της Δήμητρας Σπανού χημικού, μόνιμης καθηγήτριας Δευτεροβάθμιας Εκπαίδευσης 1ου Γυμνασίου Δάφνης
ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΥΔΑΤΑΝΘΡΑΚΩΝ
Οι υδατάνθρακες αφού υποστουν μια πρωτη επεξεργασία στο πεπτικό σύστημα κατα την οποία όμως δεν αντλείται ενέργεια περνούν στοο δεύτερο και ουσιαστικό στάδιο του καταβολισμού που γίνεται στο κύτταρο σαν γλυκόζη .
Η διάσπαση της γλυκόζης σε CO2 και Η2Ο είναι γνωστός σαν οξείδωση, η οοία όμως δεν είναι απλά η προσθήκη και η αντίδραση της γλυκόζης με οξυγόνο αλλά πολύ πιο πολύπλοκο φαινόμενο.
Οξείδωση εκτός από προσθήκη οξυόνου, μπορεί να σημαίνει απόσπαση ηλεκτρονίων ή αφαίρεση υδρογόνου ή και διάσπαση των ουσιών, κατά τα οποία απελευθερώνεται ενέργεια.
Η γλυκόζη μπορεί να διασπαστεί στον οργανισμό με τρεις τρόπους:
α. Η οδός τη οξειδώσεως της γλυκόζης που γίνεται στους μυς και στο ήπαρ αλλά επίσης ανάλογα γίνεται και σε άλλους ιστούς στον νευρικό, στο δέρμα κ.λ.π.
Η οξείδωση της γλυκόζης περιλαμβάνει δύο στάδια. Το ένα που είναι η αναερόβια γλυκόλυση γίνεται στο κυτταρόπλασμα των κυττάρων , όπου η γλυκόζη διασπάται έως το πυροσταφυλκό ή το γαλακτικό οξύ και το δεύτερο που συμβαίνει στα μιτοχόνδρια του κυττάρου και είναι η αερόβια γλυκόλυση, όπου καταναλώνεται και οξυγόνο και παράγει νερό και διοξείδιο του άνθρακα. Ευνοείται από την παρουσία DPN και παρέχει στους ιστούς ενώσεις απαραίτητους για την σύνθεση λιπών (διανθρακικές μονάδες) καθώς και ορισμένων αμινοξέων
β. Η οδός της άμεσου οξείδωσης της γλυκόζης, που τελείται σε ένα βαθμό στο ήπαρ, στους μαστούς για παραγωγή γάλατος στα λευκά αι τα ερυθρά αιμοσφαίρια και στον φλοιό των επινεφριδίων. κατ΄αυτήν γίνεται άμεση οξείδωση με απόσπαση υδρογόνου από τα αρχικά στάδια και αποκαρβοξυλιώσεις στην συνέχεια μέσω της οδού των πεντοζών. Παράγει πεντόζες για τα νουκλεινικά οξέα ευνοείται από την παρουσία TPN και διεγείρεται από την παρουσία κυανούν του μεθυλενίου (προς επανοξείδωση του TPN.
γ. Η ουρονίκή οδός, όπου σχηματίζεται το γλυκουρονικόοξύ που αντιδρά στην συνέχεια με UTP για να σχηματίσει το δραστικό νουκλεοτίδιο UDPG και αυτό στην συνέχεια να οξειδωθεί προς γλυκουρονικό οξύ (για σύνθεση χονδροιτινοθειικού οξέος, στεροειδών ορμονών, φαρμάκων)
Ανάλογη οδό από την γαλακτόζη δίνει το γαλακτουρονικόοξύ και από την μανόζη το μαννουρονικό οξύ.
ΓΛΥΚΟΛΥΣΗ: Η ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΓΛΥΚΟΛΥΣΗ ΣΤΟ ΚΥΤΤΑΡΟΠΛΑΣΜΑ (ΟΔΟΣ EMBDEN -MEYERHOF)
(Το πρώτο στάδιο καταβολισού για τους υδατάνθρακες έως το πυροσταφυλικό οξύ)
Χαρακτηριστικό τρόπος μεταβολισμού όλων σχεδόν των ιστών του σώματος, μελετήθηκε αρχικά στους μυικους ιστούς και τους ηπατικούς ιστούς.
Η ενέργεια που ελευθερώνεται απο την οξειδωτική διάσπαη των μεταβολιτών της γλυκόλυσης αποθηκεύεται σε ενώσεις του φωσφορικού οξέος που βρίσκονται σε όλους τους ιστούς. Κατά την υδρόλυση τέτοιων ενώσεων, και με την απελευθέρωση του τελευταίου φωσφορικού οξέος ελευθερώνεται ενέργεια που ανάλογα με την ένωση που υδρολύεται μπορεί να πάρει τιμές από 14,8 kcal/mol του φωσφοενολοπυροσταφυλικού οξέος έως 3,4kcal/mol γα το AMP και με ενδιάμεση τιμή 7,3kcal/mol της ATP
Η χημική αυτή ενέργεια συνιθέστερα με την μορφη ATP και η αναγωγική δύναμη χρησιμοποιείται σε διάφορα σάδια του αναβολισμού για την σύνθεση μεγάλων μορίων που απαιτούν ενέργεια για να γίνουν.
Οι υδατάνθρακες μετά την πέψη μπαίνουν στο πρώτο στάδιο του καταβολισμού με τον μονοσακχαρίτη γλυκόζη.
Η γλυκοζη μέσω του αίματος παραλαμβάνεαι από το πεπτικό ή από άλλες πηγές (διάσπαση του γλυκογόνου, νεογλυκογένεση ) και εισέρχεται στο κύτταρο με μεταφορείς ή με Να
Στο στάδιο αυτό η γλυκόζη (6 άνθρακες) διασπάται σε δυο μόρια με 3 άνθρακες το καθένα .
Τα βήματα (αντιδράσεις) για την διάσπαση - οξείδωση της γλυκόζης (C6H12O6) σε δύο μόρια πυροσταφυλικού οξέος με 3 άτομα άνθρακα (CH3COCOOΗ) είναι δέκα.
Το πρώτο βήμα (αντίδραση φωσφορυλίωσης της γλυκόζης) και το τελευταίο (παραγωγή πυροσταφυλικού οξέος από φωσφοενολοσταφυλικό οξύ) είναι όχι αμφίδρομες γιατί οριοθετούν και σταθεροποιούν αυτήν την μεταβολική οδό όπως ισχύει γενικότερα. Οι ενδιάμεσες ομως αντιδράσεις είναι αμφίδρομες ώστε να ελέγχεται κατά πόσο θα προχωρήσει η συνολική παραγωγή ανάλογα με τι ανάγκες του οργανισμού, και η κατεύθυνσή τους ακόμα, εξαρτάται από παράγοντες όπως η συγκέντρωση, τα ένζυμα, οι συνθήκες περιβάλλοντος. Η φωσφορυλίωση αυτή καταλύεται από ένζυμα εξακινάση (Για μυς, εγκέφαλος) γλυκοκινάση (στο ήπαρ) . Εάν πρόκειται από ενδογενή γλυκόζη το ένζυμο είναι η φωσφογλυκομουτάση.
1. Η πρώτη μη αμφίδρομη αντίδραση είναι η φωσφορυλίωση της γλυκόζης από το ATP και η δημιουργία 6 φωσφορικής γλυκόζης ή αλλιώς γλυκοζο6φωσφορικού οξέος. Να σημειώσουμε πως η ένωση αυτή είναι η κύρια ένωση από όπου ξεκινάει ο μεταβολισμός των υδατανθράκων προς διάφορες κατευθύνσεις.
Η πρώτη αντίδραση στην οποία παιρνουμε την 6φωσφορική γλυκόζη, είναι μια αντίδραση μεταφοράς φωσφορικής ομάδας με στόχο την ενεργοποίηση της γλυκόζης.
Η γλυκόζη είναι μια σταθερή ουσία με χαμηλή ελεύθερη ενέργεια και έτσι δεν διασπάται εύκολα ιδιαίτερα, εάν στα προιόντα η συνολική ενέργεια είναι υψηλότερη. Γι αυτόν τον λόγο ενεργοποιείται ώστε η ενέργειά της να ανέβει σημαντικά, να υπερβεί πρόσκαιρα την ενέργεια των προιόντων που πρέπει να δώσει και έτσι στην συνέχεια, να πορευτεί αυθόρμητα προς αυτήν την πορεία.
Ακόμα με την φωσφορυλίωσή της , η γλυκόζη , παγιδεύεται μέσα στο κύτταρο γιατί δεν μπορεί να διαπεράσει την κυτταρική μεμβράνη.
Αυτή η μεταφορά ομαδας είναι μια φωσφορύλίωση με δότη της Pi από την ATP, που διασπάται σε ADP και Pi . Η συνολική ελεύθερη ενέργεια από την φωσορυλιωση αυτή είναι ΔG = -16,7kj/mol. H ενέργεια προσφέρεται από το ATP. H υπόλοιπη ενέργεια είναι της 6φωσφορικής γλυκόζης ( ΔG 6Pγλυκόζης =-13,8Kj/mol ). Για την άντίδραση υδρολυσης ATP έχουμε ΔG=-30,5kj/mol (-16,7 ) + (-13,8)
Γλυκόζη + Νερό + ATP <--> 6φωσφορική Γλυκόζη + ΑDP +Pi
ΔG= -16,7kj/mol
2. Γίνεται ισομερίωση της 6 φωσφορικής γλυκόζης προς μια πεντόζη την 6φωσφορική φρουκτόζη ώστε να γίνει στην πορεία και δεύτερη φωσφορυλίωση από το ATP. Η δευτερη φωσφορυλίωση γίνεται ευκολοτερα σε φουρανικό (5C)δακτύλιο παρά σε πυρανικό (6C). Η δεύτερη φωσφορυλίωση είναι απαραίτητη ώστε το μόριο των 6 ατόμων άνθρακα, να γίνει συμμετρικό, με αρνητικές ομάδες στα άκρα που να απωθούνται, ώστε να μπορέσει να διασπστεί. .
Η υδρόλυση του ATP είναι εδώ αποτέλεσμα δυο αντίθετων αντιδράσεων που δεν δίνουν τελικό προιόν αλλά παροδικά ενέργεια.
6Φωσφορική Γλυκόζη + ΑTP <--> 1,6 διφωσφορική Γλυκόζη + ΑDP
1,6 διφωσφορική γλυκόζη + ADP <--> 6φωσφορική γλυκόζη + Pi
ATP <--> ADP + Pi
τελικά
6φωσφορική γλυκόζη <--> 6φωσφορική φρουκτόζη με ΔG =1,7kj/mol (ενδεργονική)
3. Δεύτερη φωσφορυλίωση της 1 φωσφορικής φρουκτόζης με δότη ην ATP στην θέση 1. Το ένζυμο που καταλύει την δεύτερη φωσφορυλίωση είναι η κινάση της 6ωσφοφρουκτόζης, ένα ενζυμο που έχει αλλοεστερικές ιδιότητες. Αυτό που σημαίνει ότι ελέγχει την πορεία της αντίδρασης και την κατεύθυνσή της ανάλογα με τις συνθήκες που επικρατούν. Το ένζυμο αυτό μπορεί να αντιστρέψει την πορεία της δεύτερης φωσφορυλίωσης που φυσιoλογικά είναι αντίδραση μη αντιστρεπτή.
συνολικά: 6φωσφορικήDφρουκτόζη +ATP<--> 1,6 διφωσφορική Dφρουκτόζη +ADP +H+ και ΔG=-18,5Kj/mol
Αν θεωρήσουμε ότι η αντίδραση της υδρόλυσης του ATP αποδίδει ενέργεια ΔG= -30,5kj/mol τότε η ΔG της 6φωσφορικής γλυκόζης είναι 12kj/mol
4. Στην συνέχεια η 1.6 διφωσφοφρουκόζη διασπάται σε δύο μόρια από 3άτομα άνθρακα το κάθε ένα : ένα μόριο φωσφο-γλυκερυναλδεύδης
(΄PO4CH(OH)CH3(OH)CHO) και μια φωσφοδιυδροξυκετόνη PO4CH2COCH2(OH). H Tελευταία μετατρέπεται σε φωσφογλυκεριναλδεύδη.
1,6διφωσφορικήDφρουκτόζη <-> φωσφορική διυδροξυακετόνη + 3φωσφoρiκήDγλυκεριναλδεύδη και η ΔG= 28kj/mol (ενδεργονική μη αυθόρμητη)
5. H φωσφορική υδροξυκετόνη ισομεριώνεται και δίνει επίσης την 3fωσφορική Dγλυκεριναλδεύδη.
Η αντίδρση προχωρά αφού η 3φωσφορική γλυκεριναλδεύδη απομακρύνεται ταυτόχρονα επειδή παίρνει μέρος σε επόμενο στάδιο της αντίδρασης
φωσφορική διυδροξυκετόνη <--> 3φωσφορική Dγλυκεριναλδεύδη με ΔG= 7,6kj/mol (ενδεργονική)
6. Εδώ έχουμε την βασική αντίδραση οξείδωσης της γλυκόλυσης με δότη ηλεκτρονίων το NAD. Είναι μια σημαντική αντίδραση οξειδοαναγωγής που γίνεται στο ενεργό κέντρο του ενζύμου της. Είναι μια οξειδωτική φωσφορυλίωση όπου η 3φωσφορική γλυερυναλδεύδη δέχεται μια δεύτερη φωσφορυλίωση και δημιουργείται ένα διφωσφορικό σύμπλοκο υψηλής ενέργειας και ταυτόχρονα οξειδώνεται προς γλυκερινικό οξύ Η αντίδραση της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης είναι ενδεργονική με ΔG=6,3 kj/mol.
7 . Αποφωσφορυλίωση του 1,3 διφωσφορικού γλυκερινικού οξέος με άμεση απορόφηση της ενέργειας από το ADP που μετατρέπεται σε ATP παρουσία ιόντων Mg. Προφανώς η ενέργεια που ελευθερώνεται από την αποφωσφορυλίωση του δικαρβονικού γλυκερινικού οξέος είναι πολύ μεγάλη και πολλαπλασιάζεται επί δύο εφόσον από ένα μόριο γλυκόζης έχουμε πάρει 2 μόρια από αυτό). H ενέργεια που απορροφά κάθε μόριο ATP για την κατασκευή του είναι 30,5kj/mol. Συνολικά για τα 2 μόρια ATP αποροφάται ποσό 71kj. H αντίδραση καταλύεται από μια κινάση και παρ όλο που οι κινάσες δεν δίνουν αμφίδρομες αντιδράσεις εδώ έχουμε αμφίδρομη αντίδραση. Το ΔG που ελευθερώνεται από την συνολική αντίδραση και τον συζευγμένοφορέα της είναι 18,8kj/mol
8. Στο 3 φωσφογλυκερινικό οξύ που παράγεται επιδρά μια φωσφομουτάση προς μεταφορά της φωσφορικής ομάδας στην θεση2 . H αντίδραση είναι εξέργονική, και για κάθε μόριο που ισομερώνεται απαιτείται ενέργεια Η αντίδραση καταλύεται μέσω του 2,3διφωσφογλυκερινικού οξέος που σχηματίζεται από το 1,3 διφωσφογλυκερινικό. Το 2,3 διφωσφογλυκερινικό αποτελεί εξ άλλου αλλοεστερικό τροποποιητή της αιμοσφαιρίνης και επιρεάζει την ταχύτητα σύνδεσής της με το οξυγόνο. Αυτό δείχνει επίσης πόσο η πορεία της γλυκόλυσης επιρεάζει την οξυγόνωση του αίματος. 4,4kj/mol
9. Στην συνέχεια από το 2φωσφογλυκερινικό οξύ με αφυδάτωση και με κατάλυση από μια ενολάση δημιουργείται το φωσφοενολοπυροσταφυλικό οξύ, μια ένωση υψηλής ενέργειας . Η αντίδραση είναι αμφίδρομη. Είναι΄επίσης ενδεργονική ΔG = 1,7kj/mol
10. Η τελική αντίδραση στο στάδιο αυτό είναι μή αμφίδρομη. Πρόκειται για την μεταφορά της φωσφορικής ομάδας του φωσφοενολοπυροσταφυλικού οξέος που ειναι ενωση υψηλης ενεργειας ΔG=-61,9kj/mol στο ΑΤΡ ΔG=-30,5kj/mol. Έχουμε έτσι μια δεύτερη απορρόφηση ενέργειας στην δημιουργία ATP. Και εδώ πρέπει για κάθε μόριο γλυκόζης να υπολογίσουμε δυο αντιδράσεις και την δημιουργία 2 μορίων ΑΤΡ
Όμως ενέργεια αποθηκευεται και με την μορφή ανηγμένων συνενζύων. Σε συνθήκες οξυγόνου αποδίδεται στο ATP
ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΟΦΕΛΟΣ ΑΠΟ ΤΗΝ ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΓΛΥΚΟΛΥΣΗ ΜΕΧΡΙ ΕΔΩ ΚΑΙ ΠΡΙΝ ΤΟΝ ΚΥΚΛΟ ΚΡΕΜΠΣ ΠΟΥ ΑΚΟΛΟΥΘΕΙ
Συνολική έως εδώ χρειάστηκε η υδρόλυση 2 μοριων ΑΤΡ στο 1 και 3 βήμα ενώ παρήχθησαν 2χ2 =4 μόρια ΑΤΡ. Το συνολικό όφελος αποταμίευσης ενέργειας άπό το στάδιο αυτό είναι 2μόρια ΑΤΡ. Παρήχθησαν όμως και ανηγμένα συνένζυμα στο 6ο βήμα, από τις 2 τριόζες παρήχθησαν 2 NADH. H επανοξείδωση των ανηγμένων συνενζύμων γίνεται με μια διεργασία που ονομάζεται οξειδωτική φωσφορυλίωση και γίνεται στην εσωτερική μεμβράνη των μιτοχονδρίων.
Κατά την οξειδωτική φωσφορυλίωση, μεταφέρονται ηλεκτρόνια από το NADH (ή FADH2 αντίστοιχα) στο οξυγόνο με αντίστοιχη παραγωγή ATP. Συγκεκριμένα από το κάθε μόριο NADH που επανοξειδούται παράγονται 3 μόρια ATP.
Έτσι κατά την αερόβια γλυκόλυση από τα 2 μόρια NADH παράγονται 6 μόρια ATP. Το συνολικό ενεργειακό όφελος από την Αναερόβια γλυκόλυση έως το πυροσταφυλικό οξύ είναι 8 μορια ATP για κάθε μόριο γλυκόζης που οξειδώνεται.
To προιόν που προκύπτει είναι το πυροσταφυλικόο
ΑΝΑΕΡΟΒΙΟ ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟ ΓΛΥΚΟΖΗΣ. ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΓΛΥΚΟΖΗΣ ΣΕ ΓΑΛΑΚΤΙΚΟ
.jpg)
Στα κύτταρα όμως υπάρχουν περιορισμένες ποσόττες του συνένζυμου ΝΑD και για να συνεχίσει η γλυκόλυση, αναγεννηθεί από την ανηγμένη μορφή του NADH, οπως προέκυψε από το στάδιο 6 (την δεύτερη φωσφορυλίωση της φωσφογλυκερυναλδεύδης), όπου χρησιμοποιήθηκε το NAD σαν συνένζυμο.
Η αναγένηση του nad γίνεται μέσω του μεταβολισμού του πυροσταφυλικου σε γαλακτικόοξύ κατά τον οποίο ανασχηματίζεται το ΝΑD.
Εδώ σαν συνένζυμο χρησιμοποιίται το LDH.
Επομένως κατά την πορεία αυτήν λείπει το όφελος της παραγωγής του NADH που στην συνέχεια εξαργυρώνεται σε παραγωγή Ατρ και το ενεγειακό όφελος είναι μικρότερο.
ΕΙΣΟΔΟΣ ΤΗΣ ΓΑΛΑΚΤΟΖΗΣ ΣΤΟ ΜΟΝΟΠΑΤΙ ΤΗΣ ΓΛΥΚΟΛΥΣΗΣ
Η ΓΑΛΑΚΤΌΖΗ δεν μεταβολίζεται όπως έχει γιατί δεν υπάρχουν τα ένζυμα παρά μόνο αυτά για την γλυκόλυση. Έτσι μετατρέπεται σε φωσφορική γλυκόζη και στην συνέχεια ακολουθεί το μονοπάτι της γλυκόλυσης.
Η γαλακτόζη αρχικά φωσφορυλιώνεται με το ένυμο γαλακτική κινάση και στην συνέχεια μετατρέπεται σε φωσφορική φρουκτόζη 1 και φωσφορική φρουκτόζη 6 και συνεχίζει ανάλογα. Συνοπτικά μπορούμε να πούμε:
γαλακτάζη+ ΑΤΡ <-> 6 φωσφορική γλυκόζη + ΑDPυ
ΕΙΣΟΔΟΣ ΤΗΣ ΦΡΟΥΚΤΟΛΥΣΗ ΣΤΟ ΜΟΝΟΠΑΤΙ ΤΗΣ ΓΛΥΚΟΛΥΣΗΣ
Η φρουκτόζη μετατρέπεται σε 6φωσφορική φρουκτόζη και εισέρχεται έτσι στο μονοπάτι της γλυκόλυσης.
Σε ορισμένες περιπτώσεις έχουμε μια ανάλογη διάσπαση από την φρουκτόζη αντί της γλυκόζης που λέγεται φρουκτόλυση και παρατηρείται σε ορισμένες περιπτώσεις όπως στα σπερματοζωάρια. Οι βασικοί μηχανισμού της φρουκτόλυσης είναι οι ίδιοι με αυτών της γλυκόλυσης
Η ΤΥΧΗ ΤΟΥ ΠΥΡΟΣΤΑΦΥΛΙΚΟΥ ΟΞΕΟΣ
Το πυροσταφυλικό οξύ, που είναι ένας από τους σημαντικότερους μεταβολίτες στην φύση μπορεί να ακολουθήσει τις εξής μεταβολικές οδούς:
Α. Να μετατραπει σε ακέτυλοσυνένζυμοΑ και να ακολουθήσει τον κύκλο του Κρεμπς που είναι κοινός για τους υδατάνθρακες, τα λίπη και τις πρωτείνες σε συνθήκες αερόβιες
Β. Να ακολουθήσει τον δρόμο της αναερόβιας γλυκόλυσης σε συνθήκες ένδειας οξυγόνου και να δώσει γαλακτικό οξύ.
(Γαλακτικό οξύ επίσης δίνουν και οι γαλακτοβάκυλλοι σε μια αντίστοιχη διαδικασία που λέγεται γαλακτική ζύμωση που όμως ξεκινάει από την λακτόζη και όχι από την γλυκόζη)
Γ. Να μετατραπεί σε οξαλοξικό οξύ που είναι συμπληρωματική αντίδραση για τον κύκλο του Κρεμπς.
Δ. (Όχι για ανθρώπινο οργανισμό). Να υποστεί αλκοολική ζύμωση και να δώσει αλκοόλη
Ε. Να δώσει με τρανζαμίνωση το αμινοξύ Lαλανίνη
Δήμητρα Σπανού
PHGES
Βασική Βιοχημεία. Κ.Δημόπουλος Σ. Αντωνοπούλου
bio.miami.edu
ATKINS6
ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ( Α. ΓΡΑΝΙΤΣΑ) 1966
https://eclass.uoa.gr/modules/document/file.php/BIOL199/%CE%93%CE%9B%CE%A5%CE%9A%CE%9F%CE%9B%CE%A5%CE%A3%CE%97.pdf
https://eclass.uoa.gr/modules/document/file.php/BIOL199/%CE%93%CE%9B%CE%A5%CE%9A%CE%9F%CE%9B%CE%A5%CE%A3%CE%97.pdf