biochemie5

Mitochondriaal Metabolisme: Krebs en ETK

• Mitochondriën zijn de "brandstofcentrales van de cel", waar de laatste stappen van de verbranding van nutriënten plaatsvinden.

12.1 Mitochondriën

• Mitochondriën zijn celorganellen die gespecialiseerd zijn in het aëroob katabolisme van brandstoffen zoals pyruvaat, vetzuren en aminozuren.
• Ze gebruiken bijna alle zuurstof die cellen nodig hebben.

12.1.1 Opbouw

• Mitochondriën bestaan uit twee lipidemembranen: een buitenste en een binnenste.
• Het buitenste membraan is doorlaatbaar voor kleine moleculen vanwege porievormende eiwitten.
• Het binnenste membraan laat polaire moleculen alleen door via specifieke transporteiwitten en scheidt de mitochondriale matrix van het cytoplasma.
• De matrix bevat enzymen voor oxidatieve decarboxylatie (ETK), de citroenzuurcyclus en vetzuuroxidatie.
• Mitochondriën hebben hun eigen DNA en lijken op aërobe prokaryotische cellen.
• Men denkt dat eukaryote cellen zijn ontstaan uit een symbiose tussen een aërobe prokaryoot en een anaërobe voorloper van een eukaryote cel.
• Het binnenste membraan is sterk golvend en vormt cristae, die het oppervlak vergroten.
• Het binnenste membraan bevat integrale membraaneiwitten voor oxidatieve fosforylatie, inclusief elektronentransport (ademhalingsketen, elektronentransportketen) en ATP-synthese.

12.2 Krebscyclus of citroenzuurcyclus

• De citroenzuurcyclus is een gemeenschappelijk eindstadium in de verbranding van suikers, vetzuren en aminozuren.
• AcetylCoA komt de cyclus binnen en wordt in negen stappen geoxideerd tot 2CO_2.
• Hierbij ontstaan 1 GTP, 1 FADH2, en 3 NADH.
• Elektronenparen van NADH en FADH2 worden afgestaan aan de ademhalingsketen.
• Hans Adolf Krebs ontdekte de ureumcyclus in 1932 en de citroenzuurcyclus in 1937, waarvoor hij in 1953 de Nobelprijs ontving.

12.2.1 Stap voor stap

• De citroenzuurcyclus bestaat uit 9 reacties.

STAP 1:

• Oxaalazijnzuur (4C) condenseert met acetylCoA (2C) tot citroenzuur (6C), gekatalyseerd door citraatsynthase.

STAP 2 en 3:

• Citroenzuur wordt via cisaconietzuur omgezet in isocitroenzuur door aconitase, waarbij een dehydratatie- en hydratatiereactie plaatsvinden.

STAP 4:

• Isocitroenzuur wordt geoxideerd door NAD+ tot α-ketoglutaarzuur, waarbij NADH en CO2 worden gevormd. Dit wordt gekatalyseerd door isocitraatdehydrogenase.
• α-ketoglutaarzuur speelt een rol in het aminozuurmetabolisme.

STAP 5:

• α-ketoglutaarzuur wordt geoxideerd en decarboxyleert tot barnsteenzuur-CoA (succinyl-CoA), NADH, en CO2, gekatalyseerd door het α-ketoglutaarzuurdehydrogenase complex.

STAP 6:

• Succinyl-CoA wordt omgezet in barnsteenzuur (succinaat), waarbij GTP wordt gevormd en HSCoA vrijkomt. Deze reactie wordt gekatalyseerd door succinylCoA-synthetase (thiokinase).
• De hydrolyse van de thioesterbinding levert voldoende energie (-33kJ) op voor de vorming van GTP.

STAP 7:

• Barnsteenzuur wordt omgezet in fumaarzuur (fumaraat), waarbij FAD wordt gereduceerd tot FADH2. Dit wordt gekatalyseerd door barnsteenzuurdehydrogenase (succinaatdehydrogenase).

STAP 8:

• Fumaarzuur wordt omgezet in malonzuur (malonaat) onder opname van water, gekatalyseerd door fumaraat hydratase.

STAP 9:

• Malonzuur wordt geoxideerd door NAD+ tot oxaalazijnzuur en NADH, gekatalyseerd door malonzuurdehydrogenase (malonaatdehydrogenase).
• De cyclus is rond en kan opnieuw beginnen.

12.2.2 Samenvattend

• De cyclus is onomkeerbaar vanwege onomkeerbare reacties (1, 4, 5 en 6).
• Essentiële punten van de Krebscyclus:
  • De 2C-atomen van acetyl-CoA verlaten de cyclus als 2CO_2.
  • Er wordt geen O2 rechtstreeks verbruikt, maar de cyclus is strikt aëroob omdat zuurstof nodig is voor de oxidatie van NADH en FADH2.
  • Er zijn vier dehydrogenatiereacties waarbij 4 Imes 2H^+ en 4 Imes 2e^- worden overgedragen aan NAD+ en FAD.
  • De energie-opbrengst is minimaal: slechts één GTP wordt direct gevormd.

12.2.3 Functie

• De hoofdfunctie van de citroenzuurcyclus is de oxidatie van acetyl tot CO_2, waarbij reducerende kracht wordt vastgelegd als NADH en FADH2.
• De Krebscyclus is belangrijk voor zijn intermediaire producten.
• Kataplerose: Producten van de cyclus kunnen worden gebruikt in andere metabole wegen, zoals α-ketoglutaraat en oxaloacetaat voor aminozuurbiosynthese, succinylCoA voor porfyrinesynthese en citraat voor vetzuursynthese.
• Anaplerose: Intermediairen die weggesnoept zijn, worden terug aangevuld. Hieronder een table met intermediairen en hun anaplerotische voorlopers
  • Acetyl-CoA: Glycolyse van suikers, afbraak van vetzuren, aminozuren en glycerol
  • α-ketoglutaraat: Afbraak van aminozuren, citrulline en ornithine
  • Oxaloacetaat: Afbraak van asparaginezuur en asparagine
  • Fumaarzuur: Afbraak van tyrosine en fenylalanine
• Aminozuurmetabolisme levert ideale moleculen voor anaplerose.
• Ketogene aminozuren leiden tot AcetylCoA en Acetoacetyl-CoA, terwijl glucogene aminozuren via intermediairen aan de Krebscyclus bijdragen.

12.2.4 Regeling van de citroenzuurcyclus

• AcetylCoA kan in de mitochondriale matrix worden verbrand via de citroenzuurcyclus en ETK, of worden geëxporteerd naar het cytosol voor vetzuur- of cholesterolbiosynthese.
• De keuze hangt af van de energy charge van de cel.
• De cyclus wordt gereguleerd door:
  • Beschikbaarheid van substraten: NAD+ en FAD zijn nodig voor de cyclus.
  • Allosterische controle van enzymen: isocitraatdehydrogenase wordt geremd door ATP en geactiveerd door ADP.

12.3 Elektronentransport keten en oxidatieve fosforylering

• Na de Krebscyclus worden elektronenparen van NADH en FADH2 afgegeven aan zuurstof, waarbij ATP ontstaat (oxidatieve fosforylatie).
• Dit vindt plaats in de mitochondria en bestaat uit:
  1. De elektronentransportketen (ETK): Elektronen van NADH en FADH2 worden via een keten van eiwitten in het binnenste mitochondriale membraan doorgegeven. De potentiële energie die hier vrijkomt, wordt gebruikt om protonen actief tegen het concentratiegradiënt uit de mitochondriale matrix te pompen, de intermembranaire ruimte in.
  2. De synthese van ATP: Protonen stromen door speciale kanalen van de binnenste mitochondriale membraan terug in de matrix, waardoor de energie die hierbij vrijkomt gebruikt wordt om ATP te vormen uit ADP en Pi. Het mitochondriaal ATP-synthase is hiervoor verantwoordelijk.

12.3.1 De elektronentransportketen

• In het binnenste mitochondriaal membraan zitten eiwitten dicht bij elkaar, in een vaste volgorde.
• Deze eiwitstructuren deelt men op in de namen complex I-II-III-IV en uiteindelijk V.
• Complexen I-II-III-IV bevatten prosthetische groepen (flavines, quinonen, heemgroepen) die elektronen kunnen opnemen en doorgeven.
• NADH geeft een elektronenpaar af aan complex I, waarna de elektronen worden doorgegeven naar complex III en IV. Bij complex IV worden de elektronen gebruikt om zuurstof te reduceren tot H_2O.
• FADH2 geeft elektronen af aan complex II, waarna ze via ubiquinon naar complex III en cytochroom c naar complex IV worden doorgegeven.
• Veel eiwitten in de ETK hebben een vitamine of essentieel voedingsbestanddeel als prosthetische groep. Een tekort hieraan kan de ETK vertragen.
• Bij de stapsgewijze overdracht van elektronen komt energie vrij, die wordt gebruikt om protonen over het binnenste mitochondriale membraan te verplaatsen.
• De elektronen in de ETK verliezen telkens een beetje energie als gevolg van een verschil in redoxpotentiaal. Deze energie wordt gebruikt voor het verplaatsen van protonen.
• Verschillen in redoxpotentiaal drijven de ETK aan.
• Protonen worden verplaatst van de mitochondriale matrix naar de intermembranaire ruimte
  1. Doorheen complex I – NADH dehydrogenase complex: 4 protonen netto
  2. Doorheen complex III – cytochroom complex: 4 protonen netto
  3. Doorheen complex IV – cytochroom oxidase: 2 protonen netto
• Alle complexen in de ETK kunnen elektronen lekken, waardoor zuurstof gedeeltelijk wordt gereduceerd tot vrije zuurstofradicalen (O_2∙).
• Deze vrije radicalen kunnen aanleiding geven tot Reactive Oxygen Species (ROS).
• Superoxide dismutase kan vrije radicalen omzetten tot waterstofperoxide (H2O2), dat door katalase kan worden omgezet tot H_2O.

12.3.2 De vorming van ATP

• Het opgebouwde protonengradiënt uit de ETK drijft de productie van ATP aan.
• Protonen migreren terug naar de mitochondriale matrix via het mitochondriaal ATP synthase (complex V).
• Wanneer 3 protonen doorheen dit complex terugstromen naar de matrix, drijven ze dit eiwit aan tot de koppeling van ADP en Pi met de vorming van ATP.

12.3.3 De energie-opbrengst

• De verwerking van één mol acetylCoA levert:
  • Vanuit de Krebscyclus:
    • 1 directe ATP
    • 3 x NADH
    • 1 x FADH2
    • 1 x GTP → GTP + ADP → GDP + ATP
    • Subtotaal: 1 ATP
  • Vanuit de ETK en oxidatieve fosforylering:
    • 3 x NADH → 3 x 10 protonen intermembranair gebracht → +/- 3 x 3 ATP gevormd
    • 1 x FADH2 → 1 x 6 protonen intermembranair gebracht → +/- 1 x 2 ATP gevormd
    • Subtotaal: 11 ATP
  • In totaal levert de verbranding van één mol acetylCoA dus (1+11) = 12 mol ATP op.
  • De splitsing van één mol ATP levert 30 kJ op, dus een energie-opbrengst van 360 kJ/mol.

12.3.4 Regeling van de oxidatieve fosforylatie

• De oxidatieve fosforylatie wordt geregeld door de beschikbaarheid van het substraat ADP.
• Hoe meer ATP verbruikt wordt in de cel, hoe meer ADP zich ophoopt, en hoe sneller er opnieuw ATP zal gevormd worden. De beschikbaarheid van andere substraten, zoals NADH en O_2, speelt natuurlijk ook een rol.

12.3.5 Respiratoire ontkoppeling

• Elektronentransport en fosforylatie van ADP kunnen ontkoppeld worden door een “lek” van protonen door het binnenste membraan.
• Oorzaken zijn:
  • Proton-ionoforen: Bestanddelen die protonen binden en door het membraan dringen (zoals 2-dinitrofenol, ethanol, XTC).
  • UCP (uncoupling proteins): Eiwitten in het binnenste mitochondriale membraan die protonen doorlaten, zodat oxidatie van voedingsstoffen geen ATP oplevert, maar alleen warmte. Dit speelt een rol in de thermoregulatie (vooral bij pasgeborenen).
  • Inhibitoren van de ETK: Stoffen die de elektronenoverdracht verhinderen (zoals cyanide en koolstofmonoxide bij complex IV).
• UCP2 komt voor in vetcellen, immuuncellen en de Eilandjes van Langerhans (pancreas) en zorgt voor protonverlies, waardoor de werking van het ATP-synthase wordt omzeild. De energie komt hierbij dan vrij o.v.v. warmte.
• Bij een vetrijk dieet blijkt de expressie van UCP2 toegenomen. Dit leidt tot een groter verlies aan energie o.v.v. warmte; energie die dus niet wordt opgeslagen als (reserve) vetweefsel.
• In de cellen van Langerhans wordt de insulinesecretie getriggerd door een hoge ATP-inhoud van de cel. Wanneer de cel dan over meer UCP2 beschikt, zal er méér energie verloren gaan o.v.v. warmte en zal er minder ATP gevormd worden. Wanneer de bloedsuikerspiegel stijgt, zal de cel dan minder insuline vrijstellen. Dit laatste bevordert de ontwikkeling van diabetes, een nadeel dus.

12.4 Transport van NADH en ATP over mitochondriaal membraan

12.4.1 Transport van NADH in de mitochondriën

• Belangrijke metabole wegen, waaronder de glycolyse, gaan door in het cytosol.
• NADH kan niet zomaar doorheen het binnenste mitochondriaal membraan. Het kan wel de matrix ingebracht worden door een “shuttle”mechanisme.
• Twee mogelijkheden zijn de glycerol-3-fosfaat shuttle en de malaat-aspartaat shuttle.
• Bij de glycerol-3-fosfaat shuttle worden de elektronen van NADH + H+ (buiten het binnenste mitochondriaal membraan) onrechtstreeks overgedragen naar FADH2 (in het binnenste mitochondriaal membraan). Zo wordt in het cytoplasma opnieuw NAD+ beschikbaar om gebruikt te worden in (o.a.) de glycolyse.
• Eigenlijk worden de elektronen van NADH gebruikt om DHAP om te zetten in glycerol- 3-fosfaat. In het binnenste mitochondriaal membraan is er echter een glycerol-3-fosfaat dehydrogenase complex dat dan opnieuw glycerol-3-fosfaat omzet in DHAP, maar dat dan als cofactor FAD gebruikt en die omzet in FADH2.
• Deze shuttle is aanwezig in hersen- en spiercellen.
• Bij de malaat-aspartaat shuttle worden de elektronen van NADH ook via een onrechtstreeks mechanisme binnengebracht in de matrix, maar worden ze daar opnieuw overgedragen tot NADH + H+. Zo wordt in het cytoplasma opnieuw NAD+ beschikbaar om gebruikt te worden in (o.a.) de glycolyse.
• Hierbij zijn twee transporteiwitten betrokken: een glutamaat-aspartaat translocase en een malaat-α-ketoglutaraat translocase. Deze shuttle is aanwezig in lever- en hartcellen.
• Glycerol-3-fosfaatshuttle levert 2 ATP’s op, daar waar de malaatshuttle 3ATP’s oplevert

12.4.2 Transport van ATP in de mitochondriën

• Het binnenste mitochondriaal membraan bevat een ATP/ADP-carrier, die ATP vanuit de matrix naar het cytoplasma kan vervoeren, in ruil voor ADP dat in omgekeerde richting vervoerd wordt.

13 Stofwisseling van koolhydraten

13.1 Koolhydraatvertering

• Belangrijkste verteerbare koolhydraten: zetmeel, glycogeen, sucrose, lactose, glucose en fructose.
• Deze worden in het spijsverteringsstelsel gehydrolyseerd tot monosacchariden, met behulp van enzymen.
• De koolhydraatvertering start in de mond door de inwerking van speekselamylase.
• Eens in de maag blijft het amylase nog even doorwerken, met de splitsing van poly- tot di- en trisacchariden. Na ong. 1,5 u is het amylase echter geïnactiveerd door (o.a.) het zure maagmilieu.
• In de dunne darm zet amylase uit het pancreassap zijn werk verder. Uiteindelijk worden de polysacchariden volledig afgebroken tot di- (en soms tri-)sacchariden.
• Aan de darmwand bevinden zich lactase, maltase en sucrase die lactose, maltose en sucrose splitsen.
• De monosacchariden glucose, fructose en galactose worden in de bloedbaan opgenomen.
• Galactose en fructose worden in de lever tot glucose omgezet.
• Voedingsvezel bestaat vaak ook uit koolhydraten, die ons lichaam niet (of quasi niet) kan verteren. Dit komt omdat ons lichaam niet over de nodige enzymen beschikt voor bv. het breken van een β-1,4-binding tussen glucose-eenheden, zoals in cellulose.
• Glucose kan verschillende metabolische processen ondergaan:
  1. Gebruikt worden als energiebron in de glycolyse, Krebscyclus en ETK.
  2. Worden opgeslagen als glycogeen (glycogenese). Opslag op 2 plekke:
     • Hart-, spier- en vetweefsel gebruiken hun glycogeenvoorraad enkel voor lokale energievoorziening.
     • De lever kan echter zijn glycogeenvoorraad gebruiken om de glucoseconcentratie in de algemene circulatie (glycemie) op peil te houden.
  3. Wordt gevormd uit niet-koolhydraat precursoren in de gluconeogenese. De lever en de nieren beschikken over de correcte enzymen om de “omgekeerde weg van de glycolyse” te laten doorgaan. Deze glucosesynthese vereist energie, om sommige irreversibele stappen uit de glycolyse te omzeilen.

13.2 Absorptie van koolhydraten

• De vertering van koolhydraten levert monosacchariden op aan het oppervlak van de enterocyten.
• Deze monosacchariden zijn polair en worden via transporteiwitten door de membranen getransporteerd.
• Twee soorten transporteiwitten:
  1. Glucosetransporters (GLUTs): faciliteren de diffusie van glucose volgens het concentratiegradiënt. Bv GLUT2, is zowel in het apicale (luminale, langs de zijde van de darmholte) als in het basale (langs de zijde van de interstitiële ruimte en dus bloedbaan) aanwezig.
  2. Natrium/Glucose-cotransporters: transporteren glucose samen met Na+-ionen door het luminale membraan. Het Na+-ion wordt door het Na/K-ATP-ase actief teruggepompt.
• Naast glucose levert de vertering van koolhydraten ook de monosacchariden fructose en galactose op. Galactose wordt getransporteerd door de GLUT2. Fructose passeert het luminale membraan via een GLUT5 transporter, en gebruikt dan de GLUT2-transporter in het basolaterale membraan om naar de bloedbaan te geraken.
• Tijdens de actieve fase van de vertering is de concentratie aan vrij glucose ter hoogte van het luminale membraan zeer hoog (tot 200 mM). In de bloedbaan is tijdens deze fase een glucoseconcentratie van 10mM aanwezig. Dit betekent dat er een sterk concentratiegradiënt bestaat van glucose, vanuit het darmlumen naar de bloedbaan. Glucosetransport zal tijdens deze fase dan ook vooral passief gebeuren, via de GLUT2 transporter.
• Wanneer de vertering op zijn einde loopt, en al een groot deel glucose geabsorbeerd werd, wil het lichaam liefst zo min mogelijk glucose via de stoelgang laten verloren gaan. Het concentratiegradiënt is niet meer zo sterk aanwezig, en daarom wordt glucose tijdens deze fase vooral op een actieve manier geresorbeerd, nl. via het systeem Na/Glucose- cotransporter en de Na/K-ATP-ase als drijvende kracht. Hierdoor kunnen zelf de laatste restjes glucose tégen het concentratiegradiënt in naar de bloedbaan gebracht worden.

13.3 Transport naar en in de weefsels

• Glucose is polair en lost gemakkelijk op in het bloed.
• Om een weefselcel binnen te dringen, is het afhankelijk van glucosetransporters (GLUTs) voor gefaciliteerde diffusie.
• Verschillende GLUTs met eigen functie en orgaanspecificiteit:

• Enkel GLUT2, GLUT4 en GLUT5 zijn te kennen.

13.4 Glycolyse

• De glycolyse is het belangrijkste proces in de cel waarbij glucose als uitgangsproduct optreedt in de energievoorziening van de cel.
• De glycolyse gaat door in het cytoplasma van een cel en is voor elk organisme, inclusief micro-organisme, hetzelfde.
• Het eindproduct van deze reactieketen is pyruvaat.
• Tijdens anaërobe omstandigheden (bv. spiercontractie- wordt pyruvaat gereduceerd tot lactaat of melkzuur), zodat NADH-ophoping wordt vermeden en de glycolyse niet stilvalt
• Tijdens aërobe omstandigheden wordt NADH door de mitochondriën verwerkt, en wordt ATP gemaakt.

13.4.1 Samenvattend

• De tien stappen in de glycolyse kunnen in twee stadia onderverdeeld worden:

  • De omzetting van glucose (6C-atomen) in één molecule glyceraldehyde-3- fosfaat (3C-atomen) en één molecule dihydroxyacetonfosfaat, waarbij er een investering van ATP optreedt. Tweemaal vindt er een fosforylatie plaats met als resultaat een activatie van de tussenproducten. Dit gedeelte van de glycolyse wordt het sterkst gereguleerd. (zie stap 1 t.e.m. 5)
    • De molecule dihydroxyacetonfosfaat wordt verder omgezet tot glyceraldehyde-3- fosfaat (zie stap 5), zodat vaak ook gezegd wordt dat glucose wordt omgezet in twee moleculen glyceraldehyde-3-fosfaat.
  • De omzetting van glyceraldehyde-3-fosfaat naar pyruvaat. In deze fase wordt eerst de energie-investering van de eerste fase teruggewonnen, en wordt in de laatste stap een nettowinst van 2ATP per glucose geboekt. Deze laatste stap leidt tot de vorming van pyruvaat, het eindproduct van de glycolyse. De ATP-productie in de glycolyse geschiedt door overdracht van energierijke fosfaatesters op ADP (substraatgebonden fosforylering).

• Verschillende enzymen uit de glycolyse gebruiken magnesiumionen als cofactor (fosfofructokinase-1, fosfoglyceraatkinase, enolase en pyruvaat kinase). Een voldoende inname van Mg^{2+} is dus essentieel voor een vlotte stofwisseling.

13.4.2 Stap voor stap

STAP 1: De activatie van glucose

• Glucose wordt gefosforyleerd tot glucose-6-fosfaat door hexokinase, waarbij één ATP-molecuul wordt verbruikt.
• Door de fosforylatie van glucose wordt het een sterk polaire molecule, die zo ‘gevangen’ zit in de cel, en niet meer doorheen de GLUTs naar buiten kan glippen. Bovendien zorgt het er ook voor dat de hoeveelheid glucose in de cel continu laag gehouden wordt, zodat het concentratiegradiënt behouden blijft.

STAP 2: Isomerisatie van glucose-6-fosfaat naar fructose-6-fosfaat

• Glucosefosfaat isomerase zet glucose-6-fosfaat om in fructose-6-fosfaat.

STAP 3: Fosforylatie van fructose-6-fosfaat naar fructose-1,6-bifosfaat

• Fosfofructokinase-1 brengt een fosfaatgroep over van ATP naar fructose-6-fosfaat, waarbij ADP en fructose-1,6-bifosfaat ontstaan. Hierbij wordt opnieuw één molecuul ATP verbruikt.
• Deze stap wordt sterk geregeld.

STAP 4: Vorming van de triosefosfaten glyceraldehydefosfaat en dihydroxyacetonfosfaat

• Fructose-1,6-bifosfaat breekt in dihydroxyacetonfosfaat en glyceraldehyde-3-fosfaat door aldolase.

STAP 5: Isomerisatie van dihydroxyacetonfosfaat tot glyceraldehydefosfaat

• Triosefosfaat isomerase zet dihydroxyacetonfosfaat om in glyceraldehyde-3-fosfaat.

STAP 6: Oxidatie van glyceraldehyde-3-fosfaat tot 1,3-bifosfoglyceraat (1,3-BFG)

• Glyceraldehyde-3-fosfaat dehydrogenase katalyseert de oxidatie van glyceraldehyde-3-fosfaat tot 1,3-bifosfoglyceraat. Hierbij wordt een anorganisch fosfaat aan glyceraldehyde-3-fosfaat gekoppeld.
• Bij deze reactie wordt dus géén ATP verbruikt, de extra fosfaat is afkomstig van een vrije fosfaat in de cel !!!
• Deze reactie levert bovendien 1 NADH op per oxidatie van glyceraldehyde-3-fosfaat, dus 2 NADH als je uitgaat van de verwerking van 1 glucose.

STAP 7: Fosforylatie op substraatniveau

• De energierijke fosfaatgroep van 1,3-BFG wordt overgedragen op ADP, waardoor ATP en 3-fosfoglyceraat ontstaan. Dit wordt gekatalyseerd door fosfoglyceraat kinase.

STAP 8: Herschikking van fosfaat

• Fosfoglyceromutase zet 3-fosfoglyceraat om in 2-fosfoglyceraat.

STAP 9: Vorming van enolfosfaat

• Een watermolecuul wordt aan het 2-fosfoglyceraat onttrokken, zodat fosfoenolpyruvaat ontstaat. Deze reactie wordt gekatalyseerd door het enzym enolase.

STAP 10: Een tweede fosforylatie op substraatniveau naar pyruvaat

• De laatste enzymatische stap van de glycolyse is de omzetting van PEP tot pyruvaat door pyruvaat kinase. Op deze wijze wordt opnieuw een ATP-molecuul geproduceerd.

13.4.3 De verdere metabole bestemming van pyruvaat

• De verdere metabole bestemming van pyruvaat hangt af van het celtype en de beschikbaarheid van zuurstof.

Anaërobe glycolyse

• In afwezigheid van zuurstof wordt NADH gerecycled tot NAD+ door lactaat dehydrogenase (LDH), dat pyruvaat omzet in lactaat.
• In menselijke weefsels kan de anaërobe glycolyse ook doorgaan:
  • In witte dwarsgestreepte spiercellen wordt tijdens spieractiviteit heel snel ATP verbruikt. De mitochondriën kunnen niet snel genoeg volgen, en daarom wordt NAD+ geregenereerd via het melkzuursysteem.
  • Rode bloedcellen bezitten geen mitochondria, en kunnen glucose enkel afbreken via anaërobe weg.
  • Bij pathologisch zuurstoftekort (ischemie) kan een lichaamscel toch nog een tijdje voort op de energie vrijgemaakt via de anaërobe glycolyse.

Aërobe glycolyse

• Pyruvaat wordt verwerkt tot acetylCoA, om deel te nemen aan de Krebscyclus en energie te winnen uit oxidatieve fosforylering.
• Pyruvaat kan doorheen het binnenste mitochondriaal membraan omdat er een MPC-eiwit (mitochondrial pyruvate carrier) bestaat, opgebouwd uit twee subeenheden MPC1 en MPC2.
• Het enzym verantwoordelijk voor de omzetting van pyruvaat naar acetylCoA heet het pyruvaat dehydrogenase (PDH).
• PDH is een multi-enzym complex/metabolon met 3 katalytische centra en dat wel 5 coënzymen nodig heeft om goed te kunnen werken:
  1. TPP: thiaminepyrofosfaat, afgeleid van vitamine B1
  2. NAD+, afgeleid van niacine of vitamine B3
  3. FAD, afgeleid van riboflavine of vitamine B2
  4. Coenzyme A, afgeleid van pantotheenzuur of vitamine B5
  5. Liponzuur, zelf in het lichaam gemaakt uitgaande van octaanzuur
• De reactie is irreversibel (ΔG = -33 kJ/mol), wat betekent dat koolhydraten kunnen worden omgezet in vet (via de vorming van acetylCoA, zie vetzuursynthese), maar de omgekeerde reactie is niet mogelijk: acetylCoA kan niet worden omgezet in pyruvaat!
• Deficiënties in één van deze stoffen kan leiden tot een slechte werking van het PDH, en het opstapelen van pyruvaat in de cel (hyperpyruvatemie). Als alternatief wordt dit dan maar verwerkt tot lactaat, dat zich dan kan opstapelen in het bloed en tot verzuring kan leiden(lactaatacidose) , met aantasting van het zenuwstelsel tot gevolg.

13.4.4 Functie

• De glycolyse is in hoofdzaak een katabole route: het is de belangrijkste route langswaar glucose afgebroken wordt voor de energievoorziening van de cel.
• Behalve ATP en NADH levert de glycolyse echter ook bouwstenen voor de cel:
  • Glucose-6-fosfaat kan omgezet worden in ribose-5-fosfaat, een bouwsteen van nucleotiden.
  • De triosefosfaten dihydroxyacetonfosfaat en glyceraldehyde-3-fosfaat zijn voorlopers van glycerol-3-fosfaat, een bouwsteen voor de synthese van lipiden, en ook voor het aminozuur serine.
  • Pyruvaat is een voorloper van het aminozuur alanine.
  • Pyruvaat levert via pyruvaatdecarboxylase (onderdeel van het pyruvaatdehydrogenase) extra Krebscyclus intermediairen op, die ook als bouwstenen kunnen dienen voor o.a. aminozuren, vetzuren en porfyrines.

13.4.5 Regeling

• Er zijn drie sleutelenzymen in de glycolyse, die de pathway beïnvloeden:
  • Hexokinase wordt allosterisch geremd door glucose-6-fosfaat (productinhibitie).
    • Hexokinase is het isoenzyme aanwezig in spierweefsel en heeft een zeer hoge affiniteit voor