Biochemia ogólna i żywności

Wykład VI

Metabolizm, glikoliza, cykl kwasu cytrynowego.

Metabolizm:

• Wszystkie reakcje chemiczne, jakie odbywają się w żywych komórkach

• Uczestniczące w metabolizmie związki chemiczne, czyli substraty i produkty biochemicznych reakcji nazywamy metabolitami

• Metabolizm dzieli się na katabolizm i anabolizm

Anabolizm

• Ogół reakcji biosyntezy składników żywych komórek

• Są to reakcji, w wyniku których z mniejszych cząsteczek powstają większe cząsteczki

• Procesy, w których zużywana jest energia

• Jest procesem endoergicznym, zużywającym energię wytwarzaną przez katabolizm.

Katabolizm

• Ogół reakcji biodegradacji, w wyniku których większe cząsteczki są rozkładane na cząsteczki mniejsze

• Procesy tworzące energię

• Jest procesem egozergicznym, dostarczającym energii potrzebnej do funkcjonowania żywych organizmów

• Katabolizm natomiast obejmuje reakcje rozkładu złożonych związków organicznych na produkty proste, zawierające mniejszy zapas energii niż substraty.

Ogólny schemat katabolizmu

• Białka, polisacharydy, tłuszcze – reakcja hydrolizy

• Aminokwasy, monosacharydy, kwasy tłuszczowe i gliceryna – różnego typu reakcje

• Acetylo-CoA i inne substraty zasilające cykl Krebsa – reakcje cyklu Krebsa

• CO2, H2O NADH, FADH2 – fosforylacja oksydacyjna

Ścieżki metaboliczne

• W metabolizmie wyróżniamy ścieżki metaboliczne, czyli drogi przemian metabolitów

• Są to ciągi następujących po sobie reakcji, które prowadzą od określonych substratów do określonych produktów

Uwagi o ścieżkach metabolicznych

1. 1. Ruch na ścieżkach metabolicznych odbywa się tylko w jednym kierunku, Oznacza to, że gdy początkowym metabolitem jest X a końcowym Y to reakcje składające się na ścieżkę biegną od X do Y, a nigdy w kierunku odwrotnym. Gdy zachodzi potrzeba przekształcenia Y w X to służy do tego osobna ścieżka, która nie jest odwróceniem ścieżki od X do Y.

2. 2.Ruch na ścieżkach metabolicznych jest ściśle regulowany. Komórki mają w każdej chwili określone zapotrzebowanie na poszczególne metabolity. Zapotrzebowanie to musi być zaspokajane, ale jednocześnie w zdrowych komórkach nie może występować nagromadzenie metabolitów w nadmiernych ilościach. Dlatego potrzebne jest ścisłe kontrolowanie szybkości przepływu metabolitów Służy do tego regulowanie aktywności enzymów katalizujących reakcje leżące na początku ścieżki. Reakcja metabolizmu jest ważnym aspektem biochemii.

3. 3.Ścieżki metaboliczne mają określone lokalizacje w komórkach. Kontrolę ruchu na ścieżkach metabolicznych ułatwia ich lokalizacja w określonych miejscach komórki. Przykładu rożnego rozmieszczenia ścieżek metabolicznych dostarczają kwasy tłuszczowe, których synteza odbywa się w cytoplazmie, a degradacja w mitochondriach.

Glikoliza

• Metabolizm węglowodanów dotyczy przede wszystkim glukozy, która we wszystkich komórkach ssaków jest metabolizowana w procesie glikolizy do pirogronianu. Glikoliza jest to wyjątkowy szlak, ponieważ może on przebiegać zarówno w warunkach tlenowych (aerobowych) jak i beztlenowych (anaerobowych) oraz może dostarczać stosunkowo małych ilości ATP.

• Jednakże w procesie całkowitego utleniania glukozy w warunkach tlenowych, a więc utleniania także końcowego produktu glikolizy – pirogronianu, konieczny jest udział nie tylko tlenu, ale również niektórych zespołów enzymów mitochondrialnych, takich jak kompleks dehydrogenazy pirogronianowej, cykl kwasu cytrynowego oraz łańcuch oddechowy.

• Glikoliza jest nie tylko podstawową drogą metabolizmu glukozy prowadzącą do wytwarzania acetylo-CoA i utleniania w cyklu kwasy cytrynowego, lecz także stanowi główny szlak metabolizmu fruktozy i galaktozy pochodzenia pokarmowego. Zasadnicze znaczenie to, że glikoliza może dostarczać ATP w nieobecności tlenu, co pozwala mięśniom szkieletowym funkcjonować sprawnie przy niedostatecznych procesach aerobowych

Rola

• Jest to ciąg reakcji zachodzących w cytoplazmie prokariotów i eukariotów

• Rola glikolizy polega na dostarczeniu energii (bezpośrednio lub przez substraty dla cyklu kwasu cytrynowego i fosforylacji oksydacyjnej)

• Wytworzenie intermediatów, które są prekursorami w licznych szlakach biosyntetycznych.

Etapy glikolizy są następujące:

1. Glukoza przez fosforylację z udziałem heksokinazy w obecności ATP jest przekształcona w glukozo-6-fosforan oraz ADP

2. Glukozo-6-fosforan (aldoza) ulega izomeryzacji katalizowanej przez izomerazę glukozofosforanową w fruktozo-6-fosforan (ketoza)

3. Fruktozo-6-fosofran jest fosforylowany z udziałem fosfofruktokinazy w obecności ATP w fruktozo-1,6-bifosforan.

4. Fruktozo-1,6-bifosforan (6atomów węgla) jest rozszczepiony przez aldolazę na dwie cząstki: aldehyd 3-fosfoglicerynowy (3 atomy węgla) i fosfodihydroksyaceton (3 atomy węgla)

5. Fosfodihydroksyaceton może szybko zostać przekształcony w aldehyd 3-fosfoglicerynowy dzięki izomerazie triozofosforanowej.

6. Aldehyd 3 –fosfoglicerynowy jest dalej wykorzystywany w procesie glikolizy i jest on przekształcony do 1,3-bifosofoglicerynianiu. Reakcję katalizuje dehydrogenaza aldehydu 3-fosfoglicerynowego z użyciem nieorganicznego fosforany i NAD+

7. 1,3-bifosforglicerynian jest przekształcony do 3-fosfoglicerynianu. Reakcję katalizuje kinaza fosfoglicerynianowa tworząca ATP.

8. 3-fosfoglicerynian jest przekształcony w 2-fosfoglicerynian przez fosfogliceromutazę

9. Enolaza katalizuje odwodnienie 2-fosfoglicerynianu i powstanie fosfoenolopirogronianu (PEP)

10. Kinaza pirogronianowa katalizuje utworzenie pirogronianu i ATP.

Zysk 2 ATP

Losy pirogronianu powstałego w procesie glikolizy

• W warunkach tlenowych pirogronian zostaje przekształcony w acetylo-CoA (CH3-CO-S-CoA, aktywny octan), który wchodzi w cykl kwasy cytrynowego. Reakcję tę katalizuję dehydrogenaza pirogronianowa.

• W warunkach beztlenowych dehydrogenaza mleczanowa przekształca pirogronian w mleczan. Regenerowany w tej reakcji NAD+ pozwala na kontynuację glikolizy mimo braku tlenu. W momencie pojawienia się tlenu mleczan z powrotem przechodzi w pirogronian.

Cykl kwasu cytrynowego

• Kolejnym etapem tworzenia energii glukozy w warunkach tlenowych jest oksydacyjna dekarboksylacja pirogronianu do acetylo-CoA, który następnie zostaje utleniony do CO2, w szeregu reakcji cyklu kwasy cytrynowego, nazywanego również cyklem kwasów trikarboksylowych lub cyklem Krebsa(od nazwiska odkrywcy, w 1937 r.)

• Cykl ten stanowi główne źródło energii wykorzystywanej do syntezy ATP, a także powstają w nim prekursory dla wielu różnych szlaków biosyntez.

• Matriks mitochondrium jest miejscem, w którym przebiega cykl kwasu cytrynowego.

• Pomostem łączącym glikolizę z cyklem kwasu cytrynowego jest zachodząca także w matriks mitochondrium oksydacyjna dekarboksylacja pirogronianu.

• Reakcja ta jest katalizowana przez kompleks dehydrogenazy pirogronianowej.

Dalsze etapy cyklu Kwasy cytrynowego są następujące:

1. Wytwarzanie cytrynianu z 4-węglowego dwukarboksylowego szczawiooctanu i acetylo-CoA. Reakcja ta jest katalizowana jest przez syntazę cytrynianową

2. Cytrynian jest izomeryzowany do izocytrynianu przez akonitazę (hydrataza akonitowa)

3. Utlenianie izocytrynianu do alfa-ketoglutaranu katalizowane przez dehydrogenazę izocytrynianową. Reakcja ta wymaga NAD+

4. Utlenianie alfa-ketoglutaranu do bursztynylo-CoA katalizowana przez kompleks dehydrogenazy alfa-ketoglutaranowej. Reakcja ta wymaga NAD+ jako

5. Przekształcenie bursztynylo-CoA w bursztynian katalizowane przez syntetazę bursztynylo-CoA. Reakcja ta wymaga fosforany nieorganicznego i GDP (guazyno-5-difsforan) lub ADP (adenozyno-5-difosforan)

6. Utlenianie bursztynianu do fumaranu katalizowane przez dehydrogenazę bursztynianową. W reakcji tej uczestniczy FAD.

7. Uwodnienie fumaranu do jabłczanu katalizowane przez fumarazę.

8. Utlenianie jabłczanu do szczawiooctanu katalizowane przez dehydrogenazę jabłczanową. Reakcja ta wymaga NAD+.

Zysk: 12 cząsteczek ATP.

Glukoneogeneza

• Prcoes w którym zachodzi synteza glukozy z prekursorów niebędących cukrami, ma duże znaczenie do podtrzymania zawartości glukozy we krwi podczas głodowania lub intensywnego wysiłku fizycznego. Dla mózgu i erytrocytów glukoza z krwi jest prawie wyłącznym źródłem energii.

• Zachodzi głównie w wątrobie, a w mniejszym stopniu w nerkach.

• Większość enzymów w tym procesie znajduje się w cytozolu z wyjątkiem karboksylazy pirogronianowej (matriks), glukozo-6-fosfatazy (ER gładkim)

Cykl Corich

• W czasie intensywnego wysiłku pirogronian wytwarzany w mięśniach podczas glikolizy zostaje przekształcony w mleczan działaniem dehydrogenazy mleczanowej.

• Mlecza dyfunduje do krwi, skąd przenoszony jest do wątroby. Tm w procesie glukoneogenezy ulega przekształceniu w glukozę. Roznoszona przez krew glukoza dostaje się do mięśni (również do innych tkanek)