ΓΛΥΚΟΛΥΣΗ I. ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΓΛΥΚΟΛΥΣΗΣ

Transcript

1 ΓΛΥΚΟΛΥΣΗ A. Ορισµός. I. ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΓΛΥΚΟΛΥΣΗΣ Η γλυκόλυση είναι µία µεταβολική πορεία κατά την οποία ένα µόριο γλυκόζης καταβολίζεται προς δύο µόρια πυροσταφυλικού µε την ταυτόχρονη καθαρή παραγωγή δύο µορίων ATP. Είναι µία βιοχηµική διεργασία διάσπασης σακχάρων και ιδιαίτερα της γλυκόζης η οποία είναι η πρωταρχική µητρική ένωση όλων των οργανικών χηµικών ενώσεων που απαντούν στη φύση, καθώς είναι προϊόν της φωτοσύνθεσης, δηλαδή της µοναδικής βιολογικής διεργασίας των φυτών και φωτοσυνθετικών µικροοργανισµών, µε την οποία γίνεται η µετατροπή ανόργανου άνθρακα σε οργανικό. Το πυροσταφυλικό οξύ το οποίο παράγεται στο τελικό στάδιο της γλυκόλυσης, µπορεί: (ι) να αναχθεί σε γαλακτικό οξύ (γαλακτική ζύµωση) ή αιθανόλη (αλκοολική ζύµωση), οπότε µιλάµε για αναερόβια γλυκόλυση και (ii) να µετατραπεί σε ακέτυλο-συνένζυµο Α και να εισέλθει στον κύκλο του Krebs οπότε µιλάµε για αερόβια γλυκόλυση. Στην αερόβια γλυκόλυση το πυροσταφυλικό οξειδώνεται πλήρως σε CO 2 κάτω από αερόβιες συνθήκες και µας δίνει πολύ περισσότερη ενέργεια µε τη µορφή ATP. B. Σκοπός. Γενική απεικόνηση της γλυκόλυσης Η γλυκόλυση αποτελεί το πρώτο στάδιο της κυτταρικής αναπνοής και όταν γίνεται παρουσία οξυγόνου ονοµάζεται αερόβια κυτταρική αναπνοή και συµβαίνει στα κύτταρα των περισσότερων οργανισµών, ενώ όταν γίνεται απουσία οξυγόνου ονοµάζεται αναερόβια κυτταρική αναπνοή. Η γλυκόλυση λαµβάνει χώρα στο κυτταρόπλασµα και δεν απαιτεί οξυγόνο και για το λόγο αυτό αποτελεί κοινό στάδιο, τόσο της αερόβιας όσο και της αναερόβιας κυτταρικής αναπνοής κατά τον καταβολισµό της γλυκόζης. Κατά την ενζυµική αυτή διαδικασία παράγεται ATP, η υδρόλυση των ειδικών δεσµών του οποίου συνεπάγεται την απελευθέρωση ενέργειας και για αυτό το λόγο θεωρείται ως το καύσιµο των κυττάρων. Το ATP παράγεται σε διάφορα στάδια της γλυκόλυσης, καθώς επίσης καταναλώνεται σε άλλα στάδια. Παρότι η γλυκόλυση είναι σχεδόν καθολική διεργασία, η τύχη του πυροσταφυλικού, µπορεί να ποικίλει σε διαφορετικούς µικροοργανισµούς. 1. Απουσία οξυγόνου (αναερόβια γλυκόλυση), ή ζύµωση παράγει µικρότερη ποσότητα ενέργειας. Tο πυροσταφυλικό µετατρέπεται σε γαλακτικό οξύ ή σε αιθανόλη και τελικά παράγει 2 moles ATP ανά 1 mole γλυκόζης. Κάθε mole ΑΤΡ δίνει ενέργεια περίπου 30 KJ. 2. Παρουσία οξυγόνου (αερόβια γλυκόλυση), το πυροσταφυλικό µεταβολίζεται σε διοξείδιο του άνθρακα και νερό µέσω του κύκλου του Krebs (κύκλος του κιτρικού οξέος) και της αλυσίδας µεταφοράς ηλεκτρονίων και τελικά παράγει 6 moles ATP ανά mole γλυκόζης. 1

2 Οι ζυµώσεις παράγουν µόνο ένα µέρος της ενέργειας που είναι διαθέσιµη από την πλήρη καύση της γλυκόζης. Ο σηµαντικότερος λόγος που χρησιµοποιείται αυτή η µεταβολική πορεία είναι ότι δε χρειάζεται οξυγόνο και είναι ζωτική λειτουργία για οργανισµούς που υποχρεώνονται να επιβιώσουν απουσία οξυγόνου όπως είναι σε µεγάλα βάθη των θαλασσών ή χερσαία αναερόβια περιβάλλοντα. Γ. Στάδια γλυκόλυσης 1. Μετατροπή της εξόζης σε τριόζη. Η στρατηγική των αρχικών βηµάτων της γλυκόλυσης ξεκινά µέσω µιας φωσφορυλίωσης συνεχίζεται µέσω µιας ισοµερείωσης και µιας δεύτερης αντίδρασης φωσφορυλίωσης ώστε να σχηµατίσουν µία ένωση η οποία µπορεί να διασπαστεί εύκολα σε φωσφορυλιωµένες ενώσεις τριών ατόµων άνθρακα τα οποία είναι και χηµικά ενεργοποιηµένα λόγω της φωσφορυλίωσης. Οι εξόζες είναι µονοσακχαρίτες (µονοµερείς ένυδροι άνθρακες ή κοινώς υδατάνθρακες) που περιέχουν έξι άτοµα άνθρακα π.χ. γλυκόζη, φρουκτόζη, γαλακτόζη. Οι µονοσακχαρίτες προέρχονται από τις πολυαλκοόλες, µε αφυδρογόνωση µιας αλκοολικής οµάδας και µετατροπή της σε καρβονυλική οµάδα. Αποτελούν τη µεγαλύτερη οµάδα των µονοσακχαριτών, ενώ µερικές από αυτές παίζουν βασικό ρόλο στη θρέψη του ζωικού οργανισµού, είτε ως συστατικά τροφών, είτε ως προϊόντα µεταβολισµού στο ανθρώπινο σώµα. Μονοσακχαρίτες - Αραβινόζη Πεντόζες - Ξυλόζη (C 5H 10O 5) - Ριβόζη Εξόζες - Γλυκόζη (C 6H 12O 6) - Φρουκτόζη - Μαννόζη - Γαλακτόζη Οι τριόζες αποτελούν τα ενδιάµεσα στάδια της φωτοσύνθεσης και της κυτταρικής αναπνοής. Μία φωσφορική τριόζη είναι µία ένωση τριφωσφορικού άλατος (π.χ. 3- φωσφορική γλυκεραλδεΰδη). Στο πρώτο στάδιο της γλυκόλυσης, µια γλυκόζη αποτελούµενη από έξι άτοµα άνθρακα χωρίζεται, µέσω µιας σειράς τεσσάρων βηµάτων, σε δύο τρεις - ενώσεις άνθρακα. Αυτή η διαδικασία απαιτεί την κατανάλωση δύο µορίων ATP για κάθε µόριο εξόζης που χωρίζεται. 2. Μετατροπή της τριόζης σε πυροσταφυλικό οξύ. Στο δεύτερο στάδιο της γλυκόλυσης, οι τριόζες µεταβολίζονται, µέσω µίας σειράς πέντε αντιδράσεων, σε δύο µόρια πυροσταφυλικού οξέος. Αυτή η διαδικασία παράγει δύο µόρια ATP για κάθε µόριο φωσφορικής τριόζης η οποία µετατρέπεται σε πυροσταφυλικό. Είναι βέβαια ευνόητο ότι πρέπει να εξετάσει κάποιος το γεγονός ότι ανά µόριο γλυκόζης, παράγονται δύο µόρια πυροσταφυλικού οξέος και συνεπώς παράγονται τέσσερα µόρια ΑΤΡ. II. ΠΗΓΕΣ ΑΝΘΡΑΚΑ ΚΑΙ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΓΙΑ ΤΗ ΓΛΥΚΟΛΥΣΗ Οι υδατάνθρακες (υδατάνθρακας = ένυδρος άνθρακας) οφείλουν το όνοµά τους στο ότι περιέχουν, εκτός από τον άνθρακα, υδρογόνο και οξυγόνο και µάλιστα µε την ίδια αναλογία µε την οποία αυτά τα στοιχεία συµµετέχουν στη δοµή του µορίου του νερού. Οι υδατάνθρακες είναι εξαιρετικής σηµασίας κατηγορία θρεπτικών ουσιών και αποτελούν τα 3/4 περίπου της συνολικής ξηράς ουσίας των τροφών φυτικής προέλευσης. A. Πηγές υδατανθράκων 1. Το άµυλο είναι ο σπουδαιότερος υδατάνθρακας των φυτών το οποίο και διασπώµενο αποδίδει µόρια γλυκόζης. Είναι ο κυριότερος αντιπρόσωπος της κατηγορίας των εξοζανών και αποτελεί για τα περισσότερα φυτά, τον υδατάνθρακα αποταµίευσης. Το άµυλο είναι µια µεγάλη σύνθετη ένωση (πολυσακχαρίτης) η οποία αποτελείται από πολλά µόρια γλυκόζης και είναι το αντίστοιχο του γλυκογόνου των ζώων. 2

3 Απαντάται µε δύο µορφές: ως γραµµικός πολυσακχαρίτης στον οποίον τα µόρια γλυκόζης ενώνονται µε α-1,4 γλυκοζιτικούς δεσµούς και ονοµάζεται αµυλόζη και ως διακλαδισµένος πολυσακχαρίτης, γνωστός ως αµυλοπηκτίνη, όπου εκτός από α-1,4 δεσµούς περιέχει και διακλαδώσεις α-1,6 δεσµούς ανά περίπου 30 µόρια. Η γλυκόζη µπορεί να συνδυαστεί µε πολλούς διαφορετικούς τρόπους και αυτό επηρεάζει το ρυθµό πέψης και απορρόφησης του αµύλου. Όσο πιο πολύπλοκη είναι η διάταξη του αµύλου, τόσο µεγαλύτερη είναι η αντοχή του στην πέψη. 2. Η λακτόζη, είναι δισακχαρίτης που αποτελείται από ένα µόριο γλυκόζης και ένα γαλακτόζης και συνιστά το κύριο γλυκαντικό του γάλακτος των θηλαστικών. Η πέψη της λακτόζης επιτελείται από το ένζυµο γαλακτικό που βρίσκεται στις µικρολάχνες του λεπτού εντέρου. Η πιο κοινή µορφή που συναντάται είναι η α-λακτόζη που απαντά στο γάλα, αλλά και το ανωµερές β είναι εξίσου γνωστό. Και οι δύο µορφές υδρολύονται σε D-γλυκόζη και D-γαλακτόζη, και χρησιµοποιούνται στις βιοµηχανίες τροφίµων και στη φαρµακευτική. Το ένζυµο λακτάση καθώς και τα οξέα υδρολύουν τη λακτόζη σε γλυκόζη και γαλακτόζη. 3. Η φρουκτόζη, βρίσκεται στον δισακχαρίτη σουκρόζη (ζάχαρη), είναι ένας απλός υδατάνθρακας - ισοµερές της γλυκόζης, λαµβάνεται υπό αυτήν τη µορφή από τα φρούτα και είναι επίσης µια σηµαντική πηγή υδατανθράκων όταν η εισαγωγή της σακχαρόζης είναι υψηλή. Μετατρέπεται στο συκώτι σε γλυκόζη ή σε κάποιο από τα προϊόντα του µεταβολισµού της γλυκόζης. Η φρουκτόζη απορροφάται µε πιο αργό ρυθµό στο έντερο από τη γλυκόζη, αλλά καταβολίζεται γρηγορότερα. B. Η γλυκόζη, είναι το πιο διαδεδοµένο σάκχαρο στη φύση. Είναι η πρωταρχική µητρική ένωση όλων των οργανικών χηµικών ενώσεων που απαντούν στη φύση, αφού είναι προϊόν της φωτοσύνθεσης, δηλαδή της µοναδικής βιολογικής διεργασίας των φυτών και φωτοσυνθετικών µικροοργανισµών µε την οποία γίνεται η µετατροπή ανόργανου άνθρακα προς οργανικό. Η γλυκόζη είναι απλός υδατάνθρακας και είναι ο µόνος υδατάνθρακας που φτάνει στο αίµα και είναι προϊόν της τελικής διάσπασης των υδατανθράκων. Είναι πλατιά διαδεδοµένη, αν και σε µικρά ποσά, στα φρούτα και τους φυτικούς χυµούς, στο µέλι, στο αίµα, τη λέµφο και το εγκεφαλονωτιαίο υγρό. Σε µεγαλύτερα ποσά απαντά στα σταφύλια, για αυτό και λέγεται σταφυλοσάκχαρο. C. Το γλυκογόνο, είναι η σηµαντικότερη µορφή αποθήκευσης υδατανθράκων στα ζώα και στους µύκητες. Είναι οµοπολυσακχαρίτης της α-d-γλυκόζης µε παρόµοια µοριακή δοµή µε αυτή του αµύλου. Αποτελείται από µακρές αλυσίδες µονάδων D-γλυκόζης που συνδέονται µεταξύ τους µε α-1,4-γλυκοζιτικούς δεσµούς, και από διακλαδώσεις που ξεκινούν από τις προηγούµενες αλυσίδες µε α-1,6-γλυκοζιτικούς δεσµούς. Η χηµική του δοµή µοιάζει πολύ µε εκείνη της αµυλοπηκτίνης και διαφέρει στο ότι χαρακτηρίζεται από µεγαλύτερο βαθµό διακλάδωσης και µοριακό βάρος πολύ µεγαλύτερο. Οι αποθήκες του γλυκογόνου αρκούν µόνο για 24 ώρες περίπου στα θηλαστικά. Για πιο µακροχρόνιες νηστείες τα θηλαστικά αποθηκεύουν ενέργεια µε µορφή λίπους. To γλυκογόνο υδρολύεται όπως και το άµυλο, και δίνει τελικά α-d-γλυκόζη. Αν και απαντάται σε µικρά ποσά στους ζωικούς ιστούς, παίζει σηµαντικό ρόλο στο µεταβολισµό ενέργειας. Παράλληλα, το γλυκογόνο διαδραµατίζει σηµαντικό ρόλο στη ρύθµιση της γλυκαιµίας, δηλαδή της περιεκτικότητας του αίµατος σε γλυκόζη, ρυθµιζόµενο από διάφορες ορµόνες όπως η ινσουλίνη και το γλoυκάγονο. III. Η ΠΕΨΗ ΥΔΑΤΑΝΘΡΑΚΩΝ 3

4 Η πέψη υδατανθράκων οδηγεί σε D-γλυκόζη, D-γαλακτόζη, and D-φρουκτόζη, που είναι όλα µονοσακχαρίτες. Τα ένζυµα παρόντα σε όλη την πεπτική οδό είναι αρµόδια για το µεταβολισµό των υδατανθράκων σε µονοσακχαρίτες (βλ. σχήµα 19.1). A. Τα ένζυµα της πέψης υδατανθράκων περιλαµβάνουν τα παρακάτω: 1. H α-αµυλάση υδρολύει το ενυδατωµένο άµυλο στο σάλιο (αν και η παρουσία ενός ισοενζύµου α-αµυλάσης στον παγκρεατικό χυµό είναι σηµαντικότερη). Επειδή το άµυλο ενυδατώνεται (δηλ. Διαλυτοποιείται) όταν θερµαίνεται, το µαγείρεµα είναι µια σηµαντική προεργασία για την θρεπτική διάσπαση του αµύλου. Άµυλο Λακτόζη Σακχαρόζη Φρουκτόζη Στόµα Σιελογόνος αµυλάση Άµυλο Μαλτόζη Μαλτοτριόζη Όριο Δεξτρίνης Λακτόζη Σακχαρόζη Φρουκτόζη Στοµάχι HCl (καταστρέφει την αµυλάση) Έντερα Παγκρεατική αµυλάση Μαλτόζη Μαλτοτριόζη Όριακή Δεξτράνη Λακτόζη Σακχαρόζη Φρουκτόζη Επιθηλιακά κύτταρα Δισακχαριδάσες Ολιγοσακχαριδάσες Όριακή Δεξτρίνη Φλεβική δίοδος Μεταφορά Γλυκόζη Γαλακτόζη Φρουκτόζη Συκώτι Γαλακτόζη, µεταβολισµός φρουκτόζης Γλυκόζη Κυκλοφορία Σχήµα 1: Δρόµος πέψης και µεταφοράς των κοινών θρεπτικών υδατανθράκων i. Δράση. Η α-αµυλάση δρά σε α-1,4 γλυκοζιτικούς δεσµούς, όχι όµως και σε εκείνες τις µονάδες γλυκόζης που χρησιµεύουν ως διακλάδωση, όπως επίσης δεν επιτίθεται και σε α-1,6 δεσµούς. Το ένζυµο αυτό είναι ένα σχετικά µικρό µόριο το οποίο περνά ταχέως από τα νεφρά και απεκκρίνεται στα ούρα. Οι α-αµυλάσες 4

5 συγκαταλέγονται ανάµεσα στα σηµαντικότερα ένζυµα και βρίσκουν µεγάλη εφαρµογή στη σύγχρονη βιοτεχνολογία. ii. Αποτέλεσµα της δράσης. Η α-αµυλάση παράγει τα παρακάτω προϊόντα: (1) Μαλτόζη, είναι ο διασακχαρίτης από µία α-γλυκόζη (1,4) γλυκόζη, η οποία λαµβάνεται κατά την ατελή υδρόλυση του αµύλου. (2) Μαλτοτριόζη, η οποία είναι µία α-γλυκόζη (1,4) α-γλυκόζη (1,4) γλυκόζη (3) Οριακή δεξτρίνη, τα οποία είναι ιδιαίτερα διακλαδισµένα µόρια που αποτελούνται από περίπου οκτώ µονάδες γλυκόζης που είναι ενωµένα µε έναν ή περισσότερους α-1,6 δεσµούς που δεν µπορούν να µειωθούν περαιτέρω. Η ενζυµική υδρόλυση της δεξτρίνης προκαλείται από τις α-1,4- γλυκοζιδάσες του τύπου της α-αµυλάσης που υδρολύουν τους δεσµούς α-1, 4 σε οποιοδήποτε σηµείο του µορίου του αµύλου. Παράγονται έτσι σταδιακά αµυλοδεξτρίνες, ερυθροδεξτρίνες και αχρωοδεξτρίνες, µε όλο και µικρότερο µοριακό βάρος που ονοµάζονται ανάλογα µε το χρωµατισµό του αντίστοιχου συµπλόκου τους µε το ιώδιο. 2. Οι ολιγοσακχαριδάσες ολοκληρώνουν την υδρόλυση των δισακχαριτών και των ολιγοσακχαριτών στην επιφάνεια των επιθηλιακών κυττάρων στο λεπτό έντερο. Αυτά τα ένζυµα αφαιρούν τις διαδοχικές µονάδες από τα µη αναγωγικά άκρα (δηλαδή τις άκρες απέναντι από οµάδες αλδεϋδών ή κετονών). 3. Οι α-γλυκοσιδάσες του λεπτού εντέρου στους ανθρώπους βρίσκονται σε πληθώρα, όπως και τα ένζυµα που υδρολύουν τη σακχαρόζη. Είναι τα ένζυµα που επιταχύνουν χηµικές αντιδράσεις στον οργανισµό. Σε αντίθεση οι β- γαλακτοσιδάσες, οι οποίες απαιτούνται για την υδρόλυση της λακτόζης, µπορεί να είναι ποσοτικά περιορισµένες. Γενικότερα οι γλυκοσιδάσες υδρολύουν τους εξωκυττάριους δισακχαρίτες σε µονοσακχαρίτες. Το διακλαδίζον ένζυµο η άµυλοα-1,6 γλυκοσιδάση µεταφέρει τις τρεις τελευταίες γλυκόζες πριν από κάθε διακλάδωση σε άλλο κλάδο ώστε να µπορεί να γίνει η απόσπασή τους. B. Ενεργός µεταφορά των προϊόντων της πέψης υδατανθράκων. Τα προϊόντα των εξοζών της πέψης υδατανθράκων (D-γλυκόζη, D-γαλακτόζη, και D-φρουκτόζη) µεταφέρονται µέσα και έξω από τα επιθηλιακά κύτταρα από µεταφορικές διαδικασίες µέσω φορέων. Η µεταφορά ουσιών, συνήθως πολικών µορίων ή ιόντων, διαµέσου µιας µεµβράνης από µια περιοχή όπου η συγκέντρωσή τους είναι χαµηλή, σε µια περιοχή όπου η συγκέντρωσή τους είναι υψηλή απαιτεί τη δαπάνη ενέργειας και γίνεται µέσω ειδικών πρωτεϊνών φορέων, οι οποίες επιλεκτικά συνδέονται µε ένα υπόστρωµα και το µεταφέρουν δια µέσου της µεµβράνης. Πιθανότατα όλα τα κύτταρα µπορούν να εκτελέσουν ενεργό µεταφορά. Ένα τέτοιο παράδειγµα είναι το σύστηµα Na + /Κ +, το οποίο αντλεί ιόντα Na + έξω από το κύτταρο, µε δαπάνη ATP, ενώ ταυτόχρονα µεταφέρει ιόντα Κ + µέσα στο κύτταρο. 1. Δύο συστήµατα µεταφορών περιλαµβάνονται στη λήψη µονοσακχαριτών από τα επιθηλιακά κύτταρα του εντερικού σωλήνα. a) To Na + -εξαρτόµενο σύστηµα µεταφοράς µονοσακχαριτών (1) Αυτό το ενεργό σύστηµα µεταφοράς είναι συγκεκριµένο για τη D-γλυκόζη και D-γαλακτόζη (2) Το Φλοριζίν (Phlorhizin), είναι ένας τοξικός 2-γλυκοζίτης του Φλορετίν (Phloretin) το οποίο είναι ένας τύπος πολυφαινόλης. Το Φλοριζίν εµφανίζεται φυσικά σε µερικά φυτά και λειτουργεί παρεµποδιστικά σε αυτό το σύστηµα. Εµποδίζει επίσης το Na + -εξαρτώµενο σύστηµα µεταφοράς µονοσακχαριτών στα σωληνοειδή νεφρά και σε άλλα κύτταρα και ιστούς. b) To Na + -ανεξάρτητο σύστηµα µεταφοράς µονοσακχαριτών (1) Αυτό το σύστηµα µεταφέρει συγκεκριµένα D-φρουκτόζη διευκολύνοντας τη διάχυση. 5

6 (2) Η κυτοχαλασίνη B (cytochalasin B) είναι µία κύτταρο-διαπερατή µυκοτοξίνη, η όποια προέρχεται από τη µούχλα και εµποδίζει αυτό το σύστηµα. Εµποδίζει επίσης όµοια πρός Na + -ανεξάρτητα συστήµατα µεταφοράς µονοσακχαριτών στα άλλα κύτταρα και τους ιστούς. Συγκεκριµένα εµποδίζει την κυτταροπλασµατική διαίρεση µε την αναστολή του σχηµατισµού συσταλτών µικροϊνιδίων. Επίσης, εµποδίζει τη µετακίνηση κυττάρων και προκαλεί την πυρηνική εξώθηση. 2. Η µεταφορά µονοσακχαριτών έξω από τα επιθηλιακά κύτταρα καταλύεται από άλλο διακριτό Na + -ανεξάρτητο σύστηµα µεταφοράς το οποίο είναι συγκεκριµένο για τη D-γλυκόζη και τη D-γαλακτόζη. IV. ΜΕΤΑΒΟΛΙΚΟΣ ΔΡΟΜΟΣ EMBDEN MEYERHOF A. Πρώτο Στάδιο (ενεργειακά απαιτητικό στάδιο): εξόζη σε φωσφορική τριόζη 1. Μετατροπή της γλυκόζης σε 6-φωσφορική α-d-γλυκόζη (G6P). Σε αυτό το στάδιο, η γλυκόζη και άλλες εξόζες φωσφορυλιώνονται (δηλαδή µία οµάδα φωσφορικού άλατος προστίθεται σε αυτές) αµέσως µόλις εισέρχονται στο κύτταρο. Η φωσφορυλίωση της γλυκόζης γίνεται µε δαπάνη ATP και η γλυκόζη αποκτά αρνητικό φορτίο µε αποτέλεσµα να παγιδεύεται αποτελεσµατικά µέσα στο κύτταρο, επειδή το εσωτερικό της κυτταρικής µεµβράνης είναι αρνητικά φορτισµένο και οι φωσφορυλιωµένοι µεταβολίτες δεν περνούν τόσο εύκολα µέσω των µεµβρανών των κυττάρων. Στα περισσότερα κύτταρα, εκτός των κυττάρων του συκωτιού ίσως, η συγκέντρωση της ελεύθερης γλυκόζης είναι πολύ χαµηλή. a. Ένζυµο. Η εξοκινάση είναι το ένζυµο που καταλύει τη φωσφορυλίωση της γλυκόζης. Ένα µόριο ATP δαπανάται σε αυτήν την αντίδραση, η οποία είναι ουσιαστικά µη αντιστρεπτή. Η εξοκινάση βρίσκεται σε όλους τους ιστούς και στο ήπαρ και είναι µη ειδικό ένζυµο, δηλαδή φωσφορυλιώνει και άλλες εξόζες πλην της γλυκόζης. Η γλυκόζη εισέρχεται στα κύτταρα µέσω ειδικών πρωτεϊνών µεταφορέων και φωσφορυλιώνεται από το ATP σχηµατίζοντας 6- φωσφορική γλυκόζη. (1) Η εξοκινάση είναι αλλοστερικό ένζυµο, δηλαδή η ενεργοποίησή της ή η αναστολή της γίνεται από ένα µικρό ρυθµιστικό µόριο το οποίο αλληλεπιδρά µε µια περιοχή (αλλοστερικό κέντρο) του ενζύµου της εξοκινάσης, τέτοια ώστε να διαφέρει από το ενεργό κέντρο όπου εµφανίζεται η καταλυτική δράση.! (2) Αρκετά ισοένζυµα της εξοκινάσης παρουσιάζουν διαφορετικές σταθερές τιµές Michaelis (Κ m ) για τη γλυκόζη και διαφορετικές ιδιοµορφίες για τα υποστρώµατα των εξοζών. Η Κ m είναι η σταθερά διαστάσεως του συµπλόκου ES κατά την παραδοχή των Michaelis και Menten, δηλαδή K m = [ E] [ S], όπου [Ε] η συγκέντρωση του ενζύµου, [S] η συγκέντρωση ES [ ] του υποστρώµατος και [ΕS] η συγκέντρωση του ενδιάµεσου συµπλόκου ενζύµου-υποστρώµατος. (a) Οι περισσότερες εξοκινάσες έχουν χαµηλό Κ m για τη γλυκόζη µε αποτέλεσµα να τη λαµβάνουν εύκολα αλλά και άλλα σάκχαρα από το αίµα. Το ισοένζυµο της εξοκινάσης στον εγκέφαλο έχει ιδιαίτερα 6

7 χαµηλό Κ m για τη γλυκόζη. Υψηλή τιµή K m δείχνει ασθενή πρόσδεση ενζύµου-υποστρώµατος ενώ η χαµηλή τιµή δείχνει ισχυρή πρόσδεση. (b) Αντίθετα, το συκώτι είναι µοναδικό στο ότι το πιο σηµαντικό του ένζυµο για τη φωσφορυλίωση της γλυκόζης είναι η γλυκοκινάση. Η γλυκοκινάση βρίσκεται µόνο στο ήπαρ και όντας ειδικό ένζυµο φωσφορυλιώνει µόνο τη γλυκόζη. Η σύνθεσή της επάγεται από την ινσουλίνη και έχει υψηλό Κ m, δηλαδή έχει χαµηλή συγγένεια για τη γλυκόζη πράγµα που το επιτρέπει να χειρίζεται την υψηλή συγκέντρωση της γλυκόζης που είναι παρούσα στην είσοδο των φλεβών του αίµατος και αυτό συµβαίνει αµέσως µετά το γεύµα. Είναι επαγώµενο ένζυµο που αυξάνει τη σύνθεσή του πιθανώς σε απόκριση στην έκκριση ινσουλίνης και στην εισαγωγή υδατανθράκων. b. Προϊόν. Η 6-φωσφορική α-d-γλυκόζη (G6P) είναι καίριας σπουδαιότητας µεσάζων: Δεν είναι απλά µεσάζον στη γλυκολυτική οδό αλλά χρησιµεύει επίσης ως πρόδροµος για διάφορες άλλες µεταβολικές οδούς, τόσο αναβολικές όσο και καταβολικές. Σχήµα 2: Η γλυκολυτική οδός. 2. Μετατροπή της 6-φωσφορικής α-d-γλυκόζης (G6P) σε 6-φωσφορική φρουκτόζη (F6P). Το βήµα αυτό, το οποίο καταλύεται από την ισοµεράση της φωσφογλυκόζης, ετοιµάζει τον πρώτο άνθρακα (C-1) για φωσφορυλίωση. Είναι ελεύθερα αναστρέψιµη αντίδραση που ελέγχεται από τα επίπεδα υποστρώµατοςπροϊόντος (στοιχειοµετρικό έλεγχο). 7

8 3. Μετατροπή της 6-φωσφορικής φρουκτόζης (F6P) σε 1,6-διφωσφορική φρουκτόζη. Αυτό το βήµα είναι ουσιαστικά αντιστρέψιµο. Η αντίδραση καταλύεται από τη φωσφοφρουκτοκινάση (PFK), η οποία είναι ένα αλλοστερικό ένζυµο που ορίζει το ρυθµό της γλυκόλυσης στους περισσότερους ιστούς και είναι το σηµαντικότερο ρυθµιστικό ένζυµο της γλυκολυτικής οδού. Η ισοµερείωση της 6-φωσφορικής γλυκόζης προς 6-φωσφορική φρουκτόζη είναι µια µετατροπή αλδόζης σε κετόζη. Η 6-φωσφορική γλυκόζη και η 6-φωσφορική φρουκτόζη βρίσκονται πρωτίστως στην κυκλική τους µορφή. Έτσι, το ένζυµο πρέπει πρώτα να ανοίξει τον εξαµελή δακτύλιο της 6-φωσφορικής γλυκόζης, να καταλύσει την ισοµερείωση και µετά να προαγάγει το σχηµατισµό του πενταµελούς δακτυλίου της 6-φωσφορικής φρουκτόζης. Μια δεύτερη αντίδραση φωσφορυλίωσης ακολουθεί την ισοµερείωση. Η 6-φωσφορική φρουκτόζη φωσφορυλιώνεται από την ATP σε 1,6-διφωσφορική φρουκτόζη. α. Ενεργοποιητές της φωσφοφρουκτοκινάσης (PFK) (1) Η 6-φωσφορική φρουκτόζη (F6P) είναι ενεργοποιητής της φωσφοφρουκτοκινάσης (PFK) (2) Μονοφωσφορική Αδενοσίνη (AMP), η οποία σηµατοδοτεί κατάσταση χαµηλής ενέργειας, ενεργοποιεί το PFK και ενισχύει τη ροή του µεταβολικού καυσίµου µέσω της γλυκόλυσης, έτσι παρέχει περισσότερα πυροσταφυλικά για την παραγωγή ATP από τα µιτοχόνδρια. (3) Η 2,6-διφωσφορική φρουκτόζη, διαµορφώνεται από την 6-φωσφορική φρουκτόζη (F6P) όταν τα επίπεδα είναι υψηλά και ενεργοποιεί την φωσφοφρουκτοκινάση (PFK) µόνο στο συκώτι. Αυξάνει τη συγγένεια της PFK µε την 6-φωσφορική φρουκτόζη και µικραίνει την ανασταλτική επίδραση του ATP. Η κινάση που συνθέτει την F2,6BP, 2- φωσφοφρουκτοκινάση, είναι και η ίδια της ρυθµιστικό ένζυµο. (a) Η 2-φωσφοφρουκτοκινάση εµποδίζεται από το κιτρικό άλας και από το ATP, τα οποία και τα δύο δίνουν σήµα για µείωση της γλυκόλυσης. (b) Η 2-φωσφοφρουκτοκινάση επίσης εµποδίζεται από τη φωσφορυλίωση του ενζύµου από κυκλικό AMP (camp)-εξαρτώµενη πρωτεϊνική κινάση. β. Ανασταλτικοί παράγοντες της φωσφοφρουκτοκινάσης (PFK) (1) Το ATP µειώνει τη συγγένεια του PFK µε το F6P και παρεµποδίζει την ενεργοποίηση του PFK από το AMP. Υψηλό επίπεδο ATP δείχνει κορεσµό των αποθεµάτων ενέργειας και προτροπή για επιβράδυνση της γλυκόλυσης. (2) Το κιτρικό άλας εµποδίζει το PFK όπως και τη σύνθεση F2,6BP, αποτρέποντας κατά συνέπεια την ενεργοποίηση του PFK στο συκώτι. Το κιτρικό άλας διαµορφώνεται στα µιτοχόνδρια κατά τη διάρκεια της οξείδωσης δύο-ατόµων άνθρακα από το πυροσταφυλικό. Όταν τα επίπεδα του ATP είναι υψηλά, το κιτρικό άλας δε µεταβολίζεται περαιτέρω, αλλά αντ' 8

9 αυτού µπαίνει στο κυτταρόπλασµα. Αυτό δείχνει κατάσταση υψηλής ενέργειας και λόγο για να επιβραδύνει τη γλυκόλυση. 4. Διάσπαση της 1,6-διφωσφορικής φρουκτόζης (F1,6BP) σε φωσφορική διυδροξυακετόνη (DHAP) και 3-φωσφορική γλυκεραλδεΰδη (G3P). 4.Α Ένζυµα. Αυτή η αντίδραση καταλύεται από αλδολάση Α. Υπάρχει ένας αριθµός ιστών συγκεκριµένων ισοενζύµων της αλδολάσης. 4.Β Προϊόντα. 4.B.1 Η φωσφορική διυδροξυακετόνη (DHAP) µπορεί γρήγορα να µετατραπεί σε G3P ή σε 3-φωσφορική γλυκερόλη. Η τελευταία αντίδραση είναι σηµαντική κατά τη διάρκεια της αερόβιας γλυκόλυσης. 4.B.2 Η 3-φωσφορική γλυκεραλδεΰδη (G3P) χρησιµοποιείται ως υπόστρωµα στην πρώτη αντίδραση του σταδίου δύο της γλυκόλυσης και παίρνει µέρος απευθείας στην πορεία της γλυκόλυσης, όχι όµως και η φωσφορική διυδροξυακετόνη. Εάν δεν υπάρχει τρόπος να µετατραπεί η φωσφορική διυδροξυακετόνη σε 3-φωσφορική γλυκεραλδεΰδη, θα χαθεί ένα µόριο τριών ατόµων άνθρακα χρήσιµο για την παραγωγής του ATP. Οι δύο αυτές ενώσεις είναι ισοµερείς και µπορούν εύκολα να αλληλοµετατρέπονται. 5. Μετατροπή της φωσφορικής διυροξυακετόνης (DHAP) σε 3-φωσφορική γλυκεραλδεΰδη (G3P). Αυτή η αντίδραση ισοµερίωσης µετατρέπει αποτελεσµατικά τις δύο φωσφορικές τριόζες οι οποίες είχαν διαµορφωθεί στην προηγούµενη αντίδραση. 5.α Ένζυµο. Αυτή η αντίδραση είναι ταχεία και αντιστρεπτή και καταλύεται από την ισοµεράση των φωσφορικών τριοζών. 5.β Προϊόντα. Επειδή το G3P χρησιµοποιείται στην επόµενη αντίδραση, η αφαίρεσή του ουσιαστικά µετατοπίζει την ισορροπία προς την κατεύθυνση µετατροπής όλου του DHAP σε G3P. Β. Δεύτερο Στάδιο (στάδιο παραγωγής ενέργειας): φωσφορική τριόζη σε πυροσταφυλικό. Μέχρι τώρα έχουν καταναλωθεί δύο µόρια ΑΤΡ και δεν έχει εξαχθεί ενέργεια. Αυτή η ενέργεια θα εξοικονοµηθεί από µία αλληλουχία αντιδράσεων. 1. Μετατροπή της 3-φωσφορικής γλυκεραλδεΰδης (G3P) σε 1,3- διφωσφογλυκερικό (1,3-BPG). Αυτή η αντιστρέψιµη αντίδραση απαιτεί δινουκλεοτίδιο νικοτιναµιδίου-αδενίνης (NAD) σαν µεταφορέα ηλεκτρονίων. Στην οξειδωµένη µορφή του, το NAD + δεσµεύεται ισχυρά στο ένζυµο. Φωσφορυλίωση συµβαίνει µε δαπάνη του ανόργανου φωσφορικού (P i ) και είναι ένα παράδειγµα οξειδωτικής φωσφορυλίωσης του επιπέδου του υποστρώµατος. 9

10 3-φωσφορική γλυκεραλδεΰδη 1,3-διφωσφογλυκερικό α. Το αρσενικό ιόν (AsO 4 3- ) µπορεί να αποσυµπλέξει την οξείδωση και τη φωσφορυλίωση σε αυτό το βήµα. 3- (i) Το AsO 4 µπορεί να αντικαταστήσει το P i στην αντίδραση της φωσφορυλίωσης µε το συνδυασµό του µε ένα ενεργειακά υψηλό ενδιάµεσο θειοεστέρα για να σχηµατίσει µια ασταθή ένωση, το 1-αρσενο- 3-φωσφογλυκερικό. (ii) Η ένωση 1-αρσενο-3-φωσφογλυκερικό χωρίζεται, παράγοντας 3- φωσφογλυκερικό (3-PG), το οποίο είναι ενδιάµεσο της γλυκολυτικής οδού αλλά δεν είναι φωσφορυλιωµένο. b. Ένζυµο. Η αντίδραση καταλύεται από αφυδρογονάση της 3-φωσφορικής γλυκεραλδεΰδης (G3PD). c. Προϊόντα (1) Η αντίδραση φωσφορυλίωσης παράγει ένα υψηλής ενέργειας φωσφορικό δεσµό στο 1,3-διφωσφογλυκερικό (1,3-BPG), το οποίο είναι ένας µικτός ανυδρίτης από φωσφορικό οξύ και καρβοξυλικό οξύ (δηλ., είναι ένα φωσφορικό ακύλιο). Το 1,3-διφωσφογλυκερικό (1,3-BPG) έχει υψηλές δυνατότητες µεταφορικής οµάδας. (2) Αντικαθιστώντας το NAD + το οποίο χρησιµοποιήθηκε στο G3PD η αντίδραση απαιτεί συνεχή επανοξείδωση του NADH ώστε να συνεχιστεί η γλυκόλυση. (α) Κάτω από αναερόβιες συνθήκες, αυτό επιτυγχάνεται από τη µετατροπή του πυροσταφυλικού σε λακτάση. (β) Κάτω από αερόβιες συνθήκες, η οξείδωση του NADH και η παραγωγή ATP από τα µιτοχονδριακά συστήµατα επιτυγχάνεται από την παλινδρόµηση της 3-φωσφορικής γλυκερόλης. 2. Μετατροπή του 1,3-διφωσφογλυκερικού (1,3-BPG) σε 3- φωσφογλυκερικό (3-PG). Αυτό είναι το πρώτο βήµα στη γλυκόλυση που παράγει ATP, και είναι ένα ακόµη παράδειγµα οξειδωτικής φωσφορυλίωσης του επιπέδου του υποστρώµατος. Ο δότης της φωσφορικής οµάδας, το 1,3- διφωσφογλυκερικό (1,3-BPG), είναι ένα υπόστρωµα µε υψηλό δυναµικό µεταφοράς φωσφορικής οµάδας. 1,3-Διφωσφογλυκερικό 3-Φωσφογλυκερικό 2.α Ένζυµο. Η αντίδραση καταλύεται από κινάση του φωσφογλυκερικού η οποία καταλύει τη µεταφορά της φωσφορικής οµάδας από το ακυλοφωσφορικό του 1,3-διφωσφογλυκερικού προς την ADP. 2.β. Προϊόντα. 2.β.1 Στο προγενέστερο βήµα, δηµιουργήθηκαν δύο µόρια 1,3- διφωσφογλυκερικού (1,3-BPG) από κάθε µόριο γλυκόζης. Εποµένως, δύο ATP moles δηµιουργούνται τώρα ανά mole γλυκόζης. 10

11 2.β.2 Επειδή µέχρι το σχηµατισµό φωσφορικής τριόζης, έχουν χρησιµοποιηθεί δύο µόρια ATP ανά µόριο της γλυκόζης που καταναλώνεται, ο ισολογισµός για τη χρήση και παραγωγή ATP είναι ισοσκελισµένος σε αυτό το βήµα. 3. Μετατροπή του 3-φωσφογλυκερικού (3-PG) σε 2-φωσφογλυκερικό (2- PG). Αυτή η αντιστρέψιµη αντίδραση απαιτεί ίχνη συγκέντρωσης του συµπαράγοντα 2,3-διφωσφογλυκερικό (2,3-BPG), το οποίο είναι παρόν σε χαµηλές συγκεντρώσεις στα περισσότερα κύτταρα. Οι συµπαράγοντες είναι µη πρωτεϊνικές χηµικές ενώσεις που είναι συνδεδεµένες σε πρωτεΐνες. Αυτές οι πρωτεΐνες είναι κοινά ένζυµα και θεωρούνται βοηθητικά µόρια που βοηθούν σε βιοχηµικούς µετασχηµατισµούς. Οι συµπαράγοντες µπορούν να ταξινοµηθούν ανάλογα µε το πόσο ισχυρά «δένονται» στο ένζυµο, που όταν ενώνονται µε χαλαρούς δεσµούς ονοµάζονται συνένζυµα και όταν ενώνονται µε ισχυρούς δεσµούς ονοµάζονται προσθετικές οµάδες. Εντούτοις, στα ερυθροκύτταρα, η συγκέντρωση του 2,3-διφωσφογλυκερικού (2,3-BPG) είναι περίπου 4mM (ποσότητα ίση µε τη µοριακότητα της αιµοσφαιρίνης). Η αιµοσφαιρίνη είναι πρωτεϊνικό τετραµερές, µε 574 αµινοξέα συνολικά και αποτελείται από 4 πολυπεπτιδικές αλυσίδες, δηλ. από δύο α- αλυσίδες µε 141 αµινοξέα η κάθε µία και από δύο β-αλυσίδες µε 146 αµινοξέα η κάθε µία. Είναι ο «µεταφορέας» οξυγόνου από τους πνεύµονες στα περιφερειακά όργανα και βρίσκεται στα ερυθροκύτταρα µεταφέροντας µικρές ποσότητες CO 2 και πρωτονίων. Η σύζευξη του Ο 2 δε γίνεται κατευθείαν στην πεπτιδική αλυσίδα αλλά στην προσθετική της οµάδα που λέγεται αίµη. 3-Φωσφογλυκερικό 2-Φωσφογλυκερικό 3.α Ένζυµο. Αυτή η αντίδραση καταλύεται από τη µουτάση του φωσφογλυκερικού. Η µουτάση είναι ένα ένζυµο που καταλύει την ενδοµοριακή µετατόπιση µιας χηµικής οµάδας, όπως η φωσφορική. 3.β Προϊόντα. Το 2,3-διφωσφογλυκερικό (2,3-BPG) διαµορφώνεται και υποβαθµίζεται στα κόκκινα αιµοφόρα κύτταρα, όπου ενεργεί ως ρυθµιστής της µεταφοράς οξυγόνου, σταθεροποιώντας τη µορφή της αιµογλοβίνης. 3.β.1 Το 2,3-διφωσφογλυκερικό (2,3-BPG) διαµορφώνεται από το 1,3- διφωσφογλυκερικό (1,3-BPG) από µία µουτάση και υποβιβάζεται σε 3-PG από µία φωσφατάση. 3-Διφωσφογλυκερικό 2,3-Διφωσφογλυκερικό 3-Φωσφογλυκερικό 3.β.2 Η αντίδραση της µουτάσης απαιτεί την παρουσία 3-φωσφογλυκερικού (3-PG) για το σύνθετο σχηµατισµό που διαµορφώνεται από την αλληλεπίδραση τριών µορίων του 1,3-διφωσφογλυκερικού (1,3-BPG), του 3-φωσφογλυκερικού (3-PG), και του ενζύµου στα οποία γίνεται η µεταφορά φωσφορυλοµάδας. 11

12 3.β.3 Το 2,3-διφωσφογλυκερικό (2,3-BPG) είναι ισχυρά ανταγωνιστικός ανασταλτικός παράγοντας από την ίδια του τη σύνθεσή από τη µουτάση. 4. Μετατροπή του 2-φωσφογλυκερικού (2-PG) σε φωσφοενολοπυροσταφυλικό (PEP). Αυτή η αντιστρέψιµη αντίδραση έχει ένα σχετικά µικρό ΔG o/ αλλά µεγάλη αλλαγή στην κατανοµή της ενέργειας. Μια φωσφορική ενόλη έχει υψηλό δυναµικό µεταφοράς φωσφορικής οµάδας, ενώ ο φωσφορικός εστέρας, όπως είναι το 2-φωσφογλυκερικό, µιας κοινής αλκοόλης έχει χαµηλό δυναµικό. a. Ένζυµο. Αυτή η αντίδραση καταλύεται από ενολάση. b. Προϊόντα. Ο δεσµός της φωσφοενόλης στο PEP είναι υψηλής ενέργειας φωσφορικός δεσµός. 5. Μετατροπή από φωσφοενολοπυροσταφυλικό (PEP) σε πυροσταφυλικό. Όταν η φωσφορική οµάδα δοθεί στο ATP, η ενόλη µετατρέπεται στην πιο σταθερή κετόνη που είναι το πυροσταφυλικό. Έτσι, το υψηλό δυναµικό µεταφοράς της φωσφορικής οµάδας του φωσφο-ενολοπυροσταφυλικού πηγάζει πρωταρχικά από τη µεγάλη δύναµη που ωθεί το µετασχηµατισµό ενόλης-κετόνης που ακολουθεί. Έτσι, σχηµατίζεται πυροσταφυλικό και παράγεται ATP. 1,3-Διφωσφογλυκερικό Πυροσταφυλικό a. Ένζυµο. Η µη αντιστρεπτή µεταφορά µιας φωσφορικής οµάδας από το φωσφο-ενολοπυροσταφυλικό στην ADP καταλύεται από την κινάση του πυροσταφυλικού, η οποία είναι αλλοστερικό ένζυµο. (1) Ενεργοποιητής. Το ισοένζυµο κινάση του πυροσταφυλικού που βρίσκεται στο συκώτι ενεργοποιείται ισχυρά από την 1,6-διφωσφορική φρουκτόζη (F1,6BP). (α) Το ισοένζυµο του συκωτιού είναι ένα ένζυµο το οποίο βρίσκεται σε µικρές ποσότητες µέσα σε ένα κύτταρο, αλλά του οποίου η συγκέντρωση αυξάνεται εντυπωσιακά όταν προστίθεται µια ένωση υποστρώµατος, όπως συµβαίνει σε περιπτώσεις µεγάλης πρόσληψης υδατανθράκων και σε υψηλά επίπεδα ινσουλίνης. (β) Το ισοένζυµο του συκωτιού ρυθµίζεται επίσης από οµοιοπολική τροποποίηση. (i) Φωσφορυλιώνεται από camp-εξαρτώµενη πρωτεϊνική κινάση, και όταν συµβαίνει αυτό καθίσταται ανενεργό. (ii) Αποφωσφορυλιώνεται από φωσφατάση, και όταν συµβαίνει αυτό καθίσταται ενεργό. (2) Ανασταλτικοί παράγοντες. Η πυροσταφυλική κινάση αναστέλλεται από το ATP, την αλανίνη, τα λιπαρά οξέα, και το ακετυλοσυνένζυµο Α. C. Η µοίρα του πυροσταφυλικού Μία πορεία µετατροπής ενέργειας που σταµατά στο πυροσταφυλικό δε θα προχωρούσε για πολύ, διότι το ισοζύγιο οξειδοαναγωγής δε θα παρέµενε σταθερό. Η δραστικότητα της αφυδρογονάσης της 3-φωσφορικής γλυκεραλδεΰδης, εκτός του ότι δηµιουργεί µία ένωση µε υψηλό δυναµικό µεταφοράς φωσφορικής οµάδας, εξ ανάγκης οδηγεί την αναγωγή του NAD + σε NADH. Στο κύτταρο υπάρχουν περιορισµένες ποσότητες NAD + και για να προχωρήσει η γλυκόλυση πρέπει να αναγεννηθεί το NAD +. Έτσι, η τελική διεργασία της 12

13 µεταβολικής πορείας είναι η αναγέννηση του NAD + µέσω του µεταβολισµού του πυροσταφυλικού. Ενώ η αλληλουχία των αντιδράσεων από τη γλυκόζη στο πυροσταφυλικό είναι παρόµοια στους περισσότερους οργανισµούς και στα περισσότερα κύτταρα, η τύχη του πυροσταφυλικού ποικίλει. Τρεις αντιδράσεις του πυροσταφυλικού είναι πρωταρχικής σηµασίας: (1) Πυροσταφυλικό σε γαλακτικό οξύ. Αυτή η αντίδραση είναι ένα ουσιαστικό βήµα στην αναερόβια γλυκόλυση, δεδοµένου ότι είναι ο αναερόβιος τρόπος για την επανοξείδωση του NADH που σχηµατίζεται στο βήµα G3PD. Αυτό εξασφαλίζει ότι το NAD + που χρειάζεται για τη συνέχιση της γλυκόλυσης είναι διαθέσιµο. Πυροσταφυλικό οξύ Γαλακτικό oξύ a. Ένζυµο. Η αναγωγή του πυροσταφυλικού από το NADH για το σχηµατισµό γαλακτικού καταλύεται από τη γαλακτική αφυδρογονάση. b. Προϊόντα. Το γαλακτικό οξύ παράγεται στον ενεργό µυϊκό ιστό αναερόβια. Απελευθερώνεται στο αίµα και λαµβάνεται από το συκώτι όπου µετατρέπεται σε γλυκόζη µε τη διαδικασία της γλυκονεογέννεσης. (2) Πυροσταφυλικό οξύ σε ακετυλοσυνένζυµο Α (ακέτυλο-coa). Αυτή η µη αντιστρεπτή αντίδραση συµβαίνει στα µιτοχόνδρια. a. Ένζυµο. Αυτή η αντίδραση καταλύεται από αφυδρογονάση του πυροσταφυλικού οξέως. b. Προϊόντα. Το ακετυλοσυνένζυµο Α µπορεί να εισέλθει στον κύκλο του κιτρικού οξέος όπου µεταβολίζεται περαιτέρω για να παράγει πρόσθετη ενέργεια ή µπορεί να χρησιµοποιηθεί ως υπόστρωµα για τη σύνθεση των λιπαρών οξέων. (3) Πυροσταφυλικό οξύ σε αλανίνη. Αυτή η αντιστρέψιµη αντίδραση συνδέει το µεταβολισµό υδατανθράκων και των αµινοξέων. a. Ένζυµο. Αυτή η αντίδραση καταλύεται από την αµινοτρανσφεράση της αλανίνης. b. Προϊόντα. Το αµινοξύ αλανίνη είναι συστατικό των πρωτεϊνών. V. ΠΑΡΑΓΩΓH ATP (I) Ανασκόπηση της αναερόβιας γλυκόλυσης (Α) Καταναλώµενο ATP. Δύο moles ΑΤΡ ανά mole γλυκόζης χρησιµοποιούνται ώστε να σχηµατίσουν 1,6-διφωσφορική φρουκτόζη (F1,6BP). (Β) Παραγόµενο ΑΤΡ α. Παράγονται δύο moles ΑΤΡ ανά mole γλυκόζης από την αντίδραση της κινάσης φωσφογλυκερικού. β. Παράγονται δύο moles ΑΤΡ ανά mole γλυκόζης από την αντίδραση της κινάσης του πυροσταφυλικού οξέος. (Γ) Σύνολο των mole ATP που παράγονται. Καθαρά παράγονται δύο mole ATP ανά mole γλυκόζης, µέσω της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης σε επίπεδο υποστρώµατος στην αναερόβια γλυκόλυση. (ΙΙ) Ανασκόπηση αερόβιας γλυκόλυσης (Α) Καταναλώµενο ATP. Δύο moles ΑΤΡ ανά mole γλυκόζης χρησιµοποιούνται ώστε να σχηµατίσουν 1,6-διφωσφορική φρουκτόζη (F1,6BP). 13

14 1/2 Γλυκόζη Κυτταρόπλασµα Μιτοχόνδριο 3-φωσφορική γλυκεραλδεΰδη P i NAD + 3-φωσφορική γλυκερόλη FAD NADH + H + φωσφορική διϋδροξυακετόνη FADH 2 1,3-διφωσφορογλυκερικό Σχήµα 3: Το σύστηµα της 3-φωσφορικής γλυκερόλης που χρησιµοποιείται για την αναγέννηση του NAD + στο κυτταρόπλασµα και την µεταβίβαση της ανηγµένης κατάστασης στο FAD. Κατόπιν µέσω της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης παράγονται 2 mole ATP ανά mole FAD. FAD: φλαβινοαδενίνη, FADH 2 : ανηγµένο FAD, NAD + : οξειδωµένο δινουκλεοτίδιο νικοταµιδο-αδενίνης, NADH: ανηγµένο NAD, P i : ανόργανο φωσφορικό. (Β) Παραγόµενο ΑΤΡ α. Παράγονται δύο moles ΑΤΡ ανά mole γλυκόζης από την αντίδραση της κινάσης φωσφογλυκερικού. β. Παράγονται δύο moles ΑΤΡ ανά mole γλυκόζης από την αντίδραση της κινάσης του πυροσταφυλικού οξέος. γ. Παράγονται τέσσερα moles ΑΤΡ ανά mole γλυκόζης µέσω του σχηµατισµού NADH στην αντίδραση G3PD. 1. Η ανακύκλωση της 3-φωσφορικής γλυκερόλης (Σχήµα 3) έχει ως αποτέλεσµα την παραγωγή 2 moles ΑΤΡ ανά 1 mole NADH. Η παλινδρόµηση της 3-φωσφορικής γλυκερόλης οξειδώνει το NADH που παράγεται στην αντίδραση G3PD και υπερνικά το πρόβληµα αδιαπερατότητα της εσωτερικής µιτοχονδριακής µεµβράνης στο NADH. 2. Στο κυτταρόπλασµα, το G3PD είναι ένα NAD + -συνδεδεµένο ένζυµο, το οποίο καταλύει τη µείωση του DHAP σε 3-φωσφορική γλυκερόλη µε τη µεταφορά ηλεκτρονίων από το NADH. 3. H 3-φωσφορική γλυκερόλη εισέρχεται στα µιτοχόνδρια και οξειδώνεται ξανά σε DHAP από το µιτοχρονδριακό G3PD. 4. Το µιτοχονδριακό G3PD συνδέεται µε δινουκλεοτίδιο φλαβινοαδενίνης (FAD) ως δέκτης ηλεκτρονίων, και στην οξείδωση του µειούµενου FAD (FADH 2 ) που σχηµατίζεται στην αντίδραση, η µιτοχονδριακή αλυσίδα µεταφοράς ηλεκτρονίων και η οξειδωτική φωσφορυλίωση µπορεί να υποστηρίξει τη σύνθεση 2 moles ATP ανά mole NADH. 5. Το DHAP που σχηµατίζεται αφήνει τα µιτοχόνδρια για να συνεχιστεί η διαδικασία αναγέννησης. (Γ) Σύνολο των mole ATP που παράγονται. Συνολικά παράγονται 6 καθαρά mole ATP ανά mole γλυκόζης, στην αναερόβια γλυκόλυση. O υπολογισµός αφορά την καθαρή παραγωγή ΑΤP από τις αντιδράσεις που αναλύθηκαν παραπάνω και την εξαργύρωση του NADH στο µιτοχόνδριο (ως FADH 2 ) κατά την διαδικασία της αναγέννησής του. 14