Glikoliza

Glikoliza (szlak Embdena – Meyerhoffa – Parnasa = EMP)

• Przebiega w cytozolu

• Miejsca aktywne glikolitycznie skupione są w kompleksy mające postać małych organelli komórkowych – glikolizosomów

Podstawowym szlakiem spalania węglowodanów jest glikoliza.

Zachodzi w cytoplazmie komórki.

W szlaku tym 1 cząsteczka glukozy C₆H₁₂O₆ zostaje zamieniona na 2 cząsteczki kwasu pirogronowego -CH₃-CO-COOH.

Kwas pirogronowy (pirogronian) jest najważniejszym punktem węzłowym pozamitochondrialnego metabolizmu wewnątrzkomórkowego.

Pirogronian przenika do mitochondrium by tam ulec dalszym przemianom.

Sumaryczne równanie glikolizy:

glukoza

1 C₆H₁₂O₆ + 2 NAD + 2 ADP + 2 P =

= 2 CH₃-CO-COOH + 2 NADH₂ + 2 ATP + 2H⁺ + 2H₂O

kwas pirogronowy

Kolejne związki pośrednie na drodze od glukozy do pirogronianu w szlaku glikolizy

1. Glukozo-6-fosforan. Przyłączenie grupy fosforanowej do 6-go węgla glukozy wymaga zużycia 1 cząsteczki ATP. Obecność grupy fosforanowej sprawia, że cząsteczka, mając w sobie więcej energii, łatwiej wchodzi w następne reakcje.

2. Fruktozo-6-fosforan. Następuje przegrupowanie atomów wewnątrz cząsteczki. Enzym: izomeraza glukozofosforanowa. W tym miejscu, po fosforylacji, do szlaku wchodzi w normalnym tempie fruktoza.

3. Fruktozo-1,6-dwufosforan. Następuje przyłączenie kolejnej grupy fosforanowej kosztem następnej cząsteczki ATP. Enzym: fosfofruktokinaza.

4. Gliceraldehydo-3-fosforan (2x). następuje rozpad łańcucha 6-węglowego na dwa łańcuchy 3-węglowe. Wszystkie dalsze przemiany występują podwójnie w stosunku do wyjściowej cząsteczki glukozy.

5. 1,3-dwufosfoglicerynian (2x). następuje odłączenie dwóch atomów wodoru połączone z przyłączeniem kolejnej grupy fosforanowej. Przyłączenie grupy fosforanowej tym razem nie wymaga ATP.

6. 3-fosfoglicerynian (2x). odłączenie grupy fosforanowej sprzężone jest z odzyskiem ATP.

7. 2-fosfoglicerynian (2x). Następuje przeniesienie grupy fosforanowej z węgla trzeciego na drugi.

8. Fosfoenolopirogronian (2x). Następuje odłączenie cząsteczki wody. Odwodnienie 2-fosfoglicerynianu i powstanie fosfoenolopirogronianu – reakcja katalizowana przez enolazę (hydrataza).

9. Pirogronian (2x). Następuje odłączenie grupy fosforanowej sprzężone z syntezą cząsteczki ATP. Enzym: kinaza pirogronianowa.

Pirogronian to węzłowy związek chemiczny w metabolizmie wewnątrzkomórkowym.

Jest on końcowym etapem wstępnego spalania glukozy oraz większości aminokwasów.

Jest on tym związkiem, który swobodnie przenika z cytoplazmy do mitochondrium, by tam ulec dalszym przemianom. W mitochondrium ma on dwie możliwości przemian.

Ostatnia reakcja, czyli zamiana pirogronianu na mleczan zachodzi przede wszystkim w warunkach beztlenowych.

Spalenie wodoru z NADH₂ wymaga: przetransportowania go do mitochondrium i obecności tlenu.

Przy braku tlenu nadmiar gromadzącego się w cytoplazmie i mitochondrium NADH₂ przenosi wodór na gromadzący się również Pirogronian i powstaje mleczan w reakcji katalizowanej przez dehydrogenazę mleczanową.

W skutek tego komórka może pozyskać niedużą ilość energii z rozpadu glukozy do mleczanu, jednak komórka szybko się zakwasza. Jest to tzw. glikoliza beztlenowa.

Glikoliza regulowana jest na trzech etapach obejmujących reakcje nieodwracalne, tj. w miejscu działania:

• Heksokinazy

• Fosfofruktokinazy (PFK)

• Kinazy pirogronianowej

Reakcja katalizowana przez heksokinazę nie jest właściwa tylko dla glikolizy, jest to wspólny etap dla wszystkich dróg metabolizmu węglowodanów, w których glikoza jest substratem (szlak pentozofosforanowy, synteza glikogenu).

Regulacja tej reakcji polega na hamującym działaniu nadmiaru glukozo-6-fosforanu powstającego w wyniku rozpadu glikogenu.

Cykl pentozowy

Cykl pentozowy jest alternatywną do glikolizy drogą do rozłożenia spożytych węglowodanów.

Istotą cyklu pentozowego jest maksymalne wyekstrahowanie z cząsteczki glukozy wodoru w celu wykorzystania go do syntez wewnątrzkomórkowych – w szczególności do syntezy kwasów tłuszczowych i cholesterolu.

Sumaryczna reakcja spalania 1 cząsteczki glukozy może być zapisana następująco:

CH₆H₁₂O₆ + 12 NADP + 6 H₂O = 12 NADPH₂ + 6 CO₂

Podobnie jak glikoliza, cykl pentozowy zachodzi w całości w cytoplazmie komórki.

Cykl pentozowy jest ilościowo zdecydowanie dominującym źródłem NADPH₂ potrzebnego do syntez.

Intensywność tego szlaku zależy w dużej mierze od ilości zjadanych węglowodanów.

Bez wodoru powstałego w szlaku cyklu pentozowego, a przenoszonego przez NADP, nie zajdzie w organizmie synteza kwasów tłuszczowych ani cholesterolu.

W przebiegu szlaku pentozofosforanowego można wyróżnić dwie fazy:

• Faza oksydacyjna, podczas której powstaje NADPH

• Faza nieoksydacyjna, podczas której powstają pentozy oraz cukry o 3,4 i 7 atomach węgla

Przemiany w cyklu pentozowym rozpoczynają się od glukozo-6-fosforanu, który na drodze różnych reakcji przekształca się w pięciowęglowy cukier: rybulozo-6-fosforan, będący źródłem pentoz wchodzących w skład nukleotydów i kwasów nukleinowych.

Faza oksydacyjna

Podczas tej fazy glukozo-6-fosforan zostaje przekształcony w rybulozo-5-fosforan.

Jednocześnie dwie cząsteczki NADP+ zostają zredukowane do NADPH+H+.

Etapy fazy oksydacyjnej

1. Glukozo-6-fosforan (3x). (W skrócie: glukozo-6P). reakcja jak w glikolizie.

2. 6-fosfoglukonian (3x). następuje odłączenie 2 atomów wodoru od każdej cząsteczki i przeniesienie ich na NADP. Powstaje NADPH₂.

3. Rybulozo-5P (3x). po dwa kolejne wodory zostają przeniesione na NADP, odłączona zostaje też cząsteczka dwutlenku węgla CO₂. Rybuloza jest cukrem 5-węglowym, a więc należy do grupy pentoz. Powstaje NADPH_2.

Faza nieoksydacyjna

Podczas tej fazy rybulozo-5-fosforan zostaje przekształcony w rybozo-5-fosforan lub ulega wieloetapowym przekształceniom w metabolity glikolizy.

Etapy fazy nieoksydacyjnej

1. Ksylulozo-5P (2x), rybozo-5P (1x). Przegrupowania atomów wewnątrz cząsteczek. Rybozo-5P może być wykorzystywany do syntez nukleotydów, a następnie DNA.

2. Sedoheptulozo-7P (1x), gliceraldehudo-3P (1x). Przegrupowania atomów pomiędzy tymi cząsteczkami.

3. Ksylulozo-5P (1x), fruktozo-6P (1x), erytrozo-4P (1x). Dalsze przegrupowania atomów pomiędzy cząsteczkami.

4. Fruktozo-6P (2x), gliceraldehydo-3P (1x). Dalsze przegrupowania atomów między cząsteczkami.

Oba powstałe związki są produktami pośrednimi glikolizy.

Mogą więc ulec spaleniu włączając się do tego cyklu.

Mogą też zajść reakcje odwrotne do glikolizy, czyli może nastąpić odbudowanie glukozo-6P, co powoduje zamknięcie cyklu pentozowego.

Glukozo-6P może wtedy ponownie wejść w reakcje tego cyklu.

Reakcje tego etapu są odwracalne.

Jeśli zapotrzebowanie w komórce NADPH jest większe niż na rybozo-5-fosforan, zostaje on przekształcony we fruktozo-6-fosforan i aldehyd 3-fosfoglicerynowy, które są metabolitami glikolizy.

Jeśli zapotrzebowanie na rybozo-5-fosforan jest znacznie większe niż na NADPH, transketolaza i transaldolaza przekształcają fruktozo-6-fosforan i aldehyd 3-fosfoglicerynowy, pobrane z glikolizy, w rybozo-5-fosforan.

Funkcje cyklu pentozofosforanowego w metabolizmie

1. Rybulozo-5-fosforan jest zużywany do syntezy nukleotydów budujących RNA oraz jest prekursorem deoksyrybozy wchodzącej w skład nukleotydów budujących DNA.

2. NADPH służy jako reduktor w wielu reakcjach biosyntezy zachodzącej w cytozolu:

- udział w syntezie steroidów w komórkach nadnerczy, jąder i jajników

- udział w syntezie kwasów tłuszczowych w komórkach wątroby, tkance tłuszczowej i gruczołach mlecznych

3. W krwinkach czerwonych nieposiadających mitochondriów jest jedynym sposobem na wytworzenie siły redukcyjnej w postaci NADPH niezbędnej do redukowania glutationu i ochrony komórki przed stresem oksydacyjnym.

4. W komórkach roślinnych erytrozo-4-fosforan bierze udział w syntezie aminokwasów aromatycznych, lignin, związków fenolowych i flawonoidów.

5. W warunkach wysokiego zapotrzebowania na siłę redukcyjną (NADPH) i ATP zwiększa produkcję metabolitów glikolizy zwiększając wydajność tego procesu.

Glukoneogeneza

Przez glukoneogenezę rozumiemy wszystkie mechanizmy

i szlaki metaboliczne odpowiedzialne za przekształcanie związków nie węglowodanowych w glukozę lub glikogen.

Lokalizacja glukoneogenezy

Pełen zestaw enzymów niezbędnych do glukoneogenezy zawierają wątroba i nerki.

Enzymy zlokalizowane są w:

• Matriks mitochontrialnej (karboksylaza pirogronianowa)

• Cytozolu (karboksykinaza PEP i Fru-1,6-bisfosfataza)

• Na błonach reticulum endoplazmatycznego (Glc-6-fosfataza).

Resynteza glukozy następuje głównie w hepatocytach i w mniejszym stopniu w komórkach nerek (one właśnie zawierają pełen zestaw niezbędnych do tego enzymów), a głownym punktem wyjścia substratów do tego szlaku jest pirogronian.

Szybkość zachodzenia procesu jest zwiększana podczas wysiłku fizycznego i głodu.

W wyniku glukoneogenezy wydzielają się duże ilości energii.

W procesie glukoneogenezy uczestniczą wszystkie „mechanizmy” i szlaki odpowiedzialne za przekształcenie związków nie węglowodanowych w glukozę lub glikogen.

Głównymi substratami dla glukoneogenezy:

• Glikogenne aminokwasy

• Mleczan

• Glicerol

• Propionian (istotny u przeżuwaczy)

Glukoneogeneza zaspokaja zapotrzebowanie organizmu na glukozę wówczas, gdy węglowodany nie są dostępne w wystarczającej ilości z dostarczanych pokarmów.

Jakie reakcje obejmuje glukoneogeneza?

Glukoneogeneza obejmuje reakcje glikolizy, cyklu Krebsa oraz niektóre reakcje specjalne.

Przebieg glikolizy nie może zostać w prosty sposób odwrócony, dlatego w dodatkowych reakcjach omijane są jej bariery termodynamiczne.

Glikoliza i glukoneogeneza dzielą ten sam szlak. Muszą być wobec tego wzajemnie kontrolowane.

Regulacja glukoneogenezy

Istnieją 3 typy mechanizmów odpowiedzialnych za regulację aktywności enzymów uczestniczących w metabolizmie węglowodanów:

1. Zmiany szybkości syntezy enzymu

2. Kowalencyjna modyfikacja przez odwracalną fosforylację

3. Efekty allosteryczne

Regulacja glukoneogenezy zachodzi poprzez:

• Regulacja fosfofruktokinazy i fruktozo-1,6-bifosforanu

• Regulacja kinazy pirogronianowej, karboksylazy pirogronianowej i karboksykinazy fosfoenolopirogronianowej

Reakcje w procesie glukoneogenezy

Niecukrowcowe substraty przekształcane są najpierw w pirogronian lub wchodzą do szlaku na etapie późniejszych intermediatów, takich jak fosfodihydroksyaceton lub szczawiooctan, który w pirogronian jest przekształcany w reakcji karboksylacji zachodzącej w mitochondriach, kosztem jednej cząsteczki ATP.

Ostatnim krokiem glukoneogenezy jest z reguły wytworzenie glukozo-6-fosforanu z fruktozo-6-fosforanu.

Wolna glukoza nie jest tworzona od razu, gdyż wydyfundowałaby z komórki. Fosforyloglukoza jest hydrolizowana do glukozy przez enzym retikulum endoplazmatycznego.

Następnie glukoza jest wysyłana do cytozolu.

Glukoneogeneza nie może być traktowana jako proces odwrotny do glikolizy, gdyż 3 występujące w niej reakcje nieodwracalne są zastąpione przez inne.

Dzięki temu synteza i rozkład glukozy muszą podlegać oddzielnym systemom regulacji i nie mogą zachodzić jednocześnie w danej komórce.

Większość czynników wpływających na aktywność szlaku glukoneogenezy to substancje powodujące inhibicję wykorzystywanych w nim enzymów, jednak zarówno acetylo-CoA jak i cytrynian działają na nie aktywująco (pierwszy na karboksylazę pirogronianu, drugi na bisfosfatazę fruktozy).

Cykl Corich

Zjawisko syntetyzowania glukozy z mleczanów nosi nazwę cyklu Corich.

Znaczenie glukoneogenezy

• Zaspokajanie zapotrzebowania organizmu na glukozę przy niedostatecznej podaży węglowodanów w diecie.

Pomimo, że energetyczne potrzeby organizmu mogą być zaspokajane przez inne związki, dla niektórych przemian metabolicznych niezbędna jest glukoza (energia dla układu nerwowego, erytrocytów, mięśni pracujących w deficycie tlenowym, pokarm dla płodu, glicerol dla tkanki tłuszczowej, galaktoza dla syntezy mleka).

• Za pośrednictwem tego szlaku usuwane są z krążenia produkty metabolizmu innych tkanek (np. mleczan, glicerol).

W komórkach zachodzi również inny proces:

Glikogenoliza – jest to rozkład glikogenu do glukozo-6-fosforanu (gł. w mięśniach) lub glukozy (w wątrobie) powodujący uzupełnienie chwilowego niedoboru glukozy w różnych tkankach organizmu, m.in. we krwi.

Proces pobudzany jest przez adrenalinę i glukagon.