14. POGLAVJE: GLUKOZA Flashcards
Vloga glukoze:
Štiri glavne poti uporabe glukoze:
Vloga glukoze:
* Glukoza je vir energije
o da veliko energije pri oksidaciji
o učinkovito je lahko shranjena v polimerni obliki
o glukoza je lahko edini vir energije mnogih organizmov in tkiv
* Glukoza je tudi raznovrsten biokemijski prekurzor
o bakterije lahko uporabijo glukozo za gradnjo ogljikovega skeleta:
§ vseh aminokislin
§ membranskih lipodov
§ nukleotidov v DNA in RNA
§ kofaktorjev potrebnih v metabolizmu
Štiri glavne poti uporabe glukoze:
* ko je energije preveč se glukoza lahko shrani v polimerni obliki (škrob, glikogen)
* z oksidacijo glukoze v glikolizi se lahko hitro in za krajši čas zadovolji energijske potrebe v celici
* v pentoza fosfatni poti dobimo NADPH, ki se porabi za detoksifikacijo ter za biosintetske poti
* strukturni polisaharidi (npr. v celični steni bakterij, gliv in rastlin) se sintetizirajo iz glukoze
- GLIKOLIZA
Pomen
Naštej stopnje
Pomen:
* Glikoliza je sosledje encimsko kataliziranih reakcij, v katerih se glukoza postopoma pretvori v piruvat
o piruvat se lahko še napreja aerobno oksidira
o piruvat je lahko biosintetski prekurzor
* V procesu glikolize se prosta entalpija oksidacije glukoze porabi tudi za sintezo ATP in
NADH
V evoluciji živih bitij je bila glikoliza verjetno ena prvih poti za proizvodnjo energije
* razvila se je še pred fotosintezo, ko je bila atmosfera še anaerobna
* prvi organizmi so torej dobili energijo iz glukoze anaerobno
* Kako?
o glukozo je treba najprej aktivirati: fosforilacija
o energijo pridobimo kasneje iz energijsko bogatih metabolitov aktivirane glukoze
1.1. Fosforilacija glukoze
* Fosforilirane molekule ne morejo iz celice
* Pri majhnih molekulah jih fosfat orientira
* Molekula po fosforilaciji postane aktivna
1.2. Mehanizem fosfoheksoizomeraze
1.3. Druga reakcija aktivacije (fosfofruktokinaza)
1.4. Aldoza cepi C-C vez in mehanizem kovalentne katalize
1.5. Izomerizacija trioz-fosfatov
1.6. Oksidacija z gliceraldehid-3-fosfat-dehidrogenazo
1.7. Prva substratna fosforilacija
1.8. Pretvorba 3-fosfoglicerata v 2-fosfoglicerat
1.9. Dehidracija 2-fosfoglicerata
1.10. Druga substratna fosforilacija
- Fosforilacija glukoze
- Mehanizem fosfoheksoizomeraze
1. Fosforilacija glukoze
encim heksokinaza v evkariontih in glukokinaza v prokariontih
3 razlogi, zakaj je fosforilacija pomembna:
-Fosforilirane molekule ne morejo iz celice
-Pri majhnih molekulah jih fosfat orientira
-Molekula po fosforilaciji postane aktivna
Mehanizem:
* Nukleofilni kisik na C6 glukozi napade zadnji(γ) fosfor ATPja
* Vezan Mg2+ omogoča ta proces s stabilizacijo negativnega naboja prehodnega stanja
-Prenos skupine na OH del
* V procesu sodeluje ATP
2. Mehanizem fosfoheksoizomeraze
encim fosfoheksoizomeraza
* Izomerizacija aldoze v ketozo poteče preko enediolnega intermediata
* Izomerizacijo katalizira Glu v aktivnem mestu encima
* V prvem koraku deluje Glu kot baza in vzame proton s C2 kar povzroči nastanek enediola
* V naslednjem koraku deluje protonirana Glu kot kislina, ki reprotonira enediol na C1
* Reakcije so reverzibilne
- Druga reakcija aktivacije
- Aldoza cepi C-C vez in mehanizem kovalentne katalize
3. Druga reakcija aktivacije
encim foskofruktokinaza-1
* ATP je donor druge fosfatne skupine
-ta korak je ireverzibilen!!
* Usoda produkta - fruktoze 1,6-bisfosfata je v tem koraku zapečatena- pretvoril se bo v piruvat in energijo
iz fruktoze-6-fosfat pa lahko nastane še veliko drugih produktov
* Fosfofruktokinaza-1 je negativno regulirana z ATP
-ne troši glukoze, če je na voljo dovolj ATP
4. Aldoza cepi C-C vez in mehanizem kovalentne katalize
encim aldolaza
* Obrnjena reakcija aldolne kondenzacije
* Aldolaze v živalih in rastlinah: kovalentna kataliza
* Aldolaze gliv in bakterij: kataliza s kovinskim ionom
dobimo dve triozi:
-dihidroksiacetonfosfat (DAP)
-gliceraldehid-3-fosfat (GAP)
- Izomerizacija trioz-fosfatov
- Oksidacija z gliceraldehid-3-fosfat-dehidrogenazo
mehanizem
1.5. Izomerizacija trioz-fosfatov
encim trioza fosfat izomeraza
* Aldolaza je naredila dve različni triozi fosfat:
dihidroksiacetonfosfat (DAP) in gliceraldehide-3-fosfat (GAP)
* Samo GAP je ustrezen substrat za naslednjo reakcijo
* DAP se encimsko izomerizira v GAP
KONEC PRIPRAVLJALNE FAZE
vstopata 2 gliceraldehid-3-fosfata
1.6. Oksidacija z gliceraldehid-3-fosfat-dehidrogenazo
encim gliceraldehid-3-fosfat dehidrogenaza
+ neorganski fosfat
* Prva v vrsti reakcij, ki v glikolizi energijo prispevajo
* Oksidacija aldehida z NAD+ do NADH
dva elektrona se preneseta na NAD+, ki se reducira
* Fosforilacija da produkt, ki lahko sprosti dosti energije
dobimo 1,3-bifosfoglicerat
Mehanizem GAP dehidrogenaze
* aktivno mesto encima ima vezavno mesto za oksidiran NAD+, v aktivnem mestu je cistein, ki je protoniran (deluje kot Nu)
* pride do nukleofilnega napada žvepla na ogljik, dobimo kovalentni intermediat
* nato poteče oksidacija, elektroni grejo na NAD+, postane reduciran (ne veže se več močno)
* NADH lahko oddisociira
* vstopi anorganski fosfat, elektronski par zopet napade ogljik, pride do cepitve tioesterske vezi, dobimo 1,3-bisfosfoglicerat, ki oddisociira
* v encim lahko ponovno vstopi NAD+
- Prva substratna fosforilacija
- Pretvorba 3-fosfoglicerata v 2-fosfoglicerat
mehanizem
7. Prva substratna fosforilacija
encim fosfoglicerat kinaza
* 1,3-bisfosfoglicerat ima dovolj energije, da lahko fosforilira ADP v ATP
* Reakcija je reverzibilna, fosforilna skupina se z ATP lahko prenese na fosfoglicerat
* Kinaze so encimi, ki katalizirajo prenos fosforilne skupine z molekul kot je ATP na različne substrate
dobimo 3-fosfoglicerat
dobimo prvi ATP!!!!(oz. 2, ker vstopata dva gliceraldehis-3-fosfat)
8. Pretvorba 3-fosfoglicerata v 2-fosfoglicerat
encim fosfogliceratmutaza
* Reverzibilna reakcija izomerizacije
* Encimi, ki premeščajo funkcionalne skupine se imenujejo mutaze
Mehanizem reakcije fosfoglicerat mutaze:
* kovalentna kataliza
* eden od dveh His v aktivnem mestu je post-translacijsko fosforiliran v fosfohistidin
* fosfohistidin donira fosforilno sk. O2 , drugi His pa vzame fosfat z O3
* fosforilna skupina substrata je na koncu vezana na encim
- Dehidracija 2-fosfoglicerata
- Druga substratna fosforilacija
9. Dehidracija 2-fosfoglicerata
encim enolaza
* Cilj je dobiti boljši donor fosforilne skupine
* Prenos fosfata iz 2-fosfoglicerata bi dal le sekundarni alkohol, brez nadaljnje stabilizacije …
dobimo fosfoenolpiruvat
10. Druga substratna fosforilacija
encim piruvat kinaza
* prenos fosfata iz fosfoenolpiruvata pa da enol, k ise lahko tavtomerizira v keton
* tavtomerizacija učinkovito zniža koncentracijo produkta reakcije in s tem vodi reakcijo
k sintezi ATP
Regulacija piruvat kinaze:
* za aktivnost potrebuje Mg2+ ali Mn2+ (pri fizioloških pogojih omejena z Mg)
* ko je na voljo dovolj ATP so Mg ioni kompleksirani z ATP; to upošasni piruvat kinazo
* povečana koncentracija
metabolitov glikolize upočasni razgradnjo glukoze
vse substratne fosforilacije ireverzibilne (ker so TD ugodne)
iz glukoze na koncu dobimo 2ATP (2 porabimo, 4 dobimo)
Glikoliza in bolezenska stanja
* Povečana stopnja glikolize v tumorskih celicah
Povečana stopnja glikolize v tumorskih celicah
celicah * hitra proliferacija tumorskih celic povzroči, da celice niso ožiljene – pride do hipoksičnih pogojev (ni dovolj kisika) – poglavitna pot je glikoliza (spremeni se program metabolizma)
* če je tumor supresorski protein okvarjen, je edin način pridobitve energije glikoliza (dobimo le 2 molekuli ATPja), poraba glukoze je zelo velika
* tumorske celice potrebujejo veliko transporterjev (GLUT1 in GLUT3), HIF je transkripcijski faktor, ki vpliva na transkripcijo proteinov, ki so ključni za glikolizo
* ekstracelularni prostor je zelo kisel, v nizkem pH dobro delujejo metaloproteaze, če se celice hočejo deliti, morajo razgrajevati ekstracelični matriks
* lahko razvijemo inhibitorje, ki delno inhibirajo glikolizo
* diagnostika tumorjev! razvili so analog glukoze (ima F namesto OH2) in spremljali, kako hitro tumorji napredujejo (izotop fluora razpade, antidelec uporabimo kot detektor tumorja), detektor zazna, kdaj pride gama delec
Glikoliza in bolezenska stanja
* Diabetes tipa 1
Diabetes tipa 1
* Ne pride do razgradnje glukoze, ker glukoza sploh ne pride v celico
* Ni inzulinske signalizacije, ker ni dovolj inzulina
* B celice pankreasa ne proizvajajo inzulina, ker jih ni dovolj ali pa jih ni
* To je posledica avtoimunske bolezni – telo uniči vse T limfocite, ki imajo receptorje za naše lastne peptide
* V procesu zorenja T limfocitov te celice ne propadejo tako, kot bi morale; imamo take T limfocite, ki uničijo celice, ki izločajo inzulin
* Inzulin se ne sprošča ob povišani ravni glukoze ->ni možen transport glukoze, ni encimov za presnovo, ne more se shraniti – glikoliza ne poteka
* Adipociti imajo shranjene maščobe; presnavljati se začnejo maščobne kisline in sintetizirajo ketonska telesca iz acetil-CoA (B osidacija)
* S ketonskimi telesci lahko nadomestimo manjko glukoze v krvi (enako se zgodi ob dieti brez OH)
* Lahko pride do ketoacidoze, ki lahko povzroči smrt!
ker zakisajo kri
* Izkoriščanje tudi glukogenih aminokislin – razgrajujejo se mišice
Vstop karbohidratov v glikolizo
Fruktoza ni problematična (intermediat glikolize – fruktoza 6 fosfat ali kot gliceraldehid 3- fosfat)
* povišane koncentracije povzročajo debelost
Laktoza
* laktaza cepi laktozo na galaktozo in glukozo
* lahko pride do laktozne intolerance (če je premalo laktaze)
USODA PIRUVATA
Piruvat ima shranjene še ogromno energije
* v aerobnih pogojih nastaneta CO2 in voda (se do konca oksidira)
krebsov cikel
* v anaerobnih/hipoksičnih pogojih sta možni 2 poti
o redukcija v laktat
o pretvorba v etanol in CO2 (kvasovke)
PIRUVAT anaerobni pogoji kvasovke
V anaerobnih pogojih kvasovke fermentirajo glukozo do etanola
* V prvi fazi poteče dekarboksilacija piruvata
* Sprejemnik elektronov od NADH je acetaldehid (acetaldehid se reducira, sprejme elektrone od NADH, ki se oksidira)
Potrebni so kofaktorji
o Mg2+ in tiaminpirofosfat (iz vitamina B1) in piruvat-dekarboksilaza
o Zn2+ in NAD+ in alkoholna-dehidrogenaza
Kofaktorji
Kofaktor je neproteinska molekula, ki se veže na protein in je potreben za biološko aktivnost tega proteina, ki je največkrat encim.
* Med kofaktorje uvrščamo koencime in prostetične skupine.
o koencimi ali kosubstrati niso permanentno del encima; z encimom so povezani, ko pa opravijo funkcijo lahko oddisociirajo
o prostetične skupine so močno vezani (največkrat kovalentno) kofaktorji (odstranimo jih lahko recimo z denaturacijo)
* apoencim + kofaktor = holoencim
Dekarboksilacija piruvata: piruvat-dekarboksilaza
Moraš ga spoznati!
V obroču lahko stabilizira elektrone. Karboanion je dobro stabiliziran, napade karbonilno skupino piruvata,
nastane kovalentni intermediat, lahko pride do dekarboksilacije, cepi se vez, dobimo CO2 in resonančno stabiliziran intermediat, dobimo karboanion, ki se protonira, pride do premestitve elekrtonov
Redukcija aldehida z alkoholno-dehidrogenazo
NADH odda hidridni ion, dobimo oksidirano obliko NAD+, ki lahko ponovno vstopi v hidrolizo
Ni tako učinkovito kot beta oksidacija, zato je potrebno porabiti veliko glukoze, da dobimo enako energije
PIRUVAT anaerobni pogoji živali
V anaerobnih pogojih živali reducirajo piruvat v laktat
* Med težkim delom mišic se v njih nabira laktat
* Acidifikacija mišic (posledica hidrolize ATP in ne laktata!) povzroči utrujenost le-teh
* Laktat se lahko v jetrih pretvori v glukozo
* Reoksidira se NAD+
Cilj je ponovno obnoviti NAD+
Encim je laktatna dehidrogenaza (uporaba pri krvnih raziskavah; če celica poči, bo laktatna dehidrogenaza prišla v kri – naredimo encimski test)
Laktat ne zakisa mišic!
Protoliza ATP povzroči musklfiber
Corijev ciklus
Laktat se po krvi prenese v jetra, se pretvori v glukozo in bodisi shrani v obliki glikogena ali pa se sprosti v kri
GLUKONEOGENEZA
naštej stopnje
= sinteza glukoze
glikoliza- mišice, možgani
glukoneogeneza- jetra
obratna pot od glikolize (precej reakcij je enakih – vse ki so reverzibilne)
- Avtotrofi lahko sintetizirajo glukozo (zmožniso fiksacije CO2)
- Mi lahko samo iz C3 (iz piruvata ali glicerola lahko, iz acetata ne)
- Glukozo rabimo za strukturo (glikorpoteini) in energijo
Regulacija katera pot poteka:
začne reakcije drugačne in ireverzibilne
1. 3. in zadnja reakcija drugačne
- Piruvat v oksalacetat
(porabimo 2x več fosfoenolpiruvata kot smo dobili) - Za fosforilacijo oksaloacetata se porabi GTP
Sinteza oksaloacetata v glukoneogenezi
- pretvorba piruvata v energijsko-bogat fosfoenolpiruvat zahteva dva koraka, kjer se troši energija
- v prvem koraku se piruvat transportira v mitohondrije in pretvori v oksaloacetat s pomočjo encima piruvat-karboksilaze
Biotin prenašalec karboksilne kisline
Za fosforilacijo oksaloacetata se porabi GTP
fosfoenolpiruvat-karboksikinaza katalizira reakcijo v citosolu ali mitohondrijih
fosfataze imajo obratno nalogo kot kinaze
- GTP sodeluje namesto ATP
- fosfoenolpiruvat vodi naprej v sintezo glukoze
- termodinamsko ugodno – CO2 kot plin se sprošča v okolico (poteka v smer nastanka produktov)
v citosolu je zelo malo NADH (rabimo ga za redukcijo 1,3-bisfosfoglicerata nazaj v gliceralaldehid 3-fosfat), zato lahko poteče na 2 načina:
* če začnemo z laktatom, laktatna dehidrogenaza oksidira v pituvat, dobimo NADH (ne potrebujemo dodatnega NADH)
* če štartamo iz piruvata gre piruvat v mitohondrij, karboksilacija v oksaloacetat, oksaloacetat se reducira v malat, malat gre iz mitohondrija v citosol, se oksidira nazaj v oksaloacetat, nastane NADH (elektronsko bogat)
-encimi so malat dehidrogenaze
PENTOZA-FOSFATNA POT
- Glukoza se lahko oksidira tudi po pentoza-fosfatni poti
- Glavni cilj te poti je proizvodnja NADPH za anabolne poti in sinteza riboze-5-fosfata za nukleotide v RNA
Oksidativne reakcije pentoze fosfata
* glukoza 6-fosfat se reducira z glukozo 6-fosfat dehidrogenazo do 6-fosfoglukono-delta-laktona in naprej z laktonazo (izomeraza) do 6-fosfoglukonata
* v drugi stopnji 6-fosfoglukonatna dehidrogenaza privede do nastanka ribuloze 5-fosfata
* lahko poteče izomerizacija do končnega produkta, ali pa se vrne nazaj do glukoze 6-fosfata
6 pentoz -> 5 heksoz
NADPH uravnava glikolizo in pentoza-fosfatno pot
NADPH inhibira glukoza-6-fosfat dehidrogenazo
