Metabolizam ugljenih hidrata

Metabolizam ugljenih hidrataVarenje i razgradnja ugljenih hidrataVarenje Varenje je niz hemijskih procesa razgradnje makromolekula skroba, proteina i lipidaVarenje se3 obavlja u sistemu organa za varenje- digestivni traktProlaskom hrane kroz digestrivni trakt makromolekuli podleu uticaju sokova za varenje koji, sa izuzetkom ui, predstavljaju vodeni rastvor enzimaNeki nepromenjeni sastojci hrane ili degradacioni proizvodi odstranjuju se organima za izluivanje

Varenje ugljenih hidrataU hrani se nalaze uglavnom ugljeni hidrati biljnog porekla: skrob, celulozai disaharidi, i u manjim koliinama ivotinjskog porekla: glikogenVie od 50% UH je skrobMoe sadravati i monosaharide : glukozu i fruktozuVarenje poinje u ustima dejstvom enzima - amilaze iz pljuvake koja hidrolizuju (1 4) glikozidnu vezuVarenje ugljenih hidrataDalje se razgrauju u tankom crevu dejstvom amilaze iz pankreasaPoto -amilaza hidrolizuje samo (1 4) glikozidnu vezu, to se razgrauje potpuno amiloza, a amilopektin do mesta ravanja (1 6)

Varenje ugljenih hidrataIz amilo pektina nastaju dekstrini koji sadre (1 6) glikozidnu vezuOve veze se hidrolozuju posebnim enzimom (1 6) glukozidazeKao krajnji proizvodi hidrolize skroba nastaju maltoza i glukozaMaltoza i drugi disaharidi se razlau dejstvom enzima disaharidaza ( svaki ima svoj specifini enzim)

Varenje ugljenih hidrataVarenjem hrane nastaje vie vrsta monosaharida, a u crevnom traktu apsorbuju se samo glukoza, fruktoza i galaktoza.Glukoza je najvaniji monosaharid koji nastaje varenjemHranom se unosi i celuloza koju ovek ne moe da vari jer nema enzim za razlaganje (1 4) glikozidne veze, tako da ona prolazi kroz digestivni trakt nepromenjena Varenje ugljenih hidrataU crevnom epitelu apsorbovana glukoza se prenosi krvlju do elija, a posebno do elija jetreHormon insulin ubrzava prolaz glukoze u elijeU veini elija se glukoza procesom glikolize razgrauje do pirogroane kiseline (PGA) i acetil CoA uz oslobaanje male koliine energije.acetil CoA stupa u ciklus limunske kiseline kojim se obezbeuje vea koliina energije

Viak - manjakUkoliko ima vika glukoze u eliji ugrauje se u glikogen GLUKOGENEZA Nedostatak glukoze nadoknauje se hidrolizom glikogena GLIKOGENOLIZA ili sintezom iz drugih jedinjenja- GLUKONEOGENEZAUloga jetreU metabolizmu ugljenih hidrata jetra ima vanu uloguTo je organ sinteze i slui kao depo (skladite)Koliina glukoze u krvi se vrlo tano regulie hormonimaTi hormoni deluju najee u jetri koja, kao izvrni organ, izgrauje glikogen , ako postoji viak UH i time stvara rezervuIz rezerve se pri akutnom nedostatku, glukoza opet stvara i predaje u krvTo je olakano time to su elije jetre potpuno permeabilne( propustljive) za glukozu U ostalim elijama peremeabilnost glukoze regulie insulinTako se dobija neprestano pretvaranje izmeu glikogena i slobodne glukozeDrugi vaan zadatak jetre je sinteza glukoze iz laktata (miii) tako i iz proizvoda razgradnje proteinaGlikoliza: anaerobna oksidacijaProces glikolize koji se odvija u citosolu, obuhvata razgradnju glukoze preko piruvata do laktata u anaerobnim uslovima, a realizuje se u dve fazeA - faza glikolize u kojoj se razgradnja glukoze odvija preko niza intermedijera i uz uee vie enzima do gliceraldehid- 3-fosfata i B - faza glikolize u kojoj se produava razgradnja glukoze od gliceraldehid-3-fosfata do laktata.Glikoliza Glikoliza je poetna faza razgradnje glukoze i zajednika je praktino svim elijama. Glikoliza se odigrava u odsutnosti kiseonika pa anaerobnim organizmima moe osigurati svu potrebnu metaboliku energiju. U aerobnim elijama glikoliza je prva faza razgradnje glukoze.Razgradnja glukozeReakcije glikolize razgrauju glukozu do pirogroane kiseline uz oslobaanje dva molekula ATP-a. Poetne reakcije na glikolitikom putu u stvari troe energiju u vidu molekula ATP za fosforilaciju glukoze do glukozo-6-fosfata i zatim fruktoze-fosfata do fruktozo-1,6-bisfosfata. Enzimi koji kataliziraju ove dve reakcije, heksokinaza i fosfofruktokinaza, vane su regulacijske take glikolitikog puta. Kljuna je fosfofruktokinaza, koju inhibira visoki nivo ATP. Inhibicija fosfofruktokinaze izaziva nagomilavanje glukoza-6-fosfata, koji tada inhibira heksokinazu. Na taj se nain koi razgradnja glukoze kad elija ima dovoljno raspoloive metabolike energije u obliku ATP.A - preparativna faza

Proizvodnja ATP-aReakcije koje dolaze posle stvaranja fruktozo-1,6-bisfosfata pripadaju delu glikolitikog puta kojim se proizvodi energija. Raspadom fruktozo-1,6-bisfosfata nastaju dva molekula eera s tri ugljenikova atoma. Gliceraldehid-3-fosfat se oksidie u 1,3-bisfosfoglicerat. Fosfatna grupa tog jedinjenja ima vrlo veliku slobodnu energiju hidrolize pa se koristi u sledeoj reakciji glikolize za pokretanje sinteze ATP iz ADP. Produkt te reakcije, 3-fosfoglicerat, prevodi se zatim u fosfoenolpiruvat, drugi visoko-energijski intermedijar u glikolizi.B- faza dobijanja energije

Energetski bilans glikolizeHidroliza visokoenergijskog fosfata u fosfoenolpiruvatu tee pa se konverzija fosfoenolpiruvata u piruvat povezuje sa sintezom ATP. Svaki molekul gliceraldehid-3-fosfata, koja se prevede u piruvat, povezan je s proizvodnjom dva molekula ATP. Od poetnog molekula glukoze ukupno se sintetie etiri molekula ATP. Poto su dva molekula ATP bila potrebna za otpoinjanje prvih reakcija, ist dobitak od glikolize su dva molekula ATP.Energetski bilans glikolizePretvaranje glukoze u piruvat tokom glikolize nastaju dva molekula ATP-aGlukoza + 2Pi + 2ADP + 2NAD+ 2piruvat + 2ATP + 2NADH + 2H+ + 2H2OStvaranje redukovanog NADHPored proizvedenog ATP, glikoliza pretvara dva molekula koenzima NAD+ u NADH. U toj reakciji NAD+ deluje kao oksidacijsko sredstvo koje prima elektrone od gliceraldehid-3-fosfata. NADH, nastali produkt te reakcije, obnavlja, i slui kao donor elektrona u drugim oksido-redukcijskim reakcijama u eliji.U anaerobnim uslovima konverzijom piruvata u laktat ili etanol reoksidie se NADH nastao glikolizom u NAD+. U aerobnim organizmima NADH slui kao dodatni izvor energije dajui svoje elektrone transportnom lancu elektrona putem kojeg e na kraju posluiti za redukciju O2 u H2O uz povezano stvaranje dodatnog ATP.Sledei korak u metabolizmu Sledei korak u metabolizmu pirogroane kiseline njegova oksidativna dekarboksilacija u prisutnosti koenzima A (CoA) koji slui kao nosa acilnih grupa u razliitim metabolikim reakcijama. Jedan se ugljenik piruvata oslobodi kao CO2, a preostala dva ugljenika predaju se koenzimu A pa nastaje acetil-CoA. U tom se procesu redukuju molekuli NAD+ u NADH. Acetil-CoA nastao ovom reakcijom ulazi u ciklus limunske kiseline ili Krebsov ciklus koji je sredinji put oksidativnog metabolizma.Odravanje redoks ravnotee: razlicite sudbine piruvata

ovek NAD+ regenerie redukcijompiruvata u laktat

Kontrola glikolizeKvasci i neki drugi mikroorganizmi regenerirajuNAD+ oksidacijom piruvata u etanol

Glikoliza je strogo kontrolisana Fosfofruktokinaza je kljucni enzim kontrole glikolize

Krebsov ciklus/ ciklus limunske kiseline

CIKLUS LIMUNSKE KISELINEFaza aerobnog metabolizma usmerena je na potpunu oksidaciju piruvata do krajnjih proizvoda ugljen dioksida i vode.Ciklus razgradnje piruvata u aerobnim uslovima detaljno jeobjasnio biohemiar Hans Krebs po kome je ovaj ciklus dobio naziv Krebsov ciklus. Ovaj ciklus naziva se i ciklus trikarbonskih kiselina, jer u toku njegovog odvijanja stvaraju se molekuli kiselina sa tri karboksilne grupe, kao i ciklus limunske kiseline (citratni ciklus, CLK) zbog veoma bitne uloge koju ima citrat u njemu.CLKSam ciklus limunske kiseline ima dvostruku ulogu (amfibolina uloga), jer se u njemu susreu reakcije razgradnje (katobolizam) i reakcije sinteze (anabolizam).Oksidativnom dekarboksilacijom piruvata uz uee multienzimskog (PDH) kompleksa sastavljenog od tri enzima i prisutnog CoA-SH nastaje acetil-S-CoA.Nastali acetil-S-CoA predstavlja aktivirani acetat, koji se ukljuivanjem u ciklus limunske kiseline, razgrauje do krajnjih proizvoda CO2 i H2O. CLK praktino predstavlja stecite krajnjeg metabolizma i drugih organskih jedinjenja, a to su pre svih, pored ugljenih hidrata, aminokiseline i masne kiseline. U ciklusu limunske kiseline na svaki ukljueni molekul acetil-S-CoA nastaju 2 molekula CO2 uz oslobadjanje elektrona i H+ . Akceptori elektrona i H+ u toku skoro svih reakcionih faza CLK su NAD+ i FAD , koji prelaze u NADH i FADH2.CLKTokom svakog ciklusa limunske kiseline nastaju: 2 molekula GTP, 6 molekula NADH i 2 molekula FADH2 Sa ukljuenjem 2 molekula acetil-S-CoA (jedan molekul glukoze daje 2 molekula acetil-S-CoA). Oksidacijom svakog molekula NADH nastaju 3 molekula energijom bogatog ATP, i jo dva molekula ATP pri formiranju svakog FADH2 . Na ovaj nain svaki razgradjeni molekul glukoze daje ukupno 36 molekula ATP. (GTP je ekvivalentan ATP).

Aktivacija piruvataPirogrodjana kiselina - (odn. piruvat) dobijen glikolizom u citosolu transportuje se u mitohondrije gde se razlae do CO2 i H2O u CTK. Piruvat ne ulazi direktno u ciklus ve se prvo oksidativno dekarboksiluje uz uee enzimskog kompleksa piruvatdehidrogenaze(PDH-kompleks) do stvaranja energijom bogatog tioestarskog jedinjenja acetil-SCoA uz oslobadjanje CO2 i redukovanog NADH.Piruvat + NAD+ + CoA -SH------> acetil-CoA + NADH+CO2CH3COCOO- +NAD++ CoA-SH CH3CO-S-CoA + NADH +CO2Faze CLK Ciklus se sastoji iz osam faza: 1. Formiranje citrata, kondenzacijom Acetil CoA i oksaloacetata. 2. Pretvaranje citrata u izocitrat preko cis-akonitata. 3. Dehidrogenizacija izocitrata i dobijanje -ketoglutarata i CO2 4. Oksidacija -ketoglutarata do sukcinil-CoA i CO2 5. Pretvaranje sukcinil CoA u sukcinat. 6. Dehidrogenacija sukcinata u fumarat. 7. Hidratacija fumarata i formiranje maleata. 8. Dehidrogenacija maleata i formiranje oksalacetata.

Faza 1 1. Formiranje citrata, kondenzacijom Acetil CoA i okaloacetata. Proces katalie i regulie enzim citrat sintaza . U reakciji metilni ugljenik, acetilne grupe iz Acetil-CoA se kondenzuje sa karbonilnom grupom oksaloacetata; istovremeno tioestarska veza se cepa i oslobaa se slobodni koenzim A. citrat sintazaAcetil-CoA + oksaloacetat +H2O------------->citrat + CoA-SH + H+ CoA-SH dobijen u ovoj reakciji je slobodan i u mogunosti je da dalje uestvuje u oksidativnoj dekarboksilaciji naredne molekule piruvata da bi se dobio sljedei molekul acetil CoA koji ulazi u ciklus.

Faza 2 2. Pretvaranje citrata u izocitrat preko cis-akonitata.

Enzim akonitaza katalizira reverzibilno pretvaranje citrata u izoctirat preko intermedijerne formacije trikarboksilnog cis akonitata.

-Obzirom da se izocitrat stalno transformie u metabolite naredne faze cilkusa, reakcija se u elija stalno odvija udesno. Akonitaza je kompleksan enzim koji sadri gvoe

Faza 3 3. Dehidrogenizacija izocitrata i dobijanje -ketoglutarata i CO2 Uz pomo enzima izocitrat dehidrogenaze izocitrat dehirogenizira u -ketogulrat. izocitrat dehidrogenaza Izocitrat + NAD+ ----> -ketoglutarat+ CO2+ NADH + H+Enzim treba jone Mg 2+ i Mn 2+.

Faza 44. Oksidacija -ketoglutarata do sukcinil-CoA i CO2U ovoj fazi a-ketoglutarat prolazi oksidatovnu dekarboksilaciju i formira Sukcinil-CoA i CO2. Proces katalizira enzimski kompleks a-ketoglutarat dehidrogenaza

Faza 5 5. Pretvaranje sukcinil-CoA u sukcinat. Sukcinil-CoA je visokoenergetski metabolit. Velika koliina energije se oslobaa pri hidrolizi tioesterske veze. Sukcinil-S- CoA + H2O ----> Sukcinat+ CoA-SH + H+

U elijama sukcinil-CoA ne gubi CoA grupu prostom hidrolizom tokom koje se troi energija. Umesto toga, podlee vezanoj duploj reakciji, kojom se konzervira energija, a tokom kojih je cepanje tioestarske veze praeno fosforilacijom guanozin difosfata (GDP) u guanozin trifosfata (GTP).

Faza 66. Dehidrogenacija sukcinata u fumarat. Sukcinat, nastao u predhodnom stadijumu iz sukcinil-CoA, se dehidrogenizuje u fumarat. Proces se katalie uz pomo enzima sukcinat dehidrogenaze, koji je u kovalentnoj vezi sa FAD, koji ima ulogu akceptora vodonikovog atoma, Sukcinat + Sukcinatdehidrogenaza-FAD ----> Fumarat + Sukcinatdehidrogen.-FADH2 Sukcinat dehidrogenaza je inhibirana od strane malonata, to ima vanu ulogu u regulaciji samog ciklusa.

Faza 7 7. Hidratacija fumarata i formiranje maleata. Reverzibilna reakcija hidratacije fumarata u L-maleat, katalizirana je enzimom fumarat hidratazom, nazvan i fumaraza. Enzim je molekulske teine oko 200.000 sa etiri polipeptidne subjedinice, bez koenzima i jako je specifian. Hidratizuje dvostruku trans vezu fumarata, fumaraza i Mg2+ Fumarat + H2O ---->L-maleat Oxaloacetat + NADH + H+Reakcija je reverzibilna, meutim u standardnim uslovima je usmjerena udesno, obzirom da se oksaloacetat, kao produkt ove reakcije, brzo uklanja reakcijom citratne sintaze, te je njegova koncentracija u eliji jako mala.

Energetski bilans CLKPoto je svaki NADH ekvivalentan 3 ATP, FAD je ekvivalent 2 ATP, a GTP je ekvivalent 1 ATP imamo sledei ukupan energetski bilans po jednom molekulu glukoze:

reakcijaUkupno ATPGlukoza 2 piruvata2 piruvata CO2 + H2O2NADH+ H+ 2 NAD+2 ATP30 ATP4 ATP36 ATP

Kontrola pojedinih faza CLK

Glukoza ATPGlukoza-6-fosfatFruktoza-6-fosfat ATP ulaganje 2ATPFruktoza-1,6-difosfat

Gliceral-3-fosfat dihidroksi acetonfosfat NADH(2x)1,3-difosfoglicerat ATP(2x)3-fosfoglicerat2-fosfoglicerat biosinteza 4 ATP i 2 NADHFosfoenolpiruvat ATP(2x) Piruvat