No Slide Title - Základy biochemie

Základy biochemie KBC / BCH
Metabolismus sacharidů
Inovace studia biochemie prostřednictvím e-learningu
CZ.04.1.03/3.2.15.3/0407
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem
a státním rozpočtem České republiky.
Osnova
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Přehled strukturních forem sacharidů.
Glykoproteiny a glykosylace.
Transportéry glukosy přes plasmatickou membránu.
Glykolýza. Regulace glykolýzy.
Glukoneogeneze.
Regulace glykolýzy a glukoneogeneze.
Substrátové cykly.
Coriho cyklus.
Pentosafosfátová dráha.
Proč právě glukosa je univerzálním zdrojem energie ??
• 1. Pravděpodobně první sacharid tvořený
z formaldehydových jednotek za prebiotických podmínek.
• 2. Glukosa má nízkou tendenci neenzymově glykosylovat
proteiny díky preferenci cyklické formy.
• 3. K relativně vysoké stabilitě glukosy přispívá to, že
všechny hydroxylové skupiny v β-D-glukose jsou v
ekvatoriální poloze.
Převládajícími formami monosacharidů v roztoku jsou cyklické.
Aldehydy tvoří poloacetalové, ketony poloketalové.
Podle heterocyklů furanu – furanosy, pyranu – pyranosy.
O
O
Furan
Pyran
Formy D-glukosy.
Uzavřením poloacetalového kruhu vzniká nové chirální centrum na uhlíku C1.
Existují dva anomery D-glukosy – α a β.
HOH2C
H
OH
C
H
C
OH
HO
C
H
H
C
OH
H
C
OH
CH2OH
H
HO
H
O
H
O H
H
HOH2C
=
H
C OH
HO
C
H
C
H
D-Glukosa
(otevřená forma)
OH
OH
H
H
C
C
OH
OH
α-D-Glukopyranosa
O
HOH2C
H
OH
H
O OH
H
HO
H
H
OH
β-D-Glukopyranosa
Cyklická forma D-fruktosy
O
C
CH2OH
HO
C
H
H
C
OH
H
C
OH
HOH2C
=
H
H
OH
C
HOH2C
CH2OH
OH C
C
C
HO
H
CH2OH
D-Fruktosa
(otevřená forma)
CH2OH
O
H
HO
OH
H
O
OH
H
β-D-Glukopyranosa
(cyklická forma)
Cyklická forma sacharosy
HOH2C
H
OH
H
O H
H
HO
H
OH
α
HOH2C
1
2
O
β
CH2OH
O
H
HO
H
OH
H
Sacharosa
(α-D-Glukopyranosyl-(12)-β-D-fruktofuranosa)
Cyklická forma laktosy
Obsahuje galaktosu a glukosu spojené (1→4) glykosidovou vazbou.
HOH2C
HOH2C
HO
OH
H
O
H
H
β
H
1 O 4
OH
H
O H
H
OH
H
H
H
OH
α
OH
Laktosa
(β-D-Galaktopyranosyl-(14)-α-D-glukopyranosa)
Cyklická forma maltosy
Obsahuje dvě molekuly glukosy spojené (1→4) glykosidovou vazbou.
HOH2C
HOH2C
H
OH
H
H
O H
α 1
H
4
OH
H
O H
H
O
HO
H
OH
H
OH
α
OH
Maltosa
(α-D-Glukopyranosyl-(14)-α-D-glukopyranosa)
Ketotriosa a aldotriosy
HO
O
CH2
O
C
CH2
HO
Dihydroxyaceton
(ketosa)
C
HO
H
O
H
C
CH2
HO
D-Glyceraldehyd
(aldosa)
C
H
HO
H
C
CH2
HO
L-Glyceraldehyd
(aldosa)
D-Aldosy – se třemi až šesti uhlíky
Konfigurace D se odvozuje od chirálního uhlíku, který je nejvzdálenější od
aldehydové skupiny.
1
2
3
CHO
H
C
OH
CH2OH
D-Glyceraldehyd
CHO
CHO
1
2
H
C
OH
HO
C
H
3
H
C
OH
H
C
OH
4
CH2OH
CH2OH
D-Erythrosa
D-Threosa
CHO
1
2
H
C
OH
3
H
C
OH
4
CH2OH
D-Erythrosa
CHO
1
CHO
2
H
C
OH
HO
C
H
3
H
C
OH
H
C
OH
4
H
C
OH
H
C
OH
5
CH2OH
D-Ribosa
CH2OH
D-Arabinosa
1
CHO
2 HO
C
H
3
C
OH
4
H
CH2OH
D-Threosa
CHO
CHO
1
H
C
OH
HO
C
H
3 HO
C
H
HO
C
H
4
C
OH
H
C
OH
2
5
H
CH2OH
D-Xylosa
CH2OH
D-Lyxosa
CHO
1
CHO
2
H
C
OH
HO
C
H
3
H
C
OH
H
C
OH
4
H
C
OH
H
C
OH
5
CH2OH
CH2OH
D-Ribosa
D-Arabinosa
CHO
1
CHO
CHO
CHO
2
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
HO
C
H
3
H
C
OH
H
C
OH
HO
C
H
HO
C
H
4
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
5
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
6
CH2OH
D-Allosa
CH2OH
D-Altrosa
CH2OH
CH2OH
D-Glukosa
D-Mannosa
CHO
1
CHO
H
C
OH
HO
C
H
3 HO
C
H
HO
C
H
4
C
OH
H
C
OH
2
5
H
CH2OH
CH2OH
D-Xylosa
CHO
1
H
C
OH
3
H
C
H
4 HO
C
H
C
6
CHO
CHO
2
5
D-Lyxosa
HO
C
H
H
C
OH
HO
OH
H
CH2OH
D-Gulosa
CHO
H
C
OH
HO
C
H
OH
HO
C
H
HO
C
H
C
H
HO
C
H
HO
C
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
CH2OH
D-Idosa
CH2OH
D-Galaktosa
CH2OH
D-Talosa
D-Ketosy se třemi až šesti uhlíky
Konfigurace D se odvozuje od chirálního centra nejdále od ketoskupiny
1
2
O
C
CH2OH
CH2OH
3
Dihydroxyaceton
1
2
3
O
H
4
C
C
CH2OH
OH
CH2OH
D-Erythrulosa
1
2
O
2
O
O
CH2OH
CH2OH
H
C
OH
HO
C
H
4
H
C
OH
H
C
OH
C
CH2OH
CH2OH
D-Ribulosa
D-Xylulosa
CH2OH
O
C
CH2OH
CH2OH
O
C
CH2OH
OH
HO
C
H
OH
HO
C
H
HO
C
H
OH
H
C
OH
H
C
OH
C
OH
HO
C
H
4
H
C
OH
H
C
5
H
C
OH
H
C
D-Psikosa
C
C
H
CH2OH
O
H
3
6
C
3
5
1
C
CH2OH
CH2OH
CH2OH
D-Fruktosa
D-Sorbosa
D-Tagatosa
Větvení glykogenu
Řetězce glukos spojených glykosidovou vazbou α(1→4) jsou po deseti
glukosových jednotkách větveny glykosidovou vazbou α(1→6).
HOH2C
H
OH
H
H
O H
α 1
O
6 CH
2
O
HOH2C
H
OH
H
H
H
OH
O H
α 1
α(16)-Glykosidová vazba
H
4
OH
H
O H
H
O
O
H
OH
α
O
H
OH
Struktury celulosy, škrobu a glykogenu
Vazby β(1→4) vedou k rovným řetězcům, kdežto vazby α(1→4) k prohnutým
strukturám.
HOH2C
O
O
HO
OH
O
HO
HOH2C
HOH2C
OH
O
O
O
HO
OH
Celulosa
(β[14]-glykosidová vazba)
HOH2C
O
O HO
OH
O
OH O
HOH2C
HO
O
OH
HOH2C
O
HO
O
Škrob a glykogen
(α[14]-glykosidová vazba)
O
Glykosaminoglykany – aniontové polysacharidy
Opakující se disacharidové jednotky obsahující glukosamin nebo
galaktosamin. Vazbou na proteiny tvoří proteoglykany.
COO
-
-
O
O
CH2 OSO3
OH
O
-
CH2 OSO3
CH2OH
O
OH
O
O
OH
O
O
OH
Chondroitin-6-sulfát
Keratansulfát
-
-
COO
OH
O
O
O
SO3 CH2OH
O
O
O
-
COO
OH
OH
OH
NH COCH3
-
CH2 OSO3
COO
O
O
NH COCH3
-
O
O
O
O
Heparin
O
OH
OH
Dermatansulfát
NH COCH3
O
OH
Hyaluronát
OH
-
OSO3
CH2OH
OH
O
O
NH COCH3
O
NH SO3
Glykoproteiny
Glykosidové vazby mezi proteiny a sacharidy.Vazby přes Asn (N-glykosidy),
vazby přes Thr nebo Ser (O-glykosidy). GlcNAc = N-Acetylglukosamin.
Asn
O
C
H
N
C
O
C
H
H2C
CH2OH
Ser
C
HN
O
O
HOH2C
C
H
H2C
O
HO
H
N
O
OH
OH
HO
HN
C
CH3
O
N-vázaný GlcNAc
HN
C
CH3
O
O-vázaný GalNAc
Glykosylace
• Glykosylace proteinů probíhá v lumen endoplasmatického
retikula (ER) a v Golgiho komplexu.
• Příkladem je pankreatická elestasa [ 3. 4. 21. 36] katalyzující
hydrolýzu proteinů (elastin) na místě Ala – Xaa.
• Pankreatická elastasa– je uvolňována z pankreatu ve formě
zymogenu. Je syntetizována ribosomy na cytoplasmatické
straně membrány ER. Signální sekvence 29 aminokyselin
navede proelastasu do lumen a poté se odštěpí. Volný
zymogen je glykosylován a poté, k dokončení glykosylace,
putuje do Gogiho komplexu.
• Obecně: N-glykosylace začíná v ER a pokračuje v Golgiho
komplexu.
• O-Glykosylace probíhá pouze v Golgiho komplexu.
Elastasa – vylučovaný glykoprotein s hydrolytickými vlastnostmi.
Nachází se v krevním séru. Oligosacharidové řetězce zaujímají
podstatnou část molekuly.
Transportéry glukosy přes plasmatickou membránu.
Např. GLUT1 a GLUT3 jsou téměř ve všech savčích buňkách.
Hladina glukosy v krvi je od 4 mM do 8 mM.
Rodina transportérů glukosy:
Název
Tkáň
Km (glukosa)
Komentář
•
GLUT1
Všechny savčí tkáně
1 mM
Základní vstup glukosy.
•
GLUT2
Játra a β-buňky pankreatu
15 – 20 mM
Regulace hladiny insulinu
v pankreatu. V játrech
odčerpává nadbytek
glukosy z krve.
•
GLUT3
Všechny savčí tkáně
1 mM
Základní vstup glukosy.
•
GLUT4
Svaly a tukové buňky
5 mM
Množství se zvyšuje
tréninkem.
•
GLUT5
Tenké střevo
----
Primárně transportér
fruktosy.
Glykolýza.
•
•
•
•
•
•
•
•
Hans Buchner a Eduard Buchner 1897
Příprava bezbuněčného extraktu kvasinek pro terapeutické účely.
Konzervace sacharosou – sacharosa byla rychle fermentována na
ethanol.
Nechtěně tak poprvé prokázali, že fermentace může probíhat mimo
živou buňku.
Od roku 1860 (Luis Pasteur) – fermentace může probíhat pouze v živých
buňkách (vitalismus).
Poté studována fermentace i ve svalech. Byly nalezeny naprosto shodné
děje.
Glykolýza byla plně objasněna v roce 1940. Gustav Embden, Otto
Mayerhof, Carl Neuberg, Jacob Parnas, Otto Warburg, Gerty Cori a
Carl Cori.
Glykolýza bývá také označována jako Emden-Mayerhofova dráha.
•
Glykolýza, také fermentace, probíhá anaerobně.
Z Řečtiny Glyk- „sladký“, lysis, „rozpad“, ztráta sladkosti.
•
Pochod společný pro prokaryotní i eukaryotní organismy.
•
Glykolýzou se získává energie i bez přístupu kyslíku.
•
U eukaryot probíhá glykolýza ve třech stupních v cytoplasmě:
a) Převedení glukosy na fruktosa-1,6-bisfosfát
(F-1,6-bisP)
b) Štěpení F-1,6-bisP na dvě triosy
c) Tvorba ATP při oxidaci tříuhlíkatých sloučenin na
pyruvát.
•
Pyruvát může být dále převeden na laktát (ve svalech) nebo na
produkty fermentace jako je ethanol např. kvasinkami.
Katabolické dráhy glukosy
Schematický průběh glykolýzy
V prvním stupni
fosforylace,
probíhají
v druhém štěpení hexosy na
dvě vzájemně převoditelné
triosy
a v třetím, při oxidaci
tříuhlíkatých fragmentů na
pyruvát, se tvoří ATP.
Hexokinasa - fosforylace glukosy
Fosforylací se destabilizuje glukosa. Glukosa-6-fosfát neprochází buněčnou
membránou.
2-
CH2O PO3
CH2OH
O
+
OH
OH
HO
OH
Glukosa
ATP
O
Hexokinasa
+
OH
OH
HO
OH
Glukosa-6-fosfát
(G-6P)
ADP
+
H
+
Fosfoglukosaisomerasa
Izomerace: aldosa – ketosa
O
2-
CH2O PO3
O H
H
OH
H
H
HO
OH
H
OH
C
H
H
C
OH
HO
C
H
H
C
H
C
O
CH2OH
C
H
OH
H
C
OH
OH
H
C
OH
2-
Glukosa-6-fosfát
(otevřená forma)
2-
O3P OH2C
HO
CH2O PO3
Glukosa-6-fosfát
(G-6P)
C
CH2OH
O
H
HO
OH
H
OH
H
2-
CH2O PO3
Fruktosa-6-fosfát
(otevřená forma)
Fruktosa-6-fosfát
(F-6P)
Fosfofruktokinasa
Allosterický enzym. Klíčová reakce nejen glykolýzy.
2-
O3P OH2C
O
H
HO
OH
H
OH
2-
CH2OH
H
Fruktosa-6-fosfát
(F-6P)
+
ATP
Fosfofruktokinasa
O3P OH2C
2-
CH2O PO3
O
H
HO
OH
H
OH
H
Fruktosa-1,6-bisfosfát
(F-1,6-BP)
+
ADP
+
H
+
Druhý stupeň glykolýzy
Vytváří se dva vzájemně
převoditelné triosafosfáty
z hexosabisfosfátu.
Aldolasa
Reakce je zvratem aldolové kondenzace.
O
O
C
CH2O PO32-
HO
C
H
H
C
OH
H
C
OH
2CH2O PO3
HO
C
C
CH2O PO32-
Dihydroxyacetonfosfát
(DHAP)
H
H
Aldolasa
+
H
H
C
C
O
Glyceraldehyd-3-fosfát
(GAP)
OH
2-
CH2O PO3
Fruktosa-1,6-bisfosfát
(otevřená forma)
Triosafosfátisomerasa
Izomerace aldosa – ketosa. Reakce je rychlá a reversibilní.
V rovnováze se tvoří 96 % ketosy. V dalším průběhu se využívá aldosa.
H
H
C
O
C
H
OH
Triosafosfátisomerasa
H
2CH2O PO3
Dihydroxyacetonfosfát
(DHAP)
C
C
O
OH
2-
CH2O PO3
Glyceraldehyd-3-fosfát
(GAP)
Třetí stupeň glykolýzy
Oxidací tříuhlíkatých fragmentů
se tvoří ATP. Oxidují se obě
triosy.
Glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenasa
H
H
C
C
2-
O3PO
O
+
OH
NAD
2-
CH2O PO3
Glyceraldehyd-3-fosfát
(GAP)
+
+
Pi
Glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenasa
H
C
C
O
+
OH
NADH
2-
CH2O PO3
1,3-Bisfosfoglycerát
(1,3-BPG)
+
H
+
Glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenasa
1,3-bisfosfoglycerát je acylfosfát s vysokým potenciálem přenosu fosfátu
na ADP za tvorby ATP.
O
H
H
C
O
+
OH
C
NAD
+
+
H2O
Oxidace
2-
H
C
C
C
+
OH
NADH
2-
CH2O PO3
O
H
C
OH
CH2O PO3
OH
+
OH
2-
CH2O PO3
Pi
Tvorba acyl-fosfátu
(dehydratace)
O
H
2-
C
C
OPO3
+
OH
2-
CH2O PO3
H2O
+
H
+
Fosfoglycerátkinasa
Fosforylace na úrovni substrátu. Vzhledem ke dvěma triosafosfátům se
vytváří 2 x ATP.
O
H
2-
C
C
O
OPO3
+
OH
2-
CH2O PO3
1,3-Bisfosfoglycerát
ADP
Fosfoglycerátkinasa
H
C
C
O
+
OH
2-
CH2O PO3
3-Fosfoglycerát
ATP
Fosfoglycerátmutasa
Reakce vyžaduje katalytické množství 2,3-bisfosfoglycerátu.
O
C
O
O
Fosfoglycerátmutasa
H
C
OH
H
C
O PO3
2-
H
3-Fosfoglycerát
C
O
2-
H
C
O PO3
H
C
OH
H
2-Fosfoglycerát
Enolasa
Dehydratace 2-fosfoglycerátu za tvorby 2-fosfoenolpyruvátu.
Fosfoenolpyruvát má vysoký potenciál přenosu fosfátu na ADP za tvorby ATP.
O
C
O
O
2-
H
C
O PO3
H
C
OH
H
2-Fosfoglycerát
Enolasa
H2O
O
2-
O PO3
C
C
C
H
H
Fosfoenolpyruvát
(PEP)
Pyruvátkinasa
Dochází k přechodu enol-keto. Fosfát ve fosfoenolpyruvátu je vázán na
nestabilní enol formu. Po přenosu fosfátu na ADP se stabilizuje keto forma.
O
O
O
2-
O PO3
C
Pyruvátkinasa
C
C
H
H
Fosfoenolpyruvát
(PEP)
ADP
+
H
+
O
C
C
CH3
ATP
Pyruvát
O
Zachování redoxní rovnováhy
Reoxidace NADH ve svalech vede ke tvorbě
laktátu, u kvasinek (Sacharomycet) ke tvorbě
ethanolu.
Enzymy:
laktátdehydrogenasa
pyruvátdekarboxylasa
alkoholdehydrogenasa
Různé dráhy pyruvátu
Laktát a ethanol se tvoří za účasti NADH (anaerobně). Acetyl CoA se tvoří
v mitochondrii v pyruvátdehydrogenasovém komplexu.
Tvorba ethanolu kvasinkami a dalšími mikroorganismy
Pyruvátdekarboxylasa má jako koenzym thiaminpyrofosfát (z thiaminu, B2).
Druhým stupněm je redukce ethanalu NADH alkoholdehydrogenasou.
O
O
C
C
CH3
Pyruvát
O
Pyruvátdekarboxylasa
H
C
H
+
CO2
O
CH3
Ethanal
(acetaldehyd)
Alkoholdehydrogenasa
H
H
NADH + H
+
NAD
+
C
OH
CH3
Ethanol
Laktátdehydrogenasa
Enzym u řady mikroorganismů (laktátová fermentace).
Ve svalech za nedostatku kyslíku – anaerobní stav.
O
O
C
C
CH3
Pyruvát
O
Laktátdehydrogenasa
O
HO
NADH + H
+
NAD
+
C
C
CH3
Laktát
O
H
Energetický výtěžek konverze glukosy na pyruvát
Glukosa + 2 Pi + 2 ADP + 2 NAD+ =
= 2 pyruvát + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O
Za anaerobních podmínek je energetický výtěžek: - 197 kJ.mol-1
Výtěžek je jen zlomkem energie, kterou je možné získat z glukosy.
Později srovnáme s aerobním výtěžkem.
Vstup galaktosy a fruktosy do glykolýzy
Převedení galaktosa-1-fosfátu na glukosa-1-fosfát
CH2OH
CH2OH
O
O
HO
OH
O
O
Enzymy:
O
P
OH
2-
+
O
HO
OH
O
O
P
O - O
Uridin
O
P
O - O
UDP-glukosa
Galaktosa-1-fosfát
Galaktosa-1-fosfáturidyltransferasa
galaktosa-1-fosfáturidyltransferasa
UDP-galaktosa-4-epimerasa
OH
CH2OH
CH2OH
O
HO
O
OH
O
UDP-glukosa se regeneruje.
OH
O
P
O - O
P
O
Uridin
+
OH
O - O
O
UDP-galaktosa-4-epimerasa
OH
O
OH
P
O - O
O
P
O - O
UDP-glukosa
O
Glukosa-1-fosfát
O
HO
O
P
OH
UDP-galaktosa
CH2OH
O
HO
O
Uridin
2-
Laktasa štěpí laktosu na glukosu a galaktosu
CH2OH
CH2OH
O
O
HO
O
OH
CH2OH
CH2OH
+
OH
Laktasa
H2O
O
HO
OH
OH
OH
OH
Laktosa
OH
O
+
OH
OH
HO
OH
OH
Galaktosa
Glukosa
Katarakt – šedý zákal
Porucha aktivity galaktosa-1-fosfáturidyltransferasy.
Prezence aldosareduktasy v oční čočce vede ke tvorbě galacitolu, který je
osmoticky aktivní a vtahuje do čočky vodu.
O
C
H
C
OH
HO
C
H
HO
C
H
H
C
HO
H
OH
CH2OH
Galaktosa
(cukerný aldehyd)
Aldosareduktasa
NADH + H
+
NAD
+
H
C
H
H
C
OH
HO
C
H
HO
C
H
H
C
OH
CH2OH
Galacitol
(cukerný alkohol)
Laktosová intolerance
• Deficit laktasy, která štěpí laktosu na galaktosu a glukosu.
• Důsledky: U dětí klesá aktivita laktasy po odstavení na 10%
hodnot po narození.
• Laktosa je zdroj energie pro střevní mikroorganismy, které ji
fermentují na laktát a plyny (methan a vodík). Způsobuje to
nadýmání. Vzniklý laktát je osmoticky aktivní, což způsobuje, že
voda je vtahována do střev – průjem.
• Způsobuje to také, že nejsou tráveny tuky a proteiny.
• Narušení metabolismu galaktosy – galaktosemie.
• Kromě průjmů a možnosti narušení funkce jater, znamená
zvýšená hladina galaktosy možnost tvorby očního zákalu.
V játrech vstupuje fruktosa do glykolýzy cestou
fruktosa-1-fosfátu
Enzymy:
Fruktokinasa
Fruktosa-1-fosfátaldolasa
Triosakinasa.
Alternativní fosforylace fruktosy adiposní tkáni
• Alternativně může být fruktosa fosforylována na fruktosa-6fosfát hexokinasou. Afinita hexokinasy ke glukose je však 20x
vyšší než k fruktose. V játrech se proto může tvořit jen malé
množství fruktosa-6-fosfátu. Analogické je to ve svalech.
• Fosforylace fruktosy na fruktosa-6-fosfát probíhá v adiposních
buňkách, kde je převaha fruktosy.
Kontrolní mechanismy glykolýzy
• Kontrola glykolýzy je důležitá z těchto dvou důvodů:
1. Tvoří se ATP rozkladem glukosy na pyruvát
2. Tvoří se stavební jednotky k syntéze, např. mastných kyselin.
• V metabolických drahách jsou vhodným místem kontroly enzymy
katalyzující prakticky ireversibilní reakce.
• Glykolýza:
hexokinasa
fosfofruktokinasa
pyruvátkinasa
Fosfofruktokinasa – klíčový enzym regulace savčí glykolýzy
Jaterní enzym je 340 kDa homotetramer obsahující katalytická a allosterická
místa.
Inhibice a aktivace fosfofruktokinasy
•
•
ATP je allosterický inhibitor; AMP ruší inhibiční účinek ATP. Aktivita
enzymu roste, když poměr ATP / AMP klesá.
Proč AMP a ne ADP ? Při rychlém úbytku ATP se vznikající ADP rychle
přeměňuje adenylátkinasou.
ADP + ADP = ATP + AMP
•
•
•
•
Malé změny v koncentraci ATP vedou k velkým změnám koncentrace AMP a
tím ke zvýšení citlivosti regulace fosfofruktokinasy.
Fosfofruktokinasa je také inhibována snížením pH. Je to prevence tvorby
nadbytku laktátu.
Fosfofruktokinasa je inhibována citrátem. Nadbytek citrátu je znamením
nadbytku biosyntetických prekurzorů. Není nutné odbourávat další glukosu.
Aktivátorem fosfofruktokinasy je fruktosa-2,6-bisfosfát (F-2,6-bP).
Aktivuje enzym tím, že zvyšuje jeho afinitu pro substrát.
F-2,6-bP je allosterický aktivátor, který posouvá tetramerní enzym ze
stavu T do stavu R.
2-
O3P OH2C
2O PO3
O
H
HO
CH2OH
H
OH
H
Fruktosa-2,6-bisfosfát
(F-2,6-BP)
Allosterická inhibice fosfofruktokinasy ATP
Reakční rychlost
Nízká hladina ATP
Vysoká hladina ATP
[Fruktosa-6-fosfát]
A) Aktivace fosfofruktokinasy fruktosa-2,6-bisfosfátem
B) ATP jako substrát, nadbytek inhibuje, přidání F-2,6-bP ruší inhibiční
účinek ATP
A)
1 µM F-2,6-BP
100
80
60
Relativní rychlost
Relativní rychlost
100
B)
0.1 µM
40
0 µM
20
1 µM F-2,6-BP
80
60
40
0.1 µM
0 µM
20
1
2
3
4
[Fruktosa-6-fosfát] (µM)
5
1
2
3
[ATP] (µM)
4
5
Kontrola hladiny F-2,6-BP
•
•
•
•
•
•
Fruktosa-2,6-bisfosfát se tvoří za katalýzy fosfofruktokinasou 2 (PFK2) a
je hydrolyzována fruktosabisfosfatasou 2 (FBPasa2), což je bifukční enzym.
Existuje v pěti isoenzymových formách. Forma L převažuje v játrech a
forma M ve svalech. Forma L se podílí na udržování homeostéze krevní
glukosy.
Při vysoké hladině glukosy v krvi (insulin) se současně zvyšuje hladina
fruktosa-6-fosfátu v játrech, což vede ke zvýšené tvorbě F-2,6-BP a tím ke
zvýšení aktivity fosfofruktokinasy.
Jaké kontrolní mechanismy fungují v játrech ve vztahu PFK2 a FBPasy2 ?
Aktivity PFK2 a FBPasy2 jsou recipročně kontrolovány fosforylací Ser
zbytku.
Při nízké hladině glukosy (signalizuje glukagon přes proteinkinasovou
kaskádu s cAMP) dojde k fosforylaci bifunkčního enzymu proteinkinasou A,
což má za následek aktivaci FBPasy2 a inhibici PFK2. Snižuje se hladina F2,6-BP a zpomaluje se glykolýza.
Při vysoké hladině glukosy, ztrácí bifunkční enzym fosfát, aktivuje se PFK2
a inhibuje FBPasa2, zvyšuje se hladina fruktosa-2,6-bisfosfátu a zrychluje
glykolýza.
Úloha hexokinasy při regulaci glykolýzy
•
Hexokinasa je inhibována produktem – glukosa-6-fosfátem.
•
Inhibice fosfofruktokinasy vede také k inhibici hexokinasy.
•
Když je fosfofruktokinasa inaktivní, roste hladina fruktosa-6-fosfátu
a tím i glukosa-6-fosfátu.
•
V játrech je glukokinasa, která fosforyluje glukosu při vysokých
koncentracích (glukokinasa je 60 x méně afinní ke glukose). Proto je
rolí glukokinasy spíše fosforylovat glukosu pro tvorbu glykogenu a
mastných kyselin.
•
Dalším důvodem proč je klíčovým enzymem regulace glykolýzy
fosfofruktokinasa a ne hexokinasa je, že glukosa-6-fosfát není pouze
meziproduktem glykolýzy. Může přecházet na glykogen nebo se
katabolizovat v pentosafosfátové dráze.
Úloha pyruvátkinasy při regulaci glykolýzy.
Regulace pyruvátkinasy a regulace prostřednictvím F-2,6-BP brání při nízké
hladině spotřebu glukosy játry ve prospěch mozku.
Reakční mechanismus
glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenasy
V aktivním místě jsou Cys a His zbytky vázané nekovalentně na NAD+
Katalytický mechanismus
glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenasy
Glyceraldehyd-3-fosfát
CONH2
H
+
R2 N+
H
H
N
H
N
NAD+
+
O
H H
H
+
R2 N+
R1
S
CONH2
H
N
H
1
H
+
H
H
O
H
H
N
R1
S
Hemithioacetal
H
N
CONH2
H
+
R2 N+
H
+
H
H
O
H
H
NADH
H
N
R1
Oxidace
S
2
Hemithioacetal
CONH2
R2 N
H
H
H
+
O
H
H
N
H
N
S
R1
Thioesterový
meziprodukt
NADH
H
CONH2
H
R2 N
H
H
NAD+
S
CONH2
H
H
+
O
H
H
N
+
H
N
R2 N+
R1
NAD+
Thioesterový
meziprodukt
H
+
O
H
H
N
+
H
N
S
R1
NADH
Thioesterový
meziprodukt
NAD+
CONH2
H
H
+
R2 N+
H
+
S
CONH2
H
+
R1
H
N
NAD+
O
H
H
N
+
H
N
Fosforylace
Pi
Thioesterový
meziprodukt
3
R2 N+
H
+
H
H
O
2-
O3PO
SH
N
R1
GLUKONEOGENEZE
•
Syntéza glukosy z necukerných prekurzorů:
•
Laktát, aminokyseliny (uhlíkatý řetězec glukogenních aminokyselin při
hladovění) a glycerol.
•
Hlavním místem glukoneogeneze jsou játra, malé množství v ledvinách,
něco málo v mozku, kosterních svalech a srdečním svalu.
•
Glukoneogeneze není zvratem glykolýzy.
•
Denní spotřeba glukosy mozkem u dospělého člověka je 120 g, což je
většina spotřeby těla (160 g). V tělních tekutinách je 20 g glukosy a
zásoba ve formě glykogenu je 190 g.
•
Celkově je v těle zásoba glukosy asi na jeden den.
Ireversibilní kroky glykolýzy
• Aktuální ∆ G tvorby pyruvátu z glukosy je – 84
kJ/mol.
• Tři kroky jsou kritické (ireversibilní):
a) Hexokinasa (∆ G = - 33 kJ/mol)
b) Fosfofruktokinasa (∆ G = -22 kJ/mol)
c) Pyruvátkinasa (∆ G = - 17 kJ/mol)
Srovnání glykolýzy a glukoneogeneze I.
Glukosa
ATP
Pi
Glukosa-6-fosfatasa
Hexokinasa
ADP
H2O
Glukosa-6-fosfát
Fosfoglukosaisomerasa
Fruktosa-6-fosfát
Pi
Fruktosabisfosfatasa
ATP
Fosfofruktokinasa
ADP
H2O
Fruktosa-1,6-bisfosfát
Aldolasa
Dihydroxyacetonfosfát
Triosafosfátisomerasa
Glyceraldehyd-3-fosfát
Srovnání glykolýzy a glukoneogeneze II.
Triosafosfátisomerasa
Dihydroxyacetonfosfát
NAD+ + Pi
Glyceraldehyd-3-fosfát
NAD+ + Pi
Glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenasa
NADH + H+
NADH + H+
1,3-Bisfosfoglycerát
ADP
ATP
Fosfoglycerátkinasa
ATP
ADP
3-Fosfoglycerát
Fosfoglycerátmutasa
2-Fosfoglycerát
Enolasa
Fosfoenolpyruvát
CO2 + GDP
Fosfoenolpyruvátkarboxykinasa
ADP
Pyruvátkinasa
GTP
ATP
Oxaloacetát
Pi + ADP
Pyruvát
ATP + CO2
Pyruvátkarboxylasa
Karboxylace pyruvátu
• Překonání prvního ireversibilního kroku – anaplerotická reakce
pro cyklus trikarboxylových kyselin.
• Probíhá v matrix mitochondrie.
• Účastní se biotin jako prosthetická skupina pyruvátkarboxylasy
(vázáno na koncovou aminoskupinu Lys).
• Pyruvátkarboxylasa je mitochondriální enzym, zatímco ostatní
enzymy glukoneogeneze jsou cytoplasmatické.
• Reakce probíhá jen za přítomnosti acetylCoA, který se na
pyruvátkarboxylasu váže.
• AcetylCoA allostericky aktivuje pyruvátkarboxylasu. Proč ?
Pyruvátkarboxylasa a fosfoenolpyruvátkarboxykinasa
(PEPCK)
Karboxylace probíhá v matrix. Oxaloacetát je redukován NADH
malátdehydrogenasou na malát, který je transportován do cytosolu,
kde je dekarboxylován a fosforylován.
Dekarboxylace pohání jinak endergonní reakci.
2-
PO3
H3C
O
O
C
C
Pyruvát
O
-
Pyruvátkarboxylasa
HCO3- + ATP
ADP + Pi
O
O
-
C
CH2
O
O
C
C
Oxaloacetát
O
PEPCK
-
GTP
GDP + CO2
H2C
O
O
C
C
O
-
Fosfoenolpyruvát
(PEP)
Biotin
O
HN 1
H
C
2
C
H2C 6
3
NH
C
5
S
4
C
Biotin
H
H
CH2
CH2
CH2
CH2
Postranní řetězec
(kyselina valerová)
COO
-
Karboxybiotinylpyruvátkarboxylasa
(biotin jako prosthetická skupina)
O
O
C
N
NH
-
O
O
O
S
(CH2)4
Karboxybiotinyl-enzym
C
NH
(CH2)4
C
CH
NH
Postranní řetězec
lysinu
Mechanismus tvorby karboxybiotinu reakcí hydrogenuhličitanu s ATP.
Adenosin
P
O
O
O
O
-
P
O
O
-
P
O
O
-
O
-
+
O
ADP
C
O
O
HO
P
OH
O
-
O
O
O
C
NH
O
(CH2)4
C
+
HN
NH
O
O
S
O
O
O
N
-
Biotinyl-enzym
Pi
C
O
Karboxyfosfát
ATP
-
C
NH
Karboxybiotinyl-enzym
(CH2)4
E
O
S
(CH2)4
C
Biotinyl-enzym
NH
(CH2)4
E
Reakce karboxybiotinu s pyruvátem za tvorby oxaloacetátu přes
enolformu pyruvátu jako meziproduktu (matrix).
Biotinyl-enzym
-
OOC
C
H2C
+
O
C
N
O
O
Pyruvát
H
-
OOC
O
C
H2C
O
HN
H
O
O
NH
O
C
O
+
N
-
NH
Enolforma
pyruvátu
OOC
NH
O
C
O
Karboxybiotinyl-enzym
+
C
O
CH2
-
OOC
C
H2C
O
C
O
-
Oxaloacetát
O
Reakce oxaloacetátu s GTP za katalýzy fosfoenolpyruvátkarboxykinasy
je v cytosolu poháněna dekarboxylací oxaloacetátu.
2-
PO3
O
O
-O
C
CH2
C
O
O
C
O
Oxaloacetát
-
+
O
-
P
O
O
-
O
P
O
O
-
O
GTP
P
O
-
Guanosin
PEPCK
GDP + CO2
O
H2C
C
O
C
O
-
Fosfoenolpyruvát
(PEP)
Další dva ireversibilní kroky:
•
2. Převedení fruktosa-1,6-bisfosfátu na fruktosa-6-fosfát:
Fruktosa-1,6-bisfosfát + H2O → Fruktosa-6-fosfát + Pi
•
Enzym: Fruktosa-1,6-bisfosfatasa. Allosterický enzym-aktivován citrátem,
inhibován fruktosa-2,6-bisfosfátem a AMP.
•
3. Glukosa-6-fosfát – tvorba volné glukosy. Ve většině tkání končí
glukoneogeneze na tomto stupni (syntéza glykogenu atd.).
•
Tvorba volné glukosy vyžaduje regulaci enzymu glukosa-6-fosfatasy. Enzym
je přítomen jen ve tkáních, které udržují fyziologickou hladinu glukosy v krvi
– játra a částečně ledviny.
Tvorba volné glukosy v dutinkách endoplasmatického retikula (ER)
působením glukosa-6-fosfatasy
T1 transportuje G-6-P do ER, T2 a T3 transportují Pi a glukosu zpět
do cytosolu. Glukosa-6-fosfatasa je stabilizována Ca2+-vazebným proteinem (SP)
Dráhy transportu oxaloacetátu
Malát - aspartátový člunek (shutle). Srdeční sval a játra.
Univerzální člunek - směr toku elektronů závisí na NADH / NAD+
-
Cytosol
COO
HO
H
C
Vnitřní
mitochondrionální
membrána
-
Mitochondrion
COO
HO
CH2
CH2
COO-
NAD+
Malát
Malátdehydrogenasa
Malát
COO-
NAD+
Malátdehydrogenasa
Dráha 1
NADH + H+
NADH + H+
-
-
COO
COO
O
C
Oxaloacetát
Oxaloacetát
COO-
COO-
Aminokyselina
Aminokyselina
Dráha 2
Aspartátaminotransferasa
Aspartátaminotransferasa
α-Ketokyselina
-
COO
+
C
O
C
CH2
CH2
H3N
H
C
α-Ketokyselina
Aspartát
Aspartát
H3N
H
+
C
CH2
CH2
H
COO-
COO-
Glukoneogeneze
-
COO
PEP
PEP
Glycerol-3-fosfátový člunek – reoxidace NADH z glykolýzy za aerobních
podmínek.
Typické pro intenzivně pracující sval.
Enzym je cytosolární glycerol-3-fosfátdehydrogenasa. Akceptorem elektronů FAD.
Elektrony se transportují proti NADH koncentračnímu gradientu.
NADH + H+
Cytosolická
glycerol-3-fosfát
dehydrogenasa
CH2OH
O
NAD+
CH2OH
HO
C
H
2-
2-
CH2OPO3
CH2OPO3
Dihydroxyacetonfosfát
Glycerol-3-fosfát
Mitochondrionální
glycerol-3-fosfát
dehydrogenasa
Cytosol
E-FADH2
QH2
Matrix
C
E-FAD
Q
Cesta glycerolu, který se tvoří hydrolýzou komplexních
(zmýdelnitelných) tuků do glykolýzy / glukoneogeneze.
CH2OH
HO
C
H
CH2OH
Glycerol
Glycerolkinasa
ATP
ADP
CH2OH
HO
C
H
2CH2O PO3
Glycerol-3-fosfát
Glycerol-3-fosfátdehydrogenasa
+
NAD
+
NADH + H
CH2OH
O
C
2-
CH2O PO3
Dihydroxyacetonfosfát
Reciproká regulace glykolýzy a glukoneogeneze
•
•
•
•
•
•
•
Glukoneogeneze a glykolýza jsou dva protichůdné pochody – ideální
regulace = jeden pochod aktivní a druhý neaktivní.
Teoreticky mohou být oba pochody aktivní, protože jsou za podmínek v
buňce exergonické.
Množství a aktivity různých enzymů obou drah jsou pod kontrolou a proto
nejsou obě dráhy současně vysoce aktivní. Rychlost glykolýzy je také
dána koncentrací glukosy a rychlost glukoneogeneze koncentrací laktátu a
dalších prekurzorů glukosy.
Množství enzymů je kontrolováno hormonálně. Hormony ovlivňují expresi
genů a regulují degradaci mRNA.
Insulin, signál sytosti, stimuluje expresi fosfofruktokinasy, pyruvátkinasy
a bifunkčního enzymu, který vede k tvorbě a degradaci fruktosa-2,6bisfosfátu.
Glukagon, signál hladovění, inhibuje expresi těchto enzymů a stimuluje
tvorbu fosfoenolpyruvátkarboxykinasy a fruktosa-1,6-bisfosfatasy.
Kontrola přes transkripci je pomalá.
Tři klíčové kroky glykolýzy a glukoneogeneze s vyznačením změn
Gibbsovy energie v kJ.mol-1
Reciproká regulace glykolýzy a glukoneogeneze v játrech
Hormonální regulace glukoneogeneze při hladovění
•
Nízká hladina glukosy v krvi (hladovění)
↓
Zvýšená sekrece glukagonu
↓
Zvýšená hladina [cAMP]
↓
Zvýšená rychlost fosforylace bifunkčního enzym
↓
Fosforylace bifunkčního enzymu proteinkinasou A, což má za
následek aktivaci FBPasy2 a inhibici PFK2. Snižuje se hladina F-2,6BP a zpomaluje se glykolýza.
↓
Inhibice fosfofruktokinasy a aktivace fruktosabisfosfatasy
↓
Zvýšená glukoneogeneze
Stechiometrie glukoneogeneze a zvratu glykolýzy
Glukoneogeneze:
Pyruvát + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH + 6 H2O =
= glukosa + 4 ADP + 2 GDP + 6 Pi + 2 NAD+ + 2 H+
∆ Go´ = - 38 kJ.mol-1
Na syntézu glukosy je spotřebováno 6 nukleosidtrifosfátů.
Energeticky nevýhodnou (endergonní) reakci pohání hydrolýza ATP a GTP.
Zvrat glykolýzy:
2 Pyruvát + 2 ATP + 2 NADH + 2 H2O = glukosa + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+
∆ Go´ = + 84 kJ.mol-1
Při odbourávání glukosy se získají jen 2 ATP.
Substrátové cykly
•
•
•
•
Dvojice reakcí jako jsou fosforylace fruktosa-6-fosfátu na fruktosa-1,6bisfosfát a jeho hydrolýza zpět na fruktosa-6-fosfát se nazývají
SUBSTRÁTOVÉ CYKLY. Obě nebývají současně plně aktivní. Přesto dochází
často současně k oběma reakcím – je to nedokonalost těchto reakcí – cyklují
– tyto cykly se také nazývají JALOVÉ (futile cycles). Jsou biologicky
zajímavé.
Jednou z jejich možných funkcí je zesílení metabolických signálů.
Druhou možnou funkcí je produkce tepla hydrolýzou ATP. Příkladem je
čmelák, který může za potravou již při 10o C. Je schopen dosáhnout
potřebnou teplotu v hrudi současnou vysokou aktivitou fosfofruktokinasy a
fruktosa-1,6-bisfosfatasy. Hydrolýza ATP vytváří teplo. Tato bisfosfatasa
není inhibována AMP !! To znamená, že enzym je určen k produkci tepla.
Včela, která nemá v létacích svalech bisfosfatasu, nemůže při nízkých
teplotách létat.
U lidí existuje onemocnění maligní hypertermie, kdy dochází ke ztrátě
kontroly, oba procesy probíhají současně plně a generují TEPLO.
Substrátové cykly
Cykly poháněné ATP probíhají dvěma různými rychlostmi. Malá změna
v rychlostech opačných reakcí vede k velké výsledné změně rychlosti.
Přehled možných drah glukosa-6-fosfátu
Coriho cyklus
• Laktát a alanin tvořící se v kontraktilním svalstu jsou zdrojem
energie pro jiné orgány.
• Tvořící se pyruvát ve svalech při intenzivním cvičení se nestačí
odbourat aerobně a pokračování glykolýzy závisí na dostupnosti
NAD+. Tvoří se laktát.
• Laktát je transportován krví do jater a zde je resyntetizována
glukoneogenezí glukosa, která putuje do svalů.
• Alanin je druhým zdrojem uhlíku pro syntézu glukosy. Ve svalech
je tvořen transaminací z pyruvátu, v játrech probíhá opačný
proces. Alanin tak pomáhá udržovat rovnováhu dusíku v organismu.
• Erythrocyty postrádají mitochondrie a proto nemohou oxidovat
kompletně glukosu.
Aminotransferasová reakce alanin – pyruvát
Koenzymem je pyridoxal-5-fosfát (PALP).
H
H3C
O
C
COO
+
NH3
Alanin
-
Aminotransferasa
α-Ketokyselina
H3C
C
Aminokyselina
Pyruvát
COO
-
Coriho cyklus
Isoenzymové formy laktátdehydrogenasy
Laktátdehydrogensa katalyzuje vzájemný převod laktát – pyruvát.
•
LDH je tetramer dvou typů 35 kD podjednotek.
•
H (heart) typ převažuje v srdečním svalu a M (muscle) v kontraktilním
svalstvu a játrech.
•
Podjednotky asociují tak, že vytvářejí pět typů tetramerů:
H4, H3M1, H2M2, H1M3, a M4
•
H4 isoenzym má vyšší afinitu k substrátu než M4, který je allostericky
inhibován vysokou hladinou pyruvátu.
•
H4 oxiduje laktát na pyruvát, který využívá srdeční sval za aerobních
podmínek. Srdeční sval je vždy aerobní!
•
M4 funguje opačně – převádí pyruvát na laktát což je v souladu s glykolýzou
za anaerobnmích podmínek. Ostatní isoenzymy mají vlastnosti mezi těmito
dvěma krajními.
Vzájemná interakce glykolýzy a glukoneogeneze na úrovni
tělesných orgánů
Pentosafosfátová dráha
V pentosafosfátové dráze se tvoří NADPH
a syntetizují se pentosy
• Pentosafosfátová dráha je pro všechny organismy zdrojem NADPH
pro reduktivní biosyntézy.
• Pentosafosfátová dráha má dvě fáze:
A) Oxidační tvorbu NADPH
B) Neoxidační přeměnu sacharidů. Přeměna C3, C4, C5, C6 a C7
sacharidů na pentosy (nukleotidy) a přebytku C5 na
meziprodukty glykolýzy.
• Tkáně s aktivní pentosafosfátovou dráhou (cytosol):
nadledvinky, játra, varlata, adipozní tukové buňky, vaječníky,
mléčná žláza a červené krvinky (erythrocyty).
• Základní schéma:
Glukosa-6-fosfát + 2 NADP+ + H2O → ribosa-5-fosfát + 2 NADPH
+ 2 H+ + CO2
Metabolické dráhy s potřebou NADPH:
• Syntézy:
Mastné kyseliny
Cholesterol
Neurotransmitery
Nukleotidy
• Detoxifikace:
Redukce oxidovaného glutathionu
Cytochrom P450 monooxygenasa
Biochemické reakce vzájemné přeměny sacharidů.
• 1. Izomerace – aldosa / ketosa.
Např. glukosa / fruktosa.
• 2. Epimerace – změna konfigurace na chirálním uhlíku.
Např. galaktosa / glukosa na C4.
• 3. Transketolasa – přenos dvouhlíkatého štěou z ketosy na aldosu.
• 4. Transaldolasa – přenos tříuhlíkatého štěpu z ketosy na aldosu.
• 5. Aldolasa – štěpení resp. syntéza na principu aldolové kondenzace.
Celkové schéma pentosafosfátové dráhy
Ribulosa-5-fosfát je epimerován
fosfopentosaepimerasou
na xylulosa-5-fosfát a
izomerován na ribosa-5-fosfát.
Celkové schéma oxidační fáze pentosafosfátové dráhy:
O
2-
2-
CH2O PO3
CH2O PO3
O H
H
OH
H
Glukosa-6-fosfátdehydrogenasa
H
HO
OH
OH
H
O
H
OH
H
H
Laktonasa
O
HO
NADP+
NADPH + H+
H
OH
H2O
H+
C
O
H
C
OH
HO
C
H
H
C
OH
H
C
OH
2CH2O PO3
Glukosa-6-fosfát
6-Fosfoglukono-δ-lakton
6-Fosfoglukonát
6-Fosfoglukonátdehydrogenasa
NADP+
NADPH + H+
O
C
CH2OH
H
C
OH
H
C
OH
+
2-
CH2O PO3
Ribulosa-5-fosfát
CO2
Reakce katalyzovaná glukosa-6-fosfátdehydrogenasou
2-
2-
CH2O PO3
CH2O PO3
O H
H
OH
H
Glukosa-6-fosfátdehydrogenasa
H
HO
OH
OH
H
O
H
OH
Glukosa-6-fosfát
H
H
O
HO
NADP+
NADPH + H+
H
OH
6-Fosfoglukono-δ-lakton
Reakce katalyzovaná laktonasou
O
2-
CH2O PO3
O
H
OH
H
H
Laktonasa
O
HO
H
OH
H2O
H+
C
O
H
C
OH
HO
C
H
H
C
OH
H
C
OH
2CH2O PO3
6-Fosfoglukono-δ-lakton
6-Fosfoglukonát
Druhá oxidace za katalýzy 6-fosfoglukonátdehydrogenasou
O
H
C
C
O
OH
HO
C
H
H
C
OH
H
C
OH
2CH2O PO3
6-Fosfoglukonát
CH4
6-Fosfoglukonátdehydrogenasa
NADP+
NADPH + H+
O
C
CH2OH
H
C
OH
H
C
OH
+
2CH2O PO3
Ribulosa-5-fosfát
CO2
Propojení pentosafosfátové dráhy s glykolýzou.
Nadbytek pentos je přeměněn na meziprodukty glykolýzy.
Schematicky:
C5 + C 5
C3 + C 7
C4 + C 5
C3 + C 7
C6 + C 4
C6 + C 3
Výsledná suma reakcí:
3 C5
2 C6 + C3
2 Xylulosa-5-fosfát + ribosa-5-fosfát
2 fruktosa-6-fosfát + glyceraldehyd-3-fosfát
Analogicky:
3 Ribosa-5-fosfát
2 fruktosa-6-fosfát + glyceraldehyd-3-fosfát
Neoxidační fáze pentosafosfátové dráhy za účasti transketolasy
O
O
O
C
CH2OH
H
C
OH
H
C
OH
+
2-
CH2O PO3
Ribulosa-5-fosfát
C
H
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
O
Transketolasa
H
C
C
H
+
OH
2-
CH2O PO3
CH2OH
HO
C
H
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
2-
2-
CH2O PO3
CH2O PO3
Ribosa-5-fosfát
C
Glyceraldehyd-3-fosfát
Sedoheptulosa-7-fosfát
Neoxidační fáze pentosafosfátové dráhy za účasti transaldolasy
O
O
H
C
C
H
+
OH
2-
CH2O PO3
C
CH2OH
HO
C
H
H
C
OH
H
C
H
C
O
C
CH2OH
HO
C
H
OH
H
C
OH
OH
HO
C
H
Transaldolasa
2-
CH2O PO3
Glyceraldehyd-3-fosfát Sedoheptulosa-7-fosfát
O
+
2-
CH2O PO3
Fruktosa-6-fosfát
C
H
H
C
OH
H
C
OH
2-
CH2O PO3
Erythrosa-4-fosfát
Neoxidační fáze pentosafosfátové dráhy – transketolasa.
O
O
C
O
H
H
C
OH
H
C
OH
+
2-
CH2O PO3
Erythrosa-4-fosfát
C
CH2OH
Transketolasa
HO
C
H
H
C
OH
2-
CH2O PO3
Xylulosa-5-fosfát
C
CH2OH
HO
C
H
H
C
OH
HO
C
H
+
O
H
2-
CH2O PO3
Fruktosa-6-fosfát
C
C
H
OH
2-
CH2O PO3
Glyceraldehyd-3-fosfát
Glukosa-6-fosfát je spotřebována jak glykolýzou, tak pentosafosfátovou drahou. Klíčovou roli v regulaci obou procesů hraje
hladina NADP+ v cytoplasmě.
•
Dehydrogenace glukosa-6-fosfátu je ireversibilní proces. Nutná přítomnost
NADP+ jako příjemce elektronů.
•
Z toho důvodu vyvolávají nízké hladiny NADP+ inhibiční efekt
dehydrogenace. Efekt je prohlubován skutečností, že NADPH kompetuje
s NADP+ o aktivní místo enzymu.
•
Poměr NADP+ / NADPH v jaterním cytosolu dobře živených krys je 0, 014,
několika řády nižší než poměr NAD+ / NADH za stejných podmínek je 700.
•
NADPH musí být bezprostředně spotřebován k syntézám.
•
Neoxidační fáze pentosafosfátové dráhy je regulována dostupností
substrátů.
Vstup glukosa-6-fosfátu do pentosafosfátové dráhy závisí na
potřebě NADPH, ribosa-5-fosfátu a ATP.
Možnost 1-je třeba mnohem více ribosa-5-fosfátu než NADPH.
Potřeba NADPH a ribosa-5-fosfátu je vyvážená
Potřeba NADPH je mnohem vyšší než potřeba ribosa-5-fosfátu.
Možnost 3
• Glukosa-6-fosfát je kompletně oxidována na CO2.
• Aktivní jsou tři skupiny reakcí:
• 1. Oxidativní fáze produkuje dvě molekuly NADPH a jednu
molekulu ribosa-5-fosfátu.
• 6 Glukosa-6-fosfátů + 12 NADP+ + 6H2O = 6-ribosa-5fosfátů + 12 NADPH + 12 H+ + 6 CO2
• 2. Ribosa-5-fosfát je převedena na fruktosa-6-fosfát a
glyceraldehyd-3-fosfát tranketolasou a transaldolasou.
• 6 Ribosa-5-fosfátů = 4 fruktosa-6-fosfáty + 2 GAP
• 3. Glukosa-6-fosfát je resyntetizována z fruktosa-6fosfátu a glyceraldehyd-3-fosfátu glukoneogenezí.
• 4 Fruktosa-6-fosfáty + 2 GAP + H2O = 5 G-6-P + H+
Potřeba NADPH a ATP je vyrovnaná
Stechiometrie možností 1 a 2
• Možnost 1 :
5 glukosa-6-fosfát + ATP → 6 ribosa-5-fosfát + ADP + H+
• Možnost 2 :
Glukosa-6-fosfát + 2 NADPH + H2O →
→ ribosa-5-fosfát + 2 NADPH + 2 H+ + CO2
Rovnice možnosti 3.
• Možnost 3 :
6 Glukosa-6-fosfát + 12 NADP+ + 6 H2O →
→ 6 ribosa-5-fosfát + 12 NADPH + 12 H+ + 6 CO2
6 ribosa-5-fosfát →
→ 4 fruktosa-6-fosfát + 2 glyceraldehyd-3-fosfát
4 fruktosa-6-fosfát + 2 glyceraldehyd-3-fosfát + H2O →
→ 5 glukosa-6-fosfát + Pi
• Suma tří reakcí:
Glukosa-6-fosfát + 12 NADP+ + 7 H2O →
→ 6 CO2 + 12 NADPH + 12 H+ + Pi
Rovnice možnosti 4.
3 Glukosa-6-fosfát + 6 NADP+ + 5 NAD+ + 5 Pi + 8 ADP →
→ 5 pyruvát + 3 CO2 + 6 NADPH + 5 NADH + 8 ATP + 2 H2O + 8 H+
K mechanismu transketolasy a transaldolasy
• Při transketolasové reakci je dvojuhlíkatý štěp vázán na koenzym,
kterým je thiaminpyrofosfát (TPP).
• Transketolasa je homologní s enzymem E1
pyruvátdehydrogenasového komplexu. Na aldosu se přenáší
aktivovaný glykolaldehyd.
• Transaldolasa přenáší tříuhlíkatý dihydroxyaceton a na rozdíl od
transketolasy, nemá prosthetickou skupinu. Zde se vytváří
Schiffova báze mezi karbonylem ketosy (substrát) a εaminoskupinou Lys v aktivním místě enzymu. Tříuhlíkatý štěp
vázaný na Lys je přenesen na aldosu.
• Je to analogie mechanismu aldolasy, enzymy jsou homologní.
Rovnováha mezi glykolýzou a glukoneogenezí v játrech – vliv
hladiny glukosy v krvi.
• Hlavním regulátorem glykolýzy a glukoneogeneze v játrech
je fruktosa-2,6-bisfosfát.
• Fruktosa-2,6-bisfosfát aktivuje fosfofruktokinasu a
inhibuje fruktosa 2,6-bisfosfatasu !!!
• Proč ??
• Při nízké hladině glukosy v krvi se z fruktosa-2,6bisfosfátu uvolňuje fosfát za tvorby fruktosa-6-fosfátu.
• Fruktosa-6-fosfát se neváže jako aktivátor
fosfofruktokinasu fosfofruktokinasu (váže se jen do akt.
místa).
• Jakým způsobem je kontrolována koncentrace fruktosa2,6-bisfosfátu ???
• Na kontrole hladiny fruktosa-2,6-bisfosfátu se podílejí
dva enzymy.
Fruktosa-2,6-bisfosfát.
Kontrolní mechanismus syntézy a odbourání fruktosa-2,6bisfosfátu.
Rovnováha mezi glykolýzou a glukoneogenezí v játrech – vliv
hladiny glukosy v krvi.
• Fruktosa-2,6-bisfosfát je produktem reakce katalyzované
fosfofruktokinasou 2 (PFK2).
• Odštěpení fosfátu je katalyzované enzymem
fruktosabisfosfatasa2 (FBPasa2)
• Oba enzymy jsou součástí jednoho proteinového řetězce o délce
55 kD – bifunkční enzym !!!
• Co kontroluje zda bude aktivní PFK2 nebo FBPasa2 ?
• Za situace hladovění: Při nízké hladině glukosy je vylučován
slinivkou hormon glukagon, který spouští uvnitř buněk cAMP
kaskádu vedoucí k fosforylaci bifunkčního enzymu
• proteinkinasou A. Tato kovalentní modifikace aktivuje FBPasu2 a
inhibuje PFK2.
• Převládá glukoneogeneze.
• Glukagon také aktivuje pyruvátkinasu v játrech.
• V opačném případě, při dostatku glukosy, je fosfát odštěpen,
aktivuje se PFK2 a inhibuje FBAsa2. Urychluje se glykolýza!!!
•
Bifunkční enzym fosfofruktokinasa-fosfofruktobisfosfatasa.
Pyruvátkinasa.
• Pyruvátkinasa je tetramer (57 kD podjednotka). Existuje
řada izoenzymových forem kódovaných různými geny.
• L typ převažuje v játrech a M ve svalech a mozku.
• Jaterní enzym podléhá na rozdíl od svalového allosterické
regulaci.
• Katalytická aktivita L formy je kontrolována reversibilní
fosforylací. Aktivita M formy ne.
• Při nízké hladině glukosy funguje glukagon. Spouští se
cAMP kaskáda – dochází k fosforylaci pyruvátkinasy a tím
ke snížení její aktivity. Tato hormonální regulace zabraňuje
spotřebě glukosy játry !!! Glukosa je nutně potřebná k
činnosti mozku a svalstva.
Kontrolní systém katalytické aktivity pyruvátkinasy.
Regulace allosterickou kontrolou aktivátory, inhibitory
a kovalentní modifikací.