AM-w__glowodany-dietetycy-tylko_szlaki_

1

Główne drogi przemian metabolicznych glukozy u człowieka

Dr Anna KiersztanZakład Regulacji MetabolizmuInstytut Biochemii UW

● podstawowe paliwo energetyczne dla mózgu, erytrocytów i siatkówki oka

● przemiany węglowodanów to w rzeczywistości przemiany glukozy

● prawie wszystkie węglowodany zawarte w poŜywieniu są przekształcane w glukozę

Glukoza-forma pierścieniowa

Glukoza jako najwaŜniejszy monosacharyd

2

Homeostaza glukozy

140 mg/dl (7,2 mM)

80 -110 mg/dl (4,5 –5,5 mM)

60 mg/dl (3,3 mM)

stan na czczo –80 –110 mg/dl

po posiłku –120 –140 mg/dl

stan głodzenia –60 –70 mg/dl

Źródła węglowodanów

3

Węglowodany- co mi zrobisz jak mnie zjesz ??

polisacharydy cukry proste

skrobia

glukoza

oligo- i disacharydy

Węglowodany- co mi zrobisz jak mnie zjesz ??

glukoza

glukoza jest wchłaniania do układu krwionośnego

trzustka wydziela insulinę do krwi

magazynowanie glukozy w wątrobie (nadmiar przekształcany jest w tłuszcze)

insulina umoŜliwia transport glukozy do komórek

Spalanie glukozy w celu uzyskania energii

4

Główne przemiany metaboliczne glukozy

GLUKOZA

pirogronian

GLIKOLIZA

ryboza

i NADPHSZLAK PENTOZO-FOSFORANOWY

glikogenGLIKOGENOGENEZA

GLUKOZA

pirogronian

ryboza

i NADPHglikogen

GLIKOLIZA

GLIKOGENOLIZASZLAK PENTOZO-FOSFORANOWY GLIKOGENOGENEZA

aminokwasy, glicerol, mleczanGLUKONEOGENEZA


5

Glikoliza –co to jest ?

GLUKOZA

pirogronian

GLIKOLIZA

GLIKOLIZA jest drogą utleniania glukozy dostarczającą energii w postaci ATP

2 ATP

34 ATP

CO2 + H2O

O2

Glikoliza –po co nam energia ?

GLUKOZA

pirogronian

GLIKOLIZA

- praca mechaniczna w czasie skurczu mięśni i innych ruchów komórkowych

- aktywny transport cząsteczek i jonów

- synteza makrocząsteczek i innych biocząsteczek z prostych związków wyjściowych

energia

6

Glikoliza –gdzie zachodzi ?

PRZEBIEGA WE WSZYSTKICH KOMÓRKACH

GLIKOLIZA ZACHODZI W CYTOZOLU

Glukoza

Glukozo-6-fosforan

Heksokinaza (glukokinaza)ATPADP

Glikoliza -szlak

7

heksokinaza

0,04 mM0,13 mM

0,02 mM

glukokinaza 4,5 mM

Glukoza

Glukozo-6-fosforan

Heksokinaza (glukokinaza)ATPADP

Glikoliza -szlak

Glukoza

Glukozo-6-fosforan

Fruktozo-1,6-bisfosforan

ATPADP

ATPADP

ATPADP

Glukoza +2 ADP +2 NAD+ + 2 Pi →

2 Pirogronian +2 ATP +2 NADH +2 H+

Heksokinaza (glukokinaza)

Izomeraza fosfoglukozy

Fosfofruktokinaza

Aldolaza

IzomerazatriozofosforanowaNADH

NAD+, Pi

ATPADP

Dh. aldehydu 3-fosfoglicerynowego

Kinazafosfoglicerynianowa

Fosfogliceromutaza

Enolaza

Kinazapirogronianowa

Aldehyd-3-fosfoglicerynianowy Fosfodihydroksyaceton

H2O

Glikoliza -szlak

Fruktozo-6-fosforan

1,3-bisfosfoglicerynian

3-fosfoglicerynian

2-fosfoglicerynian

Fosfoenolopirogronian

2 x Pirogronian

8

Glikoliza- dalsze losy pirogronianu

GLUKOZA

pirogronian

GLIKOLIZA

-moŜe przebiegać w warunkach tlenowych jak i beztlenowych

mleczan

-utlenianie 1 cząsteczki glukozy dostarcza 36 moli ATP (tylko 2 mole w warunkach beztlenowych)

2 ATP

CO2 + H2O

34 ATP

mleczan

O2

-przekształcenie pirogronianu w mleczan jest ślepym zaułkiem metabolicznym

Glikoliza- bilans energetyczny

pirogronian CO2 + H2O

34 ATP/ 28 ATP

O2

-utlenianie 1 cząsteczki glukozy dostarcza 36 moli ATP (tylko 2 mole w warunkach beztlenowych)

?Wg. „nowszych przeliczników” utlenianie 1 cząsteczki glukozy dostarcza 30 moli ATP

9

WĄTROBA MIĘŚNIE SZKIELETOWE

mleczan mleczan

glukozaglukoza

pirogronian pirogronian

alanina alanina

GLUKONEOGENEZA

GLIKOLIZA

naczynie krwionośne

Glikoliza a cykl CorichGLUKOZA

pirogronian

GLIKOLIZA

2 ATP

mleczan

Cykl Corich przesuwa część obciąŜenia metabolicznego z pracujących mięśni do wątroby NADHNAD+

2 NADH

2 NAD+

Glukoza

Glukozo-6-fosforan

Fruktozo-6-fosforan




3-fosfoglicerynian

2-fosfoglicerynian


Pirogronian

ATPADP

ATPADP

ATP

ATPADP

ADP

NADH

NAD+, Pi

Heksokinaza (glukokinaza)


Fosfofruktokinaza

Aldolaza

Izomerazatriozofosforanowa


Kinazafosfoglicerynianowa

Fosfogliceromutaza

Enolaza


galaktoza

mannoza Fruktoza(tk.tłuszczowa)

-galaktoza, fruktoza i mannoza mogą być wykorzystywane w procesie glikolizy

-galaktozemia

Glikoliza – nie tylko glukoza

Fruktoza(wątroba)

Fruktozo-1-fosforan

10

Glikoliza- galaktozemia

-mniej powszechna niŜ nietolerancja laktozy

-dziedziczny niedobór aktywności urydylotransferazygalaktozo-1-fosforanowej

-u niemowląt występuje biegunka i wymioty po spoŜyciu mleka, a w konsekwencji powiększenie wątroby i Ŝółtaczka

oraz zaćma, ospałość i opóźnienie rozwoju umysłowego

-diagnoza na podstawie:

> podniesiony poziom galaktozy we krwi i moczu

> brak tego enzymu w krwinkach czerwonych

-terapia polega na wykluczeniu tego cukru z diety (jednak większość pacjentów nadal cierpi z powodu dysfunkcji ośrodkowego ukł. nerwowego –opóźnienie w rozwoju mowy)

Glikoliza- czy fruktoza jest lepsza od glukozy ?

FRUKTOZA

- ma niski IG i nie powoduje nagłego wzrostu insuliny we krwi

-pobudza w wątrobie wzmoŜoną syntezę kw. tłuszczowych i wydzielanie VLDL

- nie zamienia się w glukozę lecz włącza się w szlak jej spalania, omijając waŜny etap regulacji szybkości tego procesu

- główne źródła fruktozy: sacharoza, wysokofruktozowy syrop kukurydziany (HFCS), owoce i miód

- badania na ludziach sugerują, Ŝe nadmiar fruktozy powoduje rozwój zespołu metabolicznego (m.in. insulinooporność, otyłość, nadciśnienie, hipertriglicerydemia)

11

Glikoliza a nowotwory

-guzy nowotworowe wykazują większe zapotrzebowanie na glukozę i szybką glikolizę

-komórki rakowe rosną szybciej niŜ naczynia krwionośne -hipoksja

-pobieranie glukozy przez komórki guza koreluje z jego złośliwością i złym rokowaniem

GLUKOZA

pirogronian/mleczan

ryboza

i NADPH GLIKOLIZA

SZLAK PENTOZO-FOSFORANOWY

Szlak pentozofosforanowy –co to jest ?

SZLAK PENTOZOFOSFORANOWY=

alternatywna droga utleniania glukozy, która nie dostarcza energii w postaci ATP,

12

SZLAK PENTOZOFOSFORANOWY=

alternatywna droga utleniania glukozy, która nie dostarcza energii w postaci ATP, źródło NADPH oraz rybozy

Szlak pentozofosforanowy- po co ?

NADPH- biosynteza kwasów tłuszczowych i steroidów

- biosynteza neuroprzekaźników

- biosynteza nukleotydów

- koenzym reduktazy glutationowej

- koenzym monooksydazy cytochromu p450

- koenzym syntazy NO

Ryboza- składnik nukleotydów i kwasów nukleinowych

detoksyfikacja

Szlak pentozofosforanowy- gdzie zachodzi ?

WĄTROBA biosynteza KT i cholesterolu

NADNERCZA

JĄDRA i JAJNIKIbiosynteza steroidów

TKANKA TŁUSZCZOWA

GRUCZOŁ MLECZNYbiosynteza KT

ERYTROCYTY glutationowy cykl redoks

13

Szlak pentozofosforanowy- faza utleniająca i nieutleniająca

(oksydacyjna)

(nieoksydacyjna)

Szlak pentozofosforanowy-faza utleniająca czyli dostawca NADPH

Poziom NADP+ jest najwaŜniejszym czynnikiem regulującym szybkość szlaku i aktywność dh. glukozo-6-fosforanowej

14

Szlak pentozofosforanowy-na czym polega faza nieutleniająca ?

2 ksylulozo-5-fosforan + rybozo-5-fosforan→

2 fruktozo-6-fosforan + aldehyd 3-fosfoglicerynowy

nukleotydykwasy nukleinowe

glikoliza

Szlak pentozofosforanowy-niedobór dh. Glc-6-P i anemia hemolityczna

- anemia hemolityczna o podłoŜu nieimmunologicznym

- najpowszechniejsza enzymopatia (setki milionów ludzi)

- mutacja recesywna sprzęŜona z płcią

- kobiety nosicielki mogą zapadać na łagodną formę choroby

- leczenie: przede wszystkim prewencja

15

Szlak pentozofosforanowy-niedobór dh. Glc-6-P i anemia hemolityczna

niedobór dh. Glc-6-P

upośledzenie działania glutationowego cyklu redoks

ROS

hemoliza �

niektóre leki(leki przeciwmalaryczne, antybiotyki sulfonamidowe)

niektóre pokarmy(klasyk: bób i zawarty w nim oksydant – wicyna)

infekcje

Szlak pentozofosforanowy a malaria

Plasmodium falciparum

HIPOTEZA:

Nie jest zdolny do rozwoju w erytrocytach o niskim wewnątrzkomórkowym stęŜeniu GSH

Niedobór dh. Glc-6-P uodparnia na malarię!!! ☺

16

Synteza glikogenu

GLUKOZA

pirogronian/mleczan

ryboza

i NADPHglikogen

GLIKOLIZA

SZLAK PENTOZO-FOSFORANOWY GLIKOGENOGENEZA

Co to jest glikogen ?

GLIKOGEN =polisacharyd, zapasowa forma glukozy

Glikogen jest magazynowany w cytoplazmie, w postaci ziaren o średnicy 10 – 40 nm.

17

Dlaczego glikogen ?

- „bufor” glukozy

- zapas dla tkanek uzaleŜnionych metabolicznie od glukozy

- „szybkie” (w dodatku beztlenowe !) źródło energii, idealne podczas wysiłku fizycznego

Magazyny glikogenu

Wątrobowy zapas glukozy wystarcza na ok. 12-18h

Łącznie: ok.340g

stęŜenie glikogenu

1-2% 6-10%

18

Synteza glikogenu (glikogenogeneza)

UDP-glukoza czyli substrat

wiązanieα 1→4

1

23

4

5

6

1

23

4

5

6Wiązanie

αααα 1 →→→→4

5

1

23

4

6

5

1

23

4

6

Synteza glikogenu -glikogenina

19

Synteza glikogenu

tworzenie rozgałęzień

n Glc ≥ 6

1

23

4

5

6

1

23

4

5

6

Wiązanie

αααα 1 →→→→6

Synteza glikogenu –regulacja hormonalna

Efekt: zahamowanie syntezy glikogenu

Formy aktywneFormy nieaktywne

Efekt: zahamowanie degradacji glikogenu

Efekt: magazynowanie glikogenu

20

Degradacja glikogenu (glikogenoliza)

GLUKOZA glikogenGLIKOGENOLIZA

GLIKOGENOGENEZA

-nie jest odwróceniem glikogenogenezy lecz jest odrębnym szlakiem

-glikogen z mięśni zuŜywany jest na potrzeby mięśni (szybkość degradacji glikogenu rośnie kilkaset krotnie po rozpoczęciu skurczu)

-glikogen z wątroby –utrzymanie odpowiedniego stęŜenia glukozy we krwi

Degradacja glikogenu (glikogenoliza)- fosforylaza glikogenowa

koniec nieredukujący

1.ETAP –uwolnienie glukozo-1-fosforanu z glikogenu

21

- sposób na zatrzymanie cukrów wewnątrz komórki (błona komórkowa jest nieprzepuszczalna dla fosforanów cukrów)

- korzystna energetycznie, oszczędza 1 cząsteczkę ATP

Degradacja glikogenu – dlaczego fosforoliza ???

Glc-6-P

Glc-1-P

fosfoglukomutaza

GLIKOLIZA

Degradacja glikogenu – dalsze losy Glc-1-P

2.ETAP –przekształcenie glukozo-1-fosforanu do glukozo-6-fosforanu

Glcuwalnianie do krwioobiegu

glukozo-6-fosfataza

22

Degradacja glikogenu – likwidacja rozgałęzień

3.ETAP –przekształcenia glikogenu w celu dalszej degradacji

Przekształcają strukturę rozgałęzioną glikogenu w strukturę liniową

fosforoliza

hydroliza

Regulacja degradacji glikogenu jest tkankowospecyficzna i zaleŜna od funkcji tkanki

Degradacja glikogenu – regulacja

Regulacja aktywności fosforylazyglikogenowej stanowi centrum kontroli degradacji glikogenu

23

FOSFORYLAZA GLIKOGENOWA: regulacja aktywności w mięśniu

dominuje w stanie spoczynku


AMP ATPGlc-6-P

AKTYWNA

Kinazafosforylazy

FOSFORYLAZA GLIKOGENOWA: regulacja aktywności w wątrobie

Wątrobowa fosforylaza glikogenowa jest niewraŜliwa na AMP


NIEAKTYWNA

Glc

Kinazafosforylazy

24

KINAZA FOSFORYLAZY GLIKOGENOWEJ

- takŜe aktywowana w wyniku fosforylacji

- do pełnej aktywności wymaga jonów wapnia (jedną z jej podjednostek jest kalmodulina)


Kinaza białkowa A

HORMONALNA REGULACJA DEGRADACJI GLIKOGENU


25

HORMONALNA REGULACJA DEGRADACJI GLIKOGENU: receptory sprzęŜone z białkami G


HORMONALNA REGULACJA DEGRADACJI GLIKOGENU


Efekt: zahamowanie syntezy glikogenu

Efekt: uwalnianie zmagazynowanej glukozy

26

Formy aktywneFormy nieaktywne

Metabolizm glikogenu – integracja hormonalna

Uruchamia degradację glikogenu

Hamuje syntezę glikogenu

Zapobiega syntezie glikogenu, w czasie gdy zachodzi jego rozkład

INSULINA W REGULACJI METABOLIZMU GLIKOGENU

INSULINA

Fosfataza białkowa 1

Syntaza glikogenu Fosforylaza glikogenu

Efekt: magazynowanie glikogenu

Metabolizm glikogenu –fosfatazy białkowe

27

- choroby spowodowane niedoborem jednego z enzymów metabolizmu glikogenu prowadzącym do nieprawidłowego magazynowania glikogenu w wątrobie i mięśniach

Zaburzenia w metabolizmie glikogenu- choroby spichrzeniowe

- choroby genetyczne, dziedziczone głównie autosomalnie(wyjątek: glikogenoza typu VIII dziedziczona w sposób sprzęŜony z chromosomem X)

- występują z częstotliwością 1:40.000

- wyróŜnia się glikogenozy mięśniowe i wątrobowe

- leczenie: przede wszystkim dobór odpowiedniej diety: częste podawanie posiłków, ograniczenie podaŜy białka, wykluczenie galaktozy i fruktozy

Zaburzenia w metabolizmie glikogenu- choroby spichrzeniowe

Objawy takie jak w syndromie McArdle’a, a takŜe moŜliwość niedokrwistości hemolitycznej

Niedobór fosfofruktokinazy w mięśniach i erytrocytach

Choroba Tarui

DuŜa zawartość glikogenu w wątrobie –tendencja do hipoglikemii

Niedobór fosforylazy w wątrobie (wątroba)

Choroba Hersa

Mięśnie zawierają bardzo duŜo glikogenu (2,5- 4,1%), ale nie mogą go wykorzystać –zmniejszona zdolność do wysiłku fizycznego

brak fosforylazy w mięśniach (mięśnie)

Syndrom McArdle’a(niedobór miofosforylazy)

Na skutek nagromadzenia polisacharydu o niewielkiej liczbie rozgałęzień dochodzi do niewydolności krąŜenia i wątroby –śmierć w 1 roku Ŝycia

brak enzymu rozgałęziającego (wątroba i śledziona)

Choroba Andersena (Amylopektynoza)

Nagromadzenie charakterystycznego rozgałęzionego polisacharydu

brak enzymu odgałęziającego (mięśnie i wątroba)

Choroba Forbesa lub Cori

Na skutek nagromadzenia glikogenu w lizosomach (zwłaszcza serca) dochodzi do niewydolności krąŜenia i śmierci

niedobór lizosomalnej alfa 1-4 i alfa 1-6 glukozydazy(wszystkie organy)

Choroba Pompego

kom. wątrobowe i nerkowe przeładowane glikogenem;

hipoglikemia, ketoza, kwasica mleczanowa

niedobór glukozo-6-fosfatazy (wątroba lub nerki)

Choroba von Gierkego

CharakterystykaPrzyczyna Nazwa choroby

28

GLIKOGENOLIZA

aminokwasy, glicerol, mleczanGLUKONEOGENEZA

GLUKOZA glikogen

Skąd jeszcze moŜna wziąć glukozę ?

Zapasy glukozy wystarczą do pokrycia zapotrzebowania na ten cukier przez mniej więcej 1 dzień

GLUKONEOGENEZA=

proces syntezy glukozy z substratów niewęglowodanowych

Glukoneogeneza – co to jest ?

29

GLUKOZOśERCY

MÓZG

ERYTROCYTY

MIĘSIEŃ NA DŁUGU TLENOWYM

OKO

Dlaczego glukoza jest tak istotna ?

wątroba kora nerki

na potrzeby całego organizmu

Glukoneogeneza – w jakich organach zachodzi ?

75 % 25 %

30

na własne potrzeby

mięśnie szkieletowe

mięsień sercowy

mózg

Glukoneogeneza – w jakich organach zachodzi ?

?

MLECZAN

AMINOKWASY (oprócz Leu, głównie Ala)

Glukoneogeneza – substraty

glikoliza

białko pokarmowe

hydroliza białek mięśni

31

WĄTROBA MIĘŚNIE SZKIELETOWE

mleczan mleczan

glukozaglukoza

pirogronian pirogronian

alanina alanina

GLUKONEOGENEZA

GLIKOLIZA

naczynie krwionośne

Substraty glukoneogenezy a cykl Corich

MLECZANglikoliza

AMINOKWASY (oprócz Leu, głównie Ala)

białko pokarmowe

hydroliza białek mięśni


GLICEROLhydroliza triacylogliceroli

32

Glukoza

Glukozo-6-fosforan

Fruktozo-6-fosforan




3-fosfoglicerynian

2-fosfoglicerynian


2 x Pirogronian

Szczawiooctan

GLUKONEOGENEZA


mleczan

glicerol

aminokwasyaminokwasy

Glukoza

Glukozo-6-fosforan

Fruktozo-6-fosforan




3-fosfoglicerynian

2-fosfoglicerynian


2 x Pirogronian

Heksokinaza


Fosfofruktokinaza

Aldolaza

Izomeraza triozofosforanowa


Kinaza fosfoglicerynianowa

Fosfogliceromutaza

Enolaza


Glukoneogeneza nie jest odwróceniem glikolizy

SzczawiooctanKarboksylaza pirogronianowa

Karboksykinaza fosfoenolopirogronianowa

Fruktozo-1,6,-bisfosfataza

Glukozo-6-fosfataza

GLIKOLIZA

GLUKONEOGENEZA

MITOCHONDRIUM

Retikulumendoplazmatyczne

NADH

NAD+, Pi

ATP

ADP

H2O

ATP, HCO3-ADP, Pi

GTPGDP, CO2

H2O

Pi

H2OPi

2 pirogronian + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH + 6 H2O

→ glukoza + 4 ADP + 2 GDP + 6 Pi +2 NAD+ +2 H+

33

1. REGULACJA ALLOSTERYCZNA

Regulacja glukoneogenezy i glikolizy

2. MODYFIKACJE KOWALENCYJNE (FOSFORYLACJA)

3. REGULACJA POZIOMU ENZYMÓW

Regulacja glukoneogenezy i glikolizy

Mały ładunek energetyczny komórki (↑↑↑↑ AMP i/lub ADP) sygnalizuje zapotrzebowanie na ATP i stymuluje glikolizę, a hamuje glukoneogenezę

DuŜy ładunek energetyczny komórki (↑↑↑↑ ATP) i duŜo prekursorów biosyntetycznych(acetylo CoA, cytrynian) stymuluje glukoneogenezę, a hamuje glikolizę

34

Insulina

Karboksylaza PIR

Karboksykinaza PEP

Fru-1,6-bisPaza

Glc-6-Paza

(enzymy kluczowe glukoneogenezy)

Glukagon

Adrenalina

Glukokortykoidy

Glukoneogeneza i glikoliza – regulacja hormonalna

Fosfofruktokinaza

Kinaza PIR

(enzymy kluczowe glikolizy)

dieta wysokowęglowodanowa

głodzenie

cukrzyca

GLUKONEOGENEZA

Regulacja glukoneogenezy

35

W skrócie

Metabolizm glukozy

GLUKOZA

pirogronian

rybozo-5-fosforan

glikogen

GLIKOLIZA

SZLAK PENTOZO-

FOSFORANOWY


Glukozo-6-P

GLUKONEOGENEZA

Glukozo-1-P

GLIKOGENOLIZA

GLIKOGENOGENEZA

UDP-glukoza

36

Metabolizm węglowodanów- zalecana literatura

1. „Biochemia” red. A. Stryer

2. „Biochemia Harpera” red. Harper

Dziękuję za uwagę

Documents

AM-w__glowodany-dietetycy-tylko_szlaki_