Glycolysis: thermodynamics and pathway predictions

• Applicants: Privatdozent Dr.-Ing. Christoph Held; Professor Dr. Thomas Maskow; Professor Dr. Sergey Verevkin
• Subject Area: Biological Process Engineering ; Chemical and Thermal Process Engineering ; Technical Thermodynamics
• Term: from 2016 to 2022
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 316870850

• Final Report Year: 2022

Final Report Abstract

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik trifft eine Aussage darüber, ob eine chemische Reaktion spontan abläuft oder nicht. Dies wird anhand der Triebkraft beurteilt: die Freie Reaktionsenthalpie. Diese muss für jede einzelne Reaktion in einem Reaktionsnetzwerk negativ sein, damit eine Reaktion bzw. das Netzwerk spontan ablaufen kann. Anhand von vor diesem Projekt existierenden Daten wurde für den Glykolyse-Stoffwechselweg (besteht aus Einzelreaktionen) ausgerechnet, dass die Triebkraft einen positiven Wert annimmt und somit das spontane Ablaufen der Glykolyse verbieten würde. Die genauen Ursachen hinter diesem falsch gezogenen Schluss sollte in diesem Projekt erörtert werden. Die Triebkraft setzt sich aus zwei Teilen zusammen: Thermodynamischen Standarddaten, die auf den Gleichgewichtszustand einer Reaktion zurückzuführen sind, und die Eigenschaften der Stoffe, die an der Glykolyse teilnehmen (Metabolite), im Nichtgleichgewichtszustand. Das Projektteam bestand aus Forschenden zu Metaboliteigenschaften, thermodynamischer Modellierung, Kalorimetrie und Triebkraft-Analysen (TFA). Es wurden zunächst Metaboliteigenschaften und thermodynamische Reaktions-Standarddaten hochgenau vermessen, indem Reaktionsgleichgewichte vermessen wurden und mit thermodynamischer Modellierung auf die entsprechenden Reaktions-Standarddaten geschlossen wurde. Dabei zeigte sich, dass die neu bestimmten Reaktions-Standarddaten teilweise erheblich von in der Literatur bekannten Daten unterscheiden. Zweitens zeigte sich, dass die sich physikalische Wechselwirkungen deutlich auf Metaboliteigenschaften im Nichtgleichgewichtszustand auswirken, und dass hier ebenfalls thermodynamische Modellierung nötig ist, um Metaboliteigenschaften quantitativ abzubilden. Diese beiden Sachverhalte führten zu deutlich anderen Aussagen von TFA Rechnungen: Mit Verwendung der neuen Reaktions-Standarddaten und der Berücksichtigung von Metaboliteigenschaften im Nichtgleichgewichtszustand konnte der Ablauf der Glykolyse durch TFA bewiesen werden. Es soll darauf hingewiesen werden, dass diese Erkenntnis neu ist, und das „Rätsel“ um die Glykolyse gelöst ist, und der spontane Ablauf der Glykolyse durch Wechselwirkungen der Metabolite in zytolsolischen Bedingungen erklärt werden kann. Der entwickelte Ansatz erlaubt also die energetische Bewertung von Reaktionen und ganzen Reaktionsnetzwerken unter der Voraussetzung verfügbarer thermodynamischer Reaktions-Standarddaten der Einzelreaktionen.

Publications

• J. Mol. Liq. 2019, 293, 111453
  Zaitseva, K. V.; Varfolomeev, M. A.; Verevkin S.P.
  (See online at https://doi.org/10.1016/j.molliq.2019.111453)
• Phys. Chem. Chem. Phys. 2019, 21, 12787-12797
  Abdelaziz, A.; Zaitsau, D. H.; Kuratieva, N. V.; Schick, C. Verevkin, S. P.
  (See online at https://doi.org/10.1039/C9CP00716D)
• Ind. Eng. Chem. Res. 2020, 59, 46, 20539–20550
  Konnova, M. E.; Li, S.; Bösmann, A.; Müller, K.; Wasserscheid, P.; Andreeva, I. V.; Turovtsev, V. V.; Zaitsau, D. H.; Pimerzin, A. A.; Verevkin, S. P.
  (See online at https://doi.org/10.1021/acs.iecr.0c04069)
• J. Chem. Thermodyn. 2020, 140, 105893
  Andreeva, I. V.; Varfolomeev, M. A.; Verevkin, S. P.
  (See online at https://doi.org/10.1016/j.jct.2019.105893)
• Phys. Chem. Chem. Phys. 2020, 22, 838-853
  Abdelaziz, A.; Zaitsau, D. H.; Buzyurov, A. V.; Verevkin, S. P.; Schick C.
  (See online at https://doi.org/10.1039/C9CP04761A)
• Ch. 14. In “Gibbs Energy and Helmholtz Energy: Liquids, Solutions and Vapours”, Eds. Emmerich Wilhelm and Trevor M. Letcher
  Verevkin, S. P.
  (See online at https://doi.org/10.1039/9781839164095-00393)
• Ind. Eng. Chem. Res. 2021, 60, 17183–17194
  Andreeva, I. V.; Pimerzin, A. A.;,Turovtzev, V. V.; Qian, S.; Bara, J. E.; Verevkin S.P.
  (See online at https://doi.org/10.1021/acs.iecr.1c02230)
• J Therm Anal Calorim (2021)
  Verevkin, S. P.
  (See online at https://doi.org/10.1007/s10973-021-10924-x)
• J. Chem. Eng. Data 2021, 66, 2822–2831
  Huxoll, F.; Heyng, M.; Andreeva, I. V.; Verevkin, S. P.; Sadowski G.
  (See online at https://doi.org/10.1021/acs.jced.1c00202)
• J. Chem. Thermodyn. 2021, 163, 106610
  Verevkin, S. P., Andreeva, I. V.; Konnova, M. E.; Portnova, S. V.; Zherikova, K. V.; Pimerzin, A. A.
  (See online at https://doi.org/10.1016/j.jct.2021.106610)
• J. Therm. Anal. Calorim.
  Verevkin, S. P.; Andreeva, I. V.; Zherikova, K. V., Pimerzin, A. A.
  (See online at https://doi.org/10.1007/s10973-021-11115-4)
• Mol. Liquids, 2021, 335, 116568
  Verevkin, S. P.; Andreeva, I. V.; Pimerzin, A. A.
  (See online at https://doi.org/10.1016/j.molliq.2021.116568)
• RSC Advances, 2021, 11, 10727 – 10737
  Verevkin, S. P.; Turovtsev, V. V.; Andreeva, I. V.; Orlov, Y. D.; Pimerzin, A. A.
  (See online at https://doi.org/10.1039/D1RA00690H)
• Chem. Eng. Sci. 2022, 247, 117032
  Andreeva, I. V.; Zaitsau, D. H.; Qian, S.; Turovtzev, V. V.; Pimerzin, A. A.; Jason E. Bara, Verevkin S.P.
  (See online at https://doi.org/10.1016/j.ces.2021.117032)
• J. Chem. Thermodyn. 2022, 166, 106689
  Verevkin, S. P.; Andreeva, I. V.; Emel´yanenko, V. N.
  (See online at https://doi.org/10.1016/j.jct.2021.106689)