Metabolizm to całokształt reakcji biochemicznych zachodzących w komórkach organizmu, związany z przepływem materii, energii i informacji, zapewniający m. in. organizmowi wzrost, ruch i rozmnażanie. Istnieją 2 kierunki przemian metabolicznych: anaboliczny i kataboliczny.
Anabolizm obejmuje reakcje syntezy złożonych związków organicznych ze związków prostych. Reakcje te wymagają dostarczenia energii, w wyniku czego w produktach syntezy nagromadzona jest większa ilość energii niż w substratach. Do reakcji anabolicznych zaliczamy np. biosyntezę białek, lipidów czy węglowodanów. Przykładem jest także proces asymilacji CO2. w przebiegu fotosyntezy lub chemosyntezy.
Katabolizm natomiast obejmuje reakcje rozkładu złożonych związków organicznych na produkty proste, zawierające mniejszy zapas energii niż substraty. Wyzwolona w tych substratach energia jest gromadzona w uniwersalnym przenośniku energii – adenozyno-5’trifosforanie (ATP). ATP jest nukleozydotrifosforanem zawierającym adeninę, rybozę i trzy grupy fosforanowe Przykładem katabolitycznego procesu jest oddychanie wewnątrzkomórkowe polegające na rozkładzie związków złożonych, np. glukozy, na substancje proste, np. H2O i CO2. W wyniku tego procesu powstaje energia (magazynowana w ATP), która jest wykorzystywana następnie do przebiegu wielu funkcji życiowych organizmu. Zasadniczym źródłem ATP są trzy procesy:
1. Glikoliza
2. Cykl kwasu cytrynowego
3. Fosforylacja oksydacyjna, która jest największym ilościowo źródłem ATP w organizmach tlenowych. Fosforylacja oksydacyjna wymaga łańcucha transportu elektronów i wytwarzanie ATP jest związane z utlenianiem NADH i FADH2 do NAD+ i FAD oraz z generowaniem gradientu protonowego w poprzek wewnętrznej błony mitochondrialnej :
ADP + Pi + NADH + H+ + 1/2 O2 → ATP + NAD+ +H2O.
Może jeszcze istnieć inny typ fosforylacji, tzw. fosforylacja substratowa, gdzie synteza ATP z ADP i Pi odbywa się na skutek bezpośredniego rozkładu (utleniania) substratu, np. kwasu 3-fosfoglicerynowego do pirogronianu (w czasie glikolizy):
wysokoenergetyczny substrat + Pi + ADP → niskoenergetyczny produkt + ATP.
Natomiast w komórkach roślinnych zachodzi fosforylacja fotosyntetyczna, gdzie synteza ATP odbywa się kosztem energii dostarczanej przez kwanty światła:
ADP + Pi + energia świetlna → ATP.
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) 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. W warunkach beztlenowych drożdże przekształcają pirogronian w etanol. Tworzenie etanolu lub mleczanu z glukozy jest przykładem fermentacji. Glikoliza zachodzi w cytosolu komórki, gdzie znajduje się większa część enzymów szlaku glikolitycznego.
Glikoliza jest nie tylko podstawową drogą metabolizmu glukozy prowadzącą do wytwarzania acetylo-CoA i utleniania w cyklu kwasu 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. Miesień sercowy, przystosowany do warunków tlenowych, charakteryzuje się małą aktywnością glikolityczną.
Etapy glikolizy są następujące:
1. Glukoza przez fosforylację z udziałem heksokinazy w obecności ATP jest przekształcana w glukozo-6-fosforan.
2. Glukozo-6-fosforan (aldoza) ulega izomeryzacji katalizowanej przez izomerazę glukozofosforanową w fruktozo-6-fosforan (ketoza).
3. Fruktozo-6-fosforan jest fosforylowany z udziałem fosfofruktokinazy w obecności ATP w fruktozo-1,6-bisfosforan.
4. Fruktozo-1,6-bisfosforan (6 atomów węgla) jest rozszczepiany przez aldolazę na dwie cząstki: aldehyd 3-fosfoglicerynowy (3 atomy węgla) i fosfodihydroksyaceton (3 atomy węgla).
5. Aldehyd 3-fosfoglicerynowy jest dalej wykorzystywany w procesie glikolizy i jest on przekształcany do 1,3-bisfosfoglicerynianu. Reakcję katalizuje dehydrogenaza aldehydu 3-fosfoglicerynowego z użyciem nieorganicznego fosforanu i NAD H+.
6. 1,3-bisfosfoglicerynian jest przekształcany do 3-fosfoglicerynianu. Reakcję katalizuje kinaza fosfoglicerynianowa tworząca też ATP.
7. 3-fosfoglicerynian jest przekształcany w 2-fosfoglicerynian przez fosfogliceromutazę.
8. Enolaza katalizuje odwodnienie 2-fosfoglicerynianu i powstanie fosfoenolopirogronianu.
9. Kinaza pirogronianowa katalizuje utworzenie pirogronianu i ATP.
Znaczenie glikolizy
1. Wytwarzanie ATP; w reakcjach szlaku glikolitycznego bezpośrednio powstają tylko dwie cząsteczki ATP na jedną cząsteczkę glukozy. Sumaryczna reakcja przekształcenia glukozy w pirogronian jest następująca:
glukoza + 2Pi + 2ADP + 2NAD+ → 2 cząsteczki pirogronianu + 2ATP + 2NADH + 2H+ + + 2H2O.
2. Wytwarzanie intermediatów, np. acetylo-CoA - prokursora w syntezie kwasów tłuszczowych i cholesterolu.
2. Glikoliza dostarcza także substratów do cyklu kwasu cytrynowego i fosforylacji oksydacyjnej.
Losy pirogrionianu powstałego w procesie glikolizy
W warunkach tlenowych pirogronian zostaje przekształcony w acetylo-CoA (CH3-CO-S-CoA, aktywny octan) , który wchodzi w cykl kwasu cytrynowego:
pirogronian + NAD+ + CoA → acetylo-CoA + CO2 + NADH.
Reakcję tę katalizuje dehydrogenaza pirogronianowa.
W warunkach ograniczonego dostępu tlenu, panujących podczas intensywnego wysiłku fizycznego, ilość NADH wytwarzanego podczas glikolizy przekracza możliwości łańcucha oddechowego pod względem utleniania NADH z powrotem do NAD +. W tym wypadku pirogronian syntetyzowany w mięśniu szkieletowym podczas glikolizy zostaje przekształcony w mleczan przez dehydrogenazę mleczanową w reakcji generującej NAD + , dzięki czemu glikoliza w dalszym ciągu wytwarza ATP. Jednakże mleczan jest metabolitem uwięzionym w ślepej uliczce, ponieważ metabolizowany może być dalej tylko z powrotem w pirogronian. Mleczan dyfunduje więc z mięśni do krwi, skąd przechodzi do wątroby. Tutaj w wątrobie, przedostaje się do komórek, gdzie z udziałem dehydrogenazy mleczanowej zostaje przekształcony z powrotem w pirogronian. Następnie pirogronian w procesie glukoneogenezy ulega przekształceniu w glukozę; ta zostaje uwolniona znów do krwiobiegu, skąd może być pobierana przez mięsień szkieletowy (i mózg). Cykl tych reakcji nazywa się cyklem Corich.
U drożdży i innych mikroorganizmów, NAD+ niezbędny do podtrzymywania ciągłości glikolizy w warunkach beztlenowych jest regenerowany w procesie nazywanym fermentacją alkoholową. Pirogronian zostaje przekształcony w aldehyd octowy (przez dekarboksylazę pirogronianową), a następnie w etanol (przez dehydrogenazę alkoholową), przy czym w tej drugiej reakcji zachodzi reoksydacja NADH do NAD+:
pirogronian + H+ → aldehyd octowy + CO2
aldehyd octowy + NADH + H+ → etanol + NAD+ .
Cykl kwasu cytrynowego
Kolejnym etapem tworzenia energii z glukozy w warunkach tlenowych jest oksydacyjna dekarboksylacja pirogronianu do acetylo-CoA, który następnie zostaje utleniony do CO2 w szeregu reakcji cyklu kwasu 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 cytrynowgo jest zachodząca także w matriks mitochondrium oksydacyjna dekarboksylacja pirogronianu :
pirogronian + CoA + NAD+ → acetylo-CoA + CO2 + NADH.
Reakcja ta katalizowana jest przez kompleks dehydrogenazy pirogronianowej.
Dalsze etapy cyklu kwasu cytrynowego są następujące:
1. Wytwarzanie cytrynianu z 4-węglowego dwukarboksylowego szczawiooctanu i acetylo-CoA. Reakcja ta katalizowana jest przez syntazę cytrynianową.
2. Cytrynian jest izomeryzowany do izocytrynianu przez akonitazę (hydrataza akonitowa).
3. Utlenianie izocytrynianu do α-ketoglutaranu katalizowane przez dehydrogenazę izocytrynianową. Reakcja ta wymaga NAD+.
4. Oksydacyjna dekarboksylacja α-ketoglutaranu do bursztynylo-CoA katalizowana przez kompleks dehydrogenazy α-ketoglutaranowej. Reakcja ta wymaga NAD+, jako kofaktora. 5. Przekształcenie bursztynylo-CoA w bursztynian katalizowane przez syntetazę bursztynylo-CoA. Reakcja ta wymaga fosforanu nieorganicznego i GDP lub ATP. 6. Utlenianie bursztynianu do fumaranu katalizowane przez dehydrogenazę bursztynianową. W reakcji tej uczestniczy FAD.
7. Uwodnienie fumaranu do jabłczanu katalizowane przez fumarazę.
8. Utlenienie jabłczanu do szczawiooctanu katalizowane przez dehydrogenazę jabłczanową. Reakcja ta wymaga NAD+, jako kofaktora.
Sumaryczne równanie cyklu kwasu cytrynowego jest następujące:
acetylo-CoA + 3NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2H2O → 2CO2 + 3NADH + FADH2 + GTP + 2H+ + CoA.
Regulacja cyklu kwasu cytrynowego
Na regulację cyklu ma wpływ kilka parametrów: dostępność substratów, hamujące działanie nagromadzonych produktów i oparte na mechanizmach sprzężenia zwrotnego allosteryczne hamowanie przez następne intermediaty cyklu. Najbardziej prawdopodobnymi miejscami regulacji są reakcje nieodwracalne katalizowane przez następujące enzymy:
- syntazę cytrynianową (hamowana przez cytrynian, a także przez ATP)
- dehydrogenazę izocytrynianową (hamowana przez NADH i ATP, a aktywowana przez ADP)
- dehydrogenazę α-ketoglutaranową (hamowana przez NADH i bursztynylo-CoA)
- dehydrogenazę pirogronianową (hamowana przez NADH i acetylo-CoA).
Cykl Krebsa przebiega szybciej, gdy poziom energii w komórce jest niski (duże stężenie ADP, a małe stężenie ATP i NADH), a zwalnia swój przebieg, gdy dochodzi do akumulacji ATP (jak i również NADH, byrsztynylo-CoA oraz cytrynianu).
Znaczenie cyklu kwasu cytrynowego
- Utlenianie pirogronianu do CO2 i H2O z jednoczesnym uzyskiwaniem energii. Podczas każdego cyklu powstaje 12 cząstek ATP; jedna bezpośrednio w cyklu, a 11 dzięki reoksydacji przez fosforylację oksydacyjną trzech cząsteczek NADH i jednej cząsteczki FADH2 wytwarzanych w cyklu. Na każdą z 3 cząstek NADH wytwarzanych podczas cyklu kwasu cytrynowego powstają w procesie fosforylacji oksydacyjnej 2,5 cząstki ATP, a na 1 cząstkę FADH2 powstaje 1,5 cząstki ATP. Jedna cząsteczka GTP (lub ATP) jest syntetyzowana bezpośrednio w reakcji przekształcającej bursztynylo-CoA w bursztynian. Tak więc utlenianie jednej cząsteczki glukozy w cyklu kwasu cytrynowego daje 2 ? 12 cząsteczek ATP.
- Cykl kwasu cytrynowego poza utlenianiem spełnia także inne role metaboliczne. Uczestniczy w glukoneogenezie, transaminacjach, deaminacjach i syntezie kwasów tłuszczowych. Intermediaty cyklu kwasu cytrynowego dostarczają prekursorów do wielu szlaków biosyntez:
1. synteza aminokwasów następuje po transaminacji α-ketoglutaranu
2. synteza nukleotydów purynowych i pirymidynowych z α-ketoglutaranu i szczawiooctanu
3. szczawiooctan może być przekształcany w glukozę w procesie glukoneogenezy
4. bursztynylo-CoA jest najważniejszym intermediatem w syntezie pierścienia porfirynowego grup hemowych
5. cytrynian przenosi grupy acylowe, potrzebne do syntezy kwasów tłuszczowych, z mitochondriów do cytosolu.
Łańcuch oddechowy
Utworzone m.in. podczas glikolizy czy cyklu kwasu cytrynowego NADH i FADH2 są bogate energetycznie, ponieważ zawierają pary elektronów o wysokim potencjale przenoszenia. Energia swobodna uwalniana w znacznej ilości podczas przenoszenia tych elektronów na tlen cząsteczkowy jest wykorzystywana do syntezy ATP. Elektrony są przenoszone z NADH do O2 z udziałem trzech wielkich kompleksów białkowych:
- reduktazy NADH-Q (ubichinon)
- reduktazy cytochromowej
- oksydazy cytochromowej.
Grupami przenoszącymi elektrony są: flawiny, centra żelazo-siarkowe, hemy i jony miedzi. Elektrony czy wodory przepływają przez łańcuch oddechowy od składników bardziej elektroujemnych do bardziej elektrododatniego tlenu. Elektrony przenoszone są z reduktazy NADH-Q do drugiego kompleksu łańcucha – reduktazy cytochromowej, przez zredukowaną formę ubichinonu (Q), który szybko dyfunduje w błonie mitochondrialnej. Ubichinon także przenosi elektrony z FADH2 (wytworzonego w cyklu kwasu cytrynowego) do reduktazy cytochromowej. Cytochrom c natomiast przerzuca elektrony z reduktazy cytochromowej na oksydazę cytochromową, będącą końcowym elementem łańcucha oddechowego. Zasadnicze składniki łańcucha oddechowego oraz transport elektronów.
Wydajność ATP przy utlenianiu glukozy
Podczas całkowitego utleniania glukozy do CO2 w procesie glikolizy, cyklu kwasu cytrynowego i łańcucha oddechowego w warunkach tlenowych tworzy się ok. 30 cząsteczek ATP, jak obliczono w Tabeli 1. W warunkach beztlenowych końcowy produkt glikolizy – pirogronian nie wchodzi jednak w cykl kwasu cytrynowego, ale ulega dekarboksylacji (odłączenie CO2) i redukcji do etanolu, a ilość uwolnionej energii jest bardzo mała. Zysk energetyczny z 1 cząsteczki glukozy wynosi 2 ATP .
Proces glukoneogenezy
Glukoneogeneza jest procesem obejmującym wszystkie mechanizmy metaboliczne odpowiedzialne za przekształcenie związków niecukrowych, takich jak mleczan i pirogronian, intermediaty cyklu kwasu cytrynowego, szkielety węglowe wielu aminokwasów oraz glicerol w glukozę lub glikogen. Proces ten jest ogromnie ważny, ponieważ mózg i erytrocyty w normalnych warunkach jako źródło energii wykorzystują prawie wyłącznie glukozę. Zapas glikogenu w wątrobie jest wystarczający, aby zaopatrywać mózg w glukozę przez około pół dnia głodowania. Dlatego glukoneogeneza ma szczególnie ważne znaczenie w okresie głodu albo intensywnego wysiłku. Do wytwarzania glukozy w procesie glukoneogenezy podczas głodowania zostają wykorzystane przede wszystkim aminokwasy pochodzące z rozłożonych białek oraz glicerol otrzymany po rozłożeniu tłuszczów. Podczas wysiłku poziom glukozy we krwi, konieczny do funkcjonowania mózgu i mięśni szkieletowych jest podtrzymywany dzięki procesowi glukoneogenezy przebiegającej w wątrobie.
Glukoneogeneza jest umiejscowiona głównie w wątrobie oraz nerkach, gdzie znajduje się pełen zestaw niezbędnych enzymów dla tego procesu. Bardzo mała aktywność glukoneogenezy pojawia się w mózgu oraz w mięśniach.
Szczawiooctan produkt pierwszej reakcji glukoneogenezy, musi opuścić mitochondrium i przejść do cytosolu, w którym są zlokalizowane następne reakcje enzymatyczne. Dlatego też wytwarzany przez karboksylazę pirogronianową szczawiooctan musi wyjść z mitochondrium. Jednakże wewnętrzna błona mitochondrialna komórek zwierzęcych jest nieprzepuszczalna dla tego związku. Tak więc szczawiooctan wewnątrz mitochondrium ulega przekształceniu w jabłczan z udziałem mitochondrialnej dehydrogenazy jabłczanowej. Jabłczan następnie przedostaje się przez błonę mitochondrialną dzięki specjalnemu białku transportującemu, a w cytoplazmie zostaje z powrotem przekształcony w szczawiooctan przez dehydrogenazę jabłczanową. Szczawioctan spełnia dwie ważne funkcje. Jest on nie tylko intermediatem zużywanym w procesie glukoneogenezy, ale także jest kluczowym intermediatem cyklu kwasu cytrynowego, gdzie łączy się z acetylo-CoA tworząc cytrynian i ostatecznie zostaje zregenerowany w tym cyklu. W glikolizie, glukoza ulega metabolizmowi do pirogronianu. W glukoneogenezie pirogronian jest przekształcany do glukozy. Zatem glukoneogeneza wydaje się być odwróceniem glikolizy. Niemniej glukoneogeneza nie jest odwróceniem glikolizy. Ponieważ trzy reakcje glikolizy są zasadniczo nieodwracalne; katalizują je następujące enzymy: heksokinaza, fosfofruktokinaza i kinaza pirogronianowa. Dlatego też w procesie glukoneogenezy te trzy reakcje muszą być odwrócone, a więc glukoneogeneza nie jest prostym odwróceniem glikolizy.
Reakcje glukoneogenezy:
1. Karboksylaza pirogronianowa w obecności ATP, jednej z witamin B – biotyny i CO2 przekształca pirogronian w szczawiooctan
2. Szczawiooctan zostaje poddany działaniu karboksykinazy fosfoenolopirogronianowej, która równocześnie dekarboksyluje i fosforyluje go tworząc fosfoenolopirogronian (PEP) i zostaje uwolniony CO2. W reakcji tej jest niezbędny bogatoenergetyczny fosforan w postaci GTP
3. PEP jest przekształcany w fruktozo-1-6-bisfosforan z udziałem enolazy, fosfogliceromutazy, fosfoglicerokinazy, dehydrogenazy aldehydu 3-fosfoglicerynowego, izomerazy trifosforanowej i aldolazy
4. Fruktozo-1-6-bisfosforan jest defosforylowany przez enzym fruktozo-1-6-bisfosfatazę i powstaje fruktozo-6-fosforan
5. Fruktozo-6-fosforan jest przekształcany w glukozo-6-fosforan z udziałem izomerazy glukozofosforanowej
6. Glukozo-6-fosforan zostaje przekształcony w glukozę przez glukozo-6-fosfatazę.
Podczas procesu glukoneogenezy zostają zużyte cztery cząsteczki ATP i dwie cząsteczki GTP na jedną cząsteczkę glukozy, natomiast w czasie glikolizy powstają dwie cząsteczki ATP. Gdyby więc reakcje glikolizy i glukoneogenezy miały możliwości równoczesnego działania, to wynikiem netto przekształcenia glukozy w pirogronian i odwrotnie byłoby zużycie dwóch cząsteczek ATP i dwóch cząsteczek GTP w tak zwanym „cyklu daremnym”. Jednak zapobiega temu ściśle skoordynowana regulacja glikolizy i glukoneogenezy. Przebieg obu tych szlaków jest koordynowany w ten sposób, że jeśli jeden szlak jest relatywnie nieaktywny, drugi w tym czasie jest bardzo aktywny.
Szlak pentozofosforanowy
Źródłem siły redukcyjnej w komórce jest zarówno NADH, jak i NADPH, ale cząsteczki te pełnią całkowicie odmienne funkcje w większości reakcji biochemicznych. NADH jest utleniany w łańcuchu oddechowym w celu wytwarzania energii gromadzonej w ATP w drodze fosforylacji oksydacyjnej. Natomiast NADPH spełnia rolę donora protonów i elektronów w redukcyjnych procesach biosyntezy. NADH i NADPH pomimo ich podobnej struktury chemicznej (NADPH różni się tylko od NADH grupą fosforanową przy atomie węgla w pozycji 2 jednej z ryboz) nie mogą się zastępować wzajemnie w procesach metabolicznych, dlatego też komórka musi przeprowadzać wiele reakcji specyficznie tworzących NADPH. Reakcje te zgrupowane są w szlaku pentozofosforanowym (szlak pentozowy, szlak heksozomonofosforanowy lub fosfoglukonianowy), który zachodzi w cytosolu i ma istotne znaczenie w tych tkankach (tkanka tłuszczowa, gruczoły mleczne i kora nadnerczy), w których syntetyzowane są kwasy tłuszczowe i steroidy z acetylo-CoA. Aktywność tego szlaku jest niewielka w tkankach, które nie syntetyzują ani kwasów tłuszczowych, ani steroidów, np. w mięśniach szkieletowych. Podstawowym zadaniem reakcji szlaku jest utlenianie glukozo-6-fosforanu do rybozo-5-fosforanu i wytwarzanie NADPH:
glukozo-6-fosforan + 2NADP+ + H2O → rybozo-5-fosforan + 2NADPH + 2H+ + CO2.
Szlak pentozofosforanowy ma trzy etapy:
1. Reakcje utleniania przekształcające glukozo-6-fosforan w rybulozo-5-fosforan z wytworzeniem dwóch cząsteczek NADPH. Glukozo-6-fosforan jest utleniany przez dehydrogenazę glukozo-6-fosforanową do 6-fosfoglukono-δ-laktonu (ester wewnętrzny między grupą karboksylową przy atomie węgla w pozycji 1, a grupą hydroksylową przy atomie węgla w pozycji 5). Podczas tej reakcji dochodzi do wytworzenia NADPH. Następnie 6-fosfoglukono-δ-lakton jest hydrolizowany przez laktonazę do 6-fosfoglukonianu, który dalej w obecności dehydrogenazy 6-fosfoglukonianowej jest przekształcany w rybulozo-5-fosforan. Reakcja katalizowana przez dehydrogenazę 6-fosfoglukonianową jest dekarboksylacją oksydacyjną. Ponadto reakcja katalizowana przez dehydrogenazę glukozo-6-fosforanową jest nieodwracalna, a enzym ten jest regulowany przez NADP+. Kiedy komórka zużywa NADPH, to zwiększające się stężenie NADP+ stymuluje dehydrogenazę glukozo-6-fosforanową, wskutek czego działanie szlaku i regeneracja NADPH przebiegają szybciej.
2. Izomeryzacja rybulozo-5-fosforanu do rybozo-5-fosforanu z udziałem izomerazy pentozofosforanowej (rybozofosforanowej).
3. Powiązanie szlaku pentozofosforanowego z glikolizą działaniem transketolazy i transaldolazy. Enzymy te katalizują trzy reakcje odwracalne. W rezultacie w przebiegu tych reakcji z trzech pentoz powstają dwie heksozy i jedna trioza. Transketolazy przenoszą jednostki dwuwęglowe, a transaldolazy – trójwęglowe. Cukrem dostarczającym fragmentów dwu- lub trójwęglowych jest zawsze ketoza, natomiast akceptorem zawsze aldoza. Pierwszą z trzech reakcji łączących szlak pentozofosforanowy z glikolizą jest powstawanie z dwóch pentoz aldehydu 3-fosfoglicerynowego i sedoheptulozo-7-fosforanu. Donorem fragmentu dwuwęglowego w tej reakcji jest ksylulozo-5-fosforan (powstały po przekształceniu rybulozo-5-fosforanu z udziałem epimerazy pentozofosforanowej). Następnie aldehyd 3-fosfoglicerynowy i sedoheptulozo-7-fosforan reagują, tworząc fruktozo-6-fosforan i erytrozo-4-fosforan. Reakcję tę katalizuje transaldolaza. W trzeciej reakcji odbywa się synteza fruktozo-6-fosforanu i aldehydu 3-fosfoglicerynowego z erytrozo-4-fosforanu i ksylulozo-5-fosforanu z udziałem transaldolazy. Po zsumowaniu wszystkich trzech reakcji otrzymujemy:
2 ksylulozo-5-fosforan + rybozo-5-fosforan → 2 fruktozo-6-fosforan +
← + aldehyd 3-fosfoglicerynowy.
Reakcje katalizowane przez transketolazę i transaldolazę są odwracalne, dlatego końcowe produkty szlaku pentozofosforanowego mogą się zmieniać w zależności od metabolicznych potrzeb komórki. Zatem, gdy komórka potrzebuje NADPH, a nie ma zapotrzebowania na rybozo-5-fosforan, ten ostatni ulega przekształceniu w glikolityczny intermediat i jest włączony do glikolizy. W odwrotnej sytuacji, gdy zapotrzebowanie na rybozo-5-fosforan znacznie przekracza zapotrzebowanie na NADPH, transketolaza i transaldolaza działają w odwrotnym kierunku, przekształcają fruktozo-6-fosforan i aldehyd 3-fosfoglicerynowy, pobrane z glikolizy, w rybozo-5-fosforan.
Znaczenie szlaku pentozofosforanowego:
- tworzenie NADPH dla redukujących syntez takich jak synteza kwasów tłuszczowych i steroidów
- przekształcanie heksoz w pentozy, a w szczególności w rybozo-5-fosforan. Rybozo-5-fosforan lub jego pochodne są potrzebne do syntezy RNA, DNA, NAD+, FAD, ATP, koenzymu A i innych ważnych cząsteczek
- dostarczenie CO2, który jest charakterystycznym produktem tego szlaku.
Rozkład i synteza glikogenu
Glikogen jest polisacharydem zapasowym zwierząt, odkładanym głównie w wątrobie i mięśniach szkieletowych, gdzie jest przechowywany w postaci ziaren glikogenu umiejscowionych w cytosolu. Ponadto glikogen jest łatwo uruchamianą zapasową formą glukozy. Ziarna oprócz glikogenu zawierają również enzymy i białka regulatorowe konieczne dla degradacji i syntezy glikogenu. Jego struktura przypomina amylopektynę. Glikogen jest dużym polimerem zbudowanym z reszt glukozy połączonych wiązaniem → –1,4-glikozydowym, od którego odchodzą odgałęzienia w miejscach, gdzie występują wiązania α–1,6-glikozydowe, pojawiające się co 6-12 reszt glukozy. Masa cząsteczkowa glikogenu sięga ponad 100 milionów, co odpowiada liczbie 6 x 10+ reszt glukozy.
Metabolizm glikogenu ma duże znaczenie, ponieważ umożliwia utrzymywanie między posiłkami odpowiedniego poziomu glukozy we krwi (z glikogenu magazynowanego w wątrobie), a także służy jako zapas energii dla pracujących mięśni. Utrzymywanie odpowiedniego stężenia glukozy we krwi jest ważne dla tkanek ze względu na to, że jest ona łatwo metabolizowanym źródłem energii, szczególnie dla mózgu, który zużywa wyłącznie glukozę, z wyjątkiem sytuacji po długotrwałym głodzeniu.
Rozkład glikogenu (glikogenolizę) katalizują dwa enzymy: fosforylaza glikogenowa i enzym usuwający rozgałęzienia, czyli rozbijający wiązania α–1,6-glikozydowe.
Fosforylaza glikogenowa katalizuje usuwanie reszt glukozy z nieredukującego końca cząsteczki glikogenu (koniec z wolna grupą 4’-OH) w formie glukozo-1-fosforanu w ten sposób, że rozbija wiązania α–1,4-glikozydowe. Fosforylaza glikogenowa może usuwać tylko te reszty glukozy, które są oddalone od miejsca rozgałęzienia o więcej niż pięć reszt. Drugim substratem potrzebnym w procesie rozkładu glikogenu jest ortofosforan (Pi).
glikogen (n reszt) + Pi → glikogen (n-1 reszt) + glukozo-1-fosforan
Reakcja ta jest przykładem fosforolizy, gdzie wiązanie kowalencyjne ulega rozbiciu na skutek dodania grupy fosforanowej. Jest to reakcja odwracalna.
Do rozkładu glikogenu konieczny jest również enzym usuwający rozgałęzienia, który usuwa wiązania α –1,6-glikozydowe.
Utworzony w reakcji glukozo-1-fosforan zostaje następnie przekształcony w glukozo-6-fosforan przez fosfoglukomutazę:
glukozo-1-fosforan → glukozo-6-fosforan.
←
Dalszy los glukozo-6-fosforanu zależy od tkanki. W wątrobie znajduje się glukozo-6-fosfataza, przekształcająca glukozo-6-fosforan w glukozę, która następnie dyfunduje do krwi i pozostaje w niej w możliwie stałym stężeniu:
glukozo-6-fosforan + H2O → glukoza + Pi .
W mięśniach (nie ma glukozo-6-fosfatazy) proces rozkładu glikogenu służy głównie szybkiemu uzyskaniu energii, dlatego też glukozo-6-fosforan jest natychmiast metabolizowany w szlaku glikolizy.
Synteza glikogenu (glikogenogeneza) nie jest odwróceniem jego rozkładu, lecz jest odrębnym szlakiem reakcji. Syntezę glikogenu przeprowadzają trzy enzymy:
1. Pirofosforylaza urydynodifosfo-glukozy (UDP-glukozy) katalizuje syntezę UDP-glukozy (zaktywowana forma glukozy) z urydynotrifosforanu (UTP) i glukozo-1-fosforanu:
UTP + glukozo-1-fosforan → UDP-glukoza + PPi .
Powstający w tej reakcji pirofosforan (PPi) szybko ulega hydrolizie działaniem pirofosfatazy, wskutek czego uwalnia się energia. UDP-glukoza powstaje natomiast dzięki utworzeniu wiązania estrowego pomiędzy grupą hydroksylową przy atomie węgla w pozycji 1, a resztą difosforanową cząsteczki UDP.
2. Syntaza glikogenowa katalizuje przeniesienie glukozy z UDP-glukozy do rosnącego łańcucha polisacharydowego. Reszty glukozy z UDP-glukozy dołączone są do grup -OH przy atomie węgla w pozycji 4 przy końcu nieredukującym cząsteczki glikogenu, tworząc wiązania α-1,4-glikozydowe. Syntaza glikogenowa może wydłużać jedynie już istniejący łańcuch. Dlatego też potrzebny jest inicjator. Rolę tę spełnia białko o nazwie glikogenina (m. cz. 37 kDa), która zawiera osiem połączonych wiązaniem α-1,4-glikozydowym, reszt glikozylowych. Do tego białka syntaza glikogenowa dołącza dalsze reszty glikozylowe i tak wydłuża łańcuch. Każde ziarno glikogenu w swoim rdzeniu zawiera jedną cząsteczkę glikogeniny.
3. Wiązanie α-1,6-glikozydowe w cząsteczce glikogenu powstaje z udziałem enzymu rozgałęziającego [amylo- (1,4 → 1,6) transglikozylaza]. Odbywa się to w ten sposób, że gdy pewna liczba cząsteczek glukozy zostanie już połączona w prosty łańcuch cukrowy o wiązaniach α-1,4-glikozydowych, enzym rozgałęziający rozcina jedno wiązanie α-1,4-glikozydowe i przenosi odcinek (zazwyczaj zawierający około 7 reszt glukozy) do bardziej wewnętrznego miejsca cząsteczki. Następnie odcinek ten jest dołączony przez wiązanie α-1,6-glikozydowe. Rozgałęzienia są ważne, ponieważ enzymy, które rozkładają i syntetyzują glikogen, pracują tylko przy końcu cząsteczki glikogenu. W efekcie dzięki rozgałęzieniom wzrasta szybkość syntezy i rozkładu glikogenu.
Regulacja metabolizmu glikogenu
Metabolizm glikogenu jest kontrolowany zarówno przez regulację allosteryczną, jak i hormonalną. Gdyby synteza i rozkład glikogenu miały możliwość równoczesnego działania, to efektem netto byłaby hydroliza UTP, w tak zwanym cyklu daremnym. Aby nie doszło do takiej sytuacji, oba procesy muszą podlegać ścisłej kontroli. Regulacja metabolizmu glikogenu jest efektywna dzięki równowadze między aktywnościami syntazy glikogenowej i fosforylazy. Natomiast enzymy rozgałęziający i odgałęziający cząsteczkę glikogenu nie są regulowane.
Streszczenie
W niniejszej pracy omówiono ważniejsze szlaki metabolizmu węglowodanów:
- szlak glikolizy
- szlak glukoneogenezy
- tor pentozofosforanowy
- szlak rozkładu i syntezy glikogenu.
Opisano również cykl kwasu cytrynowego, transport elektronów i fosforylację oksydacyjną.
Wykaz stosowanych skrótów
acetylo-CoA – acetylokoenzym-A
ADP – adenozynodifosforan
ATP – adenozynotrifosforan
CoA – koenzym A
FAD – dinukleotyd flawinoadeninowy - utleniony
FADH2 – dinunkleotyd falwinoadeninowy – zredukowany
GDP – guanozynodifosforan
GTP – gaunozynotrifosforan
NAD+ - dinukleotyd nikotynamidoadeninowy – utleniony
NADH – dinukleotyd nikotynamidoadeninowy – zredukowany
P i – fosforan nieorganiczny (ortofosforan)
PPi – nieorganiczny pirofosforan
UDP- difosforan urydyny
UTP – urydynotrifosforan
Piśmiennictwo
1. „Krótkie wykłady – biochemia” B.D. Hames, N.H. Hooper, J.D. Houghton, PWN 2000
2. „Biochemia” L. Stryer, PWN 1997
3. „Biochemia Harpera” R.K. Murray, D.K. Granner, P.A. Mayes, V.W. Rodwell, Wyd. Lek. 1996
4. „Ćwiczenia z biochemii” pod red. L. Kłyszejko-Stefanowicz, PWN 2003
5. „Biochemie und pathobiochemie” G. Loffler, P. Petrides, Springer 1998
Dr Beata Olas
Dr Beata Olas
Katedra Biochemii Ogólnej, Uniwersytet Łódzki, Banacha 12/16, 90-237 Łódź,
TEL/FAX: 0-42-6354484; E-mail: olasb@biol.uni.lodz.pl
Katedra Biochemii Ogólnej, Uniwersytet Łódzki, Banacha 12/16, 90-237 Łódź,
TEL/FAX: 0-42-6354484; E-mail: olasb@biol.uni.lodz.pl
Zainteresowania naukowe Dr Olas koncentrują się nad badaniem metabolizmu i funkcji płytek krwi, ocenę ich reaktywności i wrażliwości na działanie różnorodnych czynników chemicznych i fizycznych. Zainteresowanie dotyczy głównie wyjaśnienia mechanizmu (mechanizmu wolnorodnikowego) resweratrolu i jego pochodnych.
KOMENTARZE