Metabolizam ugljenih hidrata
Download
Report
Transcript Metabolizam ugljenih hidrata
Varenje i razgradnja ugljenih hidrata
Varenje
Varenje je niz hemijskih procesa razgradnje
makromolekula skroba, proteina i lipida
Varenje se3 obavlja u sistemu organa za varenjedigestivni trakt
Prolaskom hrane kroz digestrivni trakt makromolekuli
podležu uticaju sokova za varenje koji, sa izuzetkom
žuči, predstavljaju vodeni rastvor enzima
Neki nepromenjeni sastojci hrane ili degradacioni
proizvodi odstranjuju se organima za izlučivanje
Varenje ugljenih hidrata
U hrani se nalaze uglavnom ugljeni hidrati biljnog
porekla: skrob, celulozai disaharidi, i u manjim
količinama životinjskog porekla: glikogen
Više od 50% UH je skrob
Može sadržavati i monosaharide : glukozu i fruktozu
Varenje počinje u ustima dejstvom enzima
α- amilaze iz pljuvačke koja hidrolizuju α (1 → 4)
glikozidnu vezu
Varenje ugljenih hidrata
Dalje se razgrađuju u tankom crevu dejstvom amilaze
iz pankreasa
Pošto α-amilaza hidrolizuje samo α (1 → 4) glikozidnu
vezu, to se razgrađuje potpuno amiloza, a amilopektin
do mesta račvanja
α (1 → 6)
Varenje ugljenih hidrata
Iz amilo pektina nastaju dekstrini koji sadrže
α (1 → 6) glikozidnu vezu
Ove veze se hidrolozuju posebnim enzimom
α (1 → 6) glukozidaze
Kao krajnji proizvodi hidrolize skroba nastaju maltoza
i glukoza
Maltoza i drugi disaharidi se razlažu dejstvom enzima
disaharidaza ( svaki ima svoj specifični enzim)
Varenje ugljenih hidrata
Varenjem hrane nastaje više vrsta monosaharida, a u
crevnom traktu apsorbuju se samo glukoza, fruktoza i
galaktoza.
Glukoza je najvažniji monosaharid koji nastaje
varenjem
Hranom se unosi i celuloza koju čovek ne može da vari
jer nema enzim za razlaganje β(1 → 4) glikozidne veze,
tako da ona prolazi kroz digestivni trakt nepromenjena
Varenje ugljenih hidrata
U crevnom epitelu apsorbovana glukoza se prenosi
krvlju do ćelija, a posebno do ćelija jetre
Hormon insulin ubrzava prolaz glukoze u ćelije
U većini ćelija se glukoza procesom glikolize
razgrađuje do pirogrožđane kiseline (PGA) i acetil
CoA uz oslobađanje male količine energije.
acetil CoA stupa u ciklus limunske kiseline kojim se
obezbeđuje veća količina energije
Višak - manjak
Ukoliko ima viška glukoze u ćeliji ugrađuje se u
glikogen – GLUKOGENEZA
Nedostatak glukoze nadoknađuje se hidrolizom
glikogena – GLIKOGENOLIZA ili sintezom iz drugih
jedinjenja- GLUKONEOGENEZA
Uloga jetre
U metabolizmu ugljenih hidrata jetra ima važnu ulogu
To je organ sinteze i služi kao “depo” (skladište)
Količina glukoze u krvi se vrlo tačno reguliše hormonima
Ti hormoni deluju najčešće u jetri koja, kao izvršni organ,
izgrađuje glikogen , ako postoji višak UH i time stvara rezervu
Iz rezerve se pri akutnom nedostatku, glukoza opet stvara i
predaje u krv
To je olakšano time što su ćelije jetre potpuno permeabilne(
propustljive) za glukozu
U ostalim ćelijama peremeabilnost glukoze reguliše insulin
Tako se dobija neprestano pretvaranje između glikogena i
slobodne glukoze
Drugi važan zadatak jetre je sinteza glukoze iz laktata (mišići)
tako i iz proizvoda razgradnje proteina
Glikoliza: anaerobna oksidacija
Proces glikolize koji se odvija u citosolu, obuhvata
razgradnju glukoze preko piruvata do laktata u
anaerobnim uslovima, a realizuje se u dve faze
A - faza glikolize u kojoj se razgradnja glukoze odvija
preko niza intermedijera i uz učešće više enzima
do gliceraldehid- 3-fosfata i
B - faza glikolize u kojoj se produžava razgradnja
glukoze od gliceraldehid-3-fosfata do laktata.
Glikoliza
Glikoliza je početna faza razgradnje glukoze i
zajednička je praktično svim ćelijama.
Glikoliza se odigrava u odsutnosti kiseonika pa
anaerobnim organizmima može osigurati svu
potrebnu metaboličku energiju.
U aerobnim ćelijama glikoliza je prva faza razgradnje
glukoze.
Razgradnja glukoze
Reakcije glikolize razgrađuju glukozu do pirogrožđane kiseline
uz oslobađanje dva molekula ATP-a.
Početne reakcije na glikolitičkom putu u stvari troše energiju u
vidu molekula ATP za fosforilaciju glukoze do glukozo-6fosfata i zatim fruktoze-fosfata do fruktozo-1,6-bisfosfata.
Enzimi koji kataliziraju ove dve reakcije, heksokinaza i
fosfofruktokinaza, važne su regulacijske tačke glikolitičkog
puta.
Ključna je fosfofruktokinaza, koju inhibira visoki nivo ATP.
Inhibicija fosfofruktokinaze izaziva nagomilavanje glukoza-6fosfata, koji tada inhibira heksokinazu.
Na taj se način koči razgradnja glukoze kad ćelija ima dovoljno
raspoložive metaboličke energije u obliku ATP.
A - preparativna faza
Proizvodnja ATP-a
Reakcije koje dolaze posle stvaranja fruktozo-1,6-bisfosfata
pripadaju delu glikolitičkog puta kojim se proizvodi
energija.
Raspadom fruktozo-1,6-bisfosfata nastaju dva molekula
šećera s tri ugljenikova atoma. Gliceraldehid-3-fosfat se
oksidiše u 1,3-bisfosfoglicerat.
Fosfatna grupa tog jedinjenja ima vrlo veliku slobodnu
energiju hidrolize pa se koristi u sledećoj 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 glikolize
Hidroliza visokoenergijskog fosfata u
fosfoenolpiruvatu teče 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 početnog molekula glukoze ukupno se sintetiše
četiri molekula ATP.
Pošto su dva molekula ATP bila potrebna za
otpočinjanje prvih reakcija, čist dobitak od glikolize su
dva molekula ATP.
Energetski bilans glikolize
Pretvaranje glukoze u piruvat tokom glikolize nastaju
dva molekula ATP-a
Glukoza + 2Pi + 2ADP + 2NAD+ →
2piruvat + 2ATP + 2NADH + 2H+ + 2H2O
Stvaranje redukovanog NADH
Pored 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 služi kao
donor elektrona u drugim oksido-redukcijskim reakcijama
u ćeliji.
U anaerobnim uslovima konverzijom piruvata u laktat ili
etanol reoksidiše se NADH nastao glikolizom u NAD+.
U aerobnim organizmima NADH služi kao dodatni izvor
energije dajući svoje elektrone transportnom lancu
elektrona putem kojeg će na kraju poslužiti za redukciju
O2 u H2O uz povezano stvaranje dodatnog ATP.
Sledeći korak u metabolizmu
Sledeći korak u metabolizmu pirogrožđane kiseline
njegova oksidativna dekarboksilacija u prisutnosti
koenzima A (CoA) koji služi kao nosač acilnih grupa u
različitim metaboličkim reakcijama.
Jedan se ugljenik piruvata oslobodi kao CO2, a preostala
dva ugljenika predaju se koenzimu A pa nastaje acetilCoA.
U tom se procesu redukuju molekuli NAD+ u NADH.
Acetil-CoA nastao ovom reakcijom ulazi u ciklus
limunske kiseline ili Krebsov ciklus koji je središnji put
oksidativnog metabolizma.
Održavanje redoks ravnoteže: razlicite sudbine piruvata
Čovek NAD+ regeneriše redukcijom
piruvata u laktat
Kontrola glikolize
Kvasci i neki drugi mikroorganizmi regeneriraju
NAD+ oksidacijom piruvata u etanol
Glikoliza je strogo kontrolisana
Fosfofruktokinaza je kljucni enzim kontrole glikolize
Glukoza
ATP
Glukoza-6-fosfat
Fruktoza-6-fosfat
ATP
ulaganje 2ATP
Fruktoza-1,6-difosfat
Gliceral-3-fosfat
dihidroksi acetonfosfat
NADH(2x)
1,3-difosfoglicerat
ATP(2x)
3-fosfoglicerat
2-fosfoglicerat
Fosfoenolpiruvat
ATP(2x)
Piruvat
biosinteza 4 ATP i 2 NADH
Krebsov ciklus/ ciklus limunske kiseline
CIKLUS LIMUNSKE KISELINE
Faza aerobnog metabolizma usmerena je na potpunu
oksidaciju piruvata do krajnjih proizvoda ugljen dioksida i
vode.
Ciklus razgradnje piruvata u aerobnim uslovima detaljno je
objasnio biohemičar 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.
CLK
Sam ciklus limunske kiseline ima dvostruku ulogu (amfibolična uloga),
jer se u njemu susreću reakcije razgradnje (katobolizam) i reakcije
sinteze (anabolizam).
Oksidativnom dekarboksilacijom piruvata uz učešće multienzimskog
(PDH) kompleksa sastavljenog od tri enzima i prisutnog CoA-SH
nastaje acetil-S-CoA.
Nastali acetil-S-CoA predstavlja “aktivirani acetat”, koji se
uključivanjem u ciklus limunske kiseline, razgrađuje do krajnjih
proizvoda CO2 i H2O.
CLK praktično predstavlja stecište krajnjeg metabolizma i drugih
organskih jedinjenja, a to su pre svih, pored ugljenih hidrata,
aminokiseline i masne kiseline.
U ciklusu limunske kiseline na svaki uključeni 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.
CLK
Tokom svakog ciklusa limunske kiseline nastaju:
2 molekula GTP,
6 molekula NADH i
2 molekula FADH2
Sa uključenjem 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 još dva molekula ATP pri
formiranju svakog FADH2 .
Na ovaj način svaki razgradjeni molekul glukoze daje
ukupno 36 molekula ATP. (GTP je ekvivalentan ATP).
Aktivacija piruvata
Pirogroždjana kiselina - (odn. piruvat) dobijen glikolizom u citosolu
transportuje se u mitohondrije gde se razlaže do CO2 i H2O u CTK.
Piruvat ne ulazi direktno u ciklus već se prvo oksidativno
dekarboksiluje uz učešće enzimskog kompleksa
piruvatdehidrogenaze(PDH-kompleks) do stvaranja energijom bogatog
tioestarskog jedinjenja acetil-S῀CoA uz oslobadjanje CO2 i
redukovanog NADH.
Piruvat + NAD+ + CoA -SH ------> acetil-CoA + NADH + CO2
CH3COCOO- +NAD++ CoA-SH
CH3CO-S-CoA + NADH +CO2
Faze 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 α-ketoglutarata i
CO2
4. Oksidacija α-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 katališe i reguliše enzim citrat sintaza . U reakciji
metilni ugljenik, acetilne grupe iz Acetil-CoA se kondenzuje sa
karbonilnom grupom oksaloacetata; istovremeno tioestarska
veza se cepa i oslobađa se slobodni koenzim A.
citrat sintaza
Acetil-CoA + oksaloacetat +H2O------------->citrat + CoA-SH + H+
CoA-SH dobijen u ovoj reakciji je slobodan i u mogućnosti je
da dalje učestvuje u oksidativnoj dekarboksilaciji naredne
molekule piruvata da bi se dobio sljedeći 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 transformiše u metabolite
naredne faze cilkusa, reakcija se u ćelija stalno odvija udesno.
Akonitaza je kompleksan enzim koji sadrži gvožđe
Faza 3
3. Dehidrogenizacija izocitrata i dobijanje α-ketoglutarata i CO2
Uz pomoć enzima izocitrat dehidrogenaze izocitrat dehirogenizira u
α-ketogulrat.
izocitrat dehidrogenaza
Izocitrat + NAD+ ----> α-ketoglutarat+ CO2+ NADH + H+
Enzim treba jone Mg 2+ i Mn 2+.
Faza 4
4. Oksidacija α-ketoglutarata do sukcinil-CoA i CO2
U 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 količina
energije se oslobađa pri hidrolizi tioesterske veze.
Sukcinil-S- CoA + H2O
---->
Sukcinat+ CoA-SH + H+
U ćelijama sukcinil-CoA ne gubi CoA grupu prostom
hidrolizom tokom koje se troši energija. Umesto toga, podleže
vezanoj duploj reakciji, kojom se konzervira energija, a tokom
kojih je cepanje tioestarske veze praćeno fosforilacijom
guanozin difosfata (GDP) u guanozin trifosfata (GTP).
Faza 6
6. Dehidrogenacija sukcinata u fumarat.
Sukcinat, nastao u predhodnom stadijumu iz sukcinil-
CoA, se dehidrogenizuje u fumarat. Proces se katališe uz
pomoć 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,
što ima važnu 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 težine oko 200.000 sa četiri polipeptidne subjedinice, bez
koenzima i jako je specifičan. Hidratizuje dvostruku trans vezu
fumarata,
fumaraza i Mg2+
Fumarat + H2O ---->L-maleat
<----
Faza 8
8. Dehidrogenacija maleata i formiranje oksalacetata.
Enzim L-maleat dehidrogenaza vezana je za NAD i prisutna je u
mitohondrijama, katališe dehidrogenaciju maleata do oksalacetata u zadnjoj
reakciji ciklusa limunkse kiseline.
L-malat + NAD+
---->
Oxaloacetat + NADH + H+
Reakcija je reverzibilna, međutim u standardnim uslovima je usmjerena
udesno, obzirom da se oksaloacetat, kao produkt ove reakcije, brzo uklanja
reakcijom citratne sintaze, te je njegova koncentracija u ćeliji jako mala.
Energetski bilans CLK
Pošto je svaki NADH ekvivalentan 3 ATP, FAD je
ekvivalent 2 ATP, a GTP je ekvivalent 1 ATP imamo
sledeći ukupan energetski bilans po jednom molekulu
glukoze:
reakcija
Glukoza
2 piruvata
2 piruvata
CO2 + H2O
2NADH+ H+
2 NAD+
Ukupno ATP
2 ATP
30 ATP
4 ATP
36 ATP
Kontrola pojedinih
faza CLK