Glikoliza
(Przegląd kluczowych struktur i reakcji)
A) przygotowanie heksozy do podziału na dwie triozy:
1)fosforylacja glukozy (czyli przekształcenie w formę metabolicznie aktywną)
2) izomeryzacja do fruktozo-6-P (aldoza w ketozę, dla umoŜliwienia kolejnych
przemian)
3) fosforylacja do fruktozo1,6-di P (dla umoŜliwienia podziału na 2 triozy)
B) podział (aldolowy) na 2 triozy
izomeryzacja (ketoza w aldozę)
C) utlenienie (
oddanie 2H na NAD
+
z równoczesną syntezą związku
wysokoenergetycznego)
D) fosforylacja substratowa (
synteza ATP kosztem energii z rozkładu wiązania
wysokoenergetycznego 1,3-DPG, a następnie przemiana do PEP jako związku
wysokoenergetycznego)
E) fosforylacja substratowa (
synteza ATP kosztem rozkładu wiązania w PEP)
Ogólny schemat glikolizy ze wskazaniem enzymów uczestniczących w
kolejnych przemianach
Ogólny schemat glikolizy z podziałem na fazy inwestowania i produkcji
energii
Profil energetyczny oraz przepływ elektronów w glikolizie
beztlenowej
Bilans glikolizy w warunkach beztlenowych w
cytoplazmie:
Fosforyłacja glukozy
-1 ATP
Fosforylacja fruktozo-6-P
-1 ATP
Utlenienie aldehydu 3-P-glicerynowego
+2 NADH
Fosforylacja substratowa (1,3-DPG⇒3-PG)
+2 ATP
Fosforylacja substratowa (PEP⇒Pirogronian)
+2ATP
Redukcja pirogronianu do mleczanu
-2NADH
Netto (zysk)
2 ATP
Korzyści wynikające z glikolizy:
Produkowana jest energia (ATP) w części cytoplazmatycznej, a więc
tam, gdzie będzie zuŜywana przez mięśnie do pracy
Produkcja energii jest moŜliwa w warunkach niezadowalającego
zaopatrzenia mięśni w tlen (np. podczas intensywnego wysiłku)
Funkcję zagospodarowania mleczanu przejmują inne tkanki (wątroba
do produkcji glukozy, natomiast serce, inne grupy mięśniowe mniej
obciąŜone wysiłkiem oraz mózg – do produkcji energii)
Przebieg glikolizy w erytrocytach
(tworzenie 2,3-DPG-który
zmniejsza powinowactwo Hb do tlenu, tzn. ułatwia oddawanie O
2
)
Cykl Corich
Utlenienie pirogronianu (w mitochondriach)
Przebieg reakcji utlenienia pirogronianu
Lokalizacja procesów tlenowych w mitochondrium
Losy węgla w cyklu kwasu cytrynowego (Krebsa).
Enzymy cyklu Krebsa
==================
Sumaryczne równanie cyklu kwasu cytrynowego:
Acetylo-CoA + 3NAD
+
+ FAD
+
+ GDP + P
i
+ 2H
2
O
⇒
⇒
⇒
⇒
2CO
2
+ 3NADH + FADH
2
+ GTP + 2H
+
+ CoA
FOSFORYLACJA OKSYDACYJNA
Transport protonów przez kompleksy łańcucha
oddechowego
Ogólny mechanizm chemiosmotycznego sprzęŜenia fosforylacji
oksydacyjnej z łańcuchem
oddechowym
Przejściu 2 e
-
przez ETC od NADH na O
2
towarzyszy wyrzut
12 H
+
(po 4H
+
wyrzucane przez kompleksy I, III i IV)
z macierzy do
przestrzeni międzybłonowej
Przestrzeń międzybłonowa
macierz mitochochondrialna
12 H
+
⇐
⇐
⇐
⇐
⇒
⇒
⇒
⇒ 3
x
3 H
+
====
9 H
+
⇒
⇒
⇒
⇒ 3 H
+
+ 3 P
i
+ 3 ADP ⇒
⇒
⇒
⇒ 3 ATP
12 H
+
9 H
+
+ 3 H
+
Nowsza koncepcja:
Przejściu 2 e
-
przez ETC od NADH na O
2
towarzyszy wyrzut
10H
+
(po 4 H
+
wyrzucane przez kompleksy I, i III oraz 2H
+
- przez
kompleks IV)
z macierzy do przestrzeni międzybłonowej
Obliczenia dla przejścia 2 par elektronów (4 e
-
)
Przestrzeń międzybłonowa
macierz mitochochondrialna
2 x 10 H
+
⇐
⇐
⇐
⇐
⇒
⇒
⇒
⇒ 5
x
3 H
+
====
15 H
+
⇒
⇒
⇒
⇒ 5 H
+
+ 5 P
i
+ 5 ADP ⇒
⇒
⇒
⇒ 5 ATP
20 H
+
15 H
+
+ 5 H
+
czyli przejściu jednej pary elektronów (2 e
-
) towarzyszy synteza
2,5 ATP
Struktura syntazy ATP (kompleks
F
0
F
1
)
Reprinted with permission from W. Junge, H. Lill, and S. Engelbrecht, Trends Biochem. Sci.
(1997) 22:420. © 1997 with permission of Elsevier Science.
Model rotacyjnego modelu syntezy ATP przez
podjednostkę F1 syntazy ATP
From Y. Zhou, T. M. Duncan, and R. L. Cross, Proc. Natl. Acad. Sci. USA (1997) 94:10583.
Reprinted with permission of the PNAS.
Podjednostki białkowe wchodzące w skład złoŜonych
kompleksów białkowych łańcucha oddechowego.
Miejsca oddziaływania wybranych inhibitorów łańcucha
oddechowego i sztucznych akceptorów elektronów.
================================================================
CN
-
↓↓↓↓
2,4 Dinitrofenol (2,4-DNP) jako czynnik rozprzęgający
fosforylację oksydacyjną
Działanie czynnika rozprzęgającego oznacza, Ŝe wskutek częściowego
rozproszenia gradientu stęŜeń protonów [H+], ilość powstałego ATP jest
mniejsza mimo pełnego przebiegu procesu utlenienia biologicznego (produkcji
H
2
O i CO
2
jako końcowych metabolitów). W tej sytuacji wydajność fosforylacji
oksydacyjnej jest niŜsza (mniej ATP powstaje) i większa część energii jest
uwalniana jako ciepło.
Wydajność łańcucha oddechowego
:
Utlenienie 1 mola (NADH + H
+
) daje 1 mol H
2
O,
a to oznacza uwolnienie
: -
52 kcal energii
Część tej energii, dzięki sprzęŜeniu produkcji wody metabolicznej z tworzeniem
ATP, umoŜliwia wyprodukowanie
3 moli ATP, czyli 3 x (-7,3 kcal)= - 22 kcal
,
Stąd (22/52) * 100 % , to jest
około 40 % energii z tworzenia wody ulega
zamianie w energię biologicznie uŜyteczną (ATP)
Czółenko glicerolo-3-fosforanowe (a) i jabłczanowo-
asparaginianowe (b) dla transferu równowaŜników
redukcyjnych (NADH) z cytoplazmy do mitochondrium.
Bilans glikolizy w warunkach tlenowych
C
y
to
p
la
zm
a
Fosforyłacja glukozy
-1 ATP
Fosforylacja fruktozo-6-P
-1 ATP
Utlenienie aldehydu 3-P-glicerynowego (2 cząst.)
+2 NADH
Fosforylacja substratowa (1,3-DPG⇒
⇒
⇒
⇒3-PG) (2 cząst.)
+2 ATP
Fosforylacja substratowa (PEP⇒
⇒
⇒
⇒Pirogronian) (2 cząst.)
+2ATP
M
it
o
ch
o
n
d
ri
u
m
Utlenienie pirogronianu do Acetylo-CoA (2 cząst.)
+ 2 NADH
Utlenienie izocytrynianu ((2 cząst.)
+ 2 NADH
Utlenienie α-ketoglutaranu ((2 cząst.)
+ 2 NADH
Defosforylacja bursztynylo-CoA (2 cząst.)
+ 2 GTP
Utlenienie bursztynianu ((2 cząst.)
+ 2 FADH
2
Utlenienie jabłczanu (2 cząst)
+ 2 NADH
Suma
=
2 ATP
cyt
+2 NADH
cytopl
+2 GTP+8 NADH
mitoch
+ 2 FADH
2
Zysk energetyczny z glikolizy w warunkach tlenowych
Sposób tradycyjny
NADH ⇒
⇒
⇒
⇒3 ATP
FADH
2
⇒
⇒
⇒
⇒2 ATP
Sposób nowszy
NADH ⇒
⇒
⇒
⇒2,5 ATP
FADH
2
⇒
⇒
⇒
⇒1,5 ATP
2 NADH
cytopl
⇒
⇒
⇒
⇒FADH
2 mitoch
4 ATP
3 ATP
2ATP
cytoplazma
2 ATP
2 ATP
8 NADH
24 ATP
20 ATP
2 FADH
2
4 ATP
3 ATP
2 GTP⇒
⇒
⇒
⇒2ATP
2 ATP
2 ATP
SUMA
36 ATP
30 ATP
Cykl pentozo-fosforanowy
(C
6
⇒
⇒
⇒
⇒C
5
+ CO
2
+ 2 NADPH)
Podsumowanie:
Znaczenie i funkcja glikolizy i cyklu pentozofosforanowego
GLIKOLIZA
CYKL PENTOZOWY
Charakter
procesu
Utlenienie
Utlenienie
Podstawowa
funkcja
Produkcja energii
(ATP)
Produkcja równowaŜników
redukcyjnych NADPH
Znaczenie w
metabolizmie
Szybki mechanizm
produkcji energii
ATP
(szczególnie w
warunkach gorszego
zaopatrzenia w tlen)
Synteza kwasów
tłuszczowych i cholesterolu
Redukcja Fe
3+
do Fe
2+
w Hb
(
przez reduktazę Met-Hb
)
Regeneracja GSH (
glutation
zredukowany)
w erytrocytach
NADPH nie przekazuje protonu i elektronów na łańcuch
oddechowy (!!!)
Glukoneogeneza (resynteza glukozy)
Porównanie glikolizy i glukoneogenezy
Glukoneogeneza NIE JEST prostym odwróceniem
glikolizy
Resynteza glikogenu (glikogenoneogneza)
Proces sieciowania struktury glikogenu