Glikogenogeneza i glikogenoliza.

Glikogen jest magazynowany jako rezerw energetyczna głównie w wątrobie i mięśniach szkieletowych. Zadanie glikogenu zmagazynowanego w mięśniach polega na dostarczaniu energii podczas podłużnego skurczu mięśnia. Natomiast glikogen zmagazynowany w wątrobie słóży utrzymaniy odpowiedniego poziomu glukozy we krwi.

Glikogenoliza – rozkład glikogenu.

Rozkład glikogenu przeprowadzają enzymy, fosforylaza glikogenowa i enzym usuwający rozgałęzienia glikogenu. Fosforylaza usuwa kolejno reszty glukozowe z nieredukującego końca cząsteczki glikogenu, uwalniając jego produkt glukozo-1-fosforan. Rozrywa ona tylko wiązania a-1,4 glikozydowe, natomiast nie potrafi rozbić wiązania a-1,6, występujących w miejscach rozgałęzień. Glukozo-1-fosforan jest przekształcany w glukozo-6-fosforan przez fosfoglukomutazę. W wątrobie zachodzi dalsze przekształcanie tej cząsteczki w glukozę, katalizowane przez glukozo-6-fosfatazę, po czym glukoza przechodzi do krwi. Glukozo-6-fosfataza nie występuje w mięśniach. Tutaj energia potrzebna do skurczu mięśnia pochodzi z utleniania glukozo-6-fosforanu syntetyzowanego podczas glikolizy.

Glikogenogeneza – synteza glikogenu.

UDP-glukoza jest syntetyzowana z UTP i glukozo-1-fosforanu w reakcji katalizowanej przez pirofosforylazę UDP-glukozy. Następnie synteza glikogenowa używa UDP-glukozy jako substratu do syntezy glikogenu, dodając pojedyńcze reszty do nieredukcyjnego końca cząsteczki glikogenu i tworząc wiązanie a-1,4-glikozydowe między sąsiadującumi resztami. Enzym może tylko wydłóżać łańcuch dlatego do rozpoczęcia syntezy konieczny jest inicjator (primer) o nazwie glikogenina. Glikogenina jest białkiem zawierającym osiem reszt glukozy połączonych więzaniami a-1,4. rozgałęzienia w glikogenie tworzy enzym rozgałęziający, który zrywa w łańcuchu glikogenowym wiązania a-1,4 i przenosi fragmenty zbudowane z około siedmiu reszt ku wnętrzu cząsteczki, wiążąc je z łłównym łańcuchem wiązaniem a-1,6.

Glikoliza

Glikoliza jest ciągiem reakcji zachodzących w cytoplazmie prokariotów i eukariotów. Rola glikolizy polega na dostarczeniu energii ( albo bezpośrednio, albo przez substraty dla cyklu kwasu cytrynowego i fosforylacji oksydacyjnej) oraz wytworzeniu intermediatów dla szlaków biosyntetycznych.

Przebieg szlaku:

Glukoza jest fosforylowana (przez heksokinaze) do glukozo-6-fosforanu, który ulega przekształceniu (przez izomerazę glukozofosforanową) w fruktozo-6-fosforan, a następnie w fruktozo-1,6-bifosforan (przez fosfofruktokinazę, PKF). Fruktozo-1,6-bifosforan zostaje rozszczepiona na aldehyd 3-fosfoglicerynowy i fosfodihydroksyaceton (przez aldolazę), po czym te dwie triozy są przekształcane przez izomerazę triozofosforanową. Aldehyd 3-fosfoglicerynowy jest przekształcany (przez dehydrogenazę aldehydu 3-fosfoglicerynowego) w 1,3-bifosfoglicerynian, który wchodzi w reakcję z ADP (karalizowaną przez kinazę fosfoglicerynową), co daje 3-fosfoglicerynian i ATP. Dalej 3-fosfoglicerynian zostaje przekształcony w 2-fosfoglicerynian (przez fosfogliceromutazę), a następnie w fosfoenolopirogronian (PEP) przez enolazę. W końcu w reakcji PEP plus ADP (katalizowanej przez kinazę pirogronową) tworzy się pirogronian i ATP.

Losy pirogronianu i drogi jego przekształcania:

W warunkach tlenowych dehydrogenaza pirogronowa przekształca pirogronian w acetylo-CoA, który następnie wchodzi do cyklu kwasu cytrynowego. W warunkach beztlenowych dehydrogenaza mleczanowa (LDH) przekształca pirogronian w mleczan. Regenerowany w tej reakcji NAD+ pozwala na kontynuację glikolizy pomimo braku tlenu. W momencie pojawienia się tlenu mleczan z powrotem przechodzi w pirogronian. Drożdże i inne organizmy w warunkach beztlenowych prowadzą fermentację alkoholową, podczas której pirogronian zostaje przekształcony w aldehyd octowy i dalej w etanol, a regeneracja NAD+ umożliwia ciągły przebieg glikolizy.

Wydajność energetyczna:

Podczas przekształcenia każdej cząsteczki glukozy w glikolizie na syntezę czterech cząsteczek ATP zostają zużyte dwie cząsteczki ATP, tak więc czysty zysk wynosi tylko dwie cząsteczki ATP na jedną cząsteczkę glukozy. W warunkach tlenowych powstające podczas glikolizy dwie cząsteczki NADH również dostarczają energię poprzez fosforylację oksydacyjną.

Cykl Corich

W warunkach ograniczonego dostępu tlenu, panujących podczas intensywnego wysiłku fizycznego, ilość NADH wytworzonego podczas glikolizy przekracza możliwości łańcucha oddechowego pod względem utleniania tego NADH z powrotem na NAD+. W tym wypatku pirogronian syntetyzowaqny w mięśniach podczas glikolizy zostaje przekształcony w mleczan przez dechydrogenazę mleczanową w reakcji generującej NAD+, dzięki czemu glikoliza w dalszym ciągu wytwarza ATP. Jednakże mleczan jest metabolitem uwięzionym w ślepej uliczce, ponieważ metabolizowany może być dalej tylko pod warunkiem przemiany z powrotem w pirogronian. Następnie pirogronian w procesie glukoneogenezy ulega przekształceniu w glukozę, ta zostaje uwolniona znów do krwioobiegu, skąd może już być pobierana przez mięsień szkieletowy i mózg.

Glukoneogeneza

Glukoneogeneza, proces w którym zachodzi synteza glukozy z prekursorów nie będących cukrami, ma duże znaczenie dla podtrzymania zawartości glukozy we krwi podczas głodowania lub intensywnego wysiłku fizycznego. Dla mózgu i erytrocytów glukoza z krwi jest prawie wyłącznym źródłem energii. Glukoneogeneza zachodzi głównie w wątrobie, a w mniejszym stopniu w nerkach. Większość enzymów glukoneogenezy znajduje się w cytozolu, natomiast karboksylaza pirogronianowa umiejscowiona jest w matriks mitochondrialnej, a glukozo-6 fosfataza związana jest z retikulum endoplazmatycznym gładkim.

Szlak:

Pirogronian jest przekształcany w szczawiooctan (przez karboksylazę pirogronianową). Szczawiooctan ulega dekarboksylacji i fosforylacji do fosfoenolopirogronianu (PEP). Z kolei PEP jest przekształcany do fruktozo-1,6-bifosforanu dzięki bezpośredniemu odwróceniu kilku reakcji glikolitycznych. Następnie fruktozo-1,6-bifosforan zostaje zdefosforylowany do fruktozo-6-bifosforanu (przez fruktozo-1,6-bifosfosfatazę), a dalej przekształcony w glukozo-6-fosforan (przez fosfoglukoizomerazę). W końcu z glukozo-6-fosforanu zdefosforylowanego przez glukozo-6-fosfatazę otrzymujemy glukozę. Synteza jednej cząsteczki glukozy z dwóch cząsteczek pirogronianu wymaga sześciu cząsteczek ATP.

Transport szczawiooctanu:

Szczawiooctan, produkt pierwszej reakcji glukoneogenezy, musi opuścić mitochondrium i przejść do cytozolu, w którym są zlokalizowane następne reakcje enzymatyczne. Ponieważ wewnętrzna błona mitochondrialna jest nieprzepszczalna dla szczawiooctanu, zostaje on przekształcony w jabłczan przez mitochondrialną dechydrogenazę jabłczanową. Jabłczan opuszcza mitochondrium i w cytozolu zostaje przekształcony w szczawiooctan przez cytoplazmatyczną dechydrogenaze jabłczanową.

Aktywacja karboksylazy pirogronianowej:

Szczawiooctan, produkt reakcji katalizowanej przez karboksylazę pirogronianową , funkcjonuje również jako ważny intermediat w utlenianiu acetylo-CoA, jak i jako prekursor glukoneogenezy. Aktywność karboksylazy pirogronianowej zależy od obecności acetylo-CoA, w związku z tym im wyższy jest poziom acetylo-CoA tym więcej powstaje szczawiooctanu.