Szlak pentozofosforanowy

cykl pentozowy

• Źródłem łatwo dostępnego potencjału
redukcyjnego jest w komórce

NADPH

.

•

NADPH

służy jako donor

protonów i elektronów podczas redukcyjnych
procesów biosyntezy.

•

NADPH

jest wytwarzany w

szlaku

pentozofosforanowym

w cytozolu z

równoczesnym utlenieniem

glukozo-6-

fosforanu

do

rybozo- 5-fosforanu

.

•

Ryboza

i jej pochodne są składnikami

wielu ważnych biologicznie związków, takich
jak

ATP, CoA, NAD

+

, FAD, RNA

i

DNA.

Szlak pentozofosforanowy

odgałęzienie utleniające

Podczas przekształcenia glukozo-6-fosforanu

w rybulozo-5-fosforan powstają

2

cząsteczki

NADP

Enzymy

1. dehydrogenaza glukozo-6-fosforanowa
2. Glukonolaktonaza (laktolaza)
3. dehydrogenaza 6-fosfoglukonianowa

Przekształcenie rybulozo-5-fosforanu w odpowiedni

epimer

, będący substratem dla transketolazy,

katalizuje

epimeraza pentozofosforanowa

(3-epimeraza rybulozofosforanowa).

W szlaku pentozofosforanowym
zachodzą też w serii

reakcji

nieutleniających

wzajemne

przekształcenia cukrów trój-,
cztero-, pięcio-, sześcio- i
siedmiowęglowych.

W rezultacie przebiegu tych reakcji z trzech pentoz powstają dwie heksozy
i jedna trioza.

•Cukrem dostarczającym fragmentów dwu- i trójwęglowych
jest zawsze ketoza, akceptorem - zawsze aldoza.

Przykład działania

transketolazy

•Transketolaza

- przenosi jednostki dwuwęglowe

Przykład działania

transaldolazy

•Transaldolaza

- przenosi jednostki trójwęglowe.

Przykład działania

transketolazy

Szlak pentozofosforanowy

Transketolaza –

mechanizm działania enzymu

Trasketolaza

zawiera grupę prostetyczną

pirofosforan tiaminy

(TPP)

.

Miejscem przyłączenia substratu ketonowego jest

pierścień tiazolowy

grupy

prostetycznej, którego C-2 ma charakter silnie kwasowy i łatwo jonizuje,
tworząc karboanion, który ulega addycji do substratów zawierających karbonyl
ketonowy, a wiec do ketoz

Transketolaza –

mechanizm działania enzymu

Transaldolaza –

mechanizm działania

enzymu

O odpływie glukozo-6-fosforanu decyduje zapotrzebowanie na

NADPH

,

rybozo-5-fosforan

i

ATP

1. Potrzeba o wiele więcej rybozo-5-fosforanu niż NADPH

5 glukozo-6-fosforan + ATP

→

6 rybozo-5-fosforan

+ ADP + H

+

2. Zapotrzebowanie na NADPH i rybozo-5-fosforan jest zrównoważone

glukozo-6-fosforan + 2 NADP

+

+ H

2

O

→

rybozo-5-fosforan

+

2 NADPH

+ 2 H

+

CO

2

O odpływie glukozo-6-fosforanu decyduje zapotrzebowanie na

NADPH

,

rybozo-5-fosforan

i

ATP

3. Potrzeba znacznie więcej NADPH niż rybozo-5-fosforanu;

glukozo-6-fosforan jest całkowicie utleniany do CO

2

glukozo-6-fosforan + 12 NADP

+

+ 7 H

2

O

→ 6 CO

2

+

12 NADPH

+ 12 H

+

+ P

i

4. Potrzeba znacznie więcej NADPH niż rybozo-5-fosforanu;

glukozo-6-fosforan jest przekształcany w pirogronian

3 glukozo-6-fosforan + 6 NADP+ + 5 NAD

+

+ 5 P

i

+ 8 ADP

→ 5 pirogronian + 3 CO

2

+

6 NADPH

+

5 NADH

+

8 ATP

+

2 H

2

O + 8 H

+

Główna rolą NADPH w krwinkach czerwonych jest
redukcja disiarczkowej formy

glutationu

do formy

tiolowej w reakcji katalizowanej przez

reduktazę

glutationową

.

• Zredukowany glutation, jako

bufor tiolowy

utrzymuje

reszty cysteinowe hemoglobiny i innych białek
czerwonej krwinki w formie zredukowanej.
• Zredukowana forma glutationu odgrywa dużą role w

detoksykacji organizmu

, reagując z nadtlenkami

organicznymi i H

2

O

2

.

• Zredukowany glutation jest konieczny do utrzymania prawidłowej struktury
czerwonych krwinek i do utrzymania hemoglobiny w formie nieutlenowanej.
Komórki krwinek zawierające niedostateczne ilości tej formy glutationu
łatwo ulęgają

hemolizie

.

Glukoneogeneza

•Glukoneogenezą

nazywamy syntezę glukozy z prekursorów nie

będących cukrowcami.

•Najważniejszymi niecukrowcowymi prekursorami glukozy są

mleczan,

aminokwasy i glicerol

.

glukoza

glicerol

niektóre

aminokwasy

szczawiooctan

niektóre

aminokwasy

pirogronian

mleczan

• Dzienne zapotrzebowanie mózgu dorosłego człowieka na glukozę

wynosi około

120 g

i stanowi większą cześć z zapotrzebowania

całego organizmu na glukozę, które wynosi około

160g.

• Zawartość glukozy w płynach ustrojowych wynosi około

20 g

, a

ilość glukozy łatwo dostępnej z glikogenu, formy zapasowej

glukozy, wynosi około

190 g

.

• Zapasy glukozy są wystarczające do pokrycia zapotrzebowania na

glukozę na około jeden dzień.

• Aby móc przeżyć dłuższy okres głodowania lub intensywny wysiłek

fizyczny, organizm musi wytwarzać glukozę z

niewęglowodanowych prekursorów.

• Głównym miejscem glukoneogenezy jest

wątroba (90%)

. Proces

może zachodzić również w warstwie korowej

nerki

, ale z powodu

małej masy tego narządu, ilość utworzonej w nim glukozy wynosi

mniej więcej 1/10 produkcji wątroby.

• Niewielkie ilości glukozy są także produkowane w mózgu,

mięśniach szkieletowych i mięśniu sercowym.

Glukoneogeneza

• Mleczan

wytwarzany jest w pracujących mięśniach szkieletowych,

gdy szybkość glikolizy przewyższa szybkość metabolizowania

produktów w cyklu kwasów trikarboksylowych oraz w łańcuchu

oddechowym.

• Aminokwasy

powstają z białek dostarczanych w pożywieniu, a w

okresie głodowania powstają z hydrolizy białek zawartych w

mięśniach szkieletowych.

• Hydroliza triacylogliceroli zachodząca w komórkach tłuszczowych

dostarcza

glicerolu

i kwasów tłuszczowych.

Glicerol

jest

prekursorem glukozy.

•Jeżeli jeden szlak jest relatywnie
nieaktywny, drugi w tym czasie
jest bardzo aktywny. Szlaki te

nie są

aktywne równocześnie.

•Gdyby reakcje obydwu szlaków
przebiegały bardzo
aktywnie w tym samym czasie,
rezultatem netto jednego cyklu
reakcji byłaby hydroliza czterech
wysokoenergetycznych wiązań
fosforanowych (2 ATP i 2 GTP).

Szybkość glikolizy
zależy od stężenia glukozy, a
szybkość glukoneogenezy - od
stężenia mleczanu i innych
prekursorów glukozy.

karboksylaza pirogronianowa

Mitochondria mogą tworzyć

szczawiooctan

z

pirogronianu

przy wykorzystaniu

enzymu

karboksylazy pirogronianowej

. Enzym ten zawiera kowalencyjnie

związaną grupę prostetyczna,

biotynę

, służącą jako

przenośnik aktywowanego

CO

2

.

Karboksylaza pirogronianowa

Karboksykinaza fosfoenolopirogronianowa

Fruktozo-1,6-difosfataza

glikozo-6-fosfataza

Nieodwracalne reakcje zachodzące podczas glikolizy są w procesie

glukoneogenezy omijane przez następujące przemiany:

1.

Fosfoenolopirogronian powstaje z pirogronianu przez produkt
pośredni -szczawiooctan.

Pierwszą reakcję katalizuje

karboksylaza pirogronianowa

,

drugą –

karboksykinaza fosfoenolopirogronianowa

.

Po zsumowaniu obu tych reakcji, które
przebiegają w mitochondriach, otrzymujemy:

Nieodwracalne reakcje zachodzące podczas glikolizy są w procesie

glukoneogenezy omijane przez następujące przemiany:

2. Fruktozo-6-fosforan powstaje z fruktozo-1,6-bisfosforanu w wyniku
hydrolitycznego odłączenia fosforanu estryfikującego C-1.

Przebieg tej reakcji hydrolizy
katalizuje

fruktozo-1,6-bisfosfataza

.

3. Glukoza powstaje z glukozo-6-fosforanu w wyniku reakcji hydrolizy
wiązania fosfoestrowego katalizowanej przez

glukozo-6- fosfatazę

.

•Produkcja mleczanu jest ślepym zaułkiem
metabolicznym. Dalsze przemiany mleczanu mogą
zajść po ponownym jego przekształceniu w
pirogronian.
•Tworząc mleczan mięsień zyskuje na czasie oraz
przekazuje część obciążenia metabolicznego,
związaną z dalszymi przemianami do wątroby.

Cykl Corich

Metabolizm glikogenu

Metabolizm glikogenu

Ziarna: 10-40nm
Mcz = do kilku milionów

KD

Glikogen

Glikogen jest łatwo uruchamianą,

zapasową formą glukozy

.

Struktura glikogenu

Większość reszt glukozy w glikogenie jest

połączona wiązaniami

α

-1,4-glikozydowymi.

• Rozgałęzienia powstają w miejscach
wiązań

α

-1,6-glikozydowych, występujących

przeciętnie co 10 reszt glukozy.

Struktura glikogenu

Wiązania

α

-glikozydowe

tworzą otwarte

helikalne

polimery, natomiast

wiązania

β

-glikozydowe

wytwarzają prawie

proste nici

, tworzące

strukturalne włókna, takie jak np. w celulozie

Fosforoliza glikogenu

•

Fosforolityczne

rozszczepienie glikogenu jest korzystne energetycznie,

ponieważ uwolniony cukier jest

ufosforylowany.

• Rozszczepienie hydrolityczne prowadziłoby natomiast do pojawienia się
glukozy, której wejście w szlak glikolizy musiałaby poprzedzać fosforylacja,
dokonywana kosztem ATP.
• Glukozo-1-fosforan, występujący w warunkach fizjologicznych w formie
zjonizowanej, nie może z nich "uciekać" przez dyfuzje, natomiast glukoza
może.

Fosforylaza glikogenowa

•

Fosforylaza

katalizuje kolejne usuwanie reszt glukozylowych z nieredukującego

końca cząsteczki glikogenu (koniec z wolną grupa 4'-OH).
• Ortofosforan rozrywa wiązania pomiędzy C-1 końcowej reszty a węglem C-4
reszty następnej.
• Rozszczepieniu przez ortofosforan ulegają wiązania pomiędzy węglem C-1 a
glikozydowym atomem tlenu, przy czym przy C-l zostaje zachowana konfiguracja

α

.

Etapy rozkładu glikogenu

•

Degradacja glikogenu

katalizowana wyłącznie przez
fosforylazę przebiegałaby w sposób
ograniczony.
• Wiązania

α-1,6-glikozydowe,

występujące w miejscach
rozgałęzienia łańcuchów glikogenu,
nie są podatne na działanie
fosforylazy glikogenowej.
•

Fosforylaza

przestaje

rozszczepiać wiązania

α-1,4-

glikozydowe, gdy osiągnie resztę
glukozy odległą o 4 reszty od punktu
rozgałęzienia łańcucha.
•

Transferaza

przenosi grupę

trzech reszt glukozy z jednego
skrajnego odgałęzienia na drugie.
• Przeniesienie to odsłania resztę

z

, która staje się podatna na

działanie

α

-1,6-glukozydazy

• Transferaza

i

α

-1,6-glukozydaza

przekształcają rozgałęziona
strukturę glikogenu w strukturę
liniowa, podatna na dalsze
rozszczepianie z udziałem

fosforylazy

.

Fosforoliza glikogenu

Uwalniany z glikogenu

glukozo-1-fosforan

łatwo może być przekształcany w

glukozo-6-fosforan

, który jest jednym z głównych

intermediatów metabolicznych

.

Synteza glikogenu

Glikogen jest syntetyzowany przez

syntazę glikogenową

, wykorzystującą

jako koenzym -

urydynodifosfoglukozę (UDPG)

, a nie glukozo-1-fosforan,

jako donor aktywnej reszty glukozy.

• UDPG

jest syntetyzowana z glukozo-1-

fosforanu i urydynotrifosforanu (UTP) w
reakcji katalizowanej przez

pirofosforylazę

UDP-glukozy.

• Uwalniany podczas tej reakcji pirofosforan
pochodzi z dwóch skrajnych reszt fosforanowych
UTP.
• Pirofosforan ulega hydrolizie do ortofosforanu
dzięki obecności w tkankach nieorganicznej
pirofosfatazy. Praktycznie nieodwracalna hydroliza
pirofosforanu jest czynnikiem napędzającym syntezę
UDP-glukozy.

Synteza UDP-glukozy jest przykładem
sytuacji, z jaka często spotykamy się w
biochemii:

reakcje biosyntetyczne są

często napędzane przez hydrolizę
pirofosforanu

Zaktywowane jednostki

glukozylowe są
przenoszone z

UDP-

glukozy

na grupy

hydroksylowe przy

C-4

końcowych

reszt

glikogenu, tworząc
wiązania

α-1,4-

glikozydowe

.

Podczas

tej reakcji elongacji UDP
jest zastąpiony przez
końcowa grupę
hydroksylową
narastającej cząsteczki
glikogenu. Reakcje te
katalizuje

syntaza

glikogenowa

.

•

Syntaza glikogenowa katalizuje

wyłącznie powstawanie wiązań

α-1,4-

glikozydowych.

• Powstawanie rozgałęzień jest ważne,
gdyż powoduje zwiększenie
rozpuszczalności glikogenu.

• Rozgałęzienia pojawiają się dopiero
wtedy, gdy syntaza glikogenowa
połączy pewna liczbę reszt
glukozylowych w liniowy łańcuch przez
wiązania1,4-glikozydowe.

• Odgałęzienie tworzy się przez
zerwanie wiązania

α

-1,4-glikozydowego

i utworzenie

α-1 ,6-glikozydowego

, co

jednak nie jest prostym odwróceniem
reakcji usuwania odgałęzień. Odcinek
łańcucha, zbudowany zazwyczaj z
siedmiu reszt glukozy, jest
przenoszony do wnętrza cząsteczki
glikogenu.

Fosforylaza

jest regulowana przez kilka

allosterycznych efektorów

, które

sygnalizują stan energetyczny komórki, oraz przez

odwracalna

fosforylację

, reagująca na hormony, takie jak

insulina, adrenalina

i

glukagon

.

Insulina

,

hormon polipeptydowy indukuje

syntezę glikogenu. Duże stężenie insuliny we
krwi sygnalizuje stan sytości, jej małe stężenie
sygnalizuje stan głodu.

Glukagon i adrenalina

wyzwalają rozkład

glikogenu. Aktywna praca mięśni lub jej
przewidywanie prowadzi do uwolnienia przez
rdzeń nadnerczy adrenaliny (epinefryny),

Adrenalina

silnie stymuluje rozpad

glikogenu w mięśniach i - w mniejszym stopniu
w wątrobie.

Glukagon

jest polipeptydowym hormonem

wytwarzanym przez komórki

α

trzustki i

wydzielanym wtedy, gdy stężenie cukru we krwi
jest małe.

cAMP (

cyklaza adenylowa

)

Mechanizm kaskadowy

Sygnały z hormonu są
zwielokrotniane przez
kaskadowe reakcje