WYKŁAD 6.
Glukoneogeneza
Mózg, rdzeń nerki, pracujący mięsień, a także krwinki czerwone wymagają stałego dopływu glukozy jako substratu energetycznego. W sytuacji, gdy stężenie glukozy we krwi maleje, następuje uruchomienie glikogenolizy (rozpad glikogenu), która dostarcza glukozy do krwi, a poprzez krew do innych tkanek. Glikogen wątrobowy może zaspokoić potrzeby energetyczne przez okres 10 do 18 godzin, Po tym okresie zasoby glikogenu w wątrobie zostają wyczerpane.
Wówczas zostaje uruchomiona synteza glukozy z substratów nie będących cukrami. Proces ten nosi nazwę glukoneogenezy.
Glukoneogeneza nie jest prostym odwróceniem glikolizy. Miejscem glukoneogenezy jest przede wszystkim wątroba, gdzie powstaje około 90% glukozy i w niewielkim stopnia nerka.
Mięśnie są wielkim „konsumentem", a nie „producentem" glukozy. Zachodzi w nich glikoliza, nie zachodzi glukoneogeneza.
Reakcje glukoneogenezy
Siedem spośród dziesięciu etapów glikolizy, to reakcje odwracalne. W procesie glukoneogenezy przebiegają one w kierunku odwrotnym niż w glikolizie, przy udziale tych samych enzymów. Nieodwracalnymi są natomiast wszystkie reakcje katalizowane w glikolizie przez kinazy Ich przebieg w glukoneogenezie jest katalizowany przez inne enzymy.
Przemiana pirogronianu w fosfoenolopirogronian zachodzi w dwóch etapach. Najpierw pirogronian jest karboksylowany przez karboksylazę pirogronianową do szczawtooctanu, a ten jest transportowany do cytosolu, gdzie jest dekarboksyłowany i fosforylowany przez karboksykinazę fosfoenolopirogronianową. Reakcja jest napędzana przez hydrolizę GTP. Produktem reakcji staje się fosfoenolopirogronian.
Transport szczawiooctanu do cytozolu
Szczawiooctan, powstały w mitochondrium, musi wniknąć do cytosolu, gdzie są zlokalizowane pozostałe enzymy glukoneogenezy. Jednakże wewnętrzna błona mitochondrialna jest nieprzepuszczalna dla szczawiooctanu.
Musi on być zredukowany do jabłczanu
Może wiązać resztą acetytową i przekształcać sią w cytrynian
Może wiązać grupą aminową i zamienić się w asparaginian.
Produkty tych przekształceń przenikają do cytosolu, gdzie rozpadają sią na powrót do szczawiooctanu.
Reakcje glukoneogenezy
Dalsza przemiana fosfoenolopirogronianu poprzez fosfotriozy aż do fruktozo-1,6-bisfosforanu zachodzi poprzez odwrócenie reakcji glikolizy, z wykorzystaniem enzymów glikolizy. Hydrolityczne odłączenie fosforanu z fruktozo-1,6-bisfosforanu, przy udziale fruktozo-1,6-bisfosfatazyr pozwala na ominięcie nieodwracalnego etapu glikolizy i prowadzi do powstania fruktozo-6-fosforanu
Hydroliza glukozo-6-fosforanu przez gIukozo-6-fosfatazę, omija nieodwracalny etap glikolizy. Pod działaniem tego enzymu powstaje wolna glukoza, która (w odróżnieniu od jej estrów fosforanowych) może opuszczać komórkę, przenikać do krwi i tą drogą docierać do odległych narządów.
Substraty zużywane w glukoneogenezie
Głównymi substratami są: pirogronian i szczawiooctan, a pośrednio wszystkie metabolity, które przekształcają się w jeden z nich. Są to:
glicerol - pochodzący z hydrolizy triacylogliceroli w tkance tłuszczowej
a-ketokwasy - powstające z przemian szkieletów węglowodorowych aminokwasów glikogennych.
mleczan - produkt glikolizy beztlenowej. Mleczan przenika do krwi, wędruje do wątroby i nerek, gdzie utlenia się do pirogronianu. Ten ostatni staje się substratem w procesie glukoneogenezy i przemienia się w glukozę, która przenika do krwi. Część glukozy wnika ponownie do mięśni i krwinek czerwonych, gdzie przekształca się na powrót do mleczanu. Ta międzynarządowa „kooperacja metaboliczna", polegająca na powtarzalnym przetwarzaniu glukozy w mleczan i mleczanu w glukozę nosi nazwę cyklu Cori lub cyklu kwasu mlekowego
Cykl alaninowy
Pomiędzy mięśniem a wątrobą funkcjonuje szlak metaboliczny zwany cyklem alaninowym. Pirogronian, powstający w mięśniu jako produkt glikolizy, nie redukuje się do mleczanu, lecz staje się akceptorem grupy aminowej - przekształca się w alaninę. Alanina przenika do krwi, wędrują do watroby, gdzie odłącza grupę aminową przechodząc ponownie w pirogronian. Ten ostatni drogą glukoneogenezy przekształca się na powrót w glukozę. która wraca do mięśni, dzie droga glikolizy przekształca się ponownie w pirogronian, a ten w alaninę.
Przenoszenie grup aminowych z aminokwasów na ketokwasy nosi nazwę transaminacji.
Cykl alaninowy uczestniczy równocześnie w metaboliźmie azotu aminokwasów. Przenosi grupy aminowe z mięsni do wątroby, gdzie są one wtwłączane do syntezy mocznika.
Regulacja glukoneogenezy
Przebieg glukoneogenezy jest regulowany przez efektory allosteryczne i przez hormony. Czynniki pobudzające chronią substraty lub pośrednie metabolity glukoneogenezy przed włączeniem ich do innych przemian, a czynniki hamujące wywierają efekt przeciwstawny. W stanie głodu organizm oszczędza glukozę, a głównym substratem energetycznym stają się kwasy tłuszczowe. Powstający w wyniku ich rozpadu acetyło~S-CoA jest efektorem allosterycznym ujemnym dehydrogenazy pirogronianowej — co zapobiega zużyciu pirogronianu drogą oksydacyjnej dekarboksylacji.
Karboksylaza pirogronianowa jest aktywowana allosterycznie przez acetylo~S-CoA. Podwyższony jego poziom jest sygnałem metabolicznym, wskazującym na potrzebę wzmożenia syntezy szczawiooctanu - podczas głodu nasila się glukoneogeneza.
Fruktozo-1,6-bis-fosfataza jest regulowana przez poziom energii w komórce. Wysoki poziom ATP zwiększa aktywność tego enzymu i pobudza glukoneogenezę. Enzym ten jest hamowany przez fruktozo-2,6-bis-fosforan, AMP i fruktozo-1,6-bis-fosforan (wspólny metabolit glikolizy i glukoneogenezy). Te inhibitory allosterycze hamują glukoneogenezę i kierują fruktozo-1,6-bis-fosforan do glikolizy.
Glukokortykoidy, adrenalina, glukagon pobudzają, a insulina hamuje glukoneogenezę.
Glukagon i adrenalina, których wydzielanie nasila się w stanie głodu, hamują aktywność kinazy pirogronianowej (enzym glikolizy), co zapobiega przemianie fosfoenolopirogronianu drogą glikolizy i kieruje ten metabolit do glukoneogenezy.
Glukagon zmniejsza zawartość fruktozo-2,6-bis-fosforanu w komórce. Wywiera ten efekt poprzez hamowanie fosfofruktokinazy-2 i aktywację fruktozo-2,6-bis-fosfatazy. Są to enzymy (a ściślej dwie domeny katalityczne tego samego białka enzymatycznego) zaangażowane w syntezę i rozpad fruktozo-2,6-bis-fosforanu - silnego aktywatora allosterycznego fosfofruktokinazy 1 ( kluczowego enzymu glikolizy) i inhibitora allosterycznego fruktozo-1,6-bis-fosfatazy (kluczowego enzymu lukoneogenezy)
Konsekwencją tych zjawisk jest zahamowanie glikolizy i pobudzenie glukoneogenezy.
Szlak pentozofosforanowy
Szlak pentozofosforanowy (zwany dawniej cyklem pentozowym) jest cytosolowym mechanizmem przetwarzania glukozy, nie związanym bezpośrednio z potrzebami energetycznymi komórki. Jego głównym celem jest dostarczenie komórce zredukowanej postaci fosforanu dinukleotydu nikotyno-amidoadeninowego (NADPH+H+) oraz rybozo-5-fosforanu, substratu do syntezy nukleotydów.
Przekształcanie cukrów może następować w różnych kierunkach. Szybkość i kierunek reakcji w danym czasie są określane przez dostępność substratu lub zapotrzebowanie na określone metabolity.
Szlak pentozofosforanowy składa się z dwu faz: oksydacyjnej i nieoksydacyjnej.
Faza oksydacyjna
W fazie oksydacyjnej produktami cyklu są: rybulozo-5-fosforan, C02 i dwie cząsteczki NADPH+H+. Oksydacyjna część szlaku pentozofosforanowego składa się z trzech reakcji, które prowadzą do przekształcenia glukozo-6-fosforanu w rybulozo-5-fosforan. Każda spośród sześciu cząsteczek glukozy włączonych do szlaku pentozofosforanowego w fazie oksydacyjnej ulega jednakowym przekształceniom.
2. Faza nieoksydacyjna
W odróżnieniu od fazy oksydacyjnej, kierunek przemian poszczególnych cząsteczek rybulozo-5-fosforanu w fazie nieoksydacyjnej jest zróżnicowany. W zależności od potrzeb metabolicznych komórki, rybulozo-5-fosforan zamienia się w rybozo-5-fosforan (potrzebny do syntezy nukleotydów), albo przekształca sie w metabolity pośrednie glikolizy lub glukoneogenezy.
Tak więc szlak pentozofosforanowy jest procesem zintegrowanym z glikoliza i glukoneogenezą.
Enzymy uczestniczące w fazie nieoksydacyjnej nie podlegają kontroli regulacyjnej. Przebieg reakcji Jest regulowany głównie przez dostępość substratów.
Bilans szlaku pentozofosforanowego
Bilans najłatwiej przedstawić na przykładzie 6 cząsteczek glukozy przekształcanych w tym cyklu. Jeżeli do cyklu wejdzie 6 cząsteczek glukozy, odtworzy się 5 cząsteczek glukozy i uwolni się 6 czasteczek CO2
Efekt sumaryczny jest taki, jakby jedna spośród 6 cząsteczek glukozy utleniała ale do CO2 i H20, a pozostałe ulegają odtworzeniu. Powstaje 12 cząsteczek zredukowanego fosforanu NAD.
6 Glukozo-6-fosforan + 12 NADP+ + 7 H2O -> 5 Glukozo-6-fosforan + 6 CO2 + 12 NADPH +12 H+ + Pi
Zredukowany NADPH potrzebny jest do:
Redukcyjnych syntez - NADPH jest źródłem elektyronów w reakcjach redukcji np. w przebiegu syntezy kwasów tłuszczowych
Redukcji nadtlenku wodoru - reaktywnych formtlenu
Reakcji hydroksylacji ksenobiotyków z udziałem cytochromu P-450
Procesów fagocytozy przez krwinki białe
Metabolizm fruktozy
Fruktoza stanowi od 14 do 30% ogólnej ilości cukrów spożywanych przez człowieka. Występuje w wielu owocach, warzywach i w miodzie. Głównym źródłem pokarmowym fruktozy jest disacharyd - sacharoza, który przy odziała sacharazy rozkłada się w jelicie cienkim na glukozę i fruktozę.
Przemiana fruktozy zachodzi przede wszystkim w wątrobie, a także w nerce i w ścianie jelita cienkiego. W odróżnianiu od glukozy, metabolizm fruktozy nie jest zależny od insuliny. Z tego powodu rola fruktozy w metabolizmie energetycznym rośnie w sytuacji, gdy przemiana glukozy jest upośledzona przez niedobór insuliny.
W niektórych narządach (soczewka, siatkówka, łożysko, pęcherzyki nasienne) fruktoza powstaje z glukozy. Ponieważ proces tan jest odwracalny, może być również traktowany, jako szlak przemiany fruktozy w glukozę.
Włączanie fruktozy do glikolizy
Pierwszy etap przemiany fruktozy polega na jej fosforylacji. Proces ten zachodzi pod działaniem heksokinazy, dawcą fosforanu jest ATP. Powstaje fruktozo-6-fosforan, który jest metabolitem glikolizy. Przy udziale fruktokinazy powstaje fruktozo-1-fosforan, który również włącza słą do glikolizy, gdzie degradowany jest przy udziale aldolazyB.
Zaburzania przemiany fruktozy mogą wynikać z jej nadmiernego spożycia lub z wrodzonych defektów enzymów uczestniczących w jej metabolizmie. Niedobór enzymów może objawiać się pod postacią zespołów klinicznych:
- samoistnej fruktozurii (niedobór fruktokinazy)
- wrodzonej nietolerancji fruktozy (niedobór aldolazy B).
Metabolizm galaktozy
Głównym źródłem galaktozy jest laktoza zawarta w mleku i jego przetworach. Trawienie laktozy zachodzi w jelicie cienkim. Pod działaniem laktazy (B-galaktozydazy) następuje hydrolityczny rozpad laktozy na glukozę i galaktozę. Produkty hydrolizy wchłaniają się do krwi i są transportowane do tkanek. Część galaktozy pochodzi z rozpadu glikoprotein i glikolipidów. Przemiana galaktozy nie jest regulowana przez insulinę.
Pierwszy etap przemiany galaktozy polega na jej fosforylacji, przy udziale galaktokinazy. Galaktozo-1-fosforan nie może być włączony do glikolizy. Musi najpierw przekształcić sle przy udziale UDP-glukozy w glukozo-6-fosforan.
Zaburzenia procesu przemiany galaktozy są przyczyną zespołu chorobowego, określanego nazwą galaktozemii.
Pochodne cukrów prostych
Cukry proste, głównie heksozy, podlegają w tkankach różnym modyfikacjom, w wyniku których powstają różne pochodne. Większość z nich wbudowuje się do produktów wielkocząsteczkowych - glikoprotein i glikozoaminoglikanów.
Glikozydy
Grupa -OH przy węglu anomerycznym jest bardzo reaktywna, łatwo wchodzi w reakcję z alkoholami lub ze związkami będącymi nośnikami grup aminowych wytwarzając glikozydy. Jeżeli grupa -OH przy węglu anomerycznym wytwarza wiązanie glikozydowe poprzez grupę hydroksylową, powstający produkt jest nazywany O-glikozydem. Jeżeli grupa -OH przy węglu anomerycznym wytwarza wiązanie glikozydowe poprzez azot grupy aminowej lub iminowej, produkt taki jest nazywany N-glikozydem.
Poprzez wiązania glikozydowe cukry mogą wytwarzać struktury polimeryczne: disacharydy, oligosacharydy i polisacharydy.