3. Glikoliza

1

3. Glikoliza Sveučilište u SplituPrirodoslovno-matematički fakultet

Odjel za kemiju

prof. dr. sc. Maja Pavela-Vrančičglikisglikis = sladak = sladaklisislisis = rastvaranje = rastvaranje

2

Raspodjela glukoze nakon obroka

SKLADIŠTENJE SINTEZA ATP-a

17 g 15 g

2 g 8 g

25 g 23 g

trigliceridi

glikogen

glikogen

GLUKOZA je glavno gorivo za većinu organizama

Glukoza je za eritrocitejedino gorivo,

glukoza je jedino gorivo za

mozak, osim u vrijemegladovanja,

izvori glukoze: škrob: hranidbeno

skladište u biljaka glikogen: skladišni

polisaharid u životinja saharoza.

glukoza(90 g)

Ugljikohidrati su stanici lakše dostupni,

topljivi su u vodi i lakše se prenose,

lakše se probavljaju i brže se oslobađa potrebna energija.

Prednost ugljikohidrata pred mastima

3

Glukoza je topljiva u krvnoj plazmi

Triacilgliceroli nisu topljivi u vodi; krvlju se prenose u obliku

lipoproteinskih kompleksa

lipoproteinski kompleks

4

Krvotok Krvotok Crijevne resiceCrijevne resice

CrijevaCrijevaAmilaza iz gušteračeAmilaza iz gušterače

ŽeludacŽeludacHCl inaktivira amilazuHCl inaktivira amilazu

Škrob je polimer glukozeŠkrob je polimer glukoze

NASUMIČNA HIDROLIZANASUMIČNA HIDROLIZAAmilaza iz sline hidrolizira -1,4-glikozidne veze

Hidroliza na OLIGOSAHARIDE(< od 8 podjedinica glukoze)do inaktivacije amilaze

Hidroliza na MALTOZU (disaharid), maltotriozu i oligosaharid dekstrin(-1,6-glikozidna veza)

Integralni proteini u plazmatskojmembrani mikrovila (maltaza,-dekstrinaza, glukoamilaza):hidroliza do GLUKOZE

PRIJENOS GLUKOZE u enterocite:Na+-glukoza simport

Usna šupljinaUsna šupljinaAmilaza iz slineAmilaza iz sline

Razgradnja škroba u probavnom sustavu

5

mikrovili

2 Na+

glukoza

2 K+

3 Na+

Na+/K+-ATPaza

glukoza

GLUT 2GLUT 2LUMEN

TANKOGCRIJEVA

KAPILARA

STANICA CRIJEVNOG EPITELA

Na+/K+ ATPaza, uz učešće ATP-a, održava nisku koncentraciju Na+ u stanici. Unos 2Na+ olakšanom difuzijom omogućava kotransport glukoze protivno koncentracijskom gradijentu. Porast koncentracije glukoze u stanicama crijevnog epitela stvara osmotski gradijent koji potiče unos vode.

Dehidracija je gubitak vode i elektrolita: zašto otopine za oralnu rehidraciju sadrže Na+, K+, Cl- i glukozu?

Na+- glukoza simportUnos glukoze u epitelne stanice tankog crijeva i bubrega

SOLT1/2SOLT1/2

6

Glukoza se preko plazmatske membrane animalnihstanica prenosi pomoću proteinskih prijenosnika

Prijenosnici: proteini s12 transmembranskih

segmenata

Prijenos:konformacijskompromjenom prijenosnika

GLUT1 i GLUT3: unose glukozu u većinu stanica

Km za glukozu: 1 mM (niži od normalne razine glukoze u krvi: 4-8 mM) posljedica: kontinuirani unos glukoze u stanice

GLUT2: prijenos glukoze u jetru, -stanice gušterače i epitelne stanice tankog crijeva (unos sustavom nosača ne ovisi o inzulinu)

Km za glukozu: 15-20 mM posljedica: glukoza ulazi u stanicu samo pri visokim koncentracijama glukoze u krvi

glukozaprijenosniciglukoze

endocitoza

egzocitoza

INZULIN

endosom

Unos glukoze u mišiće i masne staniceovisi o inzulinu

stimulacijainzulinom

GLUT4: unos glukoze u masne stanice i mišiće (skeletni i srčani mišići) (ovisi o inzulinu)

Km za glukozu: 5 mM inzulin stimulira nagli porast broja

prijenosnika u plazmatskoj membrani

posljedica: povećan unos glukoze u mišiće i masno tkivo

GLUT5: unos u epitelne stanice tankog crijeva prvenstveno prenosi fruktozu

glukozagalaktozafruktoza

enterocit

glukoza

fruktoza

8

GLUKOZAGLUKOZA

Osim u jetru, u ostala tkiva glukoza ulaziOsim u jetru, u ostala tkiva glukoza ulazisamo ako sesamo ako se AKTIVNO TROŠI AKTIVNO TROŠI

9

Unos glukoze povezan je s fosforilacijom

Prijenos glukozeolakšanom difuzijom

glukoza

glukoza

glukoza-6-fosfat

ATP

ADP

HEKSOKINAZA

PRIJENOS iFOSFORILACIJAfunkcionalno suvezani procesi.

Fosforilirana glukoza zadržava se u stanici.

Proteinski prijenosnici ne prenose fosforiliranu glukozu !

KINAZE kataliziraju

prijenos fosfatne skupine s ATP na

akceptor !

10

glukoza Cglukoza C66HH1212OO66

6CO6CO22 + 6H + 6H22OO

2840 kJ/mol2840 kJ/mol

Izgaranje glukozeIzgaranje glukozeGlukoza se u prisutnosti kisika oksidira do COGlukoza se u prisutnosti kisika oksidira do CO22 i H i H22OO

uz oslobađanje značajne količine energije uz oslobađanje značajne količine energije

6O6O2

Reakcija se odvija u jednom stupnju.

Slo

bodna e

nerg

ija

Nekataliziranareakcija

Visokaenergijaaktivacije

Sva slobodna energijaoslobađa se u obliku topline;

ne skladišti se!

šećer

11

U aerobnim uvjetima, stanice proizvode ATP postupnim i kontroliranim “izgaranjem” glukoze u tri stupnja

1. glikoliza

2. ciklus limunske kiseline

3. oksidacijska fosforilacija

šećer

Slo

bodn

a en

ergi

ja

enzimski katalizirane reakcije

Energija se pohranjujeu obliki aktiviranih

nosača (ATP, NADH)

GLI KOLIZA

GLI KOLIZA

Oksidacijska fosforilacija

CLK

12

Embden-Meyerhofov put O. Warburg, G. Embden, O. Meyerhof

Metabolički proces: razgradnja glukoze do 2 piruvata

Mjesto: u eukariota, citosol

Glikoliza je anaeroban proces

U aerobnim uvjetima piruvat seoksidira do CO2 i H2O

citosolcitosol

Otto MeyerhofOtto Meyerhof1884-1951.1884-1951.

13

GLIKOLIZAGLIKOLIZAje razgradnja glukoze do piruvata krozje razgradnja glukoze do piruvata kroz

9 reakcijskih koraka9 reakcijskih koraka

glukoza

Dijeli se uTRI STUPNJA

Ključne reakcije u glikoliziKljučne reakcije u glikolizi

REAKCIJA ENZIM

fosforilacija na teret ATP

kinaza

izomerizacija (aldozaketoza)

izomeraza

pregradnja fosfatne skupine

mutaza

oksido-redukcija oksidoreduktaza

dehidratacija (uklanjanje molekule H2O)

dehidraza/enolaza

aldolno cijepanje (cijepanje C-C veze - suprotno aldolnoj kondenzaciji)

aldolaza

14

ATPATP

piruvatpiruvat

AKTIVACIJA GLUKOZE

stvaranje spoja koji se lako može cijepati na fosforilirane trikarbonske jedinice

fosforilacija izomerizacija Fosforilacija

uz ulaganje energije: utrošak 2ATP

I. Stupanj glikolizeI. Stupanj glikolize

ATPATP

glukoza

F-1,6-BP

• FOSFORILACIJAFOSFORILACIJA glukoze u G6Pglukoze u G6P– reakcija je endergona: vezuje reakcija je endergona: vezuje

se uz hidrolizu ATPse uz hidrolizu ATP

• Enzim: Enzim: HEKSOKINAZA HEKSOKINAZA “pacemaker” “pacemaker” glikolizeglikolize ima ima visoki afinitet za visoki afinitet za

glukozuglukozu: omogućuje glikolizu : omogućuje glikolizu i pri niskim koncentracijama i pri niskim koncentracijama glukoze (ispod 1 mM)glukoze (ispod 1 mM)

inhibira je G6Pinhibira je G6P

• 1. IREVERZIBILNA 1. IREVERZIBILNA reakcija reakcija glikolizeglikolize

Pogodnost fosforilacije: Pogodnost fosforilacije: negativno nabijena i negativno nabijena i

hidrofilna fosfatna skupina hidrofilna fosfatna skupina zadržava glukozu u stanicizadržava glukozu u stanici

u stanici se održava niska u stanici se održava niska koncentracija glukoze i tako koncentracija glukoze i tako potiče unos glukoze potiče unos glukoze u u stanicustanicu 1515

ADPADP

glukoza glukoza (G)(G)

glukoza glukoza (G)(G)

glukoza-glukoza-6-fosfat 6-fosfat

(G6P)(G6P)


(G6P)(G6P)

heksokinazaheksokinazaheksokinazaheksokinaza

ATPATP

O5

4

3 2

1H

OH

OH

H

H

CH26

H

OHOH

H

OH

REAKCIJE I. stupnja glikolize

O5

4

3 2

1H

OH

OH

H

H

CH26

H

OHOH

H

OPi

GG‘‘ = = - 34 kJ/mol

• IZOMERIZACIJAIZOMERIZACIJA G6P u G6P u fruktoza-6-fosfat (F6P)fruktoza-6-fosfat (F6P) aldoheksoza se izomerizira aldoheksoza se izomerizira

u ketoheksozuu ketoheksozu

• Enzim: Enzim: fosfoglukoizomerazafosfoglukoizomeraza

• Reakcija je Reakcija je REVERZIBILNAREVERZIBILNA međutim, potrošnja F6P u međutim, potrošnja F6P u

slijedećem koraku glikolize slijedećem koraku glikolize potiče reakciju prema potiče reakciju prema naprijednaprijed

1616


(G6P)(G6P)


(G6P)(G6P)

fruktoza-fruktoza-6-fosfat6-fosfat

(F6P)(F6P)


(F6P)(F6P)

fosfogluko-fosfogluko-izomerazaizomeraza

fosfogluko-fosfogluko-izomerazaizomeraza

O5

4

3 2

1H

OH

OH

H

H

CH26

H

OHOH

H

OPi

4 3

2

O5

CH26

OH

H

H

OH

OHH

CH21 OHOPi

• FOSFORILACIJA F6P u fruktoza-1,6-difosfat (F1,6BP) na račun hidrolize ATP

• Enzim: FOSFOFRUKTOKINAZA-1 tetramerni enzim alosterički reguliran ključno regulatorno mjesto u

glikolizi

• 2. IREVERZIBILNA reakcija glikolize potiče stanicu da metabolizira

glukozu, umjesto da je skladišti

• F1,6BP se može cijepati na dvije fosforilirane trikarbonske jedinice

1717

ADPADP

fruktoza-fruktoza-1,6-1,6-

difosfatdifosfat(F1,6BP)(F1,6BP)




(F6P)(F6P)


(F6P)(F6P)

fosfofrukto-kinaza-1fosfofrukto-kinaza-1(PfK-1)(PfK-1)

fosfofrukto-kinaza-1fosfofrukto-kinaza-1(PfK-1)(PfK-1)

ATPATP

4 3

2

O5

CH26

OH

H

H

OH

OHH

CH21 OHOPi

OCH2

OH

H

H

OH

OHH

CH2O OPi Pi

GG‘‘ = = - 19 kJ/mol

18

Cijepanje naCijepanje na fosforiliranefosforilirane trikarbonske trikarbonske (C3) jedinice(C3) jedinice

IzomerizacijaIzomerizacija

DHAPDHAP GAPGAP

F1,6BPF1,6BP

piruvatpiruvat

glukozaglukoza

II. Stupanj glikolizeII. Stupanj glikolize

• CIJEPANJECIJEPANJE F1,6BP na F1,6BP na gliceraldehid-3-fosfat (GAP) i gliceraldehid-3-fosfat (GAP) i dihidroksiaceton-fosfat (DHAP)dihidroksiaceton-fosfat (DHAP)

• Enzim: aldolaza Enzim: aldolaza

(aldolno cijepanje)(aldolno cijepanje)

• GAP je na GAP je na glavnomglavnom putu putu glikolizeglikolize

• GAP (aldotrioza) i DHAPGAP (aldotrioza) i DHAP

(ketotrioza) su izomeri(ketotrioza) su izomeri

• DjelovanjemDjelovanjem trioza-fosfat-trioza-fosfat-izomeraze,izomeraze, DHAP se DHAP se izomerizira u GAP i pridružuje izomerizira u GAP i pridružuje glavnom putu glikolizeglavnom putu glikolize

1919

aldolazaaldolazaaldolazaaldolaza





dihidroksi-dihidroksi-aceton-fosfataceton-fosfat

(DHAP)(DHAP)

dihidroksi-dihidroksi-aceton-fosfataceton-fosfat

(DHAP)(DHAP)

gliceraldehid-gliceraldehid-3-fosfat3-fosfat(GAP)(GAP)

Na glavnomNa glavnomputu glikolizeputu glikolize

ketotriozaaldotrioza

trioza-fosfat-izomerazatrioza-fosfat-izomeraza

II. stupanj glikolize

OCH2

OH

H

H

OH

OHH

CH2O OPi Pi

CH2

C OHH

CHO

OPi CH2

C

CH2 OH

O

O Pi

20

2NAD+ + 2Pi

F-1,6-BPF-1,6-BP

GAPGAPDHAPDHAP

piruvatpiruvat piruvatpiruvat

Iz jedne molekule glukoze nastajudvije molekulegliceraldehid-3-fosfata

IzomerizacijaIzomerizacija

1,3-BPG 1,3-BPG

3PG 3PG

2PG 2PG

PEP PEP

2ADP

2ADP

GAPGAP

Do sada su utrošena 2 ATP.

U 3. stupnju glikolize oslobađa se energija i

postiže pozitivna energijska bilansa.

Iz 2 gliceraldehid-3-fosfata nastaju

2 piruvata.

21

“Isplata ili faza žetve”

Dobivanje energijombogatih spojeva

Oksidoredukcija:Neophodan je NAD+

Fosforilacija:Sinteza ATP

NADHNADH

ATPATP

ATPATPpiruvatpiruvat

glukozaglukoza

III. Stupanj glikolizeIII. Stupanj glikolize

22

CH3 CH2 OH CH3 C

O

H+ NAD+ + NADH + H+

+ H+ + 2e- NAD+NAD+ NADHNADHredukcija

oksidacija

NAD+ NADHSa supstrata se jedan atom vodikaizravno prenosi na NAD+, a drugise otpušta u otapalo.

Nikotinamidski prsten prima ion vodika i dvaelektrona: ekvivalent hidridnom ionu

Nikotinamid-adenin-dinuklotid (NAD+) je oksidans u mnogim metaboličkim procesima

Reaktivno mjesto:C4-atom nikotinamidskog

prstena

NADH je reducirani oblik NAD+

NADH je energijom bogati spoj !

O O II II I. polureakcija R-C-H + H2O R-C-OH + 2H+ + 2e- oksidacija

II. polureakcija NAD+ + 2H+ + 2e- NADH + H+ redukcija ______________________________________________________________

O O II II R-C-H + NAD+ + H2O R-C-OH + NADH + H+

+ HOPO3

2- ~PO32- + H2O

23

Reakcija koju katalizira gliceraldehid-3-fosfatReakcija koju katalizira gliceraldehid-3-fosfatdehidrogenaza može se smatrati kaodehidrogenaza može se smatrati kao

zbroj dva procesazbroj dva procesa

1. Oksidacija aldehida u karboksilnu kiselinu Oksidans: NAD+

Redoks reakcija

oksidira se

Go‘ = - 10,3 kcal/mol egzergona reakcija

reducira se

2. Fosforilacija karboksilne kiselineEndergona reakcija, koju pokreće oksidacija aldehida

R C

O

OH R C

O

O

energijom bogatimiješani anhidrid

Go‘ = + 11,8 kcal/mol

CH2 C

OH

H

CH

OOPi

• OKSIDACIJA aldehida (gliceraldehid-3-fosfat) u karboksilnu kiselinu (3-fosfoglicerat) Oksidans: NAD+ (preuzimanjem

2e- i H+, reducira se u NADH)

• Oksidacija je vezana uz fosforilaciju na C1 atomu: FOSFORILACIJA karboksilne kiseline (3-fosfoglicerat) u anhidrid (1,3-difosfoglicerat) Izvor fosfatne skupine :

anorganski fosfat (Pi)

• Enzim: gliceraldehid-3-fosfat-dehidrogenaza

• Nastaje ENERGIJOM BOGATI MIJEŠANI anhidrid (1,3-BPG)

– visoki potencijal za prijenos fosfata

2424

1,3-difosfo-1,3-difosfo-gliceratglicerat

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


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



PiPi + NAD+ NAD++

NADH + HNADH + H++

gliceraldehid-gliceraldehid-3-fosfat-3-fosfat-

dehidrogenazadehidrogenaza

gliceraldehid-gliceraldehid-3-fosfat-3-fosfat-

dehidrogenazadehidrogenaza

REAKCIJE III. stupnja glikolize

CH2 C

OH

H

CO

OOPi

Pi

11CH2 C

OH

H

CH

OOPi

• HIDROLIZA anhidrida (1,3-difosfoglicerat) do karboksilne kiseline (3-fosfoglicerat) visoka negativna slobodna energija

hidrolize omogućava sitezu ATP: FOSFORILACIJA ADP na račun supstrata (bez učešća respiracijskog lanca)

• Enzim: fosfoglicerat-kinaza

Nastaju 2 ATP Obnavljaju se 2 ATP

utrošena u 1. stupnju glikolize

Nakon ovog koraka energijska bilanca glikolize je 0

• Pregradnja fosfatne skupine s 3-OH na 2-OH skupinu

• Enzim: fosfoglicero-mutaza

CH2 C

OH

H

CO

OOPi

CH2 C

O

H

CO

OOH

Pi

2525

ADPADP

ATPATP

3-fosfo-3-fosfo-gliceratglicerat(3PG)(3PG)





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


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

fosfoglicero-fosfoglicero-mutazamutaza

fosfoglicero-fosfoglicero-mutazamutaza

fosfoglicerat-fosfoglicerat-kinazakinaza

fosfoglicerat-fosfoglicerat-kinazakinaza

CH2 C

OH

H

CO

OOPi

Pi

CH2 C

OH

H

CO

OOPi

CH2 C

O

H

CO

OOH

Pi

2626

ATPATP

enolazaenolazaenolazaenolaza

ADPADP



fosfoenol-fosfoenol-piruvatpiruvat(PEP)(PEP)

fosfoenol-fosfoenol-piruvatpiruvat(PEP)(PEP)

piruvatpiruvatpiruvatpiruvat

piruvat-kinazapiruvat-kinazapiruvat-kinazapiruvat-kinaza

CH3 C CO

OO

CH2 C

O

H

CO

OOH

Pi

CH2 C

O

CO

OPi

• DEHIDRACIJA (oduzimanje molekule vode) 2-fosfoglicerata (2PG) u fosfoenolpiruvat (PEP)

• Enzim: enolaza

• Nastaje ENERGIJOM BOGATI fosfoenol• visoka negativna slobodna energija

hidrolize• visoki potencijal prijenosa fosfata

• DEFOSFORILACIJA fosfoenolpiruvata (PEP) u piruvat

• Slobodna elergija hidrolize koristi se za sintezu ATP: fosforilacija na račun supstrata (bez učešća respiracijskog lanca)

• Enzim: PIRUVAT-KINAZA

• 3. IREVERZIBILNA reakcija glikolize• kontrolno mjesto glikolize

GG‘‘ = = - 23 kJ/mol

27

ADP + Pi → ATP + H2O + 30,5

fosfoenolpiruvat + ADP → piruvat + ATP - 31,4

Go

(kJ/mol)

fosfoenolpiruvat + H2O → piruvat + Pi - 61,9

Zašto fosfoenolpiruvat ima visoki potencijal zaprijenos fosfatne skupine?

Prijenosom fosfatne skupine na ADP, enol prelaziu stabilniji keto oblik (piruvat)

28

29

b

glukozaglukozaglukoza

glukoza-6-fosfat

glukozaglukoza--66--fosfatfosfat

fruktoza-6-fosfat

fruktozafruktoza--66--fosfatfosfat

fruktoza-1,6-difosfatfruktozafruktoza--

1,61,6--difosfatdifosfat

dihidroksiacetonfosfat

dihidroksiacetondihidroksiacetonfosfatfosfat

gliceraldehid-3-fosfat

gliceraldehidgliceraldehid--33--fosfatfosfat


gliceraldehidgliceraldehid--33--fosfatfosfat

1,3-difosfoglicerat1,31,3--difosfogliceratdifosfoglicerat 1,3-difosfoglicerat1,31,3--difosfogliceratdifosfoglicerat

3-fosfoglicerat33--fosfogliceratfosfoglicerat 3-fosfoglicerat33--fosfogliceratfosfoglicerat

2-fosfoglicerat22--fosfogliceratfosfoglicerat 2-fosfoglicerat22--fosfogliceratfosfoglicerat

fosfoenolpiruvatfosfoenolpiruvatfosfoenolpiruvat fosfoenolpiruvatfosfoenolpiruvatfosfoenolpiruvat

piruvatpiruvatpiruvat piruvatpiruvatpiruvat

glikolizaglikoliza

UglavnomUglavnomendergoneendergone reakcijereakcije

Uglavnom Uglavnom egzergoneegzergone

reakcijereakcije

“ulaganje”energije- 2 ATP

“oslobađanje”energije+ 4 ATP

Glikoliza se sastoji iz dvije faze: faze “ulaganja”energije i faze “oslobađanja” energije

Energijski prinos pri pretvorbi glukoze u piruvat

glukoza + 2Pi + 2ADP + 2NAD+ 2 piruvat + 2ATP + 2NADH + 2H+ + 2H2O

Dio oslobođene energije pohranjen je u obliku NADH !

Ponavljanje

Zašto se glukoza fosforilira nakon ulaska u stanicu? Objasnite ulogu I., II., i III. stupnja glikolize. Koliki je energijski prinos glikolize? Navedite sve produkte glikolize. Što je oksidans u glikolizi? Što je fosforilacija na razini supstrata? Koji su energijom bogati spojevi u glikolizi?

Obrazložite! Kako se iskorištavaju energijom bogati spojevi?

29

glukozaglukoza

citosolcitosol

piruvatpiruvat

Metabolička raskrižja

Metabolički putovi se isprepliću preko zajedničkih međuprodukata

Smjer ovisi o trenutnom stanju i potrebama organizma

30

31

piruvat piruvat

laktatlaktat acetil-CoAacetil-CoAacetaldehidacetaldehid

etanol etanol OksidacijaOksidacijado COdo CO22 i H i H22OO

Sudbina piruvata koji je nastao glikolizomSudbina piruvata koji je nastao glikolizom

AnaerobnaAnaerobna(alkoholna fermentacija)(alkoholna fermentacija)

AnaerobnaAnaerobna(homolaktička fermentacija)(homolaktička fermentacija) Aerobna oksidacijaAerobna oksidacija

COCO22 COCO22

Aerobna glikoliza: Aerobna glikoliza: stanično disanjestanično disanje

Glukoza se oksidira do CO2 i H2O

Kontrolirano oslobađanje energije kroz više metaboličkih putova:

glikoliza oksidacijska dekarboksilacija

piruvata ciklus limunske kiseline oksidacijska fosforilacija Efikasnija sinteza ATP !

(Predavanje 4. i 5.)

32

glikoliza

glukoza

oksidacijska fosforilacija

acetil-CoA

piruvat

CLK

ATPATPATP

energija

mitohondrij

piruvatpiruvat acetaldehidacetaldehid etanoletanol

piruvat-piruvat-dekarboksilazadekarboksilaza

alkohol-dehidrogenaza

Alkoholna fermentacijaAlkoholna fermentacijaU anaerobnim uvjetima, kvasci i neki mikroorganizmiU anaerobnim uvjetima, kvasci i neki mikroorganizmi

regeneriraju NADregeneriraju NAD++ prevođenjem piruvata u etanol prevođenjem piruvata u etanol

glukozaglukoza

2 piruvat2 piruvatSVRHA: regeneracija NAD+ radiodržavanja kontinuiteta glikolize

2 acetaldehid2 acetaldehid2 etanol2 etanol

Uzrok pojave mjehurića i alkoholaUzrok pojave mjehurića i alkoholanpr. u pivu i šampanjcunpr. u pivu i šampanjcu

dekarboskilacija oksido-redukcija

34

Homolaktička fermentacijaHomolaktička fermentacijaU mikroorganizmima i stanicama viših organizama,U mikroorganizmima i stanicama viših organizama,

u nedostatku kisikau nedostatku kisika piruvat se reducira u laktat piruvat se reducira u laktat

laktat-dehidrogenaza

piruvatpiruvatpiruvatpiruvat laktatlaktatlaktatlaktat

oksido-redukcijska reakcija

SVRHA: regeneracija NAD+ radiodržavanja kontinuiteta glikolize

glukozaglukoza

2 piruvat2 piruvat

2 laktat2 laktat

LAKTAT: ion mliječne kiseline

35

Zamor mišićapH do 6,4

Anaerobna glikoliza: brža proizvodnja laktata od potrošnje

Pojačana mišićna aktivnost popraćena je pojačanom potrošnjom ATP-a

ATP + H2O ADP + Pi + H+

povećana koncentracija unutarstaničnog laktata i H+

H+ inhibira fosfofruktokinazu obustavlja procese koji su

neophodni za kontrakciju mišića, sprječava oštećenje mišića zbog

nakupljanja velike količine kiseline, posljedica: bolni grčevi mišića.

GLUKONEOGENEZAGLUKONEOGENEZA

glukozaglukoza

piruvatpiruvat

laktatlaktat

glukozaglukoza

piruvatpiruvat

laktatlaktat

GLIKOLIZAGLIKOLIZA

KKRRVVOOTTOOKK

JETRAJETRA MIŠIĆMIŠIĆ

Prijenos metaboličkog tereta s mišića na jetruPrijenos metaboličkog tereta s mišića na jetruCORIJEV CIKLUSCORIJEV CIKLUS

Laktat se iz skeletnih mišića krvotokom prenosi u jetru U jetri se laktat oksidira u piruvat, koji se glukoneogenezom prevodi u glukozu

Laktat: pokretni nosač energije

Homolaktička fermentacija

Tijekom poroda mozak je opskrbljen kisikom, a ostalo tkivo ovisi o anaerobnoj glikolizi dok ne otpočne normalna opskrba stanica kisikom.

Mehanizam kojim se osigurava preživljavanje moždanih stanica u stanju stresa.

Laktat je gorivo za srčani mišić i moždane neurone Astrociti, koji okružuju i štite

moždane neurone, fermentiraju glukozu do laktata. Neuroni preuzimaju laktat, oksidiraju ga u piruvat koji se metabolizira preko ciklusa limunske kiseline: proizvodnja ATP-a.

37

neuron

astrocit

38

U stanicama tkiva koje ne sadrže mitohondrije ili je ograničena opskrba kisikom, glikoliza s laktatom kao krajnjim proizvodom

je glavni put proizvodnje ATP

crvene krvne stanice, kojima jezadača prijenos kisika, ne sadržemitohondrije (proizvode najviše laktata)

rožnica, leča i dio šerenice (slabaopskrba kisikom, ne sadržemitohondrije)

srž bubrega, testisi, leukociti ibijela mišićna vlakna (mali brojmitohondrija)

39

Mliječno kisele bakterije (Lactobacillus bulgaricus i Streptococcus thermophilus) metaboliziraju laktozu:

laktoza + H2O galaktoza + glukoza glukoza mliječna kiselina (laktat)

Posljedica: u mlijeku se taloži kazein, dolazi do spontane koagulacije mlijeka

Proizvod: jogurt

Mliječno kiselo vrenje

J

40

U uzgajalištima se koriste vodeni anestetici radi prijenosa i sakupljanja uzgojene ribe, kako bi se izbjeglo otpuštanje stresom izazvanih hormona i metabolita.

Razlog: Riba reagira na iznenadne smetnje: dodir s mrežom, zvuk ili druga neočekivana

aktivnost, poput vađenja iz vode.

Odaziv: ubrzani rad srca, pojačana proizvodnja kortizola, adrenalina i noradrenalina, snažna kontrakcija mišića.

Nakuplja se laktat, snizuje se pH mišića i smanjuju sveukupne zalihe energije.

Smanjena kvaliteta proizvoda i veća smrtnost.

Snažna aktivnost izazvana stresom iscrpljuje aerobne izvoreenergije u mišiću, pa mišić ovisi o anaerobnoj glikolizi

kao izvoru ATP

fruktoza-1,6-difosfatfruktoza-1,6-difosfat

41

-34 kJ/mol-34 kJ/mol



hekso-hekso-kinazakinaza

piruvatpiruvatkinazakinaza

Tri su ireverzibilna koraka Tri su ireverzibilna koraka u glikolizi u glikolizi (visoka negativna slobodna energija)(visoka negativna slobodna energija)

ΔΔG’ u fiziološkim uvjetima G’ u fiziološkim uvjetima

GLIKOLIZAGLIKOLIZA

fosfofrukto-fosfofrukto-kinaza-1kinaza-1

GlukoneogenezaGlukoneogeneza

oksaloacetatoksaloacetat

fruktoza-6-fosfatfruktoza-6-fosfat

piruvatpiruvat

fosfoenolpiruvatfosfoenolpiruvat

glukozaglukoza

42

Enzim Aktivator Inhibitor

heksokinaza AMP, ADP, fruktoza-6-fosfat

glukoza-6-fosfat

fosfofruktokinaza-1(PFK-1)

fruktoza-2,6-difosfat

citrat, ATP,NADH, PEP

piruvat kinaza AMP, fruktoza-2,6-difosfat

ATP, acetil-CoA

Alosterički regulatori glikolizeAlosterički regulatori glikolize

U metaboličkim putovima, enzimi koji kataliziraju esencijalneireverzibilne korake ključna su mjesta regulacije

43

PFK-1 je regulirana energijskim statusom stanice: aktivnost enzima raste smanjenjem omjera ATP/AMP

ATP je alosterički inhibitor: signalizira da su energetske potrebe stanice zadovoljene

Fosfofruktokinaza-1 (PFK-1) ključni je enzim za kontrolu glikolitičkog puta

CLKCLK

oksidacijskaoksidacijskafosforilacijafosforilacija

citratcitrat

inhibirainhibira inhibirainhibira

acetil-SCoAacetil-SCoA

stimulirastimulira

glukozaglukoza

piruvatpiruvat

glikolizaglikoliza

ATPATP

AMPAMP

fosfofruktokinazafosfofruktokinaza

Glikolizu potiče: niski energijski naboj stanice i nedostatak građevnih sastojaka

AMP je alosterički aktivator: signalizira potrebu za ATP-om

citrat (intermedijer CLK): je alosterički inhibitor

visoka razina citrata označava zadovoljavajuću

opskrbu energijom zadovoljavajuću

razinu biosintetskih preteča

1. kontrolno mjesto (heksokinaza): umjesto da se metabolizira glikolizom, G6P

se može skladištiti u obliku glikogena ili škroba,

razgradnjom glikogena nastaje G6P, koji ulazi u glikolizu iza prvog kontrolnog mjesta.

2. kontrolno mjesto (fosfofruktokinaza): DHAP može napustiti glikolizu i prijeći u

glicerol-3-fosfat, koji sudjeluje u sintezi triacilglicerola,

triacilgliceroli se razgrađuju na masne kiseline i glicerol, koji preko glicerol-3-fosfata i DHAP ulazi u glikolizu iza 2. kontrolnog mjesta.

44

Regulacija glikolize na razini fosfofruktokinaze ne koči druge metaboličke procese koji se izvode od glukoza-6-fosfata

Više točaka regulacije: omogućava da se međuprodukti između kontrolnih mjesta uključuju u glikolizu ili izlaze iz glikolitičkog puta i priključuju drugim metaboličkim procesima.

11

22

sintezaglikogena

put pentoza fosfata

glicerol-3-fosfat piruvat

sinteza triacilglicerola

glukoza-6-fosfat

glukoza

G6P

F6P

F1,6BP

piruvat

ATP

45

glukoza

G6P

glukoneo-geneza

glikogen

glukozaglukoza

TkivoTkivoJetraJetraKrvotokKrvotok

fosfofruktofosfofrukto

kinaza-1kinaza-1

heksokinazaheksokinaza

Ako je niski energijski naboj stanice (smanjen omjer ATP/AMP), stanice tkiva teže sintezi ATP-a poticanjem glikolize

1. U jetri se razgrađuje glikogen ili glukoneogenezom sintetizira glukoza, 2. olakšanom difuzijom, glukoza prelazi u krvotok,3. stanice tkiva opskrbljuju se glukozom iz krvotoka, 4. heksokinaza fosforilira glukozu u G6P,5. razgradnjom glukoze oslobađa se energija za sintezu ATP.

glukoza

G6P

F6P

F1,6BP

piruvat

ATP

46

glukoza

G6P

glikogen

Ako je visoki energijski naboj stanice, obustavlja se glikolizainhibicijom fosfofruktokinaze-1 (PFK-1)

glukozaglukoza

TkivoTkivoJetraJetra KrvotokKrvotok

glukokinaza

PFK-1

heksokinaza

1. ATP inhibira PFK-1,2. porast koncentracije F6P pomiče ravnotežu prema natrag,3. porast koncentracije G6P inhibira heksokinazu,4. obustavlja se unos glukoze u stanice perifernog tkiva,5. glukoza odlazi u jetru, 6. glukokinaza fosforilira glukozu u G6P,7. glukoza se skladišti u obliku glikogena.

47

GLUKOKINAZA katalizira fosforilaciju glukoze u jetri i -stanicama Langerhansovih otočića, (Km za glukozu = 10 mM)

HEKSOKINAZA katalizira fosforilaciju glukoze u svim drugim tkivima (Km za glukozu = 0,1 mM)

razlika u katalitičkim svojstvima ta dva enzima određuje raspodjelu glukoze u različitim tkivima

heksokinaza I ima visoki afinitet

za glukozu

heksokinaza IVheksokinaza IV(glukokinaza)(glukokinaza)

katalizira fosforilacijuglukoze samo kodvisokih koncentracijaglukoze

glukozaglukoza

Fosforilacijom se glukoza zadržava unutar stanice

48

Glukokinaza: jetreni enzim nije inhibiran glukoza-6-fosfatom ima manji afinitet za

glukozu od heksokinaze inducibilan (inzulin potiče

ekspresiju gena za glukokinazu)

IZOBILJE GLUKOZE:glukokinaza je aktivna

Uloga: sprječava gubitak glukoze osigurava G6P za sintezu glikogena

i masnih kiselina održava razinu glukoze u krvi

koncentracija glukoze u krvi je 4-5 mM

jetrajetra

glukozaglukoza (visoka konc.)(visoka konc.)glukokinazaglukokinaza(aktivna)(aktivna)

G6PG6Pmasnemasne

kiselinekiseline glikogenglikogen

krvkrv

IzobiljeIzobiljeglukozeglukoze

GLUT2GLUT2 glukozaglukoza

Inzulin ne pospješuje unos glukoze u jetru stimulacijomsustava nosača za glukozu, već indukcijom

jetrene glukokinaze i poticanjem fosforilacije glukoze u G6P

U nedostatku glukoze: glukokinaza je neaktivna prednost imaju mozak i mišići

49

krvkrv

ManjakManjakglukozeglukoze

glukozaglukoza

jetrajetra

glukozaglukoza (niska konc.)(niska konc.)

glukokinazaglukokinaza (neaktivna)(neaktivna)

mozakmozak

mišićimišići

Neaktivna glukokinaza

Ponavljanje Metabolizam glukoze započinje djelovanjem heksokinaze ili glukokinaze.

Aktivnost heksokinaze povezana je s trenutnim potrebama: heksokinaza je aktivna pri svim normalnim koncentracijama glukoze.

MIŠIĆ: glikogen heksokinaza CO2

Km = 0,05 mmol/L

glukoza glukoza G-6-P ADP + Pi ATP

laktat JETRA:

“skladište energije” glukokinaza glikogen Km =5,5 mmol/L

glukoza glukoza G-6-P

“metabolički signal” 50

mast

51



fosfofruktokinaza-1fosfofruktokinaza-1

aktivator:aktivator: fruktoza-2,6-difosfat fruktoza-2,6-difosfat

ATPATP

ADPADP

jetrajetra

Fruktoza-2,6-difosfat (F2,6BP) aktivirafosfofruktokinazu-1 u jetri

52

Sintezu i razgradnju fruktoza-2,6-difosfatakatalizira bifunkcionalni enzim

fosfofruktokinaza-2 (PFK2)/fruktoza-2,6-difosfataza (FBPaza)

jetreni enzim hormonski reguliran

nefosforilirani protein: aktivna je kinaza (PFK2) fosforilirani protein: aktivna je fosfataza (FBPaza)

oba aktivna mjesta nalaze se na jednom polipeptidnom lancu

PFK2PFK2 FBPazaFBPaza++HH33NN COOCOO--

SerOHSerOH

kinazakinaza fosfatazafosfataza

mjestomjestofosforilacijefosforilacije

5353


Koncentracija F2,6BP zavisi o odnosu sinteze i razgradnjeKoncentracija F2,6BP zavisi o odnosu sinteze i razgradnje

FBPazaFBPazaFBPazaFBPaza

PFK2PFK2

ATPATP ADPADP

FBPazaFBPaza

HH22OOPiPi

fruktoza-6-fosfatfruktoza-6-fosfatPiPi

PFK2PFK2

Nefosforilirani protein: aktivna je kinazaKinaze kataliziraju fosforilaciju na teret ATP-a

Fosforilacijom se povećava koncentracija F2,6BP

Fosforilirani protein: aktivna je fosfatazaFosfataze kataliziraju defosforilaciju

Defosforilacijom se snizuje koncentracija F2,6BP

U nedostatku glukoze, gušterača lući glukagon

preko receptora aktivira G-protein, koji aktivira adenilat ciklazu

adenilat ciklaza sintetizira cAMP, koji aktivira protein kinazu A

protein kinaza A fosforilacijom bifunkcionalnog proteina aktivira fosfataznu aktivnost

fosfataza defosforilira F2,6BP u F6P

F6P ne stimulira glikolizu; glikoliza se obustavlja, a glukoneogeneza aktivira.

54

glukagonglukagon


protein kinaza Aprotein kinaza A

fosfoproteinfosfoprotein fosfatazafosfataza

Pri niskim koncentracijama glukoze, sprječava jetruda troši glukozu koja je potrebnija mozgu i mišićima

adenilatadenilatciklazaciklazaManjak glukozeManjak glukoze jetrajetra

Koncentracija fruktoza-2,6-difosfata u jetriKoncentracija fruktoza-2,6-difosfata u jetriovisi o koncentraciji glukozeovisi o koncentraciji glukoze

fruktoza-6-fosfatfruktoza-6-fosfat(ne stimulira PFK)(ne stimulira PFK)

Glikoliza neaktivnaGlikoliza neaktivnaGlukoneogeneza Glukoneogeneza

aktivnaaktivna

55

(niska koncentracija(niska koncentracijaglukagona i adrenalina u krvi) glukagona i adrenalina u krvi)


U izobilju glukoze, glikoliza je aktivna, aU izobilju glukoze, glikoliza je aktivna, aglukoneogeneza inaktivna glukoneogeneza inaktivna

Izobilje glukozeIzobilje glukoze

fruktoza-2,6-difosfatfruktoza-2,6-difosfat(stimulira PFK)(stimulira PFK) protein kinaza Aprotein kinaza A

fosfoproteinfosfoprotein fosfatazafosfataza

inzulininzulin

56

Anemona Metridium senile

Obitavalište: sjeverna mora

Preživljavaju stanje anoksije smanjenjem energetskih potreba tj. usporavanjem metabolizma.

Anoksija uzrokuje: promjenu katalitičkih svojstava

kovalentnom modifikacijom regulatornih enzima glikolize,

pad koncentracije fruktoza-2,6-difosfata, alosteričkog aktivatora fosfofruktokinaze-1.

Morski organizmi fiziološkim mehanizmimareagiraju na promjene u okolišu

Anemona Metridium senile

57

inhibicija gliceraldehid-3-fosfat-dehidrogenaze katalitički značajan cisteinski aminokiselinski

ostatak u aktivnom mjestu sadrži –SH skupinu koja se kovalentno modificira

Inhibitor glikolize: CH3–Hg+Cl-

EE – – SH + SH + CHCH33 – Hg – Hg++ Cl Cl-- – – SH + SH + CHCH33 – Hg – Hg++ Cl Cl-- EE – – S S – Hg – CH– Hg – CH33 + + ClCl-- + H+ H++ – – S S – Hg – CH– Hg – CH33 + + ClCl-- + H+ H++

58

ADPADPADPADP

NADNAD++ NADNAD++

NADH, HNADH, H++NADH, HNADH, H++

1,3-difosfoglicerat1,3-difosfoglicerat

3-fosfoglicerat3-fosfoglicerat


PiPiPiPi HAsO42- je nalik

fosfatu

glukoza

piruvat

HAsO42-HAsO42-

Inhibicija arsenatomInhibicija arsenatom

gliceraldehid-3-fosfat-

dehidrogenaza

Arsenat ne inhibira glikolizu, već u ne inhibira glikolizu, već u procesu glikolize ometaregeneraciju ATP utrošenog u prvom stupnju glikolize

anhidrid arsenatne kiselineanhidrid arsenatne kiseline i 3-fosfogliceratai 3-fosfoglicerata

HH22OOHH22OO

ATPATPATPATPspontana hidroliza

HAsO42-HAsO42-

59

Polisaharidi i disaharidi iz hrane razgrađuju se do monosaharida koji ulaze u proces glikolize

dekstrin + nH2O n D-glukoza

maltoza + H2O 2 D-glukoza

laktoza + H2O D-glukoza + D-galaktoza

saharoza + H2O D-glukoza + D-fruktoza

60

galaktozagalaktoza G6PG6P

F6PF6P

F-1,6-BPF-1,6-BP

fruktozafruktoza(adipozno tkivo)(adipozno tkivo)

DHAPDHAP GAPGAP

piruvatpiruvat

glukozaglukoza

fruktozafruktoza(jetra)(jetra)

fruktozafruktoza(jetra)(jetra)

Ulazak fruktoze i galaktoze u glikolizu

61

fruktoza


dihidroksiaceton fosfat

fruktoza-1-fosfat

gliceraldehid +

ATP

ADP

fruktokinaza

fruktoza-1-fosfataldolaza

ATP

ADP

trioza kinaza

Jetra

Metabolizam fruktoze u jetri

Fruktokinaza je jetreni enzim.

U jetri se fruktoza uključuje u glikolizu zaobilazeći dva kontrolna koraka glikolize (heksokinazu i fosfofruktokinazu).

Fruktoza se brže metabolizira od glukoze.

Fruktoza nije izvor energije za mozak i mišiće (nedostaju im GLUT2 prijenosnici i fruktokinaza).


trioza-fosfat-izomeraza

62

Sirup agave je 90%-tna fruktozaSirup agave je 90%-tna fruktozaSirup od kukuruzaSirup od kukuruza

Hrana bogata fruktozom

63

leptin

nema regulacije inzulin

FRUKTOZA

fruktoza-1-Phepatička gliceraldehidotpornostna inzulin dihidroksiaceton gliceraldehid-3-P fosfat

glicerol-3-P piruvat

lipogeneza laktat

TRIGLICERID acil-CoA acetil-CoA

ApoB CO2 + ATP

VLDL

Fruktoza iz hrane metabolizira se u jetri

prvenstveno se metabolizira u masne kiseline

osigurava C-atome za sintezu glicerol-3-fosfata i acetil-CoA, preteča u sintezi triglicerida

za razliku od glukoze, fruktoza iz hrane ne stimulira inzulin i leptin (regulatori metabolizma masti)

porast razine leptina signalizira mozgu da je organizam sit te potiskuje tek.

Fruktoza potiče de novo lipogenezu i sintezuVLDL kompleksa

64

galaktozagalaktoza

UDP-galaktozaUDP-galaktozaglukoza-1-fosfatglukoza-1-fosfat

glukoza-6-fosfatglukoza-6-fosfat

glikolizaglikoliza

fosfoglukomutazafosfoglukomutaza

NADNAD++epimerazaepimerazatransferazatransferazagalaktokinazagalaktokinaza

UDP-glukozaUDP-glukozagalaktoza-1-fosfatgalaktoza-1-fosfat

Katabolički put za galaktozu ne postoji,pa se galaktoza pretvara u glukozu

glukoza galaktoza

laktoza UTP PPi

epimerazaglukoza-1-fosfat UDP-glukoza UDP-galaktoza

glikoproteinLaktoza sintetaza (u mliječnim žlijezdama)

katalitička podjedinica katalizira ugradnju galaktoze u glikoproteine

preinačna podjedinica (koncentraciju nadziru hormoni)

Promjenom hormonalnog statusa, povećava se koncentracija preinačne podjedinice, koja u kompleksu s katalitičkom podjedinicom katalizira sintezu laktoze.

Sinteza laktoze

66

Hipolaktazija

Nedostatak enzima laktaza

Posljedice: mikroorganizmi fermentiraju laktozu u mliječnu kiselinu te nastaju CH4 i H2

mliječna kiselina je osmotski aktivna, privlači vodu u crijeva što uzrokuje dijareju

plinovi i dijareja sprječavaju apsorpciju drugih hranjivih tvari poput proteina i masti

izbjegavati hranu koja sadrži laktozu

laktozalaktoza laktazalaktaza

glukozaglukoza

galaktozagalaktoza

67

Slaba opskrbljenost kisikom u dijelovima srca i mozga

Posljedica: prestanak stanične aktivnosti i smrt stanice

Zašto smrt stanice?

Srčani i moždani udar

oslobađanjenestabilnog

plaka

krvni ugrušakzatvara suženu

krvnu žilu

srčani udar

moždani udar

68

U odsutnosti kisika, stanica koja se jedino može osloniti na glikolizu kao izvor energije brzo potroši zalihe

fosfokreatina (izvor brze proizvodnje ATP) glikogena

Opada proizvodnja ATP ispod razine koja je potrebna za rad ionskih, membranskih crpki neophodnih za održavanje unutarstanične ionske koncentracije

poremeti se ionska ravnoteža stanica počinje bubriti istegnute membrane postaju propusne, te ispuštaju tvari iz stanice

dijagnostični kriterij za infarkt: prisutnost srčanih enzima u krvi

Niski unutarstanični pH (proizvodnja mliječne kiseline zbog anaerobne glikolize) aktivira lizosomske enzime koji razgrađuju stanične sadržaje.

Posljedica: ireverzibilno oštećenje stanice

Documents

3. Glikoliza