Metabolizm węglowodanów - przemiany odpowiadające za generowanie energii w ATP
- Glukozo-6-fosforan
- Glukozo-1-fosforan
- Szlak pentozofosforanowy
- Glikoliza – 6-fosfopirogronian
- Glikogen
- Fruktozo-6-fosforan
- Pirogronian
W warunkach beztlenowych w mięśniach powstaje mleczan i alanina. W wątrobie mleczan przekształcany jest w cukier w procesie glukoneogenezy.
Fosforoliza glikogenu
- Pi
- Glikogen → glukozo-1-fosforan (enzym: fosforylaza glikogenu)
- Mutaza (przekształca glukozo-1-fosforan w glukozo-6-fosforan; produktem przejściowym jest glukozo-1,6-bisfosforan)
Glikogen jest polisacharydem rozgałęzionym (wiązania α-1,4 i α-1,6).
Na hydrolizę łańcucha działają
- Fosforylaza (uwalnia glukozo-1-fosforan aż do około 8 reszt od miejsca rozwidlenia)
- Transferaza (przenosi 3 reszty z miejsca rozwidlenia)
- α-1,6-glukozydaza (uwalnia jedną cząsteczkę wolnej glukozy przy miejscu rozgałęzienia)
Glikoliza
Glikoliza – tor przemian katabolicznych monosacharydów. W OUN w warunkach tlenowych powstaje CO2 + H2O. W mięśniach szkieletowych w warunkach beztlenowych powstaje mleczan; w warunkach tlenowych – CO2 + H2O. W erytrocytach w warunkach beztlenowych powstaje mleczan.
Glikoliza: z 1 cząsteczki glukozy powstają 2 cząsteczki pirogronianu. Faza przygotowawcza wymaga nakładu energii przy fosforylacji i rozszczepieniu 6-węglowego cukru na dwie trójwęglowe jednostki; następnie następuje faza uzyskiwania energii.
Faza uzyskiwania energii: 2 NADH + 4 ATP (całkowite wyjście podczas reakcji substratowych) — wynik netto: 2 ATP i 2 NADH (w warunkach beztlenowych, gdy NADH nie może być utleniony w łańcuchu oddechowym).
Podczas aktywacji glukozy występuje strata energii (fosforylacja). W wątrobie aktywność heksokinazy pełni glukokinaza (wysokie Km), natomiast w mięśniach dominuje heksokinaza o małym Km, co wpływa na różne powinowactwo do glukozy.
Fosforylacja substratowa jest efektywna również przy braku fosforylacji oksydacyjnej (brak tlenu). Glikoliza zachodzi w cytoplazmie komórki.
W warunkach beztlenowych brak regeneracji NAD+ w łańcuchu oddechowym, więc pirogronian jest redukowany do mleczanu (lub fermentacji alkoholowej w niektórych mikroorganizmach) w celu regeneracji NAD+.
Przykładowe równanie odtwarzania NAD+: pirogronian + NADH + H+ → mleczan + NAD+ (dehydrogenaza mleczanowa).
Produkcja mleczanu jest „ślepym zaułkiem” metabolicznym, ponieważ kończy się na mleczanie; dalsze losy zależą od przekształcenia mleczanu z powrotem w pirogronian (i dalej w glukozę w wątrobie). Powodem takiej przemiany jest regeneracja NAD+. Komórki produkujące mleczan przekazują część obciążenia metabolicznego na wątrobę.
Cykl Coriego – przekształcenie mleczanu w glukozę w wątrobie (glukoneogeneza z wykorzystaniem mleczanu dostarczonego przez mięśnie).
Przykładowy schemat (w dużym skrócie):
Wątroba → glukoza → glukozo-6-fosforan → glukoneogeneza → pirogronian → glukoza;
Mięśnie → glukoza → glikoliza → pirogronian → mleczan (transport do wątroby).
Glikoliza w erytrocytach ma specyficzne odgałęzienie: wytwarzany jest intermediat 2,3-bisfosfoglicerynian (2,3-BPG), który reguluje powinowactwo hemoglobiny do tlenu.
Oksydacyjna dekarboksylacja pirogronianu do acetylo-CoA
- Glukoza →
- Pirogronian →
- Kompleks dehydrogenazy pirogronianowej (PDH) →
- Acetylo-CoA
- CO2 i dalsze wejście do cyklu Krebsa; acetylo-CoA może być też wykorzystany do syntezy lipidów
Porównanie regeneracji cytoplazmatycznych NAD w różnych tkankach
- Beztlenowa glikoliza w pracujących mięśniach i erytrocytach: NADH + H+ redukuje pirogronian do mleczanu (regeneracja NAD+).
- Mostek glicerolo‑fosforanowy (transport elektronów z NADH do łańcucha oddechowego) – stosowany m.in. w mięśniach i mózgu; wpływa na bilans ATP.
- Mostek jabłczanowo‑asparaginianowy – stosowany w wątrobie i sercu (efektywny w przesyłaniu redukujących równoważników do mitochondrium).
Bilans energetyczny całkowitego spalania glukozy do CO2 i H2O zależy od użytego mostka elektronowego: zwykle około 36 ATP (gdy używany mostek glicerolo‑fosforanowy) lub 38 ATP (gdy używany mostek jabłczanowo‑asparaginianowy).
Regulacja glikolizy
Fosfofruktokinaza (PFK-1) – enzym kluczowy w kontroli glikolizy. Efekt Pasteura: oddychanie tlenowe silnie hamuje (ok. 7×) glikolizę częściowo przez zwiększenie stosunku ATP/ADP i akumulację cytrynianu, które hamują PFK-1 oraz przez niskie stężenie H+.
Silnym allosterycznym aktywatorem fosfofruktokinazy wątrobowej jest fruktozo-2,6-bisfosforan, który zwiększa powinowactwo enzymu do fruktozo-6-fosforanu i osłabia hamujący efekt ATP.
Szlak pentozofosforanowy (PPP)
Alternatywne drogi katabolizmu glukozy – szlak pentozofosforanowy aktywny w tkance tłuszczowej, erytrocytach, korze nadnerczy, gruczołach mlecznych. Główne produkty:
- NADPH + H+ (do biosyntezy kwasów tłuszczowych i steroidów, utrzymania glutationu w stanie zredukowanym oraz dla reakcji redukcyjnych w komórce)
- Rybozo-5-fosforan (prekursor do syntezy RNA, DNA, FAD, NAD+, ATP oraz części nukleotydowej koenzymu A)
Szlak ten także może dostarczać przekształceń pentoz do fruktozo-6-fosforanu i aldehydu 3-fosfoglicerynowego, łącząc się z glikolizą.
Enzymy transketolaza i transaldolaza odpowiadają za powiązanie cyklu fosfopentozowego z glikolizą.