1
Węglowodany
Glikoliza
Glikoliza jest łańcuchem reakcji przekształcających
jedną cząsteczkę glukozy w dwie cząsteczki
pirogronianu
z jednoczesnym wytworzeniem dwóch cząsteczek ATP.
Jest to proces anaerobowy (niewymagający dostępu tlenu).
Pirogronian moŜe być dalej przekształcany w warunkach
beztlenowych do mleczanu (fermentacja mleczanowa)
lub di alkoholu (fermentacja alkoholowa).
W warunkach tlenowych pirogronian moŜe być całkowicie
utleniony do CO
2
w ramach cyklu kwasu cytrynowego.
NIEKTÓRE SZLAKI PRZEMIANY GLUKOZY
PIROGRONIAN
ETANOL
MLECZAN
FERMENTACJA
CAŁKOWITE
UTLENIENIE
GLUKOZA
GLIKOLIZA
Fermentacja dostarcza energii pod nieobecność tlenu,
ale jest to tylko część energii, której cząsteczka glukozy
moŜe dostarczyć.
Glikoliza:
glyk -słodki, lysis -rozpuszczanie
glukoza
2 x pirogronian
2 x acetylo-CoA
2 x mleczan
2 x etanol + 2 x CO
2
4CO
2
+ 4H
2
O
glikoliza
(10 reakcji)
warunki
tlenowe
warunki
beztlenowe
warunki
beztlenowe
cykl kwasu
cytrynowego
fermentacja alkoholowa
w dro
Ŝ
d
Ŝ
ach
ro
ś
liny, zwierz
ę
ta,
bakterie tlenowe
mi
ęś
nie pracuj
ą
ce, erytrocyty
i bakterie beztlenowe
3 etapy glikolizy
Etap 1:
glukoza
↓↓↓↓
fruktozo-1,6-bifosforan
FOSFORYLACJA GLUKOZY
Glukoza
Glukozo-6-fosforan
(G-6P)
glukokinaza
Mg
2+
Produktem wyjściowym glikolizy jest glukozo-6-fosforan: powstaje
on z glukozy dostarczanej z osocza, a w watrobie i mięśniach
takŜe z glukozo-1-fosforanu (produkt rozpadu glikogenu).
Reakcja wymaga ATP!
2
1. ETAP HEKSOZ
glukoza
glukozo-6-fosforan
fruktozo-6-fosforan
fruktozo-1,6
bisfosforan
heksokinaza
izomeraza
glukozofosforanowa
fosfofruktokinaza
Indukowane substratem dopasowanie przestrzenne w
heksokinazie.
Heksokinaza składa się z dwóch domen,
które schodzą się podczas wiązania glukozy.
Szczelina między domenami zamyka się,
a związana glukoza jest otoczona przez białko.
Glukoza
Glukoza
Heksokinaza wychwytuje glukozę w komórce i rozpoczyna glikolizę
Istnieją 4 rodzaje heksokinazy:
heksokinazy I-III w mięśniach
heksokinaza IV w wątrobie
heksokinaza I
(w mięśniach)
heksokinaza IV
(w wątrobie)
względna
aktywność
enzymu
stęŜenie glukozy (mM)
Przeciętne stęŜenie
glukozy we krwi: 5 mM:
nadmiar glukozy
moŜe być w wątrobie
przerabiany na
glukozo-6-fosforan.
Porównanie właściwości heksokinazy I
i heksokinazy IV (glukokinazy)
heksokinaza I
tkanki
wysokie powinowactwo do glukozy
aktywność enzymu jest hamowana
przez produkt reakcji G6P
heksokinaza IV
(glukokinaza)
wątroba,
ββββ
-komórki trzustki
niskie powinowactwo do glukozy
aktywność enzymu nie jest hamowana
przez produkt reakcji G6P
wzrost aktywności enzymu pod
wpływem insuliny (dieta
wysokowęglodanowa)
Glukozo-6-fosforan
(G-6P)
Fruktozo-6-fosforan
F-6P
Izomeraza
glukozofosforanowa
aldoza
ketoza
Izomeryzacja glukozo-6-fosforanu do fruktozo-6-fosforanu
Fosfofruktokinaza
PFK-1
Fruktozo-6-fosforan
F6P
Fruktozo-1,6-bisfosforan
F1,6P
Fosfofruktokinaza
(PFK1
) katalizuje nieodwracalną reakcję
fosforylacji fruktozo-6-fosforanu do fruktozo-1,6-bifosforanu.
Prawidłowy przebieg i szybkość procesu glikolizy zaleŜy od poziomu
aktywności tego enzymu. PFK-1 jest enzymem allosterycznym,
kontrolowanym przez -
ATP, cytrynian
,
cAMP, AMP, ADP, 2,6-
fruktozobisfosforan.
Reakcja wymaga ATP!
3
1 etap glikolizy: przekształcenie glukozy
we fruktozo-1,6-bifosforan.
2 etap glikolizy: rozszczepienie sześciowęglowego
cukru do dwóch trójwęglowych fragmentów.
3 etapy glikolizy
Etap 2:
fruktozo-1,6-bifosforan
↓↓↓↓
aldehyd 3-fosfoglicerynowy (GAP)
+
dihydroksyaceton
fruktozo-1,6-bifosforan
(F-1,6-BP)
aldolaza
fosfodihydroksyaceton
(DHAP)
aldehyd 3-fosfoglicerynowy
(GAP)
powstawanie
aldehydu 3-fosfoglicerynowego
przez rozszczepienie
fruktozo-1,6-bisfosforanu
adehyd 3-fosfoglicerynowy
(GAP)
fosfodihydroksyaceton
(DHAP)
izomeraza
triozofosforanowa
Fosfodihydroksyaceton na bocznym szlaku glikolizy moŜe przechodzić w
fosfoglicerol, który jest wykorzystywany do trójglicerydów i fosfatydów
(tkanka tłuszczowa)
Izomeraza triozofosforanowa przekształca pulę
fragmentów trójwęglowych, poniewaŜ fosfodihydroksyaceton
nie wchodzi w następny etap szlaku glikolitycznego
3 etapy glikolizy
3 etap:
aldehyd 3-fosfoglicerynowy
↓↓↓↓
fosfoenolopirogronian
↓↓↓↓
pirogronian
1,3-bisfosfoglicerynian
3-fosfoglicerynian
2-fosfoglicerynian
fosfoenolopirogronian
pirogronian
kinaza
fosfoglicerynianowa
dehydrogenaza
aldehydu
3-fosfoglicerynowego
fosfogliceromutaza
enolaza
kinaza
pirogronianowa
aldehyd 3-fosfoglicerynowy
4
adehyd 3-fosfoglicerynowy
(GAP)
1,3 -bisfosfoglicerynian
(1,3-BDG)
Aldehyd 3-fosfoglicerynowy
ulega utlenieniu z jednoczesną fosforylacją
dehydrogenaza
aldehydu 3-fosfoglicerynowego
Dehydrogenaza aldehydu 3-fosfoglicerynowego jest tetramerem silnie
związanym z koenzymem NAD
+
1,3 -bisfosfoglicerynian
(1,3-BPG)
3-fosfoglicerynian
Wysokoergiczna grupa fosforanowa zostaje przeniesiona na ADP
przez
kinazę fosfoglicerynianową
.
Energia powstała w
fosforylacji substratowej
jest wykorzystana do syntezy
ATP
kinaza
fosfoglicerynianowa
1
,3 -bisfosfoglicerynian (1,3-BDG) moŜe wchodzić na boczny szlak glikolizy: pod
wpływem mutazy 2,3 -bisfosfoglicerynianowej powstaje: 2,3 -bisfosfoglicerynian. Ma to
znaczenie dla transportu tlenu do tkanek, poniewaŜ 2,3- BPG wiąŜe się z odtlenowaną
formą hemoglobiny, utrwala jej konformację i przyczynia się do zwiększenia dopływu
tlenu do tkanek.
Przekształcenie 3-fosfoglicerynianu w pirogronian
3-fosfoglicerynian
2-fosfoglicerynian
fosfoenolopirogronian
pirogronian
fosfogliceromutaza
enolaza
kinaza
pirogronianowa
3-fosfoglicerynian
2-fosfoglicerynian
Fosfogliceromutaza
przekształca 3-fosfoglicerynian
w 2-fosfoglicerynian
fosfogliceromutaza
5
2-fosfoglicerynian
fosfoenolopirogronian
Dehydratacja 2-fosfoglicerynian pod wpływem
enolazy
enolaza
fosfoenolopirogronian
Kinaza pirogronianowa
przenosi resztę fosforanową na ADP
fosforylacja substratowa
pirogronian
kinaza pirogronianowa
Kontrola aktywności katalitycznej kinazy pirogronianowej
wysoki
poziom glukozy
we krwi
niski
poziom glukozy
we krwi
ufosforylowana
kinaza
pirogronianowa
(mniej aktywna)
zdefosforylowana
kinaza pirogronianowa
(bardziej aktywna)
fruktozo-1,6-
bisfosforan alanina
pirogronian
fosfoenolopirogronian
Dalsze losy NADH:
- jeŜeli O
2
jest dostępny,
NADH jest utleniony ponownie
w procesie oksydacyjnej
fosforylacji;
- jeŜeli O
2
nie jest dostępny,
NADH jest utleniony ponownie
przez dehydrogenazę mleczanową
lub alkoholową,
dostarczając NAD
+
do dalszej
glikolizy.
Dalsze losy pirogronianu:
- O
2
dostępny: cykl kwasu cytrynowego
- O
2
niedostępny: wytworzenie
mleczanu lub etanolu
Losy pirogronianu
pirogronian
mleczan
acetylo-CoA
aldehyd
octowy
etanol
dalsze
utlenianie
Przemiana pirogronianu w etanol (droŜdŜe)
pirogronian
aldehyd
octowy
etanol
dekarboksylaza
pirogronianowa
dehydrogenaza
alkoholowa
6
Przekształcenie pirogronianu w mleczan
(warunki beztlenowe - mięśnie i erytrocyty)
pirogronian
mleczan
dehydrogenaza
mleczanowa
Glikoliza -wytworzenie
ATP
kosztem degradacji glukozy i dostarczenie
składników budulcowych do róŜnych reakcji syntez.
W procesie glikolizy reakcje katalizowane przez
heksokinazę
,
fosfofruktokinazę i kinazę pirogronaianową
są nieodwracalne.
Aktywność ich jest regulowana przez odwracalne wiązanie czynników
allosterycznych lub modyfikację kowalencyjną.
NajwaŜniejszym miejscem kontroli glikolizy u ssaków jest
fosfofruktokinaza.
Wydajność energetyczna
przekształcania glukozy w pirogronian
Glukoza + 2Pi +2ADP + 2NAD
+
2 cząsteczki pirogronianu + 2ATP +2NADH + 2H
+
+ 2H
2
O
Glikoliza: od glukozy do pirogronianu w cytoplazmie
Wydajność ATP na cząsteczkę glukozy
-1
-1
+2
+2
netto +2
Kolejność reakcji
fosforylacja glukozy
fosforylacja fruktozo-6-P
defosforylacja 2 cząsteczek
1,3-BPG (1,3-bisfosfoglicerynianu)
defosforylacja 2 cząsteczek
fosfoenolopirogronianu
Przy utlenieniu 2 cząsteczek aldehydu 3-fosfoglicerynowego powstają
2 cząsteczki NADH, które podczas fosforylacji oksydacyjnej w
mitochondriach dają 2x1,5 + 3ATP( z uwzględnieniem transportu NADH
przez czółenko glicerolo-fosforanowe).
WEJŚCIE FRUKTOZY I GALAKTOZY DO GLIKOLIZY
Przemiana galaktozy i jej zaburzenia
laktoza
galaktoza
glukoza
laktaza
7
Fosforylacja galaktozy (wątroba)
galaktoza
Galaktozo-1-fosforan
galaktokinaza
Utworzenie UDP-galaktozy
Glikoliza: glukoza
→
→
→
→
pirogronian
Glukoneogeneza: pirogronian
→
→
→
→
glukoza
Glukoneogeneza nie jest odwróceniem glikolizy
(biorą udział inne enzymy)
Enzymy inne niŜ
w szlaku glikolizy
reakcje nieodwracalne
karboksykinaza fosfoenolopirogronianowa
karboksylaza pirogronianowa
8
Przekształcanie pirogronianu w fosfoenolopirogronian
rozpoczyna się od utworzenia szczawiooctanu
Szczawiooctan wykorzystywany
do glukogenezy w cytozolu powstaje
w matriks w wyniku karboksylacji
pirogronoanu.
Szczawiooctan opuszcza
mitochondrium
w formie jabłczanu, który w cytozolu
jest powtórnie utleniany do
szczawiooctanu.
szczawiooctan
pirogronian
pirogronian
szczawiooctan
jabłczan
jabłczan
Transport szczawiooctanu z mitochondrium do cytoplazmy
cytoplazma
Glukozo
6-fosfataza
Fruktozo
1,6-bisfosfataza
Koniec glukoneogenezy
Początek glikolizy
glukoza
glukozo-6-fosforan
fruktozo-6-fosforan
fruktozo-1,6
bisfosforan
heksokinaza
izomeraza
glukozofosforanowa
fosfofruktokinaza
Schemat białek retikulum endoplazmatycznego (ER), które
uczestniczą w wytwarzaniu glukozy z cytozolowego glukozo-6-
fosforanu
T1 transportuje glukozo-6-fosforan do światła retikulum.
T2 przenosi fosforan do cytozolu.
T3 przenosi glukozę do cytozolu.
Glukozo-6-fosfataza jest stabilizowana przez białko wiąŜące Ca
2+
(SP).
Przeciwstawna regulacja glukoneogenezy i glikolizy w wątrobie
StęŜenie F-2,6-BP jest duŜe
w stanie nasycenia pokarmem,
a małe w okresie głodowania
glukozo-6-fosfataza
glukoza
fruktozo-6-fosforan
fruktozo-1,6-bisfosforan
fosfoenolopirogronian
szczawiooctan
pirogronian
kinaza pirogronianowa
fosfofruktokinaza
glikoliza
glukoneogeneza
karboksykinaza
fosfoenolopirogronianowa
fruktozo
1,6-bisfosfataza
karboksylaza pirogronianowa
heksokinaza
(kilka etapów)
(kilka etapów)
9
Wydajność energetyczna przekształcania glukozy w pirogronian
(
glikolizy
)
Glukoza + 2Pi +2ADP + 2NAD
+
2 cząsteczki pirogronianu + 2ATP +2NADH + 2H
+
+ 2H
2
O
Synteza glukozy z pirogronianu (
glukoneogeneza
) zachodzi
kosztem
6 wiązań
wysokoenergetycznych
2 cząsteczki pirogronianu + 4ATP +2GTP + 2NADH + 6H
2
O
glukoza + 4ADP +2GDP + 2NAD
+
+
6Pi + 2H
+
RóŜnice enzymatyczne między
glikolizą
a
glukoneogenezą
Glikoliza
•
heksokinaza
•
fosfofruktokinaza
•
kinaza
pirogronianowa
Glukoneogeneza
•
glukozo-6-fosfataza
•
fruktozo-1,6-bisfosfataza
•
karboksykinaza
fosfoenolopirogronianowa
•
karboksylaza
pirogronianowa
Podczas intensywnych ćwiczeń, szybkość powstawania pirogronianu
w warunkach anaerobowych w szlaku glikolitycznym jest większa,
niŜ szybkość jego utleniania w cyklu kwasu cytrynowego.
W wyniku redukcji pirogronianu powstaje mleczan (kwas mlekowy).
Redukcja pirogronianu do mleczanu jest spowodowana równieŜ
koniecznością odnowienia zapasów NAD
+
, który jest niezbędny
do utleniania aldehydu 3-fosfoglicerynowego (czyli do podtrzymania
glikolizy w pracującej tkance mięśniowej).
Tworząc mleczan mięśnie zyskują na czasie, a takŜe przekazują
innym narządom część obciąŜenia.
Cykl Corich: mięśnie dostarczają mleczanu do wątroby, która zuŜywa
go do syntezy glukozy. Zarazem wątroba odbudowuje stęŜenie
glukozy niezbędne komórkom mięśniowym, które czerpią ATP
z jej glikolitycznego przekształcenia w mleczan.
CYKL CORICH
Mleczan powstający w pracującym mięśniu ulega w wątrobie
przekształceniu w glukozę
.
wątroba
mięśnie
mleczan
pirogronian
pirogronian
mleczan
Współdziałanie glikolizy z glukoneogenezą
glikogen
glukoza
w większości
komórek
glukozo-6-fosforan
glukozo-6-fosforan
glukoneogeneza
glikoliza
mleczan
pirogronian
glicerol
aminokwasy
mleczan
w wątrobie,
nerce
w wątrobie,
nerce
w mięśniach,
ertytrocytach
CYKL PENTOZOWY
CYKL PENTOZOWY przemiana glukozy do pentozofosforanów
(niezbędnych do syntezy nukleotydów
)
Glukozo-6-P + 2NADP
+
+ H
2
O
rybozo-5-P +
2NADPH
+ 2H
+
+ CO
2
NADPH
donor protonów i elektronów podczas
redukcyjnych procesów biosyntezy
NADH
utleniany w łańcuchu oddechowym,
wydzielona przy tym energia zostaje
zuŜyta do syntezy ATP
rybozo-5-P -
synteza nukleotydów
10
Szlaki metaboliczne wymagające
NADPH
SYNTEZY
kwasów tłuszczowych
cholesterolu
neurotransmiterów
nukleotydów
Detoksyfikacje
redukcja i utlenienie glutationu
monooksygenazy cytochromu P450
CYKL PENTOZOWY
Przeprowadzenie
nadmiaru pentoz,
niewykorzystanych
w syntezach
nukleotydów
w heksozy i triozy
glukozo-6-P
rybulozo-5-P
rybozo-5-P (C5)
ksylulozo-5-P (C5)
sedoheptulozo-7P (C7)
ksylulozo-5-P (C5)
erytrozo-4-P (C4)
Fruktozo-6-P (C6)
Fruktozo-6-P (C6)
aldehyd
fosfoglicerynowy
(3C)
aldehyd
fosfoglicerynowy
(3C)
Tlenowe spalenie glukozy
glukozo-6-P
6-fosfoglukonolakton
6-fosfoglukonian
rybulozo-5-P
Przekształcanie glukozo-6-P w rybulozo-5P
Transketolaza przenosi jednostki dwuwęglowe
Transaldolaza przenosi jednostki trójwęglowe
Enzymy
transketolaza
i
transaldolaza
tworzą odwracalne przejścia
między glikolizą a szlakiem pentozofosforanowym katalizując trzy
reakcje odwracalne w ten sposób nadmiar rybozo-5-P, moŜe być
całkowicie przekształcony w intermediaty glikolizy
11
Cykl pentozowy jest aktywny w:
wątrobie - synteza kwasów tłuszczowych i cholesterolu
tkance tłuszczowej - synteza kwasów tłuszczowych
nadnerczach, jądra, jajniki - synteza sterydów
gruczoł mlekowy - synteza kwasów tłuszczowych
krwinki czerwone - utrzymanie zredukowanej formy
glutationu
Rola NADPH w krwinkach
czerwonych
redukcja dwusiarczkowej formy
glutationu do formy hydrosulfidowej
utrzymanie prawidłowej struktury
erytrocytów
utrzymanie hemoglobiny w formie
nieutlenowanej
brak zredukowanego glutationu -
hemoliza krwinek
Niedobór dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej w krwinkach:
anemia hemolityczna
Przemiana glukozo-6-fosforanu w wątrobie
1 Defosforylacja glukozo-6-P, uwolnienie
wolnej glukozy do krwi,stęŜenie glukozy
musi być utrzymywane na stałym
poziomie w celu dostarczenia energii do
mózgu i innych tkanek
2 Synteza glikogenu
3 Synteza ATP utlenienie glukozy
poprzez glikolizę, dekarboksylację
pirogronianu, cykl kwasu cytrynowego.
4 Synteza lipidów, kwasów tłuszczowych
cholesterolu z Acetylo-Co-A otrzymanego
w wyniku przeniany glukozy w glikolizie i
dekarboksylacji pirogronianu.
5 Glukoza w wyniku przemian w cyklu
pentozowym dostarcza NADPH
potrzebnego do biosyntezy kwasów
tłuszczowych i cholesterolu i ryboz-
5fosforanu prekursora do syntez
nukleotydów
Źródła energii podczas pracy mięśni
Odpoczynek, lekka
praca
mleczan
fosfokreatyna
kreatyna
ATP
APD+Pi
Glikogen
mięśniowy
Intensywna
praca mięśni
Kwasy tłuszczowe,
ciała ketonowe,
glukoza krwi
CO2
Skurcz mięsni
Fosfokreatyna jest waŜnym źródłem energii w mięśniach
12
ŹRÓDŁA ENERGII ZALEśNE OD STANU ODśYWIENIA (MÓZG)
GŁODZENIE
PRAWIDŁOWA
DIETA
CIAŁA
KETONOWE
GLUKOZA
Norma
Objawy neurologiczne, głód,
uwolnienie,uwolnienie glukagonu,
adrenaliny i kortyzolu,
Drgawki, utrata
przytomności
Uszkodzenie mózgu,
śmierć
StęŜenie glukozy we
krwi
Hormonalna regulacja przemiany cukrowej
Glikokortykoidy
indukcja enzymów
glukoneogenezy
Adrenalina (mięśnie)
wzrost stęŜenia cAMP,
pobudzenie
rozkładu glikogenu,
hamowanie
syntezy glikogenu
ACTH
wzrost stęŜenia cAMP
REGULACJA POZIOMU GLUKOZY WE KRWI
PRZEZ INSULINĘ I GLUKAGON
GLIKOGEN
GLUKOZA
PIROGRONIAN
GLIKOGEN
GLUKOZA
PIROGRONIAN
MIĘŚNIE:
insulina stymuluje
pobór i zuŜycie glukozy
WĄTROBA:
glukagon stymuluje
syntezę i eksport glukozy
wysoki poziom
glukozy
niski poziom
glukozy
trzustka
insulina
glukagon
glukoza
Ŝyła
Hormonalna regulacja przemiany cukrowej
wzrost stęŜenia glukozy we krwi
insulina
•
hamowanie glikogenolizy
•
hamowanie glukoneogenezy
•
pobudzenie syntezy glikogenu
(wątroba)
•
indukcja glukokinazy
•
wzmoŜona glikoliza (fruktozo-2,6-
P2)
obniŜenie stęŜenia glukozy we krwi
glukagon
•
aktywacja cyklazy adenilowej
•
pobudzenie rozkładu glikogenu
•
hamowanie syntezy glikogenu
•
hamowanie spalania glukozy
(fruktozo2,6P2 fosforylacja kinaz i
dehydrogenazy pirogronianowej)
•
indukcja enzymów glukoneogenezy
(karboksylaza
fosfoenolopirogronianu)