In overeenstemming met de basiswetten van de fysica hebben alle levende wezens energie uit de omgeving nodig om het leven in stand te houden. Het is duidelijk dat verschillende organismen verschillende manieren hebben ontwikkeld om brandstof uit verschillende bronnen te oogsten om de cellulaire machines aan te drijven die dagelijkse processen zoals groei, reparatie en reproductie aansturen.

Planten en dieren verwerven duidelijk geen voedsel (of het equivalent daarvan in organismen die eigenlijk niets kunnen "eten" met vergelijkbare middelen, en hun respectieve ingewanden verteren moleculen die op afstand worden gewonnen uit brandstofbronnen niet op dezelfde manier. Sommige organismen hebben zuurstof nodig om te overleven, anderen worden erdoor gedood en weer anderen kunnen het verdragen, maar functioneren goed in afwezigheid.

Ondanks de vele strategieën die levende wezens gebruiken om energie te extraheren uit de chemische bindingen in koolstof- rijke verbindingen, de reeks van tien metabole reacties die gezamenlijk glycolyse worden genoemd, komen voor vrijwel alle cellen voor, zowel in prokaryotische organismen (bijna allemaal bacteriën) als in eukaryotische organismen (meestal planten, dieren en schimmels).
Glycolyse: reagentia en producten

Een overzicht van de belangrijkste inputs en outputs van glycolyse is een goed uitgangspunt om te begrijpen hoe cellen moleculen uit de externe wereld omzetten in energie voor het ondersteunen van de talloze levensprocessen waarin de cellen van uw lichaam voortdurend betrokken zijn.

Glycolysereactanten worden vaak vermeld als glucose en zuurstof, terwijl water, koolstofdioxide en ATP (adenosinetrifosfaat, het molecuul dat het meest wordt gebruikt voor het aansturen van cellulaire processen) worden gegeven als glycolyseproducten, als volgt:

C _{6H 12O 6 + 6 O 2 -> 6 CO 2 + 6 H 2O + 36 (of 38) ATP}

Dit "glycolyse" noemen, zoals sommige teksten doen, is onjuist. Dit is de netto reactie van aerobe ademhaling
als geheel, waarvan glycolyse de eerste stap is. Zoals u in detail zult zien, zijn de producten van glycolyse op zichzelf eigenlijk pyruvaat en een bescheiden hoeveelheid energie in de vorm van ATP:

C _{6H 12O 6 - > 2 C 3H 4O 3 + 2 ATP + 2 NADH + 2 H +}

NADH, of NAD + in zijn de-geprotoneerde toestand (nicotinamide adenine dinucleotide), is een zo- hoog-energetische elektronendrager genoemd en een tussenproduct in veel cellulaire reacties die betrokken zijn bij energieafgifte. Let hier op twee dingen: Eén is dat glycolyse alleen lang niet zo efficiënt is in het vrijgeven van ATP als volledige aerobe ademhaling, waarbij het pyruvaat dat in glycolyse wordt geproduceerd de Krebs-cyclus binnengaat op weg naar die koolstofatomen die in de elektronentransportketen landen. Terwijl glycolyse plaatsvindt in het cytoplasma, treden de daaropvolgende reacties van aerobe ademhaling op in cellulaire organellen, mitochondria genaamd.
Glycolyse: eerste stappen

Glucose, die een zesringstructuur bevat met vijf koolstofatomen en één zuurstofatoom, wordt door gespecialiseerde transporteiwitten via het plasmamembraan in de cel gebracht. Eenmaal binnen wordt het onmiddellijk gefosforyleerd, d.w.z. er wordt een fosfaatgroep aan bevestigd. Dit doet twee dingen: het geeft het molecuul een negatieve lading, waardoor het in feite in de cel wordt gevangen (geladen moleculen kunnen het plasmamembraan niet gemakkelijk passeren) en het destabiliseert het molecuul, waardoor het voor mij meer realiteit opsplitst in kleinere componenten.

Het nieuwe molecuul wordt glucose-6-fosfaat (G-6-P) genoemd, omdat de fosfaatgroep is bevestigd aan het nummer-6 koolstofatoom van glucose (het enige dat buiten de ringstructuur ligt). Het enzym dat deze reactie katalyseert is een hexokinase; "hex-" is het Griekse voorvoegsel voor "six" (zoals in "six-carbon sugar") en kinasen zijn enzymen die een fosfaatgroep uit één molecuul vegen en elders vastpinnen; in dit geval wordt het fosfaat uit ATP genomen, waardoor ADP (adenosinedifosfaat) achterblijft.

De volgende stap is de omzetting van glucose-6-fosfaat in fructose-6-fosfaat (F-6-). P). Dit is eenvoudig een herschikking van atomen, of een isomerisatie, zonder toevoegingen of aftrekkingen, zodanig dat een van de koolstofatomen in de glucosering buiten de ring wordt verplaatst, waardoor een ring van vijf atomen achterblijft. (Je herinnert je misschien dat fructose 'fruitsuiker' is, een veel voorkomend en natuurlijk voorkomend voedingselement.) Het enzym dat deze reactie katalyseert, is fosfoglucose-isomerase.

De derde stap is een andere fosforylering, gekatalyseerd door fosfofructokinase (PFK) en opbrengst fructose 1,6-bisfosfaat (F-1,6-BP). Hier wordt de tweede fosfaatgroep verbonden met het koolstofatoom dat in de voorgaande stap uit de ring werd getrokken. (Tip van de chemienomenclatuur: de reden dat dit molecuul "bisfosfaat" wordt genoemd in plaats van "difosfaat" is dat de twee fosfaten zijn verbonden met verschillende koolstofatomen, in plaats van dat de ene is verbonden met de andere tegenover een koolstof-fosfaatbinding.) Hierin als naast de vorige fosforyleringsstap is het geleverde fosfaat afkomstig van een molecule van ATP, dus deze vroege glycolysestappen vereisen een investering van twee ATP.

De vierde stap van glycolyse breekt een nu zeer onstabiel zes-koolstofmolecuul in twee verschillende drie-koolstofmoleculen: glyceraldehyde 3-fosfaat (GAP) en dihydroxyacetonfosfaat (DHAP). Aldolase is het enzym dat verantwoordelijk is voor deze splitsing. Je kunt aan de namen van deze drie-koolstofmoleculen onderscheiden dat elk van hen een van de fosfaten van het moedermolecuul krijgt.
Glycolyse: laatste stappen

Met glucose gemanipuleerd en verdeeld in ongeveer gelijk stukken als gevolg van een kleine input van energie, de resterende reacties van glycolyse omvatten het terugwinnen van de fosfaten op een manier die resulteert in een netto energiewinst. De belangrijkste reden dat dit gebeurt is dat het verwijderen van fosfaatgroepen uit deze verbindingen energetisch gunstiger is dan ze eenvoudigweg rechtstreeks van ATP-moleculen te nemen en ze voor andere doeleinden toe te passen; denk aan de eerste stappen van glycolyse in termen van een oud gezegde: "Je moet ook geld uitgeven."

Net als G-6-P en F-6-P zijn GAP en DHAP isomeren: Ze hebben dezelfde moleculaire formule, maar verschillende fysieke structuren. GAP ligt namelijk op het directe chemische pad tussen glucose en pyruvaat, terwijl DHAP dat niet doet. Daarom neemt in de vijfde stap van glycolyse een enzym genaamd triose fosfaat isomerase (TIM) de leiding en zet het DHAP om in GAP. Dit enzym wordt beschreven als een van de meest efficiënte in alle menselijke energiemetabolismen en versnelt de reactie die het katalyseert met een factor van ongeveer tien miljard (10 ^10).

In de zesde stap, GAP wordt omgezet in 1,3-bisfosfoglyceraat (1,3-BPG) onder invloed van het enzym door glyceraldehyde 3-fosfaatdehydrogenase. Dehydrogenase-enzymen doen precies wat hun naam suggereert - ze verwijderen waterstofatomen (of protonen, als je dat liever hebt). De waterstof die wordt vrijgemaakt uit GAP vindt zijn weg naar een molecule van NAD +, wat NADH oplevert. Houd er rekening mee dat vanaf deze stap, voor boekhoudkundige doeleinden, alles wordt vermenigvuldigd met twee, omdat het oorspronkelijke glucosemolecuul twee moleculen van GAP wordt. Dus na deze stap zijn twee NAD + -moleculen gereduceerd tot twee NADH-moleculen.
De feitelijke omkering van de eerdere fosforyleringsreacties van glycolyse begint met de zevende stap. Hier verwijdert het enzym fosfoglyceraatkinase een fosfaat uit 1,3-BPG om 3-fosfoglyceraat (3-PG) op te leveren, waarbij het fosfaat op ADP landt om ATP te vormen. Omdat het opnieuw twee 1,3-BOG-moleculen is voor elk glucosemolecuul dat stroomopwaarts glycolyse binnengaat, betekent dit dat er in totaal twee ATP's worden geproduceerd, waardoor de twee ATP's die in de stappen één en drie zijn geïnvesteerd, worden opgeheven. stap acht wordt 3-PG omgezet in 2-fosfoglyceraat (2-PG) dankzij fosfoglyceraatmutase, dat de resterende fosfaatgroep extraheert en er één koolstof overheen verplaatst. Mutase-enzymen verschillen van isomerasen doordat ze, in plaats van de structuur van een hele molecule aanzienlijk te herschikken, slechts één "residu" (in dit geval een fosfaatgroep) naar een nieuwe locatie verplaatsen, terwijl de algehele structuur intact blijft.

In stap negen wordt dit behoud van structuur echter beteugeld, omdat 2-PG wordt omgezet in fosfoenolpyruvaat (PEP) door het enzym enolase. Een enol is een combinatie van een alkyleen en een alcohol. Alkenen zijn koolwaterstoffen met een dubbele koolstof-koolstofbinding, terwijl alcoholen koolwaterstoffen zijn waaraan een hydroxylgroep (-OH) is toegevoegd. De -OH in het geval van een enol is bevestigd aan een van de koolstofatomen die betrokken zijn bij de koolstof-koolstof dubbele binding van PEP.

Ten slotte wordt PEP in de tiende en laatste stap van glycolyse omgezet in pyruvaat door het enzym pyruvaatkinase. Als je uit de namen van de verschillende actoren in deze stap vermoedt dat er nog twee ATP-moleculen worden gegenereerd in het proces (één per daadwerkelijke reactie), heb je gelijk. De fosfaatgroep wordt verwijderd uit PEP en toegevoegd aan nabij gelegen ADP, wat ATP en pyruvaat oplevert. Pyruvaat is een keton, wat betekent dat het een niet-terminale koolstof heeft (dat wil zeggen een koolstof die zich niet aan het einde van het molecuul bevindt) die betrokken is bij een dubbele binding met zuurstof en twee enkele bindingen met andere koolstofatomen. De chemische formule voor pyruvaat is C _{3H 3O, maar dit uitdrukken als (CH 3) CO (COOH) biedt een verhelderend beeld van het eindproduct van glycolyse.
Energieoverwegingen en het lot van Pyruvate}

De totale hoeveelheid vrijgekomen energie (het is verleidelijk maar verkeerd om te zeggen "geproduceerd", omdat energie "productie" een verkeerde benaming is) wordt handig uitgedrukt als twee ATP per molecuul glucose. Maar om wiskundig preciezer te zijn, is dit ook 88 kilojoule per mol (kJ /mol) glucose, gelijk aan ongeveer 21 kilocalorieën per mol (kcal /mol). Een mol van een stof is de massa van die stof die het aantal moleculen van Avogadro bevat, of 6,02 × 10 ^{23-moleculen. De moleculaire massa van glucose is iets meer dan 180 gram.}

Omdat, zoals eerder opgemerkt, aerobe ademhaling meer dan 30 moleculen ATP per geïnvesteerde glucose kan afleiden, is het verleidelijk om de energieproductie van glycolyse alleen als triviaal te beschouwen , bijna waardeloos. Dit is helemaal niet waar. Bedenk dat bacteriën, die al bijna drie en een half miljard jaar bestaan, heel goed kunnen overleven door alleen glycolyse te gebruiken, omdat dit buitengewoon eenvoudige levensvormen zijn die weinig van de eisen van eukaryote organismen hebben.

In feite is het mogelijk om aerobe ademhaling anders te bekijken door het hele schema op zijn kop te houden: Hoewel dit soort energieproductie zeker een biochemisch en evolutionair wonder is, vertrouwen organismen die er grotendeels gebruik van maken erop. Dit betekent dat wanneer zuurstof nergens te vinden is, organismen die uitsluitend of sterk afhankelijk zijn van aerobe stofwisseling - dat wil zeggen, elk organisme dat deze discussie leest - niet lang kunnen overleven zonder zuurstof.

Hoe dan ook, het grootste deel van het in glycolyse geproduceerde pyruvaat beweegt in de mitochondriale matrix (analoog aan het cytoplasma van hele cellen) en komt in de Krebs-cyclus, ook wel de citroenzuurcyclus of de tricarbonzuurcyclus genoemd. Deze reeks reacties dient in de eerste plaats om veel hoogenergetische elektronendragers te genereren, zowel NADH als een verwante verbinding genaamd FADH <2, maar levert ook twee ATP per origineel glucosemolecuul op. Deze moleculen migreren vervolgens naar het mitochondriale membraan en nemen deel aan de kettingreacties van elektronentransport die uiteindelijk 34 meer ATP vrijmaken.

Bij gebrek aan voldoende zuurstof (zoals wanneer u zwaar traint), ondergaat een deel van het pyruvaat fermentatie, een soort anaëroob metabolisme waarin pyruvaat wordt omgezet in melkzuur, waardoor meer NAD + wordt gegenereerd voor gebruik in metabole processen.