Węglowodany - metabolizm

• Glikoliza

• Szlak pentozofosforanowy

• Glukoneogeneza

• Metabolizm glikogenu

• Cukrzyca

Glikoliza - szlak kataboliczny, zachodzący w cytoplazmie.Bilans - glukoza rozkłada się na 2 cząst. pirogronianu, ponadto powstają 2 cząst. ATP i 2 cząst. NADH + H+

Podsumowanie glikolizy - 10 etapów

• 4 reakcje w których przenoszony jest fosforan - kinazy

• 3 reakcji izomeryzacji - 2 izomerazy i mutaza

• 1 reakcja redoks - dehydrogenaza przy udziale NAD + daje NADH + H+

Tylko 3 reakcjom 1,3,10 towarzyszą znaczne zmiany energii swobodnej (nieodwracalne). Wszystkie pozostałe są odwracalne. Są one wykorzystywane również w glukoneogenezie a ich kierunek jest odwrotny w stosunku do glikolizy, przy czym aktywne są te same enzymy. Etapy nieodwracalne glikolizy są omijane w glukoneogenezie.

Szlak pentozowy, alternatywny glikolizy szlakiem przemiany glukozy

• Przebiega w cytoplazmie i można w nim wyróżnić dwie części, które nie muszą następować po sobie,

• Pierwsza część to utlenianie glukozy (heksozy), które prowadzi do powstania pentoz

• Druga część obejmuje procesy transaldolacji i transketolacji,

• Cykl pentozowy niezwiązany jest bezpośrednio z potrzebami energetycznymi komórki.

Główny cel szlaku pentozowego to dostarczenie komórce koenzymu NADPH + H+

• Faza nieoksydacyjna (regeneracyjna), jej rola polega na dostosowaniu produkcji netto koenzymu NADPH + H+ i pentozo- fosforanów do aktualnego zapotrzebowania komórek.
  Zazwyczaj zapotrzebowanie na NADPH + H+ > pentozofosforanów.

Druga faza cyklu pentozowego

• Obejmuje procesy transaldolacji i transketolacji, które
  prowadzą do odtworzenia heksoz z pentoz.

• Reagują ze sobą 4 pentozy, z których 2 są aldozami i 2 są ketozami,
  transketolaza przenosi fragment -C2- z fosforybulozy na fosforybozę
  C5-rybuloza+C5-ryboza→C3-aldehyd 3-fosforowy + C7-septoheptuloza

• Transaldolaza przenosi fragment trzy węglowy -C3- z septoheptulozy na
  aldehyd 3-fosfoglicerynowy
  C7-ketoza + C3-aldoza → C4-aldoza (erytroza) + C6-ketoza

• Transketolaza przenosi C2 z ksylulozy (5C ketoza) na etrytrozę (aldoza)
  C4-aldoza + C5-ketoza →C6-ketoza +C3-aldoza

Bilas II fazy: wychodząc z 3 cząsteczek glukozy uzyskujemy wodory na NADPH oraz 3 pentozy z których mogą odtworzyć się 2 heksozy i trioza, z 6 glukoz → 5 heksoz

Bilans szlaku pentozowego

I faza powoduje skrócenie każdej heksozy o jeden atom węgla (- CO2) → rybulozo-5-
fosforan

• Jeśli do cyklu wejdzie 6 cz. glukozy, odtworzy się 5 cz. glukozy i uwolni się 6 cz. CO₂
  
  6 glukozo-6-fosforan + 12 NADP+ + 7 H2O → 5 glukozo-6-fosforan + 6CO₂+ 12 NADPH + 12 H++ Pi

• jedna spośród sześciu cząsteczek glukozo-6-fosforan daje:
  glukozo-6-fosforan + 12 NADP+ + 7 H2O→ 6CO₂+12 NADPH + 12 H+ + Pi

Glukoneogeneza

• Niektóre tkanki, jak mózg i erytrocyty, są stale uzależnione od dostawy glukozy,

• Jeśli dostarczona z pokarmem ilość węglowodanów jest niewystarczająca, odpowiednie stężenie cukru w krwi może być przez pewien czas utrzymywane przez rozkład glikogenu w wątrobie,

• Jeśli wyczerpane zostaną także te zapasy, to rozpoczyna się resynteza glukozy - glukoneogeneza (wątroba oprócz niej także kanaliki nerkowe mają dużą aktywność resyntezy glukozy)

Prekursory glukoneogenezy

1. Pochodzące z mięśni aminokwasy

2. Mleczan wytwarzany przez erytrocyty oraz, w przypadku niedostatku tlenu, przez mięśnie

3. Glicerol z rozkładu lipidów

Enzymy resyntezy glukozy

• Wiele reakcji glukoneogenezy katalizowanych jest przez te same enzymy, które są aktywne w procesie glikolizy,

• Pozostałe enzymy są swoiste dla tego procesy i dopiero wtedy, kiedy istnieje na nie zapotrzebowanie, są syntetyzowane pod wpływem kortyzolu i glukagonu,

• Glikoliza przebiega wyłącznie w cytoplazmie, w glukoneogenezie uczestniczą ponadto mitochondria i retikulum endoplazmatyczne,

• Glukoneogeneza zużywa na cząsteczkę glukozy 4 ATP
  (3 ATP + 1 GTP), tzn. 2 razy więcej niż wytwarzane jest w glikolizie.

Pierwszy etap glukoneogenezy zachodzi w mitochondrium

• Wytworzony z mleczanu lub aminokwsów pirogronian jest transportowany do macierzy mitochondrialnej gdzie ulega karboksylacji do szczawiooctanu,

• Szczawiooctan jest redukowany do jabłczanu, który przez systemy transportujące wew. błony mitochondrialnej może opuścić mitochondria,

• W cytoplazmie szczawiooctan jest ponownie wytwarzany i przekształcony do PEP

Metabolizm glikogenu

reszty glukozowe są połączone wiązaniem α1→6 z kolejną glukozą

mniej więcej co 10 reszta jest dodatkowo połączona wiązaniem α1→4

w ten sposób powstaje struktura choinkowa składająca się z 50 000 reszt

glikogen wątrobie nigdy nie zostaje całkowicie rozłożony

na ogół tylko nieredukujące końce „drzewka” ulegają skróceniu lub wydłużeniu

przez redukujący koniec cząsteczka połączona z białkiem - glikogenią

Organizm ludzki może zmagazynować do 450g glikogenu, z tego 1/3 w wątrobie, a niemal całą resztę w mięśniach.

Regulacja metabolizmu węglowodanów: metabolity, koenzymy,hormony (peptydowe: insulina, glukagon), kortyzol - glikokortykosteroid -adrenalina - amina katecholowa,

Glukagon jest wytwarzany przez komórki α wysp trzustkowych i jest antagonista insuliny

Metabolit, fruktozo-2,6-bisfosforan (Fru-2,6-P2 ) powstający w małych ilościach odgrywa

• Jeżeli enzym występuje w postaci nieufosforylowanej (10a), działa jako kinaza,
  i powoduje wytwarzanie fru-2,6-P2.

• Po ufosforylowaniu przez zależną od cAMP kinazę białkową A (PKA) działa jak
  fosfataza (10b) i katalizuje wówczas rozpad Fru-2,6-P2 do fruktozo-6-fosforanu.

Cukrzyca szeroko rozprzestrzeniona choroba metaboliczna, której przyczyną jest całkowity lub względny niedobór insuliny. Ten brak wpływa na metabolizm węglowodanów i lipidów.

Biosynteza insuliny przez komórki β wysp Langerhansa trzustki

• Biosynteza wszystkich białek rozpoczyna się na rybosomach w cytoplazmie.

• Białka następnie są wysyłane na zewnątrz komórki lub transportowane do lizosomów czy do RE, on tym gdzie są kierowane zależy od peptydu sygnałowego

• Peptyd sygnałowy preproinsuliny kieruje ją do RE, tam jest odcinany przez peptydazę sygnałową występującą w wew. błonie RE. Temu procesowi również towarzyszy powstawanie mostków disiarczkowych.

• Powstała proinsulina dociera do aparatu Golgiego gdzie jest upakowywana w pęcherzyki, tzw. ziarnistości β.

• Dalsza modyfikacja potranslacyjna zachodzi w aparacie Golgiego i polega na odszczepieniu peptyd C.

• Powstaje „dojrzała” insulina w postaci heksametru zawierająca cynk,

• Ziarnistości są miejscem magazynowana insuliny.

Skutki niedoboru insuliny

• Jest czynnikiem wspomagającym przetwarzanie glukozy i hamujący resyntezę glukozy.

• Ponadto transport glukozy z krwi do wielu tkanek jest zależny od insuliny (wyjątkami są wątroba, ośrodkowy układ nerwowy i erytrocyty)

• Insulina wspomaga przekształcanie glukozy w kwasy tłuszczowe

• Insulina hamuje rozkład tłuszczów przez lipazę wrażliwą na działanie hormonów

• Cukrzyca pociąga za sobą poważne konsekwencje. Długotrwałe zwiększenie glukozy we krwi prowadzi do miażdżycy oraz uszkodzeń nerek

Podsumowanie

• Glikoliza jest ciągiem reakcji przekształcających glukozę w pirogronian,

• W organizmach tlenowych jest ona wstępem do cyklu kwasu cytrynowego i łańcucha transportującego elektrony, gdzie pozyskiwana jest większość energii swobodnej, zawartej w glukozie,

• Szlak pentozowy wytwarza w cytozolu NADPH
  i rybozo-5-fosforan. NADPH jest zużywany w biosyntezach redukcyjnych, natomiast rybozo-5-fosforan jest konieczny do syntezy DNA, RNA i koenzymów nukleotydowych,

• Wzajemne oddziaływanie szlaków glikolitycznego i pentozowego umożliwia dostosowanie stężenia NADPH, ATP i związków budulcowych, takich jak rybozo-5-fosforan i pirogronianu, do stale zmieniających się potrzeb komórki.

---