Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

8.2: Wat is glycolyse?
INHOUDSOPGAVE

JoVE Core
Biology

A subscription to JoVE is required to view this content. You will only be able to see the first 20 seconds.

Education
What is Glycolysis?
 
TRANSCRIPT

8.2: What is Glycolysis?

8.2: Wat is glycolyse?

Overview

Cells make energy by breaking down macromolecules. Cellular respiration is the biochemical process that converts “food energy” (from the chemical bonds of macromolecules) into chemical energy in the form of adenosine triphosphate (ATP). The first step of this tightly regulated and intricate process is glycolysis. The word glycolysis originates from Latin glyco (sugar) and lysis (breakdown). Glycolysis serves two main intracellular functions: generate ATP and intermediate metabolites to feed into other pathways. The glycolytic pathway converts one hexose (six-carbon carbohydrate such as glucose), into two triose molecules (three-carbon carbohydrate) such as pyruvate, and a net of two molecules of ATP (four produced, two consumed) and two molecules of nicotinamide adenine dinucleotide (NADH).

Elucidation of Glycolysis

Did you know that glycolysis was the first biochemical pathway discovered? In the mid-1800s, Louis Pasteur determined that microorganisms cause the breakdown of glucose in the absence of oxygen (fermentation). In 1897, Eduard Buchner found that fermentation reactions can still be carried out in cell-free yeast extracts, achieved by breaking open the cell and collecting the cytoplasm which contains the soluble molecules and organelles. Shortly thereafter in 1905, Arthur Harden and William Young discovered that the rate of fermentation decreases without the addition of inorganic phosphate (Pi) and that fermentation requires the presence of both a heat-sensitive component (later identified to contain a number of enzymes) and a low molecular weight, heat-stable fraction (inorganic ions, ATP, ADP and coenzymes like NAD). By 1940, with the effort of many individuals, the complete pathway of glycolysis was established by Gustav Embden, Otto Meyerhof, Jakub Karol Parnas, et al. In fact, glycolysis is now known as the EMP pathway.

Destiny of Glucose

Glucose can enter cells in two ways: Facilitated diffusion via a group of integral proteins called GLUT (glucose transporter) proteins that shuttle glucose into the cytosol. Members of the GLUT protein family are present in specific tissues throughout the human body. Alternatively, secondary active transport moves glucose against its concentration gradient via a transmembrane symporter protein. The symporter uses the electrochemical energy from pumping an ion. Examples are the sodium-glucose linked transporters in the small intestine, heart, brain, and kidneys.

Under both aerobic (O2 rich) and anaerobic (O2 deficient) conditions, glycolysis can commence once glucose enters the cytosol of a cell. There are two main phases of glycolysis. The first phase is energy-requiring and is considered a preparatory step, trapping glucose in the cell and restructuring the six-carbon backbone so that it can be efficiently cleaved. The second phase is the pay-off phase, releasing energy and generating pyruvate.

Fate of Pyruvate

Depending on the oxygen level and presence of mitochondria, pyruvate may have one of two possible fates. Under aerobic conditions, with mitochondria present, pyruvate enters the mitochondria, undergoing the Citric Acid Cycle and the electron transport chain (ETC) to be oxidized to CO2, H2O, and even more ATP. In contrast, under anaerobic conditions (i.e., working muscles) or lack of mitochondria (i.e., prokaryotes), pyruvate undergoes lactate fermentation (i.e., is reduced to lactate in anaerobic conditions). Interestingly, yeast and some bacteria under anaerobic conditions can convert pyruvate to ethanol through a process known as alcohol fermentation.

Regulation of Glycolysis

Tight control and regulation of enzyme-mediated metabolic pathways, such as glycolysis, is critical for the proper functioning of an organism. Control is exerted by substrate limitation or enzyme-linked regulation. Substrate limitation occurs when the concentration of substrate and products in the cell are near equilibrium. Consequently, the availability of the substrate determines the rate of the reaction. In enzyme-linked regulation, the concentration of substrate and products are far away from the equilibrium. The activity of the enzyme determines the rate of reaction, which controls the flux of the overall pathway. In glycolysis, the three regulatory enzymes are hexokinase, phosphofructokinase, and pyruvate kinase.

Overzicht

Cellen maken energie door macromoleculen af te breken. Cellulaire ademhaling is het biochemische proces dat "voedselenergie" (van de chemische bindingen van macromoleculen) omzet in chemische energie in de vorm van adenosinetrifosfaat (ATP). De eerste stap van dit strak gereguleerde en ingewikkelde proces is glycolyse. Het woord glycolyse is afkomstig van het Latijnse glyco (suiker) en lysis (afbraak). Glycolyse heeft twee belangrijke intracellulaire functies: ATP en intermediaire metabolieten genereren om in andere routes te voeden. De glycolytische route zet één hexose (koolhydraat met zes koolstofatomen zoals glucose) om in twee triosemoleculen (koolhydraat met drie koolstofatomen) zoals pyruvaat, en een netto van twee moleculen ATP (vier geproduceerd, twee verbruikt) en twee moleculen nicotinamide adenine dinucleotide (NADH).

Opheldering van glycolyse

Wist je dat glycolyse de eerste biochemische route was die werd ontdekt? In het midden van de 19e eeuw, Louis Pasteur stelde vast dat micro-organismen de afbraak van glucose veroorzaken bij afwezigheid van zuurstof (fermentatie). In 1897 ontdekte Eduard Buchner dat fermentatiereacties nog steeds kunnen worden uitgevoerd in celvrije gistextracten, bereikt door de cel open te breken en het cytoplasma te verzamelen dat de oplosbare moleculen en organellen bevat. Kort daarna in 1905, Arthur Harden en William Young ontdekt dat de snelheid van fermentatie verlaagt zonder de toevoeging van anorganisch fosfaat (Pi) en de fermentatie vereist de aanwezigheid van zowel een warmtegevoelige component (later geïdentificeerd als een aantal enzymen bevatten) en een hittestabiele fractie met laag molecuulgewicht (anorganische ionen, ATP, ADP en co-enzymen zoals NAD). Tegen 1940 werd met de inspanning van vele individuen het volledige pad van glycolyse vastgesteld door Gustav Embden, Otto Meyerhof, Jakub Karol Parnas, et al . In feite staat glycolyse nu bekend als de EMP-route.

Destiny of Glucose

Glucosekunnen cellen op twee manieren binnendringen: Vergemakkelijkte diffusie via een groep van integrale eiwitten die GLUT-eiwitten (glucosetransporter) worden genoemd en die glucose naar het cytosol transporteren. Leden van de GLUT-eiwitfamilie zijn aanwezig in specifieke weefsels door het hele menselijk lichaam. Als alternatief verplaatst secundair actief transport glucose tegen zijn concentratiegradiënt via een transmembraan symportereiwit. De symporter gebruikt de elektrochemische energie van het pompen van een ion. Voorbeelden zijn de aan natrium-glucose gekoppelde transporteurs in de dunne darm, het hart, de hersenen en de nieren.

Onder zowel aërobe (O 2 -rijke) als anaërobe (O 2- deficiënte) omstandigheden kan glycolyse beginnen zodra glucose het cytosol van een cel binnendringt. Er zijn twee hoofdfasen van glycolyse. De eerste fase vereist energie en wordt beschouwd als een voorbereidende stap, waarbij glucose in de cel wordt vastgehouden en de ruggengraat van zes koolstofatomen wordt geherstructureerd zodat deze efficiënt kan worden gesplitst. De tweede fase is de pay-off-fase, releasing energie en het genereren van pyruvaat.

Lot van Pyruvate

Afhankelijk van het zuurstofniveau en de aanwezigheid van mitochondriën, kan pyruvaat een van de twee mogelijke lotgevallen hebben. Onder aërobe omstandigheden, met mitochondriën aanwezig, komt pyruvaat de mitochondriën binnen en ondergaat het de citroenzuurcyclus en de elektronentransportketen (ETC) om te worden geoxideerd tot CO 2 , H 2 O en zelfs meer ATP. Daarentegen ondergaat pyruvaat onder anaërobe omstandigheden (dwz werkende spieren) of gebrek aan mitochondriën (dwz prokaryoten), lactaatfermentatie (dwz wordt gereduceerd tot lactaat in anaërobe omstandigheden). Interessant is dat gist en sommige bacteriën onder anaërobe omstandigheden pyruvaat in ethanol kunnen omzetten via een proces dat bekend staat als alcoholfermentatie.

Regulatie van glycolyse

Strikte controle en regulering van door enzymen gemedieerde metabole routes, zoals glycolyse, is van cruciaal belang voor het goed functioneren van een organisme. Controle wordt uitgeoefend door substraatbeperking of enzymgebonden regulatie. Substraatbeperking treedt op wanneer de concentratie van substraat en producten in de cel bijna in evenwicht is. Bijgevolg bepaalt de beschikbaarheid van het substraat de reactiesnelheid. Bij enzymgekoppelde regulatie is de concentratie van substraat en producten ver verwijderd van het evenwicht. De activiteit van het enzym bepaalt de reactiesnelheid, die de flux van de totale route regelt. Bij glycolyse zijn de drie regulerende enzymen hexokinase, fosfofructokinase en pyruvaatkinase.


Aanbevolen Lectuur

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter