1

Węglowodany

Glikoliza

Glikoliza jest łańcuchem reakcji przekształcających
jedną cząsteczkę glukozy w dwie cząsteczki

pirogronianu

z jednoczesnym wytworzeniem dwóch cząsteczek ATP.

Jest to proces anaerobowy (niewymagający dostępu tlenu).

Pirogronian może być dalej przekształcany w warunkach
beztlenowych do mleczanu (fermentacja mleczanowa)
lub di alkoholu (fermentacja alkoholowa).

W warunkach tlenowych pirogronian może być całkowicie
utleniony do CO

2

w ramach cyklu kwasu cytrynowego.

NIEKTÓRE SZLAKI PRZEMIANY GLUKOZY

PIROGRONIAN

ETANOL

MLECZAN

FERMENTACJA

CAŁKOWITE
UTLENIENIE

GLUKOZA

GLIKOLIZA

Fermentacja dostarcza energii pod nieobecność tlenu,
ale jest to tylko część energii, której cząsteczka glukozy
może dostarczyć.

Glikoliza:

glyk -słodki, lysis -rozpuszczanie

glukoza

2 x pirogronian

2 x acetylo-CoA

2 x mleczan

2 x etanol + 2 x CO

2

4CO

2

+ 4H

2

O

glikoliza

(10 reakcji)

warunki

tlenowe

warunki

beztlenowe

warunki

beztlenowe

cykl kwasu

cytrynowego

fermentacja alkoholowa

w dro

ż

d

ż

ach

ro

ś

liny, zwierz

ę

ta,

bakterie tlenowe

mi

ęś

nie pracuj

ą

ce, erytrocyty

i bakterie beztlenowe

3 etapy glikolizy

Etap 1:

glukoza

↓↓↓↓

fruktozo-1,6-bifosforan

FOSFORYLACJA GLUKOZY

Glukoza

Glukozo-6-fosforan

(G-6P)

glukokinaza

Mg

2+

Produktem wyjściowym glikolizy jest glukozo-6-fosforan: powstaje
on z glukozy dostarczanej z osocza, a w watrobie i mięśniach
także z glukozo-1-fosforanu (produkt rozpadu glikogenu).

Reakcja wymaga ATP!

2

1. ETAP HEKSOZ

glukoza

glukozo-6-fosforan

fruktozo-6-fosforan

fruktozo-1,6

bisfosforan

heksokinaza

izomeraza

glukozofosforanowa

fosfofruktokinaza

Indukowane substratem dopasowanie przestrzenne w
heksokinazie.

Heksokinaza składa się z dwóch domen,
które schodzą się podczas wiązania glukozy.
Szczelina między domenami zamyka się,
a związana glukoza jest otoczona przez białko.

Glukoza

Glukoza

Heksokinaza wychwytuje glukozę w komórce i rozpoczyna glikolizę

Istnieją 4 rodzaje heksokinazy:
heksokinazy I-III w mięśniach
heksokinaza IV w wątrobie

heksokinaza I
(w mięśniach)

heksokinaza IV
(w wątrobie)

względna
aktywność
enzymu

stężenie glukozy (mM)

Przeciętne stężenie
glukozy we krwi: 5 mM:
nadmiar glukozy
może być w wątrobie
przerabiany na
glukozo-6-fosforan.

Porównanie właściwości heksokinazy I

i heksokinazy IV (glukokinazy)

heksokinaza I

tkanki

wysokie powinowactwo do glukozy

aktywność enzymu jest hamowana
przez produkt reakcji G6P

heksokinaza IV

(glukokinaza)

wątroba,

ββββ

-komórki trzustki

niskie powinowactwo do glukozy

aktywność enzymu nie jest hamowana
przez produkt reakcji G6P

wzrost aktywności enzymu pod
wpływem insuliny (dieta
wysokowęglodanowa)

Glukozo-6-fosforan

(G-6P)

Fruktozo-6-fosforan

F-6P

Izomeraza

glukozofosforanowa

aldoza

ketoza

Izomeryzacja glukozo-6-fosforanu do fruktozo-6-fosforanu

Fosfofruktokinaza

PFK-1

Fruktozo-6-fosforan

F6P

Fruktozo-1,6-bisfosforan

F1,6P

Fosfofruktokinaza

(PFK1

) katalizuje nieodwracalną reakcję

fosforylacji fruktozo-6-fosforanu do fruktozo-1,6-bifosforanu.

Prawidłowy przebieg i szybkość procesu glikolizy zależy od poziomu

aktywności tego enzymu. PFK-1 jest enzymem allosterycznym,

kontrolowanym przez -

ATP, cytrynian

,

cAMP, AMP, ADP, 2,6-

fruktozobisfosforan.

Reakcja wymaga ATP!

3

1 etap glikolizy: przekształcenie glukozy
we fruktozo-1,6-bifosforan.

2 etap glikolizy: rozszczepienie sześciowęglowego
cukru do dwóch trójwęglowych fragmentów.

3 etapy glikolizy

Etap 2:

fruktozo-1,6-bifosforan

↓↓↓↓

aldehyd 3-fosfoglicerynowy (GAP)

+

dihydroksyaceton

fruktozo-1,6-bifosforan

(F-1,6-BP)

aldolaza

fosfodihydroksyaceton

(DHAP)

aldehyd 3-fosfoglicerynowy

(GAP)

powstawanie

aldehydu 3-fosfoglicerynowego

przez rozszczepienie

fruktozo-1,6-bisfosforanu

adehyd 3-fosfoglicerynowy

(GAP)

fosfodihydroksyaceton

(DHAP)

izomeraza

triozofosforanowa

Fosfodihydroksyaceton na bocznym szlaku glikolizy może przechodzić w
fosfoglicerol, który jest wykorzystywany do trójglicerydów i fosfatydów
(tkanka tłuszczowa)

Izomeraza triozofosforanowa przekształca pulę

fragmentów trójwęglowych, ponieważ fosfodihydroksyaceton

nie wchodzi w następny etap szlaku glikolitycznego

3 etapy glikolizy

3 etap:

aldehyd 3-fosfoglicerynowy

↓↓↓↓

fosfoenolopirogronian

↓↓↓↓

pirogronian

1,3-bisfosfoglicerynian

3-fosfoglicerynian

2-fosfoglicerynian

fosfoenolopirogronian

pirogronian

kinaza

fosfoglicerynianowa

dehydrogenaza

aldehydu

3-fosfoglicerynowego

fosfogliceromutaza

enolaza

kinaza

pirogronianowa

aldehyd 3-fosfoglicerynowy

4

adehyd 3-fosfoglicerynowy

(GAP)

1,3 -bisfosfoglicerynian

(1,3-BDG)

Aldehyd 3-fosfoglicerynowy

ulega utlenieniu z jednoczesną fosforylacją

dehydrogenaza

aldehydu 3-fosfoglicerynowego

Dehydrogenaza aldehydu 3-fosfoglicerynowego jest tetramerem silnie

związanym z koenzymem NAD

+

1,3 -bisfosfoglicerynian

(1,3-BPG)

3-fosfoglicerynian

Wysokoergiczna grupa fosforanowa zostaje przeniesiona na ADP

przez

kinazę fosfoglicerynianową

.

Energia powstała w

fosforylacji substratowej

jest wykorzystana do syntezy

ATP

kinaza

fosfoglicerynianowa

1

,3 -bisfosfoglicerynian (1,3-BDG) może wchodzić na boczny szlak glikolizy: pod

wpływem mutazy 2,3 -bisfosfoglicerynianowej powstaje: 2,3 -bisfosfoglicerynian. Ma to
znaczenie dla transportu tlenu do tkanek, ponieważ 2,3- BPG wiąże się z odtlenowaną
formą hemoglobiny, utrwala jej konformację i przyczynia się do zwiększenia dopływu
tlenu do tkanek.

Przekształcenie 3-fosfoglicerynianu w pirogronian

3-fosfoglicerynian

2-fosfoglicerynian

fosfoenolopirogronian

pirogronian

fosfogliceromutaza

enolaza

kinaza

pirogronianowa

3-fosfoglicerynian

2-fosfoglicerynian

Fosfogliceromutaza

przekształca 3-fosfoglicerynian

w 2-fosfoglicerynian

fosfogliceromutaza

5

2-fosfoglicerynian

fosfoenolopirogronian

Dehydratacja 2-fosfoglicerynian pod wpływem

enolazy

enolaza

fosfoenolopirogronian

Kinaza pirogronianowa

przenosi resztę fosforanową na ADP

fosforylacja substratowa

pirogronian

kinaza pirogronianowa

Kontrola aktywności katalitycznej kinazy pirogronianowej

wysoki

poziom glukozy

we krwi

niski

poziom glukozy

we krwi

ufosforylowana

kinaza

pirogronianowa

(mniej aktywna)

zdefosforylowana

kinaza pirogronianowa

(bardziej aktywna)

fruktozo-1,6-

bisfosforan alanina

pirogronian

fosfoenolopirogronian

Dalsze losy NADH:

- jeżeli O

2

jest dostępny,

NADH jest utleniony ponownie
w procesie oksydacyjnej
fosforylacji;

- jeżeli O

2

nie jest dostępny,

NADH jest utleniony ponownie
przez dehydrogenazę mleczanową
lub alkoholową,
dostarczając NAD

+

do dalszej

glikolizy.

Dalsze losy pirogronianu:

- O

2

dostępny: cykl kwasu cytrynowego

- O

2

niedostępny: wytworzenie

mleczanu lub etanolu

Losy pirogronianu

pirogronian

mleczan

acetylo-CoA

aldehyd

octowy

etanol

dalsze

utlenianie

Przemiana pirogronianu w etanol (drożdże)

pirogronian

aldehyd

octowy

etanol

dekarboksylaza

pirogronianowa

dehydrogenaza

alkoholowa

6

Przekształcenie pirogronianu w mleczan

(warunki beztlenowe - mięśnie i erytrocyty)

pirogronian

mleczan

dehydrogenaza

mleczanowa

Glikoliza -wytworzenie

ATP

kosztem degradacji glukozy i dostarczenie

składników budulcowych do różnych reakcji syntez.

W procesie glikolizy reakcje katalizowane przez

heksokinazę

,

fosfofruktokinazę i kinazę pirogronaianową

są nieodwracalne.

Aktywność ich jest regulowana przez odwracalne wiązanie czynników
allosterycznych lub modyfikację kowalencyjną.

Najważniejszym miejscem kontroli glikolizy u ssaków jest

fosfofruktokinaza.

Wydajność energetyczna

przekształcania glukozy w pirogronian

Glukoza + 2Pi +2ADP + 2NAD

+

2 cząsteczki pirogronianu + 2ATP +2NADH + 2H

+

+ 2H

2

O

Glikoliza: od glukozy do pirogronianu w cytoplazmie

Wydajność ATP na cząsteczkę glukozy

-1

-1

+2

+2

netto +2

Kolejność reakcji

fosforylacja glukozy

fosforylacja fruktozo-6-P

defosforylacja 2 cząsteczek

1,3-BPG (1,3-bisfosfoglicerynianu)

defosforylacja 2 cząsteczek
fosfoenolopirogronianu

Przy utlenieniu 2 cząsteczek aldehydu 3-fosfoglicerynowego powstają
2 cząsteczki NADH, które podczas fosforylacji oksydacyjnej w
mitochondriach dają 2x1,5 + 3ATP( z uwzględnieniem transportu NADH
przez czółenko glicerolo-fosforanowe).

WEJŚCIE FRUKTOZY I GALAKTOZY DO GLIKOLIZY

Przemiana galaktozy i jej zaburzenia

laktoza

galaktoza

glukoza

laktaza

7

Fosforylacja galaktozy (wątroba)

galaktoza

Galaktozo-1-fosforan

galaktokinaza

Utworzenie UDP-galaktozy

Glikoliza: glukoza

→

→

→

→

pirogronian

Glukoneogeneza: pirogronian

→

→

→

→

glukoza

Glukoneogeneza nie jest odwróceniem glikolizy

(biorą udział inne enzymy)

Enzymy inne niż

w szlaku glikolizy

reakcje nieodwracalne

karboksykinaza fosfoenolopirogronianowa

karboksylaza pirogronianowa

8

Przekształcanie pirogronianu w fosfoenolopirogronian

rozpoczyna się od utworzenia szczawiooctanu

Szczawiooctan wykorzystywany
do glukogenezy w cytozolu powstaje
w matriks w wyniku karboksylacji
pirogronoanu.

Szczawiooctan opuszcza
mitochondrium
w formie jabłczanu, który w cytozolu
jest powtórnie utleniany do
szczawiooctanu.

szczawiooctan

pirogronian

pirogronian

szczawiooctan

jabłczan

jabłczan

Transport szczawiooctanu z mitochondrium do cytoplazmy

cytoplazma

Glukozo

6-fosfataza

Fruktozo

1,6-bisfosfataza

Koniec glukoneogenezy

Początek glikolizy

glukoza

glukozo-6-fosforan

fruktozo-6-fosforan

fruktozo-1,6

bisfosforan

heksokinaza

izomeraza

glukozofosforanowa

fosfofruktokinaza

Schemat białek retikulum endoplazmatycznego (ER), które
uczestniczą w wytwarzaniu glukozy z cytozolowego glukozo-6-
fosforanu

T1 transportuje glukozo-6-fosforan do światła retikulum.
T2 przenosi fosforan do cytozolu.
T3 przenosi glukozę do cytozolu.
Glukozo-6-fosfataza jest stabilizowana przez białko wiążące Ca

2+

(SP).

Przeciwstawna regulacja glukoneogenezy i glikolizy w wątrobie

Stężenie F-2,6-BP jest duże
w stanie nasycenia pokarmem,
a małe w okresie głodowania

glukozo-6-fosfataza

glukoza

fruktozo-6-fosforan

fruktozo-1,6-bisfosforan

fosfoenolopirogronian

szczawiooctan

pirogronian

kinaza pirogronianowa

fosfofruktokinaza

glikoliza

glukoneogeneza

karboksykinaza

fosfoenolopirogronianowa

fruktozo

1,6-bisfosfataza

karboksylaza pirogronianowa

heksokinaza

(kilka etapów)

(kilka etapów)

9

Wydajność energetyczna przekształcania glukozy w pirogronian

(

glikolizy

)

Glukoza + 2Pi +2ADP + 2NAD

+

2 cząsteczki pirogronianu + 2ATP +2NADH + 2H

+

+ 2H

2

O

Synteza glukozy z pirogronianu (

glukoneogeneza

) zachodzi

kosztem

6 wiązań

wysokoenergetycznych

2 cząsteczki pirogronianu + 4ATP +2GTP + 2NADH + 6H

2

O

glukoza + 4ADP +2GDP + 2NAD

+

+

6Pi + 2H

+

Różnice enzymatyczne między

glikolizą

a

glukoneogenezą

Glikoliza

•

heksokinaza

•

fosfofruktokinaza

•

kinaza

pirogronianowa

Glukoneogeneza

•

glukozo-6-fosfataza

•

fruktozo-1,6-bisfosfataza

•

karboksykinaza

fosfoenolopirogronianowa

•

karboksylaza

pirogronianowa

Podczas intensywnych ćwiczeń, szybkość powstawania pirogronianu
w warunkach anaerobowych w szlaku glikolitycznym jest większa,
niż szybkość jego utleniania w cyklu kwasu cytrynowego.

W wyniku redukcji pirogronianu powstaje mleczan (kwas mlekowy).

Redukcja pirogronianu do mleczanu jest spowodowana również
koniecznością odnowienia zapasów NAD

+

, który jest niezbędny

do utleniania aldehydu 3-fosfoglicerynowego (czyli do podtrzymania
glikolizy w pracującej tkance mięśniowej).

Tworząc mleczan mięśnie zyskują na czasie, a także przekazują
innym narządom część obciążenia.

Cykl Corich: mięśnie dostarczają mleczanu do wątroby, która zużywa
go do syntezy glukozy. Zarazem wątroba odbudowuje stężenie
glukozy niezbędne komórkom mięśniowym, które czerpią ATP
z jej glikolitycznego przekształcenia w mleczan.

CYKL CORICH

Mleczan powstający w pracującym mięśniu ulega w wątrobie
przekształceniu w glukozę

.

wątroba

mięśnie

mleczan

pirogronian

pirogronian

mleczan

Współdziałanie glikolizy z glukoneogenezą

glikogen

glukoza

w większości

komórek

glukozo-6-fosforan

glukozo-6-fosforan

glukoneogeneza

glikoliza

mleczan

pirogronian

glicerol

aminokwasy

mleczan

w wątrobie,

nerce

w wątrobie,

nerce

w mięśniach,
ertytrocytach

CYKL PENTOZOWY

CYKL PENTOZOWY przemiana glukozy do pentozofosforanów

(niezbędnych do syntezy nukleotydów

)

Glukozo-6-P + 2NADP

+

+ H

2

O

rybozo-5-P +

2NADPH

+ 2H

+

+ CO

2

NADPH

donor protonów i elektronów podczas
redukcyjnych procesów biosyntezy

NADH

utleniany w łańcuchu oddechowym,
wydzielona przy tym energia zostaje
zużyta do syntezy ATP

rybozo-5-P -

synteza nukleotydów

10

Szlaki metaboliczne wymagające

NADPH

SYNTEZY

kwasów tłuszczowych

cholesterolu

neurotransmiterów

nukleotydów

Detoksyfikacje

redukcja i utlenienie glutationu

monooksygenazy cytochromu P450

CYKL PENTOZOWY

Przeprowadzenie

nadmiaru pentoz,

niewykorzystanych

w syntezach

nukleotydów

w heksozy i triozy

glukozo-6-P

rybulozo-5-P

rybozo-5-P (C5)

ksylulozo-5-P (C5)

sedoheptulozo-7P (C7)

ksylulozo-5-P (C5)

erytrozo-4-P (C4)

Fruktozo-6-P (C6)

Fruktozo-6-P (C6)

aldehyd

fosfoglicerynowy

(3C)

aldehyd

fosfoglicerynowy

(3C)

Tlenowe spalenie glukozy

glukozo-6-P

6-fosfoglukonolakton

6-fosfoglukonian

rybulozo-5-P

Przekształcanie glukozo-6-P w rybulozo-5P

Transketolaza przenosi jednostki dwuwęglowe

Transaldolaza przenosi jednostki trójwęglowe

Enzymy

transketolaza

i

transaldolaza

tworzą odwracalne przejścia

między glikolizą a szlakiem pentozofosforanowym katalizując trzy

reakcje odwracalne w ten sposób nadmiar rybozo-5-P, może być

całkowicie przekształcony w intermediaty glikolizy

11

Cykl pentozowy jest aktywny w:

wątrobie - synteza kwasów tłuszczowych i cholesterolu

tkance tłuszczowej - synteza kwasów tłuszczowych

nadnerczach, jądra, jajniki - synteza sterydów

gruczoł mlekowy - synteza kwasów tłuszczowych

krwinki czerwone - utrzymanie zredukowanej formy
glutationu

Rola NADPH w krwinkach

czerwonych

redukcja dwusiarczkowej formy

glutationu do formy hydrosulfidowej

utrzymanie prawidłowej struktury
erytrocytów

utrzymanie hemoglobiny w formie
nieutlenowanej

brak zredukowanego glutationu -
hemoliza krwinek

Niedobór dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej w krwinkach:

anemia hemolityczna

Przemiana glukozo-6-fosforanu w wątrobie

1 Defosforylacja glukozo-6-P, uwolnienie
wolnej glukozy do krwi,stężenie glukozy
musi być utrzymywane na stałym
poziomie w celu dostarczenia energii do
mózgu i innych tkanek

2 Synteza glikogenu

3 Synteza ATP utlenienie glukozy
poprzez glikolizę, dekarboksylację
pirogronianu, cykl kwasu cytrynowego.

4 Synteza lipidów, kwasów tłuszczowych
cholesterolu z Acetylo-Co-A otrzymanego
w wyniku przeniany glukozy w glikolizie i
dekarboksylacji pirogronianu.

5 Glukoza w wyniku przemian w cyklu
pentozowym dostarcza NADPH
potrzebnego do biosyntezy kwasów
tłuszczowych i cholesterolu i ryboz-
5fosforanu prekursora do syntez
nukleotydów

Źródła energii podczas pracy mięśni

Odpoczynek, lekka

praca

mleczan

fosfokreatyna

kreatyna

ATP

APD+Pi

Glikogen

mięśniowy

Intensywna

praca mięśni

Kwasy tłuszczowe,

ciała ketonowe,

glukoza krwi

CO2

Skurcz mięsni

Fosfokreatyna jest ważnym źródłem energii w mięśniach

12

ŹRÓDŁA ENERGII ZALEśNE OD STANU ODśYWIENIA (MÓZG)

GŁODZENIE

PRAWIDŁOWA

DIETA

CIAŁA

KETONOWE

GLUKOZA

Norma

Objawy neurologiczne, głód,
uwolnienie,uwolnienie glukagonu,
adrenaliny i kortyzolu,

Drgawki, utrata
przytomności

Uszkodzenie mózgu,
śmierć

Stężenie glukozy we

krwi

Hormonalna regulacja przemiany cukrowej

Glikokortykoidy

indukcja enzymów

glukoneogenezy

Adrenalina (mięśnie)

wzrost stężenia cAMP,

pobudzenie

rozkładu glikogenu,

hamowanie

syntezy glikogenu

ACTH

wzrost stężenia cAMP

REGULACJA POZIOMU GLUKOZY WE KRWI

PRZEZ INSULINĘ I GLUKAGON

GLIKOGEN

GLUKOZA

PIROGRONIAN

GLIKOGEN

GLUKOZA

PIROGRONIAN

MIĘŚNIE:

insulina stymuluje

pobór i zużycie glukozy

WĄTROBA:

glukagon stymuluje

syntezę i eksport glukozy

wysoki poziom

glukozy

niski poziom

glukozy

trzustka

insulina

glukagon

glukoza

żyła

Hormonalna regulacja przemiany cukrowej

wzrost stężenia glukozy we krwi

insulina

•

hamowanie glikogenolizy

•

hamowanie glukoneogenezy

•

pobudzenie syntezy glikogenu

(wątroba)

•

indukcja glukokinazy

•

wzmożona glikoliza (fruktozo-2,6-

P2)

obniżenie stężenia glukozy we krwi

glukagon

•

aktywacja cyklazy adenilowej

•

pobudzenie rozkładu glikogenu

•

hamowanie syntezy glikogenu

•

hamowanie spalania glukozy

(fruktozo2,6P2 fosforylacja kinaz i
dehydrogenazy pirogronianowej)

•

indukcja enzymów glukoneogenezy

(karboksylaza
fosfoenolopirogronianu)