PREBAVA OGLJIKOVIH HIDRATOV

Biokemija II PREBAVA OGLJIKOVIH HIDRATOV 07/08

PREBAVA OGLJIKOVIH HIDRATOV

10. Prebava ogljikovih hidratov.

10.1. Ogljikovi hidrati v hrani.Glukozo dobimo iz 3 virov:

Največ iz ogljikovih hidratov (OH) v hrani:• prebava OH v ustih in tankem črevesu• absorpcija monosaharidov v tankem črevesu

Z razgradnjo telesnih rezerv glikogena:• samo glikogen (polimer glukoze) iz jeter in ledvic prispeva k vzdrževanju koncentracije glukoze v krvi (glukoza-6-fosfat)• jetra imajo zalogo glikogena za približno 12 ur (25-138g)• mišica hrani glikogen samo kot vir energije za lastne potrebe

Glukoneogeneza:• Tvorba novih molekul glukoze iz ne sladkornih komponent, laktata, piruvata, aminokislin (alanina in glutamina) ter delno iz glicerola.

10.2. Encimi, ki sodelujejo pri prebavi oglikovih hidratov. Usta:

α- amilaza iz sline je endoglikozidaza, ki cepi škrob in druge polisaharide. Lumen tankega črevesa:

Pankreatična α-amilaza da različne produkte, maltozo, maltotriozo, kratke oligosaharide in mejne dekstrine (ob razvejitvi).

Luminalna površina enterocitov: na membrano vezane oligosaharidaze in disaharidaze cepijo OH do monosaharidov. Monosaharidi se preko enterocitov absorbirajo v kri.

Saharaza: saharoza + H2O ---› glukoza + fruktozaLaktaza: laktoza + H2O ---› glukoza + galaktozaMaltaza: maltoza + H2O ---› 2glukozaDekstrinaza: dekstrin + n H2O ---› n glukoza

Laktozna intoleranca je prirojeno (že pri dojenčkih) ali pridobljeno (s starostjo) pomanjkanje encima laktaze. Neprebavljena laktoza, ki je osmotsko aktivna snov, in njeni metaboliti povzročajo napenjanje in drisko.

10.3. Produkti prebave ogljikovih hidratov.Po zaužitju hrane se koncentracija glukoze v krvi močno poveča, s časom pa ponovno pade. Dvig sladkorja v krvi lahko zmanjšajo vlaknine.

Glikemični indeks (GI) pove, kako zaužita hrana vpliva na dvig koncentracije glukoze v krvi. Tako se, v primerjavi z glukozo, določa učinkovitost prebave in hitrost absorbcije za različne snovi.

Zaužita glukoza se, v veliki meri, porabi za delovanje možganov in mišic, ostanek se večinoma skladišči v obliki glikogena v jetrih ali se pretvori v maščobe. Če zaužijemo 90g glukoze, jo 15-20g porabijo možgani, 20-45g gre za sprotno delo oz. se skladišči v obliki glikogena v mišicah, 20g se, v obliki glikogena, shrani v jetrih in 2g se shranita v organizmu kot maščevje.

1


10.4. Absorbcija monosaharidov v enterocite in sproščanje v kri.Različna hraniva se absorbirajo v tankem črevesju na različne načine, odvisno od njihove zgradbe, metabolične vloge in končne usode. Zadnji del hidrolize di- in oligosaharidov se izvrši pod vplivom površinskih encimov, ki jih izločajo epitelijske celice tankega črevesa- enterociti. Večina teh encimov je eksoencimov, ki monosaharidne enote posamič cepijo z nereducirajočega konca. Di-, oligo- in polisaharidi, ki jih α -amilaze in površinski encimi tankega črevesja niso uspeli razgraditi, se ne morejo absorbirati. Te saharide lahko uporabijo bakterije, ki se nahajajo od spodnjega delu ileuma naprej, ker imajo precej več vrst saharidaz, kot človek.

Glukoza v celice ne more vstopati z difuzijo, ker mora iti proti koncentracijskemu gradientu, za prehod skozi membrano pa potrebuje transporterje.

2


Po jedi se koncentracija glukoze v krvi poviša, kar povzroči povečano izločanje inzulina. Hormon se veže na membranski receptor, kar povzroči kaskado fosforilacij v celici, ki privedejo do transporta veziklov z GLUT-4 transporterji iz GA na površino membrane. Vezikli se zlijejo z membrano in transporterji se aktivirajo. Ob padcu koncentracije glukoze v krvi se izločanje inzulina zmanjša, receptorji za inzulin se deaktivirajo in transporterji se ponovno v veziklih odpeljejo v GA.Ob vstopu v celico se glukoza takoj fosforilira v glukozo-6-fosfat, saj le ta, zaradi negativnega naboja, ne more izhajati iz celice, poleg tega pa se ohranja nizka koncentracija proste glukoze v celici in s tem ugoden koncentracijski gradient. S fosforilacijo se glukoza aktivira.

11. Razgradnja glukoze pod anaerobnimi pogoji.Glikoliza je 100x hitrejša od oksidativne fosforilacije v mitohondrijih. Njena prednost je, da lahko poteka tudi v anaerobnih pogojih, čepav je zato celokupen izkupiček energije znatno manjši.

11.1. Shematični pregled anaerobne glikolize.Glikolizo predstavlja 10 reakcij oksidacije, ki se končajo z nastankom piruvta. Reakcije se delijo v dve fazi:

5 reakcij pripravljalne faze v katerih se glukoza fosforilira in pripravi na razcep v dve molekuli gliceraldehid-3-fosfata. Za to fazo sta potrebni dve molekuli ATP. 5 reakcij izplačilne faze v katerih se gliceraldehid-3-fosfat pretvori v piruvat. V tej fazi nastanejo štiri molekule ATP.

Končni dobiček vseh reakcij so dve molekuli piruvata, dva ATP in dva NADH. Usoda piruvata je odvisna od aerobnih razmer v celici. V anaerobnih razmerah se pretvori v laktat.

3


Reakcije glikolize:1) fosforilacija glukoze

Je ireverzibilna stopnja pri kateri sodelujejo številni izoencimi, ki se razlikujejo v afiniteti do glukoze in načinu regulacije. Encimi heksokinaze v možganih imajo 10x večjo afiniteto (Km=0,1mM) do glukoze, kot glukokinaze v jetrih (Km=10mM), kar jim omogoča aktivnost tudi pri nižjih koncentracijah glukoze v celici (4mM). Možgani zaradi svoje nenehne intenzivne dejavnosti potrebujejo stalen dotok energije. ∆G'˚= -16,7 kJ/mol

Produkt, glukoza-6-fosfat, vstopa v številne metabolne poti. Če je energije dovolj, se pretvarja v glikogen, ribozo-5-fosfat ali nazaj v glukozo. Če celica nima dovolj energije, se vključi v nadaljnje reakcije glikolize.

2) fosfoglukoizomerazaJe reverzibilna reakcija izomerizacije aldoze v ketozo. Iz glukoze-6-fosfat dobimo fruktozo-6-fosfat. ∆G'˚= 1,7 kJ/mol

3) fosfofruktokinaza-1Je ireverzibilna reakcija in najpomembnejša regulatorna stopnja, saj se v njej molekula dokončno usmeri v proces glikolize. Je tudi stopnja, ki določa hitrost reakcije. Katalizirajo jo tkivno specifični izoencimi. ∆G'˚= -14,2 kJ/mol

4) aldolazaAldolaza razcepi 6C ogrodje v dva 3C ogrodja. Smer reakcije je odvisna izključno od razmerja koncentracij reaktantov in produktov. Dobimo dve E bogati spojini, dihidroksiaceton-fosfat (DHAP) in gliceraldehid-3-fosfat (GAP). Reakcijo v nasprotni smeri imenujemo aldozna kondenzacija. ∆G'˚= 23,8 kJ/mol

5) trioze-fosfat izomerazaPoteče izomerizacija DHAP v GAP. GAP se zelo hitro porablja, DHAP pa ga hitro nadomešča. ∆G'˚= 7,5 kJ/mol

4


6) gliceraldehid-3-fosfat dehidrogenazaGre za proces oksidacije GAP v 1,3-bisfosfoglicerat, kar je oksidacija aldehida v karboksilno kislino, ki se zaestri s fosfatom. Reakcijo je oksidativna fosforilacija substrata. Dobimo fosfoanhidridno vez in s tem prvi visokoenergetski intermediat glikolize. V tej točki se glikoliza ustavi, če na voljo ni dovolj NAD+. Pri razgradnji ene molekule glukoze nastaneta 2 molekuli NADH. ∆G'˚= 6,3 kJ/mol

7) fosfoglicerat-kinazaPonovna reakcija fosforilacije na nivoju substrata, energija sproščena ob hidrolizi fosfoanhidridne vezi se porabi za nastanek ATP. ∆G'˚= -18,5 kJ/mol

8) fosfoglicerat-mutazaJe reakcija prenosa fosforilne skupine iz C3 na C2, ki poteka preko intermediata 2,3-bisfosfoglicerata (BFG). Slednja

molekula ima katalitično vlogo, saj aktivira encim, zato je v celici nujno potrebna v nizkih koncentracijah. ∆G'˚= 4,4 kJ/molV eritrocitih se koncentracija 2,3-

bisfosfoglicerata zviša ob kroničnem pomanjkanju O2, ker ta pomakne krivuljo nasičenja Hb s kisikom v desno, kar pomeni lažje oddajanje kisika v tkiva. 2,3- BFG je alosterični inhibitor vezave kisika na hem.

9) enolazaGre za dehidratacijo (odcep vode) pri kateri nastane drugi visokoenergetski intermediat glikolize, fosfoenolpiruvat (PEP). Nastanek enola omogoča, da se ob hidrolizi fosfoesterske vezi ob enolnem C sprosti več energije. ∆G'˚= 7,5 kJ/mol

10) piruvat-kinazaJe ponovno reakcija fosforilacije na nivoju substrata in je ireverzibilna regulatorna stopnja. Najprej nastane enolni tautomer, ki je nestabilen in se zato hitro preoblikuje v keto obliko. Zaradi procesa tautomerizacije je ta reakcija močno eksergonska. ∆G'˚= -31,7 kJ/mol

Nadaljni usodi piruvata in NADH molekule sta odvisni od pogojev, ki vladajo v celici, predvsem od količine kisika in energetskega stanja celice. V aerobnih pogojih se piruvat pretvori v acetil-CoA in na ta način vstopi v citratni cikel. V anaerobnih pogojih se pretvori v laktat oz. v etanol

5


pri kvasovkah in bakterijah. V anaerobnih pogojih se piruvat mora preoblikovati v neko drugo snov zato, ker se mora NADH regenerirati brez pomoči citratnega cikla, ki za svoje delovanje nujno potrebuje kisik. Če se NADH ne reoksidira, se cikel ustavi v 6. reakciji glikolize.

Reverzibilno reakcijo nastanka laktata katalizira encim laktat dehidrogenaza (LDH). Encim je tetramer, ki ga pri sesalcih najdemo v obliki dveh izoencimov, H in M. H (heart) ima nižjo Km za piruvat, kar pomeni, da ima večjo afiniteto za piruvat in zato katalizira reakcijo nastanka piruvata iz laktata. Ravno zaradi tega ga večinoma najdemo v aerobnem tkivu kot je srčna mišica. Alosterično ga inhibirajo visoke koncentracije piruvata. M (muscle) ima višjo Km za piruvat, zato favorizira proces nastanka laktata iz piruvata. Ni alosterično reguliran. Prevladuje v anaerobnem tkivu, npr. v skeletni mišičnini.

Alkoholna fermentacija (alkoholno vrenje) poteka le pri kvasovkah in nekaterih bakterijah. Je dvostopenjska reakcija, ki je sestavljena iz dekarboksilacije, pri kateri kot kofaktor sodeluje tiamin pirofosfat, in oksidacije, kjer je kofaktor Zn2+.

Sumarna enačba anaerobne glikolize:

11.2. Lokalizacija procesa v celici in organizmu.Proces poteka v citosolu številnih celic. Najpomembnejši je za zrele eritrocite, ki jim predstavlja edini vir ATP, ter mišice, ki se hitro krčijo, ob daljšem intenzivnem delu. Npr. mišice šprinterjev potrebujejo kratke impulze ATP in to hitro, zato so med delovanjem skoraj izključno odvisne od glikolize. To se pozna tudi v manjšem številu mitohondrijev v primerjavi z mišicami, ki se počasi krčijo in ATP pridobivajo večinoma z oksidativno fosforilacijo (npr. mišice tekačev na dolge proge). Vendar morajo mišice po končanem delu odplačati kisikov dolg (glej vpr. 12.2). Glikoliza je pomemben vir E tudi v hitro rastočih malignih tumorjih in tkivih ob ishemiji.

11.3. Pomen anaerobne glikolize za metabolizem.Anaerobna glikoliza je pomembna za slabo prekrvavljena tkiva s slabo preskrbo s kisikom. Ker zaradi pomanjkanja kisika oksidativna fosforilacija v njih ne more teči, je glikoliza njihov edini vir energije.

11.4. Uravnavanje anaerobne glikolize.Metabolne poti je potrebno nujno uravnavati, saj je homeostaza organizma zagotovljena le, če imajo procesi optimalne pogoje za delovanje, kar je v veliki meri odvisno od stalne preskrbe celic z ATP. V celici se zato vzdržuje stalno razmerje med ATP in ADP ter NAD+ in NADH.

Številni procesi so uravnavani s koncentracijo AMP v celici, saj je regulacija zaneslivejša in bolj natančna, kot bi bila regulacija preko koncentracije ATP. Koncentracija ATP se nenehno giblje okoli konstantne vrednosti, ki je precej visoka. Med mirovanjem in mišično aktivnostjo se koncentracija ATP speremeni le za približno 10%. Eden od mehanizmov vzdrževanja stalne količine ATP je kratkoročno obnavljanje zaloge na račun shranjenega keratin fosfata in z adenilat-kinazo. Adenilat-kinaza poveča količino ATP v celici na račun ADP, pri čemer se poveča število AMP. Ob 10% znižanju koncentracije ATP se koncentracija AMP zviša za 4x (400%):

6


Vsi procesi so regulirani tudi s strani regulacije encimov, ki poteka na več nivojih. Encimi so lahko regulirani alosterično s substrati ali produkti (odziv v msec) in kovalentno s fosforilacijo, ki jo sproži hormonsko delovanje (odziv v min ali sec). Poleg tega celica lahko nadzoruje delovanje encimov z regulatornimi proteini ali z odtegovanjem substrata tako, da encim postavi v okolje, kjer ni substrata. Dolgoročno uravnavanje encimskega delovanja predstavlja sprememba intenzivnosti izražanja na nivoju DNA oz. mRNA (odziv v h ali dneh).

Za glikolizo so pomembne predvsem 3 regulacijske stopnje, ireverzibilne reakcije z visoko negativno ΔG°:

I. Reakcija št.1, ki jo katalizira heksokinaza (oz. glukokinaza).Substrati heksokinaze so vse heksoze. Alosterično jo inhibira produkt, glukoza-6-fosfat, ki preko alosteričega efektorja, fruktoze-6-fosfat, ojača vezavo encima na regulatorni protein. Ob visoki koncentraciji glukoze v citosolu (in jedru, saj je koncentracija približno enaka) glukoza poskrbi za sprostitev heksokinaze z regulatornega proteina in njeno aktivacijo.Za razliko od heksokinaze je glukokinaza specifična za glukozo in je uravnavana le z regulatornimi proteini.

II. Reakcija št. 3, ki jo katalizira fosfofruktokinaza, je hkrati tudi glavna regulatorna stopnja, ker se tu molekule nepovratno usmerijo v glikolizo. Poleg tega ima encim številna regulatorna mesta. Encim alosterično regulirajo ATP, substrat in končni produkt glikolize ter še nekatere druge snovi. Pri nabiranju laktata v mišici bo zvišana koncentracija H+ ionov inhibirala PFK.

*V anaerobnih pogojih v celici nastaja mlečna kislina, ki hitro disocira v laktat in H+, zato se skupaj s koncentracijo laktata povečuje tudi koncentracija H+ ionov.

III. Reakcija št. 10, ki jo katalizira piruvat-kinaza. Encim alosterično aktivirajo visoke koncentracije AMP in fruktoze 1,6-bisfosfat, medtem ko jo inhibirajo visoke koncentracije ATP in acetil-CoA. Izjema so jetra, kjer poteka kovalentna modifikacija. Ob nizkih koncentracijah glukoze v krvi glukagon inaktivira encim in s tem zagotovi zmanjšano porabo glukoze kot goriva v jetrih.

Zelo občutljivo področje glikolize je tudi 6. reakcija, ki jo katalizira gliceraldehid-3-fosfat dehidrogenaza, zaradi porabe molekule NAD+. Če se NADH ne regenerira, se proces v tej točki ustavi. V anaerobnih pogojih za regeneracijo skrbijo končne reakcije alkoholne fermentacije ali nastanek laktata, v aerobnih pogojih pa dihalna veriga.

7


Zastrupitev z arzenatom (ASO43-)

Arzenat nadomesti Pi v 6. reakciji glikolize. Nastali arzeno-analog ni stabilen in arzenat se kamlu odcepi. Dobimo 3-fosfoglicerat, ki nadaljuje s procesom glikolize, vendar se ena stopnja preskoči, zato ni neto sinteze ATP.

Bifosfogliceratni shuntSedma reakcija, pretvorba 1,3-bisfosfoglicerata v 3-fosfoglicerat, normalno poteka s fosfoglicerat kinazo. Lahko pa se iz 1,3-bisfosfoglicerata z bisfosfoglicerat mutazo, ki je bifunkcionalen encim, tvori 2,3-bisfosfoglicerat (2,3 BPG). 2,3 BPG se z 2,3-bisfosfoglicerat fosfatazo pretvori v 3-fosfoglicerat in glikoliza se lahko nadaljuje. Vendar zaradi obvoza ne nastane ena molekula ATP in ni neto produkcije ATP.

11.5. Okvare encimov, povezanih s procesom anaerobne glikolize.Posledica inhibicije glikolize je povečana koncentracija intermediatov pred mestom blokade in znižana koncentracija intermediatov za mestom blokade.

12. Razgradnja glukoze pod areobnimi pogoji.

12.1. Shematični, pregled aerobne glikolize.Glej vprašanje 11.1.Nastali piruvat se po končani glikolizi transportira v mitohondrije za nadaljno oksidacijo.Sumarna enačba aerobne glikolize:

Kisikov dolg in Korijev (glukoze-laktatni) cikelKisikov dolg je kisik, ki ga mora mišična celica dobiti, da regenerira svoje zaloge glikogena, ki jih je porabila med anaerobnim delovanjem.

Med intenzivnim mišičnim delom v anaerobnih pogojih se v mišicah nakopiči veliko laktata. Le ta se po prenehanju napora s krvjo transportira v jetra, kjer se, ob visokem razmerju NAD+/NADH, pretvori v piruvat, ki se preoblikuje nazaj v glukozo v procesu glukoneogeneze.

Za pretvorbo laktata v glukozo se porabi 6 ATP. Glukoza se po potrebi transportira nazaj do mišic. Ob ponovnem intenzivnem delu ponovno nastane laktat, iz česar celica dobi 2 ATP. Gre za E potratno dogajanje imenovano Korijev cikel, ki omogoča intenzivno mišično delo.

12.2. Vstop drugih ogljikovih hidratov v glikolizo.

8


Vstop galaktoze v glikolizo

Galaktoza v glikolizo vstopa s pomočjo 3 zaporednih reakcij, ki jo spremenijo v glukozo-1-fosfat.

Včasih se pojavijo galaktozamije, prirojene motnje v presnovi galaktoze. Poznamo kalsično in neklasično obliko, ki se ločita glede na okvaro encima, ki ju povzroča.

9


Vstop fruktoze v glikolizoFruktoza se najprej aktivira. Glede na encim, ki to reakcijo katalizira, lahko dobimo dve različni molekuli:

Večina fruktoze se presnovi v jetrih. Fruktoza v celice vstopa skozi GLUT5, ki je od inzulina neodvisen transport.

Poznamo avtosomno recesivne dedne okvare presnove fruktoze, od katerih sta najpogostejši:Fruktozna intoleranca, pri kateri pride do pomanjkanja aldoze B, zato se v jetrih kopičita fruktoza in fruktoza-1-P. Zaradi kopičenja slednje, se zniža koncentracija fosfata v celicah, kar rezultira v

zmanjšanih količinah ATP. Fruktoza-1-P je alosterični inhibitor glukoneogeneze, zato ta ne poteka, poleg tega je, zaradi pomanjkanja fosfata, zavrta tudi glikoliza. Vse skupaj se izraža v zmanjšanih količinah glukoze v krvi, kar s časom vodi v hipoglikemijo. Zaradi zavrte glukoneogeneze počasi pride do okvare jeter. Esencialna fruktuzurija je bolezen pomanjknja fruktokinaze, kar onemogoča pretvorbo fruktoze v fruktoza-1-P. V jetrih je presnova fruktoze blokirana, v mišicah pa presnova lahko poteka. Vendar je presnova fruktoze kljub temu prepočasna in njena koncentracija v krvi narašča. Iz krvi se odvaja skozi ledvice, kar pomeni zvišanje koncentracije fruktoze v urinu. Ta bolezen ni nevarna, saj ni kopičenja toksičnih metabolitov fruktoze v jetrih.Klinični znaki okvare presnove fruktoze se pojavijo takoj, ko se dojenčku v prehrano uvedeta tudi sadje in zelenjavo. Po odtegnitvi fruktoze se stanje vrne v normalno.Prekomerni vnos fruktozeV mišicah se, zaradi povečanja količine fosforilirane fruktoze, zniža koncentracija ATP, saj je na voljo manj fosfata. Manj ATP pomeni, da inhibicija fosfofruktokinaze preneha. Celica ima prosto pot in prične se nekontrolirana glikoliza fruktoze-6-fosfat. Ob pomanjkanju kisika ali v tkivih z manj kisika se kopiči laktat, kar lahko privede do laktatne acidoze.V jetrih fruktoza vstopa v glikolizo kot DHAP in tako obide glavno regulacijsko stopnjo glikolize. Ob povečanem vnosu se tudi tu prične nekontrolirana glikoliza, kar vodi v laktatno acidozo.

Metabolizem sorbitolaV tkivih, kot so jetra, jajčniki in vesicula seminalis, potekata katabolizem in sinteza sorbitola:

Druga tkiva, npr. očesna retina in Schwannove celice, lahko sintetizirajo sorbitol, ne morejo pa ga razgraditi. Ker sorbitol slabo prehaja skozi membrano, so ta tkiva v nevarnosti ob slabo nadzorovanem diabetesu.

12.3. Oksidativna dekarboksilacija piruvata do acetil-CoA in njegova dokončna razgradnja.

Glej sklop 02. Metabolizem in celična respiracija.

10


12.4. Uravnavanje oksidativne razgradnje glukoze.Glej vpr. 11.4. Poleg uravnavanja samega procesa glikolize, nanjo vpliva tudi količina kisika v celici ter nadaljnji potek reakcij, ki piruvat pretvorijo v acetil-CoA, njegova dokončna oksidacija v Krebsovem ciklu in potek dihalne verige.

12.5. Okvare encimov, povezanih z oksidativno razgradnjo glukoze in drugh monosaharidov.

Za okvare encimov galaktoze in fruktoze glej vpr. 12.2.

12.6. Pasteurjev efekt in njegov pomen za organizem.Glikoliza je energijsko povezana z celično respiracijo predvsem preko NADH, ki svoje elektrone preda dihalni verigi. Pri aerobni glikolizi dobimo 2 NADH, količina iz njiju pridobljenega ATP pa je odvisna predvsem od tega, na kakšen način vstopata v mitohondrij in v dihalno verigo. (Glej vpr. 3.6.) NADH lahko v mitohondrij vstopi s pomočjo glicerolfosfatnega prenašalnega sistema ali z malat-α-ketoglutarat transporterjem. Slednji način transporta da 5, prvi pa le 3 ATP.

* ne smemo pozabiti, da iz 1 molekule NADH nastane le 2,5 ATP, iz ene molekule FADH2 pa le 1,5 ATP

Zaradi energijske povezanosti sta procesa glikolize in celične respiracije usklajena. Razmerje ATP/ADP (AMP) vpliva na aktivnost regulatornih encimov, ki uravnavajo tako hitrost glikolize, kot celične respiracije. Pridobivanje ATP in intermediatov za biosintezo je usklajeno s potrebami celic/tkiv. Če ni tujih snovi, kot je DNP, je tudi količina kisika odvisna od potrebe celic, je torej premosorazmerna koncentraciji ADP v celici – akceptorska kontrola respiracije. Omejujoči dejavniki dihalne verige so NADH, ADP, Pi, O2 in kapaciteta dihalne verige. Ti dejavniki določajo maksimalno hitrost in produktivnost dihalne verige. V primeru zmanjšane preskrbe tkiv s kisikom

11


je dihalna veriga zavrta in aktivira se anaerobna glikoliza. Ta je za celico energijsko neugodno, saj iz ene molekule glukoze, namesto 30-32 ATP, dobi le 2 ATP. Da bi celica zagotovila enako preskrbo z energijo, mora glikoliza v anaerobnih pogojih potekati 15x hitreje, kar pomeni 15x večjo porabo glukoze in 15x večjo produkcijo laktata. Tako hiter potek glikolize omogoča povečana hitrost razgradnje glikogena v mišicah in, ob podaljšani hipoksiji, povečano izločanje GLUT in glikolitičnih encimov (HIF-1). HIF-1 (hypoxia-inducible factor-1) je glavni celični senzor za O2. V jedru spodbuja nastanek več GLUT in glikolitičnih encimov, kar omogoči intenzivnejšo glikolizo. Ker v središču hitro rastočih tumorskih celic vladajo hipoksični pogoji, ima veliko vlogo pri njihovem metabolizmu.

Le redka tkiva so zmožna vse svoje energijske potrebe zadostiti z anaerobno glikolizo. To so eritrociti, ledvična sredica in očesno zrklo (NE mrežnica). V vseh treh primerih imajo celice, zaradi svoje funkcije, le malo mitohondrijev in v okolnem tkivu le malo kapilar. Te celice imajo tudi nizko potrebo po ATP in visok nivo glikolitičnih encimov.

Nasprotje tem tkivom so nevroni, ki so izredno občutljivi na pomanjkanje kisika. Nevroni imajo visoko potrebo po ATP, nimajo zalog glikogena in ne morejo oksidirati maščobnih kislin, zato je njihov obstoj popolnoma odvisen od sprotnega priliva glukoze. Če se pretok krvi skozi možgane zmanjša za več kot polovico, sledi izguba zavesti, saj imajo možgani, ob popolni zapori dotoka krvi, dovolj zaloge ATP le za 10s. Ob prenehanju dihanja zavest traja nekoliko dlje, ker se nekaj kisika še zadržuje v pljučih in krvi. Možgani na dan porabijo 125-150g glukoze in temu primerno tudi precejšnjo količino kisika.

Vpliv ishemije na glikolizo na primeru ishemije srčne mišice:Zaradi pomanjkanja kisika srčna mišica ne dobi dovolj ATP z respiracijo. Zmanjšana koncentracija ATP in povečana koncentracija AMP aktivirata PFK-1 in kompenzatorno povečanje glikolize. Ker glikoliza poteka v anaerobnih pogojih, se prične povečevati koncentracija laktata. Če je prekrvavitev tkiva slaba, se laktat in H+ kopičita v celicah, kar povzroča mišično bolečino in inhibira PFK-1. Inhibicijo lahko delno prekrmili celična potreba po ATP. Ob dalj časa trajajoči ishemiji je odmrtje celic (nekroza tkiva) neizbežna.

Anaerobna in aerobna glikoliza lahko v izjemnih razmerah, kot je npr. mišica ob intenzivnem delu, potekata istočasno. Ko je mišica aktivna, potekajo reakcije oksidacije piruvata, citratnega cikla in dihalne verige z maksimalno hitrostjo, vendar potrebe celice po energiji lahko presežejo njihove zmožnosti. Takrat se kot dodatni vir energije aktivira še anaerobna glikoliza. Razmerje med enim in drugim načinom pridobivanja energije je odvisen od oksidativne kapacitete mitohondrijev in preskrbe tkiva s kisikom. V takšnih pogojih se NADH, ki zaradi zapolnjenih kapacitet ni mogel prenesti elektronov na dihalno verigo, reoksidira ob redukciji piruvta v laktat. Če je tkivo dobro prekrvavljeno, se nastali laktat sprošča v kri in pride do laktatne acidoze, če pa je preskrba slaba se laktat in H+ kopičita v celici in povzročata mišično bolečino ter inhibirata PFK-1.

Ko v tkivu ponovno pričnejo prevladovati aerobni pogoji, začne potekati aerobna glikoliza, piruvat se oksidira in nastali NADH preda elektrone dihalni verigi. Celica namesto 2ATP ponovno pridobi 30-32ATP/mol glukoze. Zaradi povišane koncentracije ATP in znižane koncentracije AMP se, z akceptorsko kontrolo, dihalna veriga upočasni, s tem se zmanjša tudi poraba kisika. Hkrati se

12


upočasnijo tudi citratni cikel, dekarboksilacija piruvata in glikoliza, posledica česar je zmanjšana poraba glukoze. Dogajanje v celici po končani ishemiji imenujmo Pasteurjev efekt.

13


13. Glukoneogeneza.

13.1. Shematični pregled glukoneogeneze in njen pomen za homeostazo glukoze v krvi.

Glukoneogeneza je proces sinteze glukoze iz izhodnih spojin, ki niso ogljikovi hidrati. V organizmu poteka predvsem, kadar nastopi pomanjkanje glukoze oz. ogljikovih hidratov zaradi premajhnega vnosa s hrano, to je med obroki, postom ali ob stradanju. Njen glavni namen je vzdrževanje koncentracije glukoze v krvi. Organizem mora imeti ves čas na voljo glukozo, saj nekatera tkiva za svoje preživetje ne morejo uporabljati drugih metabolnih goriv. Primer so eritrociti, vendar tudi možgani potrebujejo stalen dotok glukoze (100g glukoze/dan), čeprav le ta ni njihov edini vir energije. Poleg tega so glukozni derivati potrebni za sintezo glikoproteinov, glikolipidov in strukturnih polisaharidov. Zaloge glikogena, ki jih imamo v jetrih, zadoščajo za 12-24ur.

Proces glukoneogeneze je zelo podoben obratni glikolizi, vendar ne gre izključno za obraten proces. Procesa si delita večino encimov in 7 enakih stopenj, razlikujeta pa se v 3 ireverzibilnih stopnjah glikolize. Na mestu, kjer ima glikoliza regulatorne stopnje z visoko negativno ∆Go, ima glukoneogeneza obvoze.

14


1. obvozreakcija, ki jo je potrebno obiti:piruvat-kinaza: ∆G'˚= -31,7 kJ/mol

Prvi obvoz poteka v več stopnjah. Najprej se piruvat s piruvat karboksilazo karboksilira v oksaloacetat. Encim se nahaja le v mitohondrijih in za svoje delovanje nujno potrebuje kofaktor biotin, ki prenaša aktivirano CO2 skupino. Za reakcijo je potrebna energija v obliki ene molekule ATP. V drugi stopnji se oksaloacetat, s pomočjo fosfoenolpiruvat karboksikinaze (PEPCK), dekarboksilira in fosforilira v fosfoenolpiruvat (PEP). PEPCK najdemo v mitohondrijih in citosolu, zato lahko iz mitohondrija potuje PEP ali oksaloacetat. Slednji ne more prehajati skozi membrano mitohondrija zato se predhodno pretvori v

malat in prehaja z malat-aspartatnim prenašalnim sistemom (glej 2. sklop, vpr. 3.6.). Vir energije za drugo reakcijo je GTP.

Mesto nastanka PEP je odvisno od izhodiščne spojine za nastanek oksaloacetata in potrebe po NADH v citosolu. V citosolu je namreč razmerje NADH/NAD+ za 105 nižje kot v mitohondriju. V primeru, da celica potrebuje citosolni NADH, bo PEP nastal v citosolu, ker se skupaj z oksaloacetatom iz mitohondrija v citosol prenese tudi energija NADH. Vendar je, ne glede na izbiro mesta nastanka PEP, končni izkupiček nastale in porabljene energije, na mol nastale glukoze, isti, 2ATP in 2GTP.*primer poti, ki potrebuje citosolni NADH je glukoneogeneza

Kofaktor piruvat karboksilaze: BIOTINBiotin sintetizirajo črevesne bakterije, zato je njegovo pomanjkanje redko, tudi če ga s hrano ne zaužijemo dovolj. Pomanjkanje se lahko pojavi pri prekomernem uživanju surovih jajc, ker beljak vsebuje protein avidin, ki veže biotin in prepreči njegovo absorpcijo v črevesu. Biotin se, preko lizina, kovalentno veže na encim in prenaša karbonilno

skupino. Zato se bikarbonat najprej aktivira z ATP v karbonilfosfat in ta se nato veže na biotin.

Končna enačba prvega obvoza:

2. obvozreakcija, ki jo je potrebno obiti: fosfofruktokinaza-1: ∆G'˚= -14,2 kJ/mol

Reakcija drugega obvoza, ki jo katalizira fruktoza-1,6-bisfosfataza, je energijsko ugodna reakcija z ∆G'˚= - 16,7 kJ/mol. Encim je alosterično uravnavan, aktivirata ga acetil-CoA in citrat, inhibirata pa fruktoza-2,6-bisfosfat ter AMP.

15


3. obvozreakcija, ki jo je potrebno obiti:Heksokinaza: ∆G'˚= -16,7 kJ/mol

Glukoza-6-fosfataza se izraža v ER jeter in ledvične skorje, tako da se nastala prosta glukoza sprosti v lumen ER. Encim je uravnavan s strani substrata in ima visok Km za G-6-P.V mišicah in možganih glukoza-6-fosfataze ne zasledimo. Mišice lahko naredijo aktivirano glukozo samo za lastne potrebe, saj nimajo encimov za tvorbo proste glukoze, ki za razliko

od glukoze-6-fosfat lahko prehaja skozi celično membrano v kri.

Primerjava sumarnih enačb aerobne glikolize in glukoneogeneze:

13.2. Lokalizacija procesa v celici in v organizmu.Glukoneogeneza poteka v zdravem organizmu le v jetrih, pri podaljšanem stradanju pa se prične tudi v ledvični skorji. Začetna stopnja, nastanek oksaloacetata, poteka v mitohondrijih, vse nadaljne reakcije gukoneogeneze pa v citosolu. Izjema je reakcija nastanka proste glukoze, ki se odvija v ER.

13.3. Substrati za glukoneogenezo.Prekurzorji za sintezo glukoze so številne molekule: piruvat, laktat, številne AK, intermediati citratnega cikla in glicerol. Izhodiščna spojina za glukoneogenezo pa je le ena: oksaloacetat.

Aminokisline so poglavitni substrat glukoneogeneze, ker se lahko izgradijo v intermediate citratnega cikla in v piruvat. Vse se v končni fazi pretvorijo v oksaloacetat. Glavni vir AK so različni procesi razgradnje proteinov, ob postu, ki traja več kot 12h, predvsem razgradnja mišičnih proteinov. Iz mišic se AK transportirajo po krvi, predvsem kot alanin in glutamin.

POZOR: Acetil-CoA NI prekurzor za sintezo glukoze.

16


13.4. Laktatni (Corijev) in glukoza-alaninski cikel.Za laktatni cikel glej vpr. 12.1.Glukoza-alaninski cikel je podoben Corijevemu. V celicah se, ob anaerobnih pogojih, tvori alanin, ki mišice zapusti in po krvi potuje v jetra. V jetrih se v procesu glukoneogeneze pretvori v glukozo. Cikel skrbi za reciklacijo ogljikovega skeleta med mišicami in jetri ter za transport NH4

+ v jetra, kjer se pretvori v ureo. Ker je glukoza-alaninski cikel sklopljen s procesom sinteze uree, ki potrebuje energijo ATP, je neto produkt ATP v primerjavi s Corijevim ciklom manjši.

13.5. Uravnavanje glukoneogeneze.Ker glikoliza in glukoneogeneza skupaj tvorita prazni cikel, v celici nikoli ne potekata hkrati. Zato na njune encime delujejo isti alosterični modulatorji, vendar vedno delujejo nasprotno na procesa, so recipročno uravnavani. Torej, če neka snov spodbuja glikolizo, hkrati zavira glukoneogenezo in obratno. Pogosta je tudi inhibicija s substratom, kot je to primer pri glukoza-6-fosfatazi.

Encima, ki odločata o usodi piruvata, piruvat-dehidrogenaza in piruvat-karboksilaza, sta uravnavana recipročno z acetil-CoA. Velika količina acetil-CoA spodbuja piruvat-karboksilazo in usmeri piruvat v glukoneogenezo ter zavira piruvat-dehidrogenazo in s tem glikolizo. Na ta način celica nadzoruje zaloge energije.

Fruktoza-1,6-bisfosfataza in fosfofruktokinaza sta uravnavana na dva načina, alosterično in kovalentno. Alosterično uravnavanje deluje hitro, v nekaj ms, medtem ko je uravnavanje preko

hormonov precej počasnejše. Izločanje hormonov je namreč odziv jeter in celotnega organizma na raven glukoze v krvi. Ob pomanjkanju se v kri sprosti glukagon, ki v tarčnih celicah aktivira adenilat ciklazo, ki poveča koncentracijo cAMP v celici. cAMP poskrbi za fosforilacijo in s tem aktivacijo encima, ki sproži zmanjšanje koncentracije fruktoza-2,6-bisfosfata. Fruktoza-2,6-bisfosfat je alosterični aktivator PFK (fosfofruktokinaze, glikolize) in inhibitor FBPase

(fruktoza-1,6-bisfosfataze, glukoneogeneze). Zaradi pospešene glukoneogeneze in zavrte glikolize, se koncentracija glukoze v krvi poveča. Inzulin deluje obratno.

13.6. Okvare encimov, povezanih s procesom glukoneogeneze.

13.7. Razgradnja etanola in njegov vpliv na glukoneogenezo.Razgradnja etanola je oksidativen proces, s katerim celice pridobijo veliko energije. Vendar ima visoka koncentracija NADH v celicah za posledico obrat nekaterih oksidoredukcij. Tako namesto piruvata in oksaloacetata dobimo več laktata in malata, kar ima za posledico inhibicijo glukoneogeneze. Ker se glukoza ne more tvoriti, so alkoholiki, ki ne jedo dovolj redno, da bi si

17


zagotovili dovolj visoko koncentracijo glukoze v krvi, pod nenehnim tveganjem za hipoglikemijo. Telesni napor, ki poveča porabo glukoze, tveganje za hipoglikemijo še poveča.

14. Fosfoglukonatna pot

14.1. Shematični pregled fosfoglukonatne poti in njen pomen za organizem.Produkta fosfoglutanatne ali pentozefosfatne poti sta NADPH in riboza-5-P. NADPH je potreben za biosintezo maščobnih kislin, holesterola, steroidnih hormonov in za reakcije detoksifikacije, riboza-5-P pa je prekurzor za biosintezo nukleotidov.

Pentoze fosfatna pot je sestavljena iz dveh delov, dveh ireverzibilnih oksidativnih reakcij in petih reverzibilnih ne-oksidativnih reakcij. Poteka v citosolu jeter, maščevja, eritrocitov, mlečne žleze, skorje nadledvične žleze, vendar NE poteka v skeletni mišičnini. V eritrocitih je edini vir NADPH.

OKSIDATIVNA FAZA je v celoti ireverzibilna in njena produkta sta NADPH in riboza-5-P.

1.stopnja: katalizira jo glukoza-6-fosfat dehidrogenaza

Ker je ireverzibilna reakcija, je hkrati tudi regulatorna

stopnja, ki uravnava vstop glukoze-6-P v fosfoglukonatno

18


pot. Gre za proces oksidacije, ki je, med drugim, uravnavan tudi s potrebo celice po NADPH.

19


2. stopnja:katalizira jo glukonolaktonazaV reakciji pride do razcepa laktonskega obroča. Reakcija lahko poteče tudi spontano, brez katalizatorja.

3. stonja: katalizira jo 6-fosfoglukonat-dehidrogenazaEncim za delovanje potrebuje koencim NADP. Ker ta reakcija poteka v citosolu, je ločena od podobnih reakcij citratnega cikla v matriksu. Na ta način so katabolne in biosintetske reakcije v celici prostorsko ločene, kar omogoča ločeno regulacijo. Reakcija je oksidativna dekarboksilacija.

4. in 5. stopnja: katalizirata ju ribuloza-5-fosfat epimeraza in ribuloza-5-fosfat izomerazaIzomeraza pretvori ketozo v aldozo.Če celica riboze-5-P, končnega produkta poti, ne potrebuje, se le ta pretvori nazaj v glukozo in cikel se lahko ponovi. Takšno kroženje je za celico nujno, če potrebuje NADPH.

Sumarna enačba oksidativne faze fosfoglukonatne poti:

NEOKSIDATIVNA FAZASestavljajo jo reakcije, ki prenašajo in preurejajo funkcionalne skupine in s tem omogočajo nastanek različnih C-ogrodij. To omogoča nastanek zelo različnih spojin, ki lahko vstopajo v različne procese, med drugim dobimo

intermediate glikolize in glukoneogeneze. Vsi v ciklu nastali sladkorji so fosforilirani, kar omogoča lažji prehod v druge metabolne poti.

6. stopnja: katalizira jo transketolza, ki prenaša 2C atoma. Njen koencim je TPP (tiamin pirofosfat). Pri reakciji imamo vedno en donor C-atomov, v tem primeru xyluloza-5-P, ki se v reakciji skrajša in akceptor C-atomov, v tem primeru riboza-5-P, ki se podaljša.

20


7.stopnja: katalizira jo transaldolaza, ki prenaša 3C atome

8. stopnja: katalizira jo ponovno transketolaza

Shematski prikaz neoksidativne faze fosfoglukonatne poti:Šest 5C fosforiliranih sladkorjev se pretvori v dva 3C intermediata glukoze in štiri (ali pet) 6C fosforiliranih sladkorjev.

Neto enačba celotne fosfoglukonatne poti:

Merjenje transketolazne aktivnosti pri sumu na pomanjkanje tiamina:Če pride do pomanjkanja TPP, se zmanjša aktivnost številnih encimov, piruvat-dehidrogenaze, α-ketoglutarat-dehidrogenaze, dehidrogenaze razvejanih AK in transketolaze. Pomanjkanje TPP se ugotavlja tako, da se meri aktivnost transketolaze v eritrocitih pred in po dodatku TPP. V primeru, da ima bolnik dovolj tiamina, dodatek TPP ne bo bistveno vplival na hitrost reakcije, če pa je prisotno pomanjkane, bo aktivnost po dodatku znatno narasla.

14.2. Vloga glukoza-6-fosfata v metabolizmu ogljikovih hidratov.Vloga glukoze-6-P je odvisna predvsem od energijskega stanja celice:

ф V celici je veliko ATP: glu-6-P se pretvarja v glikogen.ф V celici je malo ATP ali pa so potrebni intermediati: glu-6-P se z glikolizo pretvori v piruvat.ф V celici je malo NADPH ali pa je potrebna riboza-5-P: glu-6-P vstopa v fosfoglutanatno pot.

14.3. Uravnavanje fosfoglukonatne poti.Oksidativni del fosfoglukonatne poti je uravnavan s potrebo celice po NADPH. Pri zadostni koncentraciji NADPH v celici, le ta zavre že 1. stopnjo poti. Neoksidativni del poti je uravnavan s potrebo celice po ribozi-5-P. Vse njene reakcije so reverzibilne in celica lahko, po potrebi, dobi katero koli od nastalih spojin. Tako potek tega dela fosfoglukonatne poti regulira tudi energijsko stanje celice.

♪ Celica potrebuje NADPH in ribozo-5-P: poteče oksidativni del poti.♪ Celica potrebuje več riboze-5-P kot NADPH: oksidativni del poti je zavrt in riboza nastane iz intermediatov glikolize (fru-6-P, GAP) tako, da se obrnejo reakcije neoksidativnega dela poti.

21


♪ Celica potrebuje več NADPH kot riboze-5-P: oksidativni del poti teče normalno, vse nastale pentoze pa težijo k temu, da se obnovijo v glukozo in ponovno vstopijo v oksidativni del cikla.♪ Celica potrebuje NADPH in ATP, riboze-5-P pa ne: fosfoglukonatna pot poteka do fruktoze.

22


14.4. Okvare encimov, povezanih s procesom fosfoglukonatne poti.Pomanjkanje glukoza-6-P dehidrogenaze je na X-kromosom vezana recesivna dedna motnja, ki je zlasti pogosta v sredozemlju. Poznamo več kot 300 različnih mutacij, ki jo povzročijo. Glede na vrsto mutacije je odvisna tudi stopnja ohranjenosti encimske aktivnosti, ki je osnova za razdelitev na lažjo in težjo obliko bolezni. Pri lažjih oblikah je ohranjeno 10-50% encimske aktivnosti, pri težjih pa manj kot 10%. Posledica slabega delovanja glukoza-6-P dehidrogenaze je zmanjšana koncentracija NADPH in s tem zmanjšana redukcija oksigeniranega glutationa. Stanje najbolj prizadene zrele eritrocite, ker le ti nimajo jedra, ki bi omogočalo sintezo novih proteinov, ki bi nadomestili peroksidirane. Motnja je, sploh pri lažji obliki, lahko dolgo prekrita in se izrazi šele ob povečanem oksidativnem stresu. Le tega lahko sprožijo oksidanti, kot so antimalarik primakvin, aspirin, sulfonamid, bob, ipd. Ob povečanem oksidativnem stresu pride do hemolize. Ženske, ki so heterozigotne za motnjo, so bolj odporne na okužbo z malarijo.

Mehanizem z ROS povzročene lize eritrocitov, zaradi nastopa okvare glukoze-6-P dehidrogenaze.

Vloga NADPH pri detoksifikaciji ROS- regeneracija glutationa.

23


15. Biosinteza drugih monosaharidov in disaharidov.

15.1. Biosinteza glukuronske kisline.

UDP-glukoza je izhodna spojina za biosintezo več različnih sladkorjev. Iz UDP-glukoze lahko z oksidacijo dobimo UDP-glukuronsko kislino, ki ima pomembno vlogo v 2. fazi detoksifikacije ksenobiotikov. Nastane glukuronid. Človek iz UDP-glukuronske kisline ne more dobiti proste glukuronske kisline, ki je izhodiščna spojina za sintezo vitamina C.

15.2. Pomen vezave glukuronske kisline v detoksifikaciji endogenih in eksogenih substratov.

*R-OH je zdravilo, ksenobiotik, ipd.

Glukuronid se lahko izloči iz telesa z žolčem ali urinom.

15.3. Biosinteza laktoze in njeno uravnavanje.Sinteza laktoze poteka v mlečni žlezi v obdobju laktacije. Laktoza je disaharid, zgrajen iz glukoze in galaktoze. Nastaja s pomočjo encima galaktozil-transferaza, ki se nahaja v vseh tkivih, vendnar le v mlečni žlezi opravlja funkcijo tvorbe laktata. V večini tkiv je končni prejemnik galaktozila N-acetil-glukozamin. Sinteza laktoze se uravnava z vezavo α-laktalbumina na galaktozil-transferazo. Laktalbumin spremeni katalitično aktivnost encima in s tem vpliva na preferenčni substrat encima.

24


BAKTERIJSKA CELIČNA STENA

Bakterijsko steno sestavlja zamrežena struktura, katere osnova so peptidoglikani. Peptoglikan je zgrajen iz več različnih enot:♪ N-acetil-glukozamin (GlcNAc)♪ N-acetil-muraminska kislina (Mur2Ac)

Ta dva elementa se izmenično vežeta in na ta način tvorita osnovno verigo, na katero se vežejo še drugi elementi.♪ Pentapeptid, zgrajen iz alanina-glutamina-lizina-alanina, je vezan na Mur2Ac.♪ Med lizinom in alaninom pentapeptida je vezan pentaglicin.

Polimerizacija in zamreženje peptidoglikanov:

Izgradnja bakterijske stene (reakcija 1) se prične v citosolu. Rastoča veriga je vezana na celično membrano preko dolihola. Nato se struktura obrne in preide v ECM, kjer se odcepi od dolihola (reakcija 2). V ECM poteče zamreženje.

Zamreženje verig preprečuje penicilin, ki se preko serina ireverzibilno veže na transpeptidazo (tako, kot se na sliki desno, preko serina veže na β-laktanezo). Na ta način prepreči sintezo trdne celične stene in povzroči propad bakterije. Glede na R poznamo več vrst penicilina: G, V, maticilin, ipd.

25


Metabolizem glikogena.

15.4. Pomen zalog glikogena za organizem.Glikogen je rezervni polisaharid pri živalih in človeku. Je netopen polimer D-glukoze. Enote glukoze so med seboj povezane z α (1---›4) vezmi, na vsake 10 enot se pojavijo razvejitve z α (1---›6) vezmi. Ima le en reducirajoči konec in veliko ne-reducirajočih koncev. Encimi, ki ga razgrajujejo, delujejo samo na ne-reducirajoči konec, zato lahko hitro razpade na monosaharidne enote in

naenkrat sprosti veliko energije. Reducirajoči konec tvori prosta anomerna -OH skupina (zadnji 1C atom v verigi) in nanj je vezan glikogenin. Ne-reducirajoči konec tvori -OH skupina na C4.Glikogen se tvori v jetrih kadar je v krvi povišana koncentracija glukoze vendar v času pomanjkanja, med obroki ali telesno aktivnostjo, predstavlja takojšnjo preskrbo telesa z glukozo. Shranjuje se v jetrih in mišicah ter predstavlja 10% vlažne teže jeter in 1-2% vlažne teže mišic. Razlika v mestu skladiščenja je velika, saj jetra vsebujejo glukoza-6-fosfatazo, mišice pa ne, kar pomeni, da se pri razgradnji glikogena v jetrih lahko sprošča v kri prosta glukoza, glukoza nastala v mišicah pa je namenjena le lokalni porabi. Zaloga glikogena v jetrih predstavlja vir energije za vsa tkiva v obdobju 12-24h po nastopu pomanjkanja glukoze, medtem ko je mišična zaloga namenjena le kot vir energije za mišično kontrakcijo v anaerobnih pogojih (ob naporu). V obeh sistemih izgradnjo glikogena pospešuje inzulin, glikogenolizo pa adrenalin-fight or flight hormon. Glukagon sproži glikogenolizo le v jetrih, ker mišice zanj nimajo receptorja. Pomanjkanje receptorjev je logična posledica funkcije hormona, saj skrbi za raven glukoze v krvi, na katero mišični glikogen ne more vplivati.

Celice shranjujejo glukozo v obliki glikogena, ker to omogoča lažje črpanje glukoze v celice, saj je ni potrebno črpati proti visokemu koncentracijskemu gradientu in ker glikogen, za razliko od glukoze, ni osmotsko aktiven. Poleg glikogena skladiščimo zaloge energije tudi v obliki maščob, vendar imajo le te v primerjavi z glikogenom kar nekaj slabosti. Maščobne kisline se mobilizirajo počasneje, njihova oksidacija poteka samo v prisotnosti kisika in iz njih ne moremo več pridobiti glukoze, ki je tako nujno potrebna za nekatera tkiva.

26


15.5. Proces razgradnje glikogena in njegovo uravnavanje.Razgradnja glikogena poteka v več stopnjah:

1. stopnja: katalizira jo glikogen fosforilaza

Encim glikogen fosforilaza je dimer zgrajen iz dveh enakih podenot, ki imata za prostetično skupino piridoksalfosfat (PLP). Aktivira se tako, da se anorganski fosfat veže na piridoksalfosfat. Po končani katalizi se piridoksalfosfat regenerira in fosfat se po izgubi protona odcepi. Cepi lahko enote glukoze le do štirih mest (enot) pred razvejitvijo, nato nastopi problem, ker razvejitev moti katalitično podenoto.

*Piridoksalfosfat nastane iz vitamina B6 in je prisoten tudi pri metabolizmu AK, vendar ima tam povsem drugačno vlogo.

Levo: delovanje glikogen fosforilaze

Inhibitorji glikogen fosforilaze se uporabljajo za zdravljenje diabetesa tipa II. Z inhibicijo je poskrbljeno, da v jetrih ne poteka razgradnja glikogena, ki bi še dodatno zviševala koncentracijo glukoze v krvi.

2. stopnja: katalizira jo derazvejitveni encimEncim je bifunkcionalen:

4-α-D-glukanotransferaza cepi α (1---›4) vez tik ob mestu razvejitve, se pravi 3 enote glukoze. Odcepljeni trisaharid prenese na nereducirajoči konec molekule glikogena. amilo-α-1,6-glukozidaza cepi α (1---›6) vez ob razvejitvi in tako odcepi še prosto glukozo.

27


3.stopnja: nastanek glukoza-6-fosfata s fosfoglukomutazo

V jetrih se razgradnja glikogena konča z nastankom proste glukoze. Le ta nastane s pomočjo encima glukoza-6-fosfataza, ki je lociran na endoplazmatskem retikulumu in ima visok Km za G-6-P, torej je uravnavan s strani substrata. Nastala glukoza se sprosti v lumen ER in se skozi glukozne transporterje prenese iz celice v krvni obtok.

Sumarna enačba glikogenolize:

Ker se razvejitev pojavi vsakih 10-12 enot, je razmerje produktov sledeče:

Prednost fosforolize pred hidrolizo je takojšnja aktivacija produkta. Tako encim molekulo razgradi in monomer takoj pripravi na vstop v nadaljnje metabolne reakcije. Encim, ki v celici hidrolizira glikogen je glukozidaza, fosforolizira pa ga glikogen fosforilaza.

28


Poleg opisane razgradnje glikogena obstaja še posebna pot razgradnje v lizosomih, ki je del metabolnega obračanja znotrajceličnih komponent. Katalizira jo encim glukozidaza in gre za proces hidrolize.

Signalna pot razgradnje glikogena je alosterično uravnavana. Ta način modulacije omogoča hiter odziv celic na spremenjene razmere v telesu. V mišici se fosforilaza-b-kinaza aktivira z vezavo Ca2+ na njeno δ podenoto (kalmodulin)-povečana mišična kontrakcija da signal za povečano razgradnjo glikogena. Glikogen fosforilaza-b se aktivira tudi z vezavo AMP, ki je ponovno lahko posledica intenzivnejšega krčenja mišice-povečana poraba energije. V jetrih se glikogen fosforilaza-a lahko inaktivira z vezavo glukoze, ki encim alosterično spremeni. Velike količine glukoze v jetrih so znak, da je preskrba telesa z glukozo dobra in da ni potrebe po porabi glikogenskih zalog.*aktivna oblika fosforilaze je fosfoilirana, nekativna pa defosforilirana=kovalentan modifikacija preko hormonskega delovanja

29

G6P

glikogen

UDP-glukoza

G1P

UTP

glikogen sintaza

glikogen fosforilazaPP

i

Pi

GP

UDP-glukoza pirofosforilaza

razvejitveni encimderazvejitveni encim

fosfoglukomutaza

Glukagonadrenalin

inzulinAlosterično uravnavanje GP+ AMP- ATP, G-6-P in kofein

Alosterično uravnavanje GS+ G-6-P

neorganskapirofosfataza

2Pi

UDP


15.6. Biosinteza glikogena in njeno uravnavanje.Nujno potrebna spojina za sintezo glikogena je glukoza-6-P. Jetra in mišice jo pridobivajo s fosforilacijo glukoze, ki prihaja iz krvi v celico. V primeru, da je telo nekaj časa stradalo in v tem času porabilo vse zaloge glukoze in glikogena, jetra najprej s procesom glukoneogeneze iz laktata ter prehranskih AK sintetizirajo glukozo in iz nje nato ustvarijo glikogen.

Glukoza-1-P je potrebna za nastanek UDP-glukoze, ki je izhodiščna spojina za sintezo glikogena. Glukozne enote se aktrivirajo z vezavo nukleotida na glukozo-1-P z encimom glukoza-1-P-uridil transferazo.

Reakcija je energetsko ugodna zaradi hidrolize pirofosfata, ki jo katalizira inorganska pirofosfataza.

Sumarna enačba procesa aktivacije glukoze se glasi:

V nadaljnjem procesu sinteze glikogena sodeluje glikogen sintaza, ki katalizira izključno nastanek α (1---›4) glikozidnih vezi. Vezi se tvorijo tako, da se UDP-glukoza prenese na nereducirajoči konec

glikogenske verige.

Pri reakciji nastal UDP se ponovno regenerira iz ATP s pomočjo nukleozid-difosfat kinaze.

Za popolen učinek se mora molekula še razvejati, za kar poskrbi glikogen-razvejilni encim glikozil-4,6-transferaza. Encim cepi α (1---›4) vez na 6 ali 7 mestu nereducirajočega konca rastoče verige in odcepljeni oligosaharid prenese na C6. Nastane nova α (1---›6) vez.

30


Sinteza glikogena se prične z glikogeninom, 332AK dolgim dimerom. Glikogenin je pravzaprav glikoziltransferaza, ki katalizira glikolizacijo lastnega tirozinskega ostanka. Doda osem glukoznih enot in s tem osnuje 'primer' na katerega lahko glukozne enote dodaja glikogen sintaza.

Sumarna enačba glikogeneze:

Glikogen sintaza je regulirana s kovalentno modifikacijo. Fosforilira, in s tem inaktivira, jo kar 11 različnih kinaz, med katerimi je najpomembnejša glikogen-sintaze kinaza 3. Inzulin kinazo inhibira, glukagon pa spodbuja k delovanju. Obstaja tudi alosterična modulacija signalne poti, glukoza-6-P se veže na neaktivno glikogen-sintazo in ji omogoči lažjo defosforilacijo in s tem aktivacijo.

POZOR: presnova ogljikovih hidratov v mišici ni nikdar uravnavana s strani glukagona, ker mišična celica nima receptorjev zanj. Receptorji za inzulin so.

31


15.7. Okvare encimov, povezanih z metabolizmom glikogena.

Glavni viri:• http://courses.cm.utexas.edu/jrobertus/ch339k/overheads-3.htm • http://www.biochem.arizona.edu/classes/bioc462/462b/glycolysis.html • http://sandwalk.blogspot.com/2007/05/glycogen-synthesis.html • Predavanja prof. Vite Dolžan 2007/08• Smith, Colleen, Marks, D. Allan and Liebermann, Michael. Marks' Basic Medical Biochemistry: A

Clinical Approach. 2nd ed. USA: Lippincott Williams & Wilkins, 1996. ISBN 0-7817-2145-8

32

http://sandwalk.blogspot.com/2007/05/glycogen-synthesis.html

http://www.biochem.arizona.edu/classes/bioc462/462b/glycolysis.html

http://courses.cm.utexas.edu/jrobertus/ch339k/overheads-3.htm

Documents

PREBAVA OGLJIKOVIH HIDRATOV