Metabolizam ugljenih hidrata

Report
Varenje i razgradnja ugljenih hidrata
Varenje
 Varenje je niz hemijskih procesa razgradnje
makromolekula skroba, proteina i lipida
 Varenje se3 obavlja u sistemu organa za varenjedigestivni trakt
 Prolaskom hrane kroz digestrivni trakt makromolekuli
podležu uticaju sokova za varenje koji, sa izuzetkom
žuči, predstavljaju vodeni rastvor enzima
 Neki nepromenjeni sastojci hrane ili degradacioni
proizvodi odstranjuju se organima za izlučivanje
Varenje ugljenih hidrata
 U hrani se nalaze uglavnom ugljeni hidrati biljnog
porekla: skrob, celulozai disaharidi, i u manjim
količinama životinjskog porekla: glikogen
 Više od 50% UH je skrob
 Može sadržavati i monosaharide : glukozu i fruktozu
 Varenje počinje u ustima dejstvom enzima
α- amilaze iz pljuvačke koja hidrolizuju α (1 → 4)
glikozidnu vezu
Varenje ugljenih hidrata
 Dalje se razgrađuju u tankom crevu dejstvom amilaze
iz pankreasa
 Pošto α-amilaza hidrolizuje samo α (1 → 4) glikozidnu
vezu, to se razgrađuje potpuno amiloza, a amilopektin
do mesta račvanja
α (1 → 6)
Varenje ugljenih hidrata
 Iz amilo pektina nastaju dekstrini koji sadrže
α (1 → 6) glikozidnu vezu
 Ove veze se hidrolozuju posebnim enzimom
α (1 → 6) glukozidaze
 Kao krajnji proizvodi hidrolize skroba nastaju maltoza
i glukoza
 Maltoza i drugi disaharidi se razlažu dejstvom enzima
disaharidaza ( svaki ima svoj specifični enzim)
Varenje ugljenih hidrata
 Varenjem hrane nastaje više vrsta monosaharida, a u
crevnom traktu apsorbuju se samo glukoza, fruktoza i
galaktoza.
 Glukoza je najvažniji monosaharid koji nastaje
varenjem
 Hranom se unosi i celuloza koju čovek ne može da vari
jer nema enzim za razlaganje β(1 → 4) glikozidne veze,
tako da ona prolazi kroz digestivni trakt nepromenjena
Varenje ugljenih hidrata
 U crevnom epitelu apsorbovana glukoza se prenosi
krvlju do ćelija, a posebno do ćelija jetre
 Hormon insulin ubrzava prolaz glukoze u ćelije
 U većini ćelija se glukoza procesom glikolize
razgrađuje do pirogrožđane kiseline (PGA) i acetil
CoA uz oslobađanje male količine energije.
 acetil CoA stupa u ciklus limunske kiseline kojim se
obezbeđuje veća količina energije
Višak - manjak
 Ukoliko ima viška glukoze u ćeliji ugrađuje se u
glikogen – GLUKOGENEZA
 Nedostatak glukoze nadoknađuje se hidrolizom
glikogena – GLIKOGENOLIZA ili sintezom iz drugih
jedinjenja- GLUKONEOGENEZA
Uloga jetre









U metabolizmu ugljenih hidrata jetra ima važnu ulogu
To je organ sinteze i služi kao “depo” (skladište)
Količina glukoze u krvi se vrlo tačno reguliše hormonima
Ti hormoni deluju najčešće u jetri koja, kao izvršni organ,
izgrađuje glikogen , ako postoji višak UH i time stvara rezervu
Iz rezerve se pri akutnom nedostatku, glukoza opet stvara i
predaje u krv
To je olakšano time što su ćelije jetre potpuno permeabilne(
propustljive) za glukozu
U ostalim ćelijama peremeabilnost glukoze reguliše insulin
Tako se dobija neprestano pretvaranje između glikogena i
slobodne glukoze
Drugi važan zadatak jetre je sinteza glukoze iz laktata (mišići)
tako i iz proizvoda razgradnje proteina
Glikoliza: anaerobna oksidacija
 Proces glikolize koji se odvija u citosolu, obuhvata
razgradnju glukoze preko piruvata do laktata u
anaerobnim uslovima, a realizuje se u dve faze
 A - faza glikolize u kojoj se razgradnja glukoze odvija
preko niza intermedijera i uz učešće više enzima
do gliceraldehid- 3-fosfata i
 B - faza glikolize u kojoj se produžava razgradnja
glukoze od gliceraldehid-3-fosfata do laktata.
Glikoliza
 Glikoliza je početna faza razgradnje glukoze i
zajednička je praktično svim ćelijama.
 Glikoliza se odigrava u odsutnosti kiseonika pa
anaerobnim organizmima može osigurati svu
potrebnu metaboličku energiju.
 U aerobnim ćelijama glikoliza je prva faza razgradnje
glukoze.
Razgradnja glukoze
 Reakcije glikolize razgrađuju glukozu do pirogrožđane kiseline




uz oslobađanje dva molekula ATP-a.
Početne reakcije na glikolitičkom putu u stvari troše energiju u
vidu molekula ATP za fosforilaciju glukoze do glukozo-6fosfata i zatim fruktoze-fosfata do fruktozo-1,6-bisfosfata.
Enzimi koji kataliziraju ove dve reakcije, heksokinaza i
fosfofruktokinaza, važne su regulacijske tačke glikolitičkog
puta.
Ključna je fosfofruktokinaza, koju inhibira visoki nivo ATP.
Inhibicija fosfofruktokinaze izaziva nagomilavanje glukoza-6fosfata, koji tada inhibira heksokinazu.
Na taj se način koči razgradnja glukoze kad ćelija ima dovoljno
raspoložive metaboličke energije u obliku ATP.
A - preparativna faza
Proizvodnja ATP-a
 Reakcije koje dolaze posle stvaranja fruktozo-1,6-bisfosfata
pripadaju delu glikolitičkog puta kojim se proizvodi
energija.
 Raspadom fruktozo-1,6-bisfosfata nastaju dva molekula
šećera s tri ugljenikova atoma. Gliceraldehid-3-fosfat se
oksidiše u 1,3-bisfosfoglicerat.
 Fosfatna grupa tog jedinjenja ima vrlo veliku slobodnu
energiju hidrolize pa se koristi u sledećoj reakciji glikolize
za pokretanje sinteze ATP iz ADP.
 Produkt te reakcije, 3-fosfoglicerat, prevodi se zatim u
fosfoenolpiruvat, drugi visoko-energijski intermedijar u
glikolizi.
B- faza dobijanja energije
Energetski bilans glikolize
 Hidroliza visokoenergijskog fosfata u
fosfoenolpiruvatu teče pa se konverzija
fosfoenolpiruvata u piruvat povezuje sa sintezom ATP.
 Svaki molekul gliceraldehid-3-fosfata, koja se prevede
u piruvat, povezan je s proizvodnjom dva molekula
ATP.
 Od početnog molekula glukoze ukupno se sintetiše
četiri molekula ATP.
 Pošto su dva molekula ATP bila potrebna za
otpočinjanje prvih reakcija, čist dobitak od glikolize su
dva molekula ATP.
Energetski bilans glikolize
 Pretvaranje glukoze u piruvat tokom glikolize nastaju
dva molekula ATP-a
 Glukoza + 2Pi + 2ADP + 2NAD+ →
2piruvat + 2ATP + 2NADH + 2H+ + 2H2O
Stvaranje redukovanog NADH
 Pored proizvedenog ATP, glikoliza pretvara dva molekula




koenzima NAD+ u NADH.
U toj reakciji NAD+ deluje kao oksidacijsko sredstvo koje
prima elektrone od gliceraldehid-3-fosfata.
NADH, nastali produkt te reakcije, obnavlja, i služi kao
donor elektrona u drugim oksido-redukcijskim reakcijama
u ćeliji.
U anaerobnim uslovima konverzijom piruvata u laktat ili
etanol reoksidiše se NADH nastao glikolizom u NAD+.
U aerobnim organizmima NADH služi kao dodatni izvor
energije dajući svoje elektrone transportnom lancu
elektrona putem kojeg će na kraju poslužiti za redukciju
O2 u H2O uz povezano stvaranje dodatnog ATP.
Sledeći korak u metabolizmu
 Sledeći korak u metabolizmu pirogrožđane kiseline
njegova oksidativna dekarboksilacija u prisutnosti
koenzima A (CoA) koji služi kao nosač acilnih grupa u
različitim metaboličkim reakcijama.
 Jedan se ugljenik piruvata oslobodi kao CO2, a preostala
dva ugljenika predaju se koenzimu A pa nastaje acetilCoA.
 U tom se procesu redukuju molekuli NAD+ u NADH.
 Acetil-CoA nastao ovom reakcijom ulazi u ciklus
limunske kiseline ili Krebsov ciklus koji je središnji put
oksidativnog metabolizma.
Održavanje redoks ravnoteže: razlicite sudbine piruvata
Čovek NAD+ regeneriše redukcijom
piruvata u laktat
Kontrola glikolize
 Kvasci i neki drugi mikroorganizmi regeneriraju
NAD+ oksidacijom piruvata u etanol
 Glikoliza je strogo kontrolisana
 Fosfofruktokinaza je kljucni enzim kontrole glikolize
Glukoza
ATP
Glukoza-6-fosfat
Fruktoza-6-fosfat
ATP
ulaganje 2ATP
Fruktoza-1,6-difosfat
Gliceral-3-fosfat
dihidroksi acetonfosfat
NADH(2x)
1,3-difosfoglicerat
ATP(2x)
3-fosfoglicerat
2-fosfoglicerat
Fosfoenolpiruvat
ATP(2x)
Piruvat
biosinteza 4 ATP i 2 NADH
Krebsov ciklus/ ciklus limunske kiseline
CIKLUS LIMUNSKE KISELINE
 Faza aerobnog metabolizma usmerena je na potpunu
oksidaciju piruvata do krajnjih proizvoda ugljen dioksida i
vode.
 Ciklus razgradnje piruvata u aerobnim uslovima detaljno je
objasnio biohemičar Hans Krebs po kome je ovaj ciklus dobio
naziv Krebsov ciklus.
Ovaj ciklus naziva se i ciklus trikarbonskih kiselina, jer u
toku njegovog odvijanja stvaraju se molekuli kiselina sa tri
karboksilne grupe, kao i ciklus limunske kiseline (citratni
ciklus, CLK) zbog veoma bitne uloge koju ima citrat u njemu.
CLK
 Sam ciklus limunske kiseline ima dvostruku ulogu (amfibolična uloga),




jer se u njemu susreću reakcije razgradnje (katobolizam) i reakcije
sinteze (anabolizam).
Oksidativnom dekarboksilacijom piruvata uz učešće multienzimskog
(PDH) kompleksa sastavljenog od tri enzima i prisutnog CoA-SH
nastaje acetil-S-CoA.
Nastali acetil-S-CoA predstavlja “aktivirani acetat”, koji se
uključivanjem u ciklus limunske kiseline, razgrađuje do krajnjih
proizvoda CO2 i H2O.
CLK praktično predstavlja stecište krajnjeg metabolizma i drugih
organskih jedinjenja, a to su pre svih, pored ugljenih hidrata,
aminokiseline i masne kiseline.
U ciklusu limunske kiseline na svaki uključeni molekul acetil-S-CoA
nastaju 2 molekula CO2 uz oslobadjanje elektrona i H+ . Akceptori
elektrona i H+ u toku skoro svih reakcionih faza CLK su NAD+ i FAD ,
koji prelaze u NADH i FADH2.
CLK
 Tokom svakog ciklusa limunske kiseline nastaju:
2 molekula GTP,
6 molekula NADH i
2 molekula FADH2
 Sa uključenjem 2 molekula acetil-S-CoA (jedan molekul
glukoze daje 2 molekula acetil-S-CoA).
 Oksidacijom svakog molekula NADH nastaju 3 molekula
energijom bogatog ATP, i još dva molekula ATP pri
formiranju svakog FADH2 .
 Na ovaj način svaki razgradjeni molekul glukoze daje
ukupno 36 molekula ATP. (GTP je ekvivalentan ATP).
Aktivacija piruvata
 Pirogroždjana kiselina - (odn. piruvat) dobijen glikolizom u citosolu
transportuje se u mitohondrije gde se razlaže do CO2 i H2O u CTK.
 Piruvat ne ulazi direktno u ciklus već se prvo oksidativno
dekarboksiluje uz učešće enzimskog kompleksa
piruvatdehidrogenaze(PDH-kompleks) do stvaranja energijom bogatog
tioestarskog jedinjenja acetil-S῀CoA uz oslobadjanje CO2 i
redukovanog NADH.
 Piruvat + NAD+ + CoA -SH ------> acetil-CoA + NADH + CO2
 CH3COCOO- +NAD++ CoA-SH
CH3CO-S-CoA + NADH +CO2
Faze CLK
 Ciklus se sastoji iz osam faza:
 1. Formiranje citrata, kondenzacijom Acetil CoA i







oksaloacetata.
2. Pretvaranje citrata u izocitrat preko cis-akonitata.
3. Dehidrogenizacija izocitrata i dobijanje α-ketoglutarata i
CO2
4. Oksidacija α-ketoglutarata do sukcinil-CoA i CO2
5. Pretvaranje sukcinil CoA u sukcinat.
6. Dehidrogenacija sukcinata u fumarat.
7. Hidratacija fumarata i formiranje maleata.
8. Dehidrogenacija maleata i formiranje oksalacetata.
Faza 1
 1. Formiranje citrata, kondenzacijom Acetil CoA i
okaloacetata.
 Proces katališe i reguliše enzim citrat sintaza . U reakciji
metilni ugljenik, acetilne grupe iz Acetil-CoA se kondenzuje sa
karbonilnom grupom oksaloacetata; istovremeno tioestarska
veza se cepa i oslobađa se slobodni koenzim A.
citrat sintaza
 Acetil-CoA + oksaloacetat +H2O------------->citrat + CoA-SH + H+
 CoA-SH dobijen u ovoj reakciji je slobodan i u mogućnosti je
da dalje učestvuje u oksidativnoj dekarboksilaciji naredne
molekule piruvata da bi se dobio sljedeći molekul acetil CoA
koji ulazi u ciklus.
Faza 2
 2. Pretvaranje citrata u izocitrat preko cis-akonitata.

Enzim akonitaza katalizira reverzibilno pretvaranje citrata u izoctirat
preko intermedijerne formacije trikarboksilnog cis akonitata.

-Obzirom da se izocitrat stalno transformiše u metabolite
naredne faze cilkusa, reakcija se u ćelija stalno odvija udesno.
Akonitaza je kompleksan enzim koji sadrži gvožđe
Faza 3
 3. Dehidrogenizacija izocitrata i dobijanje α-ketoglutarata i CO2

Uz pomoć enzima izocitrat dehidrogenaze izocitrat dehirogenizira u
α-ketogulrat.
izocitrat dehidrogenaza
 Izocitrat + NAD+ ----> α-ketoglutarat+ CO2+ NADH + H+
 Enzim treba jone Mg 2+ i Mn 2+.
Faza 4
 4. Oksidacija α-ketoglutarata do sukcinil-CoA i CO2
 U ovoj fazi a-ketoglutarat prolazi oksidatovnu
dekarboksilaciju i formira Sukcinil-CoA i CO2. Proces
katalizira enzimski kompleks a-ketoglutarat dehidrogenaza
Faza 5
 5. Pretvaranje sukcinil-CoA u sukcinat.
 Sukcinil-CoA je visokoenergetski metabolit. Velika količina
energije se oslobađa pri hidrolizi tioesterske veze.
 Sukcinil-S- CoA + H2O
---->
Sukcinat+ CoA-SH + H+
 U ćelijama sukcinil-CoA ne gubi CoA grupu prostom
hidrolizom tokom koje se troši energija. Umesto toga, podleže
vezanoj duploj reakciji, kojom se konzervira energija, a tokom
kojih je cepanje tioestarske veze praćeno fosforilacijom
guanozin difosfata (GDP) u guanozin trifosfata (GTP).
Faza 6
 6. Dehidrogenacija sukcinata u fumarat.
 Sukcinat, nastao u predhodnom stadijumu iz sukcinil-
CoA, se dehidrogenizuje u fumarat. Proces se katališe uz
pomoć enzima sukcinat dehidrogenaze, koji je u
kovalentnoj vezi sa FAD, koji ima ulogu akceptora
vodonikovog atoma,
 Sukcinat + Sukcinatdehidrogenaza-FAD ----> Fumarat +
Sukcinatdehidrogen.-FADH2
 Sukcinat dehidrogenaza je inhibirana od strane malonata,
što ima važnu ulogu u regulaciji samog ciklusa.
Faza 7
 7. Hidratacija fumarata i formiranje maleata.

Reverzibilna reakcija hidratacije fumarata u L-maleat, katalizirana je
enzimom fumarat hidratazom, nazvan i fumaraza. Enzim je
molekulske težine oko 200.000 sa četiri polipeptidne subjedinice, bez
koenzima i jako je specifičan. Hidratizuje dvostruku trans vezu
fumarata,
fumaraza i Mg2+
Fumarat + H2O ---->L-maleat
<----
Faza 8
 8. Dehidrogenacija maleata i formiranje oksalacetata.

Enzim L-maleat dehidrogenaza vezana je za NAD i prisutna je u
mitohondrijama, katališe dehidrogenaciju maleata do oksalacetata u zadnjoj
reakciji ciklusa limunkse kiseline.
L-malat + NAD+
---->
Oxaloacetat + NADH + H+
 Reakcija je reverzibilna, međutim u standardnim uslovima je usmjerena
udesno, obzirom da se oksaloacetat, kao produkt ove reakcije, brzo uklanja
reakcijom citratne sintaze, te je njegova koncentracija u ćeliji jako mala.
Energetski bilans CLK
 Pošto je svaki NADH ekvivalentan 3 ATP, FAD je
ekvivalent 2 ATP, a GTP je ekvivalent 1 ATP imamo
sledeći ukupan energetski bilans po jednom molekulu
glukoze:
reakcija
Glukoza
2 piruvata
2 piruvata
CO2 + H2O
2NADH+ H+
2 NAD+
Ukupno ATP
2 ATP
30 ATP
4 ATP
36 ATP
Kontrola pojedinih
faza CLK

similar documents