متابولیسم کربوهیدراتها

1. متابولیسم کربوهیدراتها

2. تخریب کربوهیدراتها تخریب کربوهیدارتها از راه گلیکولیز انجام میشود و آن تبدیل گلوکوز به دو مولکول پیرووات است کربوهیدراتها منبع اصلی انرژی برای موجودات زنده می باشند. در جیره غذایی منبع اصلی کربوهیدرات، نشاسته است که به وسیله سلولهای گیاهی ساخته شده و به عنوان منبع انرژی به وسیله موجودات هتروتروف مورد استفاده قرار می گیرد. در جانوران، گلیکوژن در اکثر بافتها یافت می شود. بافت عضلانی بیش از نیمی از گلیکوژن بدن را در برداشته و از آن برای انقباض عضلانی استفاده می کند. ترکیبات بزرگ مولکول مانند نشاسته و گلیکوژن ابتدا توسط آنزیمهای اختصاصی به واحدهای ساختاری یعنی مونوساکارید، گلوکز تبدیل می گردند. گلوکز و همچنین سایر قندهای ساده مانند گالاکتوز، سوکروز، فروکتوز در طبیعت فراوان بوده و در جیره غذایی نیز وارد بدن می شوند.

3. در موجودات بی هوازی مولکول گلوکز پس از یک سری واکنشهای تخریبی به محصول نهایی تبدیل و سپس در همان شرایط بی هوازی (بدون مصرف اکسیژن) محصول نهایی طی مراحل دیگر تخریب و یا به مصرف می رسد. • در شرایط بی هوازی، مولکول پیرووات احیا شده و لاکتات میدهد در حالی که در موجودات تخمیری مانند مخمرها، پیروات به اتانول برگردانده میشود و در شرایط هوازی (مصرف اکسیژن) تخریب شده و در نهایت co2 آب و انرژی می دهد

4. گلیکولیز • گلیکولیز: متشکل از دو واکنش آنزیمی است که به طور پیاپی انجام شده و فرآورده نهایی را میسازند. • نخستین مرحله فسفریل دار شدن گلوکوز تحت اثر آنزیمهای کیناز است. • سپس طی چند مرحله آنزیمی مولکول شش کربنی گلوکوز شکسته شده و ترکیب سه کربنه گلیسرآلدهید تری فسفات میدهد. و سرانجام پیروات به دست می آید.

5. در راه گلیکولیز اگر گلوکز به عنوان قند شروع کننده باشد، طی 10 واکنش آنزیمی به لاکتات تبدیل می شود این مراحل عبارتند از: • 1- فسفریلاسیون گلوکز: ورود D-گلوکز در مسیر گلیکولیز مستلزم فسفریله شدن آن به گلوکز-6-فسفات است که به وسیله آنزیم گلوکوکیناز کاتالیز می گردد. هگزوکینازها انتقال گروه فسفات از ATPبه قندهای شش کربنی را به عهده دارند. برحسب نوع قند، نوع آنزیم کیناز متفاوت می باشد در این حالت چون قند گلوکز مورد بحث است آنزیم فوق گلوکوکیناز نامیده می شود. گلوکوکیناز آنزیم اختصاصی میباشد که گلوکز را در 6-Cفسفریله میکند.

7. 2- واکنش دوم تبدیل گلوکز-6-فسفات به فروکتوز-6-فسفات است که یک واکنش ایزومری شدن می باشد . • آنزیم گلوکز 6- فسفات ایزومراز این واکنش را کاتالیز می کند.

8. 3- واکنش سوم فسفریله شدن مجدد فروکتوز -6- فسفات به وسیله آنزیم 6-فسفوفروکتوکیناز است. در این حالت گروه فسفات حاصل از هیدرولیز ATP را به مولکول فروکتوز-6-فسفات انتقال داده و فروکتوز -1-6- دی فسفات می سازد. • بخشی از انژری تولید شده به مصرف تشکیل فرآورده رسیده و بقیه آن ذخیره می گردد.

9. 4- مرحله ای است که طی آن گلیسرآلدئید-3- فسفات ساخته می شود. مولکول فروکتوز -1،6- دی فسفات به وسیله آنزیم آلدولاز به دو ترکیب سه کربنه دی هیدروکسی استن فسفات و گلیسرآلدئید–3– فسفات تخریب می گردد.

10. 5- دی هیدروکسی استن فسفات به نوبه خود می تواند تحت اثر آنزیم تریوزفسفات ایزومراز به گلیسرآلدئید– 3- فسفات تبدیل شود. در نتیجه طی این واکنش به ازای هر مولکول ترکیب شش کربنه مانند گلوکز دو مولکول گلیسرآلدئید– 3- فسفات ایجاد می شود.

11. 6- مرحله پنجم به مرحله اکسیداسیون گلیسرآلدئید– 3 - فسفات معروف است. در این مرحله گلیسرآلدئید– 3– فسفات تحت تاثیر آنزیم گلیسرآلدئید– 3 – فسفات دهیدروژناز، به 1،3-دی فسفوگلیسیریک اسید تبدیل می گردد. این واکنش مستلزم کوآنزیم NAD+ و فسفات معدنی است.

12. 7- مرحله اول سنتز ATP : این واکنش یکی از مهمترین مراحل مسیر گلیکولیز می باشد زیرا اولین مرحله است که طی آن یک مولکول پرانرژی ازنوع ATP سنتز می شود. برای انجام چنین واکنشی حداقل انرژی برابر 7/3 کیلوگالری بر مول لازم است. فسفات آزاد شده به مولکول ADP انتقال داده شده و ATP سنتز می شود. در این مرحله 1،3- دی فسفوگلیسرات اسید که مولکولی ناپایدرار و پرانرژی است در حضور آنزیم فسفوگلیسرات کیناز به 3- فسفوگلیسرات تبدیل شده و یک مولکولATP تولید می شود.

14. 8- آنزیمی بنام فسفوگلیسرومیوتاز باعث انتقال ریشه فسفات از کربن شماره 3 به کربن شماره 2 در 3- فسفو گلیسرات شده و به ترکیبی به نام 2- فسفو گلیسرات تبدیل می شود.

15. 9- این واکنش یک واکنش آبگیری از 2- فسفو گلیسرات است که توسط آنزیم اینولاز کاتالیز می شود. طی این واکنش، 2– فسفو گلیسرات به فسفوانول پیرووات که یک ترکیب پرانرژی است تبدیل می گردد .

16. 10- مرحله دوم سنتز ATP : این واکنش نیز یکی دیگر از واکنش های مهم در مسیر گلیکولیز است که طی آن دومین مولکول پر انرژی ATP سنتز می شود. ترکیب ناپایدار و پر انرژی فسفو انول پیرووات در حضور آنزیم پیروات کیناز به پیرووات تبدیل میشود و یک مولکول ATP تولید میشود.

19. 10- آخرین مرحله از مسیر گلیکولیز واکنشی است که طی آن پیروات احیا شده و لاکتات تولید می شود . • آنزیم لاکتات دهیدروژناز و کوآنزیم NADH واکنش را کاتالیز می نماید . • 2 molecules of PEP (C3H3O3P1) + pyruvate kinase + 2 ADP → 2 molecules of pyruvic acid (C3H4O3) + 2 ATP

20. نتیجه • راه گلیکولیز مکانیسم بیوشیمیایی است که از آن طریق انرژی شیمیایی گلوکز دوباره در سایر فرایندهای بیوشیمیایی مورد استفاده قرار می‌گیرد. از جمع بندی ترکیبات مصرف شده و مواد تولید شده معلوم می‌شود که تا مرحله تولید گلیسرآلدهید 3- فسفات دو مولکول ATP مصرف می‌شود. از سوی دیگر در تبدیل دو مولکول گلیسرآلدهید 3- فسفات به پیرووات نیز چهار مولکول ATP تولید می‌گردد. با کم کردن تعداد ATP مصرف شده از تعداد تولید شده، میزان کل انرژی حاصل از راه گلیکولیز دو مولکول ATP خواهد بود. • در صورتی که گلیکوژن به عنوان منبع انرژی بکار رود مرحله اول گلیکولیز حذف می‌شود. بدین معنی که ابتدا گلیکوژن تحت اثر آنزیم فسفریلاز a به گلوکز 1- فسفات تبدیل می‌گردد و در مرحله بعد گلوکز 1- بوسیله آنزیم فسفوگلوکوموتاز ، به گلوکز 6- فسفات مبدل می‌شود. در این حالت گلوکز 6- فسفات راه گلیکولیز را طی می‌کند. بدین ترتیب تعداد ATP تولید شده برابر سه مولکول خواهد بود. تخریب گلوکز به این مرحله پایان نمی‌یابد. بلکه مراحل آن بوسیله پیرووات در میتوکندری ادامه پیدا می‌کند و طی آن بقیه انرژی نهفته در مولکول آزاد می‌شود.

21. تخریبسایر قندها قندهای دیگر مانند لاکتوز، گالاکتوز، فروکتوز، مانوز، تری هالوز، ساکاروز طی یک سری واکنشهای اختصاصی به متابولیسمهای گلیکولیز تبدیل شده وسپس پیرووات میدهد.

22. لاکتوز

23. تری هالوز • (که میکوز هم نامیده شده) کربوهیدرات ساده‌ای است که از اتصال دو گلوکز با پیوند ساده‌ای ایجاد شده‌است. این قند به اندازه ۴۵٪ ساکاروز شیرینی دارد و از قندهای غیر احیا کننده‌است. به همین دلیل اثرات مضری که سایر قندها بر روی پروتئین‌ها دارند، را ندارد. • ترهالوز، یک افزودنی خوراکی است که کیفیت غذاهای خشک و فراوری شده را با خوشمزه‌تر نمودن آنها بهبود می‌بخشد. • ترهالوز در بعضی قارچ‌ها وجود دارد. • تری هالوز در اثر آنزیم تری هالاز(Trehalase) به دو مولکول گلوکز تجزیه می شود. گلوکز نیز مستقیم وارد چرخه گلیکولیز می شود.

24. ساکاروز

25. مانوز

28. گلیکوژنزGlycogenesis)) بیو سنتز گلیکوژن یا گلیکوژنز در طی مراحل زیر انجام میشود: • 1-گلوکز توسط آنزیم گلوکوکیناز (در کبد) یا هگزوکیناز در عضله به گلوکز 6- فسفات تبدیل می شود. • 2- گلوکز-6- فسفات توسط آنزیم فسفوگلوکوموتاز به گلوکز 1- فسفات تبدیل می شود. • 3-گلوکز-1- فسفات، توسط آنزیم UDPG پیروفسفریلاز به UDPG و گروههای فسفات تبدیل می شود. آنزیم UDPG پیروفسفوریلاز، UTP یوریدین تری فسفات را تجزیه می کند و انرژی حاصل از شکسته شدن پیوند فسفودی استر، صرف انتقال UDP به گلوکز میشود. • 4-آنزیم گلیکوژن سنتاز، گلوکز را از UDPG به گلیکوژن (در محل اتصال آلفا 1 به 4) منتقل می کند. زمانی که در سلول گلیکوژن نباشد، پروتئینی به نام گلیکوژنین از طریق آمینواسیدهای الکلی، با گلوکز پیوند گلیکوزیدی برقرار می کند و گلیکوزیله می شود. • 5-آنزیم شاخه ساز بنام ترانس گلوکوزیداز با ایجاد پیوند آلفا 1 به 6 موجب تشکیل شاخه میشود. (پیوندهای گلیکوزیدی در زنجیره اصلی گلیکوژن از نوع آلفا 1 به 4 و در محل انشعاب از نوع آلفا 1 به 6 است).

29. بیوسنتز گلیکوژن

30. گلیکوژنولیز • Glycogenolysis، تجزیه گلیکوژن به گلوکز، در طول زمان افزایش تقاضای انرژی در کبد و ماهیچه، رخ می دهد.

31. تجزیه گلیکوژن

34. اکسیداسیون گلوکز از راه پنتوزفسفات یکی دیگر از راههای متابولیسم کربوهیدرات راه پنتوزفسفات است که در سیتو پلاسم سلول انجام می شود که طی آن از یک سو گلوکوز ماهیت خود را از دست میدهد و تخریب میشود و از سوی دیگر فرآورده نهایی آن، تولید NADPH و ایجاد قندهای پنج کربنی به ویژه ریبوز است.

35. 1-تبدیل گلوکز 6 - فسفات به فسفوگلوکونات • راه پنتوز فسفات با اکسایش گلوکوز-6-فسفات توسط آنزیم گلوکوز-6-فسفات دهیدروژناز یا به اختصارG6PD شروع می شود و حاصل این عمل گلوکونولاکتون-6-فسفات است که در مجاورت آنزیم لاکتوناز به 6-فسفوگلوکونات تبدیل می شود باید توجه داشت که تعادل این واکنش بیشتر به سمت تشکیل NADPH است .

37. 2-دکربوکسیلاسیون اکسیداتیو 6- فسفوگلوکونات • 6-فسفوگلوکونات حاصل از واکنش فوق تحت اثر آنزیم 6-فسفوگلوکونات دهیدروژناز کربوکسیل زدایی و به ریبولوز 5- فسفات تبدیل می شود

38. 3-تشکیل گزیلوز-5-فسفات و ریبوز-5-فسفات • از شش مولکول ریبولوز 5- فسفات که تولید می شود، چهار مولکول آن با کمک آنزیم فسفو پنتوز اپیمراز به زایلوز-5-فسفات تبدیل می شود.

39. دو مولکول ریبولوز-5-فسفات نیز تحت آنزیم فسفو پنتوز ایزومراز به آلدوز مربوطه یعنی ریبوز-5-فسفات تبدیل می شوند.

40. نظر به اینکه ریبوز 5- فسفات در بسیاری از واکنشها از جمله زیست سنتز نوکلئوتیدها مورد نیاز بدن است، لذا در اغلب مواد راه پنتوز فسفات در این مرحله متوقف می شود. معادله کلی برای این واکنشها را می توان به صورت زیر خلاصه کرد.

41. 4-تشکیل سدوهپتولوز-7-فسفات و گلیسرآلدهید-3-فسفات • یک مولکول گزیلولوز 5-فسفات و یک مولکول ریبوز 5-فسفات در مجاورت آنزیم ترانس کتولاز یک مولکول گلیسرالدهید 3-فسفات و یک قند هفت کربنی به نام سدوهپتولوز 7-فسفات تولید می کند .

42. کلیه کتوزهایی که موقعیت فضایی کربن شماره 3 آنها شبیه به کربن شماره 3، گزیلولوز 5- فسفات باشد می توانند به عنوان سوبسترا برای آنزیم ترانس کتولاز مورد استفاده قرار گیرند.

43. 5-تشکیل فروکتوز 6-فسفات توسط آنزیم ترانس آلدولاز • گلیسرالدهید 3- فسفات و سدو هپتولوز 7- فسفات در مجاورت آنزیم ترانس آلدولاز با هم ترکیب می شوند و فروکتوز 6- فسفات و یک قند چهار کربنی به نام اریتروز 4- فسفات را تشکیل می دهند.

44. 6-تشکیل فروکتوز 6–فسفات به وسیله آنزیم ترانس کتولاز • در آخرین مرحله اریتروز 4- فسفات با گزیلولوز 5- فسفات در مجاورت آنزیم ترانس کتولاز ترکیب و یک مولکول گلیسرالدهید و یک مولکول فروکتوز 6- فسفات حاصل می شود.سرانجام فروکتوز 6- فسفات در مجاورت آنزیم فسفوگلوکوایزومراز به گلوکوز 6- فسفات تبدیل و چرخه دوباره تکرار می شود.

45. اهمیت و کنترل راه پنتوز فسفات • تحقیقات انجام شده نشان داده است که فعالیت راه پنتوز فسفات در بعضی از بافتها مثل بافت چربی ، کبد ، پستان و غدد فوق کلیوی بسیار زیاد است و در مقابل ، فعالیت آن در ماهیچه ها کمتر است . نقشاساسی این راه در تولید NADPH است که بخصوص در بافت چربی جهت زیست سنتز اسیدهای چرب ، کلسترول و هورمونهای استروئیدی نهایت ضرورت را دارد. • همچنین اهمیت این راه در تامین ریبوز مورد احتیاج بدن بخصوص جهت ساختن نوکلئوتیدها نیز قابل ذکر است. لازم به تذکر است که اهمیت این راه نیز از نظر انرژی کمتر از گلیکولیز نیست. • بدین ترتیب که راه پنتوزفسفات برای شروع، بر خلاف گلیکولیز احتیاج به ATP ندارد و همزمان با تبدیل یک مولکول گلوکوز 6-فسفات به رییوز 5- فسفات، دو ملکول NADPH و یک مولکول CO2 تولید می کند.

46. با توجه به این واقعیت که اکسایش کامل یک مولکول گلوکوز تولید 6 مولکول CO2 می کند، بنابراین باید راه پنتوز فسفات 6 بار تکرار شود تا یک مولکول گلوکوز کاملا اکسید شود که نتیجه آن تولید 6 مولکول CO2و 12 مولکول NADPH خواهد بود .

47. راه پنتوز فسفات در بافت کبدی از دو طریق کنترل می شود: • 1-از طریق مقادیر دو آنزیم گلوکوز 6- فسفات دهیدروژناز و فسفو گلوکونات دهیدروژناز • 2-نسبت NADP+ اکسید شده به شکل کاهیده آن (NADP+ /NADPH). • در صورتی که این نسبت 2 درصد باشد هر دو آنزیم فوق دارای حداکثر فعالیت اند یعنی راه پنتوز فسفات با حداکثر ظرفیت عمل می کند. در صورتی که این نسبت به 1 درصد کاهش یابد آنزیمهای فوق فعالیت خود را تقریبا از دست می دهند و سرعت عمل در حدود 90 درصد کاهش می یابد . • گلبولهای قرمز انسان در مقایسه با سایر بافتها مقدار بیشتری از گلوکز را از طریق راه پنتوزفسفات اکسید می کنند به همین دلیل کمبود آنزیم گلوکوز 6- فسفات دهیدروژناز در آنها می تواند سبب اختلال در این راه شود.

48. در نتیجه این امر مقدار NADPH در گلبولهای قرمز افراد مبتلا کاهش می یابد. کاهش NADPHموجب اختلال در یک سری از واکنشهای کاهشی در سلول می شود که در اثر آن گلبولهای قرمز افراد مبتلا نسبت به مصرف بعضی از مواد مثل داروهای ضد مالاریا مانند پریماکین، سولفونامیدها و استیل فنیل هیدرازین، حساس و به سرعت هومولیز می شوند این حالت را فاویسم می گویند. • عوارض این بیماری با مصرف باقلای فاوا که در ایران بخصوص در نواحی شمال فراوان و به باقلای زاله معروف است نیز ظاهر می شود.