Metabolizam ugljenih hidrata

1. Metabolizam ugljenih hidrata Varenje i razgradnja ugljenih hidrata

2. Varenje • Varenje je niz hemijskih procesa razgradnje makromolekula skroba, proteina i lipida • Varenje se3 obavlja u sistemu organa za varenje- digestivni trakt • Prolaskom hrane kroz digestrivni trakt makromolekuli podležu uticaju sokova za varenje koji, sa izuzetkom žuči, predstavljaju vodeni rastvor enzima • Neki nepromenjeni sastojci hrane ili degradacioni proizvodi odstranjuju se organima za izlučivanje

3. Varenje ugljenih hidrata • U hrani se nalaze uglavnom ugljeni hidrati biljnog porekla: skrob, celulozai disaharidi, i u manjim količinama životinjskog porekla: glikogen • Više od 50% UH je skrob • Može sadržavati i monosaharide : glukozu i fruktozu • Varenje počinje u ustima dejstvom enzima α- amilaze iz pljuvačke koja hidrolizuju α (1 → 4) glikozidnu vezu

4. Varenje ugljenih hidrata • Dalje se razgrađuju u tankom crevu dejstvom amilaze iz pankreasa • Pošto α-amilaza hidrolizuje samo α (1 → 4) glikozidnu vezu, to se razgrađuje potpuno amiloza, a amilopektin do mesta račvanja α (1 → 6)

5. Varenje ugljenih hidrata • Iz amilo pektina nastaju dekstrini koji sadrže α (1 → 6) glikozidnu vezu • Ove veze se hidrolozuju posebnim enzimom α (1 → 6) glukozidaze • Kao krajnji proizvodi hidrolize skroba nastaju maltoza i glukoza • Maltoza i drugi disaharidi se razlažu dejstvom enzima disaharidaza ( svaki ima svoj specifični enzim)

6. Varenje ugljenih hidrata • Varenjem hrane nastaje više vrsta monosaharida, a u crevnom traktu apsorbuju se samo glukoza, fruktoza i galaktoza. • Glukoza je najvažniji monosaharid koji nastaje varenjem • Hranom se unosi i celuloza koju čovek ne može da vari jer nema enzim za razlaganje β(1 → 4) glikozidne veze, tako da ona prolazi kroz digestivni trakt nepromenjena

7. Varenje ugljenih hidrata • U crevnom epitelu apsorbovana glukoza se prenosi krvlju do ćelija, a posebno do ćelija jetre • Hormon insulin ubrzava prolaz glukoze u ćelije • U većini ćelija se glukoza procesom glikolize razgrađuje do pirogrožđane kiseline (PGA) i acetil CoA uz oslobađanje male količine energije. • acetil CoA stupa u ciklus limunske kiseline kojim se obezbeđuje veća količina energije

8. Višak - manjak • Ukoliko ima viška glukoze u ćeliji ugrađuje se u glikogen – GLUKOGENEZA • Nedostatak glukoze nadoknađuje se hidrolizom glikogena – GLIKOGENOLIZA ili sintezom iz drugih jedinjenja- GLUKONEOGENEZA

9. Uloga jetre • U metabolizmu ugljenih hidrata jetra ima važnu ulogu • To je organ sinteze i služi kao “depo” (skladište) • Količina glukoze u krvi se vrlo tačno reguliše hormonima • Ti hormoni deluju najčešće u jetri koja, kao izvršni organ, izgrađuje glikogen , ako postoji višak UH i time stvara rezervu • Iz rezerve se pri akutnom nedostatku, glukoza opet stvara i predaje u krv • To je olakšano time što su ćelije jetre potpuno permeabilne( propustljive) za glukozu • U ostalim ćelijama peremeabilnost glukoze reguliše insulin • Tako se dobija neprestano pretvaranje između glikogena i slobodne glukoze • Drugi važan zadatak jetre je sinteza glukoze iz laktata (mišići) tako i iz proizvoda razgradnje proteina

10. Glikoliza: anaerobnaoksidacija • Procesglikolizekoji se odvija u citosolu, obuhvatarazgradnjuglukozeprekopiruvatado laktata u anaerobnimuslovima, a realizuje se u dvefaze • A - fazaglikolize u kojojse razgradnjaglukozeodvija prekonizaintermedijeraiuzučešćevišeenzima do gliceraldehid- 3-fosfata i • B - fazaglikolize u kojojse produžavarazgradnja glukozeod gliceraldehid-3-fosfata do laktata.

11. Glikoliza • Glikoliza je početnafazarazgradnjeglukozeizajednička je praktičnosvimćelijama. • Glikolizase odigrava u odsutnostikiseonika pa anaerobnimorganizmimamožeosiguratisvupotrebnumetaboličkuenergiju. • U aerobnimćelijamaglikoliza je prvafazarazgradnjeglukoze.

12. Razgradnjaglukoze • Reakcije glikolize razgrađuju glukozu do pirogrožđane kiseline uz oslobađanje dva molekula ATP-a. • Početne reakcije na glikolitičkom putu u stvari troše energiju u vidu molekula ATP za fosforilaciju glukoze do glukozo-6-fosfata i zatim fruktoze-fosfata do fruktozo-1,6-bisfosfata. • Enzimi koji kataliziraju ove dve reakcije, heksokinaza i fosfofruktokinaza, važne su regulacijske tačke glikolitičkog puta. • Ključna je fosfofruktokinaza, koju inhibira visoki nivo ATP. Inhibicija fosfofruktokinaze izaziva nagomilavanje glukoza-6-fosfata, koji tada inhibira heksokinazu. • Na taj se način koči razgradnja glukoze kad ćelija ima dovoljno raspoložive metaboličke energije u obliku ATP.

13. A - preparativnafaza

14. Proizvodnja ATP-a • Reakcijekojedolazeposlestvaranja fruktozo-1,6-bisfosfata pripadajudeluglikolitičkogputakojim se proizvodienergija. • Raspadomfruktozo-1,6-bisfosfata nastajudvamolekulašećera s tri ugljenikovaatoma. Gliceraldehid-3-fosfat se oksidiše u 1,3-bisfosfoglicerat. • Fosfatnagrupa tog jedinjenjaimavrlovelikuslobodnuenergijuhidrolize pa se koristi u sledećojreakcijiglikolizezapokretanjesinteze ATP iz ADP. • Produkttereakcije, 3-fosfoglicerat, prevodi se zatim u fosfoenolpiruvat, drugivisoko-energijskiintermedijar u glikolizi.

15. B- fazadobijanjaenergije

16. Energetskibilansglikolize • Hidrolizavisokoenergijskogfosfata u fosfoenolpiruvatuteče pa se konverzijafosfoenolpiruvata u piruvatpovezujesasintezom ATP. • Svakimolekul gliceraldehid-3-fosfata, koja se prevede u piruvat, povezan je s proizvodnjomdvamolekula ATP. • Od početnogmolekulaglukozeukupno se sintetišečetirimolekula ATP. • Poštosudvamolekula ATP bilapotrebnazaotpočinjanjeprvihreakcija, čistdobitak od glikolizesudvamolekula ATP.

17. Energetskibilansglikolize • Pretvaranjeglukoze u piruvattokomglikolizenastajudvamolekulaATP-a • Glukoza + 2Pi + 2ADP + 2NAD+ → 2piruvat + 2ATP + 2NADH + 2H+ + 2H2O

18. Stvaranjeredukovanog NADH • Pored proizvedenog ATP, glikolizapretvaradvamolekulakoenzima NAD+ u NADH. • U tojreakciji NAD+ delujekaooksidacijskosredstvokoje prima elektrone od gliceraldehid-3-fosfata. • NADH, nastaliprodukttereakcije, obnavlja, islužikao donor elektrona u drugimoksido-redukcijskimreakcijama u ćeliji. • U anaerobnimuslovimakonverzijompiruvata u laktatilietanolreoksidiše se NADH nastaoglikolizom u NAD+. • U aerobnimorganizmima NADH služikaododatniizvorenergijedajućisvojeelektronetransportnomlancuelektronaputemkojegćenakrajuposlužitizaredukciju O2 u H2O uzpovezanostvaranjedodatnog ATP.

19. Sledećikorak u metabolizmu • Sledeći korak u metabolizmu pirogrožđane kiseline njegova oksidativna dekarboksilacija u prisutnosti koenzima A (CoA) koji služi kao nosač acilnih grupa u različitim metaboličkim reakcijama. • Jedan se ugljenik piruvata oslobodi kao CO2, a preostala dva ugljenika predaju se koenzimu A pa nastaje acetil-CoA. • U tom se procesu redukuju molekuli NAD+ u NADH. • Acetil-CoA nastao ovom reakcijom ulazi u ciklus limunske kiseline ili Krebsov ciklus koji je središnji put oksidativnog metabolizma.

20. Održavanjeredoksravnoteže: razlicitesudbinepiruvata

23. Čovek NAD+ regeneriše redukcijompiruvata u laktat

24. Kontrola glikolize • Kvasciinekidrugimikroorganizmiregeneriraju NAD+ oksidacijompiruvata u etanol • Glikoliza je strogo kontrolisana • Fosfofruktokinaza je kljucnienzimkontroleglikolize

27. Krebsovciklus/ cikluslimunskekiseline

28. CIKLUS LIMUNSKE KISELINE • Faza aerobnog metabolizma usmerena je na potpunu oksidaciju piruvata do krajnjih proizvoda ugljen dioksida i vode. • Ciklusrazgradnjepiruvata u aerobnimuslovimadetaljno je objasniobiohemičar Hans Krebs pokome je ovajciklusdobionazivKrebsovciklus. Ovajciklusnaziva se iciklustrikarbonskihkiselina, jer u tokunjegovogodvijanjastvarajuse molekulikiselinasa tri karboksilnegrupe, kaoicikluslimunskekiseline(citratniciklus, CLK) zbogveomabitneulogekojuimacitrat u njemu.

29. CLK • Sam cikluslimunske kiselineimadvostrukuulogu(amfiboličnauloga), jer se unjemususrećureakcijerazgradnje(katobolizam) ireakcijesinteze(anabolizam). • Oksidativnomdekarboksilacijompiruvatauzučešćemultienzimskog(PDH) kompleksasastavljenog od trienzimaiprisutnogCoA-SH nastajeacetil-S-CoA. • Nastaliacetil-S-CoA predstavlja “aktiviraniacetat”, kojise uključivanjem u ciklus limunske kiseline,razgrađujedo krajnjihproizvoda CO2 i H2O. • CLK praktičnopredstavljastecištekrajnjegmetabolizmaidrugihorganskihjedinjenja, a to supresvih, pored ugljenihhidrata, aminokiselineimasnekiseline. • U ciklusulimunske kiselinenasvakiuključenimolekulacetil-S-CoA nastaju 2 molekula CO2 uzoslobadjanjeelektronai H+ . Akceptorielektronai H+utokuskorosvihreakcionihfazaCLK suNAD+ i FAD , kojiprelaze u NADH i FADH2.

30. CLK • Tokomsvakogciklusalimunske kiselinenastaju: 2 molekula GTP, 6 molekula NADH i 2 molekula FADH2 • Sa uključenjem 2 molekulaacetil-S-CoA (jedanmolekul glukozedaje 2 molekulaacetil-S-CoA). • Oksidacijomsvakogmolekula NADH nastaju 3 molekulaenergijombogatogATP, ijošdvamolekula ATP priformiranjusvakogFADH2 . • Na ovajnačinsvakirazgradjenimolekulglukozedajeukupno36 molekula ATP. (GTPje ekvivalentan ATP).

34. Aktivacija piruvata • Pirogroždjanakiselina - (odn. piruvat) dobijenglikolizomu citosolutransportuje se u mitohondrijegdese razlaže do CO2 i H2O u CTK. • Piruvatne ulazidirektnou ciklusveć se prvo oksidativnodekarboksilujeuzučešćeenzimskogkompleksapiruvatdehidrogenaze(PDH-kompleks) do stvaranjaenergijombogatogtioestarskogjedinjenjaacetil-S῀CoAuzoslobadjanje CO2 iredukovanog NADH. • Piruvat + NAD+ + CoA -SH ------> acetil-CoA + NADH + CO2 • CH3COCOO-+NAD++ CoA-SH CH3CO-S-CoA + NADH +CO2

35. Faze CLK • Ciklusse sastojiizosamfaza: • 1. Formiranjecitrata, kondenzacijomAcetil CoA ioksaloacetata. • 2. Pretvaranjecitrata u izocitratprekocis-akonitata. • 3. Dehidrogenizacijaizocitrataidobijanjeα-ketoglutaratai CO2 • 4. Oksidacijaα-ketoglutaratado sukcinil-CoAi CO2 • 5. Pretvaranjesukcinil CoA u sukcinat. • 6. Dehidrogenacijasukcinata u fumarat. • 7. Hidratacijafumarataiformiranjemaleata. • 8. Dehidrogenacijamaleataiformiranjeoksalacetata.

36. Faza 1 • 1. Formiranje citrata, kondenzacijom Acetil CoA i okaloacetata. • Proces katališei reguliše enzim citrat sintaza . U reakciji metilni ugljenik, acetilne grupe iz Acetil-CoA se kondenzujesa karbonilnomgrupom oksaloacetata; istovremeno tioestarska veza se cepa i oslobađa se slobodni koenzim A. citrat sintaza • Acetil-CoA + oksaloacetat +H2O------------->citrat + CoA-SH + H+ • CoA-SH dobijen u ovoj reakciji je slobodan i u mogućnosti je da dalje učestvuje u oksidativnoj dekarboksilaciji naredne molekule piruvata da bi se dobio sljedeći molekul acetil CoA koji ulazi u ciklus.

37. Faza 2 • 2. Pretvaranjecitrata u izocitratprekocis-akonitata. • Enzimakonitazakatalizirareverzibilnopretvaranjecitrata u izoctiratprekointermedijerneformacijetrikarboksilnogcisakonitata. • -Obziromda se izocitrat stalnotransformiše u metabolite naredne faze cilkusa, reakcija se u ćelijastalnoodvijaudesno. Akonitaza je kompleksanenzimkojisadržigvožđe

39. Faza 3 • 3. Dehidrogenizacijaizocitrataidobijanjeα-ketoglutaratai CO2 • Uzpomoćenzimaizocitratdehidrogenazeizocitratdehirogenizira u α-ketogulrat. izocitratdehidrogenaza • Izocitrat + NAD+ ----> α-ketoglutarat+ CO2+ NADH + H+ • Enzimtrebajone Mg 2+iMn2+.

41. Faza 4 • 4. Oksidacijaα-ketoglutaratado sukcinil-CoA i CO2 • U ovojfazi a-ketoglutaratprolazioksidatovnudekarboksilacijuiformiraSukcinil-CoA i CO2. Proceskataliziraenzimskikompleks a-ketoglutaratdehidrogenaza

43. Faza 5 • 5. Pretvaranje sukcinil-CoA u sukcinat. • Sukcinil-CoA je visokoenergetski metabolit. Velika količina energije se oslobađa pri hidrolizi tioesterske veze. • Sukcinil-S- CoA + H2O ----> Sukcinat+ CoA-SH + H+ • U ćelijama sukcinil-CoA ne gubi CoA grupu prostom hidrolizom tokom koje se troši energija. Umesto toga, podleže vezanoj duploj reakciji, kojom se konzervira energija, a tokom kojih je cepanje tioestarske veze praćeno fosforilacijom guanozin difosfata (GDP) u guanozin trifosfata (GTP).

45. Faza 6 • 6. Dehidrogenacijasukcinata u fumarat. • Sukcinat, nastao u predhodnomstadijumuizsukcinil-CoA, se dehidrogenizujeu fumarat. Proces se katališeuzpomoćenzimasukcinatdehidrogenaze, koji je u kovalentnojvezisaFAD, kojiimauloguakceptoravodonikovogatoma, • Sukcinat + Sukcinatdehidrogenaza-FAD ----> Fumarat+ Sukcinatdehidrogen.-FADH2 • Sukcinatdehidrogenaza je inhibiranaod stranemalonata, štoimavažnuulogu u regulacijisamogciklusa.

47. Faza 7 • 7. Hidratacijafumarataiformiranjemaleata. • Reverzibilnareakcijahidratacijefumarata u L-maleat, katalizirana je enzimomfumarathidratazom, nazvanifumaraza. Enzim je molekulsketežineoko 200.000 sačetiripolipeptidnesubjedinice, bezkoenzimaijako je specifičan. Hidratizuje dvostrukutrans vezufumarata, fumarazai Mg2+ Fumarat+ H2O ---->L-maleat <----

48. Faza 8 • 8. Dehidrogenacija maleata i formiranje oksalacetata. • Enzim L-maleat dehidrogenaza vezana je za NAD i prisutna je u mitohondrijama, katališe dehidrogenaciju maleata do oksalacetata u zadnjoj reakciji ciklusa limunkse kiseline. L-malat + NAD+ ----> Oxaloacetat + NADH + H+ • Reakcija je reverzibilna, međutim u standardnim uslovima je usmjerena udesno, obzirom da se oksaloacetat, kao produkt ove reakcije, brzo uklanja reakcijom citratne sintaze, te je njegova koncentracijau ćeliji jako mala.

50. Energetski bilans CLK • Pošto je svaki NADH ekvivalentan 3 ATP, FAD je ekvivalent 2 ATP,a GTP je ekvivalent1ATP imamosledećiukupanenergetskibilanspojednommolekuluglukoze: