Grund für die Umwandlung von Glucose in Fructose in der Glykolyse

Die Vermeidung der Diffusion ist ein Grund, Glucose zu phosphorylieren, der andere ist, dass sie aus dem osmotischen Gleichgewicht zwischen innerhalb und außerhalb der Membran entfernt wird, sodass sie mit hoher Geschwindigkeit transportiert werden kann.

Das Glucose-6-phosphat kann dann als Substrat für verschiedene Wege, nämlich die Glykolyse und den Pentosephosphatweg, verwendet werden und (je nach Organismus) auch in Glykogen und Stärke zur weiteren Speicherung umgewandelt werden.

Der Grund für die Phosphorylierung liegt weiter stromabwärts in der Glykolyse: Die Isomerisierung durch die Glucose-Phosphat-Isomerase und die anschließende zweite Phosphorylierung zu Fructose-1,6-Biphosphat machen die Umwandlung und Hingabe des Moleküls an die Glykolyse irreversibel.

Fructose-1,6-biphosphat wird dann von der Aldolase in zwei C3-Einheiten gespalten: Dihydroxyacetonphosphat (DHAP) und Glyceraldehyd-3-phosphat (GA-3-P). GA-3-P wird in DHAP umgewandelt, sodass nachgeschaltet nur ein Metabolit verarbeitet werden muss.

Wenn es keine Glukose gibt, braucht es keine Glykolyse: Ich folgere aus dieser Binsenweisheit, dass – in einem frühen Stadium der Stoffwechselevolution – vor der Glykolyse ein Weg entstanden sein muss, der der Glukoneogenese ähnelt . Dies ist nur eine andere Art, die offensichtliche Tatsache auszudrücken, dass die Autotrophie der Heterotrophie vorausgegangen sein muss .

Wenn sich die Aldolase- Reaktion für Triose → Hexose um Glycerinaldehyd-3-phosphat/Dihydroxyacetonphosphat herum entwickelt hat, dann wurde vielleicht die Beteiligung von Fructose-1,6-bisphosphat durch die zugrunde liegende Chemie der Aldolase-Kondensation diktiert, und die Schritte zu Glucose folgten von dort aus. Beachten Sie, dass der Hauptweg der Kohlenstofffixierung in Photoautotrophen tatsächlich diesen Prozess verwendet: Die Kohlenstofffixierung durch RuBisCO erzeugt 3-Phosphoglycerat und die anschließende Wirkung von Triosephosphatisomerase und Aldolase erzeugt Fructose-1,6-bisphosphat.

Mein Hauptargument ist also, dass die Suche nach den zugrunde liegenden Konstruktionsprinzipien im glykolytischen Weg vergeblich sein kann: Glykolyse stellt die katabolische Verwendung einer Abfolge von Reaktionen dar, die sich ursprünglich zum Zweck des Anabolismus entwickelt haben.

Haftungsausschluss: Ich habe diese Idee wahrscheinlich irgendwo gelesen, aber ich kann mich nicht erinnern, wo. Wenn jemand auf eine maßgebliche Version davon verweisen kann, tun Sie dies bitte.

Klärung der Frage

Der Weg der Glykolyse beginnt mit einer Hexose (Glucose), aber an einem bestimmten Punkt – der Aldolase-Reaktion – werden zwei Moleküle einer Triose erzeugt und dann in dieselbe Triose umgewandelt, wonach der Weg weiter pyruviert und Netto-ATP erzeugt. Diese Triose-Moleküle tragen jeweils ein Phosphat, das, wie das Poster erwähnt, verhindert, dass sie durch die Zellmembran diffundieren, sodass der Hexose-Vorläufer zwei Phosphate tragen muss . Daher die Frage „Warum entsteht Fruktose?“ kann wie folgt umformuliert werden:

„Warum ist die Hexosevorstufe der beiden Triosephosphate Fructose -1,6- bis- phosphat und nicht einfach Glucose- 1,6- bis- phosphat?“

Kurze Antwort

Die chemische Struktur von Glucose ist nicht geeignet, um eine Bisphosphatverbindung zu bilden, die in den biochemischen Reaktionen, die die Zelle anwendet, ineinander umwandelbare Triosephosphate ergeben kann.

Vollständigere Antwort mit chemischen Details

Betrachten Sie zunächst die linearen und cyclisierten Strukturen relevanter Phosphatderivate von Glucose und Fructose:

Glucose-1,6- bis- phosphat ist möglicherweise unbekannt: Es kommt in geringen Mengen in Zellen vor und kann eine gewisse regulatorische Funktion haben. Eine Untersuchung zeigt, dass, da sich die Aldehydgruppe an der 1-Position von Glucose befindet, ein Phosphat nur an dieser Position hinzugefügt werden kann, nachdem die Cyclisierung dort einen Alkohol erzeugt hat. Sobald Glucose-1,6- bisphosphat gebildet wurde, kann es sich nicht in eine geradkettige Struktur umwandeln, im Gegensatz zu Fructose-1,6- bisphosphat , wo sich die Ketongruppe in der 2-Position befindet. (Daher wird keine angezeigt.) Dies ist der entscheidende Punkt.

Wenden wir uns nun der Triose-Hexose-Umwandlung zu, die sowohl für die Glykolyse als auch für die Gluconeogenese notwendig ist, die immer zuerst entstanden ist. Dies hat zwei Anforderungen:

1. Dass die Triosephosphatmoleküle miteinander reagieren können, um das Hexose-Kohlenstoffgerüst zu bilden (einfacher ist die Reaktion in dieser Richtung zu betrachten).
2. Dass, wenn verschiedene Triosemoleküle benötigt werden, diese leicht von (oder zu) einer einzigen Triose ineinander umgewandelt werden können.

Bedingung 1 wird in biologischen Systemen am einfachsten durch eine Aldolkondensation wie die Aldolasereaktion (auch im Calvin-Zyklus zu finden) erfüllt, bei der der nukleophile Kohlenstoff eines Enolats den Kohlenstoff eines Aldehyds angreift.

Anforderung 2 kann durch die Isomerisierung eines Aldehyds (wie Glycerinaldehyd-3-phosphat) zu einem Keton (wie Dihydroxyacetonphosphat) erfüllt werden.

Die Tatsache, dass ein Keton wie Dihydroxyacetonphosphat das Potenzial hat, ein Enolat zu bilden (siehe oben), erklärt die besondere Eignung dieser Triosen in Bezug auf die Aldosereaktion:

[ Entnommen aus Chemistry Libre Texts . ]

Das Ausgangsprodukt dieser Reaktion ist notwendigerweise ein lineares Hexose-1,6- bis -phosphat – mit der Fructose als Hexose, da ihr Carbonyl an C2 ist. Nachdem das Fructose-1,6- bisphosphat das Phosphat an der C1-Position verloren hat, kann es ähnlich wie bei der Triosephosphat-Isomerisierung zu Glucose-6-phosphat isomerisieren (wobei die C1-Position frei ist, um einen Aldehyd zu bilden).

Es ist also nicht nur die Symmetrie von Fructose (die vom Poster in einem Kommentar angemerkt wurde) wichtig, sondern die Struktur von Glucose selbst. Glucose-1,6- bis- phosphat ist natürlich nicht der einzige Zucker, der in seiner zyklischen Form „eingesperrt“ werden kann. Beispielsweise können die Desoxy-Ribose-Ringe im DNA-Rückgrat nicht linearisiert werden, da die Basen an C1' angehängt sind, wo ursprünglich die Aldehydgruppe war.