Δρ. Α. Σκορίλας. Καθηγητής Κλινικής Βιοχημείας. Τομέας Βιοχημείας & Μοριακής Βιολογίας, Τμήμα Βιολογίας, Πανεπιστήμιο Αθηνών

Transcript

1 Δρ. Α. Σκορίλας Καθηγητής Κλινικής Βιοχημείας Τομέας Βιοχημείας & Μοριακής Βιολογίας, Τμήμα Βιολογίας, Πανεπιστήμιο Αθηνών

2 ΥΔΑΤΑΝΘΡΑΚΕΣ Μία από τις κύριες ομάδες βιομορίων Αλδεϋδικές ή κετονικές ενώσεις με πολλές ομάδες υδροξυλίου Πολλαπλοί ρόλοι: Αποθήκευση ή παραγωγή ενέργειας (γλυκογόνο, γλυκόζη κ.α) Δομικά στοιχεία του DNA και RNA (ριβόζη, δεοξυριβόζη) Διεκπεραίωση κυτταρικών λειτουργιών μέσω σύνδεσης τους με λιπίδια και πρωτεΐνες (άμυνα οργανισμού, διακυτταρική επικοινωνία κ.α.)

3 ΥΔΑΤΑΝΘΡΑΚΕΣ Μονοσακχαρίτες Καθένα από τα σάκχαρα μπορεί να βρίσκεται σε μία από τις δύο διαφορετικές μορφές γνωστές σαν D-μορφή και L-μορφή, οι οποίες είναι κατοπτρικά είδωλα η μία της άλλης CHO CHO H C OH HO C H CH2OH CH2OH D- Γλυκεραλδεΰδη L- Γλυκεραλδεΰδη

4 ΥΔΑΤΑΝΘΡΑΚΕΣ Μονοσακχαρίτες Απλούστεροι υδατάνθρακες Αλδεΰδες ή κετόνες με 2 ή περισσότερες υδροξυλομάδες Χημικός τύπος : (CH2O)n όπου n=3-7 Τριόζες, τετρόζες, πεντόζες, εξόζες, επτόζες Περιέχουν είτε μία αλδεϋδομάδα, οπότε αποκαλούνται αλδόζες (π.χ. Γλυκόζη), είτε μία καρβοξυλομάδα οπότε αποκαλούνται κετόζες (π.χ. 6-Ρ Φρουκτόζη) Γλυκόζη 6-Ρ Φρουκτόζη

5 ΥΔΑΤΑΝΘΡΑΚΕΣ Μονοσακχαρίτες Η υδροξυλομάδα που συνδέεται στον αλδεϋδικό ή κετονικό άνθρακα-1 του δακτυλίου μπορεί να αλλάζει τοποθέτηση δίνοντας δύο δομές που είναι γνωστές σαν α και β ανωμερή. α- Υδροξύλιο β-υδροξύλιο

6 ΥΔΑΤΑΝΘΡΑΚΕΣ Μονοσακχαρίτες Οι υδατάνθρακες σε διαλύματα βρίσκονται σε μορφές τόσο ανοικτής, όσο και κλειστής αλυσίδας σε μια κατάσταση ισορροπίας. Οι ανοιχτές αλυσίδες αυτών των ενώσεων κυκλοποιούνται και σχηματίζουν δακτυλίους, όπου κατά κανόνα κυριαρχούν.οι διαμορφώσεις αυτές απεικονίζονται σε προβολές κατά Haworth.

7 ΥΔΑΤΑΝΘΡΑΚΕΣ Μονοσακχαρίτες Οι προβολές Haworth δεν δίνουν την πραγματική εικόνα των δακτυλίων καθώς όλα τα άτομα του δακτυλίου αναπαριστώνται στο ίδιο επίπεδο. Στην πραγματικότητα οι μονοσακχαρίτες απαντώνται σε δύο διαμορφώσεις: του ανάκλιντρου και του λουτήρα. Σε υδατικά διαλύματα των εξοζών υπερτερεί η σχετικά πιο άκαμπτη και πιο σταθερή διαμόρφωση του ανάκλιντρου. O O Μορφή ανάκλιντρου Μορφή λουτήρα

8 ΥΔΑΤΑΝΘΡΑΚΕΣ Δισακχαρίτες Το άτομα του άνθρακα ενός μονοσακχαρίτη που έχει την αλδεϋδομάδα ή την καρβοξυλομάδα μπορεί να αντιδράσει με οποιαδήποτε υδροξυλομάδα ενός δεύτερου μονοσακχαρίτη και να σχηματιστεί ένας δισακχαρίτης. Ο δεσμός που σχηματίζεται ονομάζεται Γλυκοζιτικός δεσμός. Σημαντικοί δισακχαρίτες: Μαλτόζη (Γλυκόζη + Γλυκόζη) Λακτόζη (Γλυκόζη + Γαλακτόζη) Σουκρόζη (Γλυκόζη + Φρουκτόζη)

9 ΥΔΑΤΑΝΘΡΑΚΕΣ Πολυσακχαρίτες Αποτελούνται από πολλούς μονοσακχαρίτες οι οποίοι συνδέονται μεταξύ τους με γλυκοζιτικούς δεσμούς Σημαντικοί πολυσακχαρίτες: Κυτταρίνη (Φυτά-Δομικό συστατικό) Άμυλο (Φυτά-Αποθήκευση ενέργειας) Γλυκογόνο (Ζώα-Αποθήκευση ενέργειας)

10 ΥΔΑΤΑΝΘΡΑΚΕΣ Ανάλογα με την ικανότητα διάσπασής τους σε άλλους υδατάνθρακες διακρίνονται σε διασπώμενα και απλά σάκχαρα : Σάκχαρα Δισακχαρίτες (2 απλά σάκχαρα) Μονοσακχαρίτες (π.χ. γλυκόζη, φρουκτόζη) Σύνθετα Ολιγοσακχαρίτες (3-10 απλά σάκχαρα) Πολυσακχαρίτες (>10 απλά σάκχαρα) Δεν υδρολύονται σε μικρότερα μόρια

11 ΣΥΝΟΨΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΡΟΦΗ Λίπη Πολυσακχαρίτες Γλυκόζη κι άλλα σάκχαρα Πρωτεΐνες Αμινοξέα Λιπαρά Οξέα Γλυκόλυση Πυροσταφυλικό Οξύ Ακέτυλο-CoA Αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων / Οξειδωτική φωσφορυλίωση NADH Κύκλος Κιτρικού Οξέος (Κύκλος Krebs) CoA

12 ΣΥΝΟΨΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Η παραγωγή ενέργειας από την οξείδωση των τροφών περιλαμβάνει τρία στάδια: Αποικοδόμηση μεγάλων μορίων της τροφής (πρωτεϊνες, πολυσακχαρίτες, λίπη) σε μικρότερες μονάδες (αμινοξέα, σάκχαρα, λιπαρά οξέα) Αποικοδόμηση αμινοξέων, σακχάρων (γλυκόλυση) και λιπαρών οξέων (οξείδωση λιπαρών οξέων) σε μόρια με σημαντικό ρόλο στον μεταβολισμό (π.χ. πυροσταφυλικό οξύ, ακετυλομονάδα του ακετυλό- CoA) Κύκλος κιτρικού οξέος (Κύκλος του Krebs) και οξειδωτική φωσφορυλίωση, όπου παράγεται η μεγαλύτερη ποσότητα Τριφωσφορικής Αδενοσίνης (ΑΤΡ).

13 ΤΥΧΗ ΓΛΥΚΟΖΗΣ Πολυσακχαρίτες εξωκυττάριας μήτρας Γλυκογόνο Σύνθεση δομικών πολυμερών Οξείδωση μέσω της πορείας των φωσφορικών πεντοζών Αποθήκευση Γλυκόζη Γλυκόλυση Γλυκονεογένεση 5- Φωσφορική πεντόζη Πυροσταφυλικό

14 ΓΛΥΚΟΛΥΣΗ Προβολές κατά Haworth και Fischer των μορίων της γλυκολυτικής πορείας Γλυκόζη 6-ΡΓλυκόζη 6-Ρ Φρουκτόζη 1, 6-Διφοσφωρική Φρουκτόζη 3-Ρ Γλυκεραλδεΰδη Φωσφορική Διυδροξυακετόνη 1, 3-Διφοσφωγλυκερικό

15 ΓΛΥΚΟΛΥΣΗ Δομές μορίων της γλυκολυτικής πορείας 3-φωσφογλυκερικό 2-φωσφογλυκερικό Φωσφοενολο πυροσταφυλικό Πυροσταφυλικό

16 ΓΛΥΚΟΛΥΣΗ Δομές μορίων της γλυκολυτικής πορείας

17 ATP (Τριφωσφορική αδενοσίνη) ADP (Διφωσφορική αδενοσίνη) AMP (Μονοφωσφορική αδενοσίνη) Άλλα νουκλεοτίδια: TTP, TDP, TMP CTP, CDP, CMP GTP, GDP, GMP UTP, UDP,UMP

18 NAD + Νικοτιναμίδο-αδενίνο-δινουκλεοτίδιο NADH

19 ΓΛΥΚΟΛΥΣΗ Αλληλουχία αντιδράσεων στο κυτταρόπλασμα των κυττάρων οι οποίες οδηγούν στη μετατροπή ενός μορίου γλυκόζης σε δύο μόρια πυροσταφυλικού με ταυτόχρονη παραγωγή δύο μορίων ΑΤΡ & NADH Γλυκόζη + 2 Pi + 2 ADP + 2 NAD + 2 Πυροσταφυλικό + 2 NADH + 2 ATP + 2H + + H2O Προηγείται του κύκλου του κιτρικού οξέος και της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων, δύο μεταβολικές οδοί όπου συλλέγεται το μεγαλύτερο ποσοστό ενέργειας που περιέχεται στη γλυκόζη

20 ΓΛΥΚΟΛΥΣΗ Ανάλογα με τη διαθεσιμότητα οξυγόνου Γλυκόζη Αναερόβιες Συνθήκες- Ζύμωση Αιθανόλη (CH 3 CH 2 OH) + CO2 (Ζύμη) Γλυκόλυση Πυροσταφυλικό Αερόβιες Συνθήκες Ακέτυλο-CoA Κύκλος κιτρικού οξέος Αναερόβιες Συνθήκες- Ζύμωση Γαλακτικό CH 3 CH 2 OHCOOH (έντονα συστελλόμενοι μύες, ερυθρoκύτταρα, μικροοργανισμοί) Η2Ο+ CO2 (Ζώα, φυτά, αερόβιοι μικροοργανισμοί)

21 ΓΛΥΚΟΛΥΣΗ Περιλαμβάνει δέκα αντιδράσεις που καταλύονται από διαφορετικά ένζυμα Οι αντιδράσεις αυτές λαμβάνουν χώρα στο κυτταροδιάλυμα και ανήκουν σε 5 κατηγορίες: i. Μεταφορά φωσφορικής ρίζας ii. Φωσφορική μετατόπιση iii. Ισομερείωση iv. Αφυδάτωση v. Αλδολική διάσπαση

22 ΓΛΥΚΟΛΥΣΗ Τα ενδιάμεσα παράγωγα της γλυκολυτικής οδού αποτελούνται είτε από 3 είτε από 6 άτομα άνθρακα Οι φωσφορυλιωμένες ενδιάμεσες παράγωγες ενώσεις είναι αρνητικά φορτισμένες γεγονός που εμποδίζει τη διάχυση τους διαμέσου των κυτταρικών μεμβρανών Η ελεύθερη ενέργεια διατηρείται σε φωσφορικούς δεσμούς υψηλής ενέργειας

23 1 ο Στάδιο ΓΛΥΚΟΛΥΣΗ H 4 OH 6CH 2 OH 5 O H OH H 3 2 H OH Γλυκόζη H 1 OH Εξωκινάση ATP ADP H 4 OH 2-6CH 2 OPO 3 5 O H H OH H OH H OH 6-Ρ Γλυκόζη Ισομεράση 6- Ρ Γλυκόζης 6CH 2 OPO 2-3 O 5 H H HO 4 3 OH H OH 6-Ρ Φρουκτόζη 1CH 2 OH 2 Φωσφοφρουκτοκινάση 6CH 2 OPO 2-3 O ADP ATP 1CH PO 2-2 O 3 5 H HO 2 1, 6-Διφοσφωρική Φρουκτόζη Το πρώτο στάδιο είναι προπαρασκευαστικό καθώς η γλυκόζη παγιδεύεται και αποσταθεροποιείται Περιλαμβάνει τη μετατροπή μίας αλδόζης (6-φωσφορική γλυκόζη) σε κετόζη (6- φωσφορική φρουκτόζη) Η πρώτη και η τρίτη αντίδραση αυτού σταδίου απαιτούν την κατανάλωση 1 μορίου ΑΤΡ έκαστη H 4 3 OH H OH

24 Τελικά παράγεται μία φωσφορική ένωση με υψηλό δυναμικό μεταφοράς φωσφορικής ομάδας, το οποίο χρησιμεύει στο 3 ο στάδιο για την παραγωγή του πρώτου μορίου ΑΤΡ 2 ο Στάδιο HO H H 1CH 2 OPO C C C C O H OH OH CH 2 OPO 3 2-1, 6-Διφοσφωρική Φρουκτόζη Αλδολάση ΓΛΥΚΟΛΥΣΗ H 3-Ρ Γλυκεραλδεϋδη - C H O P O C 2 H 1C C 2 CH 2 OPO O 1 C H O H 2 O OH Αφυδρογονάση 3-Ρ Γλυκεραλδεϋδης Φωσφορική Διυδροξυακετόνη NAD + + Pi NADH + H + H O O P O C C 2 O H C H 2 O P O , 3- Διφοσφω γλυκερικό Το δεύτερο στάδιο περιλαμβάνει τη διάσπαση μίας εξόζης (1,6- διφωσφορική φρουκτόζη) σε δύο τριόζες (φωσφορική διυδροξυακετόνη και 3-φωσφορική γλυκεραλδεϋδη) Οι τριόζες αυτές είναι ισομερείς και η ισομερείωση τους καταλύεται από την ισομεράση της φωσφοτριόζης

25 3 ο Στάδιο ΓΛΥΚΟΛΥΣΗ H O O P O C C 2 O H C H 2 O P O , 3- Διφοσφω γλυκερικό Κινάση φωσφογλυκερικού ADP ATP O O - C 1 C 2 3 C H 3 Πυροσταφυλικό O O - O O - C Μουτάση 1 C C φωσφογλυκερικού 1 H O H 2 2- H C OPO C H 2 O P O 3 3CH 2 OH 3-φωσφογλυκερικό O Κινάση πυροσταφυλικού ATP ADP 2-φωσφογλυκερικό Ενολάση Φωσφοενολο Πυροσταφυλικό Η2Ο O O - Παραγωγή του πρώτου μορίου ΑΤΡ από ADP και μία φωσφορική ομάδα που παρέχεται από το 1,3-διφωσφογλυκερικό Το φωσφοενολοπυροσταφυλικό έχει υψηλό δυναμικό μεταφοράς φωσφορικής ομάδας, το οποίο χρησιμεύει στην επόμενη αντίδραση για την παραγωγή του δεύτερου ΑΤΡ C 1 2 C 3 CH 2 OPO 3 2-

26 ΓΛΥΚΟΛΥΣΗ 1 ο Στάδιο Η γλυκολυτική οδός μπορεί να χωριστεί σε 3 στάδια: Φωσφοφρουκτο- Εξωκινάση 6-Ρ 6-Ρ 1, 6- Γλυκόζη κινάση Γλυκόζη Φρουκτόζη Διφοσφωρική Ισομεράση 6- Φρουκτόζη ATP ADP Ρ Γλυκόζης ATP ADP Αλδολάση 2 ο Στάδιο 3 ο Στάδιο ATP ADP 1, 3- Διφοσφω γλυκερικό Κινάση φωσφογλυκερικού 3-φωσφο γλυκερικό Αφυδρογονάση 3-Ρ Γλυκεραλδεϋδης NAD + + Pi NADH + H + 2-φωσφο Μουτάση γλυκερικό φωσφογλυκερικού 3-Ρ Γλυκεραλδεΰδη Ενολάση Φωσφορική Διυδροξυακετόνη Πυροσταφυλικό Κινάση πυροσταφυλικού ATP ADP Φωσφοενολο πυροσταφυλικό

27 ΓΛΥΚΟΛΥΣΗ ΣΥΝΟΛΙΚΑ Ένα μόριο γλυκόζης δίνει δύο μόρια 3-φωσφορικής γλυκεραλδεϋδης τα οποία μετατρέπονται σε πυροσταφυλικό με ταυτόχρονη παραγωγή 4 μορίων ΑΤΡ και 2 μορίων NADH. Όμως στις πρώτες αντιδράσεις καταναλώνονται 2 μόρια ΑΤΡ κι έτσι, στο τέλος του μεταβολισμού ενός μορίου γλυκόζης, είναι διαθέσιμα στο κύτταρο 2 μόρια ΑΤΡ αλλά και 2 μόρια NADH.

28 ΡΟΛΟΣ ΓΛΥΚΟΛΥΣΗΣ Αποικοδόμηση γλυκόζης για την παραγωγή ενέργειας υπό τη μορφή του ΑΤΡ Δημιουργία δομικών μονάδων για τις αντιδράσεις βιοσύνθεσης (π.χ. σχηματισμός αλυσίδων λιπαρών οξέων) Η ταχύτητα της μετατροπής της γλυκόζης σε πυροσταφυλικό ρυθμίζεται προκειμένου να ελέγχεται η παραγωγή του ΑΤΡ και των δομικών μονάδων

29 Συγκέντρωση ΑΤΡ ΡΥΘΜΙΣΗ ΓΛΥΚΟΛΥΣΗΣ Συγγένεια για 6- Ρ Φρουκτόζη 1, 6-Διφωσφορική Φρουκτόζη Βασικός ρυθμιστής: Φωσφοφρουκτοκινάση 1. Αντιστρεπτός αλλοστερικός έλεγχος επιτυγχάνοντας τον έλεγχο της διαθέσιμης ποσότητας ΑΤΡ: Αλλαγή ενζυμικής στερεοδιάταξης

30 Συγκέντρωση ΑΜΡ ΡΥΘΜΙΣΗ ΓΛΥΚΟΛΥΣΗΣ Ενζυμική δράση 1, 6-Διφωσφορική Φρουκτόζη Βασικός ρυθμιστής: Φωσφοφρουκτοκινάση 2. Αντιστρεπτός αλλοστερικός έλεγχος επιτυγχάνοντας τον έλεγχο της διαθέσιμης ποσότητας ΑMP:

31 Συγκέντρωση κιτρικών ιόντων ΡΥΘΜΙΣΗ ΓΛΥΚΟΛΥΣΗΣ Ανασταλτική δράση ΑΤΡ 1, 6-Διφωσφορική Φρουκτόζη Βασικός ρυθμιστής: Φωσφοφρουκτοκινάση 3. Αντιστρεπτός αλλοστερικός έλεγχος επιτυγχάνοντας τον έλεγχο της διαθέσιμης ποσότητας ανθρακικών σκελετών:

32 ΡΥΘΜΙΣΗ ΓΛΥΚΟΛΥΣΗΣ Βασικός ρυθμιστής: Φωσφοφρουκτοκινάση 4. Αναστολή δράσης εξωκινάσης: Αναστολή δράσης της Φωσφοφρουκτοκινάσης συνεπάγεται αύξηση της 6-Ρ Φρουκτόζης 6-Ρ Φρουκτόζη σε ισορροπία με 6-Ρ Γλυκόζη. Συνεπώς αύξηση της 6-Ρ Φρουκτόζης συνοδεύεται από αύξηση και της 6-Ρ Γλυκόζης. Η 6-Ρ Γλυκόζη αναστέλλει την Εξωκινάση Συνεπώς η αναστολή της δράσης της Φωσφοφρουκτοκινάσης συνεπάγεται ταυτόχρονη αναστολή της Εξωκινάσης

33 ΡΥΘΜΙΣΗ ΓΛΥΚΟΛΥΣΗΣ Κινάση Πυροσταφυλικού Αλλοστερική αναστολή του ενζύμου από το ΑΤΡ όταν το ενεργειακό φορτίο είναι υψηλό και συνεπώς έχουν καλυφθεί οι ενεργειακές ανάγκες του κυττάρου Αλλοστερική αναστολή του ενζύμου από την Αλανίνη όταν επαρκούν οι δομικές μονάδες για τις αντιδράσεις βιοσύνθεσης Ενεργοποίηση ενζύμου από την 1,6 Διφωσφορική φρουκτόζη Ρύθμιση ενζυμικής δράσης μέσω αντιστρεπτής φωσφορυλίωσης

34 ΡΥΘΜΙΣΗ ΓΛΥΚΟΛΥΣΗΣ Κινάση Πυροσταφυλικού Αποφωσφορυλιωμένη κινάση του πυροσταφυλικού (περισσότερο ενεργός) ΑΤΡ ΑDΡ Χαμηλά επίπεδα γλυκόζης στο αίμα: Φωσφορυλιωμένη κινάση του πυροσταφυλικού (λιγότερο ενεργός) Μειωμένη σύνθεση ΑΤΡ & πυροσταφυλικού Υψηλά επίπεδα γλυκόζης στο αίμα: Φωσφορυλιωμένη κινάση του πυροσταφυλικού (λιγότερο ενεργός) Η2Ο Pi Αποφωσφορυλιωμένη κινάση του πυροσταφυλικού (περισσότερο ενεργός) Αυξημένη σύνθεση ΑΤΡ & πυροσταφυλικού

35 ΦΡΟΥΚΤΟΖΗ & ΓΛΥΚΟΛΥΣΗ Δύο εναλλακτικές πορείες - C H 2 O P O C O 2 Γλυκόλυση 1. Φρουκτόζη Φρουκτοκινάση ATP ADP 1-Ρ Φρουκτόζη Γλυκεραλδεϋδη Αλδολάση της 1-Ρ Φρουκτόζης Αλδολάση της 1-Ρ Φρουκτόζης Κινάση της τριόζης 1 C H O H 2 Φωσφορική Διυδροξυακετόνη H H 1C C 2 O OH CH 2 OPO Ρ Γλυκεραλδεϋδη 2. ATP ADP Γλυκόλυση Φρουκτόζη Εξωκινάση 6-Ρ Φρουκτόζη Γλυκόλυση ATP ADP

36 ΦΡΟΥΚΤΟΖΗ & ΓΛΥΚΟΛΥΣΗ Δύο εναλλακτικές πορείες Πορεία 1: Κυρίως στο ήπαρ Η εξωκινάση έχει μεγαλύτερη συγγένεια για την γλυκόζη από ότι για τη φρουκτόζη. Στο ήπαρ υπάρχει μεγαλύτερη συγκέντρωση γλυκόζης από ότι φρουκτόζης. Μειωμένη σύνθεση 6-Ρ Φρουκτόζης Πορεία 2: Κυρίως στο λιπώδη ιστό Στον λιπώδη ιστό υπάρχει μεγαλύτερη συγκέντρωση φρουκτόζης. Αυξημένη σύνθεση 6-Ρ Φρουκτόζης

37 ΓΑΛΑΚΤΟΖΗ & ΓΛΥΚΟΛΥΣΗ Μετατροπή Γαλακτόζης σε 6-Ρ Γλυκόζη Γαλακτόζη Γαλακτοκινάση 1-Ρ Γαλακτόζη Ουριδυλοτρανσφεράση UDP- Γαλακτόζη ATP ADP 1-Ρ Γλυκόζη Φωσφογλυκο μουτάση 6-Ρ Γλυκόζη Γλυκόλυση Γαλακτοζαιμία: Αυτοσωμική υπολλειπόμενη νόσος οφειλόμενη στην έλλειψη της Ουριδυλοτρανσφεράσης Διακοπή μεταβολισμού Γαλακτόζης στην 1-Ρ Γαλακτοζή Συσσώρευση Γαλακτόζης και άλλων ενδιάμεσων μεταβολιτών σε τοξικές συγκεντρωσεις.

38 ΤΥΧΗ ΓΛΥΚΟΖΗΣ Πολυσακχαρίτες εξωκυττάριας μήτρας Γλυκογόνο Σύνθεση δομικών πολυμερών Οξείδωση μέσω της πορείας των φωσφορικών πεντοζών Αποθήκευση Γλυκόζη Γλυκόλυση Γλυκονεογένεση 5- Φωσφορική πεντόζη Πυροσταφυλικό

39 ΓΛΥΚΟΝΕΟΓΕΝΕΣΗ Σύνθεση Γλυκόζης από μη υδατανθρακικές πρόδρομες ενώσεις (Γαλακτικό οξύ, γλυκογενετικά αμινοξέα, γλυκερόλη) Όργανα που λαμβάνει χώρα: Ηπαρ (κύριο όργανο) Σημαντική μεταβολική πορεία γιατί: Νεφρικός φλοιός (1/10 της ηπατικής παραγωγής ) Εγκέφαλος, γραμμωτός μυς, καρδιακός μυς (μικρό ποσοστό) 1. Εξασφαλίζει την απαραίτητη ποσότητα γλυκόζης σε περίπτωση παρατεταμένης ασιτίας και εντατικής άσκησης 2. Συμβάλλει στη διατήρηση των επιπέδων γλυκόζης στο αίμα προκειμένου να καλυφθούν οι μεταβολικές ανάγκες του εγκεφάλου και των μυών.

40 ΓΛΥΚΟΝΕΟΓΕΝΕΣΗ Γλυκόλυση: Γλυκόζη Πυροσταφυλικό Γλυκονεογένεση: Πυροσταφυλικό Γλυκόζη Η Γλυκονεογένεση ΔΕΝ είναι μία αντιστροφή της Γλυκόλυσης και διαφέρει από αυτήν σε τρεις μη αντιστρεπτές αντιδράσεις 1. Σχηματισμός φωσφοενολοπυροσταφυλικού από πυροσταφυλικό με ενδιάμεσο προϊόν το οξαλοξικό 2. Σχηματισμός 6-Ρ Φρουκτόζης από 1,6-Διφωσφορική φρουκτόζη 3. Σχηματισμός Γλυκόζης από 6-Ρ Γλυκόζη

41 ΓΛΥΚΟΝΕΟΓΕΝΕΣΗ Η Γλυκονεογένεση δεν είναι μία αντιστροφή της Γλυκόλυσης Γλυκονεογένεση: 2 Πυροσταφυλικό + 4 ΑΤΡ + 2GTP + 2NADH + 6H2O Γλυκόζη + 4ADP + 2GDP +6Pi + 2NAD + + 2Η + Αντιστροφή Γλυκόλυσης: 2 Πυροσταφυλικό + 2 ΑΤΡ + 2NADH + 2H2O Γλυκόζη + 2ADP + 2Pi + 2NAD +

42 ΓΛΥΚΟΛΥΣΗ ΓΛΥΚΟΝΕΟΓΕΝΕΣΗ ω Διαφορά 1 Διαφορά 2 ΓΛΥΚΟΝΕΟΓΕΝΕΣΗ Διαφορά 3

43 ΓΛΥΚΟΝΕΟΓΕΝΕΣΗ Σχηματισμός φωσφοενολοπυστοφαλικού από πυροσταφυλικό με ενδιάμεσο προϊόν το οξαλοξικό Κυτταροδιάλυμα Πυροσταφυλικό Μιτοχόνδριο Καρβοξυλάση πυροσταφυλικού Οξαλοξικό CO2 + ATP ADP NAD + NADH + H + Μηλικό NAD + NADH + H + Οξαλοξικό Καρβοξυκινάση φωσφοενολο πυροσταφυλικού Φωσφοενολο πυροσταφυλικό

44 ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΗ ΡΥΘΜΙΣΗ ΓΛΥΚΟΝΕΟΓΕΝΕΣΗΣ- ΓΛΥΚΟΛΥΣΗΣ Τα ένζυμα που είναι ξεχωριστά για κάθε πορεία δεν είναι δραστικά την ίδια στιγμή Η ταχύτητα της γλυκόλυσης ρυθμίζεται από τη συγκέντρωση της γλυκόζης ενώ η ταχύτητα της γλυκονεογένεσης από τις συγκεντρώσεις του γαλακτικού κι άλλων πρόδρομων μορίων Οι δύο πορείες δεν είναι ενεργές ταυτόχρονα

45 ΡΥΘΜΙΣΗ ΓΛΥΚΟΛΥΣΗΣ-ΓΛΥΚΟΝΕΟΓΕΝΕΣΗΣ 1. Αλλοστερικός έλεγχος της δράσης των ενζύμων Φωσφοφρουκτοκινάση και Φωσφατάση της 1,6- Διφωσφορικής Φρουκτόζης από το ΑΤΡ και ΑΜΡ ΑΤΡ Αναστέλλει τη Φωσφοφρουκτοκινάση (Γλυκόλυση) ΑΜΡ Διεγείρει τη Φωσφοφρουκτοκινάση (Γλυκόλυση) Αναστέλλει τη Φωσφατάση της 1,6 Διφωσφορικής Φρουκτόζης (Γλυκονεογένεση) Όταν η συγκέντρωση του ΑΤΡ είναι αυξημένη, και συνεπώς αυτή του ΑΜΡ μειωμένη, δεν γίνεται αποικοδόμηση της γλυκόζης αλλά αποθήκευση της υπό μορφή γλυκογόνου. Όταν η συγκέντρωση του ΑΜΡ είναι αυξημένη, και συνεπώς αυτή του ΑΤΡ μειωμένη, ενεργοποιείται η γλυκολυτική πορεία.

46 ΡΥΘΜΙΣΗ ΓΛΥΚΟΛΥΣΗΣ-ΓΛΥΚΟΝΕΟΓΕΝΕΣΗΣ 2. Έλεγχος της ισορροπίας Γλυκόλυση-Γλυκονεογένεση μέσω της 2,6- Διφωσφορικής Φρουκτόζης Η 2,6-Διφωσφορική Φρουκτόζη παράγεται από την 6-Ρ Γλυκόζη Φωσφοφρουκτοκινάση 2 (PFK-2) 6-Ρ Γλυκόζη 2, 6-Διφοσφωρική Φωσφατάση Διφωσφορικής Φρουκτόζη Φρουκτόζης 2 (FBPase-2) Τα PFK-2 και FBPase-2 αποτελούν μέρος της ίδιας πολυπεπτιδικής αλυσίδας σχηματίζοντας με αυτόν τον τρόπο ένα ένζυμο με δύο λειτουργίες. Το γεγονός αυτό διευκολύνει τη ρύθμιση της αλληλομετατροπής των 6-Ρ γλυκόζη /2,6-διφοσφωρική φρουκτόζη

47 ΡΥΘΜΙΣΗ ΓΛΥΚΟΛΥΣΗΣ-ΓΛΥΚΟΝΕΟΓΕΝΕΣΗΣ 2. Έλεγχος της ισορροπίας Γλυκόλυση-Γλυκονεογένεση μέσω της 2,6- Διφωσφορικής Φρουκτόζης Μετά από γεύμα Γλυκόζη Ινσουλίνη Έκφραση Φωσφροφρουκτοκινάση, κινάση πυροσταφυλικού Ενεργοποίηση Φωσφοφρουκτοκινάσης και αναστολή φωσφατάσης 1,6- Διφωσφορικής Φρουκτόζης Επιτάχυνση γλυκόλυσης- Μείωση γλυκονεογένεσης 2,6- Διφωσφορική Φρουκτόζη Μόλις η 2,6 διφωσφορική φρουκτόζη προσδεθεί στην αλλοστερική θέση στην Φωσφοφρουκτοκινάση, αυξάνει τη συγγένεια του ενζύμου για το υπόστρωμά του την 6 φωσφορική φρουκτόζη.

48 ΡΥΘΜΙΣΗ ΓΛΥΚΟΛΥΣΗΣ-ΓΛΥΚΟΝΕΟΓΕΝΕΣΗΣ 2. Έλεγχος της ισορροπίας Γλυκόλυση-Γλυκονεογένεση μέσω της 2,6- Διφωσφορικής Φρουκτόζης Νηστεία Γλυκόζη Γλυκαγόνη Ενεργοποίηση κινάσης πυροσταφυλικού - απενεργοποίηση Φωσφοφρουκτοκινάσης μέσω φωσφορυλίωσης Αναστολή Φωσφοφρουκτοκινάσης και ενεργοποίηση φωσφατάσης 1,6- Διφωσφορικής Φρουκτόζης 2,6- Διφωσφορική Φρουκτόζη Μείωση γλυκόλυσης - Επιτάχυνση γλυκονεογένεσης

49 ΡΥΘΜΙΣΗ ΓΛΥΚΟΛΥΣΗΣ-ΓΛΥΚΟΝΕΟΓΕΝΕΣΗΣ 3. Ρύθμιση δράσης της Κινάσης και Καρβοξυλάσης του Πυροσταφυλικού Αντίστροφη ρύθμιση της δράσης των δύο ενζύμων Κινάση Πυροσταφυλικού: Ενεργοποίηση από 1,6- Διφωσφορική Φρουκτόζη Αναστολή από ΑΤΡ Καρβοξυλάση Πυροσταφυλικού: Ενεργοποίηση από ακετυλο-coa Αναστολή από ΑDΡ Συνεπώς όταν το κύτταρο έχει καλύψει τις ενεργειακές του ανάγκες (υψηλό ΑΤΡ-χαμηλό ADP) ευνοείται η γλυκονεογένεση και το πυροσταφυλικό ρέει προς φωσφοενολοπυροσταφυλικό. Στην αντίθετη περίπτωση (υψηλό ADP-χαμηλό ΑΤΡ) ευνοείται η γλυκόλυση.

50 ΟΡΜΟΝΙΚΗ ΡΥΘΜΙΣΗ ΓΛΥΚΟΝΕΟΓΕΝΕΣΗΣ 1. Ρύθμιση επιπέδων λιπαρών οξέων και γλυκερόλης στο ήπαρ Γλυκαγόνη: Επαγωγή λιπόλυσης στο λιπώδη ιστό Λιπαρών οξέων Οξείδωση λιπαρών οξέων Ουσιών που προάγουν γλυκονεογένεση (Γλυκερόλη, ΑΤΡ, ακετυλο-coa κ.α.) Ινσουλίνη: Αντίθετη δράση

51 ΟΡΜΟΝΙΚΗ ΡΥΘΜΙΣΗ ΓΛΥΚΟΝΕΟΓΕΝΕΣΗΣ 2. Ρύθμιση προφίλ φωσφορυλίωσης των ηπατικών ενζύμων Η γλυκαγόνη ενεργοποιεί έναν καταρράκτη φωσφορυλιώσεων, ο οποίος καταλήγει στην αναστολή της δράσης της κινάσης του πυροσταφυλικού Μείωση ρυθμού γλυκόλυσης Μέσω του ίδιου καταρράκτη η γλυκαγόνη οδηγεί σε αναστολή της δράση της PFK-2 και ταυτόχρονη ενεργοποίηση της FBPase-2 Μείωση της συγκέντρωσης της 2,6-Διφωσφορικής φρουκτόζης Αύξηση ρυθμού γλυκονεογένεσης Ινσουλίνη: Αντίθετη δράση

52 ΟΡΜΟΝΙΚΗ ΡΥΘΜΙΣΗ ΓΛΥΚΟΝΕΟΓΕΝΕΣΗΣ 3. Ρύθμιση της έκφρασης ενζύμων Γλυκαγόνη: Καρβοξυκινάση Πυροσταφυλικού Φωσφατάση 1,6- Διφωσφορικής Φρουκτόζης Φωσφατάση 6-Ρ Γλυκόζης Εξωκινάση Φωσφοφρουκτοκινάση Κινάση Πυροσταφυλικού Ινσουλίνη: Αντίθετη δράση

53 ΠΡΟΔΡΟΜΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ ΓΛΥΚΟΝΕΟΓΕΝΕΣΗΣ Γαλακτικό: Παραγωγή από γραμμωτούς μύες και ερυθροκύτταρα μέσω αναγωγής του πυροσταφυλικού Πυροσταφυλικό, οξαλοξικό: Σε καταστάσεις νηστείας παράγεται κυρίως μέσω καταβολισμού των αμινοξέων. Το οξαλοξικό παράγεται επίσης κατά τον κύκλο του κιτρικού οξέος Γλυκογενετικά Αμινοξέα: Αποικοδόμηση πρωτεϊνών και περαιτέρω καταβολισμός τους προς οξαλοξικό, πυροσταφυλικό και άλλες πρόδρομες ενώσεις της γλυκονεογένεσης. Η λευκίνη και η λυσίνη δεν ανήκουν στα γλυκογενετικά αμινοξέα Γλυκερόλη: Παράγεται από την υδρόλυση των τριγλυκεριδίων

54 ΠΡΟΔΡΟΜΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ ΓΛΥΚΟΝΕΟΓΕΝΕΣΗΣ Γαλακτικό Παραγωγή κάτω από αναερόβιες συνθήκες (έντονη άσκηση) Ταχύτητα σύνθεσης πυροσταφυλικού (γλυκόλυση) Ταχύτητα οξείδωσης > πυροσταφυλικού (Κύκλος Krebs) Συσσώρευση πυροσταφυλικού Ταχύτητα σύνθεσης NADH (γλυκόλυση) > Ταχύτητα οξείδωσης NADH (Αναπνευστική αλυσίδα) Συσσώρευση NADH Παρεμπόδιση γλυκόλυσης Για να ξεπεραστεί αυτό το πρόβλημα Πυροσταφυλικό + NADH + Η + Γαλακτικό + NAD +

55 ΠΡΟΔΡΟΜΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ ΓΛΥΚΟΝΕΟΓΕΝΕΣΗΣ Γαλακτικό Μέσω του κύκλου του Cori το γαλακτικό που παράγεται στους μύες και τα ερυθροκύτταρα μεταφέρεται στο ήπαρ όπου μετατρέπεται σε γλυκόζη. Με αυτόν τον τρόπο το ήπαρ προμηθεύει με γλυκόζη τους μύες και τα κύτταρα του αίματος. Εκεί η γλυκόζη μετατρέπεται σε γαλακτικό για να προσληφθεί από το ήπαρ και να μετατραπεί πάλι σε γλυκόζη.

56 ΠΡΟΔΡΟΜΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ ΓΛΥΚΟΝΕΟΓΕΝΕΣΗΣ Αλανίνη και άλλα αμινοξέα

57 ΠΡΟΔΡΟΜΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ ΓΛΥΚΟΝΕΟΓΕΝΕΣΗΣ Γλυκερόλη