A glükóz-6-foszfát keletkezése kapcsolt reakcióban

A biológiai rendszerekben igen fontos reakció a glükózmolekulák foszforilációja. Vágjunk hát neki, és foszforiláljunk egy glükózmolekulát! Ez azért olyan fontos, mert amint megjelenik ez a foszfátcsoport, – hadd nézzem meg, hogy bejelöltem-e itt ezt a töltést – – amint megvan ez a foszfátcsoport, amint rákerül ez a negatív töltés a glükóz-6-foszfát molekulára, a glükóz sokkal nehezebben tud kijutni a sejtből. A sejt igyekszik annyi glükózt felhalmozni, amennyit csak lehet. Töltés nélkül a glükózmolekula könnyen átjut a sejtmembránon, de foszforilált állapotban foglyul esik a sejtben. A glükóz-6-foszfát pedig fontos kiindulási anyag egy sor sejtszintű folyamatban. Sajnos a glükóz foszforilációja energiaigényes, endoterm reakció, amely nem megy végbe magától. A reakció szabadenergia-változása (∆G) pozitív. Tehát endoterm. Sejtheted, mi kell ahhoz, hogy végbemenjen. Használnunk kell a sejt energiavalutáját, jó barátunkat, az ATP-t. A reakciót pedig azzal segítjük elő, hogy hozzákapcsolunk egy másik reakciót, amely lényegében ATP-hidrolízis, bár valójában nem vesz részt benne vízmolekula. A folyamat lényegében az ATP hidrolízise ADP-re és egy foszfátcsoportra, ami energetikailag nagyon kedvező folyamat. Exoterm, így spontán lezajlik a megfelelő körülmények közt. Persze nem megy végbe csak úgy magától, akármilyen vizes oldatban. Kell hozzá némi aktiválási energia, vagy egy enzim, amely csökkenti az aktiviálási energiát, de a nettó folyamat exoterm. Ezt a két reakciót tehát össze tudjuk kapcsolni. A két reakciót összekapcsolva, a kiindulási oldalon az ATP és a glükóz szerepel, amelyek reakcióba lépnek. Ehhez kell egy enzim, általános nevén hexokináz, amely elősegíti ezt a reakciót az aktiválási energia csökkentésével. A reakció terméke a glükóz-6-foszfát és az ADP. Lássuk, mekkora a reakció szabadenergia-változása (∆G)! Nos, ez egy kapcsolt reakció, tehát úgy vehető, mint ennek a két reakciónak a kombinációja. Nagyjából azt mondhatjuk, hogy a két ∆G érték összeadódik. Ha tehát összeadjuk a ∆G-ket, akkor... ez az exoterm folyamat negatív ∆G-je, ez pedig a pozitív ∆G, ez annyi, mint -30,5 meg 13,8 azaz -16,7 kilojoule/mol. Ez a kapcsolt reakció tehát exoterm. Nem annyira exoterm, mint a hidrolízis, mivel az energiája részben felhasználódik, de magától végbemehet, különösen, ha eléggé le tudjuk csökkenteni az aktiválási energiáját. Most pedig lássuk a reakció mechanizmusát! Enzim jelenléte nélkül ez történne: itt van ez az elektronpár, ezen a hidroxilcsoporton, és úgynevezett nukleofil támadást kell végrehajtania ezen a foszforatomon. Ám enzim nélkül ez a folyamat elég nehézkes volna. Nagyon magas az aktiválási energiája, mivel akadályozzák ezek a negatív töltések az oxigénatomokon. Mint sejtheted, az elektronok nem szívesen közelítik meg a negatív töltéseket, hiszen a negatív töltés taszítja őket. Tehát kell egy enzim, amely elősegíti ezt a reakciót, csökkenti a beindulásához szükséges energiát. Lényegében félre kell tolnia ezeket az elektronokat. Az enzim pedig, általános nevén a hexokináz, – ezt ideírom: hexokináz – olyan ionokat biztosít a folyamathoz, amelyek úgyszólván lefoglalják ezeket az elektronokat. Legfontosabb része ez a magnéziumion, a hexonkinázhoz kötődve. Ne feledd, hogy mindez háromdimenziós térben zajlik. A hexokináz tehát úgyszólván körbeveszi, és lefoglalja ezeket az elektronokat. A hexokinázban több pozitív ion is van, amelyek lefoglalják az elektronokat. Ezek az elektronok tehát besurranhatnak, és végrehajtják a nukleofil támadást. Emlékezz rá, hogy az enzimek fehérjék, – ezt ugyanolyan színnel kéne rajzolni, mint a hexokinázt –, ezek tehát összetett fehérjeszerkezetek, így, ni. Mondjuk, ez a magnéziumion, – ezt lilával jelölöm –, itt a glükózmolekula, mondjuk, ide kötődve, aztán mondjuk itt az ATP, ami ide kötődik. Ez persze csak egy vázlat, a dolog nem pontosan így történik. De lényegében ezzel a pozitív töltéssel körülvéve félre tudja húzni ezeket az elektronokat, így elősegítve a nukleofil támadást, amely a reakció előmozdításához szükséges. Ez a kötés az oxigén- és a foszforatom közt most itt látható. Amint ez kialakul, ezt a két elektron átkerül erre az oxigénre, amelyen így negatív töltés jelenik meg. Tehát létrejött a glükóz-6-foszfát és az ADP. A reakció energetikailag kedvező, azaz exoterm. Végbe tud menni, ha jelen van ez az enzim, amely segít az elektronokat eltaszítani, ezzel csökkentve az aktiválási energiát. Tudom, arra gondolsz, hogy volt itt még egy hidrogénatom, tehát annak is itt kell lennie valahol. Egy újabb vízmolekula felveszi a hidrogéniont (protont), így csak a glükóz-6-foszfát marad. Remélem, ebből megérthető, hogyan mennek végbe a kapcsolt reakciók, és az is, hogy mire jó voltaképpen az ATP. Az ATP-re eleinte úgy gondoltam, hogy oké, az rendben van, hogy nagyon meg akar szabadulni a foszfátcsoporttól, és ez energetikailag kedvező, de hogyan használható mindez arra, hogy előmozdítson más folyamatokat, amelyek energetikailag nem kedvezőek? Remélem, ebből kiderül, hogyan történik mindez, és fény derül az enzim fontosságára is a folyamat szabályozásában.