of verlagen als reactie op de energiebehoefte van de cel. Een hoge verhouding van ATP tot ADP zal bijvoorbeeld PFK en glycolyse remmen. Het belangrijkste verschil tussen de regulatie van PFK bij eukaryoten en prokaryoten is dat PFK in eukaryoten wordt geactiveerd door fructose-2,6-bisfosfaat. Het doel van fructose 2,6-bisfosfaat is om ATP-remming te vervangen, waardoor eukaryoten een grotere gevoeligheid hebben voor regulatie door hormonen zoals glucagon en insuline. [1]


Belangrijkste functies van mitochondriën | Biologie

Mitochondriën zijn de ademhalingscentra van cellen. Deze visie werd gepostuleerd door Kingsbury (1912). Ze slaan energie op in de vorm van adenosinetrifosfaat (ATP) dat vrijkomt tijdens glycolyse, Krebs-cyclus en elektronentransportmechanisme van celademhaling.

Glycolyse vindt plaats in het cytoplasma van de cel, de Krebs-cyclus vindt plaats in de mitochondriën.

Tijdens dit proces worden de metabolische eindproducten van verschillende voedingsmiddelen, d.w.z. glucose of glycogeen, aminozuren en vetzuren, afgebroken tot CO2 en water met gebruik van O2en komt er energie vrij.

Deze energie zit vast in adenosinetrifosfaat (ATP), dat bij verschillende lichaamsactiviteiten wordt gebruikt.

Afbeelding met dank aan: upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/11/Animal_Cell.svg

Glycolyse (Glucose tot acetyl-co-enzym A):

Glucose + 2ADP + 2 fosfaat + 4 NAD + 2 Co-enzym A → 2 acetyl co-enzym A + 2СО2 + 2 ATP + 4 NADH + 4H + (ATP-opbrengst-2)

Citroenzuurcyclus:

2 Acetyl co-enzym A + 6H2O + 2 ADP + 2 fosfaat + 2 FAD + 4 NAD → 6CO2 + 4 ATP + 2 FADH2 + 10 NADH + 10 H + (ATP-opbrengst-2)

Ademhalingsketen:

2 FADH2 + 4 ADP + 4 fosfaat + O2 → 2 FAD + 4 ATP + 2H2O en (ATP-opbrengst-4)

10NADH + 10 H + +30 ADP + 30 fosfaat + 5O2 → 10 NAD + 30 ATP + 10 H2O (ATP-opbrengst-30)

2. Proteolytische activiteit:

Horning beschreef dat mitochondriën proteolytische enzymactiviteit hebben. In Protozoa heeft hij zowel lytische als synthetische activiteit van mitochondriën aangetoond. In Amoeba ontdekte hij dat stukjes opgeslokt voedsel in het cytoplasma circuleren en later in verband worden gebracht met mitochondriën.

Hij is van mening dat mitochondriën verantwoordelijk zijn voor de productie van zymogene korrels van de pancreas.

3. Histogenese:

Levi en Chevremont geloven dat myofibrillen een mitochondriaal orgaan hebben. Volgens hen helpen deze mitochondriën bij histogenese (vooral neurofibrillen en spierfibrillen).

4. Vetmetabolisme:

Wotton suggereerde door mitochondria van trypanosomen te bestuderen dat deze geassocieerd zijn met het metabolisme van vet. Onlangs is bewijs van vetmetabolisme afkomstig van Bensley (1947) over mitochondriën van levercellen. Ten slotte suggereerde hij dat mitochondriën echt een reservevoorraad van metabolisch materiaal voor cellen vertegenwoordigen. Bij het ontkiemen van zaden helpen deze bij diastatische activiteit.

5. Erfelijke functie:

Onlangs hebben Luck et al. (1964) ontdekt dat mitochondriën dienen als cytoplasmatische genen. Ze dragen karakters en helpen zo bij de genetische continuïteit van eigenschappen.

6. Ze spelen een belangrijke rol bij de vorming van kiemcellen tijdens de deling (d.w.z. chondriokinese).

7. Mitochondriën zijn zelfreplicerende organellen. Replicatie vindt plaats als reactie op fysiologische vereisten. Ze bevatten DNA, ribosomen en noodzakelijke enzymen om de eiwitsynthese voort te zetten, evenals de synthese van fosfolipiden en andere bestanddelen met een laag molecuulgewicht.

8. Vorming van mitochondriale spiraal in het zich ontwikkelende sperma:

Tijdens de rijping van een spermatide tot een zaadcel vormen de mitochondriën een spiraalvormige omhulling rond de axiale draad van het middelste stuk zaadcel. Schede is eigenlijk een end-to-end associatie van langwerpige mitochondriën. Ze leveren energie voor de beweging van sperma.

9. In de eicellen van kikker, Rana pipiens en zoetwaterslak, Planorbis, worden enkele mitochondriën omgezet in dooierlichamen. Dooierbloedplaatjes hopen zich op in de mitochondriën en verplaatsen de cristae naar de periferie, waardoor de mitochondriën in dooierlichamen veranderen.


Van binnenuit: GVHD en glucosemetabolisme

In dit nummer van BloedAssmann et al laten zien dat verhoogde glycolyse een traceerbaar metabolisch kenmerk is van infiltrerende T-cellen, met name in de vroege fase van graft-versus-host-ziekte (GVHD). 1 Deze observatie bevestigt dat niet-invasieve beeldvorming van de metabole activiteit van T-cellen dynamische ontstekingsprocessen bij patiënten na allogene hematopoëtische stamceltransplantatie (HSCT) kan visualiseren. In de afgelopen 10 tot 20 jaar zijn verschillende nieuwe benaderingen, ofwel getest in prospectieve gerandomiseerde studies (bijv. studies die gericht zijn op het optimaliseren van de conditioneringstherapie voorafgaand aan transplantatie) of geëvalueerd door analyse van grote klinische datasets (bijv. retrospectieve studies die de impact van betere HLA onderzoeken). -matching tussen donor en patiënt) hebben geleid tot verbeterde overlevingsresultaten bij patiënten die met HSCT werden behandeld. 2-4 Naast deze klinische gegevens heeft experimenteel onderzoek bijgedragen aan het ophelderen van de onderliggende immunologische processen. In het bijzonder heeft het betere begrip van T-celbiologie onlangs geleid tot de succesvolle ontwikkeling van nieuwe behandelingsstrategieën voor de meest relevante complicatie na allogene HSCT, GVHD. 5 Ondanks deze vooruitgang treft GVHD nog steeds 30% tot 60% van de patiënten na allogene HSCT. 6 Hoewel de diagnose van GVHD van de huid in de meeste gevallen gemakkelijk visueel kan worden vastgesteld, wordt GVHD van de darm of lever nog steeds bepaald door surrogaatparameters zoals ontlastingsvolume of verhoogd bilirubine, die niet-specifiek zijn en van beperkte waarde zijn bij het vaststellen van de diagnose van GVHD , of voorspelling van respons op behandeling of uitkomst. 7,8

FDG-PET-MRI van een 70-jarige patiënt met acute intestinale GVHD. (A) Maximale intensiteitsprojectie van PET en (C) de gefuseerde PET-MRI tonen verhoogde FDG-opname in de dunne en dikke darm. (B) Coronaire T1-gewogen postcontrast-MRI zorgt voor beoordeling van overeenkomstige morfologische veranderingen, waaronder muurschildering hyperenhancement, wandverdikking, mural stratificatie en het kamteken.

FDG-PET-MRI van een 70-jarige patiënt met acute intestinale GVHD. (A) Maximale intensiteitsprojectie van PET en (C) de gefuseerde PET-MRI tonen verhoogde FDG-opname in de dunne en dikke darm. (B) Coronaire T1-gewogen postcontrast-MRI zorgt voor beoordeling van overeenkomstige morfologische veranderingen, waaronder muurschildering hyperenhancement, wandverdikking, mural stratificatie en het kamteken.

Door verbeterde glycolyse van alloreactieve T-cellen te visualiseren door metabole magnetische resonantiebeeldvorming (MRI), waren Assmann et al in staat om het begin van GVHD te detecteren zelfs vóór klinische manifestatie in een chronisch GVHD-diermodel. Verdere gedetailleerde analyse van het experimentele GVHD-model en gegevens van single-cell sequencing van patiënt-afgeleide circulerende T-cellen bevestigden hun hypothese dat verhoogde glycolyse een kenmerk is in de vroege activering en orgaaninfiltratie (lever) van alloreactieve T-cellen die GVHD veroorzaken. Interessant is dat piek metabolische activiteit (zoals gemeten door metabole MRI met behulp van gehyperpolariseerd pyruvaat) voorafging aan de klinische symptomen van GVHD. Op latere tijdstippen in de loop van GVHD waren de verschillen in vergelijking met syngene controles minder prominent, waarschijnlijk vanwege het beperkte geanalyseerde doelgebied en/of vanwege verminderde T-celactiviteit.

Tegenwoordig is in vivo beeldvorming van metabole activiteit met behulp van positronemissietomografie (PET) met fluorodeoxyglucose (FDG) of andere radiofarmaceutica een standaardmethode voor het evalueren van kwaadaardige en niet-maligne ziekten. Wij en anderen hebben PET gebruikt voor translationele studies in GVHD, waar verbeterde glycolyse van de darm werd vastgesteld als een uitstekende preklinische en klinische marker voor T-celactiviteit in intestinale GVHD. 9,10 De gegevens in dit nummer van Bloed verifieer deze eerdere waarnemingen duidelijk met behulp van een nieuwe beeldvormingstechnologie (metabole MRI), en breid deze uit tot metabole T-celactiviteit in de lever bij GVHD.

Hoewel zowel FDG-PET als pyruvaat-lactaat metabole MRI de glycolytische metabolische activiteit in vivo beoordelen, bestaan ​​er verschillen met betrekking tot het translationele potentieel en de beschikbaarheid. PET, dat vergelijkbaar is met gehyperpolariseerde MRI op basis van de systemische injectie van een tracermolecuul, maakt beeldvorming van het hele lichaam van glycolyse mogelijk en is niet beperkt tot een enkel orgaan zoals de lever. Dit is tot nu toe niet vastgesteld voor metabole MRI, gezien de korte halfwaardetijd van de gehyperpolariseerde tracer, de gemeten snelle metabole stap en het resulterende beperkte scanvenster.

In PET zorgt co-registratie met morfologische en functionele beeldvorming voor nauwkeurige anatomische lokalisatie, waardoor een gedetailleerde en kwantitatieve beoordeling van glycolyse in alle organen die door GVHD bij muizen en mensen worden beïnvloed, mogelijk is. Hiertoe is PET-computertomografie (CT) klinisch beschikbaar in alle kankercentra en zou daarom direct kunnen worden toegepast in translationeel onderzoek. Dit is echter nog niet vastgesteld voor gehyperpolariseerde MRI.

Aan de andere kant, zoals correct vermeld door Assmann et al, gaat PET gepaard met blootstelling aan straling, terwijl metabole MRI dat niet doet, wat seriële onderzoeken bij patiënten met GVHD zou kunnen beperken. Echter, stralingsdoses als gevolg van PET-CT zijn diagnostisch en vrij laag, en dragen daarom slechts minimaal bij aan therapeutische doses, in het kader van allogene HSCT-algoritmen. Nieuwe benaderingen, zoals FDG-PET-MRI, verminderen de blootstelling aan straling verder en bieden tegelijkertijd ook aanvullend en onafhankelijk op MRI gebaseerd bewijs van intestinale GVHD (zie afbeelding).

De studie van Assmann et al. levert overtuigend bewijs dat in vivo moleculaire beeldvorming van T-cel-gemedieerde immuunreacties, met name door gebruik te maken van methoden die de metabole activiteit van effectorcellen detecteren, van waarde is om het vroege begin van GVHD te detecteren. Deze observatie zal waarschijnlijk belangrijk blijken te zijn bij het vaststellen van allo-activering van T-cellen na allogene HSCT en zou ook nuttig kunnen zijn bij het beoordelen van immuunresponsen bij andere cellulaire therapieën. Bovendien kan niet-invasieve meting van GVHD-activiteit informatiever en betrouwbaarder zijn in vergelijking met de klassieke klinische beoordeling van GVHD bij het evalueren van de effectiviteit van nieuwe verbindingen voor de behandeling van GVHD.

Onthulling van belangenconflicten: De auteurs verklaren geen concurrerende financiële belangen.


Mark Musters

Ik ben een modelleur, gespecialiseerd in kinetische modellering van biochemische netwerken. Mijn focus in het SysMO-LAB consortium ligt op het creëren van modellen van Lactococcus lactis glycolyse en dit te koppelen aan andere verwante melkzuurbacteriën zoals Streptococcus pyogenes en Enterococcus faecalis. Naast kinetische modellering ben ik ook geïnteresseerd in het combineren van verschillende modelleringstechnieken (genoomschaalmodellering, kwalitatieve modellering).

SysMO is een Europees transnationaal financierings- en onderzoeksinitiatief op het gebied van "Systems Biology of Micro-organismen".

The goal pursued by SysMO was to record and describe the dynamic molecular processes going on in unicellular microorganisms in a comprehensive way and to present these processes in the form of computerized mathematical models.

Systems biology will raise biomedical and biotechnological research to a new quality level and contribute markedly to progress in understanding. Pooling European research .


Regulators of Glycogenolysis

Several different enzymes are involved in glycogenolysis. Enzymes are proteins that help chemical reactions take place. One enzyme that plays a role in glycogenesis is glycogen phosphorylase. It breaks the bond linking glucose to glycogen by substituting a phosphoryl group, PO3 2- .

At this point, the glucose that has been detached from glycogen is glucose-1-phosphate. The enzyme phosphoglucomutase changes it into glucose-6-phosphate, which is the form that cells use to make ATP. Glycogen debranching enzyme transfers the all of the remaining glucose molecules except for one on a branch of glycogen to another branch. Last, ɑ[1→6] glucosidase removes the last glucose molecule, which gets rid of that branch of glucose molecules.


16.1.4. Triose phosphate isomerase Salvages a Three-Carbon Fragment

Glyceraldehyde 3-phosphate is on the direct pathway of glycolysis, whereas dihydroxyacetone phosphate is not. Unless a means exists to convert dihydroxyacetone phosphate into glyceraldehyde 3-phosphate, a three-carbon fragment useful for generating ATP will be lost. These compounds are isomers that can be readily interconverted: dihydroxyacetone phosphate is a ketose, whereas glyceraldehyde 3-phosphate is an aldose. The isomerization of these three-carbon phosphorylated sugars is catalyzed by triose phosphate isomerase (TIM Figure 16.5). This reaction is rapid and reversible. At equilibrium, 96% of the triose phosphate is dihydroxyacetone phosphate. However, the reaction proceeds readily from dihydroxyacetone phosphate to glyceraldehyde 3-phosphate because the subsequent reactions of glycolysis remove this product.

Figure 16.5

Structure of Triose Phosphate Isomerase. This enzyme consists of a central core of eight parallel β strands (orange) surrounded by eight α helices (blue). This structural motif, called an αβ barrel, is also found in the (more. )

Much is known about the catalytic mechanism of triose phosphate isomerase. TIM catalyzes the transfer of a hydrogen atom from carbon 1 to carbon 2 in converting dihydroxyacetone phosphate into glyceraldehyde 3-phosphate, an intramolecular oxidation-reduction. This isomerization of a ketose into an aldose proceeds through an enediol intermediate (Figure 16.6).

Figure 16.6

Catalytic Mechanism of Triose Phosphate Isomerase. Glutamate 165 transfers a proton between carbons with the assistance of histidine 95, which shuttles between the neutral and relatively rare negatively charged form. The latter is stabilized by interactions (more. )

X-ray crystallographic and other studies showed that glutamate 165 (see Figure 16.5) plays the role of a general acid-base catalyst. However, this carboxylate group by itself is not basic enough to pull a proton away from a carbon atom adjacent to a carbonyl group. Histidine 95 assists catalysis by donating a proton to stabilize the negative charge that develops on the C-2 carbonyl group.

Two features of this enzyme are noteworthy. First, TIM displays great catalytic prowess. It accelerates isomerization by a factor of 10 10 compared with the rate obtained with a simple base catalyst such as acetate ion. Indeed, the kkat/Km ratio for isomerization of glyceraldehyde 3-phosphate is 2 × 10 8 M -1 s -1 , which is close to the diffusion-controlled limit. In other words, the rate-limiting step in catalysis is the diffusion-controlled encounter of substrate and enzyme. TIM is an example of a kinetically perfect enzyme (Section 8.2.5). Second, TIM suppresses an undesired side reaction, the decomposition of the enediol intermediate into methyl glyoxal and inorganic phosphate.

In solution, this physiologically useless reaction is 100 times as fast as isomerization. Hence, TIM must prevent the enediol from leaving the enzyme. This labile intermediate is trapped in the active site by the movement of a loop of 10 residues (see Figure 16.5). This loop serves as a lid on the active site, shutting it when the enediol is present and reopening it when isomerization is completed. We see here a striking example not only of catalytic perfection, but also of the acceleration of a desirable reaction so that it takes place much faster than an undesirable alternative reaction. Thus, two molecules of glyceraldehyde 3-phosphate are formed from one molecule of fructose 1,6-bisphosphate by the sequential action of aldolase and triose phosphate isomerase. The economy of metabolism is evident in this reaction sequence. The isomerase funnels dihydroxyacetone phosphate into the main glycolytic pathway𠅊 separate set of reactions is not needed.


1.11: Glycolysis - Biology

PART II. CORNERSTONES: CHEMISTRY, CELLS, AND METABOLISM

The discussion so far in this chapter has dealt with the process of aerobic cellular respiration in eukaryotic organisms. However, some prokaryotic cells also use aerobic cellular respiration. Because prokaryotes do not have mitochondria, there are some differences between what they do and what eukaryotes do. The primary difference involves the electrons carried from glycolysis to the electron-transport system. In eukaryotes, the electrons released during glycolysis are carried by NADH and transferred to FAD to form FADH2 in order to get the electrons across the outer membrane of the mitochondrion. Because FADH2 results in the production of fewer ATPs than NADH, there is a cost to the eukaryotic cell of getting the electrons into the mitochondrion. This transfer is not necessary in prokaryotes, so they are able to produce a theoretical 38 ATPs for each glucose metabolized, rather than the 36 ATPs produced by eukaryotes (table 6.2).


Inhoud

Aerobic respiration requires oxygen (O2) in order to create ATP. Although carbohydrates, fats, and proteins are consumed as reactants, aerobic respiration is the preferred method of pyruvate breakdown in glycolysis, and requires pyruvate to the mitochondria in order to be fully oxidized by the citric acid cycle. The products of this process are carbon dioxide and water, and the energy transferred is used to break bonds in ADP to add a third phosphate group to form ATP (adenosine triphosphate), by substrate-level phosphorylation, NADH and FADH2

Simplified reaction: C6H12O6 (s) + 6 O2 (g) → 6 CO2 (g) + 6 H2O (l) + heat
ΔG = −2880 kJ per mol of C6H12O6

The negative ΔG indicates that the reaction can occur spontaneously.

The potential of NADH and FADH2 is converted to more ATP through an electron transport chain with oxygen and protons (hydrogen) as the "terminal electron acceptors". [1] Most of the ATP produced by aerobic cellular respiration is made by oxidative phosphorylation. The energy of O2 [1] released is used to create a chemiosmotic potential by pumping protons across a membrane. This potential is then used to drive ATP synthase and produce ATP from ADP and a phosphate group. Biology textbooks often state that 38 ATP molecules can be made per oxidized glucose molecule during cellular respiration (2 from glycolysis, 2 from the Krebs cycle, and about 34 from the electron transport system). [4] However, this maximum yield is never quite reached because of losses due to leaky membranes as well as the cost of moving pyruvate and ADP into the mitochondrial matrix, and current estimates range around 29 to 30 ATP per glucose. [4]

Aerobic metabolism is up to 15 times more efficient than anaerobic metabolism (which yields 2 molecules ATP per 1 molecule glucose) because the double bond in O2 is of higher energy than other double bonds or pairs of single bonds in other common molecules in the biosphere. [3] However, some anaerobic organisms, such as methanogens are able to continue with anaerobic respiration, yielding more ATP by using other inorganic molecules (not oxygen) of high energy as final electron acceptors in the electron transport chain. They share the initial pathway of glycolysis but aerobic metabolism continues with the Krebs cycle and oxidative phosphorylation. The post-glycolytic reactions take place in the mitochondria in eukaryotic cells, and in the cytoplasm in prokaryotic cells.

Glycolyse

Glycolysis is a metabolic pathway that takes place in the cytosol of cells in all living organisms. Glycolysis can be literally translated as "sugar splitting", [5] and occurs with or without the presence of oxygen. In aerobic conditions, the process converts one molecule of glucose into two molecules of pyruvate (pyruvic acid), generating energy in the form of two net molecules of ATP. Four molecules of ATP per glucose are actually produced, however, two are consumed as part of the preparatory phase. The initial phosphorylation of glucose is required to increase the reactivity (decrease its stability) in order for the molecule to be cleaved into two pyruvate molecules by the enzyme aldolase. During the pay-off phase of glycolysis, four phosphate groups are transferred to ADP by substrate-level phosphorylation to make four ATP, and two NADH are produced when the pyruvate is oxidized. The overall reaction can be expressed this way:

Glucose + 2 NAD + + 2 Pl + 2 ADP → 2 pyruvate + 2 H + + 2 NADH + 2 ATP + 2 H + + 2 H2O + energy

Starting with glucose, 1 ATP is used to donate a phosphate to glucose to produce glucose 6-phosphate. Glycogen can be converted into glucose 6-phosphate as well with the help of glycogen phosphorylase. During energy metabolism, glucose 6-phosphate becomes fructose 6-phosphate. An additional ATP is used to phosphorylate fructose 6-phosphate into fructose 1,6-bisphosphate by the help of phosphofructokinase. Fructose 1,6-biphosphate then splits into two phosphorylated molecules with three carbon chains which later degrades into pyruvate.

Oxidative decarboxylation of pyruvate

Pyruvate is oxidized to acetyl-CoA and CO2 by the pyruvate dehydrogenase complex (PDC). The PDC contains multiple copies of three enzymes and is located in the mitochondria of eukaryotic cells and in the cytosol of prokaryotes. In the conversion of pyruvate to acetyl-CoA, one molecule of NADH and one molecule of CO2 is formed.

Citric acid cycle

This is also called the citroenzuurcyclus of de tricarboxylic acid cycle. When oxygen is present, acetyl-CoA is produced from the pyruvate molecules created from glycolysis. Once acetyl-CoA is formed, aerobic or anaerobic respiration can occur. [6] When oxygen is present, the mitochondria will undergo aerobic respiration which leads to the Krebs cycle. However, if oxygen is not present, fermentation of the pyruvate molecule will occur. In the presence of oxygen, when acetyl-CoA is produced, the molecule then enters the citric acid cycle (Krebs cycle) inside the mitochondrial matrix, and is oxidized to CO2 while at the same time reducing NAD to NADH. NADH can be used by the electron transport chain to create further ATP as part of oxidative phosphorylation. To fully oxidize the equivalent of one glucose molecule, two acetyl-CoA must be metabolized by the Krebs cycle. Two low-energy waste products, H2O and CO2, are created during this cycle.

The citric acid cycle is an 8-step process involving 18 different enzymes and co-enzymes. [6] During the cycle, acetyl-CoA (2 carbons) + oxaloacetate (4 carbons) yields citrate (6 carbons), which is rearranged to a more reactive form called isocitrate (6 carbons). Isocitrate is modified to become α-ketoglutarate (5 carbons), succinyl-CoA, succinate, fumarate, malate, and, finally, oxaloacetate.

The net gain from one cycle is 3 NADH and 1 FADH2 as hydrogen- (proton plus electron)-carrying compounds and 1 high-energy GTP, which may subsequently be used to produce ATP. Thus, the total yield from 1 glucose molecule (2 pyruvate molecules) is 6 NADH, 2 FADH2, and 2 ATP.

Oxidatieve fosforylering

In eukaryotes, oxidative phosphorylation occurs in the mitochondrial cristae. It comprises the electron transport chain that establishes a proton gradient (chemiosmotic potential) across the boundary of the inner membrane by oxidizing the NADH produced from the Krebs cycle. ATP is synthesized by the ATP synthase enzyme when the chemiosmotic gradient is used to drive the phosphorylation of ADP. The electron transfer is driven by the chemical energy of exogenous oxygen [1] and, with the addition of two protons, water is formed.

The table below describes the reactions involved when one glucose molecule is fully oxidized into carbon dioxide. It is assumed that all the reduced coenzymes are oxidized by the electron transport chain and used for oxidative phosphorylation.

Stap coenzyme yield ATP yield Source of ATP
Glycolysis preparatory phase −2 Phosphorylation of glucose and fructose 6-phosphate uses two ATP from the cytoplasm.
Glycolysis pay-off phase 4 Substrate-level phosphorylation
2 NADH 3 or 5 Oxidative phosphorylation : Each NADH produces net 1.5 ATP (instead of usual 2.5) due to NADH transport over the mitochondrial membrane
Oxidative decarboxylation of pyruvate 2 NADH 5 Oxidatieve fosforylering
citroenzuurcyclus 2 Substrate-level phosphorylation
6 NADH 15 Oxidatieve fosforylering
2 FADH2 3 Oxidatieve fosforylering
Total yield 30 or 32 ATP From the complete oxidation of one glucose molecule to carbon dioxide and oxidation of all the reduced coenzymes.

Although there is a theoretical yield of 38 ATP molecules per glucose during cellular respiration, such conditions are generally not realized because of losses such as the cost of moving pyruvate (from glycolysis), phosphate, and ADP (substrates for ATP synthesis) into the mitochondria. All are actively transported using carriers that utilize the stored energy in the proton electrochemical gradient.

  • Pyruvate is taken up by a specific, low Km transporter to bring it into the mitochondrial matrix for oxidation by the pyruvate dehydrogenase complex.
  • De phosphate carrier (PiC) mediates the electroneutral exchange (antiport) of phosphate (H2PO4 − Pl) for OH − or symport of phosphate and protons (H + ) across the inner membrane, and the driving force for moving phosphate ions into the mitochondria is the proton motive force.
  • De ATP-ADP translocase (also called adenine nucleotide translocase, ANT) is an antiporter and exchanges ADP and ATP across the inner membrane. The driving force is due to the ATP (−4) having a more negative charge than the ADP (−3), and thus it dissipates some of the electrical component of the proton electrochemical gradient.

The outcome of these transport processes using the proton electrochemical gradient is that more than 3 H + are needed to make 1 ATP. Obviously, this reduces the theoretical efficiency of the whole process and the likely maximum is closer to 28–30 ATP molecules. [4] In practice the efficiency may be even lower because the inner membrane of the mitochondria is slightly leaky to protons. [7] Other factors may also dissipate the proton gradient creating an apparently leaky mitochondria. An uncoupling protein known as thermogenin is expressed in some cell types and is a channel that can transport protons. When this protein is active in the inner membrane it short circuits the coupling between the electron transport chain and ATP synthesis. The potential energy from the proton gradient is not used to make ATP but generates heat. This is particularly important in brown fat thermogenesis of newborn and hibernating mammals.

According to some newer sources, the ATP yield during aerobic respiration is not 36–38, but only about 30–32 ATP molecules / 1 molecule of glucose [8] , because:

  • ATP : NADH+H + and ATP : FADH2 ratios during the oxidative phosphorylation appear to be not 3 and 2, but 2.5 and 1.5 respectively. Unlike in the substrate-level phosphorylation, the stoichiometry here is difficult to establish.
      produces 1 ATP / 3 H + . However the exchange of matrix ATP for cytosolic ADP and Pi (antiport with OH − or symport with H + ) mediated by ATP–ADP translocase and phosphate carrier consumes 1 H + / 1 ATP as a result of regeneration of the transmembrane potential changed during this transfer, so the net ratio is 1 ATP : 4 H + .
  • The mitochondrial electron transport chainproton pump transfers across the inner membrane 10 H + / 1 NADH+H + (4 + 2 + 4) or 6 H + / 1 FADH2 (2 + 4).
    • ATP : NADH+H + coming from glycolysis ratio during the oxidative phosphorylation is
      • 1.5, as for FADH2, if hydrogen atoms (2H + +2e − ) are transferred from cytosolic NADH+H + to mitochondrial FAD by the glycerol phosphate shuttle located in the inner mitochondrial membrane.
      • 2.5 in case of malate-aspartate shuttle transferring hydrogen atoms from cytosolic NADH+H + to mitochondrial NAD +

      So finally we have, per molecule of glucose

        : 2 ATP from glycolysis + 2 ATP (directly GTP) from Krebs cycle
        • 2 NADH+H + from glycolysis: 2 × 1.5 ATP (if glycerol phosphate shuttle transfers hydrogen atoms) or 2 × 2.5 ATP (malate-aspartate shuttle)
        • 2 NADH+H + from the oxidative decarboxylation of pyruvate and 6 from Krebs cycle: 8 × 2.5 ATP
        • 2 FADH2 from the Krebs cycle: 2 × 1.5 ATP

        Altogether this gives 4 + 3 (or 5) + 20 + 3 = 30 (or 32) ATP per molecule of glucose

        These figures may still require further tweaking as new structural details become available. The above value of 3 H+/ATP for the synthase assumes that the synthase translocates 9 protons, and produces 3 ATP, per rotation. The number of protons depends on the number of c subunits in the Fo c-ring, and it is now known that this is 10 in yeast Fo [9] and 8 for vertebrates. [10] Including one H+ for the transport reactions, this means that synthesis of one ATP requires 1+10/3=4.33 protons in yeast and 1+8/3 = 3.67 in vertebrates. This would imply that in human mitochondria the 10 protons from oxidizing NADH would produce 2.72 ATP (instead of 2.5) and the 6 protons from oxidizing succinate or ubiquinol would produce 1.64 ATP (instead of 1.5). This is consistent with experimental results within the margin of error described in a recent review. [11]

        The total ATP yield in ethanol or lactic acid fermentation is only 2 molecules coming from glycolysis, because pyruvate is not transferred to the mitochondrion and finally oxidized to the carbon dioxide (CO2), but reduced to ethanol or lactic acid in the cytoplasm. [8]

        Without oxygen, pyruvate (pyruvic acid) is not metabolized by cellular respiration but undergoes a process of fermentation. The pyruvate is not transported into the mitochondrion but remains in the cytoplasm, where it is converted to waste products that may be removed from the cell. This serves the purpose of oxidizing the electron carriers so that they can perform glycolysis again and removing the excess pyruvate. Fermentation oxidizes NADH to NAD + so it can be re-used in glycolysis. In the absence of oxygen, fermentation prevents the buildup of NADH in the cytoplasm and provides NAD + for glycolysis. This waste product varies depending on the organism. In skeletal muscles, the waste product is lactic acid. This type of fermentation is called lactic acid fermentation. In strenuous exercise, when energy demands exceed energy supply, the respiratory chain cannot process all of the hydrogen atoms joined by NADH. During anaerobic glycolysis, NAD + regenerates when pairs of hydrogen combine with pyruvate to form lactate. Lactate formation is catalyzed by lactate dehydrogenase in a reversible reaction. Lactate can also be used as an indirect precursor for liver glycogen. During recovery, when oxygen becomes available, NAD + attaches to hydrogen from lactate to form ATP. In yeast, the waste products are ethanol and carbon dioxide. This type of fermentation is known as alcoholic or ethanol fermentation. The ATP generated in this process is made by substrate-level phosphorylation, which does not require oxygen.

        Fermentation is less efficient at using the energy from glucose: only 2 ATP are produced per glucose, compared to the 38 ATP per glucose nominally produced by aerobic respiration. This is because most of the energy of aerobic respiration derives from O2 with its relatively weak, high-energy double bond. [3] [1] Glycolytic ATP, however, is created more quickly. For prokaryotes to continue a rapid growth rate when they are shifted from an aerobic environment to an anaerobic environment, they must increase the rate of the glycolytic reactions. For multicellular organisms, during short bursts of strenuous activity, muscle cells use fermentation to supplement the ATP production from the slower aerobic respiration, so fermentation may be used by a cell even before the oxygen levels are depleted, as is the case in sports that do not require athletes to pace themselves, such as sprinting.

        Cellular respiration is the process by which biological fuels are oxidised in the presence of a high-energy inorganic electron acceptor (such as oxygen [1] ) to produce large amounts of energy, to drive the bulk production of ATP.

        Anaerobic respiration is used by some microorganisms in which neither oxygen (aerobic respiration) nor pyruvate derivatives (fermentation) is the high-energy final electron acceptor. Rather, an inorganic acceptor such as sulfate (SO42-), nitrate (NO3–), or sulfur (S) is used. [12] Such organisms are typically found in unusual places such as underwater caves or near hydrothermal vents at the bottom of the ocean.

        In July 2019, a scientific study of Kidd Mine in Canada discovered sulfur-breathing organisms which live 7900 feet below the surface, and which breathe sulfur in order to survive. These organisms are also remarkable due to consuming minerals such as pyrite as their food source. [13] [14] [15]


        1.11: Glycolysis - Biology

        WE ARE NOW IN UNIT FOUR - HOMEOSTASIS

        Notes, Helpful link s and videos also scroll down to see the full collection

        Monday - Intro to Metabolic Processes and Redox Reactions

        Tuesday- Cellular Respiration Inquiry activities - PLEASE PRINT file below called "Cellular Respiration student version"

        Wednesday - Overview of Cellular Respiration and Start Glycolysis

        Thursday - Hand back and Take up BIOCHEMISTRY TESTS review Glycolysis

        Friday - Community Clean Up (or if raining begin Krebs cycle)

        LINKS & HELPFUL VIDEOS

        Redox review 13 minutes Khan Academy -

        Redox in Cellular Respiration 17 minutes Khan Academy-

        https://www.youtube.com/watch?v=_KyyVhlUDNU

        Oxidation-Reduction reactions Read pg 33-34, Define Oxidation, Reduction, Redox Reaction

        Bond Energy and Metabolic pathways Read 114-121 Complete Q's 1-4 pg 121


        Bekijk de video: Bahas Lengkap Glikolisis. Respirasi Aerob (November 2021).