Embed Size (px)
DESCRIPTION
Glikoliza, metabolizam glikolize, metabolizam ugljenih hidrata
Citation preview
1
1
~ 8. METABOLIZAM UGLJENIH HIDRATA ~
• obezbeđuju 10-15 % ukupne energije živog organizma• skrob, glikogen – skadišni oblici Glc• Glc – izvor energije, izvor intermedijera
• putevi u metabolizmu UH:
anabolički1. glukoneogeneza (... → Glc)2. glikogeneza (Glc → glikogen)3. pentoza-fosfatni put (Glc → riboza, eritroza)4. fotosinteza (CO2 → Glc)
katabolički1. glikoliza (Glc → pyr)2. glikogenoliza (glikogen → Glc)
Ugljeni hidrati obezbeđuju značajan deo energije i intermedijera koje koriste živi organizmi, te ne iznenađuje činjenica da putevi metabolizma ovih jedinjenja zauzimaju centralno mesto u metabolizmu. Najznačajniji ugljeni hidrat je glukoza, koja se koristi kao izvor energije (pomoću procesa glikolize, Krebsovog ciklusa i oksidativne fosforilacije) i kao izvor intermedijera (piruvat i acetil-CoA). Višak glukoze konvertuje se u forme pogodnije za skladištenje – skrob (kod biljaka) i glikogen (kod životinja).
Niz metaboličkih puteva uključen je u metabolizam ugljenih hidrata: glikoliza (oksidacija glukoze do piruvata), glukoneogeneza (sinteza glukoze iz nešećernih prekursora), glikogenoliza (hidroliza glikogena do glukoze), glikogeneza (izgradnja glikogena iz glukoze), pentoza-fosfatni put (sinteza pentoza iz heksoza) i fotosinteza (sinteza glukoze iz CO2).
2
2
8.1. GLIKOLIZA• anaerobna razgradnja Glc do piruvata:sumarno: Glc + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi → 2 pyr + 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP + 2 H2O
O OH
OH
OH
OH
OHOHO
OOOH
O
• ključni put u energetskom metabolizmu• aerobni organizmi: priprema monosaharida za oksidativnu degradaciju• anaerobni organizmi:proizvodnja energije
• u citoplazmi
• 10 sukcesivnih enzimski katalizovanih r-ja
• skoro svi intermedijeri – fosfati• sprečava se gubitak intermedijera iz ćelije• → visokoenerg. molekuli → prenos Pi na ADP • povećava se reaktivnost
Glc Glc
Glc6P
Glikoliza predstavlja proces anaerobne razgradnje glukoze do dva molekula piruvata. Pritom se 2 molekula ADP prevode u ATP, a 2 molekula NAD+ redukuju do NADH.
Ovo je ključni put u energetskom metabolizmu, jer generiše značajne količine energije. Kod aerobnih organizama, relativno se mala količina energije direktno proizvodi u glikolizi (2 ATP po molekulu glukoze). Umesto toga, ona priprema monosaharide za dalju degradaciju u Krebsovom ciklusu, koji se kupluje sa oksidativnom fosforilacijom, pri čemu nastaje dodatnih ~34 moleukula ATP po molekulu glukoze. U anaerobnim uslovima (tkiva u slučaju nedovoljne snabdevenosti kiseonikom, tumori, mikroorganizmi) i nekim tkivima (retina, neke ćelije mozga) glikoliza je primarni ili jedini izvor energije. O značaju glikolize najbolje govori činjenica da su genetske bolesti vezane za glikolizu retke – mutacije u genima koji kodiraju glikolitičke enzime tipično dovode do brze smrti ćelije, te ona nema ni priliku da se umnožava.
Glikoliza se odvija u citoplazmi. Čini je 10 sukcesivnih enzimski katalizovanih reakcija. Svi intermedijeri su fosfatni estri, iz više razloga. Prvo, ovim se sprečava njihov gubitak iz ćelije (budući da su veoma polarni, ne mogu da prođu kroz ćelijsku membranu, a proteini-nosači za njh ne postoje) a stimuliše ulazak glukoze (budući da je koncentracija slobodne, nefosforilovane glukoze niska). Drugo, tokom biološke oksidacije ovih fosfata nastaju visokoenergetski proizvodi koji mogu da prenesu fosfatni ostatak na ADP, gradeći ATP. Na kraju, fosforilacijom se povećava i reaktivnost, čime se olakšavaju dalje reakcije.
3
3
glukoza-fosfatizomeraza
Fruktoza-6-fosfat Fru6P
O OH
OH
OH
OH
O
PO
O-O
-
Glukoza-6-fosfat Glc6P
OOH
OH
OHOH
OP
O
O-
O-
• zahteva energiju (troše se 2 ATP po 1 Glc)
O OH
OH
OH
OH
OHO OH
OH
OH
OH
O
PO
O-O
-
ATP ADP
heksokinaza
Glukoza Glc
Glukoza-6-fosfat Glc6P
• Glc6P podleže unutarmolekulskom premeštanju:
Glc
Glc6P
Fru6P
Fru1,6BP
DHAP G3P
1,3BPG
3PG
2PG
PEP
Pyr
heksokinaza
GlcPizomeraza
O
OH
OH
OH
OH
OPO32-
OH
O
OH
OH
OH
OPO32-
8.1.1. Reakcije pripremne faze
Glikoliza se može podeliti u dve faze – pripremnu (fazu ulaganja) i fazu isplate. Pripremna faza zahteva utrošak energije u vidu ATP (ukupno 2 ATP po molekulu glukoze), u cilju prevođenja šećera u odgovarajuće fosfate (ovaj ATP će u kasnijim fazama biti nadoknađen). C-6 hidroksilna grupa grupa glukoze fosforiluje se pod dejstvom transferaza iz grupe heksokinaza (EC 2.7.1.1.), pri čemu nastaje glukoza-6-fosfat (Glc6P). Iako je reakcija glukoze sa fosfatom endergona, zahvaljujući kuplovanju sa hidrolizom ATP promena slobodne energije ukupne ΔG << 0, te je reakcija povoljna i praktično ireverzibilna. Fosforilacijom se, kao što je pomenuto, olakšava i stimuliše transport glukoze u ćeliju i sprečava njen gubitak. U jetri se nalazi poseban tip (izozim) heksokinaze – glukokinaza. Glukokinaza ima mnogo viši Km, aktivna je samo pri visokim koncentracijama glukoze, i ima funkciju njene pripreme za ugradnju u glikogen odn. deponovanje.
Alternativno, Glc6P može nastajati i hidrolizom glikogena (preko Glc1P).
U sledećem koraku, pod dejstvom glukoza-6-fosfat izomeraze (fosfoglukoza izomeraze, EC 5.3.1.9), Glc6P podleže unutarmolekulskom premeštanju pri čemu nastaje fruktoza-6-fosfat (Fru6P). Do izomerizacije dolazi u acikličnoj formi, preko endiolnog intermedijera (v. 3.1.3. izomerizacija bazama). Konverzija aldoheksoze u kezoheksozu neophodna je za odvijanje 4. reakcije (Fru1,6BP → DHAP + G3P)
Fru6P takođe može poticati i od Fru.
4
4
fosfofruktokinaza-1
Fruktoza-1,6-bisfosfat Fru1,6BP
OOH
O
OHOH
OP
O
O-
O- O
-P
O
O-
Fruktoza-6-fosfat Fru6P
OOH
OH
OHOH
OP
O
O-
O-
ATP ADP
• pod dejstvom fosfofruktokinaze (PFK-1), Fru6P prevodi se u Fru1,6BP, čime se:
• molekul destabilizuje• ova faza čini ireverzibilnom
Glc
Glc6P
Fru6P
Fru1,6BP
DHAP G3P
1,3BPG
3PG
2PG
PEP
Pyr
• PFK - najvažniji regulatorni enzim glikolize
PFK
U narednoj fazi, pod dejstvom transferaze – fosfofruktokinaze-1* (PFK-1, EC 2.7.1.11), Fru6P prevodi se u fruktoza-1,6-bisfosfat** (Fru1,6BP), uz utrošak još jednog molekula ATP. Energija prenesena na molekul destabilizuje ga, i omogućava njegovo razlaganje u sledećem koraku.
Zahvaljujući kuplovanju sa energetski veoma povoljnom reakcijom hidrolize ATP, ukupna promena slobodne energije reakcije ΔG je <0, zbog čega je reakcija praktično ireverzibilna (za odvijanje suprotne reakcije, hidrolize Fru1,6BP do Fru6P, neophodan je drugi enzim). Ovo je takođe i korak koji ograničava i, samim tim, diktira ukupnu brzinu glikolize (predstavlja „usko grlo”). Zahvaljujući tome, fosfofruktokinaza je najvažniji regulatorni enzim glikolize; njena aktivnost reguliše se nizom alosternih efektora. Može se postaviti pitanje, zašto se tek u ovoj fazi glikoliza reguliše, a ne u prvoj reakciji (katalizovanoj heksokinazom)? Odgovor leži u činjenici da neki ugljeni hidrati mogu da zaobiđu prvu reakciju i direktno se konvertuju u Fru6P. Tek je reakcija Fru6P→Fru1,6BP zajednička za sve ulazne puteve.
*PFK-2 prevodi Fru6P u Fru2,6BP**pažnja: ne “difosfat”
5
5
trioza-fosfat izomeraza
O
O
OH
O-
POO
-
OH
O
O
P OO
-O
-
D-gliceraldehid-3-fosfatG3P
Dihidroksiaceton-fosfatDHAP
fruktoza-bisfosfataldolaza
Fruktoza-1,6-bisfosfat Fru1,6BP
OOH
O
OHOH
OP
O
O-
O- O
-P
O
O-
O
O
OH
O-
POO
-
+OH
O
O
P OO
-O
-
D-gliceraldehid-3-fosfatG3P
Dihidroksiaceton-fosfatDHAP
• destabilizovana Fru1,6BP se razlaže na dve triozeGlc
Glc6P
Fru6P
Fru1,6BP
DHAP G3P
1,3BPG
3PG
2PG
PEP
Pyr
FruBPaldolaza
trioza-fosfatizomeraza
• DHAP se konvertuje u G3P
Destabilizovana Fru1,6BP se pod dejstvom lijaze – fruktoza-bisfosfat aldolaze (EC 4.1.2.13) cepa na dve trioze (C6 → 2 C3): ketotriozu dihidroksiaceton (DHAP), koja nastaje od ugljenikovih atoma 1–3 fruktoze, i aldotriozu gliceraldehid-3-fosfat (G3P), koja potiče od ugljenikovih atoma 4–6. U pitanju je reakcija aldolnog cepanja, suprotna aldolnoj reakciji.
Nastali DHAP (ketotrioza) se pod dejstvom trioza-fosfat izomeraze (TPI, EC 5.3.1.1) konvertuje u G3P (aldotriozu). Od dva moguća izomera, reakcija je pomerena ka stvaranju G3P jer se on u sledećem koraku troši. Sumarno, dakle, iz jednog molekula Fru1,6BP nastaju dva molekula G3P, koji se prosleđuju u narednu fazu glikolize. Ovim se sprečava potreba za formiranjem dva odvojena puta za obradu dva produkta. Kao i kod reakcije Glc6P⇔Fru6P, i ova izomerizacija teče preko endiola.
6
6
fosfogliceratkinaza
ADP ATP
OH
O
O
P OO
-O
-
O-
3-fosfoglicerat3PG
OH
O
O
P OO
-O
-
O P
O
O-
O-
1,3-bisfosfoglicerat1,3BPG
gliceraldehid-fosfatdehidrogenazaOH
O
O
P OO
-O
-
D-gliceraldehid-3-fosfatG3P
NAD+
PiNADHH2O
OH
O
O
P OO
-O
-
O P
O
O-
O-
1,3-bisfosfoglicerat1,3BPG
•trioza (G3P) se oksiduje i fosforiluje
Glc
Glc6P
Fru6P
Fru1,6BP
DHAP G3P
1,3BPG
3PG
2PG
PEP
Pyr
GAPDH
• fosfat se prenosi sa 1,3BPG na ADP, uz sintezu ATPfosfogliceratkinaza
8.1.2. Reakcije faze isplate
U drugoj polovini glikolize – fazi isplate – dolazi do oksidacije nastalih intermedijera, uz oslobađanje energije u vidu energijom bogatih jedinjenja – ATP i NADH. Po jednom molekulu G3P nastaju 1 molekul NADH i 2 molekula ATP, odn. po molekulu Glc – 2 NADH i 4 ATP. Budući da su u fazi pripreme utrošena 2 ATP (za fosforilaciju Glc i Fru6P), ukupni bilans je 2 NADH i 2 ATP.
U prvoj reakciji, trioza (G3P) se u prisustvu oksidoreduktaze – G3P dehidrogenaze (EC 1.2.1.12) –oksiduje i istovremeno fosforiluje u 1,3-bisfosfoglicerat (1,3BPG)*. Reakcija oksidacije karbonilne grupeG3P teče uz visokonegativnu promenu Gibsove slobodne energije; deo nje skladišti se u mešovitoj anhidridnoj grupi. U ovoj reakciji za fosforilaciju nije potreban utrošak ATP – energija oslobođena oksidacijom dovoljna je za direktno vezivanje neorganskog fosfata (H2PO4
–, Pi). Ostatak energije skladišti se u NADH, koji nastaje prenosom elektrona sa G3P na NAD+. Svaki molekul NADH može u procesu oksidativne fosforilacije generisati nekoliko molekula ATP (mada, samo pri aerobnim uslovima). Zahvaljujući tome, u ovom koraku se proizvodi glavnina energije dobijene glikolizom. Ova faza glikolize troši značajne količine NAD+, koji se mora regenerisati (u procesu oksidativne fosforilacije ili nekim drugim metaboličkim putevima).
Nastali 1,3BPG ima veći sadržaj energije od ATP (–49 kJ/mol nasuprot –32 kJ/mol). U narednom koraku, fosfatni ostatak prenosi se sa 1,3BPG na ADP u prisustvu transferaze – fosfoglicerat kinaze (EC 2.7.2.3) –pri čemu nastaje 3-fosfoglicerat (3PG). Ovaj korak je značajan jer omogućava deponovanje energije oslobođene oksidacijom u molekul ATP, u procesu poznatom kao fosforilacija na nivou supstrata (nasuprot oksidativnoj fosforilaciji, o kojoj će biti reči kasnije). Zaključno sa ovim korakom, bilans ATP u glikolizi je 0 (2 ATP utrošena, 2 ATP nastala).
*2,3-BPG, koji je alosterni inhibitor hemoglobina, sintetiše se u eritrocitima iz 1,3-BPG
7
7
enolazaO
O
O-
P
O
O-
O-
fosfoenolpiruvatPEP
O
O
OH
O-
P
O
O-
O-
2-fosfoglicerat2PG
H2O
fosfogliceratmutaza
O
O
OH
O-
P
O
O-
O-
2-fosfoglicerat2PG
OH
O
O
P OO
-O
-
O-
3-fosfoglicerat3PG
Glc
Glc6P
Fru6P
Fru1,6BP
DHAP G3P
1,3BPG
3PG
2PG
PEP
Pyr
• odgovarajućom izomerazom 3PG se prevodi u 2PG
fosfogliceratmutaza
• enolaza eliminiše vodu iz 2PG → fosfoenolpiruvat
enolaza
Nastali 3-fosfoglicerat se pod dejstvom izomeraze – fosfoglicerat mutaze* (EC 5.4.2.1) – prevodi u 2-fosfoglicerat (2PG). Daljom eliminacijom vode iz 2PG pod dejstvom lijaze – enolaze (2-fosfoglicerat dehidrataze, EC 4.2.1.11) – nastaje fosfoenolpiruvat (PEP), jedinjenje veoma bogato energijom.
* mutaze – transferaze koje katalizuju prenos fosfatnog ostatka sa jednog dela molekula na drugi
8
8
piruvat kinazaO
O
O-
piruvatPyr
ADP ATPO
O
O-
P
O
O-
O-
fosfoenolpiruvatPEP
Glc
Glc6P
Fru6P
Fru1,6BP
DHAP G3P
1,3BPG
3PG
2PG
PEP
Pyr
• energija PEP → fosforilacija na nivou susptrata → ATP
piruvatkinaza
• piruvat – jedan od ključnih intermedijera:
pyr
Glc
alkoholno vrenjemlečnokiselinsko vrenje
Ala, Asp, Asn
acetil-CoA
terpeni, steroidi...
Krebsovciklus
energija
AK
mk
PEP ima veći sadržaj energije (veći potencijal za prenos fosfata) od ATP (–62 kJ/mol nasuprot –32 kJ/mol), i može u reakciji tipa fosforilacije na nivou supstrata (pod dejstvom transferaze – piruvat kinaze, PK, EC 2.7.1.40) konvertovati ADP u ATP, pri čemu sâm prelazi u piruvat (pyr). Nakon ove faze, ukupan bilans ATP je pozitivan – po 1 molekulu Glc nastaju 2 molekula ATP. I ova faza glikolize je ireverzibilna, i ima regulatornu funkciju.
Sâm piruvat nastao u ovoj reakciji jedan je od ključnih intermedijera u metabolizmu. Prekursor je u glukoneogenezi (sintezi glukoze), prekursor je nekih aminokiselina (Ala, Asp, Asn), supstrat je kod alkoholnog i mlečnokiselinskog vrenja, a nakon dekarboksilacije i konverzije u acetil-CoA uključuje se u Krebsov ciklus (i koristi za proizvodnju energije) ili u sintezu masnih kiselina, nekih aminokiselina, terpenoida, steroida...
9
9
Glc 2 Pyr
2 NAD+
2 NADH + 2 H+
2 ADP + 2 Pi
2 ATP + 2 H2O
2 NADH
Glc
Glc6P
Fru6P
Fru1,6BP
DHAP + G3P
2× 1,3BPG
2× 3PG
2× 2PG
2× PEP
2× Pyr
ATP
ATP
2 ATP
2 ATP
• u samoj glikolizi – relativno malo energije• kod aerobnih organizama: daljom oksidacijom piruvata → još 34 ATP
8.1.3. Bilans glikolize
Sumarno, u procesu glikolize 1 molekul glukoze konvertuje se u 2 molekula piruvata. Energija oslobođena oksidacijom deponuje se u energetski bogatim jedinjenjima – NADH i ATP. Po jednom molekulu glukoze, nastaju 2·1=2 NADH, i 2·(1+1)–1–1=2 ATP. Dok je ukupan energetski bilans relativno mali (sintetiše se malo energije), kod aerobnih organizama glikoliza je samo pripremna faza – daljom oksidacijom piruvata u Krebsovom ciklusu i transferom elektrona u elektron-transportnom nizu generišu se još 34 molekula ATP po 1 molekulu Glc.
10
10
• intermedijeri glikolize učestvuju u brojnim anaboličkim putevima
• glukoneogenezi• sintezi lipida• pentoza-fosfatnom putu• Krebsovom ciklusu →
sinteza AK, nukleotida, tetrapirola
Glc
Glc6P
Fru6P
Fru1,6BP
DHAP + G3P
1,3BPG
3PG
2PG
PEP
Pyr
Glc1P glikogen
pentoza-fosfatinukleotidi
aminošećeriglikolipidiglikoproteini
glicerol-3-Plipidi
2,3BPG
Ser
Ala
Asp
Asn
pirimidini
Phe, Tyr, Trp
8.1.4. Glikoliza kao izvor intermedijera
Pored uloge u energetskom metabolizmu, glikoliza je i izvor brojnih intermedijera koji učestvuju u anaboličkim putevima, odn. predstavljaju gradivne blokove različitih biomolekula. Primeri:•iz Glc6P se sintetišu pentoze, uključujući ribozu i deoksiribozu koje su prekursori nukleozida, nukleotida, nukleinskih kiselina i nekih koenzima•iz DHAP se sintetiše glicerol-3-fosfat, koji je prekursor glicerofosfolipida (fosfoglicerida)•PEP, pyr i 3PG prekursori su niza aminokiselina: Ser, Phe, Tyr, Trp, Asp, Asn, Ala...
11
11
• f-je glikolize:• dobijanja energije (ATP)• dobijanja gradivnih blokova
• brzina se reguliše preko 3 enzima koji katalizuju ireverzibilne r-je:
• glukokinaze (druge heksokinaze ne)• fosfofruktokinaze• piruvat kinaze
• regulacija se postiže:• alosternim vezivanjem aktivatora/
inhibitora (ms)• kovalentnom modifikacijom (s)• na nivou ekspresije gena (d)
• inhibirana kada ćelija ima dovoljno energije i metabolitâ
heksokinaza
fosfofruktokinaza
Glc
Glc6P
Fru6P
Fru1,6BP
DHAP G3P
1,3BPG
3PG
2PG
PEP
Pyr
piruvat kinaza
–
+ATP–
acetil-CoA
–
ATP–
AMP+
Fru2,6BP
+
+
–citrat
Ala
–
8.1.5. Regulacija glikolize
Glikoliza ima ključno mesto u metabolizmu – predstavlja izvor energije i gradivnih blokova. Brzina ovog puta precizno je kontrolisana, i na nju utiču oba faktora – energetski status ćelije i dostupnost intermedijera. Brzina glikolize reguliše se preko tri enzima koji katalizuju ireverzibilne reakcije: heksokinaze, fosfofruktokinaze i piruvat kinaze. Aktivnost ova tri enzima postiže se alosternim vezivanjem aktivatora ili inhibitora (omogućava veoma brz odgovor, reda milisekundi), kovalentnom modifikacijom (sporiji odgovor, reda sekundi) i kontrolom ekspresije gena (spora adaptacija, reda dana).
Regulacija preko PFK odličan je primer alosterne feed-forward aktivacije i feed-back inhibicije. Kada je sadržaj energije u ćeliji (izražen kao odnos koncentracija ATP/AMP) visok, PFK je alosterno inhibirana ATP-om, i glikoliza usporava (jer nema potrebe za daljom proizvodnjom). S druge strane, kada postoji energetski deficit (nizak ATP/AMP odnos, odn. visoka koncentracija AMP), AMP aktivira PFK i intenzivira produkciju energije. PFK takođe inhibira i citrat, koji nastaje u Krebsovom ciklusu iz krajnjeg produkta glikolize – piruvata, a koji signalizira dostupnost intermedijerâ*. Fruktoza-2,6-bisfosfat (Fru2,6BP), koja se sintetiše iz Fru6P, potentan je aktivator PFK u jetri. Glukagon, pankreatični hormon koji u organizmu signalizira nedostatak glukoze, inhibira sintezu Fru2,6BP a stimuliše njegovu razgradnju, čime usporava glikolizu (a, paralelno, pokreće suprotan proces – sintezu glukoze u jetri i njeno lučenje u krvotok).
Brzinu glikolize reguliše i aktivnost piruvat kinaze. Pored ATP (koji signalizira dostupnost energije), ovaj enzim alosterno inhibiraju i acetil-CoA i alanin (koji nastaju iz piruvata i koji signaliziraju dostupnost metabolitâ) a aktiviraju ga PEP i Fru1,6BP.
Dok druge heksokinaze ne učestvuju u regulaciji glikolize, na aktivnost glukokinaza (u jetri) utiče više faktora. Na primer, visoke koncentracije Glc usled kooperativnosti rezultuju povišenim afinitetom, te je stimulisana sinteza Glc6P (koji se dalje koristi za sintezu glikogena). Glc6P, koja ostale izozime inhibira, ne utiče na aktivnost glukokinaze, što omogućava njenu sintezu u velikim količinama.
Na kraju, brzina se može regulisati i preko dostupnosti prekursora – glukoze. Koncentracija Glc u ćeliji mnogo je niža nego u krvotoku, te se ona GLUT nosačima pasivno transportuje u ćeliju. U nekim tkivima –skeletni mišići, masno tkivo – ćelije povećavaju broj molekula GLUT proteina kao odgovor na hormonalni stimulus (insulin).
* postoje sumnje da li je inhibicija citratom značajna za regulaciju glikolize u ćeliji
12
12
8.1.6. Metabolička sudbina piruvata
O
OO-
piruvat
NADHH+
OH
OO-
laktat
NAD+
laktatdehidrogenaza(LDH)
1. bakterije: mlečnokiselinsko vrenje
2. životinje: hipoksija
O
OO-
piruvat
O
acetaldehid
CO2
NADH + H+
OH
etanol
NAD+
Pyr dekarboksilaza
alkoholdehidrogenaza
• kvasci:alkoholno vrenje
O
OO-
piruvat
OSCoA
acetil-CoA
piruvatdehidrogenazaNAD+
CoA-SH
CO2 NAD+
1/2 O2 H2O
NADH H+
• gubitak C1 → acetil-CoA → Krebsov ciklus
Aerobna oksidacija Anaerobni uslovi
Metabolička sudbina piruvata, nastalog u glikolizi, zavisi od tipa organizma, kao i od uslova (dostupnosti kiseonika). Kod aerobnih organizama u aerobnim uslovima, piruvat se dalje oksiduje uz gubitak jednog atoma ugljenika kao CO2, utrošak NAD+ i vezivanje jednog molekula koenzima A, dajući acetil-CoA. Acetil-CoA dalje se prosleđuje u Krebsov ciklus ili koristi kao prekursor u anabolizmu. Tokom konverzije Glc u acetil-CoA, troši se ukupno 4 molekula NAD+; vremenom, ovo bi dovelo do potpunog utroška NAD+ i prestanka glikolize. Da bi metabolizam mogao normalno da teče, nastali NADH se u elektron-transportnom nizu reoksiduje do NAD+, uz utrošak kiseonika. Kod anaerobnih organizama, kao i aerobnih u uslovima hipoksije, koriste se alternativni putevi za regeneraciju NAD+.
Jedna mogućnost je alkoholna fermentacija (alkoholno vrenje) – piruvat se dekarboksilacijom prevodi u acetaldehid, koji dalje oksiduje NADH pri čemu se sam redukuje do etanola*. Proces se javlja kod kvasaca, i koristi se za industrijsku proizvodnju etanola, alkoholnih pića, i pekarskih proizvoda (oslobođeni CO2 omogućava dizanje testa).
Druga mogućnost je korišćenje piruvata za oksidaciju NADH, pri čemu se on sam prevodi u laktat (mlečnu kiselinu). Ovaj proces javlja se kod bakterija koje izazivaju mlečnokiselinsko vrenje (nastala mlečna kiselina odgovorna je za kiselost fermentisanih mlečnih proizvoda, kao i za karijes), kod životinja (u mišićima tokom intenzivnog rada uz nedovoljnu oksigenaciju), i kod biljaka (npr. kada su pod vodom).
* Inače, alkohol unesen u organizam prevodi se u ćelijama u acetaldehid i, dalje, u acetil-CoA koji se uključuje u Krebsov ciklus, iz čega sledi da alkohol predstavlja nutrijent. Međutim, nastali intermedijer –acetaldehid – toksičan je jer se lako vezuje za proteine, a utrošak NAD+ dovodi i do niza poremećaja u energetskom metabolizmu (gašenje Krebsovog ciklusa → nagomilavanje piruvata → stvaranje laktata, gašenje glukoneogeneze → hipoglikemija), što vodi karakterističnim simptomima mamurluka.
13
13Jetra
Glikogen Glukoza
Mišići
• redukcija pyr kod aerobnih organizama → regeneracija NAD+ u uslovima hipoksije
• laktat (mlečna kiselina) nije odgovoran za upalu mišića!
O OH
OH
OH
OH
OH
glukoza
OO-
OH
2laktat
OO-
O
2 piruvat2NAD+ 2NADH
Glc + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi → 2 pyr + 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP + 2 H2OPyr + NADH + H+ → Lac + NAD+ ×2-------------------------------------------------------------------------------------------------Glc + 2 ADP + 2 Pi → 2 Lac + 2 ATP + 2 H2O
• laktat se u jetri konvertuje u glukozu i vraća u mišiće (Korijev ciklus)
LaktatATP
Glukoza
ATP
glikoliza
Kod aerobnih organizama redukcija piruvata do laktata ima funkciju regeneracije NAD+ u uslovima hipoksije, npr. kod intenzivne mišićne aktivnosti (kada krv ne može da transportuje dovoljno O2 do tkiva). Dok se dobija mnogo manje energije nego pri uobičajenom toku glikolize (2 ATP, nasuprot 2+34 ATP), ovaj proces omogućava ćeliji da tokom kratkih perioda hipoksije i anoksije održava neometano funkcionisanje ključnih procesa.
Laktat nastao na ovaj način ne nagomilava se u mišićima nego se dalje prerađuje u jetri – uz utrošak energije, prevodi se ponovo u glukozu (u procesu glukoneogeneze). Nastala glukoza krvotokom se prosleđuje nazad u mišiće gde se ponovo koristi u glikolizi ili se (ukoliko je intenzivna aktivnost prestala) deponuje u vidu glikogena. Treba napomenuti da proces ne može da teče unedogled – za potrebe regeneracije glukoze iz laktata, jetra mora da troši sopstvene rezerve energije.
Iako se u literaturi često navodi da stvaranje laktata (mlečne kiseline) u mišićima uzrokuje fenomen upale mišića, to nije tačno – formiranje laktata ne dovodi do opadanja pH u mišićima (pošto je on baza, a ne kiselina), inhibicije kontrakcija i bola. Umesto toga, acidoza koja inhibira kontrakcije posledica je intenzivne hidrolize ATP (ATP4– + H2O → ADP3– + HPO4
2– + H+).
14
14
8.1.7. Ulazak ostalih šećera u glikolizu
Glc
Glc6P
Fru6P
Fru1,6BP
DHAP G3P
...
GlikogenSkrob
Glc1Pfosfoglukomutaza
fosforilaza
Fru heksokinaza (u mišićima)
Fru1P
fruktokinaza(u jetri)
ATP
ADPFru1P aldolaza (u jetri)
ADPATP
Pi
Gal galaktokinaza(u jetri)
ADPATPGal1PGal1P uridiltransferaza
UDP-Glc UDP-Gal
UDP-Glc 4-epimeraza
fosfomanozaizomeraza
Man6P
Man
heksokinazaATP
ADP
Saharoza saharazaH2O
LaktozaH2O
laktaza
*
Pored glukoze i Glc6P kao najčešćih supstrata, i mnogi drugi ugljeni hidrati mogu ući u proces glikolize, i stoga predstavljaju energetska goriva.
•Polimeri glukoze – skrob i glikogen – razgrađuju se amilazom na Glc1P, koja se dalje izomerazom –fosfoglukomutazom – prevodi u Glc6P, intermedijer glikolize.
•Fruktoza (iz voća) fosforiluje se u jetri pod dejstvom fruktokinaze, uz utrošak ATP, dajući Fru1P koji se takođe uključuje u put.
•Saharoza (iz biljaka, ili dodata u hranu) se u digestivnom traktu pod dejstvom hidrolaza iz grupe saharaza(uklj. invertazu, EC 3.2.1.26) hidrolizuje do glukoze i fruktoze. Ovi monosaharidi dalje, nakon fosforilacije, direktno ulaze u glikolizu.
•Laktoza (iz mleka) predstavlja glavni izvor energije za odojčad. Kod njih, laktoza se dejstvom hidrolaze –laktaze (EC 3.2.1.108) – razlaže na galaktozu (koja se konvertuje u Glc1P) i glukozu. Kod odraslih jedinki nivo laktaze je nizak. Laktozu umesto toga metabolišu intestinalne bakterije, uz produkciju gasova i kratkolančanih kiselina, što dovodi do grčeva, dijareje, mučnine... Ova pojava se naziva netolerancijom laktoze, i zapravo je normalno stanje odraslog organizma većine sisara, uključujući i čoveka. Samo kod određenih ljudskih populacija zahvaljujući mutacijama laktaza zadržava aktivnost i u odraslom dobu.
