1. GLIKOLÍZIS

1. 1. GLIKOLÍZIS A glikolízis az eukarióta sejt legalapvetőbb lebontó, energiaszerző folyamata. Évmilliárdokkal ezelőtt alakult ki, amikor még alig volt elemi oxigén a Földön. Ezért nem is vesz benne részt oxigén. Az eukarióta sejt saját plazmájában zajlik, nem endoszimbionta sejtszervecske végzi tehát. Mitokondriumaink nélkül mi is csak erre az energiatermelő reakcióra volnánk képesek. Köztes termékei a felépítő anyagcsere fontos alapanyagaivá is válhatnak, másfelől a glükóztól eltérő anyagok lebomlási termékei is „becsatlakozhatnak”a folyamatába. LÉNYEGE: A 6 szénatomos glükóz bontása és oxidálása 2 db 3 szénatomos piroszőlősavig, aminek során redukált NADH+H+ koenzim és ATP keletkezik. ! A citoplazma HELYE: Két fő szakasza van: • A hexóz bontása két triózzá • A triózok oxidálása karbonsavakká Tartalomhoz

2. információért kattints a reakció számára • LÉGZÉS vagy ERJESZTÉS? • A glikolízis során 2 piroszőlősavon kívül 2 redukált (NADH+H+) koenzim és 2 ATP keletkezett (glükózmolekulánként). A sejtek viszont sokkal több ATP-t használnak, mint amennyi redukált koenzimet el tudnának használni felépítő folyamataikban. Ezért ha nem oldják meg a felesleges redukálóerő (NADH+H+) visszaoxidálását, előbb utóbb elfogy a redukálható NAD+-juk, és leéll az anyagcseréjük: ATP-t sem tudnak termelni immár. A felesleges NADH+H+ visszaoxidálását ezért meg kell oldani! Ennek két módja van: • Visszaoxidálás belső keletkezésű elektronakceprorral: ez az ERJESZTÉSvagy fermentáció. Ilyenkor logikusan a felesleges reakciótermékre, a piroszőlősavra „pakolják rá” a hidrogéneket az enzimek a NADH+H+-ról. A termék többféle lehet, például tejsav, vagy etanol és CO2. Ez a termelő szervezetnek nem kell már, de az ember sokszor épp e fermentációs végtermékekért dolgoztatja a mikrobákat. Sok egyéb fermentációtípus is van még. A fermentációk végső lépésében ATP már nem keletkezik: a lényeg a koenzimek visszaoxidálása volt! • Visszaoxidálás külső elektronakceptorral: ez a LÉGZÉS. Nagyon praktikus visszaoxidálási mód, mert nem elég, hogy visszaalakul a NADH+H+-feleslegNAD+-dá, de – ha kellően erős oxidálószert találunk elektronakceptornak – még további energia (ATP) is termeltethető e reakcióval! A természetben fellelhető legjobb oxidálószer az O2, nem véletlen, hogy a legtöbb légző ezt használja a légzéséhez (vagyis a NADH+H+-k visszaoxidálásához – ld. a terminális oxidáció anyagrészt). Így mi is. Oxigén hiányában bizonyos baktériumok más anyagokat is képesek elektronakceptornak használni (Pl. nitrátionokat, szukfátionokat, Fe3+-iont), ilyenkor anaerob (oxigén hiányában folyó) légzésmódokról beszélünk. Erre a mi sejtjeink nem képesek, ezért oxigén hiányában jobb híján csak fermentálnak – tejsavasan (ld. izomláz). ATP ATP dihidroxi aceton-P 2 1 3 4 ADP ADP Kettéhasad a hexóz molekula egy aldotriózra és egy vele izomer ketotriózra. A kettéhasítás értelme az, hogy ugyanazokkal az enzimekkel kétsszer annyi energiatermelő lépést lehet majd végezni glükózonként. Másik értelme az, hogy a triózok sokoldalúbban használható alapanyagok a felépítő anyagcsere számára. Nem minden molekula megy ugyanis végig a glikolízis teljes folyamatán. Szükség esetén elvonhatja őket a sejt szintézisek irányába. (Katalizáló enzim: aldoláz; aldoláz enzimmel fogunk még találkozni a fotoszintézis sötétszakaszában!) 5 A foszfátcsoport a 3. szénatomról a 2.-ra kerül. (Katalizáló enzim: foszfoglicerinsav-mutáz) A dihidroxi-aceton foszfátot (ketotrióz) egy izomeráz enzim átalakítja glicerinaldehid-3-foszfáttá (aldotrióz), mert a következő lépésnek ez az alapanyaga. Innentől minden reakció kétszer történik meg (: a két darabbal egyszer-egyszer). A reakciók felírásában is ezért szerepel mostantól minden reakciópartnerből kettő. (Katalizáló enzim: triózfoszfát-izomeráz) 2 Pi A glükóz lebontásának első lépése az ún. aktiváció, ami egy foszfátcsoport hozzákapcsolását jelenti a molekulához. Ennek több célja is van, melyek közül a legfontosabb, hogy a nagy, poláros foszfátcsoport kiváló „fogantyút” jelent az enzimek számára, hogy erősen tudják kötni az aktív helyükön a szubsztrátot. Ettől kezdve az utolsó lépésekig foszfátcsoport fog kötődni a molekulákhoz. Az aktiváció energiaigényes folyamat, amelyért egy ATP-t kell áldozni (az ATP foszfátcsoportja kerül át a szubsztrátra egyébként). Ez az áldozat azonban később megtérül! (Katalizáló enzim: hexokináz) Hogy a molekula másik vége is aktiválható legyen, aldózból ketózt csinál egy izomeráz enzim. (Katalizáló enzim: foszfohexóz izomeráz) Az előző, oxidációs lépésben annyi energia „szabadult fel” (később elmagyarázom, miért), hogy az most betárolható egy ATP-be azáltal, hogy ADP-re ülteti rá a foszfátcsoportot egy enzim. Az észterkötés oxigénje a szénatomon marad, a hidrogén pedig az ADP láncvégi foszfátcsoportjáról került rá. A termék itt már jól láthatóan karbonsav: glicerinsav-3-foszfát. Összesen két ATP keletkezett, ezzel meg is térült a kezdeti aktivációs lépések energiaköltsége. (Katalizáló enzim: foszfoglicerinsav-kináz; bár itt pont eltávolítja a P-csoportot a molekuláról a kináz enzim, a reakció fordítottját ugyanúgy képes katalizálni. Az enzim elnevezése bármelyik irányról lehetséges) Víz lép ki, s a molekulában kettős kötés jön létre. ((A folyamatokat egy könyvelő pontosságával követők fejébe a későbbiekben szöget üthet, hogy itt egy olyan vízmolekula szabadul fel, amellyel nem fogunk elszámolni a folyamatok legvégén, mint égéstermékkel. Nos, ennek a víznek megfelelő vízmennyiség a 7. reakcióban képződött ATP hidrolízisekor fog felvevődni, így fogja pótolni a foszfátcsoport szénatomon hagyott oxigénjét.)) (Katalizáló enzim: enoláz) A molekula másik vége is aktiválódik, hogy majd a kettéhasítás után is tudjanak dolgozni az enzimek a darabokkal. (Az aktivációt végző enzimek nevében feltűnhet a „kináz” szócska. A kinázok mind foszforilációt végző enzimek.) (Katalizáló enzim: foszfofruktokináz) Tejsavas erjesztést végeznek például az aludttejet, joghurtot, kovászos uborkát, savanyú káposztát számunkra „elkészítő” tejsavbaktériumok, de hiányos oxigénellátottságuk esetén ezt végzik a mi vázizomrostjaink is. A felhalmozódott tejsav az egyik oka az izomláznak! (Katalizáló enzim: tejsav-dehidrogenáz) Az energianyerő lépések kezdetén az 1. szénatom oxidálódik, miközben egy szabad (szervetlen) foszfátcsoport (Pi = „inorganikus foszfát”) hozzákapcsolódik. Aldehidből karbonsav lesz (pontosabban egyelőre egy karbonsav foszfátésztere). Figyeljük meg, hogy eddig ennek a szénatomnak +1 volt az oxidációs száma, míg most már +3! Az oxidálószer ez esetben NAD+ koenzim, ez viszi el a hidrogéneket (egyet a trióztól, egyet a foszforsav észterkötést létrehozó oxigénjéről), ő maga tehát redukálódik. (Katalizáló enzim: glicerinaldehid-3-foszfát-dehidrogenáz) glükóz 6 glükóz-6-foszfát (glükóz-6-P) fruktóz-6-P fruktóz-1-6-bifoszfát A lebontási folyamatok attól függően, hogy milyen élőlényben vagyunk, illetve hogy van-e a sejtben elérhető oxigén, innen különböző irányokba mehetnek tovább: oxidatív irányba a citrát-kör felé, vagy valamelyik erjedési folyamatba. 2 NAD+ glicerinaldehid-3-P 2 NADH + H+ 2 ADP 2 ADP 2 6 2 2 2 2 2 7 9 8 2 NADH + H+ 10 + 11 2 ATP 2 ATP 2 H2O Ez a lépés már a mitokondriumban megy végbe, ahová a piroszőlősav elszállítódott. A karboxil-csoport szene és két oxigénje CO2 formájában eltávozik, a visszamaradó acetilcsoport pedig koenzim-A molekulához kapcsolódik. Ez is oxidáció, melyben NAD+ az Bizonyos szerzők ezt a lépést is glikolízis részének tekintik (bár a helyszín már nem a citoplazma), ebben a megközelítésben tehát a glikolízis végterméke acetil-KoA és CO2 és 4 NADH+H+. (Katalizáló enzim: piroszőlősav dehidrogenáz) KoA 2 NAD+ A kötésátrendeződések folytán megint mobilizálhatóvá vált annyi energia, hogy az alkalmat teremt ATP előállítására. A 7. reakcióban látotthoz hasonló módon ADP-re keülnek az aktiváló foszfátcsoportok. A 3. szénatom harmadik hidrogénje az ATP láncvégi foszfátjáról származik (illetve azzal ekvivalens). A képződő két ATP a glikolízis nettó energianyeresége! Nem sok, de ha van elég cukor, bizonyos élőlények ezzel is beérik. A képződő piroszőlősav a glikolízis végtermékének tekinthető. Nagyon fontos alapanyaga számos felépítő folyamatnak, de tovább is bomolhat. (Katalizáló enzim: piroszőlősav-kináz) glicerinsav-2-P glicerinsav-3-P foszfoenol-piroszőlősav piroszőlősav (piruvát) glicerinsav-1-3-biP S 2 12 2 NADH + H+ Alkoholos erjesztésre számos baktériumfaj képes, mégis elsősorban az (egysejtű eukarióta) élesztőgombák tevékenysége kapcsán találkozhatunk vele. Két fő felhasználási területe a két reakciótermék szerint alakul: az alkoholgyártásban az etilalkohol a lényeg, míg a CO2 („mustgáz”) melléktermék csupán, a keltészták készítésénél ellenben a CO2 teszi habossá a tésztát, míg az alkohol sütés közben elpárolog. (Katalizáló enzim: piroszőlősav dekarboxiláz) 2 erjedési folyamatok + 2 NAD+ 2 acetil-KoA 13 2 NADH + H+ 2 2 2 NAD+ tejsav etanol citrát-körbe Tartalomhoz következő dia

3. HONNAN JÖN AZ ENERGIA? (ÍNYENCEKNEK…) Felmerülhet a kérdés, hogy miért és mi módon szabadul fel a glikolízis során az az energia, amely az ATP előállításának energiaigényét fedezi. A kérdés veleje és a válasz lényege úgy érthető meg legjobban, ha összehasonlítjuk a glicerinaldehid és a tejsav szerkezetét. Tejsavas erjedés során ez a két anyag áll a redoxfolyamatok kezdetén és végén. Ha jól megnézed, látható, hogy a két molekula csupán két atomcsoport pozíciójában különbözik! Hogyan lehetséges, hogy több ATP-re elegendő energia nyerhető egy összességében csupán ekkora változtatással? glicerinaldehid tejsav tejsav Nos, mint tudjuk, az oxidáció elektronvesztést jelent egy erős elektronvonzó képességű oxidálószerrel szemben. Habár az anaerob glikolízisben és erjedésben – mint látható – nem történik nettó elektronvesztés, a glicerinaldehidből tejsavvá alakulás során mégis történik egy molekulán belüli részleges oxidáció: szén és hidrogénatomok elektronjai részben átkerülnek oxigénatomok „fennhatósága alá”, vagyis a hidrogének és szenek részben oxidálódnak, míg az oxigének részben redukálódnak. Az aldehid  sav átalakulással ugyanis –COOH (karboxil-) csoport jön létre. Bár az oxigének oxidációs számai nem változnak, mégis tudható, hogy a karboxilcsoportban a kötő elektronok igen mobilisak, és ezért az elektronéhes oxigénatomok jól magukhoz tudják vonzani őket (vagyis részlegesen oxidálni). Ennek köszönhető a karbonsavak savassága is: a –COOH csoport hidrogénjének kötő elektronját az oxigének annyira „ki tudják sajátítani”, hogy szegény hirdogén-ion (proton) inkább oldatba megy… A savmaradék –COO- csoportja delokalizált elektronfelhővel rendelkező, igen stabil struktúra, így a karbonsav jóval alacsonyabb energiaszinten áll, mint egy (akár ugyanolyan atomokból álló) aldehid. Ezért szabadulhat fel jelentős, ATP-szintzisre is fordítható energiamennyiség a glicerinaldehid – tejsav átalakulás köztes lépéseiben! Tartalomhoz