of 47 /47
METABOLISMUL GLUCIDIC Glucidele sau carbohidrații reprezintă cele mai abundente molecule organice din natură. În organismul uman, ele îndeplinesc o multitudine de roluri importante: - constituie o sursă importantă de energie (furnizează o fracțiune importantă, în general peste 50%, din caloriile unei diete echilibrate); - sub formă de glicogen, servesc ca formă de stocare a energiei în corp; - sub formă legată de alte tipuri de molecule (formând glicolipide, glicoproteine și proteoglicani), îndeplinesc diverse roluri structurale și funcționale: sunt componente ale membranelor celulare și ale matricei extracelulare, mediază unele forme de comunicare intercelulară. Structura glucidelor: Glucoza este principalul glucid, deținând o poziție centrală în cadrul metabolismului, din următoarele motive: - este un bun combustibil biologic, fiind relativ bogată în energie liberă; - poate fi stocată sub forma unui polimer cu greutate moleculară mare (glicogen), la care se poate apela atunci când aportul exogen de glucide lipsește; - poate da naștere unei game largi de biomolecule, utilizate în diverse procese de biosinteză (acizi grași și glicerol-fosfat, aminoacizi, riboză-5-fosfat, etc.). 1

Cap.iv. Metabolism Glucidic 2014

Embed Size (px)

DESCRIPTION

.

Citation preview

METABOLISMUL GLUCIDIC

Glucidele sau carbohidraii reprezint cele mai abundente molecule organice din natur. n organismul uman, ele ndeplinesc o multitudine de roluri importante:

- constituie o surs important de energie (furnizeaz o fraciune important, n general peste 50%, din caloriile unei diete echilibrate);

- sub form de glicogen, servesc ca form de stocare a energiei n corp;

- sub form legat de alte tipuri de molecule (formnd glicolipide, glicoproteine i proteoglicani), ndeplinesc diverse roluri structurale i funcionale: sunt componente ale membranelor celulare i ale matricei extracelulare, mediaz unele forme de comunicare intercelular.

Structura glucidelor: Glucoza este principalul glucid, deinnd o poziie central n cadrul metabolismului, din urmtoarele motive:

- este un bun combustibil biologic, fiind relativ bogat n energie liber;

- poate fi stocat sub forma unui polimer cu greutate molecular mare (glicogen), la care se poate apela atunci cnd aportul exogen de glucide lipsete;

- poate da natere unei game largi de biomolecule, utilizate n diverse procese de biosintez (acizi grai i glicerol-fosfat, aminoacizi, riboz-5-fosfat, etc.).

Sursele exogene de glucoz sunt reprezentate de glucidele din diet:

- polizaharide de origine vegetal (amidon) i, ntr-o mai mic msur, de origine animal (glicogen);

- dizaharide: zaharoz, lactoz, maltoz;

- glucoz liber. Exist 3 posibiliti principale de metabolizare a moleculei de glucoz:

1 - degradarea prin glicoliz, urmat de ciclul Krebs, cu generare de ATP;

2 - depozitarea sub form de glicogen;

3 - degradarea pe calea pentoz-fosfailor, cu generare de NADPH (agent reductor) i riboz-5-fosfat (precursor n sinteza de nucleotide i acizi nucleici).

GLICOLIZAGlicoliza este o cale de degradare a glucozei printr-o serie de reacii enzimatice, care are ca scop eliberarea unei fraciuni din energia coninut n molecula glucozei i conservarea ei sub form de ATP. Este prima cale metabolic elucidat, fiind descris n anii 1930 de ctre Embden i Meyerhoff.

Glucoza este o surs important de energie (substrat energogen) pentru toate esuturile. Glucoza este principalul carbohidrat din diet; alte monozaharide sunt reprezentate de fructoz i galactoz, care sunt degradate prin transformare n intermediari ai glicolizei.

Procesul glicolizei are loc n citoplasm i este o cale unic de metabolism, ntruct poate funciona att n condiii aerobe, ct i anaerobe; capacitatea glicolizei de a furniza ATP n absena oxigenului are o importan crucial, aa cum se va vedea ulterior.

n vederea angajrii pe calea glicolizei, glucoza plasmatic trebuie s ptrund n celule. Acest proces se realizeaz cu ajutorul unor transportori proteici membranari care aparin familiei GLUT i care sunt de mai multe tipuri, fiecare tip avnd o anumit localizare tisular:

- GLUT-4 se gsesc n esutul adipos i muscular; ei sunt depozitai n citoplasm, insulina determinnd translocarea lor n membrana plasmatic;

- GLUT-1 sunt localizai n eritrocit i creier;

- GLUT-2 se gsesc n ficat (i n celulele pancreatice) i sunt prezeni permanent n membrana plasmatic, nedepinznd de aciunea insulinei; ei realizeaz transportul glucozei prin difuzie facilitat n ambele sensuri, cu vitez mare, n felul acesta asigurnd echilibrarea permanent a concentraiei glucozei extracelulare i intracelulare.

Procesul glicolizei cuprinde dou etape (faze):

- o prim etap n care se consum energie sub form de ATP, pentru fosforilarea (mbogirea energetic) a unor intermediari - este aa-numita faz pregtitoare;

- o a doua etap n care se genereaz ATP, astfel nct bilanul energetic global este pozitiv.

I. Etapa consumatoare de energie

1. Fosforilarea glucozei la glucoz-6-fosfat (G-6-P).

Are loc prin transferul unei grupri fosfat din ATP pe gruparea OH din poziia 6 a glucozei. ntruct reacia are loc cu pierdere de energie liber sub form de cldur (G = 4 kcal/mol), are un caracter ireversibil.

Acest proces de fosforilare a glucozei este important din dou puncte de vedere:

- realizeaz reinerea glucozei fosforilate n celul, determinnd angajarea sa n procesul de metabolizare (numai glucoza liber poate fi transportat prin membrana plasmatic);

- energia eliberat prin ruperea legturii fosfat macroergice din molecula ATP-ului este conservat parial n legtura fosfo-esteric a G-6-P glucoza fosforilat are o molecul mbogit n energie liber, deci mai reactiv, ceea ce favorizeaz metabolizarea sa ulterioar.

Reacia de fosforilare a glucozei este catalizat de hexokinaz (n toate esuturile) i de glucokinaz (n ficat). Cele dou izoforme difer n privina afinitii pentru substrat:

- hexokinaza are un Km mic pentru glucoz (0,1 mM), deci o afinitate mare, ceea ce face ca aceast enzim s asigure fosforilarea eficient a glucozei chiar n condiiile unei concentraii sczute a glucozei plasmatice i tisulare;

- glucokinaza din ficat are un Km mare (10 mM) pentru glucoz, ceea ce traduce o afinitate mic pentru glucoz; ca urmare, glucokinaza funcioneaz eficient numai atunci cnd concentraia intracelular a glucozei este mare, aa cum se ntmpl postprandial, cnd exist un aport crescut de glucoz la nivel hepatic prin vena port; prin aciunea sa, glucokinaza contribuie la minimizarea hiperglicemiei postprandiale.

Glucozo-6-P reprezint un punct de rscruce n metabolismul glucidic, fiind precursorul pentru toate cile care utilizeaz glucoza, principalele fiind: glicoliza, calea pentoz-fosfailor i sinteza de glicogen.

2. Izomerizarea glucozo-6-fosfatului la fructoz-6-fosfat (F-6-P).

Aceast reacie constituie un proces de izomerizare aldoz-cetoz i este catalizat de fosfohexoz izomeraza, avnd un caracter reversibil.

3. Fosforilarea fructozo-6-fosfatului la fructoz-1,6-difosfat (F-1,6-P2).

Are loc prin transferul unei grupri fosfat din ATP pe gruparea OH din poziia 1 a F-6-P, proces care are loc cu pierdere de energie liber sub form de cldur, ceea ce i confer un caracter ireversibil (G = 3,4 kcal/mol). Aceasta este prima etap care angajeaz ferm glucoza pe calea glicolizei, G-6-P i F-6-P putnd urma i alte ci, pe cnd F-1,6-P2 este direcionat spre glicoliz.

Reacia este catalizat de fosfofructokinaza-1, care deine un rol major n cadrul glicolizei, fiind principalul punct de control al vitezei de desfurare a acestei ci metabolice.

4. Scindarea fructozo-1,6-difosfatului n dou trioze fosforilate: gliceraldehid-3-fosfat (GA-3-P, cuprinde atomii C4-C6 ai fructozei) i dihidroxiaceton fosfat (DHAP, cuprinde atomii C1-C3 ai fructozei).

Reacia este catalizat de aldolaz (aldolaza A, spre a o deosebi de aldolaza B din muchi, care acioneaz asupra fructozo-1-fosfatului; enzima face parte din clasa liazelor).

ntruct numai GA-3-P poate fi degradat n continuare n glicoliz, intervine triozfosfat izomeraza, care catalizeaz o interconversiune cetoz-aldoz i transform DHAP n GA-3-P.II. Etapa generatoare de energie

5. Oxidarea gliceraldehid-3-fosfatului la 1,3-difosfoglicerat (1,3-DPG).Gruparea aldehidic a GA-3-P este oxidat n prezen de NAD+ i fosforilat cu fosfat anorganic, cu formarea unei grupri carboxil(acil)-fosfat (de tip anhidrid acid mixt). n aceast reacie, mare parte din energia liber degajat n procesul oxidrii este conservat n legtura carboxil-fosfat a 1,3-DPG, care este de tip macroergic (G pentru hidroliza acestei grupri este de 11,8 kcal/mol).

Reacia este catalizat de gliceraldehid-3-fosfat dehidrogenaza, enzim ce conine o grupare SH n centrul activ, la care substratul se leag covalent prin gruparea sa aldehidic. Acceptorul de hidrogen n reacia de oxidare este NAD+, care se reduce la NADH + H+ n cursul reaciei.

6. Transferul gruprii fosfat din 1,3-difosfoglicerat pe ADP, cu sinteza de ATP.Sub aciunea fosfoglicerat kinazei, gruparea fosfat nalt energetic de la C1 al 1,3-DPG este transferat pe ADP, cu generarea unei molecule de ATP i a 3-fosfogliceratului.

ntruct legtura carboxil-fosfat din 1,3-DPG nmagazineaz mai mult energie (11,8 kcal/mol) dect este necesar pentru sinteza ATP din ADP i Pi (7,3 kcal/mol), 1,3-DPG poate servi la sinteza ATP.

Cuplul reaciilor catalizate de gliceraldehid-3-P dehidrogenaza i fosfoglicerat kinaza reprezint un proces de fosforilare la nivel de substrat: sinteza ATP prin fosforilarea ADP-ului, utiliznd energia nmagazinat ntr-un substrat macroergic, fr participarea oxigenului. Energia eliberat prin oxidarea gruprii aldehidice a GA-3-P la grupare carboxil este conservat prin formarea cuplat a ATP din ADP i Pi. Sinteza ATP prin fosforilare la nivel de substrat reprezint o cale complet distinct de sinteza ATP prin fosforilare oxidativ, care este un proces strict aerob.

7. Transformarea 3-fosfogliceratului n 2-fosfoglicerat.

Are loc sub aciunea fosfoglicerat mutazei, care catalizeaz o reacie de transfer reversibil al gruprii fosfat ntre C-3 i C-2 al gliceratului.

8. Deshidratarea 2-fosfogliceratului la fosfoenolpiruvat.

Procesul este catalizat de enolaz i reprezint a doua reacie din glicoliz care genereaz un intermediar ce conine un fosfat nalt energetic. Pierderea unei molecule de ap din 2-fosfoglicerat determin o redistribuire a energiei n interiorul moleculei, ducnd la creterea considerabil a energiei libere nmagazinate n gruparea enol-fosfat (legtur de tip macroergic, G = 14,8 kcal/mol).

9. Transferul gruprii fosfat din fosfoenolpiruvat pe ADP, cu sintez de ATP.Reacia este catalizat de piruvat kinaz i duce la formarea unei molecule de ATP i a enolpiruvatului, care tautomerizeaz rapid la piruvat. Este cea de a doua reacie de fosforilare la nivel de substrat din glicoliz. n cursul acestui proces, aproximativ jumtate din energia coninut n legtura fosfat-macroergic a fosfoenolpiruvatului este conservat sub forma legturii fosfo-anhidridice din ATP, restul pierzndu-se sub form de cldur (G a acestei reacii este 7,5 kcal/mol). n consecin, reacia are un caracter ireversibil.

Soarta piruvatului i a NADH formate n glicoliz

NADH produs n glicoliz trebuie s fie reoxidat continuu napoi la NAD+, n vederea meninerii n celul a unor rezerve adecvate de NAD+, care s participe ca acceptor de electroni n reacia catalizat de gliceraldehid-3-fosfat dehidrogenaz. Dac NADH nu este reoxidat eficient, rezervele de NAD+ se epuizeaz la un moment dat i glicoliza nu mai poate continua.Exist dou posibiliti alternative de reoxidare a NADH, care se desfoar n funcie de condiiile n care are loc metabolismul celular. Soarta piruvatului rezultat din glicoliz depinde de calea aleas pentru oxidarea NADH. Astfel:

n condiii aerobe, NADH este transferat n mitocondrie i oxidat n lanul respirator, astfel nct produsul final al glicolizei este piruvatul; acesta poate fi oxidat n mitocondrie la acetil-CoA, care este oxidat ulterior total n ciclul Krebs;

n condiii anaerobe, lanul respirator nu poate funciona; NADH-ul poate fi reoxidat prin angajarea n reacia de reducere a piruvatului la lactat, sub aciunea lactat dehidrogenazei, ceea ce explic faptul c n condiii anaerobe, glicoliza se termin la lactat.

Reacia lactat dehidrogenazei are un caracter reversibil n condiiile din celul, sensul su de desfurare la un moment dat depinznd de concentraiile intracelulare relative ale piruvatului i lactatului i de raportul [NADH]/[NAD+].

Lactatul format ca produs final al glicolizei anaerobe difuzeaz n snge, de unde este preluat de diverse esuturi (ficat, miocard, muchi scheletic n repaus) i reoxidat la piruvat. Acesta poate fi folosit la sintez de glucoz prin gluconeogenez (n ficat) sau oxidat total, cu generare de ATP.

Aceast modalitate de reoxidare a NADH, cuplat cu sinteza lactatului, este semnificativ deoarece permite glicolizei s funcioneze n condiii anaerobe, cu generarea de ATP fr participarea oxigenului (prin fosforilare la nivel de substrat). Acest aspect are o importan deosebit n anumite condiii:

- limitarea aportului de oxigen ntr-un esut, care duce la hipoxie tisular; n astfel de situaii, esuturile care au o capacitate glicolitic semnificativ pot supravieui (de ex. medulara renal, tractul gastro-intestinal, pielea), n timp ce miocardul, care este bogat n mitocondrii i este adaptat pentru metabolism aerob, nu poate face fa situaiilor de suprimare a aportului de oxigen i se necrozeaz;

- creterea accentuat a necesarului de ATP, disproporionat fa de ritmul aprovizionrii cu oxigen; aa se ntmpl n muchiul scheletic aflat ntr-o activitate susinut, cnd mare parte din ATP-ul necesar contraciei poate fi obinut doar prin glicoliz anaerob;

- n celulele care nu au mitocondrii, cum este eritrocitul, fosforilarea oxidativ nu poate avea loc, aceste celule depinznd de glicoliza anaerob pentru a genera ATP.

Este de menionat faptul c glucoza este singurul combustibil biologic care poate genera ATP n condiii anaerobe; toate celelalte surse de energie (acizi grai, corpi cetonici, aminoacizi) pot genera ATP numai n condiii aerobe, cu implicarea fosforilrii oxidative.

Exist cteva esuturi pentru care glicoliza este n mod particular important, ele depinznd de glucoz, ca surs de energie, n mod total sau ntr-o msur substanial (nu pot utiliza deloc alte surse de energie, sau o pot face doar ntr-o msur redus). Aceste esuturi sunt considerate esuturi gluco-dependente, ele necesitnd o aprovizionare continu cu glucoz. Este vorba de: creier (are un consum de ATP substanial i nu poate obine energie din acizii grai, acetia netraversnd bariera hemato-encefalic), eritrocit, muchi scheletic n activitate susinut (motivele gluco-dependenei lor au fost expuse mai sus).

Ecuaia global a glicolizei:

n condiii aerobe:

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

NADH rezultat se va angaja n lanul respirator, unde va fi reoxidat i va genera ATP n procesul fosforilrii oxidative;

n condiii anaerobe:

glucoz + 2ADP + 2Pi 2 lactat + 2ATP + 2H2O

Bilanul energetic al glicolizei anaerobe:

- n etapa consumatoare de energie se consum 2 molecule de ATP, n reaciile catalizate de hexokinaz i fosfofructokinaza-1;

- n etapa generatoare de energie se sintetizeaz 2 molecule de ATP prin oxidarea unei molecule de gliceraldehid-3-fosfat, n reaciile de fosforilare la nivelul substratului catalizate de fosfoglicerat kinaz i piruvat kinaz; deci pentru o molecul de glucoz, din care se formeaz 2 molecule de gliceraldehid-3-fosfat, se vor genera 4 molecule de ATP;

- ca urmare, bilanul global va fi 4 2 = 2 ATP.

Glicoliza elibereaz numai o mic fraciune din energia total a moleculei de glucoz (aproximativ 5%); cele dou molecule de piruvat formate conin nc majoritatea energiei chimice a glucozei, care va fi extras ulterior n cursul degradrii oxidative totale a piruvatului la CO2 i H2O.

Rolurile glicolizei

Dei rolul cel mai evident al glicolizei este generarea de ATP prin degradarea moleculei de glucoz, acest proces are i alte roluri, concretizate n generarea de precursori pentru diverse ci de biosintez:

- acetil-CoA rezultat din oxidarea piruvatului poate fi folosit la sinteza de acizi grai;

- dihidroxiaceton-fosfat se poate transforma n glicerol-fosfat, care este utilizat mpreun cu acizii grai la sinteza de trigliceride sau de fosfolipide;

- unii aminoacizi pot fi generai din intermediari glicolitici: serina din 3-P-glicerat i alanina din piruvat;

- fructozo-6-P i gliceraldehid-3-P pot participa la generarea de riboz-5-P (ntr-un proces numit calea pentoz-fosfailor), aceasta fiind utilizat la sinteza de nucleotide;

- n eritrocit se sintetizeaz 2,3-difosfoglicerat, care moduleaz afinitatea hemoglobinei pentru oxigen, facilitnd deoxigenarea hemoglobinei n esuturile extra-pulmonare.REGLAREA GLICOLIZEI

Reglarea procesului glicolizei are loc la nivelul a 3 enzime reglatorii i anume cele care catalizeaz reaciile ireversibile: hexokinaza/glucokinaza, fosfofructokinaza-1 i piruvat kinaza. Fiecare dintre aceste trei enzime exist sub forma mai multor izoforme (izoenzime) cu specificitate tisular, care pot fi supuse unor modaliti diferite de reglare, n acord cu particularitile metabolice ale fiecrui esut.

1. Hexokinaza/glucokinaza

- hexokinaza - este inhibat alosteric de glucozo-6-fosfat (inhibiie feedback de ctre produsul de reacie): dac G-6-P nu este utilizat att de rapid pe ct se formeaz, acumularea sa duce la inhibarea hexokinazei; n felul acesta, rata formrii G-6-P este meninut n echilibru cu rata utilizrii sale ulterioare;

- glucokinaza (din ficat) - nu este inhibat de G-6-P; enzima este indus de ctre insulin, astfel nct angajarea glucozei n glicoliz este favorizat dup prnzurile glucidice, cnd nivelul insulinei plasmatice este crescut.2. Fosfofructokinaza-1 (PFK-1)

Aceast enzim catalizeaz etapa limitant de vitez a glicolizei. PFK-1 este reglat prin mecanisme alosterice, coninnd patru situsuri alosterice:- pentru AMP i fructozo-2,6-difosfat - modulatori pozitivi;- pentru ATP i citrat - modulatori negativi. ATP n concentraie mare n celul este semnal de abunden energetic: dac rezervele de ATP sunt suficiente, degradarea glucozei n scop energogen este inhibat;

AMP n concentraie mare este semnal de depleie a rezervelor energetice; n aceste condiii glicoliza este activat, ducnd la refacerea rezervelor de ATP ale celulei;

citratul - se formeaz n concentraie mare n condiiile unei degradri accelerate a acizilor grai (de ex. n ficat, n perioadele inter-prandiale) acesta este un semnal c celula i satisface necesitile energetice prin oxidarea substratelor de natur lipidic; prin inhibarea glicolizei de ctre citrat, glucoza este economisit pentru esuturile gluco-dependente;

fructoz-2,6-difosfat (F-2,6-P2) - este un modulator alosteric pozitiv pentru fosfofructo-kinaza-1, acest efect avnd o importan deosebit n ficat (aici, n absena F-2,6-P2, PFK-1 are o activitate foarte redus);

- concentraia intracelular a F-2,6-P2 depinde de rata formrii i de rata degradrii sale;

- F-2,6-P2 se sintetizeaz prin fosforilarea F-6-P sub aciunea fosfofructokinazei-2; - degradarea F-2,6-P2 are loc prin hidroliz sub aciunea fructozo-2,6-difosfatazei;

- fosfofructokinaza-2 i fructozo-2,6-difosfataza sunt dou domenii cu activiti catalitice diferite ale aceleiai enzime (enzima bifuncional PFK-2/F-2,6-P2aza);

- echilibrul dintre cele dou activiti enzimatice este controlat de ctre insulin i glucagon prin intermediul reglrii covalente:

n perioadele inter-prandiale, glucagonul acioneaz prin intermediul mesagerului secund AMP ciclic acesta activeaz protein-kinaza A (PKA) fosforilarea enzimei bifuncionale activarea domeniului fosfatazic i inhibarea domeniului kinazic => scderea concentraiei F-2,6-P2 ncetinirea glicolizei la nivelul PFK-1 (n absena aportului alimentar glucidic, ficatul i obine energia prin degradarea acizilor grai economisete glucoza pentru esuturile gluco-dependente);

n perioadele post-prandiale, insulina activeaz o protein fosfataz defosforilarea enzimei bifuncionale activarea domeniului kinazic i inhibarea domeniului fosfatazic => creterea cantitii de F-2,6-P2 accelerarea glicolizei la nivelul PFK-1. 3. Piruvat kinaza

a) reglare alosteric:

F-1,6-P2 (intermediar din prima parte a glicolizei) activeaz piruvat kinaza (exemplu de modulare alosteric de tip feed forward): creterea concentraiei F-1,6-P2 (atunci cnd PFK-1 este activ) va duce la creterea activitii piruvat kinazei situat n aval, pregtind-o pentru fluxul mare de substrat pe care va trebui s-l transforme; n felul acesta se sincronizeaz n mod eficient activitatea PFK-1 cu cea a piruvat kinazei;

ATP (semnal de abunden energetic) este un inhibitor alosteric al piruvat kinazei, ducnd la ncetinirea consumului de glucoz n glicoliz.

b) reglare covalent - este caracteristic izoenzimei piruvat kinazei localizat ficat; forma activ a enzimei este cea defosforilat:

- creterea nivelului glucagonului (n condiiile scderii glicemiei din cursul perioadelor inter-prandiale) duce la activarea protein kinazei A (prin intermediul AMPc) fosforilarea piruvat kinazei inactivarea sa => este ncetinit utilizarea glucozei drept combustibil de ctre ficat glucoza este economisit i trimis spre esuturile gluco-dependente;

- atunci cnd nivelul glucagonului scade (n condiiile abundenei de glucide caracteristic perioadelor post-prandiale), o protein fosfataz defosforileaz piruvat kinaza, ducnd la activarea sa.

METABOLISMUL PIRUVATULUI

Piruvatul, care se formeaz prin degradarea glicolitic a glucozei, ocup o pozie de rscruce important n metabolismul glucozei. Metabolizarea sa ulterioar depinde de circumstanele de moment din esutul respectiv:

n condiii aerobe: piruvatul este degradat prin decarboxilare oxidativ la acetil-CoA, care apoi va fi degradat total n ciclul Krebs;

n condiii anaerobe, piruvatul este redus la lactat sub aciunea lactat dehidrogenazei;

n condiii de activare a gluconeogenezei (sinteza glucozei din compui neglucidici), piruvatul este carboxilat la oxalacetat, care apoi se va transforma n glucoz. Decarboxilarea oxidativ a piruvatuluiAre loc n mitocondrie: piruvatul format prin glicoliz este transportat din citoplasm n mitocondrie prin cotransport cu un proton, cu ajutorul simporterului piruvat/H+ localizat n membrana mitocondrial intern.

Decarboxilarea oxidativ a piruvatului la acetil-CoA este catalizat de un complex multienzimatic numit piruvat dehidrogenaza (PDH), alctuit din 3 enzime i 5 coenzime. Avantajul organizrii mai multor enzime sub form de complex const n faptul c intermediarii metabolici sunt transferai de la o enzim la alta (produsul unei enzime devine imediat substrat pentru enzima urmtoare), astfel nct ei nu difuzeaz n celul; aceasta duce la o cretere semnificativ a vitezei procesului.

Componena complexului PDH este urmtoarea:

EnzimaCoenzime necesareVitaminele din care provin

Piruvat dehidrogenaza (E1)tiamin pirofosfat tiamina (vitamina B1)

Dihidrolipoil transacetilaza (E2)acid lipoicacid lipoic

coenzima A acid pantotenic

Dihidrolipoil dehidrogenaza (E3)FAD riboflavina (vitamina B2)

NAD+nicotinamida (vitamina PP)

- acidul lipoic este un acid carboxilic cu 8 C i cu o punte disulfidic ntre C6 i C8; el ocup o poziie particular n cadrul complexului: este legat amidic de gruparea -amino a unui rest de lizin din componena E2 formeaz o molecul lipoil-lizil, care reprezint gruparea prostetic a E2 i care joac rolul unui bra lung, flexibil, ce se deplaseaz de la situsul activ al E1 la situsurile active ale E2 i E3, transportnd astfel intermediarii metabolici;

- complexul mai conine i 2 proteine reglatorii: - o protein kinaz (PDH kinaza)

- o protein fosfataz (PDH fosfataza).

Decarboxilarea oxidativ a piruvatului are loc n 5 etape:

Piruvatul reacioneaz cu TPP legat la E1 i sufer un proces de decarboxilare, rmnnd ataat la TPP ca derivat hidroxi-etil (E1);

Gruparea hidroxi-etil este oxidat la un acid carboxilic (grupare acetil) (E1);

- cei 2 H ndeprtai n reacie reduc legtura disulfidic a acidului lipoic la 2 grupri SH, formndu-se acidul dihidrolipoic;

- gruparea acetil este transferat de pe TPP pe acidul lipoic legat la E2 (este legat tioesteric la una din cele dou grupri SH) se formeaz acidul acetil-dihidrolipoic i se regenereaz TPP;

Gruparea acetil este transferat pe coenzima A, rezultnd acetil-CoA (E2);

- energia liber degajat n reacia de oxidare anterioar este utilizat pentru formarea legturii tioesterice macroergice din molecula acetil-CoA;

Acidul lipoic este regenerat prin oxidarea acidului dihidrolipoic cu ajutorul FAD (E3);

Prin transferul echivalenilor reductori de la FADH2 la NAD+ se formeaz, n final, NADH + H+ (E3).

Ecuaia reaciei globale a decarboxilrii oxidative a piruvatului sub aciunea PDH:

Piruvat + CoASH + NAD+ acetilCoA + NADH+H+ + CO2

Reacia este puternic exergonic (G = 8 kcal/mol) i are caracter ireversibil n condiiile din celul.

Reglarea activitii complexului PDH

a) Reglare alosteric acetil-CoA i NADH (produi ai reaciei) inhib E1 din complex.

b) Reglare covalent are loc prin fosforilarea/defosforilarea la un rest de serin din componena E1, sub aciunea PDH-kinazei i a PDH-fosfatazei:

- PDH-kinaza este activat alosteric de concentraii crescute de acetil-CoA, NADH i ATP;

- PDH-fosfataza este activat de ionii de Ca2+ (n muchi) i de insulin (n esutul adipos).

Activitatea PDH este sczut atunci cnd necesarul energetic al unui esut este satisfcut pe seama lipidelor; astfel, n condiii de depleie glucidic (ntre prnzuri i n strile de post), esuturile gluco-independente degradeaz acizi grai ca surs de energie se formeaz cantiti crescute de acetil-CoA, NADH i ATP, care duc la inactivarea PDH prin mecanismele descrise.

Activitatea PDH este crescut n condiii de abunden glucidic: n asemenea condiii degradarea acizilor grai este redus scade cantitatea de acetil-CoA, NADH i ATP dispare efectul acestora de inhibare a activitii PDH piruvatul format n cantiti mari prin degradarea glucozei va putea fi degradat eficient la acetil-CoA, care apoi va fi antrenat spre degradare total n ciclul Krebs.

Activarea PDH de ctre ionii de Ca2+ (ca urmare a activrii directe a PDH-fosfatazei) are o importan particular n muchiul scheletic: creterea concentraiei Ca2+ n cursul contraciei musculare are ca efect i activarea complexului PDH, favoriznd degradarea glucozei ca surs de energie.

n esutul adipos, activarea PDH-fosfatazei de ctre insulin duce la activarea complexului PDH, acesta fiind unul din modurile n care insulina exercit o influen pozitiv asupra metabolizrii glucozei n scop energogen.

CICLUL KREBSCiclul Krebs (numit i ciclul acidului citric sau ciclul acizilor tricarboxilici, descris de ctre Hans Krebs) reprezint calea de degradare oxidativ a acetil-CoA rezultat din catabolismul glucozei, al acizilor grai i al unor aminoacizi; deci acest proces metabolic reprezint o cale final comun pentru degradarea aerob a celor trei categorii de combustibili metabolici.

Reaciile ciclului Krebs au loc n mitocondrie, enzimele fiind localizate n matricea mitocondrial, libere sau ataate de membrana mitocondrial intern.

1. Condensarea acetil-CoA cu oxalacetatul, cu formare de citrat

Procesul debuteaz cu o condensare aldolic ntre acetil-CoA i oxalacetat: carbonul metilic al acetil-CoA este legat la carbonul carbonilic al oxalacetatului; intermediar se formeaz citril-CoA, care este hidrolizat rapid la citrat i coenzima A. Reacia este catalizat de citrat sintaz.

Hidroliza intermediarului tioesteric macroergic (citril-CoA) face ca reacia s fie puternic exergonic, deci echilibrul su este net n favoarea citratului; acest fapt este esenial pentru funcionarea ciclului Krebs, ntruct concentraia oxalacetatului n celul este redus.

2. Transformarea citratului n izocitrat

Aconitaza catalizeaz un proces reversibil de deshidratare a citratului la cis-aconitat, urmat de adiia apei la dubla legtur n aa fel nct se formeaz izocitratul. Dei citratul are o molecul simetric, aconitaza reacioneaz cu acesta ntr-o manier asimetric (are un situs activ asimetric), astfel nct cei 2 C care vor fi pierdui n etapele ulterioare nu deriv din acetil-CoA, ci din oxalacetat (abia n rundele ulterioare ale ciclului Krebs se vor elimina cei 2 C ai acetil-CoA).

3. Conversia izocitratului n -cetoglutarat

Izocitrat dehidrogenaza (ICDH) catalizeaz oxidarea izocitratului n prezen de NAD+, cu formarea unui intermediar numit oxalo-succinat, care apoi se decarboxileaz la -cetoglutarat.

Exist dou izoenzime ale ICDH:

- ICDH - NAD+ dependent, care se gsete n mitocondrii i acioneaz n ciclul Krebs;

- ICDH - NADP+ dependent, care are localizare dubl (mitocondrial i citosolic) i care are rol n generarea NADPH (ce va servi ca agent reductor n reacii anabolice reductive).

4. Decarboxilarea oxidativ a -cetoglutaratului la succinil-CoA

Acest proces este catalizat de -cetoglutarat dehidrogenaz (KG-DH), care este un complex enzimatic asemntor, din punct de vedere structural i funcional, cu piruvat dehidrogenaza (este alctuit din 3 enzime i 5 coenzime: TPP, acid lipoic, coenzima A, FAD i NAD+). n aceast reacie, energia liber degajat n procesul de oxidare este conservat sub forma legturii tioesterice din succinil-CoA (legtur de tip macroergic: G pentru hidroliza succinil-CoA este 8,6 kcal/mol).

5. Transformarea succinil-CoA n succinat

n aceast reacie, energia eliberat prin scindarea legturii tioesterice din succinil-CoA este utilizat pentru sinteza legturii fosfat-macroergice din GTP sau ATP. Reacia este catalizat de succinat tiokinaza (succinil-CoA sintetaza), care are dou izoenzime:

- una specific pentru ADP (distribuit n toate esuturile);

- o alta specific pentru GDP (localizat n esuturile implicate n procesul gluconeogenezei - ficat i rinichi - care utilizeaz GTP n una din reaciile sale).

Acesta reprezint un proces de fosforilare la nivel de substrat: energia eliberat prin decarboxilarea oxidativ a -cetoglutaratului este conservat n legtura tioesteric a succinil-CoA, fiind apoi utilizat pentru sinteza ATP din ADP i Pi.

GTP format n aceast reacie (sub aciunea succinat tiokinazei specifice pentru GDP) poate ceda un fosfat ADP-ului, pentru a genera ATP, ntr-o reacie reversibil catalizat de nucleozid difosfat kinaza: GTP + ADP GDP + ATP.

6. Dehidrogenarea succinatului la fumarat

Succinatul se dehidrogeneaz n prezena coenzimei FAD, sub aciunea succinat dehidrogenazei, cu formarea acidului fumaric (izomerul trans). Aceast enzim este legat de membrana mitocondrial intern i reprezint complexul II din lanul transportorilor de electroni.

7. Hidratarea fumaratului la malat

Fumaraza (fumarat hidrataza) catalizeaz o reacie de hidratare a fumaratului; enzima are o stereospecificitate ridicat: acioneaz numai asupra izomerului trans (acidul fumaric), nu acioneaz asupra izomerului cis (acidul maleic).

8. Dehidrogenarea malatului la oxalacetat

Malat dehidrogenaza catalizeaz reacia de dehidrogenare, n prezen de NAD+, a malatului, cu regenerarea oxalacetatului. n condiii standard, echilibrul reaciei este net spre formarea malatului (G = 7,1 kcal/mol). n condiiile din celula vie, oxalacetatul este ndeprtat continuu din reacie prin angajare n reacia citrat sintazei dintr-o nou rund a ciclului Krebs; n consecin, concentraia oxalacetatului este meninut la valori foarte sczute, ceea ce duce la direcionarea reaciei malat dehidrogenazei spre formarea oxalacetatului.

Rezultatul net pentru o rund a ciclului Krebs:

- o molecul de acetil-CoA intr n ciclu i 2 molecule de CO2 sunt eliberate;

- o molecul de oxalacetat este utilizat pentru a forma citrat (n prima reacie a ciclului) i o molecul de oxalacetat este regenerat (n ultima reacie) aceasta poate ncepe o nou rund de reacii;

- n consecin, o molecul de oxalacetat poate asigura oxidarea unui numr considerabil de molecule de acetil-CoA, ntruct se regenereaz la finalul fiecrei runde a ciclului (s-ar putea considera c oxalacetatul are un rol catalitic n cadrul ciclului Krebs); ntr-adevr, oxalacetatul se gsete n celul n concentraii mici, dar aceste cantiti mici de oxalacetat pot asigura degradarea unor cantiti mari de acetil-CoA.

Ecuaia global a ciclului Krebs:

Acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + ADP + Pi + 2H2O

2 CO2 + 3 (NADH+H+) + FADH2 + ATP + CoA-SHROLURILE CICLULUI KREBS

Ciclul Krebs are un rol central n cadrul metabolismului, care nu se limiteaz doar la oxidarea acetil-CoA; el este un proces amfibolic, avnd caracter dublu: catabolic i anabolic.

1. Latura catabolic a ciclului Krebs const n degradarea acetil-CoA, cu generare de ATP. Exist 4 reacii de oxidare n ciclul Krebs (3 NAD+-dependente i una FAD-dependent); energia liber degajat n aceste reacii este conservat sub forma a 3 molecule de NADH i a unei molecule de FADH2; aceste coenzime reduse vor transfera echivalenii reductori n lanul respirator, cuplat cu fosforilarea ADP => sintez de ATP (3 molecule pentru fiecare molecul de NADH i 2 molecule pentru FADH2, deci n total 11 molecule de ATP sintetizate n procesul fosforilrii oxidative).

n reacia succinat tiokinazei se sintetizeaz 1 molecul de ATP prin fosforilare la nivel de substrat.

Bilanul energetic global al ciclului Krebs este, deci, de 12 molecule de ATP.

2. Latura anabolic a ciclului Krebs const n faptul c unii intermediari ai si servesc ca precursori pentru o varietate larg de produi, n cadrul unor procese de biosintez. (#6)

Rol n gluconeogenez: toi intermediarii ciclului Krebs pot fi folosii la sinteza de glucoz; dup transformarea n oxalacetat, ei se pot angaja n procesul gluconeogenezei. Scheletele de C ale multor aminoacizi pot fi utilizate pentru sinteza de glucoz dup transformare n diveri intermediari ai ciclului Krebs.

-cetoglutaratul i oxalacetatul se transform, prin reacii de transaminare, n glutamat i aspartat; aceti aminoacizi vor servi ulterior la sinteza altor aminoacizi, precum i la sinteza nucleotidelor purinice i pirimidinice (aspartatul ca atare, iar glutamatul dup transformare n glutamin).

Succinil-CoA este utilizat la sinteza hemului, gruparea prostetic a hemoproteinelor (hemoglobin, mioglobin, citocromi).

Citratul joac rol de transportor al radicalului acetil (din componena acetil-CoA provenit din degradarea glucozei) din mitocondrie n citoplasm, n vederea participrii la biosinteza acizilor grai (dup prnzurile bogate n glucide, n ficat).

ETAPELE DEGRADRII TOTALE A GLUCOZEI

n anaerobioz, molecula de glucoz este degradat parial (pn la lactat), cu generarea a 2 molecule de ATP.

n aerobioz, glucoza este degradat total, la CO2 i H2O, cu implicarea mai multor etape:1. Glicoliza pn la piruvat;

2. Decarboxilarea oxidativ a piruvatului la acetil-CoA;

3. Oxidarea acetil-CoA la CO2 n ciclul Krebs.

Ca urmare a desfurrii celor trei procese se genereaz ATP n dou moduri:

- prin reacii de fosforilare la nivel de substrat (dou n glicoloz i una n ciclul Krebs);

- n reaciile de dehidrogenare din cadrul celor trei etape are loc conservarea energiei eliberate sub forma coenzimelor reduse NADH i FADH2; acestea se vor reoxida n lanul respirator, ducnd la sintez de ATP n procesul fosforilrii oxidative.

Bilanul energetic al degradrii totale, aerobe, a moleculei de glucoz: 1. Glucoz piruvat (glicoliza):

- reaciile de fosforilare la nivel de substrat 2 ATP

- reacia gliceraldehid-3-P dehidrogenazei: 2 x NADH 2 x 3 ATP = 6 ATP n procesul fosforilrii oxidative

=> bilan al glicolizei desfurate n condiii aerobe: 2 + 6 = 8 ATP.

2. Piruvat acetil-CoA (reacia piruvat dehidrogenazei):

- 2 x NADH 2 x 3 ATP = 6 ATP n procesul fosforilrii oxidative.

3. Acetil-CoA 2 CO2 (ciclul Krebs):

- 2 x 12 ATP = 24 ATP.

Total: 8 + 6 + 24 = 38 ATP.

Realiznd o comparaie ntre bilanul energetic al degradrii anaerobe a glucozei, prin glicoliz la lactat (2 ATP) i bilanul degradrii totale aerobe (38 ATP), se observ c degradarea aerob permite eliberarea ntregii cantiti de energie liber coninut n molecula de glucoz i conservarea acesteia sub form de ATP, deci are o eficien energetic mult mai mare n comparaie cu degradarea anaerob, care elibereaz doar aproximativ 5% din energia moleculei de glucoz.

Ca o concluzie, n celule exist dou ci de sintez a ATP-ului:

n condiii aerobe, cea mai mare parte a ATP-ului se produce n procesul fosforilrii oxidative: aceasta este calea major, d.p.d.v. cantitativ, de sintez a ATP-ului n celul;

n condiii anaerobe, fosforilarea oxidativ nu poate avea loc singura posibilitate de generare a ATP-ului este fosforilarea la nivel de substrat (deci aceast cale, minor d.p.d.v. cantitativ, dobndete un rol major n condiii de anaerobioz).

REGLAREA CICLULUI KREBS

Viteza de desfurare a ciclului acizilor tricarboxilici depinde de urmtorii factori: (#10)

1. Disponibilitatea de substrate: acetil-CoA i oxalacetat.

Atunci cnd, n urma degradrii glucozei (sau a altor substrate energogene), se formeaz cantiti mari de acetil-CoA, activitatea ciclului Krebs va fi crescut. Acetil-CoA are i rolul de activator alosteric al piruvat carboxilazei, ce catalizeaz principala reacie anaplerotic, n care se formeaz oxalacetatul necesar pentru angajarea acetil-CoA n ciclul Krebs.

2. Disponibilitatea de NAD+ (n forma oxidat), necesar n trei din cele patru reacii de dehidrogenare din cadrul ciclului.

Meninerea unei cantiti adecvate de NAD+ depinde de reoxidarea NADH (format n cele trei reacii de dehidrogenare) n lanul respirator; viteza de desfurare a lanului respirator depinde de disponibilitatea de ADP, deci de starea energetic a celulei:

- stare energetic joas (tradus prin [ATP] i [ADP] ) disponibilitatea mare de ADP va duce la creterea vitezei fosforilrii oxidative accelerarea oxidrii NADH n lanul respirator => creterea cantitii de NAD+ n forma oxidat aceasta va permite creterea vitezei ciclului Krebs;

- stare energetic nalt (tradus prin [ATP] i [ADP] ) scderea disponibilitii ADP va duce la scderea vitezei fosforilrii oxidative ncetinirea oxidrii NADH n lanul respirator => cantitii de NAD+ n forma oxidat scderea vitezei ciclului Krebs.Aadar, viteza de desfurare a ciclului Krebs este strns corelat cu viteza lanului respirator i a fosforilrii oxidative.3. Activitatea celor trei enzime care catalizeaz reaciile exergonice din cadrul ciclului Krebs: citrat sintaza, izocitrat dehidrogenaza, -cetoglutarat dehidrogenaza. (#11)

EnzimaModulatori pozitiviModulatori negativi

Citrat sintazaADPATP

NADH

Citrat

Izocitrat dehidrogenazaADPATP

NADH

-cetoglutarat dehidrogenazaNADH Succinil-CoA

a) Citrat sintaza - este modulat alosteric:

- pozitiv de ctre ADP;

- negativ de ctre ATP, NADH i citrat (produs al reaciei).

b) Izocitrat dehidrogenaza - este cel mai important punct de control al ciclului acizilor tricarboxilici (etapa limitant de vitez). Aceast enzim cheie este modulat alosteric:

- pozitiv de ctre ADP;

- negativ de ctre ATP i NADH.

c) -cetoglutarat dehidrogenaza - este inhibat alosteric de ctre NADH i succinil-CoA (produs al reaciei).

Existena unor cantiti mari de ATP n celul semnific satisfacerea necesitilor energetice ale celulei; ATP-ul determin scderea vitezei de desfurare a ciclului Krebs prin inhibarea alosteric a dou dintre enzimele supuse controlului metabolic.

Concentraii mari de ADP n celul semnific depleia rezervelor de ATP; ADP-ul determin accelerarea ciclului Krebs prin activarea a dou dintre enzime, n felul acesta generndu-se noi cantiti de ATP.

Acumularea de NADH (ca urmare a scderii reoxidrii sale n lanul respirator) duce la inhibarea activitii celor trei enzime reglatorii.

Acumularea de citrat (produs de reacie al citrat sintazei) i de succinil-CoA (produs de reacie al -cetoglutarat dehidrogenazei) determin inhibiia feed-back a celor dou enzime.

Ca o concluzie, principalii factori care regleaz viteza de desfurare a ciclului Krebs sunt rapoartele [NADH]/[NAD+] i [ATP]/[ADP], care reflect starea energetic a celulei:

- o stare energetic nalt este asociat cu valori crescute ale celor dou rapoarte, care determin ncetinirea ciclului Krebs, ducnd la diminuarea produciei de ATP;

- o stare energetic joas este asociat cu valori sczute ale celor dou rapoarte, care determin accelerarea ciclului Krebs, ducnd la refacerea rezevelor de ATP ale celulei.

Aceast modalitate de reglare se ncadreaz n mecanismul general de corelare a ritmului degradrii combustibililor metabolici cu ritmul utilizrii ATP ca surs de energie.GLUCONEOGENEZAGluconeogeneza (GNG) reprezint procesul de sintez a glucozei din precursori neglucidici.

esuturile gluco-dependente necesit o aprovizionare continu cu glucoz pentru a-i satisface necesitile energetice. n anumite circumstane, aportul exogen de glucide nu asigur necesarul de glucoz al esuturilor respective:

- lipsa aportului alimentar de glucide (n perioadele inter-prandiale i n strile de post, precum i n cazul unei diete bazat pe lipide i proteine dar srac n glucide);

- efortul muscular susinut.

n aceste condiii se apeleaz la sursele endogene de glucoz:

depozitele de glicogen hepatic: acestea pot asigura necesarul de glucoz pentru o perioad de 10-18 ore;

sinteza de glucoz prin GNG: este activ, ntr-o anumit msur, i la cteva ore dup un prnz glucidic, dar rolul su devine foarte important dup ce rezervele de glicogen hepatic s-au epuizat.

Gluconeogeneza are loc n ficat (90%) i rinichi (10%).

Precursorii de la care se poate porni pentru a se realiza sinteza de novo a glucozei sunt:

- lactatul

- glicerolul (eliberat prin hidroliza trigliceridelor)

- aminoacizii glucogenici. 1. GNG din lactat

Lactatul provine din glicoliza anaerob n muchiul n activitate i eritrocit de aici este eliberat n snge captat n ficat, unde este transformat n glucoz prin GNG glucoza este eliberat n snge de unde este captat parial de muchi i eritrocit, care o vor folosi ca surs de energie. n felul acesta se creeaz aa-numitul ciclu lactat-glucoz ntre muchi/eritrocit i ficat (ciclul Cori). GNG din lactat are loc, n principiu, prin parcurgerea n sens invers a glicolizei. ns echilibrul global al glicolizei favorizeaz net formarea lactatului/piruvatului (procesul este puternic exergonic); ca urmare:

- reaciile reversibile din glicoliz pot fi parcurse n sens invers, n GNG, sub aciunea acelorai enzime (enzime comune celor dou procese);

- trei dintre reaciile glicolizei sunt ireversibile (fiind puternic exergonice), deci reprezint bariere termodinamice care mpiedic desfurarea lor n sens invers pentru depirea lor, n GNG intervin enzime distincte de cele din glicoliz, care catalizeaz reacii diferite de cele glicolitice (enzime specifice gluconeogenezei).

Deci, dei glicoliza i GNG mprtesc mai multe etape (7 enzime sunt comune), totui ele nu sunt ci identice care se desfoar n sensuri opuse. GNG din lactat ncepe cu transformarea lactatului n piruvat sub aciunea lactat dehidrogenazei.

(1) Urmeaz prima etap care constituie o barier energetic: transformarea piruvatului n fosfoenolpiruvat (PEP). n glicoliz, transformarea PEP n piruvat este realizat ntr-o singur etap, catalizat de piruvat kinaz. n GNG, transformarea piruvatului n PEP are loc n dou etape:

Mai nti, piruvatul este transformat n oxalacetat prin carboxilare sub aciunea piruvat carboxilazei (PC, piruvat carboxiligaza, enzim din clasa ligazelor). Biotina (o vitamin hidrosolubil) intervine n calitate de coenzim n aceast reacie; ea este legat covalent de apoenzima piruvat carboxilazei printr-o legtur de tip amidic cu o grupare -amino aparinnd unui rest de lizin din centrul activ, formndu-se biotin-enzima. CO2 particip la reacia de carboxilare sub form de anion bicarbonat; ntr-o prim etap HCO3 se leag de o grupare fosfat provenit din ATP, formnd o molecul carboxil-fosfat. Apoi are loc transferul gruprii carboxil activate pe biotin-enzim, cu formare de carboxi-biotin-enzim: aceasta este donorul de grupare carboxil ctre piruvat, cu formare de oxalacetat. Piruvat carboxilaza este o enzim mitocondrial, iar restul enzimelor gluconeogenezei sunt localizate n citosol; oxalacetatul nu poate fi transferat n citosol ca atare (membrana mitocondrial intern nu conine un transportor pentru oxalacetat), ci sub form de malat: - oxalacetatul este redus la malat sub aciunea malat dehidrogenazei mitocondriale;

- malatul este translocat n citosol cu ajutorul unui transportor specific;

- n citosol, malat dehidrogenaza citosolic oxideaz malatul napoi la oxalacetat.

Oxalacetatul este transformat n fosfoenolpiruvat sub aciunea fosfoenolpiruvat carboxikinazei (PEPCK), n prezen de GTP ca donor de grupare fosfat. Reaciile piruvat carboxilazei i PEP carboxikinazei au, n anasamblu, G = 0,2 kcal/mol, dar G real este de aproximativ 6 kcal/mol, ceea ce face ca transformarea piruvatului n PEP s fie ireversibil la concentraiile reale ale celor doi compui n celul (PEP este consumat imediat n reaciile ulterioare ale GNG).

(2) PEP parcurge mai multe etape reversibile din glicoliz, sub aciunea enzimelor comune glicolizei i gluconeogenezei, pn cnd se ajunge la cea de a doua barier energetic din glicoliz ce trebuie depit: transformarea fructozo-1,6-difosfatului n fructoz-6-fosfat (care corespunde reaciei din glicoliz catalizat de fosfofructokinaza-1). n GNG, aceast transformare are loc prin ndeprtarea hidrolitic a fosfatului sub form de fosfat anorganic, sub aciunea fructozo-1,6-difosfatazei. Fructozo-6-fosfatul este convertit n glucoz-6-fosfat sub aciunea fosfohexoz-izomerazei.

(3) Ultima barier energetic este transformarea glucozo-6-fosfatului n glucoz; scindarea hidrolitic a fosfatului este catalizat de glucozo-6-fosfataza. Ecuaia global a GNG din lactat:

2 lactat + 4 ATP + 2 GTP + 6 H2O Glucoz + 4 ADP + 2 GDP + 6 Pi

2. GNG din lipide

Lipidele de rezerv (trigliceridele) din esutul adipos reprezint o alt surs de glucoz. Prin hidroliza trigliceridelor rezult glicerol i acizi grai.

a) Glicerolul este eliberat n snge, de aici este captat n ficat i rinichi, unde poate fi transformat n glucoz n modul urmtor: este fosforilat sub aciunea glicerol kinazei, dup care glicerol-3-P este oxidat n prezen de NAD+ sub aciunea glicerol-3-P dehidrogenazei, cu formare de dihidroxiaceton-fosfat (DHAP). DHAP este un intermediar al glicolizei/gluconeogenezei: din 2 molecule de DHAP, una este izomerizat la gliceraldehid-3-P (GA-3-P); cele dou trioze formeaz mpreun fructoz-1,6-difosfat, care apoi parcurge etapele din GNG pn la formarea de glucoz:

DHAP + GA-3-P F-1,6-P2 F-6-P G-6-P Glucozb) Acizii grai cu numr par de atomi de C (cum sunt marea majoritate a acizilor grai din componena trigliceridelor depozitate n esutul adipos), eliberai n snge dup hidroliza trigliceridelor, sunt captai parial n ficat: aici sunt degradai prin -oxidare la acetil-CoA.

Pentru a se transforma n glucoz, acetil-CoA ar trebui s se transforme mai nti n piruvat: acest lucru este imposibil, datorit ireversibilitii reaciei piruvat dehidrogenazei (care catalizeaz reacia invers, de transformare a piruvatului n acetil-CoA) din acest motiv, acizii grai cu numr par de C nu constituie substrate pentru GNG (avnd n vedere c nici nu exist o alt cale prin care acetil-CoA s se transforme n piruvat sau ntr-un alt intermediar al GNG).

3. GNG din aminoacizi

Din cei 20 de aminoacizi existeni n structura proteinelor, 18 pot fi transformai n glucoz (sunt glucogenici sau glucoformatori; excepie fac leucina i lizina). Pentru a se transforma n glucoz, aceti aminoacizi sunt metabolizai la: - piruvat acesta este convertit n glucoz;

- diveri intermediari ai ciclului Krebs acetia, parcurgnd ciclul, sunt convertii n oxalacetat, care dup transformare n fosfoenolpiruvat, intr n calea GNG i genereaz glucoz.

Principalul aminoacid glucogenic este alanina: aceasta este implicat, alturi de glutamin, n transportul gruprilor amino ale altor aminoacizi de la esuturile extra-hepatice (muchiul scheletic, n cazul alaninei) spre ficat. Aici, alanina este transformat prin transaminare n piruvat: - piruvatul va genera glucoz n procesul GNG, glucoza fiind apoi trimis muchiului pe cale sanguin;

- gruparea amino a alaninei va fi transformat, n cele din urm, n uree.

Astfel, se formeaz un ciclu alanin-glucoz ntre muchi i ficat: muchiul furnizeaz ficatului alanin, ca substrat pentru gluconeogenez, iar ficatul trimite o parte din glucoza format napoi la muchi, ca surs de energie. REGLAREA GLUCONEOGENEZEI

Viteza de desfurare a gluconeogenezei este reglat prin dou tipuri de mecanisme, care acioneaz la nivelul enzimelor cheie ale acestui proces: este vorba de cele patru enzime specifice gluconeogenezei, care catalizeaz reaciile ce corespund etapelor ireversibile din glicoliz. (#25)

1. Reglarea activitii unor enzime-cheie prin modulare alosteric:

piruvat carboxilaza: este activat de acetil-CoA;

fructozo-1,6-difosfataza: este inhibat de fructoz-2,6-difosfat i AMP.

2. Controlul sintezei celor patru enzime-cheie, n special a PEPCK (deci modificarea cantitii lor n celul):

Glucagonul, adrenalina i cortizolul: determin inducia enzimelor. Glucagonul i adrenalina acioneaz prin creterea concentraiei AMPc n celul, iar acesta activeaz protein kinaza A. Subunitile catalitice ale PKA intr n nucleu i fosforileaz o protein numit CREB (CRE-binding protein). Aceasta reprezint un factor de transcripie, care se leag la o secven reglatorie localizat n vecintatea unor gene (cum este PEPCK), numit CRE (cAMP response element) i activeaz transcripia genelor respective. Cortizolul acioneaz prin mecanismul caracteristic hormonilor liposolubili. Pe lng activarea transcripiei genelor care codific enzimele cheie ale GNG, cortizolul stimuleaz i catabolismul proteinelor musculare, aminoacizii rezultai fiind utilizai apoi n ficat ca substrate pentru gluconeogenez. Insulina: determin represia enzimelor cheie ale gluconeogenezei, avnd astfel o aciune inhibitorie asupra acestui proces.METABOLISMUL GLICOGENULUIGlicogenul reprezint forma de depozitare a glucozei n organismele animale. Cele mai importante depozite de glicogen se gsesc n:

- ficat - glicogenul poate reprezenta pn la 10% din greutatea organului (aprox. 100 g);

- muchi - glicogenul poate reprezenta pn la 1-2% din greutatea esutului (n jur de 400 g).

Motivul pentru care glucoza este depozitat sub form de glicogen const n faptul c acesta reprezint o form de stocare din care glucoza poate fi rapid mobilizat, pentru a asigura necesarul de glucoz al esuturilor gluco-dependente, n perioadele n care lipsete aportul exogen sau cnd crete substanial necesarul de glucoz ca surs de energie, cum se ntmpl n cursul exerciiului fizic.

O alt rezerv de energie o reprezint trigliceridele depozitate n esutul adipos; dei nsumeaz aprox. 130.000 kcal (fa de aprox. 800 kcal, ct reprezint rezervele de glicogen), depozitarea energiei sub form de lipide are dou inconveniente fa de depozitarea sa ca glicogen:

- trigliceridele nu pot fi utilizate ca surs de energie n absena oxigenului;

- acizii grai din componena trigliceridelor nu pot fi transformai n glucoz (absolut necesar pentru esuturile gluco-dependente).

Depozitarea glucozei se face sub form de glicogen i nu sub form de glucoz liber deoarece glucoza este o substan osmotic activ dac ntr-o celul s-ar acumula acelai numr de molecule de glucoz sub form liber, presiunea osmotic intra-celular ar crete foarte mult apa atras din mediul extra-celular ar determina liza osmotic a celulei (o concentraie a glicogenului de 0,01 M este echivalent cu o concentraie a glucozei de 0,4 M).

Structura glicogenului

Glicogenul este un polimer de glucoz cu structur ramificat:

- poriunile liniare sunt formate din molecule de glucoz unite prin legturi (1-4)-glicozidice;

- ramificaiile sunt create prin formarea de legturi (1-6)-glicozidice.

Ramificaiile sunt situate la distan de 4 resturi glucozil (n interiorul moleculei), fiind mai rare spre periferia moleculei; fiecare lan liniar conine 12-14 molecule de glucoz, iar pe fiecare lan sunt ataate dou ramificaii. Molecula glicogenului conine un singur capt reductor (C-1 al unei molecule de glucoz, ce poart gruparea hidroxil glicozidic), toate celelalte capete ale lanurilor de glicogen fiind nereductoare (au liber gruparea hidroxil de la C-4).

Structura ramificat a glicogenului prezint un mare avantaj: permite sinteza i degradarea sa rapid, enzimele implicate putnd aciona simultan la nivelul capetelor nereductoare de pe mai multe lanuri.

I. SINTEZA GLICOGENULUI (GLICOGENOGENEZA)Pentru a putea fi ncorporat n molecula glicogenului, glucoza trebuie s fie activat cu un nucleotid, sub form de UDP-glucoz.

- Pentru aceasta, glucoza este mai nti fosforilat la glucoz-6-fosfat sub aciunea hexokinazei sau a glucokinazei, dup care este izomerizat la glucoz-1-fosfat sub aciunea fosfogluco-mutazei.

- Glucozo-1-fosfat uridil transferaza (UDP-glucoz-pirofosforilaza) catalizeaz apoi transferul unui radical uridil (UMP) din UTP pe glucoz-1-fosfat, cu formare de UDP-glucoz; aceasta reprezint o form activ a glucozei: o parte din energia legturii fosfoanhidridice din UTP care se scindeaz este nmagazinat n molecula UDP-glucozei, crescnd astfel coninutul de energie liber al moleculei i fcnd posibil participarea sa la reacia de sintez a glicogenului.

- Pirofosfatul eliberat n aceast reacie este hidrolizat sub aciunea pirofosfatazei anorganice; aceasta menine concentraia pirofosfatului la un nivel redus echilibrul reaciei catalizate de uridil transferaz este net favorizat n sensul formrii UDP-glucozei.

UDP-glucoza este donorul de grupare glucozil pentru sinteza glicogenului: restul glucozil este transferat, sub aciunea glicogen sintazei, la captul nereductor al unei molecule mici de glicogen deja existent, care funcioneaz ca primer pentru sinteza glicogenului. ntruct glicogen sintaza nu poate iniia sinteza de glicogen pornind de la o molecul de glucoz, este necesar s existe deja acest primer de glicogen (care s amorseze sinteza glicogenului); primerul poate fi:

- un lan scurt de glicogen rmas din procese de degradare ale glicogenului anterioare (cu minimum 4 resturi de glucoz);

- glicogenina: este o protein pe care sunt asamblate, la nivelul unei grupri OH dintr-un rest de tirozin, primele cteva molecule de glucoz (provenite din UDP-glucoz, sub aciunea glucozil-transferazic a proteinei); glicogenina rmne legat la singurul capt reductor al moleculei de glicogen.

Glicogen sintaza poate realiza numai legturi (1-4)-glicozidice. Pentru formarea legturilor (1-6)-glicozidice (care creeaz puncte de ramifiere), atunci cnd lanul s-a alungit cu 11 resturi de glucoz intervine o alt enzim: enzima de ramifiere [amilo(1-4)(1-6) transglicozilaza]: aceasta transfer un fragment cu aproximativ 6 resturi glucozil de la captul nereductor al unui lan la atomul C6 al unui rest de glucoz din acelai lan sau dintr-un lan diferit. Prin formarea unei legturi (1-6)-glicozidice, se creeaz un punct de ramifiere. Ulterior intervine glicogen sintaza, care va aduga noi molecule de glucoz prin legturi (1-4)-glicozidice i va alungi ramificaia.

Ca urmare a modului de aciune al glicogen sintazei, molecula de glicogen conine un singur capt reductor i o multitudine de capete nereductoare: acesta constituie un avantaj, ntruct creeaz numeroase situsuri de aciune pentru enzimele implicate n sinteza i degradarea glicogenului, ceea ce asigur o eficien sporit a acestor procese.

Ecuaia global a alungirii moleculei de glicogen cu un rest de glucoz:

Glucoz + ATP + UTP + (Glucoz)n + H2O (Glucoz)n+1 + ADP + UDP + 2 Pi

Sinteza glicogenului este un proces consumator de energie: pentru fiecare molecul de glucoz adugat se consum 2 legturi macroergice.

II. DEGRADAREA GLICOGENULUI (GLICOGENOLIZA)Are loc printr-un proces de fosforoliz: scindarea legturilor (1-4)-glicozidice de la captul nereductor al unui lan de glicogen cu ajutorul fosfatului anorganic eliberarea glucozei terminale sub form de glucoz-1-fosfat. Acest proces este catalizat de glicogen fosforilaz, enzim care necesit prezena piridoxal-fosfatului (forma activ a vitaminei B6) n calitate de cofactor esenial.

Glicogen fosforilaza acioneaz repetitiv pn cnd ajunge la o distan de 4 resturi glucozil fa de un punct de ramifiere, moment n care se oprete.

La nivelul ramificaiilor moleculei de glicogen acioneaz o alt enzim numit enzima de deramifiere, care are activitate dubl:

- prin activitatea oligo-(1-4)(1-4) glucan transferazic, ea transfer un grup de 3 resturi glucozil de pe lanul care a fost scurtat pe un alt lan, unde leag acest fragment prin legtur (1-4) glicozidic;

- prin activitatea (1-6) glicozidazic, enzima scindeaz hidrolitic restul de glucoz care a rmas la punctul de ramifiere (legat (1-6)-glicozidic) ndeprteaz aceast molecul de glucoz sub form de glucoz liber.

Dup ce ramificaia a fost ndeprtat, asupra lanului liniar de glicogen va aciona n continuare glicogen fosforilaza.

Aadar, produii degradrii glicogenului sunt:

- n principal glucoz-1-P, care rezult n urma procesului de fosforoliz catalizat de glicogen fosforilaz;

- o cantitate mic de glucoz liber, rezultat de la nivelul punctelor de ramifiere, n urma procesului de hidroliz catalizat de enzima de deramifiere.Glucozo-1-P rezultat din glicogenoliz se va transforma n glucoz-6-P sub aciunea fosfogluco-mutazei. Ulterior, soarta glucozo-6-fosfatului este diferit n ficat fa de muchi:

- n ficat, glucozo-6-P este hidrolizat sub aciunea glucozo-6-fosfatazei, cu formare de glucoz liber aceasta este eliberat n snge cu ajutorul transportorului GLUT2 situat n membrana plasmatic a celulelor hepatice din snge, glucoza va fi captat de ctre esuturile gluco-dependente, n vederea satisfacerii necesitilor energetice;

- n muchi, glucozo-6-fosfataza este absent (deci glucozo-6-P nu poate fi transformat n glucoz liber), iar glucoza fosforilat nu poate prsi celula => glucozo-6-P va fi utilizat n glicoliz, pentru generare de ATP necesar contraciei musculare.

Glicogenul din ficat i cel din muchi au roluri diferite:

n ficat, glicogenul - se sintetizeaz n condiiile abundenei de glucoz (postprandial);

- se epuizeaz dup 12-20 ore de post.

Rolul glicogenului hepatic este acela de a contribui la meninerea constant a glicemiei n intervalele dintre prnzuri (ntruct ficatul poate elibera n snge glucoza rezultat din degradarea glicogenului, ca urmare a existenei glucozo-6-fosfatazei). Glicogenul hepatic este prima surs endogen de glucoz la care se apeleaz pentru a menine nivelul glucozei sanguine n perioadele interprandiale. Glicogenul hepatic ofer o surs rapid mobilizabil de glucoz plasmatic, ce poate fi utilizat n absena aportului exogen de glucide, sau n cursul exerciiului fizic susinut, dup epuizarea rezervelor de glicogen muscular, pentru a asigura necesarul crescut de glucoz al muchiului.

n muchi, glicogenul - se epuizeaz dup efortul susinut (n aproximativ o or);

- se sintetizeaz dup ce muchiul a revenit la starea de repaus, pentru refacerea depozitelor.

(glicogenul muscular nu este afectat de perioade de post de cteva zile i scade doar moderat n cursul postului prelungit).

Glicogenul muscular nu poate contribui la meninerea constant a glicemiei ntre prnzuri: nu poate furniza glucoz sngelui, datorit absenei glucozo-6-fosfatazei. Rolul glicogenului muscular este acela de a constitui o rezerv de glucoz utilizabil pentru satisfacerea necesitilor energetice proprii ale muchiului.

SINTEZ A METABOLISMULUI GLUCIDIC

Caracteristici ale glucozei ca surs de energie:

Glucoza este o surs de energie pentru toate esuturile.

Unele esuturi sunt gluco-dependente: creier, eritrocit, muchi scheletic n activitate intens.

Glucoza este singurul combustibil care poate genera ATP n anaerobioz (prin fosforilare la nivel de substrat):

- aport insuficient de oxigen n raport cu necesitile de ATP (de ex. muchiul scheletic n activitate intens, stri de hipoxie tisular);

- celule fr mitocondrii (eritrocit).

Alte substrate energogene (provenite din lipide: acizi grai, corpi cetonici, precum i aminoacizii) pot genera ATP numai n aerobioz, prin fosforilare oxidativ.

Cei doi hormoni pancreatici - insulina i glucagonul - regleaz procesele din cadrul metabolismului glucidic, realiznd adaptarea la necesitile de moment; ei acioneaz asupra enzimelor-cheie din cile metabolice prin 2 mecanisme:

- influenarea reglrii covalente (prin fosforilare-defosforilare) a activitii enzimatice;

- modificarea cantitii enzimelor prin inducie-represie.

I. Dup prnzurile glucidice (abunden de glucoz)

Glicemia crete stimuleaz secreia de insulin raport insulin/glucagon crescut.

Ci metabolice active:

- toate esuturile utilizeaz glucoza ca surs de energie, prin glicoliz

- n ficat i muchi are loc depozitarea glucozei sub form de glicogen

- n unele esuturi are loc metabolizarea glucozei pe calea pentoz-fosfailor sintez de NADPH i riboz-5-fosfat.

Efectele insulinei:

- activeaz procesele care utilizeaz glucoza plasmatic - glicoliza

- sinteza de glicogen- inhib procesele care produc glucoz - gluconeogeneza

- degradarea glicogenului

Mecanisme:

captarea glucozei n esuturi (n special muscular i adipos) - prin nr. de transportori membranari pentru glucoz (GLUT-4)

cantitatea de fructoz-2,6-difosfat (n ficat)

- (+) fosfofructokinaza-1 => glicoliza

- () fructozo-1,6-disfosfataza => gluconeogeneza

inducia enzimelor-cheie ale glicolizei (n special glucokinaza)

represia enzimelor-cheie ale gluconeogenezei

(+) protein fosfataza-1 defosforilarea:

- glicogen sintazei (+) => glicogenogeneza

- glicogen fosforilazei () => glicogenoliza

Rezultatul acestor aciuni ale insulinei este scderea glicemiei readucerea sa la normal (la aproximativ 2 ore dup prnzul glucidic).

II. Inter-prandial i n strile de post (depleie de glucoz)

Glicemia scade este stimulat secreia de glucagon raport insulin/glucagon sczut.

Ci metabolice active:

- glucoza este consumat, ca surs de energie, numai de ctre esuturile gluco-dependente

- ficatul produce glucoz prin - degradarea glicogenului

- gluconeogenez

- glucoza produs este eliberat n snge captat de esuturile gluco-dependente.

Efectele glucagonului:

- activeaz procesele hepatice care produc glucoz - gluconeogeneza

- degradarea glicogenului

- inhib procesele care utilizeaz glucoza plasmatic - glicoliza

- sinteza de glicogen

Mecanisme:

cantitatea de fructoz-2,6-difosfat (n ficat)

- (+) fructozo-1,6-disfosfataza => gluconeogeneza

- () fosfofructokinaza-1 => glicoliza

inducia enzimelor-cheie ale gluconeogenezei

cantitatea de AMPc n celulele hepatice activarea protein kinazei A fosforilarea:

- glicogen fosforilazei (prin intermediul fosforilaz kinazei) (+) =>

glicogenoliza

- glicogen sintazei () => glicogenogeneza

Rezultatul acestor aciuni ale glucagonului este creterea glicemiei meninerea sa la un nivel constant n condiiile lipsei aportului exogen de glucoz.

Proces

metabolic

INSULINAGLUCAGONUL

EfectMecanismEfectMecanism

Glicoliza(+) fosfofructokinaza-1

inducia enzimelor-cheie() fosfofructokinaza-1

Gluconeogeneza() fructozo-1,6-disfosfataza

represia enzimelor-cheie(+) fructozo-1,6-disfosfataza

inducia enzimelor-cheie

Glicogenogeneza(+) glicogen sintaza() glicogen sintaza

Glicogenoliza() glicogen fosforilaza(+) glicogen fosforilaza

PAGE 28