background image

Glycolysis

Copyright © 1998-2007  by Joyce 
J. Diwan. 
All rights reserved.

Biochemistry of 
Metabolism

background image

Glycolysis

 takes place in the 

cytosol

 of cells.

Glucose enters the Glycolysis pathway by 

conversion to 

glucose-6-phosphate

.

Initially there is energy input corresponding to 

cleavage of two ~P bonds of ATP.

 

H

O

OH

H

OH

H

OH

CH

2

O

PO

3

2

H

OH

H

1

6

5

4

3

2

glucose-6-phosphate 

background image

 

H

O

O H

H

O H

H

O H

CH

2

O H

H

O H

H

H

O

O H

H

O H

H

O H

CH

2

O

PO

3

2

H

O H

H

2

3

4

5

6

1

1

6

5

4

3

2

A T P    A DP

M g

2+

glucose                            glucose-6-phosphate 

Hexokinase 

1. Hexokinase

 catalyzes:  

    

Glucose + ATP

 

 

glucose-6-P + ADP

 

The reaction involves nucleophilic attack of 

the C6 hydroxyl O of glucose on P of the 

terminal phosphate of ATP. 

ATP binds to the enzyme as a complex with 

Mg

++

.

background image

Mg

++

 

interacts with negatively charged 

phosphate oxygen atoms, providing charge 
compensation & promoting a favorable 
conformation of ATP at the active site of the 
Hexokinase enzyme. 

 

N

N

N

N

NH

2

O

OH

OH

H

H

H

CH

2

H

O

P

O

P

O

P

O

O

O

O

O

O

O

adenine 

ribose 

ATP 

adenosine triphosphate 

background image

The reaction catalyzed by Hexokinase is

 

highly

 

spontaneous

A phosphoanhydride bond of ATP (

~P

) is cleaved. 

The phosphate ester formed in glucose-6-

phosphate has a lower G of hydrolysis. 

 

H

O

O H

H

O H

H

O H

CH

2

O H

H

O H

H

H

O

O H

H

O H

H

O H

CH

2

O

PO

3

2

H

O H

H

2

3

4

5

6

1

1

6

5

4

3

2

A T P    A DP

M g

2+

glucose                            glucose-6-phosphate 

Hexokinase 

background image

the 

C6 hydroxyl

 of the                                                 

               bound glucose is 

close to

                              

                                the terminal 

phosphate

 of           

                                           ATP, promoting catalysis. 

water is excluded

 from the active site. 

This prevents the enzyme from catalyzing ATP 

hydrolysis, rather than transfer of phosphate to 

glucose.  

 

glucose 

Hexokinase 

 

H

O

O H

H

O H

H

O H

CH

2

O H

H

O H

H

H

O

O H

H

O H

H

O H

CH

2

O

PO

3

2

H

O H

H

2

3

4

5

6

1

1

6

5

4

3

2

A T P    A DP

M g

2+

glucose                            glucose-6-phosphate 

Hexokinase 

Induced fit:

Glucose

 

binding

 to 

Hexokinase 

stabilizes a 

conformatio

n

                in 

which: 

background image

It is a 

common motif

 for an enzyme active site to 

be located at an interface between protein 

domains that are connected by a flexible hinge 

region. 

The 

structural flexibility

 allows access to the 

active site, while permitting precise positioning 

of active site residues, and in some cases 

exclusion of water, as substrate binding 

promotes a particular conformation. 

 

glucose 

Hexokinase 

background image

2. Phosphoglucose Isomerase

 

catalyzes: 

     glucose-6-P

 (aldose) 



 

fructose-6-P

 (ketose) 

The mechanism involves acid/base catalysis, with 

ring opening, isomerization via an 

enediolate 

intermediate

, and then ring closure.  A similar 

reaction catalyzed by Triosephosphate Isomerase 

will be presented in detail.

 

H

O

O H

H

O H

H

O H

CH

2

O PO

3

2 

H

O H

H

1

6

5

4

3

2

CH

2

O PO

3

2 

O H

CH

2

O H

H

O H

H

H

HO

O

6

5

4

3

2

1

glucose-6-phosphate              fructose-6-phosphate 

Phosphoglucose Isomerase 

background image

3. Phosphofructokinase

 catalyzes:

    fructose-6-P + ATP 

  fructose-1,6-bisP 

+ ADP

This highly 

spontaneous

 reaction has a 

mechanism similar to that of Hexokinase. 
The Phosphofructokinase reaction is the 

rate-

limiting step

 of Glycolysis. 

The enzyme is highly 

regulated

, as will be 

discussed later. 

CH

2

O PO

3

2 

O H

CH

2

O H

H

O H

H

H

HO

O

6

5

4

3

2

1

CH

2

O PO

3

2 

O H

CH

2

O

PO

3

2 

H

O H

H

H

HO

O

6

5

4

3

2

1

A T P    A D P

M g

2 +

 

fructo se-6-pho sphate                      fructo se-1,6-bispho sphate 

P ho spho fructo k inase 

background image

4. 

Aldolase

 

catalyzes: 

fructose-1,6-

bisphosphate 

 

                       dihydroxyacetone-P + 

glyceraldehyde-3-P

The reaction is an 

aldol cleavage

, the reverse 

of an aldol condensation.  
Note that C atoms are renumbered in products 

of Aldolase.

 

6

5

4

3

2

1

CH

2

O PO

3

2

C

C

C

C

CH

2

O PO

3

2

O

HO

H

H

O H

H

O H

3

2

1

CH

2

O PO

3

2

C

CH

2

O H

O

C

C

CH

2

O PO

3

2

H

O

H

O H

+

1

2

3

 

fructose-1,6- 

bisphosphate  

  

A ldolase 

dihydroxyacetone    glyceraldehyde-3- 

  phosphate                 phosphate 

 

Triosephosphate Isomerase 

background image

lysine

 residue at the active site functions 

in catalysis. 
The 

keto

 group of fructose-1,6-bisphosphate 

reacts with the -amino group of the active 

site lysine, to form a protonated 

Schiff base

 

intermediate.
Cleavage of the bond between C3 & C4 

follows.

background image

5.  Triose  Phosphate  Isomerase  (TIM)

 

catalyzes:

     dihydroxyacetone-P 



 

glyceraldehyde-

3-P

Glycolysis continues from glyceraldehyde-3-P. 

TIM's K

eq

 favors dihydroxyacetone-P. Removal of 

glyceraldehyde-3-P by a subsequent 

spontaneous reaction allows throughput. 

6

5

4

3

2

1

CH

2

O PO

3

2

C

C

C

C

CH

2

O PO

3

2

O

HO

H

H

O H

H

O H

3

2

1

CH

2

O PO

3

2

C

CH

2

O H

O

C

C

CH

2

O PO

3

2

H

O

H

O H

+

1

2

3

 

fructose-1,6- 

bisphosphate  

  

A ldolase 

dihydroxyacetone    glyceraldehyde-3- 

  phosphate                 phosphate 

 

Triosephosphate Isomerase 

background image

The ketose/aldose conversion involves 

acid/base catalysis

, and is thought to proceed 

via an 

enediol

 intermediate, as with 

Phosphoglucose Isomerase. 
Active site Glu and His residues are thought to 

extract and donate protons during catalysis.

 

C

C

CH

2

O PO

3

2 

O

C

C

CH

2

O PO

3

2 

H

O

H

O

H

C

C

CH

2

O PO

3

2 

H

O

H

O

H

H

H

O

H

H

+

H

+

H

+

H

+

d i h y d ro x y a c e to n e         e n e d io l                  g l y c e ra ld e h y d e -  

  p h o s p h a te                 i n te rm e d i a te               3 - p h o s p h a te   

T rio s e p h o s p h a te  Is o m e ra s e  

background image

 

C

CH

2

O PO

3

2 

O

O

C

CH

2

O PO

3

2 

HC

O

O H

pro po sed 

enedio late 

interm ediate 

pho spho gly co late 

transitio n state 

analo g 

2-Phosphoglycolate

 is a 

transition state 

analog

 that binds tightly at the active site of 

Triose Phosphate Isomerase (TIM).
This inhibitor of catalysis by TIM is similar in 

structure to the proposed enediolate 

intermediate. 
TIM is judged a "perfect enzyme." Reaction 

rate is limited only by the rate that substrate 

collides with the enzyme.  

background image

 

TIM 

Triosephosphate 

Isomerase structure is 

an 

 barrel

, or TIM 

barrel. 
In an  barrel there are 

            8 parallel -

strands surrounded by 8 

-helices. 
Short loops connect 

alternating -strands & 

-helices.

background image

 

TIM 

TIM barrels

 serve as 

scaffolds for active site 

residues in a diverse 

array of enzymes. 

Residues of the 

active 

site

 are always at the 

same end of the barrel, 

on C-terminal ends of  -

strands & loops 

connecting these to -

helices.

There is debate whether the many different 

enzymes with TIM barrel structures are 

evolutionarily related. 

In spite of the structural similarities there is 

tremendous 

diversity in catalytic functions

 

of these enzymes and little sequence 

homology. 

background image

 

TIM 

Explore

 the structure of the 

Triosephosphate Isomerase (TIM) 

homodimer, with the transition state 

inhibitor                 2-phosphoglycolate 

bound to one of the TIM monomers. 

Note

 the structure of the TIM barrel, and 

the loop that forms a lid that closes over the 

active site after binding of the substrate. 

 

C

CH

2

O PO

3

2 

O

O

C

CH

2

O PO

3

2 

HC

O

O H

pro po sed 

enedio late 

interm ediate 

pho spho gly co late 

transitio n state 

analo g 

background image

 

C

C

CH

2

O PO

3

2 

H

O

H

O H

C

C

CH

2

O PO

3

2 

O

O PO

3

2 

H

O H

+   

P

i

                       +  H

+

N A D

+

   N A D H

1

2

3

2

3

1

g l y c e ra l d e h y d e -                       1 ,3 - b i s p h o s p h o -  

  3 - p h o s p h a te                              g l y c e ra te  

G ly c e ra ld e h y d e - 3 - p h o s p h a te   

   D e h y d ro g e n a s e  

6. Glyceraldehyde-3-phosphate 

Dehydrogenase

  catalyzes:

 

glyceraldehyde-3-P + NAD

+

 + P

i

 

 



                         

1,3-bisphosphoglycerate + 

NADH + H

+

background image

 

C

C

CH

2

O PO

3

2 

H

O

H

O H

C

C

CH

2

O PO

3

2 

O

O PO

3

2 

H

O H

+   

P

i

                       +  H

+

N A D

+

   N A D H

1

2

3

2

3

1

g l y c e ra l d e h y d e -                       1 ,3 - b i s p h o s p h o -  

  3 - p h o s p h a te                              g l y c e ra te  

G l y c e ra l d e h y d e - 3 - p h o s p h a te   

   D e h y d ro g e n a s e  

Exergonic oxidation of the aldehyde in 

glyceraldehyde-   3-phosphate, to a carboxylic acid, 

drives formation of an 

acyl phosphate

, a "high 

energy" bond (

~P

). 

This is the only

 

step in Glycolysis in which 

NAD

+

 is 

reduced to NADH.

background image

cysteine thiol

 at the active site of 

Glyceraldehyde-3-phosphate Dehydrogenase 

has a role in catalysis. 

The aldehyde of glyceraldehyde-3-phosphate 

reacts with the cysteine thiol to form a 

thiohemiacetal

 intermediate.

C

C

CH

2

OPO

3

2

H

O

H

OH

1

2

3

 

glyceraldehyde-3- 

    phosphate 

 

background image

The “high energy” acyl thioester is attacked by 

P

i

 to yield the acyl phosphate (

~P

) product. 

 

CH

CH

2

OPO

3

2

OH

Enz-Cys

SH

Enz-Cys

S

CH

CH

CH

2

OPO

3

2

OH

OH

Enz-Cys

S

C

CH

CH

2

OPO

3

2

OH

O

HC

  NAD

+

NADH

Enz-Cys

SH

P

i

C

CH

CH

2

OPO

3

2

OH

O

O

3

PO

2

O

glyceraldehyde-3-

phosphate 

1,3-bisphosphoglycerate 

thiohemiacetal 

intermediate 

acyl-thioester 

intermediate 

Oxidation to a 
carboxylic 
acid (in a ~ 

thioester

occurs, as 
NAD

+

 is 

reduced to 

NADH

background image

Recall that NAD

+

 accepts 2 e

 plus one H

+

 

(a hydride) in going to its reduced form.

N

R

H

C

NH

2

O

N

R

C

NH

2

O

H

H

+

 

2e

 + 

H

+

 

NA D

+

                          NA DH 

background image

 

C

C

CH

2

O PO

3

2 

O

O PO

3

2 

H

O H

C

C

CH

2

O PO

3

2 

O

O

H

O H

A D P   A T P

1

2

2

3

3

1

M g

2+

1 ,3 -bispho spho -            3 -p ho spho gly cerate 

  gly cerate 

P ho spho gly cerate K inase 

7. Phosphoglycerate Kinase

 catalyzes:

    1,3-bisphosphoglycerate + ADP 



 

                                                                                    3-

phosphoglycerate + 

ATP

This phosphate transfer is reversible (low 

G), since     one ~P bond is cleaved & 

another synthesized. 
The enzyme undergoes substrate-induced 

conformational change similar to that of 

Hexokinase.

background image

 

C

C

CH

2

O H

O

O

H

O

PO

3

2 

2

3

1

C

C

CH

2

O

PO

3

2 

O

O

H

O H

2

3

1

3-phosphoglycerate      2-phosphoglycerate 

P hosphoglycerate M utase 

8. Phosphoglycerate Mutase

 catalyzes:

 

 

 

 

3-phosphoglycerate

 



 

2-

phosphoglycerate

Phosphate is shifted from the OH on 
C3 to the OH on C2. 

background image

 

C

C

CH

2

O H

O

O

H

O

PO

3

2 

2

3

1

C

C

CH

2

O

PO

3

2 

O

O

H

O H

2

3

1

3-phosphoglycerate      2-phosphoglycerate 

Phosphoglycerate M utase 

 

C

C

CH

2

OPO

3

2

O

O

H

OPO

3

2

2

3

1

2,3-bisphosphoglycerate  

An active site 

histidine

 

side-chain participates in P

i

 

transfer, by donating & 

accepting phosphate. 
The process involves a         

           

2,3-bisphosphate 

intermediate.

View an 

animation 

of the 

Phosphoglycerate Mutase 

reaction.

background image

9. Enolase

 catalyzes: 

 

 

 

2-phosphoglycerate

 



 

phosphoenolpyruvate

 

+

 

H

2

O

This dehydration reaction is 

Mg

++

-

dependent

2 Mg

++

 ions interact with oxygen atoms of the 

substrate 

carboxyl

 group at the active site.

The Mg

++

 ions help to stabilize the enolate 

anion intermediate that forms when a Lys 

extracts H

+

 from C #2. 

 

C

C

C H

2

O H

O

O

H

O P O

3

2

C

C

C H

2

O H

O

O

O P O

3

2

C

C

C H

2

O

O

O P O

3

2

O H

2

3

1

2

3

1

H

2-phosphoglycerate 

   

enolate intermediate 

   

phosphoenolpyruvate 

Enolase 

background image

10. Pyruvate Kinase

 catalyzes:

      phosphoenolpyruvate + ADP

 

 

pyruvate + ATP

 

 

C

C

CH

3

O

O

O

2

3

1

A D P   A T P

C

C

CH

2

O

O

O

PO

3

2 

2

3

1

phosphoenolpyruvate           pyruvate 

Pyruvate K inase 

background image

This phosphate transfer from PEP to ADP is 

spontaneous

PEP has a larger G of phosphate 

hydrolysis than ATP.

Removal of P

i

 from PEP yields an unstable 

enol, which spontaneously converts to the 

keto form of pyruvate. 

Required inorganic 

cations

 K

+

 and Mg

++

 bind 

to anionic residues at the active site of 

Pyruvate Kinase. 

 

C

C

CH

3

O

O

O

2

3

1

A D P   A T P

C

C

CH

2

O

O

O

PO

3

2 

2

3

1

C

C

CH

2

O

O

O H

2

3

1

phosphoenolpy ruv ate         enolpy ruv ate        py ruv ate 

P yruv ate K inase 

background image

Hexokinase 

Phosphofructokinase 

 

 

        glucose   

 

Glycolysis

 

 

ATP 

 

 

 

ADP 

 

glucose-6-phosphate 

 

 

Phosphoglucose Isomerase 

 

fructose-6-phosphate 

 

 

ATP  

 

 

 

ADP 

 

fructose-1,6-bisphosphate 

 

Aldolase 

 

 

glyceraldehyde-3-phosphate

 

+

 

dihydroxyacetone-phosphate 

   

 

 

 

      

Triosephosphate 

   

 

 

 

                Isomerase 

 

Glycolysis continued

 

background image

Glyceraldehyde-3-phosphate  

Dehydrogenase 

Phosphoglycerate Kinase 

Enolase 

Pyruvate Kinase 

 

 

glyceraldehyde-3-phosphate 

 

 

NAD

+

 

+

 

P

i

 

 

NADH

 

+

 

H

+  

 

 

1,3-bisphosphoglycerate 

 

ADP 

 

ATP 

 

 

3-phosphoglycerate 

 

 

   

 

Phosphoglycerate Mutase 

 

 

2-phosphoglycerate 

 

 

H

2

 

 

 phosphoenolpyruvate 

 

ADP 

 

ATP 

 

 

      pyruvate 

Glycolysi

continue
d.
Recall 
that 
there are 
2 GAP 
per 
glucose.

background image

Glycolysis

Balance sheet

 for 

~P

 bonds of ATP: 

How many ATP ~P bonds expended? ________

How many ~P bonds of ATP produced? 
(Remember there are two 3C fragments from 
glucose.) ________  

Net production of ~P bonds of ATP per 
glucose: ________ 

2

4

2

background image

Balance sheet

 for 

~P

 bonds of ATP: 

2 ATP expended

4 ATP produced (2 from each of two 3C 

fragments from glucose)  

Net production of 

2 ~P

 bonds of 

ATP

 per 

glucose

Glycolysis - total pathway, omitting H

+

:  

 

      glucose + 2 NAD

+

 + 2 ADP + 2 P

i

 

 

 

                                   2 pyruvate + 2 NADH + 2 

ATP

In 

aerobic organisms

:

pyruvate

 produced in Glycolysis is oxidized to 

CO

2

 via Krebs Cycle

NADH

 produced in Glycolysis & Krebs Cycle is 

reoxidized via the respiratory chain, with 

production  of much additional ATP.  

background image

They 

must reoxidize NADH

 produced in 

Glycolysis through some other reaction, 

because 

NAD

+

 is needed for the 

Glyceraldehyde-3-phosphate Dehydrogenase 

reaction. 
Usually NADH is reoxidized as 

pyruvate

 is 

converted to   a 

more reduced

 compound. 

The complete pathway, including Glycolysis 

and the reoxidation of NADH, is called 

fermentation

 

C

C

CH

2

O PO

3

2 

H

O

H

O H

C

C

CH

2

O PO

3

2 

O

O PO

3

2 

H

O H

+   

P

i

                       +  H

+

N A D

+

   N A D H

1

2

3

2

3

1

g l y c e ra l d e h y d e -                       1 ,3 - b i s p h o s p h o -  

  3 - p h o s p h a te                              g l y c e ra te  

G ly c e ra l d e h y d e - 3 - p h o s p h a te   

   D e h y d ro g e n a s e  

Fermentation

:

Anaerobic 

organisms

 

lack a 

respiratory 

chain.

background image

 

C

C

CH

3

O

O

O

C

H

C

CH

3

O

O H

O

N A D H

 

+

 

H

+

  N A D

+

L actate D ehy dro genase 

py ruv ate                           lactate 

E.g., 

Lactate Dehydrogenase

 catalyzes 

reduction

 of       the keto in 

pyruvate

 to a 

hydroxyl, yielding 

lactate

, as       NADH is 

oxidized to NAD

+

Lactate

, in addition to being an end-product 

of fermentation, serves as a 

mobile

 form of 

nutrient energy

, & possibly as a 

signal

 

molecule in mammalian organisms.
Cell membranes contain 

carrier

 proteins that 

facilitate transport of lactate.

background image

 

C

C

CH

3

O

O

O

C

H

C

CH

3

O

O H

O

N A D H

 

+

 

H

+

  N A D

+

L actate D ehy dro genase 

py ruv ate                           lactate 

Skeletal muscles

 ferment glucose to 

lactate

 

during exercise, when the exertion is brief and 

intense. 

Lactate

 released to the 

blood

 may be taken 

up by other tissues, or by skeletal muscle after 

exercise, and converted via Lactate 

Dehydrogenase back to

 pyruvate

, which may 

be oxidized in 

Krebs Cycle

 or (in liver) 

converted to back to 

glucose

 via 

gluconeogenesis

background image

 

C

C

CH

3

O

O

O

C

H

C

CH

3

O

O H

O

N A D H

 

+

 

H

+

  N A D

+

L actate D ehy dro genase 

py ruv ate                           lactate 

Lactate

 serves as a 

fuel

 source for 

cardiac 

muscle

 as well as 

brain neurons

Astrocytes

, which surround and protect 

neurons in the brain, 

ferment glucose

 to 

lactate

 and release it. 

Lactate

 taken up by adjacent neurons is 

converted to pyruvate that is oxidized via 

Krebs Cycle. 

background image

 

C

C

CH

3

O

O

O

C

CH

3

O

H

C

CH

3

O

H

H

H

N A D H

 

+

 

H

+

  N A D

+

CO

2

    P y ru v ate                  A lco h o l  

D ecarb o x y lase        D eh y d ro gen ase 

p y ru v ate            acetald eh y d e                     eth an o l  

Some anaerobic organisms metabolize 

pyruvate to 

ethanol

, which is excreted as a 

waste product. 

NADH

 is converted to 

NAD

+

 in the reaction 

catalyzed by Alcohol Dehydrogenase. 

background image

 

Glycolysis

, omitting H

+

:  

 

    glucose + 2 NAD

+

 + 2 ADP + 2 P

i

 

 

 

                                   2 pyruvate + 2 

NADH + 2 ATP

Fermentation

, from glucose to lactate:

   glucose + 2 ADP + 2 P

i

 

 

 

2 lactate + 

2 ATP

Anaerobic catabolism

 of glucose yields 

only 2 “high energy” bonds of ATP. 

background image

Glycolysis Enzyme/Reaction

G

o

kJ/mo

l

G 

kJ/mo

l

Hexokinase

-20.9

-27.2

Phosphoglucose Isomerase

+2.2

-1.4

Phosphofructokinase

-17.2

-25.9

Aldolase

+22.

8

-5.9

Triosephosphate Isomerase

+7.9

negati

ve

Glyceraldehyde-3-P 

Dehydrogenase

& Phosphoglycerate Kinase

-16.7

-1.1

Phosphoglycerate Mutase

+4.7

-0.6

Enolase

-3.2

-2.4

Pyruvate Kinase

-23.0

-13.9

*Values in this table from D. Voet & J. G. Voet (2004) Biochemistry, 3

rd

 

Edition, John Wiley & Sons, New York, p. 613. 

background image

Flux

 through the Glycolysis pathway is 

regulated

 by 

control of 3 enzymes that catalyze 

spontaneous

 

reactions: 

Hexokinase, Phosphofructokinase & Pyruvate 

Kinase

Local control

 of metabolism involves regulatory 

effects of varied concentrations of pathway 

substrates

 

or 

intermediates

, to benefit the cell. 

Global control

 is for the benefit of the whole 

organism, & often involves 

hormone-activated 

signal cascades

Liver

 cells have major roles in metabolism, 

including maintaining blood levels various of 

nutrients such as glucose. Thus global control 

especially involves liver.
Some aspects of global control by hormone-

activated signal cascades will be discussed later.

background image

Hexokinase

 is 

inhibited

 by 

product

 

glucose-6-

phosphate

:  

by 

competition

 at the 

active site

by 

allosteric

 interaction at a 

separate

 enzyme site. 

Cells

 trap glucose

 by 

phosphorylating

 it, 

preventing exit on glucose carriers. 

Product inhibition

 of Hexokinase ensures that cells 

will not continue to accumulate glucose from the 

blood, if [glucose-6-phosphate] within the cell is 

ample. 

 

H

O

O H

H

O H

H

O H

CH

2

O H

H

O H

H

H

O

O H

H

O H

H

O H

CH

2

O

PO

3

2

H

O H

H

2

3

4

5

6

1

1

6

5

4

3

2

A T P    A DP

M g

2+

glucose                            glucose-6-phosphate 

Hexokinase 

background image

Glucokinase

 has a 

high K

M

 

for 

glucose

.  

It is 

active

 only 

at high [glucose]

One effect of 

insulin

, a hormone produced when blood 

glucose is high, is 

activation

 in liver of 

transcription

 

of the gene that encodes the 

Glucokinase

 enzyme. 

Glucokinase is 

not

 

subject to product inhibition

 by   

glucose-6-phosphate. Liver will take up & 

phosphorylate glucose even when liver [glucose-6-

phosphate] is high.

 

H

O

O H

H

O H

H

O H

CH

2

O H

H

O H

H

H

O

O H

H

O H

H

O H

CH

2

O

PO

3

2

H

O H

H

2

3

4

5

6

1

1

6

5

4

3

2

A T P    A DP

M g

2+

glucose                            glucose-6-phosphate 

Hexokinase 

Glucokina

se

 is a 

variant of 

Hexokinase 

found in 

liver

.

background image

Glucokinase is subject to 

inhibition

 by 

glucokinase regulatory protein

 (

GKRP

). 

The ratio of Glucokinase to GKRP in liver 

changes in different metabolic states, 

providing a mechanism for modulating 

glucose phosphorylation.

background image

Glucose-6-phosphatase

 catalyzes hydrolytic 

release of P

i

 from glucose-6-P. Thus 

glucose

 is 

released

 from the liver     to the blood as needed 

to maintain blood [glucose]. 

The enzymes Glucokinase & Glucose-6-phosphatase, 

both found in 

liver

 but not in most other body 

cells, allow the liver to control blood [glucose].

 

   Glycogen            Glucose 
                                      

Hexokinase or Glucokinase 

                                              Glucose-6-Pase

 

   Glucose-1-P        Glucose-6-P        Glucose + P

i

 

                                      

Glycolysis

         

 

                                      Pathway 

                              Pyruvate 

                   

Glucose metabolism in liver. 

 

Glucokinase

,               

       with high K

M

           

              for glucose,     

                   allows liver 

to                  store 

glucose                         

as glycogen in               

                         the fed 

state                              

                 when blood 

[glucose] is high. 

background image

High [glucose]

 within liver cells causes a transcription 

factor 

carbohydrate responsive element binding 

protein

 (

ChREBP

) to be transferred into the nucleus, 

where it activates 

transcription

 of the gene for Pyruvate 

Kinase. 

This facilitates converting 

excess glucose

 to 

pyruvate

which is metabolized to 

acetyl-CoA

, the main precursor  

for synthesis of 

fatty acids

, for long term energy storage. 

 

C

C

CH

3

O

O

O

2

3

1

A D P   A T P

C

C

CH

2

O

O

O

PO

3

2 

2

3

1

phosphoenolpyruvate           pyruvate 

Pyruvate K inase 

Pyruvate Kinase

the last step 

Glycolysis, is 

controlled

 in 

liver

 

partly by 

modulation of the 

amount 

of

 

enzyme

background image

Phosphofructokinase

 is usually the 

rate-limiting step

 

of the Glycolysis pathway. 

Phosphofructokinase is 

allosterically inhibited by

 

ATP

At 

low

 concentration, the substrate 

ATP

 binds 

only

 at 

the 

active site

.

At 

high

 concentration, ATP binds 

also

 at a low-affinity 

regulatory site

, promoting the tense conformation. 

CH

2

O PO

3

2 

O H

CH

2

O H

H

O H

H

H

HO

O

6

5

4

3

2

1

CH

2

O PO

3

2 

O H

CH

2

O

PO

3

2 

H

O H

H

H

HO

O

6

5

4

3

2

1

A T P    A D P

M g

2 +

 

fructo se-6-pho sphate                      fructo se-1,6-bispho sphate 

P ho spho fructo k inase 

background image

The 

tense

 conformation of PFK, at 

high [ATP]

, has lower 

affinity for the other substrate, fructose-6-P. 

Sigmoidal

 

dependence of reaction rate on [fructose-6-P] is seen. 

AMP

, present at significant levels only when there is 

extensive ATP hydrolysis, antagonizes effects of high 

ATP.

0

10

20

30

40

50

60

0

0.5

1

1.5

2

[Fructose-6-phosphate] mM

P

F

K

 A

c

ti

v

it

y

 

high [ATP] 

low [ATP] 

background image

Inhibition of the Glycolysis enzyme 

Phosphofructokinase when [ATP] is high 

prevents breakdown of glucose in a pathway 

whose main role is to make ATP. 

It is more useful to the cell to store glucose as 

glycogen when ATP is plentiful. 

 

   Glycogen            Glucose 
                                      

Hexokinase or Glucokinase 

                                              Glucose-6-Pase

 

   Glucose-1-P        Glucose-6-P        Glucose + P

i

 

                                      

Glycolysis

         

 

                                      Pathway 

                              Pyruvate 

                   

Glucose metabolism in liver. 

 


Document Outline