BIOKIMIA PANGAN 5 (STKIP Muhammadiyah Sorong 2012)

Bab. IV.

Glikolisis

17.1 Jalur keseluruhan Glikolisis

Glikolisis adalah tahap metabolisme glukosa dalam organisme dari bakteri ke manusia, dan itu adalah jalur biokimia. Pada glikolisis, satu molekul glukosa diubah menjadi fruktosa-1 ,6-bifosfat selanjutnya menghasilkan dua molekul piruvat (Gambar. 4.1). Jalur glikolisis (juga disebut jalur Embden-Meyerhoff) melibatkan banyak langkah, termasuk reaksi di mana metabolit glukosa yang teroksidasi. Setiap reaksi dalam jalur dikatalisis oleh enzim spesifik. Dalam setiap dua reaksi dalam jalur metabolisme glikolisis satu molekul ATP dihidrolisis untuk setiap dimetabolisme molekul glukosa. Dalam setiap dua reaksi lain, dua molekul ATP yang diproduksi oleh fosforilasi ADP untuk setiap molekul glukosa, memberikan hasil total empat molekul ATP. Sebuah perbandingan jumlah molekul ATP digunakan dengan hidrolisis (dua) dan jumlah yang dihasilkan (empat) menunjukkan bahwa output mendapatkan dua molekul ATP untuk setiap molekul glukosa yang diproses dalam glikolisis. Glikolisis memainkan peran kunci dalam organisme melakukan cara mengekstrak energi dari nutrisi.

Gambar. 4.1. Satu molekul glukosa diubah menjadi dua molekul piruvat. Dibawah kondisi aerobik, piruvat dioksidasi menjadi CO₂ dan H₂O oleh siklus asam sitrat dan fosforilasi oksidatif. Sedangkan dibawah kondisi anaerob, laktat yang dihasilkan terutama dalam otot. Fermentasi alkohol terjadi pada ragi. NADH yang dihasilkan dalam konversi glukosa untuk piruvat yang reoksidasi ke NAD⁺ di reaksi berikutnya dari piruvat.

Ketika piruvat yang terbentuk, dapat memiliki salah satu dari beberapa bahan fates (Gambar. 1). Di metabolisme aerobik dengan adanya oksigen terjadi piruvat kehilangan karbon dioksida. Sisa dua atom karbon menjadi berikatan dengan koenzim A sebagai kelompok asetil untuk membentuk asetil-KoA, yang kemudian memasuki siklus asam sitrat. Ada dua bahan fates untuk piruvat dalam metabolisme anaerobik (tidak adanya oksigen). Dalam organisme mampu fermentasi alkohol dengan cara fermentasi piruvat yang kehilangan karbon dioksida menghasilkan asetaldehida yang pada gilirannya direduksi menghasilkan etanol. Lemak dari piruvat lebih umum dalam metabolisme anaerobik yakni reduksi untuk menghasilkan laktat, yang disebut anaerobik glikolisis untuk membedakannya dari konversi glukosa menjadi piruvat, yang hanya disebut glikolisis. Metabolisme anaerobik adalah sumber energi hanya di sel darah merah mamalia, serta di beberapa jenis bakteri, seperti Lactobacillus dalam asam susu dan Clostridium botulinum pada makanan kaleng yang tercemar.

Pada semua reaksi, konversi glukosa menjadi produk reaksi oksidasi, yang memerlukan reaksi reduksi yang menyertainya di mana NAD + diubah menjadi NADH. Rincian glukosa untuk piruvat dapat diringkas sebagai berikut:

Glukosa (enam atom karbon) → 2 Piruvat (Tiga atom karbon)

2ATP +  4ADP + 2Pi  → 2ADP + 4ATP (Fosforilasi)

Glukosa  + 2ADP + 2Pi → 2 Piruvat + 2ATP (hasil reaksi)

Gambar. 4.2 menunjukkan urutan reaksi dengan nama-nama senyawa.

Langkah reaksi glikolisis.

Langkah 1. Fosforilasi glukosa untuk memberikan glukosa-6-fosfat (ATP adalah sumber dari gugus fosfat).

Glukosa + ATP → Glukosa-6-fosfat + ADP

Langkah 2. Isomerisasi glukosa-6-fosfat untuk memberikan fruktosa-6-fosfat.

Glukosa-6-fosfat → Fruktosa-6-fosfat

Langkah 3. Fosforilasi fruktosa-6-fosfat untuk menghasilkan fruktosa-1,6-bisfosfat (ATP adalah sumber dari gugus fosfat).

Fruktosa-6-fosfat + ATP → Fruktosa-1,6-bifosfat + ADP

Langkah 4. Pembelahan fruktosa-1,6-bifosfat untuk menghasilkan dua fragmen 3-karbon, gliseraldehida-3-fosfat dan dihidroksiaseton fosfat.

Fruktosa-1,6-bifosfat → gliseraldehida-3-fosfat + Dihidroksiaseton fosfat

Langkah 5. Isomerisasi dihidroksiaseton fosfat menghasilkan gliseraldehida-3-fosfat. Dihidroksiaseton fosfat gliseraldehida 3-3-fosfat

Langkah 6. Oksidasi (dan fosforilasi) dari gliseraldehida-3-fosfat untuk menghasilkan 1,3-bisfosfogliserat.

Gliseraldehida-3-fosfat + NAD⁺ + Pi  → NADH+ 1,3-bisfosfogliserat + H⁺

Langkah 7. Transfer gugus fosfat dari 1,3-bisfosfogliserat ke ADP (Fosforilasi ADP menjadi ATP) untuk menghasilkan 3-bisfosfogliserat.

1,3-bisfosfogliserat + ADP → 3-bisfosfogliserat + ATP

Langkah 8. Isomerisasi 3-bisfosfogliserat memberikan 2-bisfosfogliserat.

3-bisfosfogliserat → 2-bisfosfogliserat

Langkah 9. Dehidrasi dari 2-bisfosfogliserat untuk memberikan fosfofenolpiruvat.

2-fosfogliserat → fosfofenolpiruvat + H₂O

Langkah 10. Pemindahan gugus fosfat dari fosfofenolpiruvat ke ADP (Fosforilasi ADP menjadi ATP) untuk menghasilakan piruvat.

fosfofenolpiruvat + ADP → Piruvat + ATP

Perhatikan bahwa hanya satu dari 10 langkah pada jalur ini melibatkan reaksi transfer elektron.

Gambar. 4.2. jalur glikolisis. (1) Fosforilasi glukosa dan konversi untuk dua molekul gliseraldehida-3-fosfat, 2 ATP digunakan untuk mendorong reaksi ini. (2). Konversi gliseraldehida-3-fosfat untuk piruvat dan pembentukan ditambah dari empat molekul ATP.

KONVERSI ENAM KARBON GLUKOSA UNTUK TIGA KARBON GLISERALDEHIDA-3-FOSFAT

Langkah pertama dari jalur glikolitik mempersiapkan transfer elektron dan akhirnya fosforilasi ADP; reaksi ini memanfaatkan energi bebas hidrolisis ATP. Gambar. 4.3. meringkas bagian dari jalur, yang sering disebut fase persiapan glikolisis. Reaksi mengubah glukosa-6-fosfat menjadi gliseraldehida-3-fosfat:

Langkah 1. Glukosa terfosforilasi untuk memberikan glukosa-6-fosfat. Itu fosforilasi glukosa merupakan reaksi endergonik.

Glukosa + Pi → Glukosa-6-fosfat + H₂O ΔG°' = 13,8 kJ mol^-1 = 3,3 kkal mol^-1

Hidrolisis ATP adalah eksergonik.

ATP + H₂O → ADP + Pi;  ΔG°' = -30,5 kJ mol^-1 = -7,3 kkal mol^-1

Dua reaksi yang digabungkan, sehingga keseluruhan reaksi adalah jumlah dari dua dan merupakan eksergonik.

Glukosa + ATP  → Glukosa-6-fosfat + ADP

ΔG°' = (13,8 + -30,5) kJ mol^-1 = -16,7 kJ mol^-1 = -4,0 kkal mol^-1

 

Ingat bahwa ΔG^o’ dihitung dibawah keadaan standar dengan konsentrasi semua reaktan dan produk 1 M kecuali ion hidrogen. Jika melihat yang sebenarnya ΔG^o’ dalam sel, jumlahnya bervariasi tergantung pada jenis sel dan keadaan metabolik, tetapi nilai khas untuk reaksi ini adalah -33,9 kJ mol^-1 atau -8,12 kkal mol^-1. Dengan demikian reaksi biasanya lebih menguntungkan dalam kondisi selular. Tabel. 1 memberikan  ΔG°' dan nilai-nilai ΔG untuk semua reaksi glikolisis anaerobik dalam eritrosit.

Reaksi ini mengilustrasikan penggunaan energi kimia awalnya diproduksi oleh oksidasi nutrisi dan akhirnya terjebak oleh fosforilasi ADP menjadi ATP. Ingat bahwa ATP tidak mewakili energi yang tersimpan, hanya sebagai arus listrik tidak mewakili energi yang tersimpan. Energi kimia nutrisi dilepaskan oleh oksidasi dan dibuat tersedia untuk digunakan langsung pada permintaan oleh energy sebagai ATP. Enzim yang mengkatalisis reaksi ini adalah heksokinase. Kinase panjang adalah diterapkan pada kelas enzim ATP-dependent yang mentransfer gugus fosfat dari ATP ke substrat. Substrat heksokinase tidak selalu glukosa; melainkan, bisa salah satu dari sejumlah heksosa, misalnya glukosa, fruktosa, dan manosa. Glukosa-6-fosfat menghambat aktivitas heksokinase, ini adalah titik kontrol di jalur tersebut. Beberapa organisme atau jaringan berisi beberapa isozim dari heksokinase. Satu isoform dari heksokinase ditemukan di hati manusia, disebut glukokinase, menurunkan kadar glukosa darah setelah seseorang makan.

Glukokinase hati membutuhkan tingkat substrat jauh lebih tinggi untuk mencapai jenuh dari tidak terbentuk heksokinase. Karena itu, ketika tingkat glukosa yang tinggi, hati dapat
memetabolisme glukosa melalui glikolisis secara istimewa untuk dilimpahkan jaringan lain. Ketika tingkat glukosa rendah, heksokinase masih aktif di semua jaringan.

Perubahan konformasi besar terjadi di heksokinase ketika substrat terikat. Telah ditunjukkan oleh kristalografi sinar-X, dengan tidak adanya substrat, dua lobus enzim yang mengelilingi situs pengikatan yang cukup jauh terpisah. Ketika glukosa terikat, kedua lobus bergerak lebih dekat bersama, dan glukosa menjadi hampir sepenuhnya dikelilingi oleh protein (Gambar. 4.4). Jenis perilaku adalah konsisten dengan teori tindakan induksi enzim. Dalam semua kinase yang struktur diketahui, celah menutup ketika substrat terikat.

Langkah 2. Glukosa-6-fosfat berisomerisasi untuk menghasilkan fruktosa-6-fosfat. Glukosefosfat Isomerase adalah enzim yang mengkatalisis reaksi ini. C-1 gugus aldehida glukosa-6-fosfat direduksi dengan gugus hidroksil, dan C-2 gugus hidroksil teroksidasi menghasilkan gugus keton fruktosa-6-fosfat, tanpa bersih oksidasi atau reduksi. Bentuk-bentuk terfosforilasi, glukosa-6-fosfat dan fruktosa-6-fosfat masing-masing adalah aldosa dan ketosa.

 

 

Langkah 3. Fruktosa-6-fosfat lebih lanjut terfosforilasi menghasilkan fruktosa-1,6-bifosfat. Seperti dalam reaksi pada Langkah 1, reaksi endergonik dari fosforilasi fruktosa-6-fosfat digabungkan dengan reaksi eksergonik hidrolisis ATP, dan reaksi keseluruhan eksergonik. Lihat Tabel.4.1.

 

Reaksi dimana fruktosa-6-fosfat terfosforilasi untuk menghasilkan fruktosa-1,6-bifosfat adalah satu di mana gula mengarah ke glikolisis. Glukosa-6-fosfat dan fruktosa-6-fosfat dapat berperan dalam jalur lainnya, tetapi fruktosa-1,6-bifosfat tidak. Setelah fruktosa-1,6-bifosfat terbentuk dari gula asli, tidak ada jalur lain yang tersedia, dan molekul harus menjalani sisa reaksi glikolisis. Fosforilasi fruktosa-6-fosfat sangat eksergonik dan tidak dapat diubah, dan enzim  fosfofruktokinase, enzim yang mengkatalisis itu, adalah enzim pengatur kunci dalam glikolisis.

Fosfofruktokinase merupakan tetramer yang mengikuti aturan umpan balik alosterik. Ada dua jenis subunit, dilambangkan  M dan L, yang dapat bergabung menjadi tetramers untuk menghasilkan permutasi yang berbeda (M₄, M₃L, M₂L₂, ML₃, dan L₄). Kombinasi dari subunit adalah disebut sebagai isozim, dan isozim memiliki perbedaan fisik dan kinetik  (Gambar. 4.5). Subunit sedikit berbeda dalam komposisi asam amino, sehingga dua isozim dapat dipisahkan satu sama lain dengan elektroforesis.Bentuk tetrameric yang terjadi pada otot dilambangkan M₄, sedangkan di hati dilambangkan L₄. Pada sel darah merah, beberapa kombinasi dapat ditemukan.
Orang yang tidak memiliki gen yang mengarahkan sintesis dari bentuk M dari enzim yang dapat membawa pada glikolisis di hati mereka, tetapi pengalaman karena kelemahan otot mereka tidak memiliki enzim dalam otot.

 

Gambar. 4.5. Isozim mungkin dari fosfofruktokinase

Ketika laju reaksi fosfofruktokinase diamati di berbagai konsentrasi substrat (fruktosa-6-fosfat), diperoleh kurva sigmoidal khas enzim alosterik. ATP adalah efektor alosterik dalam reaksi. Tingginya kadar ATP menekan laju reaksi, dan rendahnya tingkat ATP merangsang reaksi (Gambar. 4.6). Ketika ada ATP tingkat tinggi dalam sel, banyak dari energi kimia tersedia secepatnya dari hidrolisis ATP. Sel tidak perlu memetabolisme glukosa untuk energi, sehingga kehadiran ATP menghambat jalur glikolisis. Ada juga yang lain, alosterik efektor dari fosfofruktokinase. Ini efektor adalah fruktosa-2,6-bifosfat.

 

Gambar. 6. Efek alosterik di fosfofruktokinase. Pada tinggi [ATP], fosfofruktokinase berperilaku kooperatif, dan plot aktivitas enzim berbanding [fruktosa-6- fosfat] adalah sigmoidal. Tinggi [ATP] sehingga menghambat PFK, penurunan afinitas enzim untuk fruktosa-6-fosfat.

Langkah 4. Fruktosa-1,6-bifosfat dipecah menjadi dua fragmen tiga-karbon. Reaksi Pembelahan  itu adalah kebalikan dari kondensasi aldol; enzim yang mengkatalisis disebut Aldolase. Dalam enzim yang diisolasi dari sumber hewan, rantai dasar sisi dari sebuah residu lisin memainkan peran kunci penting dalam mengkatalisis reaksi ini. Gugus Tiol sistein ini juga bertindak sebagai dasar reaksi ini.

 

Langkah 5. Dihidroksiaseton fosfat diubah menjadi gliseraldehida-3- fosfat.

Enzim yang mengkatalisis reaksi ini adalah triosephosphate isomerase. (Kedua dihidroksiaseton dan gliseraldehida adalah triosa.)

Satu molekul gliseraldehida-3-fosfat telah diproduksi oleh reaksi Aldolase, kami sekarang memiliki molekul kedua dari gliseraldehida-3- fosfat, yang dihasilkan oleh reaksi triosephosphate isomerase. Asli molekul glukosa, yang berisi enam atom karbon, kini telah diubah untuk dua molekul gliseraldehida-3-fosfat, masing-masing berisi tiga atom karbon.
Nilai ΔG untuk reaksi ini dalam kondisi fisiologis sedikit positif (2,41 kJ mol^-1 atau 0,58 kkal mol^-1). Mungkin tergoda untuk berpikir bahwa reaksi tidak akan terjadi dan glikolisis yang akan berhenti di langkah ini.

Kita harus ingat bahwa sama seperti ditambah reaksi yang melibatkan hidrolisis ATP
menambahkan nilai-nilai ΔG mereka bersama-sama untuk reaksi secara keseluruhan, glikolisis terdiri dari banyak reaksi yang nilai ΔG sangat negatif yang dapat mendorong reaksi sampai selesai. Sebuah reaksi glikolisis memiliki sedikit kecil, nilai-nilai ΔG positif (lihat Tabel. 4.1), tetapi empat reaksi harus sangat besar, nilai negatif, sehingga ΔG yang untuk seluruh proses adalah negatif.

Gliseraldehida-3-fosfat Apakah dikonversi ke Piruvat

Pada titik ini, sebuah molekul glukosa (senyawa enam karbon) yang masuk ke
jalur telah dikonversi menjadi dua molekul gliseraldehida-3-fosfat. Perlu diketahui bahwa di seluruh jalur dua molekul dari masing-masing tiga senyawa karbon mengambil bagian dalam setiap reaksi untuk setiap glukosa awal molekul. Gambar. 4.7 merangkum bagian kedua dari jalur, yang sering disebut sebagai fase hasil dari glikolisis, karena ATP diproduksi sebagai gantinya  dari yang digunakan dalam fase ini.

 

Gambar.  4.7. Fase kedua dari glikolisis

Langkah 6. Gliseraldehida-3-fosfat dioksidasi menjadi 1,3-bisfosfogliserat.

Reaksi ini, reaksi karakteristik glikolisis, harus melihat lebih dekat. Ini melibatkan penambahan gugus fosfat untuk gliseraldehida-3-fosfat serta reaksi transfer elektron, dari gliseraldehida-3-fosfat ke NAD⁺.

Reaksi setengah dari oksidasi adalah dari aldehid menjadi gugus asam karboksilat, di mana air dapat dianggap untuk mengambil bagian dalam reaksi.

RCHO + H₂O → RCOOH + 2H⁺ + 2e^–

Reaksi setengah dari reduksi adalah NAD⁺ menjadi NADH.

NAD⁺ + 2H⁺ + 2e^- → NADH + H⁺

Reaksi redoks keseluruhan adalah

RCHO + H₂O + NAD⁺ → RCOOH + H⁺ + NADH

di mana R menunjukkan bagian masing-masing dari molekul selain aldehida dan gugus asam karboksilat. Reaksi oksidasi adalah eksergonik di bawah kondisi standar (ΔG°' = -43,1 kJ mol^-1 = -10,3 kkal mol^-1), tetapi oksidasi hanya bagian dari reaksi keseluruhan.

Gugus fosfat yang dihubungkan dengan gugus karboksil tidak membentuk ester, karena sebuah hubungan membutuhkan ester alkohol dan asam. Sebaliknya, gugus asam karboksilat dan asam fosfat membentuk campuran anhidrida dua asam akibat hilangnya air,

3-fosfogliserat + Pi → 1,3-bisfosfogliserat + H₂O

di mana zat yang terlibat dalam reaksi berada dalam bentuk terionisasi yang sesuai pada pH 7. Perhatikan bahwa ATP dan ADP tidak muncul dalam persamaan. Sumber dari gugus fosfat adalah ion fosfat itu sendiri, bukan ATP. Reaksi fosforilasi adalah endergonik dalam kondisi standar (ΔG°' =  49,3 kJ mol^-1 = 11,8 kkal mol^-1).

Reaksi secara keseluruhan, termasuk transfer elektron dan fosforilasi, adalah

Mari kita menunjukkan dua reaksi yang membentuk reaksi ini.

 

Perubahan energi bebas standar untuk reaksi keseluruhan adalah jumlah dari nilai
untuk reaksi oksidasi dan fosforilasi. Reaksi keseluruhan tidak jauh dari keadaan kesetimbangan, karena hanya sedikit endergonik.

ΔG°'_keseluruhan  =   ΔG°' _oksidasi + ΔG°'_fosforilasi
= (-43,1 KJ mol^-1) + (49,3 kJ mol^-1)
= 6,2 kJ mol^-1 = 1,5 kkal mol^-1

Nilai perubahan energi bebas standar ini untuk reaksi satu mol gliseraldehida-3-fosfat, nilai tersebut harus dikalikan dengan 2 untuk mendapatkan nilai untuk setiap mol glukosa (ΔG°' = 12,4 kJ mol^-1 = 3,0 kkal mol^-1). ΔG dibawah kondisi selular sedikit negatif (-1,29 kJ mol^-1 atau -0,31 kkal mol^-1) (Tabel. 4.1). Enzim yang mengkatalisis konversi gliseraldehida-3-fosfat menjadi 1,3-bisfofogliserat adalah gliseraldehida-3-fosfat dehidrogenase. Enzim ini adalah salah satu dari kelas enzim yang sama, NADH-terkait dehidrogenase. Struktur dari sejumlah dehidrogenase jenis ini telah dipelajari melalui kristalografi sinar-X. Struktur keseluruhan sangat tidak mirip, tetapi struktur tempat pengikatan NADH sangat mirip dalam semua enzim (Gambar. 4.8). (Agen pengoksidasi adalah NAD⁺, baik bentuk teroksidasi dan rediksi dari koenzim-pengikat untuk enzim). Salah satu bagian dari situs pengikatan spesifik untuk cincin nikotinamida, dan satu porsi khusus untuk cincin adenin.

Gambar. 8. Skema gambaran pengikat situs dari NADH-pengait dehidrogenase. Ada situs pengikatan spesifik untuk adenin nukleotida bagian dari koenzim (ditunjukkan warna merah di sebelah kanan garis putus-putus) dan untuk nikotinamida bagian dari koenzim (ditunjukkan warna kuning di sebelah kiri garis putus-putus), selain untuk tempat pengikatan substrat. Interaksi tertentu dengan enzim memegang substrat dan koenzim dalam posisi yang tepat. Interaksi situs digambarkan dengan serangkaian garis hijau pucat.

Molekul dari gliseraldehida-3-fosfat dehidrogenase adalah tetramer, yang terdiri dari empat subunit identik. Setiap subunit mengikat satu molekul NAD⁺, dan setiap subunit berisi residu sistein penting. Sebuah thioester melibatkan residu sistein adalah perantara penting dalam reaksi ini. Pada fosforilasi langkah, thioester bertindak sebagai energi menengah tinggi. Ion fosfat menyerang thioester, membentuk campuran anhidrida asam karboksilat dan fosfat, yang juga merupakan energi tinggi senyawa (Gambar. 4.9). Senyawa ini adalah 1,3-bisfosfogliserat, yang merupakan produk reaksi. Produksi ATP membutuhkan senyawa energi tinggi sebagai bahan awal. 1,3-bisfosfogliserat memenuhi persyaratan ini dan transfer gugus fosfat ke ADP dalam reaksi yang sangat eksergonik (yaitu, ia memiliki potensi transfer gugus fosfat yang tinggi).

Gambar. 4.9. Peran residu sistein aktif di gliseraldehida-3-fosfat dehidrogenase. ion fosfat menyerang turunan thioester dari gliseraldehida-3-fosfat dehidrogenase menghasilkan 1,3-bisfosfogliserat dan untuk membentuk gugus tiol dari sistein.

Langkah 7. Langkah berikutnya adalah salah satu dari dua reaksi di mana ATP dihasilkan fosforilasi ADP.

Enzim yang mengkatalisis reaksi ini adalah fosfogliserat kinase. Sekarang kinase akrab sebagai nama generik untuk kelas ATP tergantung transfer gugus fosfat enzim. Fitur yang paling mencolok dari reaksi harus dilakukan dengan energetika transfer gugus fosfat. Pada langkah ini dalam glikolisis, gugus fosfat ditransfer dari 1,3-bisfosfogliserat ke molekul ADP, menghasilkan ATP, yang pertama dari dua reaksi tersebut di jalur glikolisis. Telah menyebutkan bahwa 1,3-bisfosfogliserat dapat dengan mudah mentransfer gugus fosfat untuk zat lain. Perhatikan bahwa substrat, yaitu 1,3-bisfosfogliserat, telah mentransfer gugus fosfat ke ADP. Transfer ini khas dari substrat tingkat fosforilasi. Hal ini harus dibedakan dari fosforilasi oksidatif, yakni transfer gugus fosfat terkait dengan reaksi transfer elektron dimana oksigen adalah akseptor utama elektron. Satu-satunya persyaratan untuk substrat tingkat fosforilasi adalah energi bebas standar reaksi hidrolisis lebih negatif untuk hidrolisis senyawa fosfat baru yang terbentuk. Ingat bahwa energi bebas standar hidrolisis 1,3-bisfosfogliserat adalah -49,3 KJ mol^-1. Kita telah melihat bahwa energi bebas standar hidrolisis ATP adalah -30,5 kJ mol^-1, dan kita harus mengubah tanda dari perubahan energi bebas ketika reaksi balik terjadi:

ADP + Pi + H⁺ → ATP + H₂O

ΔG°'= 30,5 kJ mol^-1 = 7,3 kkal mol^-1

Reaksi keseluruhan adalah

1,3-bisfosfogliserat + ADP → 3-phosphoglycerate + ATP

ΔG°'= -49,3 kJ mol^-1 + 30,5 kJ mol^-1 = -18,8 kJ mol^-1 = -4,5 kkal mol^-1

Dua molekul ATP diproduksi oleh reaksi untuk setiap molekul glukosa yang memasuki jalur glikolisis. Pada tahap jalur awal, dua molekul ATP diinvestasikan untuk menghasilkan fruktosa-1,6-bifosfat, dan sekarang mereka telah ditemukan. Pada titik ini, sisa penggunaan ATP dan produksi yakni sama. Reaksi mendatang akan membawa produksi dari dua molekul ATP sisa untuk setiap molekul glukosa awal, yang menyebabkan kelebihan sebesar dua molekul ATP dalam glikolisis.

Langkah 8. Kelompok fosfat ditransfer dari karbon 3 sampai karbon 2 dari rantai utama asam gliserat, persiapan untuk reaksi yang berikut. Enzim yang mengkatalisis reaksi ini adalah fosfogliseromutase.

Langkah 9. Molekul 2-fosfogliserat kehilangan satu molekul air, yang merupakan reaksi dehidrasi memproduksi fosfofenolpyruvat. Reaksi ini tidak melibatkan transfer elektron. Enolase, enzim yang mengkatalisis ini reaksi, membutuhkan Mg²⁺ sebagai kofaktor. Molekul air yang dihilangkan mengikat Mg²⁺ dalam reaksi.

Langkah 10. Phosphoenolpyruvate transfer gugus fosfat untuk ADP, menghasilkan
ATP dan piruvat.

Ikatan rangkap bergeser ke oksigen pada karbon 2 dan hidrogen sudah bergeser ke karbon
3. Fosfoenolpiruvat merupakan senyawa berenergi tinggi dengan mentransfer gugus fosfat potensial tinggi. Energi bebas dari hidrolisis senyawa ini lebih negatif dibandingkan dengan ATP (-61,9 kJ mol^-1 banding -30,5 kJ mol^-1, atau -14,8 kkal mol^-1 banding -7,3 kkal mol^-1). Reaksi yang terjadi dalam langkah ini dapat dianggap sebagai jumlah dari hidrolisis fosfoenolpiruvat dan fosforilasi ADP. Reaksi ini adalah contoh lain dari substrat tingkat fosforilasi.

Fosfoenolpiruvat → Piruvat + Pi

ΔG°'= -61,9 kJ mol^-1 = -14,8 kkal mol^-1

ADP + Pi → ATP

ΔG°'= 30,5 kJ mol^-1 = 7,3 kkal mol^-1

Reaksi keseluruhan adalah

Fosfoenolpiruvat + ADP → Piruvat + ATP

ΔG°' = -31,4 kJ mol^-1 = -7,5 kkal mol^-1

Setiap dua mol piruvat yang dihasilkan untuk setiap mol glukosa, energi dilepaskan untuk setiap mol bahan awal sebanyak dua kali. Piruvat kinase adalah enzim yang mengkatalisis reaksi ini. Seperti fosfofruktokinase, merupakan enzim alosterik yang terdiri dari empat subunit yang berbeda dari dua jenis (M dan L), seperti yang kita lihat dengan fosfofruktokinase. Piruvat kinase
dihambat oleh ATP. Konversi Fosfoenolpiruvat untuk piruvat memperlambat penurunan ketika sel memiliki konsentrasi tinggi ATP berarti sel tidak memiliki kebutuhan besar untuk energi dalam bentuk ATP. Karena isozim yang berbeda dari piruvat kinase ditemukan dalam hati dibandingkan otot, kontrol glikolisis ditangani secara berbeda di kedua jaringan tersebut.

Salah satu pertanyaan paling penting tentang setiap jalur metabolisme adalah poin control. Persiapan bisa terhenti jika organisme memiliki kebutuhan yang mendesak untuk produk mereka, yang menghemat energi untuk organisme. Dalam glikolisis, tiga titik kontrol reaksi. Reaksi pertama glukosa menjadi glukosa-6-fosfat, dikatalisis oleh heksokinase, yang kedua, adalah produksi fruktosa-1 ,6-bifosfat, dikatalisis oleh fosfofruktokinase, dan yang terakhir adalah reaksi PEP ke piruvat, katalis yang berperan adalah oleh piruvat kinase (Gambar. 4.10). Hal ini sering diamati bahwa kontrol dilakukan dekat jalur awal dan akhir, serta pada titik-titik yang melibatkan kunci intermediet seperti fruktosa-1 ,6-bifosfat. Ketika kita telah belajar lebih lanjut tentang metabolisme karbohidrat, kita dapat kembali ke peran fosfofruktokinase dan fruktosa-1 ,6-bifosfat dalam regulasi beberapa jalur metabolisme karbohidrat.

Gambar. 10. Poin kontrol glikolisis

Metabolisme Piruvat Anaerobik

Reaksi akhir glikolisis anaerobik adalah penurunan piruvat untuk laktat.

Reaksi ini juga eksergonik (ΔG°' = -25,1 kJ mol^-1 = -6,0 kkal mol^-1); seperti sebelumnya, kita perlu mengalikan nilai ini dengan 2 sampai dihasilkan energi untuk setiap molekul glukosa yang masuk ke jalur tersebut. Laktat merupakan jalan buntu dalam metabolisme otot, tetapi dapat didaur ulang dalam hati untuk membentuk glukosa piruvat dan bahkan oleh jalur glukoneogenesis ("sintesis baru glukosa"),

Laktat dehidrogenase (LDH) adalah enzim yang mengkatalisis reaksi ini. Seperti gliseraldehida-3-fosfat dehidrogenase, LDH adalah NADH-pengait dehidrogenase dan terdiri dari empat subunit. Ada dua jenis subunit, ditunjuk M dan H, yang sedikit berbeda dalam komposisi asam amino. Tetramer struktur kuaterner dapat bervariasi sesuai dengan jumlah relatif dari dua jenis subunit, menghasilkan mungkin lima isozim. Dalam otot rangka manusia, terdominasi tetramer homogen dari jenis M4, dan dalam jantung kemungkinan homogen lain, tetramer H4, adalah bentuk yang dominan. Bentuk-M3H, M2H2, dan MH3- heterogen terjadi dalam serum darah. Sebuah tes klinis yang sangat sensitif untuk penyakit jantung didasarkan pada keberadaan bentuk isozymic berbagai enzim ini. Jumlah relatif isozim H4 dan MH3 dalam serum darah meningkat drastis setelah infark miokard (Serangan jantung) dibandingkan dengan serum normal. Isozim yang berbeda memiliki sedikit perbedaan sifat kinetik karena komposisi subunit mereka. Isozim H4 itu (juga disebut LDH 1) memiliki afinitas tinggi untuk laktat sebagai substrat. Isozim M4 (LDH 5) ini allosterically (cenderung alosterik) dihambat oleh piruvat. Perbedaan-perbedaan mencerminkan peran umum isozim 'dalam metabolisme. Otot adalah jaringan sangat anaerob, sedangkan hati tidak.

Pada titik ini, orang mungkin bertanya mengapa pengurangan piruvat menjadi laktat (produk terbuang pada organisme aerobik) adalah langkah terakhir dalam glikolisis anaerobik, jalur yang menyediakan energi untuk organisme dengan oksidasi nutrisi. Ada lain yang perlu dipertimbangkan tentang reaksi, yang melibatkan jumlah relatif NAD⁺ dan NADH dalam sel. Setengah dari reaksi reduksi dapat tertulis

Piruvat + 2H⁺ + 2e^- → Laktat

dan setengah dari reaksi oksidasi adalah

NADH + H⁺ → NAD⁺ + 2e^- + 2H⁺

Reaksi keseluruhan adalah, seperti yang kita lihat sebelumnya,

Piruvat + NADH + H⁺ → Laktat + NAD⁺

NADH yang dihasilkan dari NAD⁺ oleh oksidasi gliseraldehida-3-
fosfat sebelumnya digunakan dengan tidak ada perubahan dalam jumlah relatif dari NADH dan NAD⁺ di dalam sel (Gambar. 4.11). Regenerasi ini diperlukan di bawah kondisi anaerobik dalam sel sehingga NAD⁺ akan hadir untuk glikolisis lagi untuk mengambil tempat. Tanpa regenerasi ini, reaksi oksidasi pada organisme anaerobik akan segera berhenti karena kurangnya NAD⁺ untuk melayani sebagai oksidator agen dalam proses fermentasi. Produksi laktat membeli waktu untuk organisme mengalami metabolisme anaerob dan bergeser beberapa jauh dari beban otot ke hati, di mana glukoneogenesis dapat mengubah kembali laktat ke piruvat dan glukosa. Di sisi lain, NADH adalah agen reduksi sering ditemui di banyak reaksi, dan hilang pada organisme dalam produksi laktat. Metabolisme aerobik membuat lebih efesien penggunaan agen pereduksi ("kekuatan reduksi") seperti NADH karena konversi piruvat menjadi laktat tidak terjadi dalam metabolisme aerobik. NADH yang dihasilkan dalam tahap glikolisis menyebabkan produksi piruvat tersedia untuk digunakan dalam reaksi lain di mana agen reduksi diperlukan.

Gambar. 4.11 Daur ulang NAD⁺ dan NADH dalam glikolisis anaerobik

Dua reaksi lain yang berkaitan dengan jalur glikolisis menyebabkan produksi
etanol melalui fermentasi alkohol. Proses ini adalah salah satu alternatif piruvat. Dalam dua reaksi terlebih dulu dari yang mengarah pada produksi etanol, piruvat adalah dekarboksilasi (kehilangan karbon dioksida) untuk menghasilkan asetaldehida. Enzim yang mengkatalisis reaksi ini piruvat dekarboksilase.

Enzim ini membutuhkan Mg²⁺ dan kofaktor adalah tiamin pirofosfat (TPP). (Tiamin sendiri adalah vitamin B1.) Dalam TPP atom karbon antara nitrogen dan sulfur dalam cincin tiazol (Gambar 17.12) sangat reaktif. Ia membentuk sebuah carbanion (ion dengan muatan negatif pada atom karbon) dengan mudah, dan carbanion pada gilirannya menyerang gugus karbonil dari piruvat untuk membentuk sebuah adduct/penambahan. Karbon dioksida memisahkan diri, meninggalkan sebuah fragmen dua karbon terikat kovalen pada TPP. Ada pergeseran elektron, dan fragmen dua-karbon memisahkan diri, menghasilkan asetaldehida (Gambar. 4.13). Fragmen dua karbon yang terikat pada TPP kadang-kadang disebut teraktifasi asetaldehida, dan TPP dapat ditemukan dalam beberapa reaksi dekarboksilasi.

Asetaldehida kemudian tereduksi untuk memproduksi etanol, dan, pada saat yang sama, satu molekul NADH teroksidasi menjadi NAD⁺ untuk setiap molekul etanol yang dihasilkan.

Asetaldehida + NADH⁺ → Etanol NAD⁺

Reaksi reduksi dari fermentasi alkohol mirip dengan pengurangan piruvat menjadi laktat, dalam arti bahwa ia menyediakan untuk daur ulang NAD⁺ dan dengan demikian memungkinkan lebih lanjut reaksi oksidasi anaerobik (fermentasi). Reaksi keseluruhan untuk fermentasi alkohol adalah

Glukosa +  2ADP 2Pi + 2H⁺ → 2 Etanol + 2ATP + 2CO₂ + 2H₂O

NAD⁺ dan NADH tidak muncul secara eksplisit dalam persamaan reaksi keseluruhan. Hal ini penting bahwa daur ulang NADH untuk NAD⁺ terjadi di sini, seperti halnya ketika laktat yang dihasilkan, sehingga ada dapat lebih oksidasi anaerobik. Alkohol dehidrogenase, enzim yang mengkatalisis konversi asetaldehida untuk etanol, mirip dengan laktat dehidrogenase dalam banyak hal. Yang paling mencolok kesamaannya adalah keduanya NADH-terkait dehidrogenase, dan keduanya tetramer.

Gambar. 13. Mekanisme reaksi dekarboksilase piruvat. Bentuk carbanion cincin tiazol dari TPP adalah sangat nukleofilik. carbanion ini menyerang karbon karbonil dari piruvat untuk membentuk sebuah adduct. Karbon dioksida membagi keluar, meninggalkan fragmen dua-karbon (aktifasi asetaldehida) terikat kovalen pada koenzim. Pergeseran dari elektron mengarah ke asetaldehida, regenerasi carbanion tersebut.

Energi Produksi di Glikolisis

Proses keseluruhan dari glikolisis adalah eksergonik. Bisa dihitung ΔG°' untuk seluruh reaksi dengan menjumlahkan nilai-nilai ΔG°' dari setiap langkah. Ingat bahwa semua reaksi dari isomerase fosfat triose untuk piruvat kinase yang dua kali lipat memberikan angka akhir dari glukosa untuk dua piruvat dari -74,0 kJ mol^-1 atau -17,5 kkal mol^-1. Energi yang dilepaskan pada fase eksergonik dari proses mendorong reaksi endergonik. Reaksi keseluruhan glikolisis secara eksplisit mencakup proses endergonik penting, bahwa fosforilasi dari dua
molekul ADP.

2ADP + 2Pi → 2ATP

ΔG°'  reaksi = 61,0 kJ mol^-1 = 14,6 kkal mol^-1 glukosa terpakai

Tanpa produksi ATP, reaksi satu molekul glukosa untuk menghasilkan dua molekul piruvat akan lebih eksergonik. Dengan demikian, pengurangan ke luar sintesis ATP:

Glukosa + 2ADP + 2Pi → 2 Piruvat + 2ATP ΔG°' = -73,4 kJ mol^-1 -17,5 kkal mol^-1

- (2 - ATP + 2Pi → 2 ATP)                              ΔG°' = -61,0 kJ mol^-1 -14,6 kkal mol^-1

______________________________________________________________________

Glukosa → 2 Piruvat                                      ΔG°' = -134,4 kJ mol^-1

     = -32,1 Kkal mol^-1 glukosa terpakai

(Angka yang sesuai untuk konversi satu mol glukosa menjadi dua mol laktat adalah -184,6 kJ mol^-1 = -44,1 kkal mol^-1.) Tanpa produksi ATP, energi yang dilepaskan oleh konversi glukosa menjadi piruvat akan hilang untuk organisme dan hilang sebagai panas. Energi yang dibutuhkan untuk menghasilkan dua molekul ATP untuk setiap molekul glukosa dapat dipulihkan oleh organisme ketika ATP dihidrolisis dalam beberapa proses metabolisme. Persentase energi yang dilepaskan oleh pemecahan glukosa menjadi laktat yang "ditangkap" oleh organisme ketika
ADP menjadi ATP terfosforilasi adalah efesiensi penggunaan energi dalam glikolisis, yang merupakan (61.0/184.6) x100, atau sekitar 33%. Itu berasal dari menghitung energi yang digunakan untuk memfosforilasi dua mol ATP sebagai persentase dari energi yang dilepaskan oleh konversi satu mol glukosa menjadi dua mol laktat. Pelepasan keseluruhan energi dalam glikolisis, 123,6 kJ (29,5 kkal) untuk setiap mol glukosa diubah menjadi laktat, didisipasikan sebagai panas oleh organisme. Tanpa produksi ATP untuk penyedia sumber energi untuk proses metabolisme lainnya, energi yang dilepaskan oleh glikolisis tidak akan bermanfaat untuk organisme, kecuali untuk membantu menjaga suhu tubuh di hewan berdarah panas.
Perubahan energi bebas yang telah dibahas dalam pada bagian ini adalah nilai-nilai standar, dengan asumsi kondisi standar, seperti konsentrasi 1 M dari semua zat terlarut kecuali ion hidrogen. Konsentrasi dalam kondisi fisiologis dapat berbeda nyata dari nilai-nilai standar. Untungnya, ada metode terkenal untuk menghitung perbedaan dalam perubahan energi bebas. Juga, perubahan besar dalam konsentrasi yang sering menyebabkan perbedaan yang relatif kecil dalam perubahan energi bebas, sekitar beberapa kilojoule per mol. Beberapa energi bebas
perubahan yang mungkin berbeda dalam kondisi fisiologis dari nilai-nilai tercantum di sini untuk kondisi standar, tetapi prinsip-prinsip yang mendasari dan kesimpulan yang diambil tetap sama.