Glukoneogeneza, metabolizm glikogenu, szlak pentozo-fosforanowy

Glukoneogeneza

• Organizm ludzki dysponuje około jednodniowym zapasem glukozy. Dzienna konsumpcja glukozy wynosi ok.160±20g (75% zużywa mózg). W płynach ustrojowych jest ok. 20g gluko-zy, zapasy glikogenu mogą być zamie-nione na ok.180-200g glukozy.

• Jeśli glukoza nie jest dostarczana w wystarczającej ilości w diecie, to jej brak uzupełniany jest na drodze syntezy (glukoneogeneza) z niewęglowodano-wych prekursorów

• W mięśniach intensywny wysiłek prowadzi do przekształcenia pirogro-nianu powstającego w wyniku glikolizy do mleczanu (fermentacja mlekowa). Z mleczanu na drodze glukoneogenezy regenerowana jest glukoza

• Substratami w glukoneogenezie u zwierząt są: pirogronian, mleczan, większość aminokwasów, glicerol, intermediaty cyklu TCA.

• Nie są substratami u zwierząt kwasy tłuszczowe (dają tylko acetylo-CoA), leucyna i lizyna (w czasie ich degradacji również powstaje acetylo-CoA)

• Acetylo-CoA może być jednym z substratów glukoneogenezy u roślin (poprzez cykl glioksalowy)

• Glukoneogeneza u zwierząt zachodzi głównie w wątrobie (90%) i nerkach (10%)

• Glukoneogeneza nie jest prostym odwró-ceniem glikolizy ( ΔG^0'= - 74kJ/mol), była-by wtedy procesem endoergicznym. Glu-koneogeneza jest jednak również egzoergiczna ( ΔG^0'= - 37.7 kJ/mol), dzięki kilku odmiennym od szlaku glikoli-tycznego reakcjom.

• Na 10 reakcji glikolizy, 7 jest wspólnych z glukoneogenezą. Trzy kluczowe (regulu-jące glikolizę) reakcje przebiegają z udziałem innych enzymów. Alternatyw-nymi reakcjami zastąpione są glikolityczne reakcje heksokinazy, fosfofruktokinazy i kinazy pirogronia-nowej

• Pozwala to na niezależną (od glikolizy) regulację szlaku glukoneogenezy

• Alternatywne reakcje to: (1) konwersja pirogronianu do szczawiooctanu przez karboksylazę pirogronianową i szczawio-octanu do fosfoenolopirogronianu przez karboksykinazę fosfoenolopirogroniano-wą (ΔG^0' jest bliska 0), (2) konwersja fruktozo-1,6-bisfosforanu do fruktozo-6-fosforanu przez fruktozo-1,6-bisfosfatazę, (3) hydroliza glukozo-6-fosforanu do glukozy przez glukozo-6-fosfatazę

• Konwersja fruktozo-1,6-bisfosforanu do glukozy katalizowana przez wyżej wymienione fosfatazy jest silnie egzoergiczna (ΔG^0'=-30.5 kJ/mol) i napędza cały proces glukoneogenezy

Karboksylaza pirogronianowa zależna od biotyny

• Katalizuje przekształcenie pirogronianu do szczawiooctanu

• W reakcji substratem oprócz pirogro-nianu są kwaśny węglan i ATP, koenzymem jest biotyna, allosterycznym aktywatorem jest acetylo-CoA

• Karboksylaza jest tetramerem (500 kD). Każdy monomer ma biotynę kowa-lencyjnie związaną z lizyną centrum aktywnego

• Pierwszy etap reakcji - nukleofilowy atak tlenu z kwaśnego węglanu na γ-fosfor ATP. Powstaje karbonylofosforan i ADP

• W drugim etapie karbonylofosforan reaguje intensywnie z biotyną tworząc N-karboksybiotynę, uwalnia się fosforan

• Trzeci etap reakcji - usunięcie protonu z kwasu pirogronowego daje karboanion reagujący z N-karboksybiotyną, co prowadzi do powstania szczawiooctanu

• Do karboksylacji biotyny konieczne jest wiązanie acetylo-CoA (lub jego pochodnych) w miejscu allosterycznym. Regulacja acetylo-koenzymem A ma znaczenie fizjologiczne. Acetylo-CoA jest głównym substratem cyklu TCA, szczawiooctan jest ważnym związkiem pośrednim tego cyklu jak i gluko-neogenezy. Przy niskim stanie energetycznym komórki (mało acetylo-CoA i ATP) pirogronian jest kierowany do cyklu TCA, co pośrednio prowadzi do syntezy ATP. Przy wysokim poziomie ATP i acetylo-CoA pirogronian jest przekształcany w szczawiooctan, zużywany następnie w glukoneogenezie.

• Karboksylaza pirogronianowa zlokalizo-wana jest w macierzy mitochondrialnej. Następny enzym na szlaku glukoneo-genezy - karboksykinaza fosfoenolo-pirogronianowa może występować w cytosolu, macierzy mitochondrialnej lub w obu miejscach równocześnie (jak np. w ludzkiej wątrobie). Jeśli enzym występuje w cytoplazmie, to aby przetranspor-tować jego substrat (szczawiooctan) z macierzy mitochondrialnej (błona mitochondrialna jest nieprzepuszczalna dla szczawiooctanu) trzeba go przekształcić w jabłczan, który po przejściu przez mitochondrialną błonę do cytosolu przekształcany jest ponownie w szczawiooctan.

Karboksykinaza fosfoenolopirogronianowa

• Dekarboksyluje i fosforyluje szczawio-octan do fosfoenolopirogronianu (ΔG^0' w wątrobie jest równe -22.6 kJ/mol). Reszta fosforanowa pochodzi z GTP, który regenerowany jest z zużyciem ATP w reakcji z kinazą nukleozydodifosfo-ranową (GDP+ATP⇔ADP+GTP)

Fruktozo-1,6-bisfosfataza hydrolizuje fruk-tozo-1,6-bisfosforan do fruktozo-6-fosforanu (ΔG^0'= -16.7 kJ/mol)

• Allosteryczna stymulacja cytrynianem

• Allosteryczna inhibicja przez fruktozo-2,6-bisfosforan i AMP

Glukozo-6-fosfataza przekształca glukozo-6-fosforan w glukozę

• Enzym zlokalizowany jest w błonach retikulum endoplazmatycznego komórek wątroby i nerek. Nie ma go w mięśniach i mózgu (nie zachodzi tam glukoneo-geneza)

• Hydroliza zachodzi w czasie transportu glukozo-6-fosforanu z cytosolu do retikulum endoplazmatycznego. Powstała glukoza wędruje w pęche-rzykach pochodzących z retikulum, po fuzji pęcherzyków z błoną komórkową dostaje się do krwi

• Pośrednim związkiem jest fosfohisty-dyna z centrum aktywnego

• ΔG^0'= - 5.1 kJ/mol

Glukoneogeneza napędzana jest przez hydrolizę ATP i GTP

2 pirogroniany +4ATP + 2GTP +2 NADH + 2H⁺ + 6H₂O →

→glukoza + 4ADP + 2GDP + 6P_i + 2NAD⁺

ΔG^0' = -37.7 kJ/mol

Gdyby glukoneogeneza była prostym odwróceniem glikolizy:

2 pirogroniany + 2ATP + 2NADH + 2H⁺ + 2H₂O →

→glukoza + 2ADP +2P_i + 2NAD⁺

ΔG^0' =+74kJ/mol

Mleczan tworzony w mięśniach jest przetwarzany w wątrobie w glukozę (cykl Corich)

• Intensywny wysiłek może prowadzić do niedostatku tlenu w komórkach przy zwiększonym zapotrzebowaniu na energię, wypełnianym intensyfikacją glikolizy

• Intensywna glikoliza produkuje dużą ilość NADH, który w związku z niedostatkiem tlenu nie może być regenerowany w łańcuchu oddechowym. Regeneracja odbywa się poprzez redukcję pirogronianu do mleczanu

• Wyprodukowany w mięśniach mleczan transportowany jest z prądem krwi do wątroby. Ulega tam utlenieniu przez dehydrogenazę mleczanową do pirogronianu. Ten w glukoneogenezie ulega konwersji do glukozy

Regulacja glukoneogenezy

• Wszystkie reakcje glikolizy i większość reakcji glukoneogenezy zachodzi w tym samym przedziale komórkowym - cytosolu. Musi więc istnieć system wzajemnej regulacji hamujący jeden proces przy intensyfikacji drugiego

• Wzajemna regulacja zależy od stanu energetycznego komórki. Przy niskim stanie energetycznym intensyfikowana jest glikoliza. Przy dużych zapasach energii pirogronian i inne metabolity używane są do syntezy glukozy

• W glikolizie trzy kluczowe enzymy regulują silnie egzoergiczne reakcje. Są to: heksokinaza, fosfofruktokinaza i kinaza pirogronianowa

• W glukoneogenezie regulacja odbywa się na tych samych (ale biegnących w odwrotnym kierunku) etapach katalizowanych odpowiednio przez: glukozo-6-fosfatazę, fruktozo-1,6-bisfos-fatazę i parę karboksylaza pirogro-nianowa - karboksykinaza fosfoenolo-pirogronianowa

• Fruktozo-2,6-bisfosforan jest stymulato-rem fosfofruktokinazy i inhibitorem fruktozo-1,6- bisfosfatazy. AMP syner-gistycznie wzmacnia efekt inhibicji. Poziom fruktozo-2,6-bisfosforanu w komórce regulowany jest przez fosfofruktokinazę-2 (PFK-2) i przez fruktozo-2,6-bisfosfatazę (F-2,6-BPaza). Obie aktywności enzymatyczne zlokalizowane są w jednej cząsteczce białkowej (przykład dwufunkcyjnego enzymu)

• Fruktozo-6-fosforan allosterycznie akty-wuje PFK-2 i inhibuje F-2,6-BPase

• Fosforylacja jednej z seryn tandemowego enzymu przez zależną od cAMP kinazę inhibuje aktywność PFK-2 (zwiększenie K_m dla F6P) i aktywuje F-2,6-BPazę

Rozkład glikogenu i skrobi

• Organizm ludzki metabolizuje dziennie ok. 160g węglowodanów, głównie w postaci skrobi lub glikogenu

• Jeśli zbyt mało węglowodanów dostar-czane jest w diecie to uruchamiane są rezerwy glikogenu z wątroby i mięśni

• Hydroliza glikogenu i skrobi prowadzona jest przez obecną w ślinie i soku trzustkowym α-amylazę (u roślin wystę-puje β-amylaza) - endoglikozydazę hydrolizującą α-(1→4) wiązania w amylopektynie i glikogenie. Enzym nie hydrolizuje wiązań glikozydowych między monosacharydami znajdującymi się w pozycji cztery lub mniej reszt od miejsc rozgałęzienia w amylopektynie czy glikogenie

• Silnie rozgałęzione oligosacharydy powstające w wyniku działania α-amylazy noszą nazwę α-dekstryn. Są one degradowane przez enzym usuwający rozgałęzienia w wyniku dwóch reakcji: (1) usuwania trisacharydowych reszt (aktywność oligo(α1,4→1,4)glukotransfe-razowa)

(2) usuwania ostatniej reszty glukozowej rozgałęzienia (aktywność α-(1→6)gluko-zydazowa)

• Powstałe w wyniku działania enzymu usuwającego rozgałęzienia liniowe łańcuchy degradowane są przez α-amy-lazę

• Roślinna β-amylaza jest egzoglikozydazą hydrolizującą wiązania α-(1→4) w nierozgałęzionych fragmentach skrobi

Metabolizm glikogenu tkankowego

• W przeciwieństwie do hydrolizy glikogenu z diety, rozkład glikogenu tkankowego podlega ścisłej kontroli

• Zapasy glikogenu w komórkach wątroby i mięśni przechowywane są w cytosolu w postaci ziarnistości o masie od 6x10⁶ do 1600x10⁶ Da. Ziarnistości te zawierają enzymy syntezy i rozkładu glikogenu

Fosforylaza glikogenowa - zasadniczy enzym kataboliczny dla glikogenu. Reakcja fosforylazy polega na fosforolizie przy nieredukującym końcu łańcucha glikoge-nowego. ΔG^0' reakcji wynosi + 3.1 kJ/mol, ale przy stosunku [P_i] do [glukozo-1-P] bliskim 100, reakcja jest silnie przesunięta w kierunku rozkładu glikogenu i ΔG in vivo wynosi - 6 kJ/mol

• Fosforoliza jest korzystna energetycznie, gdyby rozkład glikogenu przebiegał hydrolitycznie to przed włączeniem w glikolizę konieczna byłaby (wiążąca się z zużyciem ATP) fosforylacja powstającej glukozy

• Fosforoliza rozcina wiązanie między C1 usuwanej reszty glukozy a tlenem wiązania glikozydowego, dając glukozo-1-fosforan i krótszy o jedną jednostkę glukozową łańcuch glikogenu

• Glukozo-1-fosforan jest konwertowany przez fosfoglukomutazę do glukozo-6-fosforanu, który w mięśniach wchodzi bezpośrednio w szlak glikolityczny

• W wątrobie glukozo-6-fosforan hydroli-zowany jest do glukozy, która eksportowana jest z prądem krwi do innych tkanek

• Fosforylaza glikogenowa jest dimerem zbudowanym z dwóch identycznych podjednostek (97.44 kD). Z każdą podjednostką związany jest fosforan pirydoksalu (jako zasada Schiffa przez lizynę 680). Każda podjednostka zawiera centrum aktywne (w środku podjednost-ki) i allosteryczne miejsce efektorowe niedaleko miejsca kontaktu między podjednostkami. Seryna 14 w każdej podjednostce może ulegać fosforylacji. W każdej podjednostce jest też miejsce wiązania substratu (glikogenu). Kontakt między podjednostkami zapewniają helisy tworzące równoległe „wieże” (reszty 262- 278)

• Mechanizm działania fosforylazy: ortofosforan przekazuje proton na atom tlenu związany z C4 glukozy odchodzącego z reakcji łańcucha glikogenu, pobierajac równocześnie proton z PLP. Powstały po rozerwaniu wiązania glikozydowego karbokation monomeru glukozy tworzy z ortofosforanem glukozo-1-fosforan oddając proton na PLP

• Wiązanie jednego z substratów (P_i) przez fosforylazę ma charakter silnie kooperatywny, co pozwala na zwiększa-nie aktywności enzymatycznej w wąskim zakresie stężeń substratu. P_i jest pozytywnym homotropowym efektorem

• ATP i glukozo-6-P (mogą być uważane za końcowe produkty przemiany glikogenu) są zwrotnymi inhibitorami fosforylazy. Zmniejszają powinowactwo enzymu do P_i (negatywne efektory heterotropowe)

• AMP stymuluje fosforylazę glikogenową (pozytywny efektor heterotropowy)

• Allosterycznym inhibitorem fosforylazy jest kofeina

• W wyniku allosterycznych modyfikacji powstają dwie formy enzymu : aktywna (R) i nieaktywna (T). W formie nieaktywnej zmiana konformacji powoduje, że do centrum aktywnego wystaje ujemnie naładowana reszta Asp 283, odpychając również ujemnie naładowany substrat - P_i. W wyniku allosterycznej konwersji do aktywnej formy R Asp283 zastąpiona jest przez dodatnio naładowaną, przyciagającą P_i resztę Arg 569.

• Allosteryczna kontrola enzymu ma znaczenie przy normalnym przebiegu procesów metabolicznych. W sytuacjach kryzysowych kontrola allosteryczna jest niewystarczająca. Regulację enzymu prowadzi wtedy kowalencyjna modyfikacja (fosforylacja Ser14). Następuje przekształcenie mniej aktywnej allosterycznie regulowanej formy b w niepoddającą się allosterycznej kontroli, bardziej aktywną formę a

• W wyniku fosforylacji Ser14 N-końcowa część podjednostki (reszty 10-22) znajdująca się wewnątrz struktury enzymu przesuwa się na powierzchnie podjednostek uściślając ich interakcję

• Defosforylacja enzymu prowadzona jest przez fosfobiałkową fosfatazę 1

• Fosforylacja aktywująca fosforylazę glikogenową ma charakter kaskadowy

• Kaskada rozpoczyna się hormonalną stymulacją cyklazy adenylowej, błonowe-go enzymu przekształcającego ATP w cykliczny 3'.5'-AMP. Wiązanie hormonu do błonowego receptora powoduje jego konformacyjną zmianę stymulującą białko G (białko wiążące GTP). Białka G są heterotrimerami (podjednostki α,β,γ). Podjednostka α wiąże GTP lub GDP i ma aktywność GTP-azową. W stanie nieaktywnym kompleks G_αβγ ma GDP w miejscu wiążącym nukleotyd. Stymulacja kompleksem hormon-receptor powoduje dysocjację GDP i wiązanie GTP do podjednostki α. Podjednostka ta dysocjuje z kompleksu i wiąże się z cyklazą adenylową powodując jej aktywację i syntezę cAMP. GTP-azowa aktywność G_α powoduje hydrolizę GTP do GDP, co w efekcie prowadzi do dysocjacji G_α(GDP) od cyklazy i reasocjację z G_βγ w nieaktywny kompleks G_αβγ

• cAMP jest aktywatorem cAMP-zależnej kinazy białkowej. Enzym ten jest zasadniczo nieaktywny, ponieważ jego dwie katalityczne podjednostki C są silnie zasocjowane z podjednostkami regulatorowymi R. Wiązanie cAMP do jednostek regulatorowych powoduje ich zmianę konformacyjną prowadzącą do dysocjacji C monomerów od R dimeru. Wolne podjednostki C są zdolne do fosforylacji fosforylazy glikogenowej

Synteza glikogenu

• Szlak syntezy nie jest odwróceniem reakcji katabolicznej (mimo jej dodatniej zmiany ΔG^0' ) ze względu na wysoki poziom [P_i] w organizmie

• Pierwszym etapem jest aktywacja jednostek glukozowych:

glukozo-1-P + UTP → UDP-glukoza + PP_i

Reakcja katalizowana jest przez piro-fosforylazę UDP-glukozy i napędzana przez natychmiastową hydrolizę pirofosforanu:

pirofosforan (PP_i) + H₂O → 2P_i

Sumarycznie:

glukozo-1-P + UTP + H₂O → UDP-glukoza + 2P_i

• U roślin do syntezy skrobi używana jest ADP-glukoza

• Łańcuch glikogenu budowany jest wokół małego rdzenia białkowego (glikogeniny) wiążącego się z pierwszą resztą glukozy wiązaniem acetalowym przez grupę OH tyrozyny

• Proces polimeryzacji prowadzi syntaza glikogenowa. Reakcja polega na transfe-rze reszty glukozowej z UDP-glukozy na hydroksylową grupę węgla C4 niere-dukującego końca łańcucha glikogenu. Wcześniej następuje rozerwanie wiązania C-O między resztą glukozy a β-fosfo-ranem UDP-glukozy, powstaje oksoniowy związek pośredni reagujący z hydro-ksylem na C4 końcowej reszty gluko-zowej glikogenu. ΔG^o' tej reakcji wynosi

-13.3 kJ/mol

• Rozgałęzienia łańcucha glikogenowego następują co 8-12 reszt. Reakcję prowadzi amylo-(1,4→1,6)transglukozy-daza. Przenosi ona 6 - 7 reszt z nieredukującego liniowego, liczącego przynajmniej 11 reszt końca łańcucha glikogenu na grupę hydroksylową C6 reszty glukozowej tego samego lub innego łańcucha

• Bakteryjny glikogen syntetyzowany jest według mechanizmu identycznego ze zwierzęcym. Różnica polega na aktywacji glukozy przez ATP

Kontrola metabolizmu glikogenu

• Synteza i degradacja glikogenu są ściśle regulowane, tak aby utrzymać stałe stężenie glukozy we krwi (5 mM). Aktywacja fosforylazy glikogenowej jest związana z inhibicją syntazy glikogeno-wej i odwrotnie. Regulacja odbywa się na poziomie modyfikacji allosterycznych i kowalencyjnych

• Syntaza glikogenowa występuje w dwóch formach: aktywnej defosforylo-wanej syntazy I (niezależnej od glukozo-6-P) i mniej aktywnej, fosforylowanej syntazy D (zależnej od glukozo-6-P). W proces zaangażowane jest 9 reszt serynowych, ich kolejna fosforylacja stopniowo zmniejsza aktywność enzymu

• Defosforylacja syntazy prowadzona jest przez fosfobiałkową fosfatazę 1 (działa-jącą również na fosforylazę glikogeno-wą)

Hormonalna regulacja syntezy i degradacji glikogenu

• Głównym hormonem odpowiedzialnym za konwersję glukozy do glikogenu jest insulina (wydzielana przez trzustkowe wysepki Langerhansa). Wzrost stężenia glukozy we krwi powoduje sekrecję insuliny, która stymuluje syntezę glikogenu a hamuje jego rozkład

• Insulina obniża poziom glukozy we krwi także przez stymulację aktywnego transportu glukozy i aminokwasów przez błony plazmatyczne komórek mięśniowych i tłuszczowych, aktywację enzymów glikolitycznych (glukokinazy, fosfofruktokinazy i kinazy pirogronia-nowej), inhibicję enzymów glukoneo-genezy

• Katabolizm glikogenu aktywowany jest przez epinefrynę i glukagon

• Obniżony poziom glukozy we krwi aktywuje sekrecję glukagonu z trzustkowych wysepek Langerhansa. Glukagon działa tylko w wątrobie i tkance tłuszczowej

• Sygnały z centralnego układu nerwowego powodują wydzielanie z nadnerczy epinefryny (adrenaliny) działającej na mięśnie i wątrobę

• Glukagon i epinefryna wiążą się ze swoimi receptorami i inicjują kaskadę aktywacji fosforylazy i inhibicji syntazy glikogenowej

• Epinefryna jest wydzielana w stanie stresu (np. gniewu lub strachu), przygotowuje organizm do intensywnej mobilizacji dużej ilości energii (2000 x zwiększona glikoliza) w mięśniach i całym organizmie (poprzez zwiększanie metabolizmu wątroby)

• Glukagon zaangażowany jest w długoterminową akcję zwiększania poziomu glukozy we krwi poprzez stymulację katabolizmu glikogenu wątrobowego i aktywację glukoneo-genezy

• Glukokortykoidy (kortyzol) promują rozkład białek i zmniejszają ich biosyntezę w mięśniach. W wątrobie stymulują glukoneogenezę (z konwersji aminokwasów) i syntezę glikogenu. W wątrobie pod ich wpływem następuje też zwiększona ekspresja enzymów gluko-neogenezy, metabolizmu aminokwasów, stymulacja cyklu mocznikowego

Biosynteza skrobi

• Skrobia syntetyzowana jest w chloro-plastach (w tkankach fotosyntetyzują-cych) lub w amyloplastach (w nasionach, korzeniach i bulwach)

• Pierwszym etapem jest aktywacja glukozy poprzez kondensację glukozo-1-fosforanu z ATP z udziałem pirofosforylazy ADP-glukozowej

• W następnym etapie syntaza skrobiowa przenosi glukozę z ADP-glukozy na nieredukujący koniec łańcucha skrobi działający jako matryca

• Rozgałęziania łańcucha dokonuje (podobnie jak w biosyntezie glikogenu) enzym rozgałęziajacy

Biosynteza sacharozy

• Fosfotriozy powstające u roślin w czasie wiązania CO₂ przekształcane sa w skrobię lub sacharozę

• Sacharoza jest u roślin transportową formą węgla ze względu na odporność jej wiązania glikozydowego na działanie amylaz i innych glikozydaz oraz brak anomerycznego węgla mogącego reagować z aminokwasami lub białkami

• Sacharoza syntetyzowana jest w cytosolu z eksportowanego z chloroplastów fosfodihydroksyacetonu i aldehydu 3-fosfoglicerynowego. Aldolaza katalizuje ich kondensację do fruktozo-1,6-bisfosforanu, który po przekształceniu w fruktozo-6-fosforan kondensuje z UDP-glukozą do sacharozo-6-fosforanu. Usunięcie reszty fosforanowej prowadzi do powstania sacharozy

Biosynteza laktozy

• Rozpoczęcie laktacji po porodzie powoduje, że α-laktoalbumina wiążąc się z galaktozylotransferazą (biorącą normalnie udział w biosyntezie części cukrowej glikoprotein) przekształca enzym w syntazę laktozową

• Syntaza laktozowa przekazuje reszty galaktozowe z UDP-galaktozy na glukozę co prowadzi do powstania laktozy

Biosynteza peptydoglikanu ścian bakteryjnych

• Peptydoglikan jest liniowym kopolimerem N-acetyloglukozoaminy (GlcNAc) i kwasu N-acetylomurami-nowego (Mur2Ac) powiązanych glikozydowymi wiązaniami β1→4. Łańcuchy peptydoglikanu usieciowane są krótkimi peptydami połączonymi z Mur2Ac

• GlcNAc 1-fosforan po kondensacji z UTP daje UDP-GlcNAc

• UDP-GlcNAc reaguje z PEP dając UDP-Mur2Ac

• Do UDP-Mur2Ac dodawane są reszty L-Ala, D-Glu, L-Lys i D-Ala-D-Ala

• Powstały Mur2Ac-pentapeptyd przeno-szony jest z UDP na dolicholofosforan

• Na powstały związek przekazywana jest z UDP-GlcNAc reszta N-acetyloglukozo-aminy

• W kolejnym etapie z grupą aminową L-Lys wiąże się pięć reszt L-glicyny

• Powstały disacharydo-dekapeptyd dodawany jest do nieredukującego końca matrycy peptydoglikanowej

• Biosyntezę kończy reakcja transpep-tydacji, w której reszta glicyny jednego peptydu zamienia końcową D-Ala drugiego peptydu tworząc mostek peptydowy

• Antybiotyki z grupy penicylin są inhibitorami reakcji transpeptydacji przez co hamują biosyntezę ścian komórkowych bakterii. Penicyliny zawierają pierścień β-laktamowy reagujący z seryną centrum aktywnego transpeptydazy. W rezultacie tej reakcji powstaje nieaktywny kompleks enzym - inhibitor

• Niektóre bakterie są odporne na działanie penicyliny poprzez wytwarzanie β-laktamazy, enzymu rozrywającego pierścień β-laktamowy. Prowadzi to do inaktywacji antybiotyku

Szlak pentozo-fosforanowy

• Komórki wymagają ciagłej dostawy NADPH dla redukcyjnych reakcji koniecznych w szeregu szlaków anabolicznych

• NADPH produkowany jest w szlaku pentozo-fosforanowym (szlaku fosfo-glukonianowym)

• Szlak ten produkuje również rybozo-5-fosforan, konieczny do syntezy kwasów nukleinowych, a także szereg metabolitów włączanych w szlak glikolityczny

• Szlak rozpoczyna się od glukozo-6-fosforanu, produkowane są w nim trzy-, cztery-, pięcio-, sześcio- i siedmio-węglowe cukry. Dwa sukcesywne utlenienia produkują NADPH i CO₂. Następne pięć nieutleniających etapów produkuje szereg cukrów, z których niektóre mogą wchodzić do glikolizy

• Enzymy cyklu występują w cytosolu ko-mórek wątroby i tkanki tłuszczowej, nie ma ich w mięśniach, gdzie glukozo-6-P używany jest głównie w glikolizie. W cytosolu wątroby i komórek tkanki tłuszczowej znajdują się również enzymy syntezy kwasów tłuszczowych, szlaku metabolicznego zależnego od dostaw NADPH

Utleniające etapy szlaku pentozo-fosforanowego

• (1) Dehydrogenaza glukozo-6-fosforano-wa utlenia glukozo-6-P do 6-fosfogluko-nolaktonu. Reakcja wymaga NADP⁺ jako koenzymu, jest nieodwracalna i silnie inhibowana przez produkt --NADPH i estry kwasów tłuszczowych z CoA (intermediaty biosyntezy kwasów tłuszczowych)

• (2) Glukonolaktonaza - przyspiesza hydrolizę niestabilnego 6-fosfoglukono-laktonu do liniowego 6-fosfoglukonianu

• (3) Dehydrogenaza 6-fosfo-D-glukonia-nowa poprzez związek pośredni (3-keto-6-fosfo-D-glukonian) utlenia w reakcji oksydacyjnej dekarboksylacji 6-fosfo-glukonian do D-rybulozo-5-fosforan. Reakcji towarzyszy redukcja NADP⁺ do NADPH

Nieutleniające etapy szlaku pentozo-fosforanowego

• Rozpoczynają się izomeryzacją i epime-ryzacją D-rybulozo-5-fosforanu prowa-dzącą do rybozo-5-fosforanu lub ksylulozo-5-fosforanu, które mogą być przekształcone w intermediaty glikolizy lub włączone w szereg biosyntez

• (4) Izomeraza fosfopentozowa prze-kształca rybulozo-5-P w rybozo-5-P poprzez enediolowy intermediat. Reakcja ma mechanizm podobny do reakcji fosfoglukoizomerazy ze szlaku glikoli-tycznego (przekształcenie glukozo-6-P w fruktozo-6-P). Rybozo-5-P używany jest do biosyntezy szeregu koenzymów (NADH, NADPH, FAD i B₁₂), nukleotydów i kwasów nukleinowych.

• Sumaryczna reakcja pierwszych czterech etapów szlaku pentozo-fosforanowego:

glukozo-6-P + 2NADP⁺ → rybozo-5-P + 2NADPH + 2H⁺ + CO₂

• (5) Epimeraza fosfopentozowa - prze-kształca rybulozo-5-P w ksylulozo-5-P. Proton związany z Cα w stosunku do węgla karbonylu jest usuwany tak, żeby powstał enodiolan, do którego proton wraca z drugiej strony

• W wyniku powyższych reakcji powstaje pula fosforylowanych pentoz. ΔG^0' dla reakcji (4) i (5) jest bardzo mała i trzy fosfopentozy pozostają w stanie równowagi

• Następne etapy przekształcają pięcio-węglowe szkielety cukrów w jednostki 3-, 4-, 6- i 7-węglowe, które mogą być wykorzystane w różnych szlakach metabolicznych. Etapy te są wynikiem adaptacji metabolizmu do faktu, że często zapotrzebowanie na NADPH jest większe niż na pentozy. Dlatego nadmiar pentoz może po przekształceniu w aldehyd 3-fosfoglicerynowy i fruktozo-6-fosforan wejść w glikolizę. Komórka w jednym szlaku uzyskuje NADPH i rybozo-5-P, kierując nadmiar metabolitów węglowych do glikolizy

• (6) Transketolaza przekazuje dwuwę-glowy fragment z ksylulozo-5-P na rybozo-5-P produkując aldehyd 3-fosfoglicerynowy i sedoheptulozo-7-fosforan. Reakcja wymaga pirofosforanu tiaminy (TPP). Mechanizm polega na powstaniu z TPP i ksylulozo-5-P karboanionu, który atakuje węgiel karbonylowy rybozo-5-P. W podobny sposób transketolaza przekształca szereg innych fosforanowych pochod-nych 2-ketoz, akceptuje też jako substraty fosforany aldoz

• (7) Transaldolaza przenosi trójwęglowy fragment (podobnie jak aldolaza w glikolizie) z sedoheptulozo-7-P na aldehyd 3-fosfoglicerynowy dając erytrozo-4-P i użyteczny w glikolizie fruktozo-6-P. Reakcja polega na tworzeniu zasady Schiffa między sedoheptulozo-7-P, a lizyną centrum aktywnego. Po usunięciu 4-węglowego fragmentu powstaje reaktywna enamina dihydroksyacetonu atakująca węgiel karbonylowy aldehydu 3-fosfoglicery-nowego, dając 6-węglowy fragment - fruktozo-6-P

• Ostatnia (8) reakcja szlaku jest katalizowana przez transketolazę i polega na przeniesieniu dwuwęglowego frag-mentu z ksylulozo-5-P na erytrozo-4-P dając w rezultacie dwa intermediaty glikolityczne: aldehyd 3-fosfoglicerynowy i fruktozo-6-P

Wykorzystanie glukozo-6-P zależy od zapo-trzebowania komórki na ATP, NADPH i rybozo-5-P

• Glukozo-6-P może być wykorzystany przez komórkę jako źródło energii (w glikolizie) lub jako źródło metabolitów potrzebnych do syntez (NADPH i rybozo-5-P)

• Kierunek przemiany zależy od względ-nego stosunku kluczowych enzymów glikolizy i szlaku pentozo-fosforanowego (fosfofruktokinazy i dehydrogenazy glikozo-6-fosforanowej)

• Fosfofruktokinaza inhibowana jest przez wysoki stosunek ATP/AMP i cytrynian (dobry stan energetyczny komórki)

• Dehydrogenaza glukozo-6-P hamowana jest przez wysoki poziom NADPH i intermediaty syntezy kwasów tłuszczo-wych (związki, których wysoki poziom świadczy o braku potrzeb biosynte-tycznych w komórce)

• Zmienne zapotrzebowanie komórki na energię i materiały biosyntetyczne wyraża się w różnych możliwościach sprzężenia szlaku glikolitycznego z szlakiem pentozo-fosforanowym

• (1) Komórka potrzebuje rybozo-5-P i NADPH. Dominują wtedy pierwsze cztery reakcje szlaku pentozo-fosforanowego. NADPH jest produkowany w reakcjach utleniających szlaku, rybozo-5-P jest głównym produktem reakcji nieutlenia-jących. Sumaryczna reakcja:

gluk-6-P+2NADP⁺+H₂O→rybozo-5-P+CO₂+2NADPH+2H⁺

• (2) Większe zapotrzebowanie na rybozo-5-P niż na NADPH. Omijane są tu reakcje utleniające. W reakcje nieutleniające szlaku włączane są pochodzące z glikolizy fruktozo-6-P i aldehyd 3-fosfoglicerynowy. W reakcji transketolazy i transaldolazy z tymi związkami powstaje rybozo-5-P. Sumarycznie:

5glukozo-6-P+ATP→6rybozo-5-P+ADP+H⁺

• (3) Większe zapotrzebowanie na NADPH niż na rybozo-5-P. Zachodzi tu intensywna produkcja NADPH. Powstające przy tym pentozy recyklizowane są tak, aby powstawały intermediaty glikolityczne. Rybulozo-5-P przekształcany jest do fruktozo-6-P i aldehydu 3-fosfoglicerynowego, które poprzez glukoneogenezę dają ponownie glukozo-6-P. Sumarycznie:

6 glukozo-6-P+12 NADP⁺+6 H₂O→

→6 rybulozo-5-P+6 CO₂+12 NADPH+12 H⁺

6 rybulozo-5-P→5 glukozo-6-P + P_i

• (4) Duże zapotrzebowanie na NADPH i ATP, brak zapotrzebowania na rybozo-5-P. W reakcjach utleniających produko-wany jest NADPH, powstające pentozy przekształcane są w fruktozo-6-P i aldehyd 3-fosfoglicerynowy, które przechodząc do glikolizy produkują ATP i pirogronian, mogący poprzez cykl TCA dać jeszcze dodatkową ilość ATP. Sumarycznie:

3 glukozo-6-P + 5 NAD⁺ + 6 NADP⁺ + 8 ADP + 5 P_i →

→5 pirogron.+3 CO₂+5 NADH+6NADPH+8ATP+2H₂O+8H⁺

1

26

---