24.2 Efnaskipti kolvetna

Við meltingu eru meltanleg kolvetni klofin í einsykrur sem frásogast um þekju smáþarma og berast með blóði til vefja. Melting sterkju hefst fyrir áhrif munnvatnsamýlasa og lýkur með bris- og burstaborðsensímum í smáþörmum. Frumur geta síðan unnið orku úr glúkósa með frumuöndun (mynd 24.4). Fyrsta stigið er sykurrof (glýkólýsa), þar sem glúkósi oxast að hluta og hluti breytingarinnar á frjálsri orku varðveitist í ATP og NADH; orkan losnar ekki einfaldlega við rof einstakra efnatengja.

Glúkósi er mikilvægt hvarfefni til ATP-myndunar en aðgengi og upptaka ráðast af vef og efnaskiptaástandi. Einsykrur úr meltingu berast fyrst með lifrarportæðakerfinu til lifrar. Lifrin getur tekið upp, losað eða geymt glúkósa sem glýkógen, en glúkósaupptaka allra líkamsfrumna er ekki háð insúlíni; insúlín örvar einkum GLUT4-miðlaða upptöku í beinagrindarvöðva og fituvef. Insúlín örvar einnig glýkógenmyndun og hamlar glúkósanýmyndun og glýkógenrofi í lifur. Glúkagon örvar einkum glýkógenrof og glúkósanýmyndun í lifur, en adrenalín getur örvað glýkógenrof bæði í lifur og vöðvum. Vöðvar nota sitt eigið glýkógen, enda skortir þá glúkósa-6-fosfatasa til að losa frjálsan glúkósa í blóð. Í sykurrofi umbreytist glúkósi í röð tíu ensímhvarfa í tvær pýrúvatsameindir og nettó myndast tvær ATP-sameindir og tvær NADH-sameindir (mynd 24.5). Lokaafurð hvors þriggja kolefna arms ferlisins er pýrúvat.

Nettójafnan sýnir að glúkósi hvarfast við tvær ADP-sameindir, tvö ólífræn fosföt og tvær NAD⁺-sameindir sem taka við afoxunarígildum. Myndefnin eru tvær pýrúvatsameindir, tvær ATP-sameindir nettó, tvær NADH, tvær H⁺ og tvær vatnssameindir. NADH flytur afoxunarígildi sem síðar geta lagt rafeindir til oxunarfosfórunar; það er ekki sjálfstæð „orkugeymsla“ sambærileg langtímabirgðum.

Í orkuskilafasanum oxar glýseraldehýð-3-fosfatdehýdrógenasi hvora glýseraldehýð-3-fosfatsameind og myndar 1,3-bisfosfóglýserat. NAD⁺ tekur við afoxunarígildi og verður NADH; tvær NADH myndast á hvern glúkósa. Fosfóglýseratkínasi flytur síðan fosfathóp frá hvoru 1,3-bisfosfóglýserati á ADP og myndar 3-fosfóglýserat og ATP. Þetta er hvarfefnisstigsfosfórun og gefur tvær ATP-sameindir á þessu þrepi.

Sykurrof þarf ekki súrefni. Þegar oxunarfosfórun getur ekki enduroxað NADH nægilega hratt, eða hvatberar vantar eins og í rauðkornum, afoxar laktatdehýdrógenasi pýrúvat í laktat og endurmyndar NAD⁺. Pýrúvat, ekki laktat, tekur þá við afoxunarígildinu; laktat kemur ekki í stað súrefnis sem lokaþegi rafeindaflutningskeðjunnar. Ferlið viðheldur sykurrofi og hraðri ATP-myndun en afraksturinn er áfram aðeins nettó tvær ATP-sameindir á hvern glúkósa. Laktat getur farið í blóð, nýst öðrum vefjum sem eldsneyti eða borist til lifrar og nýrna þar sem kolefni þess getur farið í glúkósanýmyndun, meðal annars í Cori-hringrás. Vinnandi vöðvar mynda laktat jafnvel þegar súrefni er til staðar; myndunin endurspeglar jafnvægi milli framleiðslu og oxunar pýrúvats og NADH en ekki einfaldlega súrefnisleysi.

Þegar hvatberar og súrefni eru tiltæk er pýrúvat flutt í hvatberagrunnfrymið og oxað í asetýl-CoA áður en það fer í sítrónusýruhringinn. NAD⁺ og FAD taka við afoxunarígildum, en GDP er hvarfefni við hvarfefnisstigsfosfórun (mynd 24.6). Við oxun pýrúvats og hringinn myndast CO₂, NADH, FADH₂ og GTP eða ATP. NADH og FADH₂ leggja rafeindir til rafeindaflutningskeðjunnar, sem myndar prótónuhreyfikraft fyrir ATP-syntasa. Súrefni er lokaþegi rafeinda og myndar vatn.

Pýrúvatsameindirnar sem myndast við sykurrof eru fluttar inn í hvatberagrunnfrymið. Þar oxar pýrúvatdehýdrógenasafléttan þær fyrst í asetýl-CoA. Asetýlhópurinn fer síðan inn í sítrónusýruhringinn, sem einnig nefnist Krebs-hringur eða þríkarboxýlsýruhringur (TCA-hringur; mynd 24.7). Í oxun pýrúvats og sítrónusýruhringnum myndast CO₂, NADH, FADH₂ og GTP eða ATP. NADH og FADH₂ flytja rafeindir til rafeindaflutningskeðjunnar, þar sem frjáls orka rafeindaflutnings er notuð til að mynda prótónustigul sem knýr ATP-myndun.

Þriggja kolefna pýrúvat sem myndast við sykurrof berst úr umfrymi inn í hvatberagrunnfrymið. Pýrúvatdehýdrógenasafléttan umbreytir því þar í tveggja kolefna asetýlkóensím A (asetýl-CoA) með oxandi afkarboxýleringu. Við hvarfið losnar koltvísýringur og NAD⁺ afoxast í NADH. Asetýl-CoA fer síðan inn í sítrónusýruhringinn: tveggja kolefna asetýlhópurinn tengist fjögurra kolefna oxalóasetati og myndar sex kolefna sítrat, eða sítrónusýru, en kóensím A losnar. Asetýl-CoA er þannig tengiliður milli oxunar pýrúvats og hringsins.

Sex kolefna sítratinu er umbreytt í röð hvarfa, fyrst í fimm kolefna milliefni og síðan fjögurra kolefna milliefni, þar til oxalóasetat endurmyndast. Við einn hring fyrir hvern asetýlhóp myndast þrjár NADH-sameindir, ein FADH₂-sameind og ein GTP-sameind sem jafngildir einni ATP-sameind. NADH og FADH₂ leggja rafeindir til oxunarfosfórunar við innri hvatberahimnuna. Milliefni sítrónusýruhringsins tengja hringinn einnig við nýmyndun og niðurbrot amínósýra, fitusýra og annarra sameinda; hringurinn er því bæði niðurbrots- og uppbyggingarleið.

Sítratsyntasi tengir asetýl-CoA við oxalóasetat og myndar sex kolefna sítrat; CoA losnar og getur tekið þátt í nýrri oxun pýrúvats. Akónítasi umbreytir sítrati í ísósítrat. Í tveimur oxandi afkarboxýleringum umbreytir ísósítratdehýdrógenasi ísósítrati í fimm kolefna alfa-ketóglútarat og alfa-ketóglútaratdehýdrógenasafléttan umbreytir því síðan í fjögurra kolefna súksínýl-CoA. Við þessi tvö hvarfþrep losna tvær CO₂-sameindir og myndast tvær NADH-sameindir. Súksínýl-CoA-syntetasi umbreytir súksínýl-CoA í súksínat og myndar GTP með hvarfefnisstigsfosfórun; GTP getur síðan flutt fosfathóp á ADP og myndað ATP. Súksínatdehýdrógenasi oxar súksínat í fúmarat og myndar FADH₂. Fúmarasi umbreytir fúmarati í malat og malatdehýdrógenasi oxar malat í oxalóasetat um leið og NAD⁺ afoxast í NADH. Oxalóasetatið getur þá tekið við næsta asetýl-CoA (sjá mynd 24.7). Fyrir hvern hring myndast þrjár NADH, ein GTP eða ATP og ein FADH₂ ; tvær CO₂ losna. Þegar ferlið er skoðað yfir marga hringi losna kolefnisatóm sem komu inn með pýrúvati samanlagt sem CO₂ við oxun pýrúvats og í sítrónusýruhringnum.

Rafeindaflutningskeðjan (ETC) tekur við rafeindum frá NADH og FADH₂. Rafeindirnar flytjast um fjórar prótínfléttur (flóka I–IV) í innri hvatberahimnunni og tvo hreyfanlega bera, ubíkínón eða kóensím Q og cýtókróm c. Flóki II tekur við rafeindum frá FADH₂ án þess að dæla prótónum, en flókar I, III og IV tengja rafeindaflutning við dælingu H⁺ úr hvatberagrunnfrymi í millihimnubil (mynd 24.8). Rafeindaflutningur frá NADH að lokaþeganum O₂ tengist flutningi H⁺ yfir innri himnuna og myndar rafefnafræðilegan prótónustigul sem knýr oxunarfosfórun. Sameindasúrefni, O₂, er lokaþegi rafeinda við flóka IV. Þar tengjast rafeindir sameindasúrefni, O₂, og H⁺ og mynda vatn. Ef súrefni vantar stöðvast rafeindaflæði um keðjuna og enduroxun NADH og FADH₂; súrefnið myndar þó ekki ATP með beinu hvarfi við ADP.

Rafeindir frá NADH og FADH₂ flytjast milli bera keðjunnar. Hver beri afoxast þegar hann tekur við rafeindum og oxast þegar hann afhendir þær næsta bera. Nettóbreyting frjálsrar orku við flutninginn knýr prótónudælingu í flókum I, III og IV; ekki hvert einstakt skref dælir H⁺. Uppsöfnun prótóna í millihimnubilinu myndar rafefnafræðilegan stigul og prótónuhreyfikraft gagnvart hvatberagrunnfryminu.

ATP-syntasi er prótínflétta í innri hvatberahimnunni. H⁺-jónir flæða niður rafefnafræðilegan stigul og aftur inn í hvatberagrunnfrymið. Þegar H⁺-jónirnar fara um fléttuna snýst hluti hennar og hreyfingin tengist myndun ATP úr ADP og P_i. ATP-syntasi nýtir þannig prótónuhreyfikraftinn; prótónurnar verða ekki hluti af ATP-sameindinni. Þegar áætlaður ATP-afrakstur loftháðrar frumuöndunar er reiknaður þarf að hafa eftirfarandi í huga:

Heildarafrakstur loftháðrar oxunar einnar glúkósasameindar í heilkjörnungafrumu er því yfirleitt áætlaður um 30–32 ATP-sameindir, eftir meðal annars því hvaða ferja flytur afoxunarígildi umfrymis-NADH inn í hvatbera (mynd 24.9).

Glúkósanýmyndun er ekki einfaldlega sykurrof aftur á bak, því þrjú mjög útvermin og stýrð skref sykurrofs eru sniðgengin með öðrum ensímum (mynd 24.10). Pýrúvatkarboxýlasi umbreytir pýrúvati fyrst í oxalóasetat og fosfóenólpýrúvatkarboxýkínasi (PEPCK) umbreytir oxalóasetati síðan í fosfóenólpýrúvat (PEP). PEP umbreytist um afturkræf skref fyrst í 2-fosfóglýserat og síðan 3-fosfóglýserat. 3-fosfóglýseratið umbreytist svo í 1,3-bisfosfóglýserat og glýseraldehýð-3-fosfat. Önnur af tveimur glýseraldehýð-3-fosfatsameindum er ísómeruð í díhýdroxýasetónfosfat og aldólasi tengir þríósafosfötin í frúktósa-1,6-bisfosfat. Frúktósa-1,6-bisfosfatasi myndar frúktósa-6-fosfat og eftir ísómeringu myndast glúkósa-6-fosfat. Að lokum myndar glúkósa-6-fosfatasi frjálsan glúkósa. Þannig koma glúkósa-6-fosfatasi og frúktósa-1,6-bisfosfatasi í stað bakhvarfa hexókínasa og fosfófrúktókínasa-1, ásamt sniðgönguleið með tveimur ensímum fram hjá pýrúvatkínasahvarfinu. Myndun einnar glúkósasameindar úr tveimur pýrúvötum kostar fjórar ATP-, tvær GTP- og tvær NADH-sameindir og er stýrt gagnstætt sykurrofi.