BIOΛ154 ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ Ι. ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ (Lubert Strye

Transcript

1 BIOΛ154 ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ Ι ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ (Lubert Strye

2 ΠΕΡΙΓΡΑΜΜΑ 16.1 Η γλυκόλυση είναι μια καταβολική πορεία μετατροπής ενέργειας σε πολλούς οργανισμούς Ο ταχύτητα της γλυκολυτικής πορείας ρυθμίζεται με ακρίβεια Η γλυκόζη μπορεί να συντεθεί εκ νέου από μη υδατανθρακικές πρόδρομες ενώσεις (γλυκονεογένεση) 16.4 Η γλυκόλυση και η γλυκονεογένεση ρυθμίζονται αντίρροπα -O2

3 Η γλυκόλυση είναι η αναερόβια καταβολική πορεία που μετατρέπει την ενέργεια της γλυκόζης σε ΑΤΡ και σε χρησιμους ενδιάμεσους μεταβολίτες Ο 2 μεταβολίτες Αναερόβια γλυκόλυση Αερόβιος καταβολισμός ΑΤΡ ΑΤΡ Η μελέτη του μεταβολισμού έγινε μελέτη της χημείας πυροσταφυλικο

4 Eνα μόριο γλυκόζης αποδομείται σε μια σειρά ενζυμικά καταλυόμενων αντιδράσεων παράγοντας δύο μόρια πυροσταφυλικού, μιας ένωσης με τρία άτομα άνθρακα. Η ενέργεια που απελευθερώνεται διατηρείται υπό μορφή ATP και NADH Ο 2 μεταβολίτες Αναερόβια γλυκόλυση Αερόβιος καταβολισμός ΑΤΡ ΑΤΡ ζύμωση

5 ΖΥΜΩΣΗ: αναφέρεται στην αναερόβια αποδόμηση της γλυκόζης ή άλλων οργανικών θρεπτικών ουσιών για παραγωγή γαλακτικό ή αιθανόλη και ΑΤP, Ο πιο αρχέγονος βιοχημικός μηχανισμός παραγωγής ενέργειας από οργανικά καύσιμα μόρια (Εξελικτική συντήρηση της Γλυκόλυσης). Ο 2 μεταβολίτες Αναερόβια γλυκόλυση Αερόβιος καταβολισμός ΑΤΡ ΑΤΡ γλυκοζη

6 ΓΛΥΚΟΖΗ Πλούσιο σε ενέργεια, άμεσα αξιοποιήσιμο καύσιμο Παραγωγή ATP είτε υπό αερόβιες ή αναερόβιες συνθήκες Πρόδρομο μόριο για την δόμηση ανθρακικών σκελετών για αμινοξέα, νουκλεοτίδια, συνένζυμα και λιπαρά οξέα. Παραγωγή 5-φωσφορικής ριβόζης και NADPH μέσω της οδού των φωσφορικών πεντοζών. Σύνθεση αποθηκευτικής ενέργειας ( Άμυλο, γλυκογόνο κλπ), γλυκοζυλιωμένων πρωτεινών και δομικών πολυσακχαριτών. Η πλήρης οξείδωση της γλυκόζης σε διοξείδιο του άνθρακα και νερό ΔG o = KJ/mol) Κυτταρικοι τυποι

7 Η γλυκολυτική αποδόμηση της γλυκόζης είναι η αποκλειστική πηγή μεταβολικής ενέργειας σε μερικούς ιστούς και κυτταρικούς τύπους των θηλαστικών: ερυθροκύτταρα (δεν διαθέτουν μιτοχόνδρια) μυελός των νεφρών εγκέφαλος σπερματοζωάρια διατροφη

8 Η γλυκόζη προκύπτει από υδατάνθρακες της διατροφής Με τη δίαιτά μας καταναλώνουμε συνήθως μεγάλη ποσότητα αμύλου που πρέπει να μετατραπεί σε απλούστερους υδατάνθρακες για απορρόφηση από το έντερο και μεταφορά στο αίμα. Το άμυλο πέπτεται κυρίως από το παγκρεατικό ένζυμο α-αμυλάση και την α- αμυλάση του σιέλου. Τα προϊόντα είναι οι δι- και τρισακχαρίτες μαλτόζη και μαλτοτριόζη. Η μαλτάση διασπά τη μαλτόζη σε δύο μόρια γλυκόζης. Η σακχαράση διασπά τη σακχαρόζη σε φρουκτόζη και γλυκόζη. Η λακτάση διασπά το σάκχαρο του γάλακτος, της λακτόζης, σε γλυκόζη και γαλακτόζη. Οι μονοσακχαρίτες μεταφέρονται στα κύτταρα του εντέρου και, στη συνέχεια, στην κυκλοφορία του αίματος. Σταδιο 1

9 16.1 Η γλυκόλυση είναι μια πορεία μετατροπής ενέργειας σε πολλούς οργανισμούς, κοινή σε προκαρυωτικά και σε ευκαρυωτικά κύτταρα. Το στάδιο 1 είναι η φάση της παγίδευσης γλυκόζης και της προετοιμασίας. Σε αυτό το στάδιο δεν παράγεται ΑΤΡ. Αρχικά στο στάδιο 1 η γλυκόζη μετατρέπεται σε 1,6-διφωσφορική φρουκτόζη σε τρία βήματα. διασπαση

10 Η στρατηγική αυτών των αρχικών βημάτων είναι να δεσμεύσουν τη γλυκόζη μέσα στο κύτταρο και να σχηματίσουν μια ένωση που μπορεί να διασπαστεί σε φωσφορυλιωμένες μονάδες τριών ατόμων άνθρακα. Το στάδιο 1 ολοκληρώνεται με τη διάσπαση της 1,6-διφωσφορικής φρουκτόζης σε δύο τμήματα των τριών ατόμων άνθρακα. Οι προκύπτουσες μονάδες των τριών ατόμων άνθρακα αλληλομετατρέπονται εύκολα. Σταδιο 2

11 16.1 Η γλυκόλυση είναι μια πορεία μετατροπής ενέργειας Στο στάδιο 2 συλλέγεται ΑΤΡ όταν τα τμήματα των τριών ατόμων άνθρακα οξειδώνονται σε πυροσταφυλικό. Προπαρασκευαστική φάση Παραγωγική φάση εξοκιναση

12 1. H μεταφορά της φωσφορικής ομάδας από την ATP στην υδροξυλική ομάδα του C6 της γλυκόζης σχηματίζει την 6-φωσφορική γλυκόζη και καταλύεται από την εξοκινάση. Η εξοκινάση δεσμεύει γλυκόζη μέσα στα κύτταρα αρχίζοντας τη γλυκόλυση. Επίσης, η προσθήκη της φωσφορικής ομάδας διευκολύνει τον περαιτέρω μεταβολισμό της γλυκόζης σε μόρια τριών ατόμων άνθρακα με υψηλό δυναμικό μεταφοράς φωσφορικής ομάδας. Επαγομενη προσαρμογη

13 Επαγόμενη προσαρμογή στην εξοκινάση. Απουσία γλυκόζης, οι δύο λοβοί της εξοκινάσης είναι διαχωρισμένοι (αριστερά). Με την πρόσδεση της γλυκόζης η στερεοδιάταξη της εξοκινάσης αλλάζει (δεξιά). Προσέξτε ότι οι δύο λοβοί του ενζύμου πλησιάζουν ο ένας τον άλλον, δημιουργώντας το αναγκαίο περιβάλλον για την κατάλυση. ισομερειωση

14 2. Ισομερείωση της 6-φωσφορικής γλυκόζης σε 6-φωσφορική φρουκτόζη Μια μετατροπή αλδόζης σε κετόζη. Η αντίδραση καταλύεται από την ισομεράση της φωσφογλυκόζης. Το ένζυμο πρέπει πρώτα να ανοίξει τον εξαμελή δακτύλιο της 6-φωσφορικής γλυκόζης, να καταλύσει την ισομερείωση και μετά να σχηματίσει τον πενταμελή δακτύλιο της 6- φωσφορικής φρουκτόζης. Ισομεράση της φωσφογλυκόζης φωσφοφρουκτοκινάση

15 3. H 6-φωσφορική φρουκτόζη φωσφορυλιώνεται από ATP σε 1,6-διφωσφορική φρουκτόζη (fructose-1,6-bisphosphate, F-1,6-BP). H αντίδραση αυτή καταλύεται από τη φωσφοφρουκτοκινάση (phosphofructokinase, PFK), ένα αλλοστερικό ένζυμο που παίζει κεντρικό ρόλο και ορίζει τον ρυθμό της γλυκόλυσης. Η διάσπαση της 1,6-διφωσφορικής φρουκτόζης μπορεί να παράξει δύο φωσφορυλιωμένα θραύσματα τριών ατόμων άνθρακα που οξειδούμενα σε επόμενες αντιδράσεις παράγουν ΑΤΡ. αλδολαση

16 4. Το σάκχαρο με τους έξι άνθρακες διασπάται σε δύο θραύσματα των τριών ατόμων άνθρακα. Η 1,6-διφωσφορική φρουκτόζη διασπάται σε 3-φωσφορική γλυκεραλδεΰδη (glyceraldehyde 3-phosphate, GAP) και φωσφορική διυδροξυακετόνη (dihydroxyacetone phosphate, DHAP). Καταλύεται από την αλδολάση, ολοκληρώνοντας το στάδιο 1 της γλυκόλυσης. Στα επόμενα βήματα της γλυκόλυσης συμμετέχουν μόρια τριών ατόμων άνθρακα αντί για έξι. 6 ισομεραση Ρ τριοζων

17 H 3-φωσφορική γλυκεραλδεΰδη μπορεί να συμμετάσχει, όπως είναι, στην πορεία της γλυκόλυσης, όχι όμως και η φωσφορική διυδροξυακετόνη. 5. Oι ενώσεις αυτές είναι ισομερείς και εύκολα αλληλομετατρέπονται. H ισομερείωση των φωσφορυλιωμένων αυτών μορίων σακχάρων με τρία άτομα άνθρακα καταλύεται από την ισομεράση των φωσφορικών τριοζών 6 ισομεραση Ρ τριοζων

18 Η αντίδραση είναι ταχεία και αντιστρεπτή. Σε ισορροπία, η φωσφορική τριόζη βρίσκεται κατά 96% στη μορφή της φωσφορικής διυδροξυακετόνης. Εντούτοις, η αντίδραση προχωρεί εύκολα προς την 3-φωσφορική γλυκεραλδεΰδη διότι οι αντιδράσεις της γλυκόλυσης που ακολουθούν απομακρύνουν αυτό το προϊόν. Η έλλειψη της ισομεράσης των φωσφορικών τριοζών, μια σπάνια κατάσταση, είναι η μόνη θανατηφόρα γλυκολυτική ενζυμοπάθεια. Χαρακτηρίζεται από βαριά αιμολυτική αναιμία και εκφυλισμό νευρικών κυττάρων. Σταδιο 2

19 Αφυδρ. 3 Ρ γλυκεραλδευδης Στα προηγούμενα βήματα της γλυκόλυσης, ένα μόριο γλυκόζης μετασχηματίστηκε σε δύο μόρια 3-φωσφορικής γλυκεραλδεΰδης, αλλά ακόμη δεν έχει εξαχθεί ενέργεια. Αντιθέτως, έως τώρα επενδύθηκαν δύο μόρια ΑΤΡ. Στο στάδιο 2 της γλυκόλυσης, μια σειρά αντιδράσεων αποκομίζει μέρος της ενέργειας που περιέχεται στην 3-φωσφορική γλυκεραλδεΰδη, ως ΑΤΡ.

20 6. H αρχική αντίδραση είναι η μετατροπή της 3-φωσφορικής γλυκεραλδεΰδης σε 1,3-διφωσφογλυκερικό (1,3-BPG), μια αντίδραση που καταλύεται από την αφυδρογονάση της 3- φωσφορικής γλυκεραλδεΰδης. Το 1,3-διφωσφογλυκερικό είναι ένας μεικτός ανυδρίτης του φωσφορικού οξέος και ενός καρβοξυλικού οξέος. Τέτοιες ενώσεις έχουν υψηλό δυναμικό μεταφοράς φωσφορικών ομάδων. Μία από τις φωσφορικές ομάδες της μεταφέρεται στην ADP στο επόμενο βήμα της γλυκόλυσης. Κιναση Ρ γλυκερικου

21 7. H κινάση του φωσφογλυκερικού καταλύει τη μεταφορά της φωσφορικής ομάδας από το 1,3-διφωσφογλυκερικό προς την ADP. Tα προϊόντα είναι η ATP και το 3-φωσφογλυκερικό. Το 1,3-διφωσφογλυκερικό είναι ένα μόριο υψηλής ενέργειας με μεγαλύτερο δυναμικό μεταφοράς φωσφορικής ομάδας από ό,τι η ΑΤΡ. Έτσι, το 1,3-διφωσφογλυκερικό μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως η κινητήρια δύναμη της σύνθεσης της ΑΤΡ από ADP. Φωσφ. Σε επιπεδο υποστρωματος

22 Ο σχηματισμός της ΑΤΡ με τον τρόπο αυτό αναφέρεται ως φωσφορυλίωση σε επίπεδο υποστρώματος, διότι ο δότης της φωσφορικής ομάδας, το 1,3-BPG, είναι ένα υπόστρωμα με υψηλό δυναμικό μεταφοράς φωσφορικής ομάδας. Υπενθυμίζεται ότι, σχηματίστηκαν δύο μόρια 3-φωσφορικής γλυκεραλδεΰδης και στη συνέχεια δύο μόρια ΑΤΡ. Αυτά τα μόρια ΑΤΡ αναπληρώνουν τα δύο μόρια ΑΤΡ που καταναλώθηκαν στο πρώτο στάδιο της γλυκόλυσης. πυροσταφυλικο

23 8. Στα επόμενα βήματα της γλυκόλυσης, το 3-φωσφογλυκερικό μετατρέπεται σε πυροσταφυλικό και ένα δεύτερο μόριο ΑΤΡ από την ADP. Κιναση πυροταφυλικου

24 Με το υψηλό δυναμικό μεταφοράς φωσφορικής ομάδας του φωσφοενολοπυροσταφυλικού σχηματίζεται πυροσταφυλικό και δημιουργείται ταυτόχρονα ΑΤΡ. Η αντίδραση καταλύεται από την κινάση του πυροσταφυλικού. Επειδή τα μόρια της ΑΤΡ που χρησιμοποιήθηκαν στον σχηματισμό της 1,6-διφωσφορικής φρουκτόζης έχουν ήδη αναπαραχθεί, τα δύο μόρια ΑΤΡ που παράγονται από το φωσφο-ενολοπυροσταφυλικό είναι «κέρδος». Συνολικη αντιδραση

25 H συνολική αντίδραση κατά της γλυκόλυσης είναι: Γλυκόζη + 2 Pi + 2 ADP + 2 NAD + 2 πυροσταφυλικό + 2 ATP + 2 NADH + 2 H + + H2O Γαλ. ζυμωση

26 Από τον περεταίρω αναερόβιο μεταβολισμό του πυροσταφυλικού αναγεννάται NAD+ (γαλακτική ζύμωση) H αναγωγή του πυροσταφυλικού από το NADH για τον σχηματισμό γαλακτικού και NAD+ καταλύεται από τη γαλακτική αφυδρογονάση Αλκ. ζυμωση

27 Από τον περεταίρω αναερόβιο μεταβολισμό του πυροσταφυλικού αναγεννάται NAD+ (αλκοολική ζύμωση) H αναγωγή της ακεταλδεύδης από το NADH για τον σχηματισμό αιθανόλης και NAD+ καταλύεται από τη αλκοολική αφυδρογονάση H αναγέννηση του NAD+ κατά την αναγωγή του πυροσταφυλικού προς γαλακτικό ή αιθανόλη εξασφαλίζει την απρόσκοπτη λειτουργία της γλυκόλυσης κάτω από αναερόβιες συνθήκες Ακετυλ-κοΑ

28 Mόνο ένα κλάσμα από την ενέργεια της γλυκόζης απελευθερώνεται κατά την αναερόβια μετατροπή της σε αιθανόλη ή γαλακτικό. Πολύ περισσότερη ενέργεια εξάγεται αεροβίως μέσω του κύκλου του κιτρικού οξέος και της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων.. Σε αυτή την οξειδωτική πορεία σχηματίζεται ακετυλοσυνένζυμο A (ακετυλο-coa) μέσα στα μιτοχόνδρια με την οξειδωτική αποκαρβοξυλίωση του πυροσταφυλικού. Ακετυλ-κοΑ

29 Πυροσταφυλικό + NAD+ + CoA ακετυλο-coa + CO2 + NADH + Η+ Tο NAD+ που απαιτείται γι αυτή την αντίδραση και για την οξείδωση της 3-φωσφορικής γλυκεραλδεΰδης αναγεννάται όταν το NADH οξειδώνεται τελικά σε NAD+ μέσω της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων στα μιτοχόνδρια. Γαλακτόζη

30 Η γαλακτόζη μετατρέπεται σε 6- φωσφορική γλυκόζη σε τέσσερα βήματα. Η πρώτη αντίδραση της πορείας αλληλομετατροπής γαλακτόζης-γλυκόζης είναι η φωσφορυλίωση της γαλακτόζης σε 1- φωσφορική γαλακτόζη, από τη γαλακτοκινάση. λακτάση

31 Πολλοί ενήλικοι εκδηλώνουν δυσανεξία στο γάλα διότι έχουν ανεπάρκεια λακτάσης ελεεγχος

32 16.2 Η γλυκολυτική πορεία ελέγχεται αυστηρά Η γλυκολυτική πορεία έχει διπλό ρόλο: διασπά τη γλυκόζη για να παραγάγει ΑΤΡ και προμηθεύει δομικές μονάδες για τις αντιδράσεις σύνθεσης. Για τις δύο αυτές κυτταρικές ανάγκες, η ταχύτητα μετατροπής της γλυκόζης σε πυροσταφυλικό ρυθμίζεται. Στις μεταβολικές πορείες, τα ένζυμα που καταλύουν μη αντιστρεπτές αντιδράσεις αποτελούν δυνητικές θέσεις ελέγχου. Kατά τη γλυκόλυση, οι αντιδράσεις που καταλύονται από την εξοκινάση, τη φωσφοφρουκτοκινάση και την κινάση του πυροσταφυλικού είναι ουσιαστικά μη αντιστρεπτές, έτσι η κάθε μια τους λειτουργεί ως θέση ελέγχου. Τροποι ελεεγχου

33 Αυτά τα ένζυμα γίνονται λιγότερο ή περισσότερο ενεργά, σε απόκριση Α) αλλοστερικών τελεστών, Β) με ομοιοπολική τροποποίηση Γ) με ρύθμιση της μεταγραφής, των γονιδίων τους ωστε οι ποσότητες αυτών των ενζύμων να ποικίλλουν για να αντιμετωπιστούν αλλαγές στις μεταβολικές ανάγκες. Ο χρόνος που απαιτείται για αντιστρεπτό αλλοστερικό έλεγχο, ρύθμιση με φωσφορυλίωση και μεταγραφικό έλεγχο τυπικά είναι χιλιοστά του δευτερολέπτου, δευτερόλεπτα και ώρες, αντίστοιχα. Ενεργειακο φορτιο

34 Η γλυκόλυση στους γραμμωτούς μυς ρυθμίζεται για να ικανοποιηθεί η ανάγκη για ΑΤΡ που απαιτείται για να ωθήσει τη μυική σύσπαση. Ο πρωταρχικός έλεγχος της μυϊκής γλυκόλυσης είναι το ενεργειακό φορτίο του κυττάρου, δηλ. η αναλογία ΑΤΡ προς ΑΜΡ. Πώς το κάθε ένα από τα βασικά ρυθμιστικά ένζυμα ανταποκρίνεται στις αλλαγές των ποσοτήτων των ΑΤΡ και ΑΜΡ που υπάρχουν στο κύτταρο?? φωσφοφρουκτοκιναση

35 Φωσφοφρουκτοκινάση. Υψηλά επίπεδα της ATP αναστέλλουν αλλοστερικά το ένζυμο. Το ΑΤΡ προσδένεται σε ρυθμιστικές θέσεις, άλλες από το ενεργό κέντρο. Η πρόσδεση της ΑΤΡ μειώνει τη συγγένεια του ενζύμου για την 6-φωσφορική φρουκτόζη. Η η δραστικότητα του ενζύμου αυξάνεται όταν μικραίνει ο λόγος ATP/AMP. Υψηλή συγκέντρωση ATP μετατρέπει την υπερβολική καμπύλη πρόσδεσης της 6- φωσφορικής φρουκτόζης σε σιγμοειδή Κιν. πυροσταφυλικου

36 Κινάση του πυροσταφυλικού, που καταλύει το τρίτο μη αντιστρεπτό βήμα της γλυκόλυσης και παράγει ATP και πυροσταφυλικό, ένα κεντρικό μεταβολικό ενδιάμεσο που μπορεί να οξειδωθεί περαιτέρω ή να χρησιμεύσει ως δομική μονάδα. Η ATP αναστέλλει αλλοστερικά την κινάση του πυροσταφυλικού για να επιβραδύνει τη γλυκόλυση όταν το ενεργειακό φορτίο είναι υψηλό. Όταν αυξάνεται ο ρυθμός της γλυκόλυσης, η 1,6-διφωσφορική φρουκτόζη, το προϊόν του προηγούμενου μη αντιστρεπτού βήματος στη γλυκόλυση, ενεργοποιεί την κινάση για να της δώσει την ικανότητα να διατηρήσει τον ρυθμό με την επερχόμενη υψηλή ροή των ενδιαμέσων. Κιν. Πυροσταφυλικου μυες

37 Ρύθμιση της γλυκόλυσης στους μυς. Σε ηρεμία, η υψηλή συγκέντρωση ΑΤΡ αναστέλλει τη φωσφοφρουκτοκινάση (PFK), την κινάση του πυροσταφυλικού και την εξοκινάση (μετατροπή σε γλυκογόνο). Σε άσκηση η χαμηλή ΑΤΡ/ΑΜΡ ενεργοποιεί τη γλυκόλυση. Warburg

38 Η αερόβια γλυκόλυση είναι μια ιδιότητα των ταχεώς αυξανόμενων κυττάρων. Οι όγκοι εμφανίζουν αυξημένους ρυθμούς πρόσληψης γλυκόζης. Τα ταχέως αυξανόμενα καρκινικά κύτταρα θα μεταβολίσουν γλυκόζη σε γαλακτικό ακόμη και παρουσία οξυγόνου, μια πορεία που ονομάζεται αερόβια γλυκόλυση ή «φαινόμενο Warburg», Στην πραγματικότητα, οι όγκοι με υψηλό ρυθμό πρόσληψης γλυκόζης είναι ιδιαίτερα επιθετικοί, και αυτοί οι καρκίνοι φαίνεται να έχουν κακή πρόγνωση. Ρετ

39 Ρετ

40 16.3 Η γλυκόζη μπορεί να συντεθεί από μη υδατανθρακικές πρόδρομες ενώσεις. Γλυκονεογένεση Η γλυκονεογένεση δεν είναι μια απόλυτη αντιστροφή της γλυκόλυσης. Η γλυκόλυση και η γλυκονεογένεση ρυθμίζονται αντίρροπα Το ενεργειακό φορτίο καθορίζει αν θα είναι περισσότερο ενεργός η γλυκόλυση ή η γλυκονεογένεση Η πρώτη σημαντική θέση ρύθμισης είναι η αλληλομετατροπή της 6-φωσφορικής φρουκτόζης και της 1,6-διφωσφορικής φρουκτόζης. σχημα

41 κορι

42 Κύκλος των Cori. Το γαλακτικό που παράγεται από τους ενεργούς μυς μετατρέπεται σε γλυκόζη από το ήπαρ. Αυτός ο κύκλος μετατοπίζει μέρος του μεταβολικού φόρτου των ενεργών μυών στο ήπαρ.