6-تشکیل فروکتوز 6–فسفات به وسیله آنزیم ترانس کتولاز
Download
Report
Transcript 6-تشکیل فروکتوز 6–فسفات به وسیله آنزیم ترانس کتولاز
متابولیسم کربوهید راتها
تخریب کربوهید راتها
تخریب کربوهیدارتها از راه گلیکولیز انجام میشود و آن تبدیل گلوکوز به دو مولکول پیرووات است
کربوهیدراتها منبع اصلی انرژی برای موجودات زنده می باشند .در جیره غذایی منبع اصلی کربوهیدرات،
نشاسته است که به وسیله سلولهای گیاهی ساخته شده و به عنوان منبع انرژی به وسیله موجودات
هتروتروف مورد استفاده قرار می گیرد .در جانوران ،گلیکوژن در اکثر بافتها یافت می شود .بافت عضالنی
بیش از نیمی از گلیکوژن بدن را در برداشته و از آن برای انقباض عضالنی استفاده می کند .ترکیبات بزرگ
مولکول مانند نشاسته و گلیکوژن ابتدا توسط آنزیمهای اختصاص ی به واحدهای ساختاری یعنی
مونوساکارید ،گلوکز تبدیل می گردند .گلوکز و همچنین سایر قندهای ساده مانند گاالکتوز ،سوکروز،
فروکتوز در طبیعت فراوان بوده و در جیره غذایی نیز وارد بدن می شوند.
در موجودات بی هوازی مولکول گلوکز پس از یک سری واکنشهای تخریبی به
محصول نهایی تبدیل و سپس در همان شرایط بی هوازی (بدون مصرف اکسیژن)
محصول نهایی طی مراحل دیگر تخریب و یا به مصرف می رسد.
در شرایط بی هوازی ،مولکول پیرووات احیا شده و الکتات میدهد در حالی که در
موجودات تخمیری مانند مخمرها ،پیروات به اتانول برگردانده میشود و در شرایط
هوازی (مصرف اکسیژن) تخریب شده و در نهایت co2آب و انرژی می دهد
گلیکولیز
گلیکولیز :متشکل از دو واکنش آنزیمی است که به طور پیاپی انجام شده و فرآورده نهایی
را میسازند.
نخستین مرحله فسفریل دار شدن گلوکوز تحت اثر آنزیمهای کیناز است.
سپس طی چند مرحله آنزیمی مولکول شش کربنی گلوکوز شکسته شده و ترکیب سه
کربنه گلیسرآلدهید تری فسفات میدهد .و سرانجام پیروات به دست می آید.
در راه گلیکولیز اگر گلوکز به عنوان قند شروع کننده باشد ،طی 10واکنش آنزیمی
به الکتات تبدیل می شود این مراحل عبارتند از:
-1 فسفریالسیون گلوکز :ورود -Dگلوکز در مسیر گلیکولیز مستلزم فسفریله شدن
آن به گلوکز-6-فسفات است که به وسیله آنزیم گلوکوکیناز کاتالیز می گردد.
هگزوکینازها انتقال گروه فسفات از ATPبه قندهای شش کربنی را به عهده
دارند .برحسب نوع قند ،نوع آنزیم کیناز متفاوت می باشد در این حالت چون قند
گلوکز مورد بحث است آنزیم فوق گلوکوکیناز نامیده می شود .گلوکوکیناز آنزیم
اختصاص ی میباشد که گلوکز را در -C6فسفریله میکند.
-2 واکنش دوم تبدیل گلوکز-6-فسفات به فروکتوز-6-فسفات است که یک
واکنش ایزومری شدن می باشد .
آنزیم گلوکز -6فسفات ایزومراز این واکنش را کاتالیز می کند.
-3واکنش سوم فسفریله شدن مجدد فروکتوز -6-فسفات به وسیله آنزیم -6
فسفوفروکتوکیناز است .در این حالت گروه فسفات حاصل از هیدرولیز ATPرا به مولکول
فروکتوز-6-فسفات انتقال داده و فروکتوز -6-1-دی فسفات می سازد.
بخش ی از انژری تولید شده به مصرف تشکیل فرآورده رسیده و بقیه آن ذخیره می گردد.
-4مرحله ای است که طی آن گلیسرآلدئید -3-فسفات ساخته می شود .مولکول فروکتوز
-1،6دی فسفات به وسیله آنزیم آلدوالز به دو ترکیب سه کربنه دی هیدروکس ی استنفسفات و گلیسرآلدئید– –3فسفات تخریب می گردد.
-5دی هیدروکس ی استن فسفات به نوبه خود می تواند تحت اثر آنزیم تریوزفسفات
ایزومراز به گلیسرآلدئید– -3فسفات تبدیل شود .در نتیجه طی این واکنش به ازای هر
مولکول ترکیب شش کربنه مانند گلوکز دو مولکول گلیسرآلدئید– -3فسفات ایجاد می
شود.
-6مرحله پنجم به مرحله اکسیداسیون گلیسرآلدئید– - 3فسفات معروف است .در
این مرحله گلیسرآلدئید– –3فسفات تحت تاثیر آنزیم گلیسرآلدئید– – 3فسفات
دهیدروژناز ،به -1،3دی فسفوگلیسیریک اسید تبدیل می گردد .این واکنش مستلزم
کوآنزیم NAD+و فسفات معدنی است.
-7مرحله اول سنتز : ATPاین واکنش یکی از مهمترین مراحل مسیر گلیکولیز می باشد
زیرا اولین مرحله است که طی آن یک مولکول پرانرژی ازنوع ATPسنتز می شود .برای
انجام چنین واکنش ی حداقل انرژی برابر 7/3کیلوگالری بر مول الزم است .فسفات آزاد
شده به مولکول ADPانتقال داده شده و ATPسنتز می شود .در این مرحله -1،3دی
فسفوگلیسرات اسید که مولکولی ناپایدرار و پرانرژی است در حضور آنزیم
فسفوگلیسرات کیناز به -3فسفوگلیسرات تبدیل شده و یک مولکول ATPتولید می
شود.
-8آنزیمی بنام فسفوگلیسرومیوتاز باعث انتقال ریشه فسفات از کربن شماره 3به کربن
شماره 2در -3فسفو گلیسرات شده و به ترکیبی به نام -2فسفو گلیسرات تبدیل می شود.
-9 این واکنش یک واکنش آبگیری از -2فسفو گلیسرات است که توسط آنزیم
اینوالز کاتالیز می شود .طی این واکنش –2 ،فسفو گلیسرات به فسفوانول پیرووات
که یک ترکیب پرانرژی است تبدیل می گردد .
-10 مرحله دوم سنتز : ATPاین واکنش نیز یکی دیگر از واکنش های مهم در
مسیر گلیکولیز است که طی آن دومین مولکول پر انرژی ATPسنتز می شود.
ترکیب ناپایدار و پر انرژی فسفو انول پیرووات در حضور آنزیم پیروات کیناز به
پیرووات تبدیل میشود و یک مولکول ATPتولید میشود.
-10 آخرین مرحله از مسیر گلیکولیز واکنش ی است که طی آن پیروات احیا شده و
الکتات تولید می شود .
آنزیم الکتات دهیدروژناز و کوآنزیم NADHواکنش را کاتالیز می نماید .
2 molecules of PEP (C3H3O3P1) + pyruvate kinase + 2
ADP → 2 molecules of pyruvic acid (C3H4O3) + 2 ATP
نتیجه
راه گلیکولیز مکانیسم بیوشیمیایی است که از آن طریق انرژی شیمیایی گلوکز دوباره در سایر فرایندهای
بیوشیمیایی مورد استفاده قرار میگیرد .از جمع بندی ترکیبات مصرف شده و مواد تولید شده معلوم میشود
که تا مرحله تولید گلیسرآلدهید -3فسفات دو مولکول ATPمصرف میشود .از سوی دیگر در تبدیل دو
مولکول گلیسرآلدهید -3فسفات به پیرووات نیز چهار مولکول ATPتولید میگردد .با کم کردن تعداد ATP
مصرف شده از تعداد تولید شده ،میزان کل انرژی حاصل از راه گلیکولیز دو مولکول ATPخواهد بود.
در صورتی که گلیکوژن به عنوان منبع انرژی بکار رود مرحله اول گلیکولیز حذف میشود .بدین معنی که ابتدا
گلیکوژن تحت اثر آنزیم فسفریالز aبه گلوکز -1فسفات تبدیل میگردد و در مرحله بعد گلوکز -1بوسیله
آنزیم فسفوگلوکوموتاز ،به گلوکز -6فسفات مبدل میشود .در این حالت گلوکز -6فسفات راه گلیکولیز را طی
میکند .بدین ترتیب تعداد ATPتولید شده برابر سه مولکول خواهد بود .تخریب گلوکز به این مرحله پایان
نمییابد .بلکه مراحل آن بوسیله پیرووات در میتوکندری ادامه پیدا میکند و طی آن بقیه انرژی نهفته در
مولکول آزاد میشود.
تخریب سایر قندها
قندهای دیگر مانند الکتوز ،گاالکتوز ،فروکتوز ،مانوز ،تری هالوز ،ساکاروز طی
یک سری واکنشهای اختصاص ی به متابولیسمهای گلیکولیز تبدیل شده وسپس
پیرووات میدهد.
الکتوز
Glucose
glycolysis cycle
Lactase(E)
Lactose
Galactose
ATP
UDP: urydin diphospho
Galactokinase(E)
Mg+2(Co. E)
Galactose-1- phosphate
phospho galacto uridyl trnsferase(E)
UDP-glucose(Co. E)
UDP-galactose
UDP-glucose epimerase(E)
UDP-glucose
+
glucose -1-phosphate
Phosphoglucomutase (E)
glucose -6-phosphate(glycolysis cycle)
تری هالوز
( که میکوز هم نامیده شده) کربوهیدرات سادهای است که از اتصال دو
گلوکز با پیوند سادهای ایجاد شدهاست .این قند به اندازه ۴۵٪ساکاروز
شیرینی دارد و از قندهای غیر احیا کنندهاست .به همین دلیل اثرات مضری
که سایر قندها بر روی پروتئینها دارند ،را ندارد.
ترهالوز ،یک افزودنی خوراکی است که کیفیت غذاهای خشک و فراوری
شده را با خوشمزهتر نمودن آنها بهبود میبخشد.
ترهالوز در بعض ی قارچها وجود دارد.
CH2OH
CH2OH
O
OH
OH
OH
OH
O
OH
تری هالوز در اثر آنزیم تری هاالز( )Trehalaseبه دو مولکول گلوکز تجزیه
می شود .گلوکز نیز مستقیم وارد چرخه گلیکولیز می شود.
O
OH
ساکارو ز
glycolysis cycle
Glucose
sucrase(E)
sucrose
Fructose
(1)
(2)
Fructokinase (E)
ATP
Hexokinase
Fructose-6-phosphate
Frucose-1-posphate
Frucose-1-posphate-aldolase
glycolysis cycle
Glyceraldehyde + Dihydroxyaceton phosphate
Trioeskinase(E)
ATP
Glyceraldehyde-3-posphate
glycolysis cycle
Triose phosphate isomerase(E)
مانوز
Manose
Hexokinase(E)
ATP
Manose-6-phosphate
Phospho manose isomerase(E)
Frucose-6-posphate
glycolysis cycle
گلیکوژ نز ) ) G LYCOGENESIS
بیو سنتز گلیکوژن یا گلیکوژنز در طی مراحل زیر انجام میشود:
-1گلوکز توسط آنزیم گلوکوکیناز (در کبد) یا هگزوکیناز در عضله به گلوکز -6فسفات تبدیل می شود.
-2گلوکز -6-فسفات توسط آنزیم فسفوگلوکوموتاز به گلوکز -1فسفات تبدیل می شود.
-3گلوکز -1-فسفات ،توسط آنزیم UDPGپیروفسفریالز به UDPGو گروههای فسفات تبدیل می شود .آنزیم UDPG
پیروفسفوریالز UTP ،یوریدین تری فسفات را تجزیه می کند و انرژی حاصل از شکسته شدن پیوند فسفودی استر ،صرف
انتقال UDPبه گلوکز میشود.
-4آنزیم گلیکوژن سنتاز ،گلوکز را از UDPGبه گلیکوژن (در محل اتصال آلفا 1به )4منتقل می کند .زمانی که در سلول
گلیکوژن نباشد ،پروتئینی به نام گلیکوژنین از طریق آمینواسیدهای الکلی ،با گلوکز پیوند گلیکوزیدی برقرار می کند و گلیکوزیله
می شود.
-5آنزیم شاخه ساز بنام ترانس گلوکوزیداز با ایجاد پیوند آلفا 1به 6موجب تشکیل شاخه میشود( .پیوندهای گلیکوزیدی در
زنجیره اصلی گلیکوژن از نوع آلفا 1به 4و در محل انشعاب از نوع آلفا 1به 6است).
بیوسنتز گلیکوژ ن
Glucose
Glucose-6-posphate
Pospho glucose mutase
glycolysis cycle
Glucose-1-posphate
UDP glucose pyrophosphorilase
UTP
UDP glucose + ppi
Glycogene syntetase
Trans glucosylase
Glycogene
گلیکوژ نولیز
، Glycogenolysisتجزیه گلیکوژن به گلوکز ،در طول زمان افزایش تقاضای انرژی
در کبد و ماهیچه ،رخ می دهد.
تجزیه گلیکوژ ن
1)
Phosphorylase
Glycogene
Glucose-1-posphate + Limite dextrain
PO43Amilo-a-1,6-glucosidase
2)
Glycogene
Glucose-1-posphate
Phosphorylase
3)
4)
Glucose-1-posphate
Glucose-6-posphate
Phosphogluco mutaes
Glucose-6-posphate
Glucose-6-phosphatase
Glucose + PO43-
NH2
N
N
N
N
H2
C
O
ATP
O
Hormone
O
P
O
UDP-glucose
Adnylate cyclase
OH
Glycogene Synthase
active
CAMP
O
ATP
Protein Kinase
(inactive)
Glycogen
Protein Kinase
(active)
ADP
Glycogene Synthase phosphate
(inactive)
Phosphorylase kinase
(inactive)
ATP
Protein Kinase
active
Phosphorylase
(inactive)
ADP
ATP
Phosphorylase-p- kinase
(active)
ADP
Glycogen
Phosphorylase-p
(active)
Glucose-1-phosphate
اکسیداسیون گلوکز از راه پنتوز فسفات
یکی دیگر از راههای متابولیسم کربوهیدرات راه پنتوزفسفات است که در سیتو
پالسم سلول انجام می شود که طی آن از یک سو گلوکوز ماهیت خود را از دست
میدهد و تخریب میشود و از سوی دیگر فرآورده نهایی آن ،تولید NADPHو ایجاد
قندهای پنج کربنی به ویژه ریبوز است.
- 1تبدیل گلوکز - 6فسفات به فسفوگلوکونات
راه پنتوز فسفات با اکسایش گلوکوز-6-فسفات توسط آنزیم گلوکوز-6-
فسفات دهیدروژناز یا به اختصار G6PDشروع می شود و حاصل این
عمل گلوکونوالکتون-6-فسفات است که در مجاورت آنزیم الکتوناز به -6
فسفوگلوکونات تبدیل می شود باید توجه داشت که تعادل این واکنش
بیشتر به سمت تشکیل NADPHاست .
- 2دکربوکسیالسیون اکسیداتیو - 6فسفوگلوکونات
-6فسفوگلوکونات حاصل از واکنش فوق تحت اثر آنزیم -6فسفوگلوکونات
دهیدروژناز کربوکسیل زدایی و به ریبولوز -5فسفات تبدیل می شود
- 3تشکیل گزیلوز - 5 -فسفات و ریبوز - 5 -فسفات
از شش مولکول ریبولوز -5فسفات که تولید می شود ،چهار مولکول آن با کمک آنزیم فسفو پنتوز
اپیمراز به زایلوز-5-فسفات تبدیل می شود.
دو مولکول ریبولوز-5-فسفات نیز تحت آنزیم فسفو پنتوز ایزومراز به آلدوز مربوطه یعنی ریبوز-5-
فسفات تبدیل می شوند.
نظررر برره اینکرره ریبرروز -5فسررفات در بسرریاری از واکنشررها از جملرره زیسررت سررنتز نوکلئوتیرردها م رورد
نیاز بدن است ،لذا در اغلب مواد راه پنتوز فسفات در این مرحله متوقف می شود .معادلره کلری
برای این واکنشها را می توان به صورت زیر خالصه کرد.
- 4تشکیل سدوهپتولوز - 7 -فسفات و گلیسرآ لدهید - 3 -فسفات
یک مولکول گزیلولوز -5فسفات و یک مولکول ریبوز -5فسفات در مجاورت آنزیم ترانس کتوالز یک مولکول
گلیسرالدهید -3فسفات و یک قند هفت کربنی به نام سدوهپتولوز -7فسفات تولید می کند .
کلیه کتوزهایی که موقعیت فضایی کربن شماره 3آنها شبیه به کربن
شماره ،3گزیلولوز -5فسفات باشد می توانند به عنوان سوبسترا برای
آنزیم ترانس کتوالز مورد استفاده قرار گیرند.
- 5تشکیل فرو کتوز - 6فسفات توسط آنزیم ترانس آلدوالز
گلیسرالدهید -3فسفات و سدو هپتولوز -7فسفات در مجاورت آنزیم ترانس آلدوالز با هم ترکیب می شوند و
فروکتوز -6فسفات و یک قند چهار کربنی به نام اریتروز -4فسفات را تشکیل می دهند.
- 6تشکیل فرو کتوز – 6فسفات به وسیله آنزیم ترانس کتوالز
در آخ رررین مرحل رره اریت ررروز -4فس ررفات ب ررا گزیلول رروز -5فس ررفات در مج رراورت آن ررزیم تر ررانس کت رروالز ترکی ررب و ی ررک مولک ررول
گلیس ررالدهید و ی ررک مولک ررول فروکت رروز -6فس ررفات حاص ررل م رری ش ررود .س ررانجام فروکت رروز -6فس ررفات در مج رراورت آن ررزیم
فسفوگلوکو ایزومراز به گلوکوز -6فسفات تبدیل و چرخه دوباره تکرار می شود.
اهمیت و کنترل راه پنتوز فسفات
تحقیقات انجام شده نشان داده است که فعالیت راه پنتوز فسفات در بعض ی از بافتها مثل بافت چربری ،کبرد ،
پستان و غدد فوق کلیوی بسیار زیاد است و در مقابل ،فعالیرت آن در ماهیچره هرا کمترر اسرت .نقرش اساسر ی ایرن
راه در تولیررد NADPHاسررت کرره بخصررو
در بافررت چربرری جهررت زیسررت سررنتز اسرریدهای چرررب ،کلسررترول و
هورمونهای استروئیدی نهایت ضرورت را دارد.
همچنررین اهمیررت ایررن راه در تررامین ریبرروز مررورد احتیررا برردن بخصررو
جهررت سرراختن نوکلئوتیرردها نیررز قاب رل ذکررر
است .الزم به تذکر است که اهمیت این راه نیز از نظر انرژی کمتر از گلیکولیز نیست.
بدین ترتیب که راه پنتوزفسفات برای شروع ،بر خالف گلیکولیز احتیا به ATPندارد و همزمان با تبدیل یک
مولکول گلوکوز -6فسفات به رییوز -5فسفات ،دو ملکول NADPHو یک مولکول CO2تولید می کند.
بررا توجرره برره ایررن واقعیررت کرره اکسررایش کامررل یررک مولکررول گلوکرروز تولیررد 6مولکررول
CO2مرری کنررد،
بنابراین باید راه پنتوز فسفات 6بار تکرار شود ترا یرک مولکرول گلوکروز کرامال اکسرید شرود کره نتیجره آن
تولید 6مولکول CO2و 12مولکول NADPHخواهد بود .
راه پنتوز فسفات در بافت کبدی از دو طریق کنترل می شود:
-1از طریق مقادیر دو آنزیم گلوکوز -6فسفات دهیدروژناز و فسفو گلوکونات دهیدروژناز
-2 نسبت NADP+اکسید شده به شکل کاهیده آن ). (NADP+ /NADPH
در صرورتی کرره ایررن نسرربت 2درصرد باشررد هررر دو آنررزیم فروق دارای حررداکثر فعالیررت انررد یعنرری راه
پنترروز فسررفات بررا حررداکثر لرفیررت عمررل مرری کنررد .در صررورتی کرره ایررن نسرربت برره 1درصررد کرراهش
یاب ررد آنزیمه ررای ف رروق فعالی ررت خ ررود را تقریب ررا از دس ررت م رری دهن ررد و س رررعت عم ررل در ح رردود 90
درصد کاهش می یابد .
گلبوله ر ررای قرم ر ررز انس ر رران در مقایس ر رره ب ر ررا س ر ررایر بافته ر ررا مق ر رردار بیش ر ررتری از گل ر رروکز را از طریر ر رق راه
پنتوزفسررفات اکسررید مرری کننررد برره همررین دلیررل کمبررود آنررزیم گلوکرروز -6فسررفات دهیرردروژناز در
آنها می تواند سبب اختالل در این راه شود.
در نتیجره ایررن امررر مقرردار NADPHدر گلبولهرای قرمررز افرراد مبررتال کرراهش مری یابررد .کرراهش
NADPHموجررب اخررتالل در یررک سررری از واکنشررهای کاهشر ی در سررلول مرری شررود کرره در اثررر آن
گلبولهررای قرمررز اف رراد مبررتال نسرربت برره مصرررف بعض ر ی از مررواد مثررل داروهررای ضررد ماالریررا ماننررد
پریماکین ،سولفونامیدها و استیل فنیل هیدرازین ،حساس و به سرعت هومولیز می شروند ایرن
حالت را فاویسم می گویند.
عوارض این بیماری با مصررف براقالی فراوا کره در ایرران بخصرو
باقالی زاله معروف است نیز لاهر می شود.
در نروا ی شرمال فرراوان و بره
چرخه کربس یا تری کربوکسیلیک اسید
pyrovic acid + NAD+
TPP + FAD+ + Mg+ + Lipoic acid
Acetyl
CAo
SH
CoA
NADH
+ H+ + CO2
- 1تولید سیترات
واکنننش ابتنندایی میننان Acetil.Co.Aو اگزالواسننتات و تشننکیل سننیترات اسننت کننه بننه وسننیله آنننزیم سننیترات
س ن نننتاز کات ن ننالیز میش ن ننود ک ن ننه ی ن ننک پیون ن نند ک ن ننربن-ک ن ننربن می ن ننان متی ن ننل در Acetil.Co.Aو ک ن ننربن کربونی ن ننل در
اگزالواس ننتات ایج نناد میکن نند .س ننیس پیون نند تیواس ننتری س ننیتریل -Co.Aک ننه ب ننه ای ننن ترتی ننب ایج نناد ش ننده اس ننت
هیدرولیز میشود و سیترات و Co.A-SHآزاد میشوند؛ این واکنش انرژی زا است.
COO
O
H2C
Citrate Synthase
SH
COO + CoA
COO
C
H2C
Citrate
HO
CH3 + H2O
CoA
+ C
S
Acety CoA
COO
C
COO
H2C
Oxaloacetate
O
- 2تبدیل سیترات به ایزو سیترات
سیترات بوسیله آنزیم آکونیتاز (آکونیتاز هیدراتاز) ایزومریزه شده و به ایزوسیترات تبدیل میشود .این
واکنش در دو مرحله انجام میشود:
-۱دهیدراسیون به سیس -آکونیتات
-۲هیدراسیون به ایزوسیترات
COO
H2C
COO
HC
H2O
COO
H2C
COO
C
COO
HC
COO
Aconitase
C
COO
H
Isocitrate
HO
Cis-Aconitate
H2O
H2C
COO
C
COO
H2C
Citrate
HO
چگونگی عمل آن زیم آ کونی ت از
سرریتریک اسررید از نظررر سرراختار شرریمیایی جسررمی اسررت متقررارن ،لررذا عمررل آبگیررری از چنررین مولکررولی
عمررال بایررد از هررر دو سررمت مررو لکررول امکانپررذیر باشرد .لکررن برره تجربرره ثابررت شررده اسررت کرره ایررن عمررل
تنها از یک سمت و آن هم در خالف جهت ورود گروه استیل انجام می گیرد.
ب ررای توجیرره ایررن عمررل یررک نرروع مکانیسررم شرربیه برره عمررل چررر و فلررک ب ررای آنررزیم آکونیترراز پیشررنهاد
شده است.
آنرزیم آکونیتراز دارای سره نقاره اتصرال ،یکری بررای گرروه –CH2-COO-دومری بررای گرروه –OHو
سررومی ب ررای گررروه -COO-اسررت ،آنررزیم آکونیترراز کرره محترروی Fe2+اسررت در ایررن سرره نقارره بررا
سرریترات ترکیررب و کمررپلکس در جهررت چرری ،تولیررد ایزوسرریترات و در جهررت راسررت ،سرریترات تولیررد مرری
کند.
بایررد توجرره داشررت کرره تمررامی فعالیررت ایررن آنررزیم جابجررا کررردن گررروه هررای OH,Hدر مولکولهررای
سیترات و ایزوسیترات است بدون آنکه جسم واساه یعنی آکونیتات آزاد به وجود آید.
- 3اکسایش ایزو سیترات به آلفا -کتوگلوتا رات
ایزوسیترات در مجاورت آنزیم ایزوسیترات دهیردروژناز و NAD+بره اگزالوسوکسرینات اکسرید
می شود .
اگزالو سوکسینات یک جسم واساه است که متصل بره آنرزیم مری باشرد و فرورا برا از دسرت
دادن یک مولکول CO2به آلفا –کتوگلوتارات ( -2اکوگلوتارات)تبدیل می شود.
آنر ررزیم ایزوسر رریترات دهیر رردرژوناز یر ررک آنر ررزیم تنظر رریم کننر ررده (آلوسر ررتریک) اسر ررت و در مجر رراورت
ADPو AMPفعرال مری شرود .هری نوکلوتیرد دیگرری نمری توانرد در فعرال کرردن ایرن آنرزیم
اثری داشته باشد ،در حالی که NADH , ATPمتعادل کننده های منفی برای این آنرزیم
هستند و از فعالیت آن ممانعت به عمل می آورند.
بای ررد توج رره داش ررت ک رره دو ن رروع آن ررزیم ایزوس رریترات دهیر رردروژناز وجر ررود دارد ،یکر رری از NAD+
مثبررت و دیگررری از NADP+برره عنرروان فرراکتور اسررتفاده مرری کنررد .آنزیمرری کرره فرراکتور آن
NAD+است در میتوکنردری وجرود دارد و آنرزیم اصرلی بررای چرخره سریتریک اسرید محسروب
مر رری شر ررود در ح ر ررالی کر رره ایزوس ر رریترات دهیر رردروژنازی کر رره ف ر رراکتور آن NADP+اسر ررت ه ر ررم در
میتوکندری و هم در سیتوپالسم موجود و دارای نقش متابولیکی متفاوتی است.
- 4کربوکسیل زدایی همراه با اکسایش آلفا -کتوگلوتا رات و تولی د
سوکسینیل کوانزیم A
آلف ر ررا – کتوگلوت ر ررارات در مج ر رراورت مجموع ر رره ی آنزیم ر رری آلف ر ررا – کتوگلوت ر ررارات دهی ر رردروژناز بر ر ره
سوکسرینیل کروآنزیم Aتبردیل مری شرود .ایرن واکرنش کرامال شربیه بره کربوکسریل زدایری پیررووات
بوده و در سلولهای حیوانی از نظر زیست شناختی برگشت ناپذیر است .
- 5تولید یک پیوند پر انرژ ی از سوکسینیل کوآنزیم Aو تولید
سوکسینات
گروه تیواستر
در سوکسینیل کوآنزیم Aیک پیوند پر انرژی
است و می تواند یک GDPرا به GTPتبدیل کند .
این واکنش به سهولت برگشت پذیر است و به وسیله آنزیم سوکسینیل کوآنزیم A
سنتتاز یا سوکسینات تیوکیناز کاتالیز می شود GTP .حاصل از این عمل می تواند به
راحتی در مجاورت آنزیم نوکلئوزید دی فسفوکیناز یک ADPرا به ATPتبدیل کند.
- 6تولید فوما رات
سوکس ررینات اولر ررین جسر ررم چهر ررار کربن رری حاصر ررل در چرخر رره کر ررربس اس ررت و طر رری سر رره مرحلر رره بر رره
اگزالواستات تبدیل می شود این واکنشها آخرین مراحرل چرخره سریتریک اسرید اسرت کره اولرین
مرحله آن تبدیل سوکسینات به فومارات در مجاورت آنزیم سوکسینات دهیدروژناز می باشد.
- 7تولید ماالت
مالونیک اسید یک مهار کننده رقابتی بررای آنرزیم سوکسرینات دهیردروژناز اسرت و ضرمن ترکیرب
بر ر ررا آن مر ر ررانع از تبر ر رردیل سوکسر ر ررینات بر ر رره فومر ر ررارات و در نتیجر ر رره سر ر رربب اضر ر ررافه شر ر رردن غلظر ر ررت
سوکسینات در بافتها می شود.
تبدیل فومارات به ماالت در مجاورت آنزیم فوماراز آبپوشیده (هیدراته ) انجام می شود.
- 8تولید اگزالواستات
تبرردیل مرراالت برره اگزالواسررتات در مجرراورت آنررزیم مرراالت دهیرردروژناز و NAD+انجررام مرری شررود.
این ماده بر حسرب احتیرا سرلول مجرددا برا یرک مولکرول اسرتیل کروانزیم Aترکیرب شرده و وارد
چرخه کربس می شود.
موا زنه چرخه سیتریک اسید
مجموعه واکنشهای چرخه سیتریک اسید را می توان به شرح زیر خالصه کرد
این موازنه ،حاصل واکنشهای خالصه شده زیر است :
-1 دو ک ررربن ب رره ص ررورت اس ررتیل ک رروآنزیم Aوارد چرخ رره و ب رره اگزالواس ررتات متص ررل م رری ش رروند .ط رری
چرخه سیتریک اسید دو کربن توسط آنزیمهای ایزوسیترات دهیدروژناز و مجموعره آنزیمری آلفرا –
کتوگلوتارات دهیدروژناز به صورت CO2خار می شوند .
دو کربنرری کرره برره صررورت CO2چرخرره را تررر مرری کننررد غیررر از دو کربنرری هسررتند کرره در ابترردا برره
شکل استیل کوآنزیم Aوارد چرخه شده اند.
-2در طول چرخه سیتریک اسید طی واکنشهای اکسایش ی مجموعا چهار جفت الکترون به ترتیب زیر آزاد می شوند .
الف) تولید یک مولکول NADHاز واکنش ی که توسط ایزوسیترات دهیدروژناز کاتالیز می شود.
ب) تولید یک مولکول NADHاز واکنش ی که توسط مجموعه آلفا –کنو گلوتارات دهیدروژناز کاتالیز می شود.
) تولید یک مولکول FADH2از اکسایش سوکسینات به فومارات.
د) تولید یک مولکول NADHاز تبدیل ماالت به اگزالواستات.
-3تشکیل یک مولکول GTPاز تبدیل سوکسینیل کوآنزیم Aبه سوکسینات.
-4مصرف دو مولکول آب ،یکی در سنتز سیترات و دیگری در آبپوش ی (هیدراتاسیون ) فومارات.
نظرر بره اینکره NADHو FADH2حاصرل از چرخره سریتریک اسرید مری تواننرد وارد زنجیرر انتقرال دهنرده الکتررون شروند
لرذا از سره مولکرول NADHبرابرر 9ATPو از یرک مولکرول FADH2برابرر 2ATPانرژی حاصرل مری شرود بره عرالوه از
یررک مولکررول GTPحاصررل در چرخرره نیررز یررک ATPتولیررد مرری شررود کرره درایررن صررورت در یررک چرررخش کامررل چرخرره
سریتریک اسرید مجموعرا 12ATPانررژی آزاد مری شرود .مجموعره واکنشرهای چرخره سریتریک اسرید و انررژی حاصرل در هرر
مرحله از آن در جدول 2 – 10و شکل 16 – 10خالصه شده است.
تولید اجسام چهار کربنی از پیرووات
بعضر ی از اجسررام واسرراه چرخرره سرریتریک اسررید از قبیررل آلفررا –کتوگلوتررارات و اگزالواسرتات مرری
توانند به عنوان سوبسترا برای تهیه گلوتامیک اسید و آسپارتیک اسید مصرف شوند.
ب رره ط رروری ک رره ق رربال اش رراره ش ررد قس ررمتی از س رریترات تولی ررد ش ررده ط رری واکنش ررهای چرخ رره س رریتریک
اسرید مری توانرد از میترو کنردری عبرور کنرد و در سریتوزول تجزیره شرود و اسرتیل کروآنزیم Aتولیرد
کند که به نوبره خرود بره مصررف زیسرت سرنتز اسریدهای چررب مری رسرد سوکسرینیل کروآنزیم A
برای زیست سنتز هم نیز مورد استفاده قرار می گیرد.
مجموعرره ایررن واکنشررها سرربب مرری شررود کرره مقررداری از اسرریدهای چهررار کربنرری از چرخرره سرریتریک
اسید خار شوند .برعکس واکنشهای دیگری نیز وجود دارند که می تواننرد ایرن کمبرود را جبرران
کنند این واکنشها به نام واکنشهای آناپلروتیک یا جایگزین کننده شناخته شده اند.
واکنشهای آناپلرو تیک یا جایگزین کننده
هماناور که در بررس ی چرخه کربس دیدیم در هر دور از چرخه 2مولکول 3 ، CO2مولکول
NADHو یک مولکول FADH2و یک مولکول GTPاز چرخه خار می شود .تولید این مواد
باعث کمبود اجزای چرخه می شود .کمبود اجزای چرخه توسط واکنشهای آناپلروتیک جبران
می شود در زیر چند نمونه از این واکنشها ذکر شده است.
این واکنش در بافتهای کبد و کلیه بوسیله آنزیم پیرووات کربوکسیالز و کوانزیم Mn+انجام می
شود و با تبدیل پیرووات به اگزالواستات آنرا وارد چرخه کربس می کند.
بیوتین یا ویتامین B7یکی از ویتامینهای گروه ب است .این ویتامین محلول در آب است .بیوتین یک کوآنزیم است که در
متابولیسم اسیدهای چرب ،کربوهیدراتها و اسیدهای آمینه ،و همچنین سنتز ویتامینهای B6و B12نقش دارد .این ویتامین
دارای یک هسته ایمیدازول میباشد .بیوتین در غالت کامل ،جگر ،تخم مرغ و شیر پیدا میشود.
واکنش فوق در کبد و دیگر بافتهای حیوانی به هنگام کمبود اگزالوستات انجام می پذیرد آنزیم
پیرووات کربوکسیالز احتیا به بیوتین دارد و مکانیسم عمل آن در واکنشهای زیر نشان داده شده
است.
ضمنا الزم به تذکر است که این آنزیم عمل تنظیم کنندگی دارد و استیل کوآنزیم Aیک متعادل
کننده مثبت برای آن محسوب می شود.
Phosphoenol pyruvate carboxy kinase
Oxaloacetate + GTP
)2
Phosphoenol Pyruvate
این واکنش در بافتهای قلب و ماهیچه اسکلتی بوسیله آنزیم فسفواینول پیرووات کربوکس ی کیناز انجام می
شود.
Phosphoenol pyruvate carboxylase
Phosphoenol Pyruvate + HCO3-
Oxaloacetate + Pi
)3
این واکنش در بافتهای گیاهان آلی ،مخمرها ،و باکتریها بوسیله آنزیم فسفواینول پیرووات کربوکسیالز انجام
می شود.
Malic Enzyme
+ NAD(P)+
Malate
+ NAD(P)H
Pyruvate + HCO3-
)4
این واکنش در بافتهای یوکاریوتها و پروکاریوتها بوسیله مالیک آنزیم انجام می شود .ماالت تولید شده وارد
چرخه کربس می شود.
این آنزیم در سیتوزول سلولهای کبدی ،بافتهای چربی و همچنین در میتوکندری بافتهای قلب ،مغز و غدد
فوق کلیوی وجود دارد عمل این آنزیم شبیه به عمل آنزیم ایزوسیترات دهیدروژناز است ،به طوری که در
میتوکندری بیشتر منجر به تشکیل مالیک اسید می شود و بر عکس در سیتوزول جهت واکنش بیشتر به
سمت تولید NADPHاست که برای زیست سنتز اسیدهای چرب از اهمیت ویژه ای برخوردار می باشد.
در چهار واکنش فوق محصوال گلیکولیز (پیرووات و فسفو اینول پیرووات) وارد چرخه شد .اما با کمک
ترکیبات دیگری نیز کمبود اجزای چرخه کربس جبران می شود.
Tranaminase
a-Ketoglutarate + Alanine
5) Glutamate + Pyruvate
در این واکنش آنزیم ترانس آمیناز گروه آمینی را از گلوتامات به پیرووات انتقال داده و آنرا به آلفا-کتو گلوتارات تبدیل
کرده و خود به آالنین تبدیل می شود .آلفا کتو گلوتارات وارد چرخه کربس می شود.
Tranaminase
Oxaloacetate + Alanine
6) Aspartate + Pyruvate
آنزیم ترانس آمیناز در این واکنش مانند واکنش 5عمل می کند و اگزالواستات حاصل وارد چرخه کربس
می شود.
تنظیم چرخه کربس
هماناور که در بررس ی چرخه کربس مشاهده کردیم ،آنزیمهای مختلف در آن باعث تولید محصوالت
چرخه می شوند ،تا در نهایت انرژی تولید شود .این واکنشها توسط عوامل مختلفی تنظیم می شوند که
در اینجا به بررس ی این عوامل می پردازیم:
-1 آنزیم پیرووات دهیدروژناز :این آنزیم تبدیل پیرووات به استیل کوانزیم Aرا انجام می دهد .ولی هنگامی
که مقدار ATPزیاد باشد فعالیت آن کم می شود ،و در هنگام کمبود ATPفعالیت آنزیم زیاد می شود.
دیگر عوامل بازدارنده عبارتند از :استیل کوانزیم ، Aاسیدهای چرب و NADHو دیگر عوامل فعال
کننده عبارتند از :کوانزیم ، Aیون کلسیم و .NAD+
-2 ایزوسیترات دهیدروژناز :این آنزیم که باعث تبدیل ایزوسیترات به آلفا-کتوگلوتارات می شود ،با
افزایش مقدار ATPکاهش می یابد ،و در هنگام افزایش مقدار ADPیا افزایش غلظت یون کلسیم
فعالیتش افزایش می یابد.
-3 آلفا -کتوگلوتارات دهیدروژناز :فعالیت این آنزیم باعث تبدیل آلفا-کتوگلوتارات به سوکسینیل کوانزیم
Aمی شود ،با افزایش غلظت سوکسینیل کوانزیم Aیا NADHکاهش می یابد و هنگام افزایش غلظت
یون کلسیم فعالیت آنزیم افزایش می یابد.
چرخه گلوکور ونیک اسید
ا
عالوه بر راههای متابولیکی عمده ای که برای گلوکوز در بدن وجود دارد و قبال شرح داده شد ،گلوکوز می تواند طی
واکنشهایی به یکسری از مواد مانند گلوکورونیک اسید ،آسکوربیک اسید و بعض ی از پنتوزها تبدیل شود( .شکل )18-10
در چرخه گلوکورونیک اسید گلوکوز -6فسفات طی واکنشهایی تبدیل به یوریدین دی فسفات گلوکوز (گلوکوز فعال یا
)UDPGمی شود .جسم حاصل می تواند در اثر اکسایش تولید -UDPگلوکورونیک اسید کند یا اینکه در اثر عمل
ایزومر شدن که روی کربن شماره 4آن اتفاق می افتد تبدیل به –UDPگاالکتوز شود -UDP .گلوکورونیک اسید
شکل فعال گلوکورونیک اسید است که در بعض ی از واکنشهای بدن از جمله زیست سنتز کندروایتین سولفاتها ،تبدیل
بیلی روبین(پیگمانهای صفراوی که از تجزیه هموگلوبین حاصل می شوند) غیر مستقیم به بیلی روبین مستقیم و همچنین
اعمال ضد سمی کبد دخالت می کند.
از طرفی دیگر به طوری که در شکل 18-10نشان داده شده است گلوکورونیک اسید فعال طی واکنش هایی ضمن
تبدیل به -Lگزیلولوز ،سرانجام در مجاورت آنزیم گزیلولوز دهیدروژنازو NADPHبه گزیلیتول تبدیل می شود .فقدان
این آنزیم ایجاد بیماری ارثی نادری به نام پنتوزوری اولیه می کند .در جریان این بیماری مقدار زیادی گزیلولوز از طریق
ادرار دفع می شود .چگونگی تشکیل آسکوربیک اسید نیز در شکل 18-10نشان داده شده است .الزم به تذکر است که
این واکنش ها در بدن اکثر پستانداران انجام نمی پذیرد و به همین دلیل است که آسکوربیک اسید الزم برای آنها باید از
منابع غذایی تامین شود.
چرخه گلی اکساالت
بدن انسان فاقد توانایی سنتز گلوکوز از اسید های چرب است .چنین سنتزی فقط در
بعض ی از گیاهان و میکرو ارگانیسمها انجام می پذیرد که به نام چرخه گلی اکساالت
معروف است.
طی واکنش های این چرخه که شباهت زیادی به چرخه سیتریک اسید دارد ،استات یا
استیل کوآنزیم Aبه کربوهیدراتها تبدیل می شود .وجود دو آنزیم ایزوسیترات لیاز و ماالت
سنتتاز برای انجام واکنشهای این چرخه نهایت ضرورت را دارند .ایزوسیترات لیاز ابتدا
سبب تشکیل گلی اکساالت می شود و سپس گلی اکساالت حاصل با یک مولکول استیل
کوآنزیم Aدر مجاورت آنزیم ماالت سنتتاز ترکیب و تولید یک مولکول ماالت می کند .دو
آنزیم فوق در بستره ای دارای غشاء از سلول گیاهی که به نام گلی اوکسیزوم نامیده می
شود وجود دارند(بر خالف چرخه کربس که در میتوکندری انجام می شد) .مجموعه
واکنشهای چرخه گلی اکساالت را می توان بدین ترتیب خالصه کرد که دو مولکول استیل
کو آنزیم Aتولید یک مولکول سوکسینات می کنند( .شکل ) 19 – 10
ولایف چرخه گلی اکساالت
-1 از اسیدهای چرب به عنوان تنها منبع کربن استفاده کند.
-2 ساختن هیدرات کربن از اسیدهای چرب.
گلوکونئوژ نز
در بدن انسان گلوکوز می تواند از مواد غیر قندی ساخته شود که این عمل را گلوکونئوژنز می
نامند .عمل گلوکونئوژنز از الکتات ،آمینو اسید یا گلیسرول شروع شده و پس از تبدیل به پیرووات
و سپس به اگزالوستات به گلوکوز ختم می شود پیرووات و اگزالوستات دو ماده اصلی برای این
عمل محسوب می شوند.
به طوری که می دانیم در عمل گلیکولیز سه واکنش یک طرفه وجود دارد که کنترل عمل گلیکولز را
به عهده دارند به این ترتیب مشخص می شود که گلوکوژنز نمی تواند عینا در جهت عکس
واکنشهای گلیکولیز انجام پذیرد .لذا الزم است در جریان واکنشهای گلوکوژنز ،برگشت ناپذیری
واکنشهای فوق به طریقی جبران شود این اعمال با استفاده از واکنشهای گلوکونئوژنز عملی است
که اکنون به شرح آنها می پردازیم.
- 1بیوسنتز فسفواینول پیرووات
واکنش تشکیل فسفو اینول پیرووات یک واکنش یک طرفه است ،چرا که این واکنش نیاز به مقدار
زیادی انرژی دارد .سلول برای صرفه جویی ،واکنش فوق را در دو مرحله انجام میدهد.
الف -کربوکسیالسیون پیرووات به کمک آنزیم پیرووات کربوکسیالز و یون Mg2+و ایجاد
اگزالواستات .در این واکنش استیل کوانزیم Aبه عنوان یک فعال کننده عمل می کند .این واکنش
در میتوکندری صورت می گیرد.
ب -اگزالواستات به کمک آنزیم فسفو اینول پیرووات کربوکس ی کیناز با از دست دادن یک مولکول CO2
و پذیرفتن یک ریشه فسفات روی کربن دوم به فسفواینول پیرووات تبدیل می شود .کوانزیم این آنزیم
GTPاست.
فسفو اینول پیرووات طی شش واکنش گلیکولیز(واکنشهای 5 ،6 ،7 ،8 ،9و 4با همان آنزیمها) به فروکتوز
1و-6دی فسفات تبدیل می شود.
- 2تبدیل شدن فرو کتوز 1و - 6دی فسفات به فرو کتوز - 6فسفات
فروکت ننوز -6 ،1دی فس ننفات در مج نناورت آن ننزیم فروکت ننوز -6 ،1دی فس ننفاتاز ب ننه فروکت ننوز -6فس ننفات
تبدیل می شود که سرانجام می تواند به گلوکز مبدل گردد.
- 3تشکیل گلوکز از گلوکز - 6فسفات
گلوکوز -6فسفات تحت تاثیر آنزیم گلوکوز -6-فسفاتاز می تواند به گلوکوز تبدیل شود
ماالعه واکنش های فوق از نظر انرژی مشخص می کند که بررای تهیره مولکرول گلوکروز از دو مولکرول
ا
پیرووات جمعا 6پیوند پر انرژی به مصرف می رسد.
در مقایسه با عمال برگشت گلیکولیز که فقط 2مولکول ATPتولید می شود ،چهار ATPمازاد
الزم است تا واکنش ی که از نظر انرژی نامساعد است امکانپذیر گردد.
برره طرروری کرره قرربال اشرراره شررد در عمررل گلیکررولیز از تبرردیل یررک مولوکررول گلوکرروز برره 2مولوکررول الکتررات تنهررا 2
مولوکررول ATPحاصررل مرری شررود ،در صررورتی کرره زیسررت سررنتز گلوکرروز در عمررل گلوکونئرروژنز مسررتلزم مصررف 6
پیوند پر انرژی است.
نظررر بررا اینکرره مقرردار انرررژی تولیررد یررا مصرررف شررده در عمررل گلیکررولیز و گلوکرروژنز بررا یکرردیگر متفاوتنررد ،مرری ترروان
ا
نتیجرره گیررری کرررد کرره ایررن دو عمررل طرری واکررنش هررای متفرراوتی بررا انجررام مرری رسررند .چنررین واکررنش هررایی مرتبررا در
سلول زنده به انجام می رسند و ولیفه مهمی را در کنترل اعمال متابولیک سلول به عهده دارند.
از میرران آنررزیم هررای مرروثر در گلوکونئرروژنز تنهررا آنررزیم پیرررووات کربررو کسرریالز در میتررو کنرردری اسررت و بقبرره آنهررا در
قسررمت سیتوپالسررم سررلول وجررود دارنررد .لررذا اگزالواسررتات بررای شرررکت در عمررل گلوکونئرروژنز بایررد از جردار میتررو
کندری عبور کند و وارد سیتوپالسم شود تا واکنشها ادامه یابد.
چگررونگی عمررل برردین ترتیررب اسررت کرره ابترردا اگزالواسررتات تبرردیل برره مرراالت مرری شررود و از جرردار میتررو کنردری عبررور
می کند.
ا
مرراالت حاصررل در سیتوپالسررم مجررددا برره اگزالواسررتات تبرردیل مرری شررود و و اکررنش هررای گلوکونئرروژنز ادامرره مرری
ا
یابنررد .در جریرران ایررن اعمررال CO2مصرررف شررده بررای تهیرره اگزالواسررتات در میتررو کنرردری مجررددا در سیتوپالسررم
آزاد مرری شررود( برره واکررنش گلوکونئرروژنز مراجعرره کنیررد) مراحررل متفرراوت گلوکونئرروژنز در شررکل 17-10نشرران داده
شده است.
کاری از :