Gospodarka węglowodanowa i tłuszczowa w organizmie człowieka
TEMAT: GOSPODARKA WĘGLOWODANOWA I TŁUSZCZOWA W ORGANIZMIE CZŁOWIEKA.
Węglowodany są szeroko rozpowszechnione w świecie roślinnym i zwierzęcym. Odgrywają one rolę zarówno strukturalną, jak i metaboliczną. W roślinach glukoza jest syntetyzowana z CO2 i H2O w procesie fotosyntezy i przechowywana jako skrobia lub ulega przekształceniu w błonnik szkieletu roślinnego. Zwierzęta mogą syntetyzować niektóre węglowodany, wykorzystując do tego celu tłuszcz i białka, ale większa część węglowodanów zwierzęcych jest pochodzenia roślinnego.
Lipidy są heterogenną grupą związków rzeczywiście lub potencjalnie pokrewnych kwasom tłuszczowym. Mają one wspólną cechę, którą jest 1) względna nierozpuszczalność w wodzie oraz 2) rozpuszczalność w rozpuszczalnikach niepolarnych, takich jak eter, chloroform i benzen. Do lipidów zalicza się więc tłuszcze, oleje, woski i związki pokrewne. Lipidy są ważnymi składnikami pokarmów nie tylko ze względu na ich dużą wartość energetyczną, lecz także dlatego, że w tłuszczach zawartych w naturalnych pokarmach znajdują się witaminy rozpuszczalne w tłuszczach oraz niezbędne (tzw. egzogenne) kwasy tłuszczowe.
ZNACZENIE BIOMEDYCZNE WĘGLOWODANÓW.
Znajomość struktury i właściwości węglowodanów fizjologicznie ważnych jest niezbędna do zrozumienia ich roli w ekonomii organizmu ssaków. Glukoza jest najważniejszym węglowodanem, ponieważ większość węglowodanów zawartych w pokarmach wchłania się do krwiobiegu jako glukoza lub jest przekształcana w nią w wątrobie, a w organizmie z glukozy mogą powstać wszystkie inne cukry. Glukoza jest istotnym źródłem energii w tkankach ssaków (z wyjątkiem przeżuwaczy) i uniwersalnym „paliwem” do płodu. Jest ona przekształcana w inne cukry odgrywające swoiste role, np. glikogen jako spichlerz; ryboza w kwasach nukleinowych; galaktoza w laktozie mleka, w pewnych lipidach oraz w połączeniu z białkami w glikoproteinach i proteoglikanach. Do chorób związanych z zaburzeniami węglowodanów zalicza się cukrzycę, galaktozemię, zaburzenia spichrzania glikogenu i nietolerancję mleka.
WĘGLOWODANY SĄ ALDEHYDOWYMI LUB KETONOWYMI POCHOD-NYMI ALKOHOLI WIELOHYDROKSYLOWYCH.
Węglowodany klasyfikuje się następująco:
1) monosacharydy - węglowodany, które nie ulegają hydrolizie do form prostszych. Na podstawie liczby atomów węgla można je podzielić na triozy, tetrozy, pentozy, heksozy, heptozy; oraz na aldozy i ketozy zależnie od obecności grupy aldehydowej lub ketonowej;
2) disacharydy - węglowodany, które podczas hydrolizy rozpadają się na 2 cząsteczki takich samych lub różnych monosacharydów (sacharoza, laktoza, maltoza);
3) oligosacharydy - to cząsteczki, które podczas hydrolizy rozpadają się na 3-6 jednostek monosacharydowych (np. maltotrioza - trisacharyd zbudowany z 3 reszt a-glukozy);
4) polisacharydy - w wyniku hydrolizy rozkładają się na ponad 6 cząsteczek monosacharydów (skrobie, dekstryny).
GLUKOZA JEST GŁÓWNYM MONOSACHARYDEM.
Struktura glukozy może być przedstawiona 3 sposobami: w formie łańcuchowej (ryc. 15-1A), jako wzór rzutowy Hawortha (ryc. 15-1B) lub w formie konformacji krzesełkowej (ryc. 15-1C).
Cukry występują w formie różnych rodzajów izomerów.
Związki o takim samym wzorze strukturalnym, ale różnej konfiguracji przestrzennej są znane jako stereoizomery. Warunkiem powstania izomerów przestrzennych są asymetryczne atomy węgla. Liczba możliwych izomerów danego związku zależy od liczby asymetrycznych atomów węgla (n) i równa się 2n. Glukoza, z 4 asymetrycznymi atomami węgla, ma 16 izomerów.
Ważniejsze rodzaje izomerów glukozy:
1) izomery konfiguracyjne D i L. Określenie izomeru jako formy D lub jej lustrzanego odbicia jako formy L jest uwarunkowane przestrzennym podobieństwem do macierzystego związku rodziny węglowodanów, trójwęglowego cukru - aldehydu glicerynowego (gliceroza jest nazwą nie wskazaną). Formy L i D przedstawiono na ryc. 15-2. Ustawienie grup -H i -OH wokół atomu węgla przylegającego do końcowego węgla pierwszorzędowego alkoholu warunkuje przynależność cukru do szeregu D lub L. Jeżeli grupa -OH przy danym atomie węgla znajduje się po stronie prawej, to cukier należy do szeregu D, jeśli grupa -OH znajduje się po stronie lewej, to cukier należy do szeregu L. Większość monosacharydów występujących u ssaków ma konfigurację D, a enzymy warunkujące ich metabolizm są swoiste dla tej konfiguracji;
2) piranozowe i furanozowe formy pierścieniowe. Podstawą terminologii jest fakt, że trwałe struktury pierścieniowe monosacharydów są podobne do struktury pierścienia piranu lub furanu (ryc. 15-3). Ketozy mogą również występować w formach pierścieniowych (np. D-fruktofuranoza lub D-fruktopiranoza) (ryc. 15-4). W przypadku znajdującej się w roztworze glukozy, ponad 99% jej cząsteczek znajduje się w postaci piranozowej;
3) a i b Anomery. Struktura pierścieniowa aldozy jest półacetalem, ponieważ została utworzona w wyniku reakcji grupy aldehydowej z grupą alkoholową (15-5). Podobnie pierścieniowa struktura ketozy jest półketalem. Krystaliczna glukoza jest a-D-glukopiranozą. W roztworze zachowuje się struktura cykliczna, ale pierwszy atom węgla (karbonylowy) staje się asymetryczny (anomeryczny atom węgla). Wynikiem tego jest powstanie mieszaniny zawierającej a-glukopiranozę (36%) i b-glukopiranozę (63%) oraz śladowe ilości a i b anomerów glukofuranozy (1%). Ustalaniu się równowagi w tym układzie towarzyszy zmiana skręcalności optycznej (mutarotacja), w miarę otwierania się pierścienia półacetalowego i jego odtwarzania wraz ze zmianami położenia grup -H i -OH przy pierwszym atomie węgla;
4) Epimery - są to izomery różniące się konfiguracją -OH i -H przy atomach węgla 2,3 lub 4 glukozy. Najważniejszymi biologicznie epimerami glukozy są mannoza i galaktoza, utworzone przez epimeryzację odpowiednio przy węglu 2 i 4 (ryc. 15-6);
5) Izomery konstytucyjne - aldoza, ketoza. Fruktoza ma ten sam wzór cząsteczkowy co glukoza, lecz różni się wzorem strukturalnym. Przy drugim atomie węgla cząsteczki fruktozy znajduje się potencjalna grupa ketonowa (ryc. 15-7), natomiast glukoza zawiera potencjalną grupę aldehydową w pozycji 1 (RYC. 15-8).
NAJWAŻNIEJSZYMI DISACHARYDAMI SĄ MALTOZA, SACHAROZA I LAKTOZA.
Disacharydy są cukrami złożonymi z 2 reszt monosacharydowych połączonych wiązaniem glikozydowym (ryc. 15-13). Nazwę chemiczną disacharydów tworzy się na podstawie ich monocukrowych składników. Ważnymi fizjologicznie disacharydami są maltoza, sacharoza, laktoza i trehaloza.
W wyniku hydrolizy sacharozy powstaje mieszanina zwana „cukrem inwertowanym”, gdyż powstająca w trakcie hydrolizy silnie lewoskrętna fruktoza powoduje zmianę (inwersję) skręcalności optycznej pierwotnie prawoskrętnej sacharozy.
POLISACHARYDY PEŁNIĄ FUNKCJE ZAPASOWE I STRUKTURALNE.
a/ skrobia - ma budowę łańcucha a-glikozydowego. Takie związki, rozpadające się w trakcie hydrolizy tylko na cząsteczki glukozy, są homopolimerami zwanymi glukozanami lub glukanami. Skrobia jest najważniejszym źródłem węglowodanów w pożywieniu i znajduje się w kaszach, ziemniakach, roślinach strączkowych i innych warzywach. Dwoma głównymi składnikami skrobii są: amyloza (15-20%), tworząca nierozgałęzioną strukturę helikoidalną oraz amylopektyna (80-85%), tworząca łańcuchy rozgałęzione.
b/ glikogen - (ryc. 15-15) jest zapasowym polisacharydem organizmów zwierzęcych. Często nazywa się go skrobią zwierzęcą. Ma strukturę bardziej rozgałęzioną niż amylopektyna.
c/ inulina - jest polisacharydem występującym w bulwach i korzeniach dalii, karczochów i mniszka lekarskiego. Ulega ona hydrolizie do fruktozy, jest więc fruktozanem. Ten cukier zapasowy, w odróżnieniu od skrobi ziemniaków, jest łatwo rozpuszczalny w ciepłej wodzie i bywa używany w badaniach fizjologicznych do określenia szybkości filtracji w kłębuszkach nerkowych.
d/ dekstryny - są substancjami powstającymi podczas częściowej hydrolizy skrobi. Pierwszymi produktami trawienia skrobi, tworzonymi w wyniku skracania łańcuchów bocznych amylopektyny, są dekstryny graniczne.
e/ błonnik (celuloza) - jest głównym składnikiem podporowym u roślin. Nie rozpuszcza się w popularnych rozpuszczalnikach. Tworzy, zbudowane z jednostek b-D-glukopiranozowych, długie, proste łańcuchy wzmocnione krzyżowymi wiązaniami wodorowymi. Błonnik nie jest trawiony w przewodzie pokarmowym wielu ssaków, w tym człowieka, z powodu braku hydrolazy działającej na wiązania b. Jest ważnym składnikiem „objętościowym” pożywienia. W żołądku przeżuwaczy i innych trawożernych występują mikroorganizmy zdolne rozbić wiązanie b, co pozwala wykorzystać błonnik jako znaczące źródło energetyczne.
f/ chityna - jest ważnym polisacharydem strukturalnym u bezkręgowców. Znajduje się ona np. w pancerzach skorupiaków i owadów. Strukturalnie chityna składa się z jednostek N-acetylo-D-glukozaminy.
g/ glikozaminoglikany (mukopolisacharydy) - składają się z łańcuchów węglowodanów złożonych, charakteryzujących się zawartością aminocukrów i kwasów uronowych. Po przyłączeniu tych łańcuchów cukrowych do cząsteczki białka powstaje składnik zwany proteoglikanem. Razem z elastyną i kolagenem, elementami strukturalnymi takich tkanek, jak kość, tworzą substancję podstawową, czyli kitową. Znaczna liczba grup -OH i ładunków ujemnych, które przez odpychanie utrzymują w cząsteczce łańcuchy węglowodanowe osobno, powoduje, że glikozaminoglikany mają właściwość zatrzymywania znacznej ilości wody oraz pęcznienia i dzięki temu zdolność do nadawania właściwości amortyzujących lub poślizgowych innym strukturom. Przykładem są kwas hialuronowy, siarczan chondroityny i heparyna.
h/ glikoproteiny (mukoproteiny) - występują w różnych płynach i tkankach, w tym w błonach komórkowych. Są to białka złożone zawierające w różnych ilościach węglowodany, przyłączone jako długie lub krótkie, rozgałęzione lub nierozgałęzione łańcuchy. Łańcuchy takie zwykle nazywa się łańcuchami oligosacharydowymi. Składniki cukrowe obejmują: heksozy: Mannoza (Man), Galaktoza (Gal); Acetyloheksozaminy: N-Acetyloglukozamina (GlcNAc), N-Acetylogalaktozamina (GalNAc); Pentozy: Arabinoza (Ara), Ksyloza (Xyl); Metylopentozy: L-Fukoza (Fuc); Kwasy sjalowe: pochodne N-acylowe kwasu neuraminowego, np. kwas N-acetyloneuraminowy (NeuAc), główny kwas sjalowy.
Dojrzałe glikoproteiny, oprócz kolagenu, nie zawierają glukozy i w przeciwieństwie do glikozaminoglikanów i proteoglikanów nie zawierają kwasów uronowych.
i/ kwasy sjalowe - są N lub O-acylowymi pochodnymi kwasu neuraminowego.
j/ kwas neuraminowy - jest 9-węglowym cukrem, którego strukturę można wyprowadzić łącząc mannozaminę (epimer glukozaminy) z pirogronianem. Kwasy sjalowe są składnikami zarówno glikoprotein jak i gangliozydów.
WĘGLOWODANY ZNAJDUJĄ SIĘ W BŁONACH KOMÓRKOWYCH.
Analiza składników błon komórkowych ssaków wykazuje, że ok. 5% stanowią węglowodany, które znajdują się w glikoproteinach i glikolipidach. Ich obecność na zewnętrznej powierzchni błony plazmatycznej (glikokaliks) wykazano przy użyciu lektyn roślinnych, aglutynin białkowych, które wiążą się swoiście z pewnymi resztami glikozylowymi, np. konkanawalina A jest swoista w stosunku do reszt a-glukozylowych i a-mannozylowych.
Glikoforyna jest główną integralną glikoproteiną błony ludzkich erytrocytów. Zbudowana ze 130 reszt aminoacylowych tkwi w błonie lipidowej tak, że z zarówno zewnętrznej, jak i z wewnętrznej (cytoplazmatycznej) powierzchni błony wystają wolne części polipeptydowe. Łańcuchy sacharydowe są przyłączone tylko do części N-końcowej, znajdującej się na zewnątrz powierzchni zewnętrznej błony.
BIOMEDYCZNE ZNACZENIE LIPIDÓW.
W organizmie tłuszcze służą jako wydajne źródło energii zarówno bezpośrednio, jak i potencjalnie, gdy odłożone są w tkance tłuszczowej. Tłuszcze tkanki podskórnej i gromadzące się wokół pewnych narządów służą jako izolator termiczny, a lipidy niepolarne jako izolatory elektryczne pozwalające na szybkie rozprzestrzenianie się fal depolaryzacyjnych wzdłuż mielinowych włókien nerwowych. Zawartość tłuszczów jest wyjątkowo duża w tkance nerwowej. Połączenia tłuszczu z białkiem (lipoproteiny) stanowią ważne składniki komórkowe występujące zarówno w błonie komórkowej, jak i w mitochondriach, a także służą jako środki transportu lipidów w osoczu krwi. Znajomość biochemii lipidów konieczna jest do zrozumienia wielu zagadnień biomedycznych, np. otyłości, miażdżycy oraz roli różnych wielonienasyconych kwasów tłuszczowych zarówno w żywieniu, jak i w zdrowiu.
LIPIDY DZIELI SIĘ NA PROSTE I ZŁOŻONE.
Klasyfikacja lipidów według Bloora jest następująca:
A. Lipidy proste - estry kwasów tłuszczowych z różnymi alkoholami.
1. Tłuszcze właściwe - estry kwasów tłuszczowych z glicerolem. Tłuszcze występujące w stanie płynnym nazywa się olejami.
2. Woski - estry kwasów tłuszczowych z długołańcuchowymi alkoholami monohydroksylowymi.
B. Lipidy złożone - estry kwasów tłuszczowych zawierające, oprócz alkoholu i kwasów tłuszczowych, jeszcze grupy dodatkowe.
1. Fosfolipidy - lipidy zawierające oprócz kwasów tłuszczowych i glicerolu, resztę kwasu fosforowego. Często zawierają one zasadę azotową i inne podstawniki.
a. Glicerofosfolipidy - alkoholem jest glicerol
b. Sfingofosfolipidy - alkoholem jest sfingozyna
2. Glikolipidy (glikosfingolipidy) - lipidy zawierające kwas tłuszczowy, sfingozynę i węglowodany.
3. Inne lipidy złożone - takie lipidy, jak sulfolipidy i aminolipidy. W tej grupie można umieścić również lipoproteiny.
C. Prekursory i pochodne lipidów - należą tu kwasy tłuszczowe, glicerol, steroidy, alkohole inne niż glicerol i sterole, aldehydy tłuszczowe, związki ketonowe, węglowodory, witaminy rozpuszczalne w tłuszczach i hormony.
Ze względu na brak ładunku w cząsteczkach, acyloglicerole (glicerydy), cholesterol i estry cholesterolu określa się mianem lipidów obojętnych.
KWASY TŁUSZCZOWE SĄ ALIFATYCZNYMI KWASAMI KARBOKSYLOWYMI.
Kwasy tłuszczowe występują głównie w formie zestryfikowanej w naturalnych tłuszczach i olejach, ale w surowicy krwii występują i są transportowane w formie niezestryfikowanej jako wolne kwasy tłuszczowe. Kwasy tłuszczowe występujące w tłuszczach naturalnych są zwykle pochodnymi nierozgałęzionych łańcuchów węglowodorowych i zawierają parzystą liczbę atomów węgla, ponieważ są syntetyzowane z jednostek dwuwęglowych. Ich łańcuch może być nasycony (brak wiązań podwójnych) lub nienasycony (z jednym, lub więcej, wiązaniem podwójnym).
Nienasycone kwasy tłuszczowe można podzielić na podgrupy ze względu na ich stopień nienasycenia:
a. kwasy jednonienasycone (monoetenoidy, kwasy monoetenowe) - zawierające jedno wiązanie podwójne
b. kwasy wielonienasycone (polienoidy, kwasy polienowe) - zawierające więcej wiązań podwójnych
c. eikozanoidy - grupa związków obejmująca prostanoidy i leukotrieny (LT). Do prostanoidów zalicza się prostaglandyny (PG), prostacykliny (PGI) i tromboksany (TX). Terminu „prostaglandyny” używa się często nieściśle jako określenia ogólnego obejmującego wszystkie prostanoidy.
Prostaglandyny - odkryto pierwotnie w nasieniu, ale obecnie wiadomo, że występują praktycznie we wszystkich tkankach ssaków, działając jako miejscowe hormony lokalne; wykazują one istotne aktywności fizjologiczne i farmakologiczne.
FOSFOLIPIDY SĄ GŁÓWNYM SKŁĄDNIKIEM LIPIDOWYM BŁON.
Do grupy fosfolipidów zalicza się: 1)kwas fosfatydowy i fosfadyloglicerol, 2)fosfatydylocholinę, 3) fosfatydyloetanoloaminę, 4) fosfatydyloinozytol, 5) fosfatydyloserynę, 6)lizofosfolipidy, 7)plazmalogeny i 8)sfingomieliny. Wszystkie te związki są fosfoglicerydami, oprócz sfingomielin, których cząsteczki nie zawierają glicerolu. Mogą one być traktowane jako pochodne kwasu fosfatydowego, w którym fosforan jest zestryfikowany z grupą -OH odpowiedniego alkoholu.
Kardiolipina jest istotnym lipidem błon mitochondrialnych.
Kwas fosfatydowy jest prekursorem fosfatydyloglicerolu, który z kolei w mitochondriach ulega przekształceniu w kardiolipinę.
Fosfatydylocholiny (lecytyny) występują w błonach komórkowych.
Fosfatydylocholiny są to fosfoglicerydy zawierające cholinę. Są one przeważającymi ilościowo lipidami błon komórkowych i stanowią dużą część zasobów choliny w organizmie. Cholina odgrywa ważną rolę w przewodnictwie nerwowym oraz jako zapas labilnych grup metylowych. Dipalmitoilolecytyna jest bardzo aktywnym związkiem powierzchniowo czynnym (surfaktant), zmniejszającym napięcie powierzchniowe pomiędzy fazą tkanki płucnej i fazą gazów oddechowych i zapobiegającym sklejaniu się wewnętrznych powierzchni płuc. Brak surfaktantu w płucach wcześniaków jest przyczyną zespołu błon szklistych, którego zasadniczym objawem jest zespół niewydolności oddechowej.
Fosfatydyloinozytol jest prekursorem wtórnych przekaźników.
Występuje tu stereoizomer inozytolu, mioinozytol. Fosfatydyloinozytolo-4,5-bisfosforan jest ważnym składnikiem fosfolipidów błon komórkowych. Po pobudzeniu komórki przez właściwy hormon jest hydrolizowanu do diacyloglicerolu i inozytolo-tris-fosforanu, z których każdy działa jako wewnątrzkomórkowy sygnał, czyli drugi posłaniec.
Plazmalogeny występują w mózgu i mięśniach; sfingomieliny w dużych ilościach w mózgu i tkance nerwowej. W wyniku hydrolizy sfingomielin otrzymuje się kwas tłuszczowy, kwas fosforowy, cholinę i złożony aminoalkohol.
GLIKOLIPIDY SĄ ISTOTNYM SKŁADNIKIEM TKANKI NERWOWEJ I BŁON KOMÓRKOWYCH.
Glikolipidy są szeroko rozpowszechnione w każdej tkance organizmu, zwłaszcza w tkance nerwowej takiej jak mózg. Znajdują się głównie w zewnętrznej warstwie błony plazmatycznej, z której wystają ich łańcuchy oligosacharydowe, tworząc sacharydy powierzchni komórki.
Głównymi glikolipidami zwierzęcymi są glikosfingolipidy. Zawierają one ceramid i jedną lub więcej cząsteczek cukru. Dwoma najprostszymi glikolipidami są galaktozyloceramid i glukozyloceramid. Galaktozyloceramid jest głównym glikosfingolipidem mózgu i innych tkanek nerwowych, ale we względnie małych ilościach występuje on wszędzie. Glukozyloceramid jest przeważającym prostym glikosfingolipidem tkanek pozanerwowych, ale w małych ilościach znajduje się również w mózgu
Bardziej złożonymi glikosfingolipidami są gangliozydy, które występują w tkankach ludzkich oraz w dużych stężeniach również w tkance nerwowej.
STEROIDY PEŁNIĄ WIELE WAŻNYCH FUNKCJI FIZJOLOGICZNYCH.
Cholesterol jest prawdopodobnie najbardziej znanym steroidem ze względu na jego udział w rozwoju miażdżycy. Odgrywa on bardzo ważną rolę biochemiczną, ponieważ jest prekursorem wielu równie ważnych steroidów, takich jak kwasy żółciowe, hormony kory nadnerczy, hormony płciowe, witaminy D, glikozydy nasercowe.
Cholesterol jest istotnym składnikiem wielu tkanek.
Jest on szeroko rozpowszechniony we wszystkich komórkach organizmu, a zwłaszcza w tkance nerwowej. Jest jednym z ważniejszych składników błon plazmatycznych i lipoprotein surowicy krwi. Występuje zwykle w połączeniu z kwasami tłuszczowymi jako ester cholesterolu. Występuje w tłuszczach zwierzęcych, ale nie ma go w tłuszczach roślinnych.
3-Hydroksy-5,6-cholesten to nazwa systematyczna cholesterolu.
Ergosterol jest prekursorem witaminy D.
Występuje w roślinach i drożdżach. Naświetlanie go promieniami nadfioletowymi powoduje otwarcie jednego z pierścieni (B) w wyniku czego związek nabywa właściwości przeciwkrzywiczych.
Koprosterol - powstaje w jelicie w wyniku bakteryjnej redukcji podwójnej wiązania C5-C6 cholesterolu i jest wydalany w kale.
LIPIDY AMFIPATYCZNE.
Lipidy są na ogół nierozpuszczalne w wodzie, gdyż przeważają w ich cząsteczkach grupy niepolarne (węglowodory), jednakże kwasy tłuszczowe zawierają grupy polarne. Dlatego część cząsteczki jest hydrofobowa, czyli nierozpuszczalna w wodzie, a inna część jest hydrofobowa, czyli rozpuszczalna w wodzie. Tego rodzaju cząsteczki określa się jako amfipatyczne (ryc. 16-31). Ustawiają się one na granicy faz woda - olej w ten sposób, że ich grupy polarne znajdują się w fazie wodnej, a niepolarne w fazie olejowej. Uważa się, że podstawową strukturą błon biologicznych jest podwójna warstwa takich polarnych lipidów. Lipidy polarne znajdujące się w środowisku wodnym w stężeniu krytycznym tworzą micele. Przyłączanie się soli kwasów żółciowych do miceli i liposomów i tworzenie miceli mieszanych z produktami trawienia tłuszczu ułatwia wchłanianie lipidów z jelita.
ZARYS PRZEMIAN POŚREDNICH.
Losy składników diety po strawieniu i absorpcji składają się na przemiany pośrednie. Stanowią więc one szeroką dziedzinę, która usiłuje nie tylko opisać szlaki metaboliczne indywidualnych cząstek, lecz także próbuje zrozumieć współzależności między nimi oraz mechanizmy, które regulują przepływ metabolitów przez te szlaki. Szlaki metaboliczne dzieli się na 3 kategorie (ryc. 17-1):
1. Szlaki anaboliczne prowadzące syntezy związków tworzących strukturę ciała i warsztat metaboliczny. Takim szlakiem jest synteza białek. Energia swobodna, napędzająca te procesy, pochodzi z drugiej kategorii szlaków.
2. Szlaki kataboliczne dotyczą procesów oksydacyjnych, które uwalniają energię swobodną zwykle w postaci fosforanu bogatoenergetycznego lub równoważników redukujących, np. łańcuch oddechowy i fosforylacja oksydacyjna.
3. Szlaki amfiboliczne mają więcej niż jedną funkcję i biegną na „skrzyżowaniu dróg” metabolicznych, działając jako łączniki między ciągami anabolicznymi i katabolicznymi, np. cykl kwasu cytrynowego.
PODSTAWOWE SZLAKI METABOLICZNE PRZETWARZAJĄ GŁÓWNE PRODUKTY TRAWIENIA.
Podstawowy typ metabolizmu w tkankach jest warunkowany rodzajem diety. Ssaki, takie jak człowiek, muszą przetwarzać wchłaniane w przewodzie pokarmowym produkty trawienia pokarmów - węglowodanów, lipidów i białek. Głównie są to (odpowiednio): glukoza, kwasy tłuszczowe z glicerolem oraz aminokwasy.
Wszystkie produkty trawienia są przetwarzane we właściwych szlakach metabolicznych do wspólnego produktu - acetylo-CoA, który ulega następnie całkowitemu utlenieniu w cyklu kwasu cytrynowego (ryc. 17-2, 17-3, 17-4).
Metabolizm węglowodanów dotyczy głównie glukozy.
Glukoza jest metabolizowana we wszystkich komórkach ssaków w procesie glikolizy do pirogronianu i mleczanu. Aby wejść do tego szlaku glukoza musi ulec fosforylacji. Glikoliza może przebiegać w nieobecności tlenu (anaerobowo), ale końcowym produktem jest wtedy tylko mleczan. Tkanki, które mogą zużywać tlen (aerobowe), są zdolne do metabolizowania pirogronianu do acetylo-CoA, który z kolei może wejść do cyklu kwasu cytrynowego, ulegając całkowitemu utlenieniu do CO2 i H2O z uwolnieniem znacznej ilości energii swobodnej, wykorzystanej do syntezy ATP w procesie zwanym fosforylacją oksydacyjną. Glukoza jest więc główną cząsteczką energetyczną wielu tkanek. Uczestniczy ona również w innych procesach, a mianowicie:
1. W przemianie do jej zapasowego polimeru - glikogenu, zwłaszcza w mięśniach szkieletowych i w wątrobie;
2. W cyklu pentozofosforanowym, który bierze początek od metabolitu pośredniego glikolizy. Cykl jest dostawcą równoważników redukujących (2H) do biosyntezy - np. kwasów tłuszczowych - oraz jest źródłem rybozy koniecznej w procesach syntez nukleotydów i kwasów nukleinowych;
3. Fosfotriozy uczestniczą w tworzeniu glicerolowej części acylogliceroli (tłuszczu);
4. Pirogronian i metabolity pośrednie cyklu kwasu cytrynowego dostarczają szkieletów węglowych do syntezy aminokwasów, a acetylo-CoA jest jednostką budującą długołańcuchowe kwasy tłuszczowe i cholesterol będący z kolei prekursorem wszystkich steroidów syntetyzowanych w organizmie.
Metabolizm lipidów dotyczy głównie kwasów tłuszczowych i cholesterolu.
Źródłem długołańcuchowych kwasów tłuszczowych jest albo synteza de novo z acetylo-CoA pochodzącego z przemiany węglowodanów, albo lipidy z pokarmów. W tkankach kwasy tłuszczowe mogą zostać utlenione do acetylo-CoA (b-oksydacja) lub ulec estryfikacji do acylogliceroli, które w postaci triacylogliceroli (tłuszcz) stanowią główną rezerwę energetyczną organizmu. Acetylo-Coa ma kilka ważnych przeznaczeń:
1. W cyklu kwasu cytrynowego ulega całkowitemu utlenieniu do CO2 i H2O. Kwasy tłuszczowe są bardzo wydajnym źródłem energetycznym;
2. Są one źródłem atomów węgla dla cholesterolu i innych steroidów;
3. W wątrobie jest z nich wytwarzany acetooctan, macierzysty związek ketonowy*. Związki ketonowe rozpuszczalne w wodzie są alternatywnym paliwem tkankowym, które w pewnych warunkach (np. w głodzeniu) staje się ważnym źródłem energii.
* Jako związki ketonowe należy rozumieć nie tylko związki zawierające grupę ketonową (acetooctan, aceton), lecz także b-hydroksymaślan. W tym sensie określenie „związki ketonowe” pokrywa się z treścią określenia angielskiego „ketone bodies” - ciała ketonowe.
w nadmiarze innych aminokwasów. Po deaminacji aminokwasów nadmiar azotu aminowego jest usuwany jako mocznik. Szkielety węglowe powstające w wyniku transaminacji są: 1. Utleniane do CO2 w cyklu kwasu cytrynowego;
2. Wykorzystane do syntezy glukozy (glukoneogenaza);
3. Ulegają przemianie w związki ketonowe.
Poza niezbędnym udziałem w syntezie białka, aminokwasy są również prekursorami wielu innych ważnych związków, np. puryn, pirymidyn i hormonów, takich jak adrenalina lub tyroksyna.
Szlaki metaboliczne mogą być badane na różnych poziomach organizacji.
Umiejscowienie szlaków metabolicznych i ich integrację ustala się za pomocą badań na niższych poziomach organizacji:
1. Na poziomie tkanki i narządu - określa się rodzaj substratów wchodzących i metabolitów opuszczających tkanki lub narządy i podaje ogólny opis ich przemian.
2. Na poziomie subkomórkowym - każda struktura subkomórkowa (np. mitochondrium) lub kompartment komórki (np. cytozol) pełni swoiste funkcje biochemiczne, które tworzą część zestawu szlaków metabolicznych.
Krążenie krwi integruje metabolizm na poziomie tkanki i narządu.
Aminokwasy powstające w procesie trawienia białek pokarmowych oraz glukoza powstająca w wyniku trawienia węglowodanów są wchłaniane z jelita do krwi żyły wrotnej wątroby. To gwarantuje, że zarówno te metabolity jak i inne rozpuszczalne w wodzie produkty trawienia są początkowo kierowane do wątroby (ryc. 17-5). Podstawową funkcją metaboliczną wątroby jest regulowanie stężenia większości metabolitów we krwi, zwłaszcza glukozy i aminokwasów. W przypadku glukozy odbywa się to przez wychwytywanie nadmiaru glukozy i przekształcanie jej w glikogen (glikogenogeneza) lub w tłuszcz (lipogeneza). Pomiędzy posiłkami, w celu uzupełnienia stężenia glukozy we krwi, wątroba uwalnia ją ze zmagazynowanego glikogenu (glikogenoliza) lub, wraz z nerką, przekształca metabolity niecukrowe, takie jak mleczan, glicerol i aminokwasy, w glukozę (glukoneogeneza). Utrzymanie właściwego stężenia glukozy we krwi jest konieczne ze względu na pewne tkanki (np. mózg lub erytrocyty), dla których jest ona obligatoryjnym źródłem energii. Do zadań wątroby należy również syntetyzowanie głównych białek osocza krwi (np. albuminy) oraz deaminacja aminokwasów będących w nadmiarze, i związane z tym tworzenie mocznika. Ten ostatni jest transportowany z krwią do nerek i wydalany.
Mięśnie szkieletowe używają glukozy jako paliwa, wytwarzając z niej mleczan i CO2. Magazynują glikogen z przeznaczeniem na źródło energii do skurczu mięśnia oraz syntetyzują białka mięśniowe z aminokwasów osocza. Mięśnie stanowią ok. 50% masy ciała, więc reprezentują znaczny zapas białek, który może być wykorzystany do zaopatrzenia osocza w aminokwasy, zwłaszcza przy niedoborach pokarmowych.
Z lipidów po strawieniu powstają (ryc. 17-6) po strawieniu powstają monoacyloglicerole i kwasy tłuszczowe. W komórkach jelitowych zachodzi resynteza lipidów, które po połączeniu z białkiem są wydzielane w formie lipoprotein, znanych jako chylomikrony, początkowo do układu chłonnego, a następnie do krwiobiegu. Wszystkie rozpuszczalne w lipidach hydrofobowe produkty trawienia (np. cholesterol), wchodzą w skład lipoprotein, co ułatwia ich transportowanie między tkankami w środowisku wodnym - osoczu. Triacyloglicerol chylomikronów, w odróżnieniu od glukozy i aminokwasów, nie jest wytwarzany przez wątrobę. Jest on metabolizowany przez tkanki pozawątrobowe przy udziale lipazy lipoproteinowej, która hydrolizuje triacyloglicerol, uwalniając kwasy tłuszczowe, które są następnie wbudowywane do lipidów tkankowych lub utleniane jako źródło energii. Innym ważnym źródłem długołańcuchowych kwasów tłuszczowych jest synteza (lipogeneza) z węglowodanów, głównie w tkance tłuszczowej i w wątrobie.
Triacyloglicerol tkanki tłuszczowej stanowi zasadniczą rezerwę energetyczną w organizmie. W następstwie jego hydrolizy (lipolizy) kwasy tłuszczowe są uwalniane do krwiobiegu jako wolne kwasy tłuszczowe. Są one wychwytywane przez większość tkanek i estryfikowane do acylogliceroli lub utleniane, jako główne źródło energetyczne do CO2 lub H2O. W wątrobie zachodzą 2 szlaki o dodatkowym znaczeniu: 1. Nadwyżka triacyloglicerolu, będąca zarówno wynikiem lipogenezy, jak i podaży wolnych kwasów tłuszczowych, jest wydzielana do krwiobiegu w postaci lipoprotein o bardzo małej gęstości (VLDL - very low density lipoprotein). Ten triacyloglicerol ulega przemianom podobnym do tych z chylomikronów; 2. Częściowe utlenianie wolnych kwasów tłuszczowych pozwala wytwarzać związki ketonowe (ketogeneza). Związki ketonowe są transportowane do tkanek pozawątrobowych, gdzie są wykorzystywane jako inne ważne źródło energii.
Na poziomie subkomórkowym: glikoliza przebiega w cytozolu, a cykl kwasu cytrynowego w mitochondriach.
Ryc. 17-7 ilustruje zasadnicze szlaki metaboliczne, ze specjalnym uwzględnieniem umiejscowienia wewnątrzkomórkowego oraz ich integrację w wątrobowej komórce miąższowej.
Wyraźnie widoczna jest centralna rola mitochondrium. Jest on siedliskiem krzyżujących się torów metabolicznych węglowodanów, lipidów i aminokwasów. Mieszczą się w nim m.in. enzymy cyklu kwasu cytrynowego, łańcucha oddechowego z syntazą ATP, b-oksydacji kwasów tłuszczowych i ketogenezy. Dodatkowo jest on punktem zbiorczym dla powstających podczas transaminacji szkieletów węglowych aminokwasów przekazywanych następnie do procesu syntezy aminokwasów endogennych.
W cytozolu zachodzą: glikoliza, cykl pentozofosforanowy i synteza kwasów tłuszczowych. Należy podkreślić, że w glukoneogenezie nawet substancje, które są wytwarzane w cytozolu, takie jak mleczan i pirogronian, muszą wejść do mitochondrium, aby ulec przemianie w szczawiooctan, nim zostaną przekształcone w glukozę.
Błony siateczki śródplazmatycznej zawierają układ enzymatyczny katalizujący biosyntezę acylogliceroli. Rybosomy z kolei są miejscem syntezy białka.
CYKL KWASU CYTRYNOWEGO DOSTARCZA SUBSTRATU DLA ŁAŃCUCHA ODDECHOWEGO.
Istotą cyklu jest połączenie cząsteczki acetylo-CoA z 4-węglowym dikarboksylowym kwasem szczawiooctowym, czego wynikiem jest powstanie 6-węglowego kwasu trikarboksylowego - cytrynianu. Następuje po tym ciąg reakcji, w czasie których odłączają się dwie cząsteczki CO2 i odtwarza się szczawiooctan (ryc. 18-1). Szczawiooctan spełnia tu właściwie funkcję katalityczną, ponieważ tylko niewielkie jego ilości są konieczne do ułatwienia przemiany znacznej liczby jednostek acetylowych w CO2.
Cykl kwasu cytrynowego jest integralną częścią procesu, w wyniku którego przeważająca część energii swobodnej, uwalnianej podczas utleniania węglowodanów, lipidów i aminokwasów, staje się dostępna. W wyniku działania w cyklu swoistych dehydrogenaz podczas utleniania acetylo-CoA powstają równoważniki redukujące w postaci wodoru lub elektronów. Te równoważniki redukujące wchodzą potem do łańcucha oddechowego, gdzie w procesie fosforylacji oksydacyjnej są wytwarzane duże ilości ATP (ryc. 18-2). Ten aerobowy proces wymaga tlenu, jako ostatecznego utleniacza równoważników redukujących. Stąd też brak (anoksja) lub częściowy niedobór (hipoksja) O2 jest przyczyną całkowitej lub częściowej inhibicji cyklu.
Enzymy cyklu kwasu cytrynowego znajdują się w macierzy mitochondrialnej albo w formie wolnej, albo przyłączone do wewnętrznej powierzchni wewnętrznej błony mitochondrialnej, co ułatwia przenoszenie równoważników redukujących na odpowiednie enzymy łańcucha oddechowego, umiejscowionego również w wewnętrznej błonie mitochondrialnej.
REAKCJE CYKLU KWASU CYTRYNOWEGO UWALNIAJĄ RÓWNOWAŻNIKI REDUKUJĄCE I CO2.
Enzym kondensujący - syntaza cytynianowa - katalizuje inicjującą cykl kondensację acetylo-CoA ze szczawiooctanem i powstanie cytrynianu przez utworzenie wiązania węgiel-węgiel między atomem węgla grupy metylowej acetylo-CoA a atomem węgla grupy karbonylowej szczawiooctanu. Po reakcji kondensacji, w której powstaje cytrylo-CoA, następuje hydroliza wiązania trioestrowego CoA połączona ze znaczną utratą energii swobodnej w postaci ciepła, co zapewnia przebieg reakcji do końca.
Acetylo-CoA + Szczawiooctan + H2O ® Cytrynian + Co-A
Cytrynian ulega przekształceniu w izocytrynian przez enzym akonitazę (hydrataza akonitanowa), która zawiera żelazo, jako jon Fe2+, w formie białka żelazo-siarkowego (Fe:S). Przemiana ta zachodzi w 2 etapach: dehydratacji do cis-akonitanu pozostającego w połączeniu z enzymem i ponownej rehydratacji do izocytrynianu.
Cytrynian « Cis-akonitan « Izocytrynian
H2O (związany z enzymem) H2O
Reakcja jest wrażliwa na fluorooctan, który w formie fluoroacetylo-CoA kondensuje ze szczawiooctanem, tworząc fluorocytrynian. Ten ostatni hamuje akonitazę, powodując akumulację cytrynianu.
Izocytrynian przy udziale dehydrogenazy izocytrynianowej ulega odwodornieniu i powstaje szczawiobursztynian. Znane są 3 różne dehydrogenazy izocytrynianowe. Jedna, swoista względem NAD+, znajduje się tylko w mitochondriach. Pozostałe 2 enzymy są swoiste względem NADP+, jeden z nich znajduje się w mitochondriach, a drugi w cytozolu. Utlenianie izocytrynianu związane z łańcuchem oddechowym odbywa się niemal wyłącznie przy udziale enzymu zależnego od NAD+.
Izocytrynian + NAD+ « Szczawiobursztynian « a-Ketoglutaran + CO2 + NADH + H+
(związany z enzymem)
Następnie szczawiobursztynian ulega dekarboksylacji do a-ketoglutaranu w reakcji katalizowanej także przez dehydrogenazę izocytrynianową. Ważnym składnikiem tej reakcji jest Mn2+ (lub Mg2+). Wydaje się, że szczawiobursztynian pozostaje związany z enzymem jako związek pośredni w ogólnej reakcji.
Powstały a-ketoglutaran ulega dekarboksylacji oksydacyjnej w sposób analogiczny do dekarboksylacji oksydacyjnej pirogronianu (ryc. 19-5) - oba substraty są a-ketokwasami.
a-Ketoglutaran + NAD+ + Co-A ® Sukcynylo-CoA + CO2 + NADH + H+
Reakcja katalizowana przez kompleks dehydrogenazy a-ketoglutaranowej także wymaga obecności identycznych kofaktorów, tj. difosfotiaminy, liponianu, NAD+, FAD i CoA. W jej wyniku powstaje sukcynylo-CoA, tioester zawierający wiązanie bogatoenergetyczne. Równowaga tej reakcji jest tak znacznie przesunięta na korzyść sukcynylo-CoA, że należy ją uważać za fizjologicznie jednokierunkową. Tak jak w przypadku utleniania pirogronianu, reakcję tę hamuje arsenin, powodując nagromadzenie się substratu, a-ketoglutaranu. W następnym etapie cyklu sukcynylo-CoA zostaje przekształcony w bursztynian przez enzym tiokinazę bursztynianową (syntetazę sukcynylo-CoA).
Sukcynylo-CoA + Pi + GDP « Bursztynian + GTP + CoA
Reakcja ta wymaga GDP lub IDP, które w obecności fosforanów nieorganicznych zostają przekształcone odpowiednio w GTP lub ITP. W cyklu kwasu cytrynowego jest to jedyny przypadek powstawania bogatoenergetycznego wiązania fosforanowego na poziomie substratu. Występuje on dlatego, że uwolnienie energii swobodnej w reakcji dekarboksylacji oksydacyjnej a-ketoglutaranu jest wystarczające do dodatkowego utworzenia wiązania bogatoenergetycznego, oprócz wytwarzania NADH. Przy udziale kinazy difosfonukleozydowej z GTP lub ITP. Może powstawać ATP, np.:
GTP + ADP « GDP + ATP
W tkankach pozawątrobowych reakcją alternatywną, katalizowaną przez transferazę CoA sukcynylo-CoA : acetooctan (tioforazę), jest przemiana sukcynylo-CoA w bursztynian sprzężona z przekształceniem acetooctanu w acetoacetylo-CoA. W wątrobie stwierdza się również aktywność deacylazy, która powoduje nieznaczną hydrolizę sukcynylo-CoA do bursztynianu i CoA.
W dalszych przemianach bursztynian ulega odwodornieniu, po którym następuje przyłączenie cząsteczki wody oraz jeszcze jedno odwodornienie prowadzące do odtworzenia szczawiooctanu.
Bursztynian + FAD « Fumaran + FADH2
Pierwszą reakcję odwodornienia katalizuje dehydrogenaza bursztynianowa, która jest związana z wewnętrzną powierzchnią wewnętrznej błony mitochondrialnej, w odróżnieniu od pozostałych enzymów cyklu, które znajdują się w matriks. Jest to jedyna reakcja odwodornienia w cyklu kwasu cytrynowego, w której następuje bezpośrednie przeniesienie wodoru z substratu na flawoproteinę bez udziału NAD+. Enzym zawiera FAD i białko żelazosiarkowe (Fe:S). Wynikiem odwodornienia jest powstanie fumaranu. Dodanie malonianu lub szczawiooctanu hamuje kompetycyjnie dehydrogenazę bursztynianową, powodując nagromadzenie się bursztynianu.
Fumaraza (hydrataza fumaranowa) katalizuje reakcję przyłączenia cząsteczki wody do fumaranu, dając jabłczan.
Fumaran + H2O « L-Jabłczan
Oprócz swoistości dla L-izomeru jabłczanu, fumaraza katalizuje przyłączenie elementów wody do podwójnego wiązania fumaranu w konfiguracji trans. Jabłczan ulega przekształceniu przez dehydrogenazę jabłczanową w szczawiooctan reakcji wymagającej obecności NAD+.
L-Jabłczan + NAD+ « Szczawiooctan + NADH + H+
Enzymy cyklu kwasu cytrynowego, z wyjątkiem dehydrogenaz a-ketoglutaranowej i bursztynianowej oraz syntazy cytrynianowej, występują również poza mitochondriami. Chociaż katalizują one podobne reakcje, niektóre z enzymów, np. dehydrogenaza jabłczanowa, nie muszą być w rzeczywistości tymi samymi białkami, co enzymy mitochondrialne o tej samej nazwie.
KAŻDY OBRÓT CYKLU KWASU CYTRYNOWEGO UMOŻLIWIA SYNTEZĘ 12 CZĄSTECZEK ATP.
W wyniku utlenień katalizowanych przez dehydrogenazy cyklu kwasu cytrynowego, zostają wytworzone 3 cząsteczki NADH i 1 FADH2 na każdą cząsteczkę acetylo-CoA katabolizowaną w jednym obrocie cyklu. Te równoważniki redukujące są przenoszone do łańcucha oddechowego w wewnętrznej błonie mitochondrialnej (ryc. 18-2). Podczas wędrówki w łańcuchu, równoważniki redukujące z NADH generują 3 bogatoenergetyczne wiązania fosforanowe powstające w procesie fosforylacji oksydacyjnej wskutek fosforylacji ADP do ATP. Natomiast FADH2 daje tylko 2 bogatoenergetyczne wiązania fosforanowe, gdyż przenosi swą siłę redukcyjną na CoQ, omijając w ten sposób pierwsze miejsce fosforylacji oksydacyjnej w łańcuchu oddechowym (ryc. 14-6). Dalsze bogatoenergetyczne wiązanie fosforanowe powstaje na poziomie samego cyklu (tj. na poziomie substratu) podczas przemiany sukcynylo-CoA w bursztynian. Przy każdym obrocie cyklu powstaje więc 12 cząsteczek ATP (tab. 18-1).
NIEKTÓRE WITAMINY ODGRYWAJĄ KLUCZOWĄ ROLĘ W CYKLU KWASU CYTRYNOWEGO.
Cztery rozpuszczalne witaminy kompleksu B mają określone role w funkcjonowaniu cyklu kwasu cytrynowego. Są to: 1. Ryboflawina - w formie dinukleotydu flawinoadenino-wego (FAD), kofaktor w kompleksie dehydrogenazy a-ketoglutaranowej i w dehydrogenazie bursztynianowej; 2. Niacyna - w formie dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego (NAD), koenzym dla 3 dehydrogenaz cyklu: dehydrogenazy izocytrynianowej, kompleksu dehydrogenazy a-ketoglutaranowej i dehydrogenazy jabłczanowej; 3. Tiamina (witamina B1) - jako difosfotiamina, koenzym procesu dekarboksylacji w reakcji dehydrogenazy a-ketoglutaranowej; 4. Kwas pantotenowy - jako część koenzymu A, kofaktor związany z „aktywnymi” resztami kwasów karboksylowych, takich jak acetylo-CoA i sukcynylo-CoA.
CYKL KWASU CYTRYNOWEGO ODGRYWA WĘZŁOWĄ ROLĘ METABOLICZNĄ.
Niektóre szlaki metaboliczne kończą się na związku pośrednim cyklu kwasu cytrynowego, a inne szlaki wywodzą się z tego cyklu. Dotyczy to takich procesów, jak: glukoneogeneza, transaminacja, deaminacja i synteza kwasów tłuszczowych. Cykl kwasu cytrynowego odgrywa rolę zarówno w procesach oksydacyjnych, jak i w procesach syntez, a zatem jest amfiboliczny.
Wszystkie ważniejsze metabolity cyklu, od cytrynianu do szczawiooctanu, są potencjalnie glukogenne, gdyż mogą zwiększyć wytwarzanie glukozy w wątrobie lub nerce, narządach zawierających pełny zestaw enzymów niezbędnych do przeprowadzenia glukoneogenezy. Kluczowym enzymem, umożliwiającym przejście z cyklu do głównego szlaku glukoneogenezy, jest karboksykinaza fosfoenolopirogronianowa, katalizująca reakcję dekarboksylacji szczawiooctanu do fosfoenolopirogronianu z GTP jako źródłem fosforanu bogatoenergetycznego (ryc. 18-4).
Szczawiooctan + GTP ® Fosfoenolopirogronian + CO2 + GDP
Wprowadzenie do cyklu następuje jako wynik kilku różnych reakcji. Jedną z najważniejszych jest tworzenie szczawiooctanu w reakcji karboksylacji pirogronianu katalizowanej przez karboksylazę pirogronianową.
ATP + CO2 + H2O + Pirogronian ® Szczawiooctan + ADP + Pi
Reakcję tę uważa się za ważną w utrzymaniu odpowiedniego stężenia szczawiooctanu dla reakcji kondensacji z acetylo-CoA. Jeżeli nagromadza się acetylo-CoA, to działa on jako allosteryczny aktywator karboksylazy pirogronianowej, zapewniając w ten sposób dopływ szczawiooctanu. Mleczan, ważny substrat glukoneogenezy, wchodzi do cyklu w wyniku przemiany w pirogronian i szczawiooctan.
W reakcjach katalizowanych przez transaminazy (aminotransferazy) wytwarza się: pirogronian z alaniny, szczawiooctan z asparaginianu oraz a-ketoglutaran z glutaminianu. Ponieważ reakcje te są odwracalne, cykl służy również jako źródło szkieletów węglowych do syntezy aminokwasów endogennych, np.
Asparaginian + Pirogronian « Szczawiooctan + Alanina
Glutaminian + Pirogronian « a-ketoglutaran + Alanina
Inne aminokwasy wspierają glukoneogenezę, ponieważ cały ich szkielet węglowy lub jego część po deaminacji lub transaminacji zasila cykl kwasu cytrynowego, np. alanina, cysteina, glicyna, hydroksyprolina, seryna, treonina i tryptofan, które ulegają przekształceniu w pirogronian; arginina, histydyna, glutamina i prolina, które poprzez glutaminian przechodzą w a-ketoglutaran; izoleucyna, metionina i walina, które tworzą sukcynylo-CoA; tyrozyna i fenyloalanina , z których powstaje fumaran (ryc. 18-4). Substancje tworzące pirogronian mogą ulec całkowitemu utlenieniu do CO2, jeśli ulegną przekształceniu w acetylo-CoA przez kompleks dehydrogenazy pirogronianowej, lub też mogą trafić do glukoneogenezy przez karboksylację do szczawiooctanu.
GLIKOLIZA I UTLENIANIE PIROGRONIANU.
Znaczenie biomedyczne - 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. Jej zasadnicze znaczenie biomedyczne wynika z faktu, że glikoliza może dostarczać ATP w nieobecności tlenu, co pozwala mięśniom szkieletowym funkcjonować sprawnie przy niedostatecznych procesach aerobowych i co pozwala tkankom z dużą aktywnością glikolityczną przetrwać epizod beztlenowy. Odwrotnie, mięsień sercowy, przystosowany do warunków tlenowych, charakteryzuje się względnie małą aktywnością glikolityczną i słabą zdolnością przetrwania w warunkach niedotlenienia. Znamy niewielką liczbę chorób, w których stwierdzono brak aktywności enzymów glikolizy. Zasadniczym ich objawem jest niedokrwistość hemolityczna. W szybko rosnących komórkach nowotworowych, glikoliza przebiega ze znacznie większą szybkością niż wymaga tego cykl kwasu cytrynowego. Znaczy to, że wytwarzanie pirogronianu przewyższa zdolność jego metabolizowania. W rezultacie prowadzi to do nadmiernego wytwarzania mleczanu i miejscowego zakwaszenia środowiska w guzie, a to z kolei może mieć następstwa w terapii pewnych typów nowotworów. Kwasica mleczanowa może wynikać z wielu przyczyn, włącznie z niedoborem dehydrogenazy pirogronianowej.
GLIKOLIZA MOŻE PRZEBIEGAĆ W WARUNKACH BEZTLENOWYCH.
Stwierdzono, że gdy mięsień kurczy się w środowisku beztlenowym, znika glikogen, a pojawia się mleczan jako główny produkt końcowy. Gdy tlen jest dostępny, pojawia się glikogen, natomiast mleczan znika. Jeżeli jednak skurcz następuje w warunkach tlenowych, to mleczan się nie gromadzi, a głównym produktem glikolizy jest pirogronian; ten ostatni nie akumuluje się, ponieważ dalej jest utleniany do CO2 i wody (ryc. 19-1). Na podstawie tych obserwacji przyjęto rozdział metabolizmu węglowodanów na fazę tlenową i beztlenową. Jednak tego typu zróżnicowanie jest arbitralne, gdyż reakcje w procesie hydrolizy, przebiegające zarówno przy obecności, jak i przy braku tlenu, są takie same z wyjątkiem ich intensywności oraz produktów końcowych. Jeżeli tlen jest dostępny tylko przez krótki okres, to jest ograniczona reoksydacja NADH powstałego w czasie glikolizy. W tych warunkach NADH jest utleniany w reakcji redukcji pirogronianu do mleczanu, a tak utworzony NAD umożliwia dalszy przebieg glikolizy. W ten sposób glikoliza może zachodzić w warunkach beztlenowych, lecz dochodzi do ograniczenia ilości energii uwalnianej na mol utlenianej glukozy. W konsekwencji, aby wytworzyć tę samą ilość energii, więcej glukozy musi ulec glikolizie w warunkach beztlenowych niż w warunkach tlenowych.
CIĄG REAKCJI W GLIKOLIZIE TO GŁÓWNY SZLAK ZUŻYCIA GLUKOZY.
Ogóle równanie glikolizy do mleczanu jest następujące:
Glukoza + 2ADP + 2Pi ® 2L(+)-Mleczan + 2ATP + 2H2O
Wszystkie enzymy szlaku glikolitycznego (ryc. 19-2) znajdują się w pozamitochondrialnej rozpuszczalnej frakcji komórkowej, w cytozolu. Katalizują one reakcje zachodzące podczas przemiany glukozy do pirogronianu i mleczanu następująco:
Glukoza wchodzi do szlaku glikolitycznego przez fosforylację do glukozo-6-fosforanu. Zachodzi to przy udziale enzymu heksokinazy, a w hepatocytach przy udziale glukokinazy, której aktywność jest indukowana i modyfikowana w wyniku zmian odżywiania. Jako dawca fosforanu potrzebny jest ATP reaguje on w formie kompleksu Mg-ATP. W reakcji zużywa się 1 bogatoenergetyczne wiązanie fosforanowe ATP i powstaje ADP. Reakcji tej towarzyszy znaczna strata energii swobodnej w postaci ciepła i dlatego w warunkach fizjologicznych może być ona traktowana jako reakcja nieodwracalna. Heksokinaza jest hamowana w sposób izosteryczny przez produkt reakcji glukozo-6-fosforan.
Mg2+
Glukoza + ATP ® Glukozo-6-fosforan + ADP
Nawet przy małych stężeniach glukozy we krwi, przez fosforylację wszystkich jej cząsteczek wnikających do komórki, jest możliwe utrzymywanie dużego gradientu stężenia glukozy między krwią a środowiskiem wewnątrzkomórkowym.
Glukozo-6-fosforan jest ważnym związkiem łączącym wiele szlaków metabolicznych. W glikolizie jest ona przekształcana w fruktozo-6-fosforan przez izomeryzację aldozowo-ketozową przy udziale izomerazy fosfoheksozowej. Przemianie tej ulega tylko a anomer glukozo-6-fosforanu.
a-D-Glukozo-6-fosforan « a-D-Fruktozo-6-fosforan
Po tej reakcji następuje druga fosforylacja z udziałem ATP, katalizowana przez enzym fosfofruktokinazę. Fosfofruktokinaza jest zarówno enzymem allosterycznym, jak i indukowanym, którego aktywność odgrywa główną rolę w regulacji szybkości glikolizy. Reakcja katalizowana przez fosfofruktokinazę może być uważana za nieodwracalną w warunkach fizjologicznych.
D-Fruktozo-6-fosforan + ATP ® D-Fruktozo-1,6-bisfosforan
Fruktozo-1,6-bisfosforan jest rozczepiany przez aldolazę na 2 fosfotriozy, gliceraldehydo-3-fosforan i dihydroksyacetonofosforan.
D-Fruktozo-1,6-bisfosforan « Gliceraldehydo-3-fosforan + Dihydroksyacetonofosforan
Gliceraldehydo-3-fosforan oraz dihydroksyacetonofosforan przekształcają się jeden w drugi pod wpływem enzymu izomerazy fosfotriozowej.
D-Gliceraldehydo-3-fosforan « Dihydroksyacetonofosforan
Następny etap glikolizy to utlenienie gliceraldehydo-3-fosforanu do 1,3-bisfosfoglicerynianu. Dzięki aktywności izomerazy fosfotriozowej również dihydroksyacetono-fosforan, przechodząc uprzednio w gliceraldehydo-3-fosforan, jest utleniany do 1,3-bisfosfoglicerynianu.
D-Gliceraldehydo-3-fosforan + NAD+ + Pi « 1,3-bisfosfoglicerynian + NADH + H+
Enzym warunkujący utlenianie - dehydrogenaza gliceraldehydo-3-fosforanowa - jest zależny od NAD. Bogatoenergetyczny fosforan znajduje się następnie w ATP w wyniku katalizowanej przez kinazę fosfoglicerynianową reakcji zachodzącej w obecności ADP i tworzącej 3-fosfoglicerynian.
1,3-bisfosfoglicerynian + ADP « 3-fosfoglicerynian + ATP
Ponieważ z cząsteczki glukozy podlegającej glikolizie powstają dwie cząsteczki fosfotrioz, na tym etapie wytwarzają się również dwie cząsteczki ATP na cząsteczkę glukozy; jest to przykład fosforylacji „na poziomie substratu” (fosforylacja substratowa).
W przypadku obecności arsenianu, współzawodniczy on w powyższych reakcjach z fosforanem nieorganicznym (Pi), tworząc 1-arseno-3-fosfoglicerynian, który spontanicznie hydrolizuje, dając 3-fosfoglicerynian i ciepło, bez tworzenia ATP. Jest to ważny przykład zdolności aresnianu do rozprzęgania utleniania i fosforylacji.
Powstający w powyższych reakcjach 3-fosfoglicerynian jest przekształcany w 2-fosfoglicerynian przez enzym mutazę fosfoglicerynianową. Prawdopodobnie 2,3-bisfosfoglicerynian jest związkiem pośrednim w tej reakcji.
3-Fosfoglicerynian « 2-Fosfoglicerynian
Następny etap glikolizy jest katalizowany przez enolazę, która powoduje odłączenie wody, przemieszczenie energii wewnątrz cząsteczki, przejście fosforanu w pozycji 2 w stan bogatoenergetyczny i w rezultacie tego utworzenie fosfoenolopirogronianu. Enolaza jest hamowana przez fluorki; ta właściwość może być wykorzystana w sytuacji, gdy zachodzi potrzeba zahamowania glikolizy, np. w próbce krwi w celu oznaczenia w niej stężenia glukozy. Aktywność enzymu zależy od obecności Mg2+ lub Mn2+.
2-Fosfoglicerynian « Fosfoenolopirogronian + H2O
Następnie fosforan bogatoenergetyczny jest przenoszony z fosfoenolopirogronianu na ADP przez enzym kinazę pirogronianową, tworzący w tym etapie 2 cząsteczki ATP na cząsteczkę utlenianej glukozy. Utworzony w tej reakcji enolopirogronian przekształca się spontanicznie w formę ketonową pirogronianu. Jest to kolejna reakcja, której towarzyszy znaczna utrata energii swobodnej w postaci ciepła i musi być ona traktowana jako fizjologicznie nieodwracalna.
Fosfoenolopirogronian + ADP ® Pirogronian + ATP
Teraz stan red.-oks. tkanki jest czynnikiem decydującym, który z 2 możliwych szlaków metabolicznych zajdzie. Jeżeli przeważają warunki beztlenowe, to uniemożliwiona jest reoksydacja NADH w łańcuchu oddechowym przez przeniesienie równoważników redukujących na tlen. Pirogronian ulega redukcji przez NADH do mleczanu w reakcji katalizowanej przez dehydrogenazę mleczanową.
Pirogronian + NADH + H+ « L(+)-Mleczan + NAD+
Reoksydacja NADH w reakcji powstawania mleczanu, przez odtworzenie NAD+ potrzebnego w następnym cyklu reakcji katalizowanej przez dehydrogenazę gliceraldehydo-3-fosforanową, umożliwia przebieg glikolizy w nieobecności tlenu. Tkanki funkcjonujące w warunkach niedotlenienia wytwarzają więc mleczan (ryc. 19-2). Dotyczy to zwłaszcza mięśni szkieletowych, gdyż szybkość wykonywanej przez mięśnie pracy nie jest ograniczona przez ich stan oksygenacji. Nadmierne ilości utworzonego mleczanu można stwierdzić w tkankach oraz we krwi i w moczu. W erytrocytach glikoliza, nawet w warunkach tlenowych, kończy się zawsze utworzeniem mleczanu, z powodu braku w tych komórkach mitochondriów, które zawierają system enzymatyczny utleniający pirogronian. Jedynie w erytrocytach ssaków około 90% całkowitego zapotrzebowania energetycznego pokrywa glikoliza. Poza mięśniem szkieletowym i erytrocytami, tkankami, które również czerpią energię głównie z glikolizy i wytwarzają mleczan, są: mózg, jelito, rdzeń nerki, siatkówka i skóra. Wątroba, nerki i serce zwykle pobierają mleczan i utleniają go, ale w warunkach niedotlenienia narządy te mogą wytwarzać mleczan.
Glikoliza jest regulowana na 3 etapach obejmujących reakcje „nieodwracalne”.
Chociaż większość reakcji glikolitycznych jest odwracalna, to jednak 3 z nich są wyraźnie egzoergiczne i z tego powodu muszą być uważane za reakcje fizjologicznie nieodwracalne. Są to reakcje katalizowane przez heksokinazę (i glukokinazę), fosfofruktokinazę i kinazę pirogronianową. Reakcje te stanowią zasadnicze miejsca regulacji glikolizy. Komórki, mające różne systemy enzymatyczne, pozwalające na alternatywny przebieg nieodwracalnych reakcji katalizowanych przez wyżej wymienione enzymy, mają możliwość dokonywania w szlaku glikolitycznym przesunięcia metabolitów w kierunku syntezy (glukoneogenezy).
W glikolizie zachodzącej w erytrocytach reakcja kinazy fosfoglicerynianowej może być ominięta.
W erytrocytach wielu gatunków ssaków dochodzi do ominięcia reakcji katalizowanej przez kinazę fosfoglicerynianową. W tym przypadku energia swobodna wiązania bogatoenergetycznego 1,3-bisfosfoglicerynianu zostaje rozproszona w postaci ciepła (ryc.19-4). Dodatkowy enzym, mutaza bisfosfoglicerynianowa, katalizuje przekształcenie 1,3-bisfosfoglicerynianu w 2,3-bisfosfoglicerynian. Ten ostatni ulega przemianie do 3-fosfoglicerynianu przez fosfatazę 2,3-bisfosfoglicerynianową, której aktywność wykazuje cząsteczka mutazy bisfosfoglicerynianowej. W związku z utratą bogatoenergetycznego wiązania fosforanowego proces glikolizy, przebiegający z udziałem tych reakcji, nie daje zysku energetycznego w postaci ATP. Jednakże może być to korzystne dla erytrocytów, ponieważ pozwala na przebieg glikolizy nawet w warunkach minimalnego zapotrzebowania na ATP. Poza tym 2,3-bisfosfoglicerynian, występujący w komórce w dużym stężeniu, łączy się z hemoglobiną, powodując zmniejszenie jej powinowactwa do tlenu i przesunięcie krzywej dysocjacji oksyhemoglobiny w prawo. W ten sposób w erytrocytach ułatwia on uwalnianie tlenu z oksyhemoglobiny.
UTLENIANIE PIROGRONIANU DO ACETYLO-CoA JEST NIEODWRACALNYM PROCESEM ŁĄCZĄCYM GLIKOLIŻE Z CYKLEM KWASU CYTRYNOWEGO.
Aby pirogronian mógł wejść do cyklu kwasu cytrynowego, musi najpierw zostać przetransportowany do wnętrza mitochondrium przez przenośnik pirogronianowy, który umożliwia przejście pirogronianu przez wewnętrzną błonę mitochondrialną. W tym procesie transportowi cząsteczki pirogronianu towarzyszy transport 1 protonu (kotransport). Tego typu mechanizm transportu określa się mianem symportu (ryc. 14-15). Wewnątrz mitochondrium pirogronian ulega dekarboksylacji oksydacyjnej do acetylo-CoA. Reakcja ta jest katalizowana przez kilka różnych enzymów, działających kolejno w kompleksie wieloenzymatycznym. Enzymy te określa się zbiorowo mianem kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej, który jest analogiczny do kompleksu dehydrogenazy a-ketoglutaranowej w cyklu kwasu cytrynowego. Pirogronian ulega dekarboksylacji do hydroksyetylowej pochodnej pierścienia tiazolowego difosfotiaminy związanej z enzymem, która reaguje z kolei z utlenionym lipoamidem, tworząc acetylolipoamid (ryc. 19-5). W obecności acetylotransferazy dihydroliponianowej acetylolipoamid reaguje z koenzymem A, tworząc acetylo-CoA i zredukowany lipoamid. Gdy ten ostatni zostanie ponownie utleniony przez flawoproteinę, w obecności dehydrogenazy dihydroliponianowej, cykl reakcji jest zakończony. Ostatecznie zredukowana flawoproteina jest utleniania przez NAD, który z kolei przenosi równoważniki redukujące do łańcucha oddechowego.
Pirogronian + NAD+ + CoA ® Acetylo-CoA + NADH + H+ + CO2
Kompleks dehydrogenazy pirogronianowej składa się z szeregu łańcuchów polipeptydowych każdego z 3 składowych enzymów, ułożonych w regularny układ przestrzenny. Organizacja kompleksu enzymatycznego, w którym substraty są przekazywane z jednego enzymu na następny, powoduje zwiększenie szybkości reakcji i uniemożliwia przebieg reakcji ubocznych, a w konsekwencji zwiększa ogólną wydajność procesu.
Dehydrogenaza pirogronianowa jest hamowana przez produkty jej reakcji, acetylo-CoA oraz NADH (ryc. 19-6). Jest ona również regulowana przez ATP- zależną fosforylację, katalizowaną przez kinazę, co prowadzi do zmniejszenia aktywności oraz przez defosforylację przy udziale fosfatazy, co z kolei prowadzi do zwiększenia aktywności dehydrogenazy. Dehydrogenaza pirogronianowa, a zatem i glikoliza - jest hamowana nie tylko przez potencjał bogatoenergetyczny, lecz także w warunkach, gdy zachodzi utlenianie kwasów tłuszczowych, w czasie którego zwiększają się wartości wyżej wymienionych stosunków.
Zahamowanie utleniania pirogronianu prowadzi do kwasicy mleczanowej.
Arsenin i jony rtęciowe hamują dehydrogenazę pirogronianową i powodują nagromadzenie się pirogronianu. Niedożywieni alkoholicy mają zwykle niedobór tiaminy i jeżeli poda im się glukozę, to dochodzi do szybkiego nagromadzania się pirogronianu i kwasicy mleczanowej, często śmiertelnej. Kwasica mleczanowa, zwłaszcza po obciążeniu glukozą, jest jednym z objawów u osób z dziedzicznym niedoborem dehydrogenazy pirogronianowej. Dziedziczny niedobór aldolazy A oraz niedobór kinazy pirogronianowej w erytrocytach wywołuje niedokrwistość hemolityczną.
METABOLIZM GLIKOGENU.
Glikogen jest główną formą magazynowania węglowodanów u zwierząt i jest odpowiednikiem skrobi u roślin. Występuje głównie w wątrobie (do 6%) i w mięśniach, gdzie rzadko przekracza 1%.
Glikogen mięśni jest łatwo dostępnym źródłem jednostek heksozowych do glikolizy w samym mięśniu. Glikogen wątroby głównie magazynuje i eksportuje jednostki heksozowe w celu utrzymania fizjologicznego stężenia glukozy we krwi, zwłaszcza między posiłkami. Po 12-18 h głodzenia wątroba staje się niemal zupełnie pozbawiona glikogenu, podczas gdy w mięśniach glikogenu ubywa tylko po długotrwałym, intensywnym wysiłku. Choroby spichrzania glikogenu są to dziedziczne zaburzenia, charakteryzujące się wadliwą mobilizacją glikogenu i odkładaniem nieprawidłowych postaci glikogenu, co prowadzi do osłabienia mięśni, a nawet zgonu.
GLIKOGEN WYSTĘPUJE GŁÓWNIE W MIĘŚNIACH I W WĄTROBIE.
W szlaku biosyntezy glikogenu bierze udział specjalny aktywny nukleotyd glukozy (ryc. 20-1).
Glukoza jest fosforylowana do glukozo-6-fosforanu w reakcji, która jest również pierwszą reakcją szlaku glikolizy z glukozy. Ta reakcja jest katalizowana przez heksokinazę w mięśniu i przez glukokinazę w wątrobie. Glukozo-6-fosforan jest w glukozo-1-fosforan w reakcji katalizowanej przez fosfoglukomutazę. Sam enzym jest fosforylowany w przebiegu reakcji, a grupa fosforanowa bierze udział w reakcji odwracalnej, w której związkiem pośrednim jest glukozo-1,6-bisfosforan.
Enz-P. + Glukozo-6-fosforan « Enz + Glukozo-1,6-bisfosforan « Enz-P. + Glukozo-1-fosforan
Następnie glukozo-1-fosforan reaguje z urydynotrifosforanem (UTP), aby utworzyć urydynodifosfoglukozę (UDPGlc).
Reakcja między glukozo-1-fosforanem i urydynotrifosforanem jest katalizowana przez enzym pirofosforylazę UDPGlc.
UTP + Glukozo-1-fosforan « UDPGlc + PPi
Następująca potem hydroliza nieorganicznego pirofosforanu pod wpływem nieograniczonej pirofosfatazy przesuwa reakcję na prawą stronę równania.
Działaniem enzymu syntazy glikogenowej, C1 aktywnej glukozy UDPGlc tworzy wiązanie glikozydowe z C4 końcowej reszty glukozowej glikogenu, uwalniając urydynodifosforan (UDP). Aby zainicjować tę reakcję, musi być obecna istniejąca już wcześniej cząsteczka glikogenu, czyli primer. Sam primer (wym. prajmer) glikogenu może być utworzony na szkielecie białkowym, co może być procesem podobnym do syntezy innych glikoprotein.
W wątrobie i w nerce (ale nie w mięśniach) występuje swoisty enzym glukozo-6-fosfataza, który usuwa fosforan z glukozo-6-fosforanu, umożliwiając powstającej glukozie dyfundowanie z komórkami do krwi. Jest to końcowy etap glikogenolizy wątrobowej, która odzwierciedla się zwiększeniem stężenia glukozy we krwi.
GLUKONEOGENEZA I KONTROLA STĘŻENIA GLUKOZY WE KRWI.
W procesie glukoneogenezy uczestniczą wszystkie mechanizmy i szlaki odpowiedzialne za przekształcenie związków niewęglowodanowych w glukozę lub glikogen. Głównymi substratami dla glukoneogenezy są glikogenne aminokwasy, mleczan oraz glicerol. Głównymi tkankami, w których odbywa się ten proces, są wątroba i nerki, gdyż one właśnie zawierają pełen zestaw niezbędnych do tego enzymów.
Glukogeneza zaspokaja zapotrzebowanie organizmu na glukozę wówczas, gdy węglowodany nie są dostępne w wystarczającej ilości z dostarczanych pokarmów. Ciągłe dostarczanie glukozy jest niezbędne jako źródło energii, zwłaszcza dla układu nerwowego i dla erytrocytów. Poniżej pewnego krytycznego stężenia glukozy we krwi występuje zaburzenie czynności mózgu, które w warunkach ciężkiej hipoglikemii może prowadzić do śpiączki i zgonu. Glukoza jest także potrzebna w tkance tłuszczowej jako źródło glicerolu glicerydów i prawdopodobnie odg