Gospodarka węglowodanowa i tłuszczowa w organizmie człowieka

Węglowodany są związkami organicznymi , które zbudowane są z węgla, wody i wodoru. Wraz z tłuszczami i białkami stanowią podstawowe substancje budujące wszystkie żywe organizmy. Węglowodany są przede wszystkim materiałem energetycznym organizmów, jednakże istnieją cukrowce o właściwościach strukturalnych. Większość węglowodanów syntetyzowanych jest przez rośliny na drodze fotosyntezy. Głównym produktem tego procesu jest glukoza , która przekształcana może być do cukrów złożonych i magazynowana w komórkach roślinnych. Zwierzęta także mają zdolność do wytwarzania cukrów prostych z białek i tłuszczy , jednak największy udział w produkcji węglowodanów mają rośliny.

Tłuszcze, w większości stanowią pochodne kwasów tłuszczowych. Charakterystyczne dla tłuszczy jest to, że są one nierozpuszczalne w wodzie ale dobrze rozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych takich jak : chloroform, eter i benzen. Do lipidów zaliczane są takie związki jak : tłuszcze, woski, oleje i inne. Tłuszcze są ważnym źródłem energii oraz kwasów tłuszczowych. Poza tym tłuszcze są środowiskiem rozpuszczania się niektórych witamin.

Znaczenie węglowodanów w organizmie.

Najważniejszym cukrem w organizmie jest glukoza zaliczana do cukrów prostych. Większość cukrów zawartych w pokarmie przekształcanych jest do glukozy, która wchłaniana jest do krwioobiegu. Glukoza magazynowana jest w wątrobie w postaci glikogenu, który rozkładany jest, jeżeli jest zapotrzebowanie na ten cukier. Glukoza stanowi produkt wyjściowy do syntezy wszystkich innych cukrów. Cukier ten zużywany w procesach oddychania jest źródłem energii prawie wszystkich zwierząt. Glukoza przekształcana jest w inne cukry o różnorodnych funkcjach, np. w galaktozę- cukier mlekowych, glikogen- materiał zapasowy, celulozę - materiał budulcowy ścian komórkowych, rybozę- składnik kwasów nukleinowych. Wchodzi ona w skład złożonych tłuszczy i białek, np. glikoprotein. Choroby związane z zaburzeniem metabolizmu węglowodanów to m.in. cukrzyca, galaktozemia, nietolerancja laktozy.

Budowa chemiczna węglowodanów.

Węglowodany zalicza się do pochodnych ( ketonowych lub aldehydowych ) alkoholi wielowodorotlenowych. Cukry można podzielić na kilka grup :

Monosacharydy- to cukry, z których nie można otrzymać form prostszych. Ze względu na liczbę atomów węgla występujących w cząsteczce cukru, dzieli się je na : triozy ( 3 atomy węgla ), tetrozy ( 4 ), pentozy ( 5 ), heksozy ( 6 ) oraz heptozy ( 7 ). Istnieje drugi podział monosacharydów uwzględniający różne grupy funkcyjne występujące w cząsteczce cukru. Cukry posiadające grupę aldehydową nazywane są aldozami, natomiast cukry z grupą ketonową określane są jako ketozy.

Disacharydy - cukry zbudowane z dwóch ciasteczek monosacharydów. Do dwucukrów należą m.in. sacharoza, maltoza, laktoza.

Oligosacharydy- cukry, które buduje od 3 do 6 cząsteczek cukrów prostych. Przykładem jest maltotrioza zbudowana z trzech cząsteczek glukozy.

Polisacharydy - cukry o złożonej budowie, w których skład wchodzi co najmniej 6 cząsteczek cukrów prostych. Przykładem polisacharydu są skrobia, dekstryny.

Glukoza jako najważniejszy monosacharyd.

Glukoza, tak samo jak inne cukry wykazuje kilka form izomerycznych.

Stereoizomeria polega na tym ,że istnieją związki o identycznym wzorze strukturalnym, jednak o innej budowie przestrzennej. Ze stereoizomerią związane jest występowanie w cząsteczkach izomerów tzw. węgla asymetrycznego. Liczba tych atomów asymetrycznych decyduje o ilości stereoizomerów jednego związku. Jeśli dany związek ma ( n ) asymetrycznych atomów węgla to tworzy on ( n² ) stereoizomerów.

Inne formy izomeryczne glukozy.

Izomery konfiguracyjne L i D. Przestrzenne ułożenie izomerów D i L ma się do siebie jak odbicie lustrzane. Podstawą klasyfikacji cukru do szeregu L lub D jest ich podobieństwo najprostszego cukru trójwęglowego, czyli aldehydy glicerynowego. Przynależność danego cukru do grupy D lub L określa położenie grup: OH i H przy przedostatnim atomie węgla alkoholu pierwszorzędowego. Jeśli grupa OH umieszczona jest po prawej stronie danego węgla, to cukier ten zalicza się do konfiguracji D, natomiast gdy grupa OH występuje po stronie lewej tego atomu, to cukier ten należy do konfiguracji L.

Izomery pierścieniowe furanozowe i piranozowe. Z izomerami tymi związana jest zdolność cukrów do tworzenia form pierścieniowych. Pierścieniowe formy sacharydów wykazują duże podobieństwo do pierścieniowej struktury furanu lub piranu. Niektóre cukry występują w dwóch formach pierścieniowych ( np. D- fruktopiranoza oraz D-fruktofuranoza ). Forma piranozowe stanowi 99% wszystkich cząsteczek glukozy.

Anomery a i b. Pierścieniowa forma aldozy określana jest jako półacetal, ponieważ jest ona wynikiem reakcji grupy alkoholowej z grupą aldehydową. Analogicznie pierścieniowa forma ketozy nazywana jest półketalem. W formach cyklicznych cukrów karbonylowy atom węgla staje się atomem asymetrycznym, czyli anomerycznym. W zależności od ułożenia w nim podstawników wyróżnia się formę a lub b.

Roztwór wodny glukozy zawiera mieszaninę b- glukopiranozy ( około 63% ) i

a- glukopiranozy ( około 36 % ) a także niewielkie ilości ( 1 % ) anomerów a i b glukofuranozy.

Epimery. Izomery te odróżnia się na podstawie ułożenia grup H i OH w drugim, trzecim lub czwartym atomie węgla. Do znanych epimerów glukozy należy galaktoza i mannoza, które różnią się konfiguracją podstawników przy 2 i 4 atomie węgla.

Izomery konstytucyjne. Izomery te związane są z różnymi grupami funkcyjnymi występującymi w związkach o tym samym wzorze cząsteczkowym. Do izomerów konstytucyjnych należą : glukoza i fruktoza, cukry o identycznym wzorze strukturalnym, lecz posiadające inne grupy funkcyjne. Glukoza posiada grupę aldehydową a fruktoza grupę ketonową.

Dwucukry ( disacharydy ).

Disacharydy zbudowane są z dwóch cząsteczek cukrów prostych , które połączone są wiązaniem glikozydowym. Do najważniejszych dwucukrów zalicz się sacharozę, maltozę oraz laktozę. Nazwa chemiczna dwucukrów wywodzi się od nazw monosacharydów budujących te cząsteczki. Roztwór sacharozy poddany hydrolizie zmienia swoje właściwości skręcalności optycznej. Pierwotnie, sacharoza jest prawoskrętna , lecz silnie lewoskrętna fruktoza będąca produktem jej hydrolizy powoduje inwersję skręcalności na lewoskrętną.

Struktura oraz funkcje niektórych polisacharydów.

Skrobia.

Strukturę tego wielocukru tworzy łańcuch alfa- glikozydowy. Cukry zbudowane tylko z jednego rodzaju monosacharydu nazywane są homopolimerami. Jeżeli podjednostką budującą taki cukier jest glukoza, to cukier ten nazywany jest glukanem. Najważniejszymi źródłami skrobi są : nasiona roślin strączkowych, ziarna zbóż, ziemniaki i wiele warzyw. Do głównych składników budujących skrobię zalicza się : amylopektynę, tworzącą rozgałęzione łańcuchy i stanowiącą 80 -85% całej masy cząsteczki oraz amylozę ( 15-20% masy cząsteczki ), która ma postać nierozgałęzionej helisy.

Glikogen.

Cukier ten stanowi materiał zapasowy w komórkach zwierzęcych. Ze względu na podobieństwo budowy tego cukru do budowy skrobi, glikogen nazywany jest skrobią zwierzęcą. Struktura glikogenu charakteryzuje się większym rozgałęzieniem niż struktura amylopektyny.

Inulina .

Wielocukier ten jest homopolimerem, zbudowanym z podjednostek fruktozowych, czyli jest fruktozanem. Inulina występuje w dużej ilości jako materiał zapasowy w korzeniach i bulwach karczochów, dalii oraz mniszka lekarskiego. W przeciwieństwie do skrobi, inulina jest łatwo rozpuszczalna w ciepłej wodzie. Wielocukier ten używany jest w badaniach szybkości i wydajności filtracji aparatów przykłębuszkowych nerek.

Dekstryny.

Dekstryny są produktami częściowej hydrolizy, czyli rozkładu skrobi. W wyniku odcinania bocznych łańcuchów amylopektyny w cząsteczce skrobi powstają dekstryny graniczne.

Błonnik, czyli celuloza.

Celuloza jest prostym, nierozgałęzionym łańcuchem zbudowanych z podjednostek

b-D-glukopiranozowych, połączonych z sobą wiązaniami a- glikozydowym. Struktura łańcucha błonnika wzmacniana jest wiązaniami wodorowymi. Wielocukier ten nie fiest rozpuszczalny w wodzie i popularnych rozpuszczalnikach.

Celuloza jest ważnym składnikiem ścian komórkowych organizmów roślinnych. Pobierana jest do organizmów wielu ssaków ( w tym też człowieka ) w dużych ilościach wraz z pokarmem roślinnym , jednak jest ona nieprzyswajalna. Niemożność trawienia celulozy w przewodzie pokarmowych tych zwierząt jest związana z brakiem specyficznego enzymu- hydrolazy b, która rozcina wiązania b-glikozydowe. Zdolność trawienia celulozy mają zwierzęta roślinożerne i przeżuwacze , które posiadają w żołądku specyficzne bakterie rozkładające wiązania b-glikozydowe.

Chityna .

Chitynę tworzą połączone z sobą cząsteczki N-acetylo-D-glukozaminy. Wielocukier ten jest głównym składnikiem budulcowym pancerzyków owadów i skorupiaków.

Glikozaminoglikany, czyli mukopolisacharydy.

Mukopolisacharydy zbudowane są z łańcuchów cukrów złożonych, które zawierają kwas uronowy oraz aminocukry. Cukry złożone łączą się z niektórymi białkami, w wyniku czego powstają cząsteczki proteoglikanów. Do proteoglikanów należą m.in. kolagen i elastyna , które stanowią substancję podstawową ( kitową ) tkanki kostnej, łącznej i wielu innych. Proteoglikany charakteryzują się dużym ładunkiem ujemnym oraz znaczną liczbą grup hydroksylowych , co powoduje że łańcuchy węglowodanowe utrzymywane są osobno. Tak struktura wielocukru powoduje , że może on zatrzymywać on znaczne ilości wody czego efektem jest jego pęcznienie. Dzięki tym właściwościom tkanki zbudowane z kolagenu i elastyny mają charakter amortyzujący. Do proteoglikanów należą m.in. siarczan chondroityny, kwas hialuronowy oraz heparyna.

Glikoproteiny, czyli mukoproteidy.

Mukoproteidy nalezą do białek złożonych zawierających w swojej cząsteczce łańcuchy węglowodanowe o różnej długości i o różnym stopniu rozgałęzienia. Do cukrowych składników glikoprotein należą głównie oligosacharydy. Do najważniejszych heksoz wchodzących w skład mukoproteidów należą : galaktoza ( Gal ), mannoza ( Man ) oraz N-Acetylogalaktozamina ( GalNAc ) i N-Acetyloglukozamina ( GlcNAc) należące do acetyloheksozamin. Oprócz heksoz w skład mukoproteidów należą : ksyloza ( Xyl ), arabinoza ( Ara ), L- fukoza ( Fuc ), kwas N-acetyloneuraminowy (NeuAc ) i inne N-acylowe pochodne kwasu neuraminowego, kwasy sjalowe.

Mukoproteidy składem chemicznym przypominają glikozaminoglikany, jednak nie zawierają one kwasów uronowych. Glikozaminoglikany są ważnym składnikiem błon komórkowych, występują również w wielu tkankach i płynach ustrojowych.

Kwasy sjalowe.

Kwasy te stanowią pochodne ( O lub N- acylowe ) kwasu neuraminowego.

Kwas neuraminowy.

Jest to cukier 9-węglowy, który powstaje w wyniku połączenia pirogronianu z epimerem glukozaminy, czyli manozaminą. Kwasy sjalowe są cukrami, które wchodzą w skład gangliozydów oraz glikoprotein.

Węglowodany jako składniki błon komórkowych.

Cukry występujące w glikolipidach i glikoproteinach stanowią 5% całkowitej masy błon cytoplazmatycznych ssaków. Większość cukrów występuje w zewnętrznej części błony komórkowej , stanowiąc tzw. glikokaliks. Do wykrywania węglowodanów błonowych używa się lektyn- specyficznych związków ( pozyskiwanych najczęściej z roślin ) , które mają zdolność swoistego łączenia się z określonymi resztami cukrowymi. Przykładem może być konkanawalina A , która łączy się z resztami a -mannozylowymi i a- glukozylowymi.

Główna glikoproteiną występującą w błonach ludzkich erytrocytów jest glikoforyna. Cząsteczkę glikoforyna stanowi 130 aminoacylowych reszt , zakotwiczonych w błonie komórkowej. Glikoproteina ta zbudowana jest w ten sposób, że reszty białkowe wystają po obu stronach błony cytoplazmatycznej ( na zewnątrz i do wnętrza komórki ). Do N- końca łańcucha polipeptydowego w zewnętrznej części błony przyłączone są łańcuchy sacharydowe.

Znaczenie lipidów w organizmie.

Lipidy obecne w komórkach żywych organizmów stanowią bardzo cenne źródło energii. Tłuszcze dostarczane do organizmu mogą być bezpośrednio wykorzystywane, lub magazynowane w postaci podskórnej tkanki tłuszczowej. W przypadku niedoborów tłuszczów lub dużego zapotrzebowania na te związki są one zużywane z zapasów tkanki tłuszczowej. Podskórna warstwa tłuszczowa stanowi również warstwę izolacyjną , chroniącą organizm przed wyziębieniem. Dość dużo tłuszczów występuje w tkance nerwowej.

Lipidy otaczające mielinowe włókienka nerwowe stanowią izolator elektryczny, dzięki czemu dochodzi do szybkiego rozprzestrzeniania się fal depolaryzacji.

Tłuszcze połączone z białkiem tworzą lipoproteiny. Lipoproteiny wchodzą w skład błon cytoplazmatycznych otaczających komórkę, jak również błon mitochondrialnych. Lipoproteiny uczestniczą także w transporcie lipidów w krwi.

Dokładne poznanie struktury chemicznej oraz funkcji lipidów w organizmie pozwala na zrozumienie przyczyn schorzeń takich jak : miażdżyca , otyłość a także funkcji kwasów tłuszczowych wielonienasyconych w żywieniu.

Podział lipidów.

Istnieje następujący podział tłuszczy według Bloora :

1.Tłuszcze proste , czyli estry różnych alkoholi i kwasów tłuszczowych. Wśród tłuszczy prostych wyróżniamy :

- tłuszcze właściwe - należą do nich estry glicerolu z kwasami tłuszczowymi. Płynne tłuszcze właściwe nazywane są olejami.

- woski - estry alkoholi jednohydroksylowych z długim łańcuchem węglowym i kwasów tłuszczowych.

2. Tłucze złożone - estry alkoholi i kwasów tłuszczowych , które oprócz podstawowych składników zawierają grupy dodatkowe.

- Fosfolipidy - tłuszcze, które oprócz glicerolu i kwasów tłuszczowych zawierają reszty kwasu fosforowego. Oprócz reszt tego kwasu, fosfolipidy mogą zawierać zasady azotowe i inne dodatkowo podstawniki. Do fosfolipidów należą :

a) Glicerofosfolipidy- alkoholem tworzącym estry jest glicerol

b) Sfingofosfolipidy- alkoholem tworzącym estry jest sfingozyna.

- Glikolipidy, czyli glikosfingolipidy- estry kwasów tłuszczowych i sfingozyny, zawierające dodatkowo grupy cukrowe.

- Pozostałe tłuszcze złożone.

Należą do nich aminolipidy i sulfolipidy a także lipoproteiny.

3. Pochodne oraz substancje prekursorowe lipidów.

Do grupy tej można zaliczyć glicerol i inne alkohole , kwasy tłuszczowe, sterole, związki ketonowe, aldehydy tłuszczowe, steroidy, węglowodory, hormony oraz witaminy rozpuszczające się w tłuszczach.

Lipidy takie jak cholesterol i jego pochodne oraz glicerydy ( acyloglicerole ) nie posiadają ładunku na swojej cząsteczce, w związku z tym nazywane są tłuszczami obojętnymi.

Kwasy tłuszczowe.

Związki te zalicza się do kwasów karboksylowych alifatycznych. W olejach i tłuszczach kwasy tłuszczowe występują najczęściej w postaci zestryfikowanej , natomiast w surowicy krwi obecne są jako niezestryfikowane, czyli w postaci wolnej.

Naturalnie występujące w tłuszczach kwasy tłuszczowe mają najczęściej łańcuch nierozgałęziony, zbudowany z parzystej liczby atomów węgla. Parzysta liczba węgli w łańcuchu wynika z tego, iż powstaje on z dwuwęglowych jednostek. Łańcuch węglowy kwasów tłuszczowych może występować jako nasycony ( bez wiązań podwójnych ) albo nienasycony ( posiadający jeden lub kilka wiązań podwójnych ).

Biorąc pod uwagę stopień nienasycenia kwasów można podzielić je na :

Kwasy jednonienasycone, czyli kwasy monoetenowe ( monoetenoidy ) posiadają w cząsteczce jedno wiązanie podwójne.

Kwasy wielonienasycone , czyli kwasy polienowe ( polienoidy ) posiadają więcej niż jedno wiązanie podwójne.

Eikozanoidy - do grupy tej należą leukotrieny ( LT ) oraz prostanoidy. Prostanoidy obejmują : prostacykliny ( PGI ), prostaglandyny ( PG ) oraz tromboksany ( TX ).

Często grupa prostanoidów nazywana jest umownie "prostaglandynami".

Prostaglandyny zostały odkryte po raz pierwszy w nasieniu. Występują prawie w każdej tkance ssaków i pełnią w nich funkcje miejscowych hormonów. Prostaglandyny wykazują aktywność farmakologiczną i fizjologiczną.

Fosfolipidy, jako główny składnik błon komórkowych.

Do fosfolipidów zaliczane są :

-kwas fosfatydowy oraz fosfatydyloglicerol

-fosfatydyloetanoloamina

-fosfatydyloseryna

-fosfatydylocholina

-fosaftydyloinozytol

-lizofosfolipidy

-plazmogeny

-sfingomieliny.

Wszystkie z tych związków, poza sfingomieliną zawierają w swojej cząsteczce glicerol i z tego powodu zaliczane są do fosfoglicerydów. Fosfolipidy można traktować jako związki powstałe w wyniku estryfikacji kwasu fosfatydowego grupą hydroksylową odpowiedniego alkoholu.

W błonie mitochondrialnej w dużej ilości występuje związek lipidowy zwany kardiolipiną Związek ten powstaje w mitochondriach z fosfatydyloglicerolu, który z kolei powstaje z kwasu fosfatydowego.

Innym , istotnym składnikiem błon cytoplazmatycznych są lecytyny, zwane inaczej fosfatydylocholinami.

Lecytyny zaliczmy do związków lipidowych, ponieważ należą on do fosfoglicerydów zawierających cholinę. Fosfatydylocholiny stanowią największy procent masy wszystkich lipidów tworzących błony komórkowe. Związki te zawarte w błonach cytoplazmatycznych stanowią cenne źródło choliny dla całego organizmu. Cholina jest istotnym związkiem w układzie nerwowym, odpowiedzialnym za odpowiednie przewodnictwo impulsów nerwowych.

Kolejny związek lipidowy- dipalmitoilolecytyna występuje w płucach jako substancja powierzchniowo czynna, czyli surfaktant. Funkcją tego związku jest zmniejszanie napięcia powierzchniowego między fazą tkanki , z której zbudowane są płuca a fazą powietrza zawartego w płucach. Dzięki tym właściwościom surfaktantu wewnętrzne powierzchnie płuc nie sklejają się. U niektórych wcześniaków obserwuje się niedobór surfaktantu, co jest przyczyną zespołu chorobowego "błon szklistych", którego objawem jest niewydolność oddechowa.

Fosaftydyloinozytol.

Związek ten stanowi cenny produkt do wytwarzania wtórnych przekaźników. Do tego celu wykorzystywany jest izomer inozytolu - mioinozytol. Związek ten występuje w błonach komórkowych w postaci fosfatydyloinozytolo-4,5-bisfosforanu. Następnie jest on hydrolizowany ( pod wpływem odpowiedniego hormonu ) do inozytolo-tris-fosforanu i diacyloglicerolu. Obydwa związki pełnią funkcję wewnątrzkomórkowych przekaźników, określanych jako drugi posłaniec.

Plazmogeny obecne są w tkance mięśniowej i mózgu, natomiast sfingomieliny występują w sporej ilości w układzie nerwowym ( tkance nerwowej i mózgu ). Sfingomieliny poddane reakcji hydrolizy ulegają rozkładowi do kwasu tłuszczowego, choliny, kwasu fosforowego oraz aminoalkoholu.

Glikolipidy.

Glikolipidy są obecne w dużej ilości w tkance nerwowej oraz w błonach komórkowych.

W błonie cytoplazmatycznej występują z reguły w jej zewnętrznej warstwie tworząc glikokaliks z reszt oligosacharydów.

Do najważniejszych glikolipidów zwierzęcych należą glikosfingolipidy. Zbudowane są one z ceramidu i jednej lub kilku cząsteczek cukru. Do glikolipidów o najprostszej budowie należą : glukozyloceramid i galaktozyloceramid. Galaktozyloceramid w niewielkich ilościach występuje prawie w każdej tkance, natomiast w dużej ilości obecny jest w tkance nerwowej i mózgu. Glukozyloceramid należy do grupy sfingolipidów i w dużej ilości występuje tkance pozanerwowej.

Gangliozydy są złożonymi glikosfingolipidami, które obecne są w znacznych ilościach w tkance nerwowej jak i pozostałych tkankach organizmu ludzkiego.

Steroidy.

Jednym z najbardziej znanych steroidów jest cholesterol, którego nadmierna ilość w organizmie jest przyczyną miażdżycy. Cholesterol jest niezbędny w organizmie ponieważ stanowi on główny produkt do syntezy wielu hormonów, kwasów żółciowych, glikozydów oraz witaminy D. Poza tym stanowi ważny element budulcowy błon cytoplazmatycznych.

Cholesterol jest obecny w surowicy krwi w postaci lipoprotein. Rzadko występuje w formie wolnej, najczęściej obecny jest w tkankach w formie zestryfikowanej z kwasami tłuszczowymi. Cholesterol jest lipidem charakterystycznym dla tkanek zwierzęcych, brak go tkankach roślinnych. Właściwa, systematyczna nazwa cholesterolu to

3-Hydroksy-5,6-cholesten.

Ergosterol.

Jest to steroid występujący w tkankach roślinnych a także w komórkach drożdży. Pod wpływem promieniowania słonecznego jeden z pierścieni tego związku otwiera się , co powoduje nadanie jemu właściwości przeciwkrzywicze. W ten sposób powstaje witamina D, której ergosterol jest prekursorem.

Koprosterol- jest to steroid , który powstaje w wyniku redukcji podwójnego wiązania między węglem 5 a 6 w cząsteczce cholesterolu. Reakcję tą przeprowadzają specyficzne bakterie występujące w przewodzie pokarmowym.

Lipidy amfipatyczne.

Łańcuchy węglowodorowe występujące w lipidach są niepolarne , w związku z tym lipidy są nierozpuszczalne w wodzie. Natomiast kwasy tłuszczowe zawierają różnego rodzaju grupy , które posiadają ładunek. Dlatego w cząsteczce lipidów często wyróżnić można biegun hydrofobowy ( nierozpuszczalny ) oraz biegun hydrofilowy ( rozpuszczalny w wodzie ). Związki o takich właściwościach określane są jako amfipatyczne. Lipidy tworzą błonę komórkową w postaci dwuwarstwy , w której części hydrofobowe lipidów skierowane są ku sobie ( czyli do wnętrza błony ) , natomiast części hydrofilowe na zewnątrz błony

( na zewnątrz i do wnętrza komórki ). Lipidy występujące w wodzie w dużym stężeniu tworzą micele.

Przemiany związków pokarmowych.

Przemiany tych związków określają trzy rodzaje szlaków metabolicznych :

1.Szlaki anaboliczne.

Szlaki te polegają na syntezie różnych związków, które pełnią funkcje strukturalne oraz regulacyjne organizmu. Do tego typu szlaku należy m.in. synteza białek. Do przebiegu procesów anabolicznych niezbędna jest energia powstała w procesach katabolicznych

2. Szlaki kataboliczne.

Procesy tego szlaku polegają na rozkładzie substancji złożonych do prostych. Do procesów tych należą przede wszystkim fosforylacja oksydacyjna i łańcuch oddechowy. Jednym z produktów tych reakcji jest energia zmagazynowana w cząsteczkach ATP.

3.Szlaki amfiboliczne.

Szlaki te mają kilka funkcji. Procesy charakterystyczne dla tych szlaków stanowią pomost między reakcjami anabolicznymi a katabolicznymi. Przykładem szlaku amfibiotycznego jest cykl Krebsa.

Podstawowe szlaki metaboliczne.

Rodzaj szlaku metabolicznego, jaki zachodzi w tkankach danego organizmu zależy przede wszystkim od diety. Człowiek trawi pobrany pokarm do podstawowych produktów pokarmowych , jakimi są : tłuszcze, białka i węglowodany. Związki te wchłaniane w przewodach układu pokarmowego ulegają następnie przemianom do jednostek budujących te związki, tj. cukry do monosacharydów ( glukozy ), białka do aminokwasów a tłuszcze do kwasów tłuszczowych i glicerolu.

Produkty te ulegają przetworzeniu do jednego produktu- acetylokoenzymu A ( acetylo-CoA ). Koenzym przetwarzany jest w cyklu Krebsa, zwanym cyklem cytrynianowym.

Metabolizm węglowodanów.

Przemiany metaboliczne cukrów dotyczą przede wszystkim przemian glukozy. Glukoza przekształcana jest w każdej tkance zwierzęcej do mleczanu i pirogronianu.

Procesy metaboliczne glukozy mogą odbywać się w warunkach beztlenowych i tlenowych.

Beztlenowy metabolizm glukozy ( glikoliza ) prowadzi do wytworzenia mleczanu. Natomiast produktem tlenowych przemianach glukozy jest acetylo-CoA , który włączany w cykl Krebsa ulega utlenieniu do wody i dwutlenku węgla. W czasie tych przemian uwolniona zostaje energia , która skumulowana jest w wysokoenergetycznych wiązaniach ATP powstałego w czasie fosforylacji oksydacyjnej. Jak widać, glukoza jest cennym składnikiem energetycznym. Poza tym obecna jest ona w wielu innych procesach.

1.Rozpad glikogenu do glukozy. Procesy te zachodzą głównie w wątrobie i mięśniach.

2.Cykl pentozofosforanowy.

W cyklu tym wykorzystywane są metabolity pośrednie glikolizy a jego produktem są m.in. związki redukujące oraz ryboza , która niezbędna jest do syntezy kwasów nukleinowych i nukleotydów.

3. Ufosforylowane triozy wykorzystywane są do produkcji do glicerolowej części tłuszczy

( acylogliceroli ).

4. Metabolity pośrednich etapów cyklu Krebsa oraz pirogronian są produktami do wytwarzania aminokwasów, natomiast acetylo-CoA uczestniczy w syntezie długich łańcuchów kwasów tłuszczowych i cholesterolu. Wytworzony cholesterol jest substratem do produkcji wszystkich steroidów występujących w organizmie.

Metabolizm lipidów.

Kwasy tłuszczowe pochodzące z rozkładu tłuszczy ulegają utlenieniu do acetyloCoA lub estryfikacji do związków takich jak acyloglicerole. Acetylo-CoA jest wykorzystywany w wielu procesach. Przede wszystkim stanowi tanowi substrat do cyklu kwasu cytrynowego, w czasie którego ulega utlenieniu do wody i dwutlenku węgla.

Kwasy tłuszczowe powstałe w wyniku rozkładu wykorzystywane są do syntezy steroidów. W wątrobie z kwasów tłuszczowych powstaje związek ketonowy- acetooctan. Związek ten jest wykorzystywany jako alternatywne źródło energii w warunkach jej dużego zapotrzebowania.

W wyniku trawienia lipidów powstają kwasy tłuszczowe oraz monoacyloglicerole.

Z produktów tych w jelitach dochodzi do powtórnej syntezy ( resynteza ) lipidów, które w połączeniu z białkami tworzą lipoproteiny. Lipoproteiny zwane są także chylomikronami i dostają się one z jelit do układu limfatycznego a potem do krwioobiegu. Substancje hydrofobowe ( nierozpuszczalne w wodzie ) tworzą grupę lipoprotein, dzięki czemu ułatwiony jest ich transport w osoczu krwi.

Triacyloglicerol chylomikronów jest lipidem ,który nie jest produkowany przez komórki wątroby. Produkcja tego związku odbywa się w tkankach pozawątrobowych. Do tego procesu niezbędna jest obecność enzymu -lipazy lipoproteinowej, hydrolizującej triacyloglicerole. Produktem hydrolizy są kwasy tłuszczowe , które łączą z lipidami tkankowymi lub zużywane są w procesach utleniania. Kwasy tłuszczowe mogą być syntetyzowane w wątrobie i tkance tłuszczowej na drodze lipogenezy, w której jako substraty wykorzystywane są węglowodany.

Triacyloglicerole zgromadzone w tkance tłuszczowej stanowią magazyn energii dla organizmu. Rozkład tych związków prowadzi do wytworzenia wolnych kwasów tłuszczowych, które uwalniane są do krwi. Kwasy tłuszczowe ulegają procesom utleniania lub estryfikacji. W przypadku nadwyżki triacylogliceroli spowodowana nadmierną lipogenezą lub zwiększoną dostawą w pokarmie tworzą one grupę VLDL - lipoproteiny o bardzo małej gęstości. VLDL obecne są w osoczu krwi. Innym sposobem zużywania nadmiaru kwasów tłuszczowych jest utlenianie ich do związków ketonowych. Związki te zużywane są w tkankach ( innych niż wątrobowe ) jako substraty energetyczne.

Badanie miejsca i integracji szlaków metabolicznych,

Badanie szlaków metabolicznych może odbywać się na różnorodnych poziomach organizacji.

1.Na poziomie narządów i tkanek. Badanie to polega na oznaczeniu rodzaju substratu jaki wpływa do tkanki i produktów jakie uwalniane są z tych struktur. Opisuje się ogólny zarys przemian w danej tkance lub narządzie.

2.Na poziomie organelli komórkowych ( poziom subkomórkowy ). W każdym kompartymencie komórki oraz organellum zachodzą przemiany biochemiczne, które składają się na ogół różnych szlaków metabolicznych.

Krążenie krwi jako czynnik integrujący metabolizm tkanek i narządów.

Produkty rozkładu związków pokarmowych tj. glukoza jako produkt rozkładu cukrów i aminokwasy jako produkty rozkładu białek wchłaniane w jelitach dostają się do krwioobiegu i kierowane do wątrobowej żyły wrotnej. Do wątroby trafiają wszystkie metabolity procesów trawienia. Wątroba jest miejscem gdzie regulowane jest stężenie tych metabolitów w osoczu krwi, głównie dotyczy to aminokwasów i glukozy. Jeśli we krwi jest nadmiar glukozy to w wątrobie następuje wychwytywanie cząsteczek tego cukru i przekształcanie go w glikogen

( proces glikogenogenezy ) lub w lipidy ( proces lipogenezy ). Natomiast, między posiłkami, gdy poziom cukru we krwi spada, dochodzi do rozkładu glikogenu , wynikiem czego jest uwalniana jest glukoza. Poza tym, w wątrobie i nerkach aktywowane są procesy glukoneogenezy, czyli syntezy glukozy ze związków takich jak : aminokwasy, kwas mlekowy, glicerol. Utrzymanie prawidłowej ilości glukozy w osoczu krwi jest bardzo ważne, ponieważ zarówno niedobór jak i nadmiar tego cukru powoduje nieprawidłowości w funkcjonowaniu wielu układów. Szczególnie istotne jest to w prawidłowym funkcjonowaniu mózgu.

W wątrobie syntetyzowane są niektóre białka np. albuminy występujące w osoczu krwi. Oprócz tego wątroba jest miejscem deaminacji zbędnych aminokwasów. Produktem tego procesu jest mocznik, który wydalany jest z moczem z organizmu.

Glukoza wykorzystywana jest również w mięśniach szkieletowych, w których stanowią źródło energii potrzebnej do skurczu włókienek mięśniowych. W mięśniach glukoza zostaje przetworzona do mleczanu i dwutlenku węgla. Mięśnie są również miejscem syntezy białek mięśniowych, których substratami są aminokwasy krążące w osoczu krwi. Mięśnie stanowią prawie 50% masy całego ciała, związku z tym stanowią istotny rezerwuar białek, które mogą być wykorzystywane w czasie niedoborów pokarmowych.

Przebieg różnych procesów metabolicznych w organellach komórkowych.

Bardzo ważnym organellum komórkowym jest mitochondrium. W nim krzyżują się szlaki metaboliczne aminokwasów, węglowodanów i tłuszczy. Występują w nim enzymy uczestniczące w kluczowych procesach metabolicznych, m.in. cyklu Krebsa, łańcucha oddechowego, ketogenezy, beta- oksydacji kwasów tłuszczowych. Mitochondrium służy także jako magazyn szkieletów węglowych powstałych w czasie transaminacji aminokwasów. Szkielety te są wykorzystywane do syntezy endogennych aminokwasów.

Cytozol jest miejscem takich procesów jak : glikoliza, produkcja kwasów tłuszczowych oraz cykl pentozofosforanowy. W cytozolu ma miejsce synteza produktów pośrednich glukoneogenezy, do których należą m.in. pirogronian i mleczan. Jednak związki te nie ulegają ostatecznemu przekształceniu do glukozy, ponieważ procesy te odbywają się jedynie w mitochondrium.

W błonach retikulum endoplazmatycznego obecne są enzymy uczestniczące w biosyntezie acylogliceroli. W rybosomach natomiast odbywa się synteza białek.

Cykl Krebsa, zwany inaczej cyklem kwasu cytrynowego.

Produkt cyklu Krebsa jest substratem do procesu zwanego łańcuchem oddechowym. W czasie tego cyklu dochodzi do połączenia acetylo-CoA z kwasem szczawiooctowym, który jest czterowęglowym kwasem dikarboksylowym. Produktem tej reakcji jest kwas cytrynowy , który uczestniczy w ciągu reakcji. Reakcje te polegają na odszczepianiu cząsteczek CO2 od cytrynianu, wynikiem czego jest odtworzenie cząsteczki szczawiooctanu. Związek ten działa jak katalizator, ponieważ jego niewielkie ilości aktywują przemiany wielu jednostek acylowych do dwutlenku węgla.

Dzięki reakcjom cyklu Krebsa energia, która jest uwięziona w produktach rozkładu węglowodanów, białek, lipidów, zostaje uwolniona. Efektem działania niektórych enzymów cyklu cytrynowego ( takich jak dehydrogenaz ) są tzw. równoważniki redukujące, czyli elektrony i atomy wodoru. Równoważniki te związane z NADP zużywane są w łańcuchu oddechowym. W łańcuchu oddechowym dochodzi do tzw. fosforylacji oksydacyjnej, której głównym produktem jest ATP. W czasie fosforylacji równoważniki ulegają utlenieniu , do czego niezbędny jest tlen. Niedobór tego gazu powoduje wstrzymanie procesów fosforylacji.

Enzymy uczestniczące w cyklu Krebsa zlokalizowane są w matriks mitochondrialnym. Mogą być one zawieszone swobodnie w tej macierzy lub związane z błonami mitochondrium. Enzymy związane z błoną ułatwiają transport równoważników redukujących na łańcuch oddechowy, ponieważ enzymy tego procesu także zakotwiczone są w błonie mitochondrium.

Szczegółowy opis cyklu kwasu cytrynowego.

Kondensację acetylo-CoA z cząsteczką szczawiooctanu katalizuje enzym zwany syntazą cytrynianową. Enzym ten warunkuje powstanie wiązania pomiędzy węglem należącym do grupy karbonylowej cząsteczki szczawiooctanu a węglem metylowej grupy acetylo-CoA. Wynikiem tej reakcji jest cząsteczka cytrylo-CoA. Następnie w cząsteczce tej hydrolizie ulega wiązanie tioestrowe CoA, co wiąże się z uwolnieniem dużej ilości energii cieplnej, która zapewnia całkowity przebieg reakcji. Reakcja z syntazą przebiega następująco :

Acetylo-CoA + szczawiooctan + H2O → cytrynian + Co-A

Dalszą przemianę cytrynianu warunkuje enzym zwany hydratazą akonitanową, czyli akonitazą. Enzym ten zawiera jony Fe2+ i powoduje przekształcenie cytrynianu w izocytrynian.

Pod wpływem kolejnego enzymu - dehydrogenazy izocytrynianowej, izocytrynian ulega procesowi odwodornienia, czego produktem jest szczawiobursztynian. W komórce obecne są trzy formy dehydrogenazy :

-swoista wobec NAD+ ( obecna jedynie w mitochondriach )

-swoista wobec NADP+ ( obecna w mitochondriach )

-swoista wobec NADP+ ( obecna w cytozolu ).

W czasie utleniania szczawiooctanu w łańcuchu oddechowym nadrzędnym enzymem jest dehydrogenaza zależna od NAD+. Reakcja :

Izocytrynian + NAD+ → Szczawiobursztynian

Dehydrogenaza uczestniczy także w reakcji dekarboksylacji szczawiobursztynianu, której produktem jest a-ketoglutaran. W czasie przebiegu tej reakcji niezbędna jest obecność jonów magnezu ( Mg2+ ). Reakcja :

NAD+ szczawiobursztynian → a-ketoglutaran + CO2 + NADH + H+

Następnym etapem cyklu jest dekarboksylacja a-ketoglutaranu. Produktem tej reakcji jest sukcynylo-CoA, zaliczany do tioestrów zawierający w swojej cząsteczce wysokoenergetyczne wiązania. Do przebiegu reakcji dekarboksylacji potrzeba jest obecność enzymu- dehydrogenazy a-ketoglutaranowej oraz kofaktorów takich jak CoA , FAD, NAD+, liponianu oraz difosfotiaminy. Reakcję tę można wstrzymać przez dodatek arsenin, powodując tym samym gromadzenie się a-ketoglutaranu. Reakcja :

a-ketoglutaran + Co-A + NAD+ → sukcynylo-CoA + CO2 + NADH + H+

Sukcynylo-CoA ulega następnie przekształceniu w kwas bursztynowy a reakcję tę katalizuje syntetaza sukcynylo-CoA, czyli tiokinaza bursztynianowa. Reakcja :

sukcynylo-CoA + Pi + GDP → kwas bursztynowy + GTP + CoA

W reakcji niezbędna jest obecność związków takich jak IDP lub GDP , które pod wpływem fosforanów ulegają przekształceniu odpowiednio w ITP lub GTP. Reakcja ta jest jedyną w cyklu Krebsa, która dostarcza, na poziomie substratu , wysokoenergetycznych wiązań fosforanowych. Energia skumulowana w tych wiązaniach pochodzi częściowo z przemian

a-ketoglutaranu. W reakcji przekształcania GTP w GDP może powstać ATP. Reakcja ta katalizowana jest przez enzym- kinazę difosfonukleozydową przebiega w sposób następujący:

GTP + ADP → GDP + ATP

W Komórkach pozawątrobowych obserwuje się pewne reakcje alternatywne , które prowadzą do przekształcenia sukcynylo-CoA w kwas bursztynowy. Reakcje te sprzężone są z przemianą acetooctanu w związek znany jako acetoacetylo-CoA. Natomiast w wątrobie obserwuje się częściową hydrolizę sukcynylo-CoA , czego produktami są CoA i bursztynian.

Kolejne przekształcenia bursztynian polegają na odszczepieniu od jego cząsteczki atomów wodoru, czyli odwodornienie. Do produktu pierwszego odwodornienia przyłącza się cząsteczka wody. Następnie od powstałego produktu odszczepia się kolejne wodory, czego efektem jest powstanie szczawiooctanu.

Pierwsze odwodornienie bursztynianu prowadzi do wytworzenia związku zwanego fumaranem. Reakcja ta katalizowana jest dehydrogenazą bursztynianową - enzymem, który zakotwiczony jest w wewnętrznej błonie mitochondrium. Funkcje katalityczne dehydrogenazy inhibuje malonian lub szczawiooctan , wynikiem czego jest gromadzenie się bursztynianu.

bursztynian + FAD → fumaran + FADH2

Po dołączeniu do cząsteczki fumaranu cząsteczki wody powstaje jabłczan. Reakcję tę katalizuje hydrataza fumaranowa ( fumaraza ).

fumaran + H2O → L-jabłczan

Jabłczan, pod wpływem dehydrogenazy jabłczanej ulega odwodornieniu do szczawiooctanu.

L-jabłczan + NAD+ → szczawiooctan + NADH + H+

Bilans cyklu Krebsa.

W wyniku obrotu jednego cyklu Krebsa powstaje 12 cząsteczek związku wysokoenergetycznego - ATP. Reakcje katalizowane przez dehydrogenazę są źródłem jednej cząsteczki FADH2 oraz 3 cząsteczek NADH. Substancje te nazywane są równoważnikami redukującymi i są one przekazywane na łańcuch oddechowy. Równoważnik redukujący ulega w łańcuchu oddechowym utlenieniu, wynikiem czego jest wytworzenie trzech wysokoenergetycznych wiązań powstałych w czasie fosforylacji ADP do ATP. FADH jest źródłem dwóch wiązań wysokoenergetycznych, gdyż jego siła redukcyjna jest przenoszona na koenzym Q. Pozostałe wysokoenergetyczne wiązania fosforanowe otrzymywane są w innym etapie cyklu Krebsa, tj. podczas przekształcania sukcynylo-CoA w kwas bursztynowy.

Rola witamin w cyklu Krebsa.

Regulacyjne funkcje cyklu kwasu cytrynowego mają witaminy z grypy B. Należą do nich :

Ryboflawina- jest kofaktorem kompleksu dehydrogenazy a-ketoglutaranowej oraz dehydrogenazy bursztynianowej.

Niacyna - jest koenzymem trzech enzymów : dehydrogenazy izocytrynianowej, dehydrogenazy a-ketoglutaranowej oraz dehydrogenazy jabłczanowej.

Tiamina , czyli witamina B1 - jest koenzymem reakcji dekarboksylacji z udziałem dehydrogenazy a-ketoglutaranowej.

Kwas pantotenowy- jest częścią koenzymu A, związany jest ze związkami takimi jak : sukcynylo-CoA oraz acetylo-CoA.

Rola cyklu Krebsa.

Cykl ten jest miejscem krzyżowanie się wielu szlaków metaboliczne, niektóre z nich kończą się w pewnych jego etapach a inne rozpoczynają się od tego cyklu. Szlaki metaboliczne związane z cyklem Krebsa to m.in. deaminacja, transaminacja, glukoneogeneza.

Prawie wszystkie metabolity cyklu Krebsa mogą być wykorzystane w procesach glukoneogenezy w nerkach i wątrobie.

Reakcją, która zapewnia przejście produktów cyklu Krebsa do szlaku glukoneogenezy katalizowana jest przez karboksykinazę fosfoenolopirogronianową. Rekcją tą jest przekształcenie szczawiooctanu w fosfoenolopirogronian z przekształceniem DTP do GDP.

szczawiooctan + GTP → fosfoenolopirogronian + CO2 + GDP

Odzyskiwanie szczawiooctanu uzyskuje się poprzez poddanie karboksylacji pirogronianu. Enzymem odpowiedzialnym za przebieg tej reakcji jest karboksylaza pirogronianowa.

ATP + CO2 + H2O + pirogronian → szczawiooctan + ADP + Pi

Inne metabolity cyklu Krebsa uzyskiwane są na drodze transaminacji niektórych aminokwasów. Reakcje te katalizowane są przez aminotransferazy. Z alaniny uzyskiwany jest pirogronian, z asparaginianu - szczawiooctan, z glutaminianu a-ketoglutaran.

asparaginian + pirogronian → szczawiooctan + alanina

glutaminian + pirogronian → a-ketoglutaran + alanina

Większość aminokwasów zasilają cykl Krebsa oraz glukoneogenezę , ponieważ ulegają przekształceniu w taki produkty jak : pirogronian, sukcynylo-CoA, a-ketoglutaran, fumaran. Niektóre z nich ulegają utlenieniu do dwutlenku węgla lub po przekształceniu w szczawiooctan wchodzą w cykl glukoneogenezy.

Glikoliza.

Głównym znaczeniem glikolizy w organizmie jest przekształcenie glukozy z acetyloCoA , który jest głównym substratem cyklu kwasu cytrynowego. Oprócz tego glikoliza ma istotne znaczenie w metabolizmie galaktozy i fruktozy , które dostarczane są do organizmu wraz z pokarmem. Podstawowym produktem glikolizy zachodzącej w warunkach tlenowych jest pirogronian i ATP . Jednak glikoliza może zachodzić w warunkach beztlenowych, co obserwowane jest w mięśniach , gdzie w warunkach niedostatecznego dotlenienia glukoza przekształcana jest do mleczanu z wydzieleniem ATP niezbędnego do skurczu mięśni. Mięśnie szkieletowe działają bardzo sprawnie w warunkach niedotlenienia, natomiast mięsień sercowy w takich warunkach wykazuje małą aktywność glikolityczną oraz słabą kurczliwość. W czasie intensywnego wysiłku fizycznego dochodzi do uwalniania zapasów glikogenu w mięśniach , z którego wytwarzana jest glukoza. Duże ilości glukozy zużywane są w procesie glikolizy w celu uzyskania energii potrzebnej do pracy mięśni. Nadmierne gromadzenie się mleczanu w mięśniach jako produktu glikolizy jest przyczyną ich zakwaszenia, czyli tzw. "zakwasów". Zaawansowana kwasica mleczanowa może występować w tkankach nowotworowych.

Jeżeli procesy glikolizy w mięśniach zachodzą w warunkach tlenowych , to glikogen nie jest zużywany a zamiast mleczanu powstaje pirogronian .Pirogronian nie gromadzi się w tkankach, ponieważ ulega utlenieniu do dwutlenku węgla i wody.

W czasie glikolizy w warunkach tlenowych i beztlenowych występują te same reakcje, z tym że intensywność tych procesów jest zróżnicowana oraz produkty tych reakcji są różne. Jeżeli glikoliza zachodzi w warunkach małej podaży tlenu to ograniczone są procesy reoksydacji NADH , dlatego związek ten ulega utlenieniu w czasie redukcji pirogronianu do kwasu mlekowego. Powstały w ten sposób NAD zapewnia przebieg kolejnych etapów glikolizy.

Glikoliza zachodząca w warunkach beztlenowych prowadzi do uwolnienia mniejszej ilości energii, niż ma to miejsce w czasie glikolizy tlenowej. Do wytworzenia dużej ilości energii w czasie glikolizy beztlenowej należy zużyć więcej cząsteczek glukozy.

Ogólny wzór glikolizy beztlenowej.

glukoza + 2ADP + 2Pi → 2L(+)-mleczan + 2ATP + 2H2O

Glikoliza jest procesem, który odbywa się w cytozolu i nim też obecne są enzymy niezbędne do przeprowadzania wszystkich jej reakcji. W cytozolu zachodzi zarówno glikoliza tlenowa jak i beztlenowa.

Pierwszym etapem glikolizy jest ufosforylowane glukozy do glukozo-6-fosforanu. Enzymem warunkującym prawidłowy przebieg tej reakcji jest heksokinaza. W komórkach wątroby enzymem tym jest glukokinaza. W czasie fosforylacji glukozy dochodzi do zużycia jednaj cząsteczki ATP, której energia jest niezbędna do przyłączenia reszty fosforanowej do cząsteczki cukru. ATP biorące udział w tej reakcji występuje w postaci kompleksu z jonami magnezowymi. W czasie fosforylacji glukozy dochodzi do znacznej utraty energii cieplnej, w związku z tym reakcja ta zaliczana jest do reakcji nieodwracalnych. Funkcje katalityczne heksokinazy hamowane są produktem tej reakcji , czyli glukozo-6-fosforanem.

Reakcja : glukoza + ATP → glukozo-6-fosforan + ADP

Glukozo-6-fosforan jest związkiem występującym w wielu innych szlakach metabolicznych.

Kolejnym etapem glikolizy jest izomeryzacja glukozo-6-fosforanu do fruktozo-6-fosforanu.

Prawidłowy przebieg izomeryzacji aldozowo-ketozowej zapewnia enzym- izomeraza fosfoheksozowa. Reakcji izomeryzacji ulega jedynie anomery typu a glukozo-6-fosforanu.

Reakcja : a-D-glukozo-6-fosforan → a-D-fruktozo-6-fosforan

Kolejnym reakcją glikolizy jest druga fosforylacja. Produktem tej reakcji jest

fruktozo-1,6-bisfosforan.Kolejna fosforylacja podobnie jak pierwsza wymaga dostarczenia energii w postaci ATP. Enzymem katalizującym tą fosforylację jest fosfofruktokinaza, która wykazuje zarówno właściwości allosteryczne jak i indukujące.

Aktywność tego enzymu decyduje o szybkości całego procesu glikolizy. Ten etap glikolizy również uważany jest za nieodwracalny.

Reakcja : D-fruktozo-6-fosforan + ATP → D-fruktozo-1,6-bisfosforan

W następnej reakcji glikolizy enzym aldolaza powoduje rozszczepienie

fruktozo-1,6-bisfosforanu na dwie cząsteczki fosfotriozy, czyli : dihydroksyacetonofosforan oraz gliceraldehydo-3-fosforan.

Reakcja : D-fruktozo-1,6-bisfosforan → Gliceraldehydo-3-fosforan + dihydroksyacetonofosforan

Obydwa produkty reakcji mogą przechodzić jeden w drugi pod wpływem działania enzymu zwanego izomerazą fosfotriozową.

D-gliceraldehydo-3-fosforan ↔ dihydroksyacetonofosforan

Następnym etapem glikolizy jest utlenianie gliceraldehydo-3-fosforanu , które prowadzi do powstania 1,3-bisfosfoglicerynianu. Utlenieniu ulega także dihydroksyacetonofosforan, po uprzednim przekształceniu się do gliceraldehydo-3-fosforanu.

D-gliceraldehydo-3-fosforan + NAD+ + Pi → 1,3-bisfosfoglicerynian + NADH + H+

Następnie 1,3-bisfosfoglicerynian zostaje przekształcony w 3-fosfoglicerynian, pod wpływem enzymu - kinazy fosfoglicerynianowej. W czasie tej reakcji następuje odszczepienie reszty fosforanowej z 1,3-bisfosfoglicerynianu na ADP, wynikiem czego jest wytworzenie cząsteczki ATP.

Reakcja : 1,3-bisfosfoglicerynian + ADP → 3-fosfoglicerynian + ATP

Jedna cząsteczka glukozy prowadzi do wytworzenia dwóch cząsteczek fosfotrioz, w związku z czym w reakcji tej wytwarzane są także dwie cząsteczki wysokoenergetycznego związku ATP. Wytworzenie ATP na etapie substratu określane jest jako fosforylacja substratowa.

Jeżeli w poprzednich reakcjach jest obecny arsenian to współzawodniczy on z fosforem nieorganicznym ,w rezultacie czego powstaje cząsteczka 1-arseno-3-fosfoglicerynianu. Związek ten ma zdolność do spontanicznej hydrolizy , czego produktem jest

3-fosfoglicerynian oraz ciepło, jednak nie tworzy się ATP. Arsenian ma właściwość sprzęgania procesów fosforylacji i utleniania.

Kolejnym etapem glikolizy jest przekształcenie 3-fosfogliderynianu do 2-fosfoglicerynianu. Reakcję tę katalizuje enzym- mutaza fosfoglicerynianowa. Związkiem pośrednim tej reakcji jest prawdopodobnie 2,3-bisfosfoglicerynian.

Reakcja : 3-fosfoglicerynian → 2-fosfoglicerynian

Kolejna reakcja glikolizy związana jest z odszczepieniem cząsteczki wody od

2-fosfoglicerynianu. W czasie tej reakcji dochodzi do przemieszczenia energii w cząsteczce a produktem tych przemian jest fosfoenolopirogronian. Prawidłowy przebieg tej reakcji jest kontrolowany przez enzym, zwany enolazą. Właściwości enzymatyczne enolazą ulegają zahamowaniu poprzez dodanie fluorków do reakcji. Ta właściwość enzymu jest wykorzystywana wtedy, gdy potrzebne jest zahamowanie procesu glikolizy, np. w czasie oznaczania stężenia glukozy w próbce krwi. Do prawidłowego działania enolazy wymagana jest obecność jonów magnezowych.

Reakcja : 2-fosfoglicerynian → fosfoenolopirogronian + H2O

W kolejnym etapie reszty fosforanowe zostają przeniesione na dwie cząsteczki ADP, w wyniku czego powstają dwie cząsteczki ATP oraz enolopirogronian. Reakcję tą katalizuje kinaza pirogronianowa. Następnie dochodzi do spontanicznego przekształcenia się enolopirogronianu w postać ketonową, czyli pirogronian. W reakcji tej dochodzi do znacznej utraty energii cieplnej i dlatego reakcja ta jest traktowana jako nieodwracalna fizjologicznie.

Reakcja : fosfoenolopirogronian + ADP → pirogronian + ATP

W tym etapie o kierunku dalszych reakcji glikolizy decyduje potencjał redoks tkanki. Możliwe są dwa szlaki metaboliczne uzależnione od podaży tlenu do tkanek.

W przypadku warunków beztlenowych uniemożliwiony jest proces ponownego utlenienia NADH w wyniku przejścia równoważników redukujących przez łańcuch oddechowy na tlen. W związku z tym pirogronian zostaje zredukowany przez NADH a produktem tej reakcji jest kwas mlekowy. Enzymem katalizującym ten proces jest dehydrogenaza mleczanowa.

Reakcja : pirogronian + NADH + H+ → L(+)-mleczan + NAD+

Reoksydacja NADH do NAD+ katalizowana jest przez enzym dehydrogenazę gliceraldehydo-3-fosforanową. Dzięki temu enzymowi możliwy jest przebieg reakcji glikolizy w warunkach beztlenowych . Ma to istotne znaczenie w funkcjonowaniu niektórych tkanek w warunkach niedotlenienia. Szczególnie dotyczy to mięśni, które działają równie efektywnie w warunkach tlenowych jak i beztlenowych. Gromadzący się mleczan, jako produkt glikolizy beztlenowej jest obecny w moczu oraz osoczu krwi. W erytrocytach zawsze zachodzi glikoliza beztlenowa, nawet w tlenowych warunkach , ponieważ struktury te nie posiadają mitochondriów a tym samym enzymów potrzebnych do utleniania pirogronianu. W czerwonych krwinkach ssaków 90% zapotrzebowania na energię pokrywa proces glikolizy. Istnieje wiele tkanek w organizmie , które energię czerpią głównie z beztlenowej glikolizy . Należą do nich przede wszystkim mięśnie i erytrocyty, jak również skóra, mózg, jelito, siatkówka, część rdzeniowa nerki. Są także takie organy, takie jak nerki, wątroba, serce w których zachodzi głównie glikoliza tlenowa , lecz w warunkach niedoboru tlenu , metabolizm glukozy przechodzi zmienia się na beztlenowy ( z wytworzeniem mleczanu ).

Cały cykl glikolizy w trzech etapach, które warunkują reakcje nieodwracalne.

Reakcje , które są silnie egzoergiczne, czyli w czasie ich trwania wydzielane są duże ilości ciepła są zaliczane do reakcji nieodwracalnych. Reakcje nieodwracalne szlaku glikolitycznego to te, które katalizowane są kinazę pirogronianową , fosfofruktokinazę oraz heksokinazę. Zmiana przebiegu reakcji katalizowanych przez powyższe enzymy powoduje przesunięcie reakcji w kierunku glukoneogenezy.

W glikolizie zachodzącej w czerwonych krwinkach niektórych gatunków ssaków pomijana jest reakcja katalizowana kinazą fosfoglicerynianową. Dlatego energia wysokoenergetycznych wiązań nie zostaje skumulowana lecz rozproszona. Występuje tu dodatkowy enzym, określany jako mutaza bisfosfoglicerynianowa, który katalizuje przemianę 1,3-bisfosfoglicerynianu związek → 2,3-bisfosfoglicerynian. Związek ten, pod wpływem fosfatazy 2,3-bisfosfoglicerynianowej przekształcony zostaje w 3-fosfoglicerynian. W tego typu glikolizie nie ma zysku energetycznego w postaci ATP, ponieważ energia wiązania wysokoenergetycznego została uwolniona. Taki typ glikolizy ma swoje dobre strony, ponieważ w krwinkach czerwonych mogą zachodzić procesy metaboliczne glukozy, nawet kiedy zapotrzebowanie na ATP jest minimalne. Dodatkowo 2,3-bisfosfoglicerynian ma właściwości łączenia się z hemoglobiną w związku z czym zmniejsza jej powinowactwo do tlenu a tym samym przyczynia się do zwiększonego uwalniania tlenu z oksyhemoglobiny.

Pirogronian powstały w czasie glikolizy jest substratem do cyklu kwasu cytrynowego. Jednak aby mógł być on włączony do tego cyklu musi ulec utlenieniu do acetylo-CoA.

Pirogronian powstaje w cytozolu , natomiast cykl Krebsa odbywa się w mitochondrium, w związku z tym musi on zostać przeniesiony do wnętrza tego organellum. W transporcie tym uczestniczy specjalny przenośnik pirogronianowy, dzięki działaniu którego możliwe jest przejście cząsteczki pirogronian przez wewnętrzną błonę mitochondrium. W czasie przechodzenia pirogronian przez błonę towarzyszy mu transport jednego protonu. Wspólne przechodzenie cząsteczek w poprzek błony określane jest mianem symportu.

We wnętrzu mitochondrium pirogronian przekształcany jest do acetylo-CoA w procesie oksydacyjnej dekarboksylacji. Za proces ten odpowiedzialny jest kompleks wieloenzymatyczny, który określany jest jako kompleks pirogronianowej dehydrogenazy. Kompleks ten można przyrównać do kompleksu a-ketoglutaranowej dehydrogenazy obecnego w cyklu Krebsa.

W pierwszej kolejności pirogronian ulega procesowi dekarboksylacji , czego produktem jest pochodna difosfotiaminy. Z kolei związek ten reaguje z lipoamidem, w wyniku czego powstaje acetylolipoamid. Acetylolipoamid ulega reakcji z koenzymem A, a produktem tej reakcji jest zredukowana forma lipoamidu oraz acetylo-CoA. Reakcje tę katalizuje acetylotransferaza dihydroliponianowa. Następnie pod wpływem dehydrogenazy dihydroliponianowej lipoamid ulega ponownemu utlenieniu przez związek znany jako flawoproteina. Powstała w tej reakcji zredukowana forma flawoproteiny zostaje utleniona przez cząsteczkę NAD. NAD jest przenośnikiem równoważników redukujących do tzw. łańcucha oddechowego.

Reakcja : pirogronian + NAD+ + CoA → acetylo-CoA + NADH + H+ + CO2

Każdy z trzech enzymów wchodzących w skład kompleksu pirogronianowej dehydrogenazy posiada w swej cząsteczce łańcuch polipeptydowy , które wspólnie tworzą charakterystyczna strukturę przestrzenną. Kompleks enzymatyczny hamowany jest produktami reakcji , którą katalizuje, czyli NADH oraz acetylo-CoA. Wstrzymanie procesów utleniania pirogronian może doprowadzić do kwasicy.

Metabolizm glikogenu.

Glikogen stanowi magazyn cukrów w tkankach zwierzęcych i obecny jest przede wszystkim w wątrobie oraz w mięśniach.

Glikogen występujący w mięśniach stanowi źródło glukozy wykorzystywanej jako produkt do procesu glikolizy, który dostarcza energii włókienkom mięśniowym. Natomiast glikogen obecny w wątrobie jest zapasem glukozy, który odpowiada za jej prawidłowe stężenie w osoczu krwi. W przypadku silnego niedoboru pokarmowego, gdy zapasy glikogenu w wątrobie uległy wyczerpaniu , zużywana jest glukoza zmagazynowana w postaci glikogenu w mięśniach.

Synteza glikogenu.

Pierwszy etap syntezy glikogenu jest identyczny z pierwszym etapem glikolizy. Glukoza ulega ufosforylowaniu do glukozo-6 -fosforanu. Reakcje tę katalizuje w komórkach mięśni - heksokinaza, natomiast w wątrobie- glukokinaza. Glukozo-6-fosforan ulega przekształceniu w glukozo-1-fosforan, a przebieg tej reakcji warunkowany obecnością enzymu - fosfoglukomutazy.

Enzym-P + glukozo-6-fosforan → Enzym-P + glukozo-1-fosforan

Glukozo-1-fosforan zostaje przekształcony w urydynotrifosforan, czyli UTP. Urydynotrifosforan, pod wpływem pirofosforylazy UDPGlc ulega przekształceniu w urydynodifosfoglukozę , czyli UDPGlc.

UTP + glukozo-1-fosforan → UDPGlc + PPi

Z UDPGlc wytwarzany jest glikogen , pod wpływem działania enzymu - syntazy glikogenowej. Inicjację tego procesu warunkuje obecność primeru glikogenowego, czyli gotowej cząsteczki glikogenu.

W organach takich jak nerki i wątroba obecny jest specyficzny enzym - glukozo-6-fosfataza, który powoduje odszczepianie fosforanu z cząsteczki glukozo-6-fosforanu i uwolnienie glukozy do krwi.

Glukoneogeneza.

Proces ten stanowią wszelkie reakcje, które polegają na przekształcaniu związków niecukrowych w glikogen lub glukozę. Najczęściej do glukoneogenezy dochodzi w tkankach nerek i wątroby ponieważ , w nich znajdują się niezbędne do tego procesu enzymy. Substratami do procesu glukoneogenezy są z reguły aminokwasy glikogenne, glicerol oraz mleczan.

Glukoneogeneza uzupełnia zapas glukozy w organizmie, w przypadku gdy dostarczane wraz z pokarmem węglowodany nie zaspakajają potrzeb energetycznych organizmu. Poziom glukozy we krwi musi być utrzymywany na względnie stałym poziomie, co jest niezwykle ważne w prawidłowym funkcjonowaniu układu nerwowego oraz krwinek czerwonych. Przy dużym niedoborze glukozy we krwi dochodzi do zaburzenia czynności mózgu, co może doprowadzić ostatecznie do śpiączki a nawet zgonu.

Glukoza wykorzystywana jest także w tkance lipidowej jako substrat do syntezy glicerydów i glicerolu. Cukier ten wykorzystywany jest w mięśniach jako źródło energii w warunkach słabego dotlenienia. Z glukozy produkowana jest także laktoza- cukier występujący w mleku ssaków. Dzięki glukoneogenezie dochodzi do "oczyszczenia" tkanek z produktów metabolizmu , takich jak : mleczan- produkowany przez erytrocyty i mięśnie oraz glicerol- wytwarzany w tkance tłuszczowej.

Reakcje nieodwracalne w glikolizie i ich znaczenie w glukoneogenezie.

Nieodwracalne reakcje glikolizy charakteryzują się wydzielaniem dużej ilości energii cieplnej, a zatem bariera energetyczna stoi na przeszkodzie odwrócenia tych procesów. Istnieją alternatywne reakcje , które pozwalają na ominięcie tych wysokoenergetycznych reakcji.

Duże ilości ciepła wydzielane są w reakcjach , które zachodzą między :

1.fosfoenolopirogronianem a pirogronianem

2.fruktozo-6-fosforanem a fruktozo-1,6-bisfosforanem

3.glukozą a glukozo-6-fosforanem

4.glikogenem a glukozo-1-fosforanem.

Ad.1.

Istnieją dwa enzymy, za pomocą których możliwe jest przekształcenie mleczanu w fosfoenolopirogronian. Do enzymów tych należą : karboksylaza pirogronianowa, która katalizuje przemianę pirogronianu w szczawiooctan oraz karboksykinaza fosfoenolopirogronianowa, która katalizuje reakcję przejścia szczawiooctanu w fosfoenolopirogronian.

Ad.2.

W reakcji istotna jest obecność enzymu- fruktozo-1,6-bisfosfatazy, dzięki któremu możliwe jest wytwarzanie glikogenu zarówno z pirogronianu , jak również z fosfotrioz. Enzym ten jest obecny w mięśniach szkieletowych, nerkach i wątrobie.

Ad.3.

Enzym występujący w tkance nerek i wątroby → fosfataza - glukozo-6-fosfataza pozwala na wytworzenie glukozy z glukozo-6-fosforanu. Dzięki temu, w tych tkankach glukoza uwalniana jest do krwi.

Ad.4.

Wytworzenie glikogenu z glukozo-1-fosforanu zachodzi z udziałem enzymu - syntazy glikogenowej. Produktem pośrednim tej reakcji jest urydynodifosfoglukoza.

Dzięki możliwości odwrócenia tych reakcji glikolizy istnieją alternatywne drogi glukoneogenezy. Glikogen wytworzony w procesie deaminacji lub transaminacji aminokwasów może zostać przetworzony następnie w glukozę. Podobnie, niektóre produkty metabolizmu tłuszczy mogą być zużywane w procesach glukoneogenezy.