METABOLISMUL GLUCIDIC
Glucidele sau carbohidraii reprezint cele mai abundente molecule
organice din natur. n organismul uman, ele ndeplinesc o multitudine
de roluri importante:
- constituie o surs important de energie (furnizeaz o fraciune
important, n general peste 50%, din caloriile unei diete
echilibrate);
- sub form de glicogen, servesc ca form de stocare a energiei n
corp;
- sub form legat de alte tipuri de molecule (formnd glicolipide,
glicoproteine i proteoglicani), ndeplinesc diverse roluri
structurale i funcionale: sunt componente ale membranelor celulare
i ale matricei extracelulare, mediaz unele forme de comunicare
intercelular.
Structura glucidelor: Glucoza este principalul glucid, deinnd o
poziie central n cadrul metabolismului, din urmtoarele motive:
- este un bun combustibil biologic, fiind relativ bogat n
energie liber;
- poate fi stocat sub forma unui polimer cu greutate molecular
mare (glicogen), la care se poate apela atunci cnd aportul exogen
de glucide lipsete;
- poate da natere unei game largi de biomolecule, utilizate n
diverse procese de biosintez (acizi grai i glicerol-fosfat,
aminoacizi, riboz-5-fosfat, etc.).
Sursele exogene de glucoz sunt reprezentate de glucidele din
diet:
- polizaharide de origine vegetal (amidon) i, ntr-o mai mic
msur, de origine animal (glicogen);
- dizaharide: zaharoz, lactoz, maltoz;
- glucoz liber. Exist 3 posibiliti principale de metabolizare a
moleculei de glucoz:
1 - degradarea prin glicoliz, urmat de ciclul Krebs, cu generare
de ATP;
2 - depozitarea sub form de glicogen;
3 - degradarea pe calea pentoz-fosfailor, cu generare de NADPH
(agent reductor) i riboz-5-fosfat (precursor n sinteza de
nucleotide i acizi nucleici).
GLICOLIZAGlicoliza este o cale de degradare a glucozei printr-o
serie de reacii enzimatice, care are ca scop eliberarea unei
fraciuni din energia coninut n molecula glucozei i conservarea ei
sub form de ATP. Este prima cale metabolic elucidat, fiind descris
n anii 1930 de ctre Embden i Meyerhoff.
Glucoza este o surs important de energie (substrat energogen)
pentru toate esuturile. Glucoza este principalul carbohidrat din
diet; alte monozaharide sunt reprezentate de fructoz i galactoz,
care sunt degradate prin transformare n intermediari ai
glicolizei.
Procesul glicolizei are loc n citoplasm i este o cale unic de
metabolism, ntruct poate funciona att n condiii aerobe, ct i
anaerobe; capacitatea glicolizei de a furniza ATP n absena
oxigenului are o importan crucial, aa cum se va vedea ulterior.
n vederea angajrii pe calea glicolizei, glucoza plasmatic
trebuie s ptrund n celule. Acest proces se realizeaz cu ajutorul
unor transportori proteici membranari care aparin familiei GLUT i
care sunt de mai multe tipuri, fiecare tip avnd o anumit localizare
tisular:
- GLUT-4 se gsesc n esutul adipos i muscular; ei sunt depozitai
n citoplasm, insulina determinnd translocarea lor n membrana
plasmatic;
- GLUT-1 sunt localizai n eritrocit i creier;
- GLUT-2 se gsesc n ficat (i n celulele pancreatice) i sunt
prezeni permanent n membrana plasmatic, nedepinznd de aciunea
insulinei; ei realizeaz transportul glucozei prin difuzie facilitat
n ambele sensuri, cu vitez mare, n felul acesta asigurnd
echilibrarea permanent a concentraiei glucozei extracelulare i
intracelulare.
Procesul glicolizei cuprinde dou etape (faze):
- o prim etap n care se consum energie sub form de ATP, pentru
fosforilarea (mbogirea energetic) a unor intermediari - este
aa-numita faz pregtitoare;
- o a doua etap n care se genereaz ATP, astfel nct bilanul
energetic global este pozitiv.
I. Etapa consumatoare de energie
1. Fosforilarea glucozei la glucoz-6-fosfat (G-6-P).
Are loc prin transferul unei grupri fosfat din ATP pe gruparea
OH din poziia 6 a glucozei. ntruct reacia are loc cu pierdere de
energie liber sub form de cldur (G = 4 kcal/mol), are un caracter
ireversibil.
Acest proces de fosforilare a glucozei este important din dou
puncte de vedere:
- realizeaz reinerea glucozei fosforilate n celul, determinnd
angajarea sa n procesul de metabolizare (numai glucoza liber poate
fi transportat prin membrana plasmatic);
- energia eliberat prin ruperea legturii fosfat macroergice din
molecula ATP-ului este conservat parial n legtura fosfo-esteric a
G-6-P glucoza fosforilat are o molecul mbogit n energie liber, deci
mai reactiv, ceea ce favorizeaz metabolizarea sa ulterioar.
Reacia de fosforilare a glucozei este catalizat de hexokinaz (n
toate esuturile) i de glucokinaz (n ficat). Cele dou izoforme difer
n privina afinitii pentru substrat:
- hexokinaza are un Km mic pentru glucoz (0,1 mM), deci o
afinitate mare, ceea ce face ca aceast enzim s asigure fosforilarea
eficient a glucozei chiar n condiiile unei concentraii sczute a
glucozei plasmatice i tisulare;
- glucokinaza din ficat are un Km mare (10 mM) pentru glucoz,
ceea ce traduce o afinitate mic pentru glucoz; ca urmare,
glucokinaza funcioneaz eficient numai atunci cnd concentraia
intracelular a glucozei este mare, aa cum se ntmpl postprandial,
cnd exist un aport crescut de glucoz la nivel hepatic prin vena
port; prin aciunea sa, glucokinaza contribuie la minimizarea
hiperglicemiei postprandiale.
Glucozo-6-P reprezint un punct de rscruce n metabolismul
glucidic, fiind precursorul pentru toate cile care utilizeaz
glucoza, principalele fiind: glicoliza, calea pentoz-fosfailor i
sinteza de glicogen.
2. Izomerizarea glucozo-6-fosfatului la fructoz-6-fosfat
(F-6-P).
Aceast reacie constituie un proces de izomerizare aldoz-cetoz i
este catalizat de fosfohexoz izomeraza, avnd un caracter
reversibil.
3. Fosforilarea fructozo-6-fosfatului la fructoz-1,6-difosfat
(F-1,6-P2).
Are loc prin transferul unei grupri fosfat din ATP pe gruparea
OH din poziia 1 a F-6-P, proces care are loc cu pierdere de energie
liber sub form de cldur, ceea ce i confer un caracter ireversibil
(G = 3,4 kcal/mol). Aceasta este prima etap care angajeaz ferm
glucoza pe calea glicolizei, G-6-P i F-6-P putnd urma i alte ci, pe
cnd F-1,6-P2 este direcionat spre glicoliz.
Reacia este catalizat de fosfofructokinaza-1, care deine un rol
major n cadrul glicolizei, fiind principalul punct de control al
vitezei de desfurare a acestei ci metabolice.
4. Scindarea fructozo-1,6-difosfatului n dou trioze fosforilate:
gliceraldehid-3-fosfat (GA-3-P, cuprinde atomii C4-C6 ai fructozei)
i dihidroxiaceton fosfat (DHAP, cuprinde atomii C1-C3 ai
fructozei).
Reacia este catalizat de aldolaz (aldolaza A, spre a o deosebi
de aldolaza B din muchi, care acioneaz asupra
fructozo-1-fosfatului; enzima face parte din clasa liazelor).
ntruct numai GA-3-P poate fi degradat n continuare n glicoliz,
intervine triozfosfat izomeraza, care catalizeaz o interconversiune
cetoz-aldoz i transform DHAP n GA-3-P.II. Etapa generatoare de
energie
5. Oxidarea gliceraldehid-3-fosfatului la 1,3-difosfoglicerat
(1,3-DPG).Gruparea aldehidic a GA-3-P este oxidat n prezen de NAD+
i fosforilat cu fosfat anorganic, cu formarea unei grupri
carboxil(acil)-fosfat (de tip anhidrid acid mixt). n aceast reacie,
mare parte din energia liber degajat n procesul oxidrii este
conservat n legtura carboxil-fosfat a 1,3-DPG, care este de tip
macroergic (G pentru hidroliza acestei grupri este de 11,8
kcal/mol).
Reacia este catalizat de gliceraldehid-3-fosfat dehidrogenaza,
enzim ce conine o grupare SH n centrul activ, la care substratul se
leag covalent prin gruparea sa aldehidic. Acceptorul de hidrogen n
reacia de oxidare este NAD+, care se reduce la NADH + H+ n cursul
reaciei.
6. Transferul gruprii fosfat din 1,3-difosfoglicerat pe ADP, cu
sinteza de ATP.Sub aciunea fosfoglicerat kinazei, gruparea fosfat
nalt energetic de la C1 al 1,3-DPG este transferat pe ADP, cu
generarea unei molecule de ATP i a 3-fosfogliceratului.
ntruct legtura carboxil-fosfat din 1,3-DPG nmagazineaz mai mult
energie (11,8 kcal/mol) dect este necesar pentru sinteza ATP din
ADP i Pi (7,3 kcal/mol), 1,3-DPG poate servi la sinteza ATP.
Cuplul reaciilor catalizate de gliceraldehid-3-P dehidrogenaza i
fosfoglicerat kinaza reprezint un proces de fosforilare la nivel de
substrat: sinteza ATP prin fosforilarea ADP-ului, utiliznd energia
nmagazinat ntr-un substrat macroergic, fr participarea oxigenului.
Energia eliberat prin oxidarea gruprii aldehidice a GA-3-P la
grupare carboxil este conservat prin formarea cuplat a ATP din ADP
i Pi. Sinteza ATP prin fosforilare la nivel de substrat reprezint o
cale complet distinct de sinteza ATP prin fosforilare oxidativ,
care este un proces strict aerob.
7. Transformarea 3-fosfogliceratului n 2-fosfoglicerat.
Are loc sub aciunea fosfoglicerat mutazei, care catalizeaz o
reacie de transfer reversibil al gruprii fosfat ntre C-3 i C-2 al
gliceratului.
8. Deshidratarea 2-fosfogliceratului la fosfoenolpiruvat.
Procesul este catalizat de enolaz i reprezint a doua reacie din
glicoliz care genereaz un intermediar ce conine un fosfat nalt
energetic. Pierderea unei molecule de ap din 2-fosfoglicerat
determin o redistribuire a energiei n interiorul moleculei, ducnd
la creterea considerabil a energiei libere nmagazinate n gruparea
enol-fosfat (legtur de tip macroergic, G = 14,8 kcal/mol).
9. Transferul gruprii fosfat din fosfoenolpiruvat pe ADP, cu
sintez de ATP.Reacia este catalizat de piruvat kinaz i duce la
formarea unei molecule de ATP i a enolpiruvatului, care
tautomerizeaz rapid la piruvat. Este cea de a doua reacie de
fosforilare la nivel de substrat din glicoliz. n cursul acestui
proces, aproximativ jumtate din energia coninut n legtura
fosfat-macroergic a fosfoenolpiruvatului este conservat sub forma
legturii fosfo-anhidridice din ATP, restul pierzndu-se sub form de
cldur (G a acestei reacii este 7,5 kcal/mol). n consecin, reacia
are un caracter ireversibil.
Soarta piruvatului i a NADH formate n glicoliz
NADH produs n glicoliz trebuie s fie reoxidat continuu napoi la
NAD+, n vederea meninerii n celul a unor rezerve adecvate de NAD+,
care s participe ca acceptor de electroni n reacia catalizat de
gliceraldehid-3-fosfat dehidrogenaz. Dac NADH nu este reoxidat
eficient, rezervele de NAD+ se epuizeaz la un moment dat i
glicoliza nu mai poate continua.Exist dou posibiliti alternative de
reoxidare a NADH, care se desfoar n funcie de condiiile n care are
loc metabolismul celular. Soarta piruvatului rezultat din glicoliz
depinde de calea aleas pentru oxidarea NADH. Astfel:
n condiii aerobe, NADH este transferat n mitocondrie i oxidat n
lanul respirator, astfel nct produsul final al glicolizei este
piruvatul; acesta poate fi oxidat n mitocondrie la acetil-CoA, care
este oxidat ulterior total n ciclul Krebs;
n condiii anaerobe, lanul respirator nu poate funciona; NADH-ul
poate fi reoxidat prin angajarea n reacia de reducere a piruvatului
la lactat, sub aciunea lactat dehidrogenazei, ceea ce explic faptul
c n condiii anaerobe, glicoliza se termin la lactat.
Reacia lactat dehidrogenazei are un caracter reversibil n
condiiile din celul, sensul su de desfurare la un moment dat
depinznd de concentraiile intracelulare relative ale piruvatului i
lactatului i de raportul [NADH]/[NAD+].
Lactatul format ca produs final al glicolizei anaerobe difuzeaz
n snge, de unde este preluat de diverse esuturi (ficat, miocard,
muchi scheletic n repaus) i reoxidat la piruvat. Acesta poate fi
folosit la sintez de glucoz prin gluconeogenez (n ficat) sau oxidat
total, cu generare de ATP.
Aceast modalitate de reoxidare a NADH, cuplat cu sinteza
lactatului, este semnificativ deoarece permite glicolizei s
funcioneze n condiii anaerobe, cu generarea de ATP fr participarea
oxigenului (prin fosforilare la nivel de substrat). Acest aspect
are o importan deosebit n anumite condiii:
- limitarea aportului de oxigen ntr-un esut, care duce la
hipoxie tisular; n astfel de situaii, esuturile care au o
capacitate glicolitic semnificativ pot supravieui (de ex. medulara
renal, tractul gastro-intestinal, pielea), n timp ce miocardul,
care este bogat n mitocondrii i este adaptat pentru metabolism
aerob, nu poate face fa situaiilor de suprimare a aportului de
oxigen i se necrozeaz;
- creterea accentuat a necesarului de ATP, disproporionat fa de
ritmul aprovizionrii cu oxigen; aa se ntmpl n muchiul scheletic
aflat ntr-o activitate susinut, cnd mare parte din ATP-ul necesar
contraciei poate fi obinut doar prin glicoliz anaerob;
- n celulele care nu au mitocondrii, cum este eritrocitul,
fosforilarea oxidativ nu poate avea loc, aceste celule depinznd de
glicoliza anaerob pentru a genera ATP.
Este de menionat faptul c glucoza este singurul combustibil
biologic care poate genera ATP n condiii anaerobe; toate celelalte
surse de energie (acizi grai, corpi cetonici, aminoacizi) pot
genera ATP numai n condiii aerobe, cu implicarea fosforilrii
oxidative.
Exist cteva esuturi pentru care glicoliza este n mod particular
important, ele depinznd de glucoz, ca surs de energie, n mod total
sau ntr-o msur substanial (nu pot utiliza deloc alte surse de
energie, sau o pot face doar ntr-o msur redus). Aceste esuturi sunt
considerate esuturi gluco-dependente, ele necesitnd o aprovizionare
continu cu glucoz. Este vorba de: creier (are un consum de ATP
substanial i nu poate obine energie din acizii grai, acetia
netraversnd bariera hemato-encefalic), eritrocit, muchi scheletic n
activitate susinut (motivele gluco-dependenei lor au fost expuse
mai sus).
Ecuaia global a glicolizei:
n condiii aerobe:
glucoz + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi 2 piruvat + 2NADH + 2H+ + 2ATP +
2H2O
NADH rezultat se va angaja n lanul respirator, unde va fi
reoxidat i va genera ATP n procesul fosforilrii oxidative;
n condiii anaerobe:
glucoz + 2ADP + 2Pi 2 lactat + 2ATP + 2H2O
Bilanul energetic al glicolizei anaerobe:
- n etapa consumatoare de energie se consum 2 molecule de ATP, n
reaciile catalizate de hexokinaz i fosfofructokinaza-1;
- n etapa generatoare de energie se sintetizeaz 2 molecule de
ATP prin oxidarea unei molecule de gliceraldehid-3-fosfat, n
reaciile de fosforilare la nivelul substratului catalizate de
fosfoglicerat kinaz i piruvat kinaz; deci pentru o molecul de
glucoz, din care se formeaz 2 molecule de gliceraldehid-3-fosfat,
se vor genera 4 molecule de ATP;
- ca urmare, bilanul global va fi 4 2 = 2 ATP.
Glicoliza elibereaz numai o mic fraciune din energia total a
moleculei de glucoz (aproximativ 5%); cele dou molecule de piruvat
formate conin nc majoritatea energiei chimice a glucozei, care va
fi extras ulterior n cursul degradrii oxidative totale a
piruvatului la CO2 i H2O.
Rolurile glicolizei
Dei rolul cel mai evident al glicolizei este generarea de ATP
prin degradarea moleculei de glucoz, acest proces are i alte
roluri, concretizate n generarea de precursori pentru diverse ci de
biosintez:
- acetil-CoA rezultat din oxidarea piruvatului poate fi folosit
la sinteza de acizi grai;
- dihidroxiaceton-fosfat se poate transforma n glicerol-fosfat,
care este utilizat mpreun cu acizii grai la sinteza de trigliceride
sau de fosfolipide;
- unii aminoacizi pot fi generai din intermediari glicolitici:
serina din 3-P-glicerat i alanina din piruvat;
- fructozo-6-P i gliceraldehid-3-P pot participa la generarea de
riboz-5-P (ntr-un proces numit calea pentoz-fosfailor), aceasta
fiind utilizat la sinteza de nucleotide;
- n eritrocit se sintetizeaz 2,3-difosfoglicerat, care moduleaz
afinitatea hemoglobinei pentru oxigen, facilitnd deoxigenarea
hemoglobinei n esuturile extra-pulmonare.REGLAREA GLICOLIZEI
Reglarea procesului glicolizei are loc la nivelul a 3 enzime
reglatorii i anume cele care catalizeaz reaciile ireversibile:
hexokinaza/glucokinaza, fosfofructokinaza-1 i piruvat kinaza.
Fiecare dintre aceste trei enzime exist sub forma mai multor
izoforme (izoenzime) cu specificitate tisular, care pot fi supuse
unor modaliti diferite de reglare, n acord cu particularitile
metabolice ale fiecrui esut.
1. Hexokinaza/glucokinaza
- hexokinaza - este inhibat alosteric de glucozo-6-fosfat
(inhibiie feedback de ctre produsul de reacie): dac G-6-P nu este
utilizat att de rapid pe ct se formeaz, acumularea sa duce la
inhibarea hexokinazei; n felul acesta, rata formrii G-6-P este
meninut n echilibru cu rata utilizrii sale ulterioare;
- glucokinaza (din ficat) - nu este inhibat de G-6-P; enzima
este indus de ctre insulin, astfel nct angajarea glucozei n
glicoliz este favorizat dup prnzurile glucidice, cnd nivelul
insulinei plasmatice este crescut.2. Fosfofructokinaza-1
(PFK-1)
Aceast enzim catalizeaz etapa limitant de vitez a glicolizei.
PFK-1 este reglat prin mecanisme alosterice, coninnd patru situsuri
alosterice:- pentru AMP i fructozo-2,6-difosfat - modulatori
pozitivi;- pentru ATP i citrat - modulatori negativi. ATP n
concentraie mare n celul este semnal de abunden energetic: dac
rezervele de ATP sunt suficiente, degradarea glucozei n scop
energogen este inhibat;
AMP n concentraie mare este semnal de depleie a rezervelor
energetice; n aceste condiii glicoliza este activat, ducnd la
refacerea rezervelor de ATP ale celulei;
citratul - se formeaz n concentraie mare n condiiile unei
degradri accelerate a acizilor grai (de ex. n ficat, n perioadele
inter-prandiale) acesta este un semnal c celula i satisface
necesitile energetice prin oxidarea substratelor de natur lipidic;
prin inhibarea glicolizei de ctre citrat, glucoza este economisit
pentru esuturile gluco-dependente;
fructoz-2,6-difosfat (F-2,6-P2) - este un modulator alosteric
pozitiv pentru fosfofructo-kinaza-1, acest efect avnd o importan
deosebit n ficat (aici, n absena F-2,6-P2, PFK-1 are o activitate
foarte redus);
- concentraia intracelular a F-2,6-P2 depinde de rata formrii i
de rata degradrii sale;
- F-2,6-P2 se sintetizeaz prin fosforilarea F-6-P sub aciunea
fosfofructokinazei-2; - degradarea F-2,6-P2 are loc prin hidroliz
sub aciunea fructozo-2,6-difosfatazei;
- fosfofructokinaza-2 i fructozo-2,6-difosfataza sunt dou
domenii cu activiti catalitice diferite ale aceleiai enzime (enzima
bifuncional PFK-2/F-2,6-P2aza);
- echilibrul dintre cele dou activiti enzimatice este controlat
de ctre insulin i glucagon prin intermediul reglrii covalente:
n perioadele inter-prandiale, glucagonul acioneaz prin
intermediul mesagerului secund AMP ciclic acesta activeaz
protein-kinaza A (PKA) fosforilarea enzimei bifuncionale activarea
domeniului fosfatazic i inhibarea domeniului kinazic => scderea
concentraiei F-2,6-P2 ncetinirea glicolizei la nivelul PFK-1 (n
absena aportului alimentar glucidic, ficatul i obine energia prin
degradarea acizilor grai economisete glucoza pentru esuturile
gluco-dependente);
n perioadele post-prandiale, insulina activeaz o protein
fosfataz defosforilarea enzimei bifuncionale activarea domeniului
kinazic i inhibarea domeniului fosfatazic => creterea cantitii
de F-2,6-P2 accelerarea glicolizei la nivelul PFK-1. 3. Piruvat
kinaza
a) reglare alosteric:
F-1,6-P2 (intermediar din prima parte a glicolizei) activeaz
piruvat kinaza (exemplu de modulare alosteric de tip feed forward):
creterea concentraiei F-1,6-P2 (atunci cnd PFK-1 este activ) va
duce la creterea activitii piruvat kinazei situat n aval,
pregtind-o pentru fluxul mare de substrat pe care va trebui s-l
transforme; n felul acesta se sincronizeaz n mod eficient
activitatea PFK-1 cu cea a piruvat kinazei;
ATP (semnal de abunden energetic) este un inhibitor alosteric al
piruvat kinazei, ducnd la ncetinirea consumului de glucoz n
glicoliz.
b) reglare covalent - este caracteristic izoenzimei piruvat
kinazei localizat ficat; forma activ a enzimei este cea
defosforilat:
- creterea nivelului glucagonului (n condiiile scderii glicemiei
din cursul perioadelor inter-prandiale) duce la activarea protein
kinazei A (prin intermediul AMPc) fosforilarea piruvat kinazei
inactivarea sa => este ncetinit utilizarea glucozei drept
combustibil de ctre ficat glucoza este economisit i trimis spre
esuturile gluco-dependente;
- atunci cnd nivelul glucagonului scade (n condiiile abundenei
de glucide caracteristic perioadelor post-prandiale), o protein
fosfataz defosforileaz piruvat kinaza, ducnd la activarea sa.
METABOLISMUL PIRUVATULUI
Piruvatul, care se formeaz prin degradarea glicolitic a
glucozei, ocup o pozie de rscruce important n metabolismul
glucozei. Metabolizarea sa ulterioar depinde de circumstanele de
moment din esutul respectiv:
n condiii aerobe: piruvatul este degradat prin decarboxilare
oxidativ la acetil-CoA, care apoi va fi degradat total n ciclul
Krebs;
n condiii anaerobe, piruvatul este redus la lactat sub aciunea
lactat dehidrogenazei;
n condiii de activare a gluconeogenezei (sinteza glucozei din
compui neglucidici), piruvatul este carboxilat la oxalacetat, care
apoi se va transforma n glucoz. Decarboxilarea oxidativ a
piruvatuluiAre loc n mitocondrie: piruvatul format prin glicoliz
este transportat din citoplasm n mitocondrie prin cotransport cu un
proton, cu ajutorul simporterului piruvat/H+ localizat n membrana
mitocondrial intern.
Decarboxilarea oxidativ a piruvatului la acetil-CoA este
catalizat de un complex multienzimatic numit piruvat dehidrogenaza
(PDH), alctuit din 3 enzime i 5 coenzime. Avantajul organizrii mai
multor enzime sub form de complex const n faptul c intermediarii
metabolici sunt transferai de la o enzim la alta (produsul unei
enzime devine imediat substrat pentru enzima urmtoare), astfel nct
ei nu difuzeaz n celul; aceasta duce la o cretere semnificativ a
vitezei procesului.
Componena complexului PDH este urmtoarea:
EnzimaCoenzime necesareVitaminele din care provin
Piruvat dehidrogenaza (E1)tiamin pirofosfat tiamina (vitamina
B1)
Dihidrolipoil transacetilaza (E2)acid lipoicacid lipoic
coenzima A acid pantotenic
Dihidrolipoil dehidrogenaza (E3)FAD riboflavina (vitamina
B2)
NAD+nicotinamida (vitamina PP)
- acidul lipoic este un acid carboxilic cu 8 C i cu o punte
disulfidic ntre C6 i C8; el ocup o poziie particular n cadrul
complexului: este legat amidic de gruparea -amino a unui rest de
lizin din componena E2 formeaz o molecul lipoil-lizil, care
reprezint gruparea prostetic a E2 i care joac rolul unui bra lung,
flexibil, ce se deplaseaz de la situsul activ al E1 la situsurile
active ale E2 i E3, transportnd astfel intermediarii
metabolici;
- complexul mai conine i 2 proteine reglatorii: - o protein
kinaz (PDH kinaza)
- o protein fosfataz (PDH fosfataza).
Decarboxilarea oxidativ a piruvatului are loc n 5 etape:
Piruvatul reacioneaz cu TPP legat la E1 i sufer un proces de
decarboxilare, rmnnd ataat la TPP ca derivat hidroxi-etil (E1);
Gruparea hidroxi-etil este oxidat la un acid carboxilic (grupare
acetil) (E1);
- cei 2 H ndeprtai n reacie reduc legtura disulfidic a acidului
lipoic la 2 grupri SH, formndu-se acidul dihidrolipoic;
- gruparea acetil este transferat de pe TPP pe acidul lipoic
legat la E2 (este legat tioesteric la una din cele dou grupri SH)
se formeaz acidul acetil-dihidrolipoic i se regenereaz TPP;
Gruparea acetil este transferat pe coenzima A, rezultnd
acetil-CoA (E2);
- energia liber degajat n reacia de oxidare anterioar este
utilizat pentru formarea legturii tioesterice macroergice din
molecula acetil-CoA;
Acidul lipoic este regenerat prin oxidarea acidului
dihidrolipoic cu ajutorul FAD (E3);
Prin transferul echivalenilor reductori de la FADH2 la NAD+ se
formeaz, n final, NADH + H+ (E3).
Ecuaia reaciei globale a decarboxilrii oxidative a piruvatului
sub aciunea PDH:
Piruvat + CoASH + NAD+ acetilCoA + NADH+H+ + CO2
Reacia este puternic exergonic (G = 8 kcal/mol) i are caracter
ireversibil n condiiile din celul.
Reglarea activitii complexului PDH
a) Reglare alosteric acetil-CoA i NADH (produi ai reaciei) inhib
E1 din complex.
b) Reglare covalent are loc prin fosforilarea/defosforilarea la
un rest de serin din componena E1, sub aciunea PDH-kinazei i a
PDH-fosfatazei:
- PDH-kinaza este activat alosteric de concentraii crescute de
acetil-CoA, NADH i ATP;
- PDH-fosfataza este activat de ionii de Ca2+ (n muchi) i de
insulin (n esutul adipos).
Activitatea PDH este sczut atunci cnd necesarul energetic al
unui esut este satisfcut pe seama lipidelor; astfel, n condiii de
depleie glucidic (ntre prnzuri i n strile de post), esuturile
gluco-independente degradeaz acizi grai ca surs de energie se
formeaz cantiti crescute de acetil-CoA, NADH i ATP, care duc la
inactivarea PDH prin mecanismele descrise.
Activitatea PDH este crescut n condiii de abunden glucidic: n
asemenea condiii degradarea acizilor grai este redus scade
cantitatea de acetil-CoA, NADH i ATP dispare efectul acestora de
inhibare a activitii PDH piruvatul format n cantiti mari prin
degradarea glucozei va putea fi degradat eficient la acetil-CoA,
care apoi va fi antrenat spre degradare total n ciclul Krebs.
Activarea PDH de ctre ionii de Ca2+ (ca urmare a activrii
directe a PDH-fosfatazei) are o importan particular n muchiul
scheletic: creterea concentraiei Ca2+ n cursul contraciei musculare
are ca efect i activarea complexului PDH, favoriznd degradarea
glucozei ca surs de energie.
n esutul adipos, activarea PDH-fosfatazei de ctre insulin duce
la activarea complexului PDH, acesta fiind unul din modurile n care
insulina exercit o influen pozitiv asupra metabolizrii glucozei n
scop energogen.
CICLUL KREBSCiclul Krebs (numit i ciclul acidului citric sau
ciclul acizilor tricarboxilici, descris de ctre Hans Krebs)
reprezint calea de degradare oxidativ a acetil-CoA rezultat din
catabolismul glucozei, al acizilor grai i al unor aminoacizi; deci
acest proces metabolic reprezint o cale final comun pentru
degradarea aerob a celor trei categorii de combustibili
metabolici.
Reaciile ciclului Krebs au loc n mitocondrie, enzimele fiind
localizate n matricea mitocondrial, libere sau ataate de membrana
mitocondrial intern.
1. Condensarea acetil-CoA cu oxalacetatul, cu formare de
citrat
Procesul debuteaz cu o condensare aldolic ntre acetil-CoA i
oxalacetat: carbonul metilic al acetil-CoA este legat la carbonul
carbonilic al oxalacetatului; intermediar se formeaz citril-CoA,
care este hidrolizat rapid la citrat i coenzima A. Reacia este
catalizat de citrat sintaz.
Hidroliza intermediarului tioesteric macroergic (citril-CoA)
face ca reacia s fie puternic exergonic, deci echilibrul su este
net n favoarea citratului; acest fapt este esenial pentru
funcionarea ciclului Krebs, ntruct concentraia oxalacetatului n
celul este redus.
2. Transformarea citratului n izocitrat
Aconitaza catalizeaz un proces reversibil de deshidratare a
citratului la cis-aconitat, urmat de adiia apei la dubla legtur n
aa fel nct se formeaz izocitratul. Dei citratul are o molecul
simetric, aconitaza reacioneaz cu acesta ntr-o manier asimetric
(are un situs activ asimetric), astfel nct cei 2 C care vor fi
pierdui n etapele ulterioare nu deriv din acetil-CoA, ci din
oxalacetat (abia n rundele ulterioare ale ciclului Krebs se vor
elimina cei 2 C ai acetil-CoA).
3. Conversia izocitratului n -cetoglutarat
Izocitrat dehidrogenaza (ICDH) catalizeaz oxidarea izocitratului
n prezen de NAD+, cu formarea unui intermediar numit
oxalo-succinat, care apoi se decarboxileaz la -cetoglutarat.
Exist dou izoenzime ale ICDH:
- ICDH - NAD+ dependent, care se gsete n mitocondrii i acioneaz
n ciclul Krebs;
- ICDH - NADP+ dependent, care are localizare dubl (mitocondrial
i citosolic) i care are rol n generarea NADPH (ce va servi ca agent
reductor n reacii anabolice reductive).
4. Decarboxilarea oxidativ a -cetoglutaratului la
succinil-CoA
Acest proces este catalizat de -cetoglutarat dehidrogenaz
(KG-DH), care este un complex enzimatic asemntor, din punct de
vedere structural i funcional, cu piruvat dehidrogenaza (este
alctuit din 3 enzime i 5 coenzime: TPP, acid lipoic, coenzima A,
FAD i NAD+). n aceast reacie, energia liber degajat n procesul de
oxidare este conservat sub forma legturii tioesterice din
succinil-CoA (legtur de tip macroergic: G pentru hidroliza
succinil-CoA este 8,6 kcal/mol).
5. Transformarea succinil-CoA n succinat
n aceast reacie, energia eliberat prin scindarea legturii
tioesterice din succinil-CoA este utilizat pentru sinteza legturii
fosfat-macroergice din GTP sau ATP. Reacia este catalizat de
succinat tiokinaza (succinil-CoA sintetaza), care are dou
izoenzime:
- una specific pentru ADP (distribuit n toate esuturile);
- o alta specific pentru GDP (localizat n esuturile implicate n
procesul gluconeogenezei - ficat i rinichi - care utilizeaz GTP n
una din reaciile sale).
Acesta reprezint un proces de fosforilare la nivel de substrat:
energia eliberat prin decarboxilarea oxidativ a -cetoglutaratului
este conservat n legtura tioesteric a succinil-CoA, fiind apoi
utilizat pentru sinteza ATP din ADP i Pi.
GTP format n aceast reacie (sub aciunea succinat tiokinazei
specifice pentru GDP) poate ceda un fosfat ADP-ului, pentru a
genera ATP, ntr-o reacie reversibil catalizat de nucleozid difosfat
kinaza: GTP + ADP GDP + ATP.
6. Dehidrogenarea succinatului la fumarat
Succinatul se dehidrogeneaz n prezena coenzimei FAD, sub aciunea
succinat dehidrogenazei, cu formarea acidului fumaric (izomerul
trans). Aceast enzim este legat de membrana mitocondrial intern i
reprezint complexul II din lanul transportorilor de electroni.
7. Hidratarea fumaratului la malat
Fumaraza (fumarat hidrataza) catalizeaz o reacie de hidratare a
fumaratului; enzima are o stereospecificitate ridicat: acioneaz
numai asupra izomerului trans (acidul fumaric), nu acioneaz asupra
izomerului cis (acidul maleic).
8. Dehidrogenarea malatului la oxalacetat
Malat dehidrogenaza catalizeaz reacia de dehidrogenare, n prezen
de NAD+, a malatului, cu regenerarea oxalacetatului. n condiii
standard, echilibrul reaciei este net spre formarea malatului (G =
7,1 kcal/mol). n condiiile din celula vie, oxalacetatul este
ndeprtat continuu din reacie prin angajare n reacia citrat sintazei
dintr-o nou rund a ciclului Krebs; n consecin, concentraia
oxalacetatului este meninut la valori foarte sczute, ceea ce duce
la direcionarea reaciei malat dehidrogenazei spre formarea
oxalacetatului.
Rezultatul net pentru o rund a ciclului Krebs:
- o molecul de acetil-CoA intr n ciclu i 2 molecule de CO2 sunt
eliberate;
- o molecul de oxalacetat este utilizat pentru a forma citrat (n
prima reacie a ciclului) i o molecul de oxalacetat este regenerat
(n ultima reacie) aceasta poate ncepe o nou rund de reacii;
- n consecin, o molecul de oxalacetat poate asigura oxidarea
unui numr considerabil de molecule de acetil-CoA, ntruct se
regenereaz la finalul fiecrei runde a ciclului (s-ar putea
considera c oxalacetatul are un rol catalitic n cadrul ciclului
Krebs); ntr-adevr, oxalacetatul se gsete n celul n concentraii
mici, dar aceste cantiti mici de oxalacetat pot asigura degradarea
unor cantiti mari de acetil-CoA.
Ecuaia global a ciclului Krebs:
Acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + ADP + Pi + 2H2O
2 CO2 + 3 (NADH+H+) + FADH2 + ATP + CoA-SHROLURILE CICLULUI
KREBS
Ciclul Krebs are un rol central n cadrul metabolismului, care nu
se limiteaz doar la oxidarea acetil-CoA; el este un proces
amfibolic, avnd caracter dublu: catabolic i anabolic.
1. Latura catabolic a ciclului Krebs const n degradarea
acetil-CoA, cu generare de ATP. Exist 4 reacii de oxidare n ciclul
Krebs (3 NAD+-dependente i una FAD-dependent); energia liber
degajat n aceste reacii este conservat sub forma a 3 molecule de
NADH i a unei molecule de FADH2; aceste coenzime reduse vor
transfera echivalenii reductori n lanul respirator, cuplat cu
fosforilarea ADP => sintez de ATP (3 molecule pentru fiecare
molecul de NADH i 2 molecule pentru FADH2, deci n total 11 molecule
de ATP sintetizate n procesul fosforilrii oxidative).
n reacia succinat tiokinazei se sintetizeaz 1 molecul de ATP
prin fosforilare la nivel de substrat.
Bilanul energetic global al ciclului Krebs este, deci, de 12
molecule de ATP.
2. Latura anabolic a ciclului Krebs const n faptul c unii
intermediari ai si servesc ca precursori pentru o varietate larg de
produi, n cadrul unor procese de biosintez. (#6)
Rol n gluconeogenez: toi intermediarii ciclului Krebs pot fi
folosii la sinteza de glucoz; dup transformarea n oxalacetat, ei se
pot angaja n procesul gluconeogenezei. Scheletele de C ale multor
aminoacizi pot fi utilizate pentru sinteza de glucoz dup
transformare n diveri intermediari ai ciclului Krebs.
-cetoglutaratul i oxalacetatul se transform, prin reacii de
transaminare, n glutamat i aspartat; aceti aminoacizi vor servi
ulterior la sinteza altor aminoacizi, precum i la sinteza
nucleotidelor purinice i pirimidinice (aspartatul ca atare, iar
glutamatul dup transformare n glutamin).
Succinil-CoA este utilizat la sinteza hemului, gruparea
prostetic a hemoproteinelor (hemoglobin, mioglobin, citocromi).
Citratul joac rol de transportor al radicalului acetil (din
componena acetil-CoA provenit din degradarea glucozei) din
mitocondrie n citoplasm, n vederea participrii la biosinteza
acizilor grai (dup prnzurile bogate n glucide, n ficat).
ETAPELE DEGRADRII TOTALE A GLUCOZEI
n anaerobioz, molecula de glucoz este degradat parial (pn la
lactat), cu generarea a 2 molecule de ATP.
n aerobioz, glucoza este degradat total, la CO2 i H2O, cu
implicarea mai multor etape:1. Glicoliza pn la piruvat;
2. Decarboxilarea oxidativ a piruvatului la acetil-CoA;
3. Oxidarea acetil-CoA la CO2 n ciclul Krebs.
Ca urmare a desfurrii celor trei procese se genereaz ATP n dou
moduri:
- prin reacii de fosforilare la nivel de substrat (dou n
glicoloz i una n ciclul Krebs);
- n reaciile de dehidrogenare din cadrul celor trei etape are
loc conservarea energiei eliberate sub forma coenzimelor reduse
NADH i FADH2; acestea se vor reoxida n lanul respirator, ducnd la
sintez de ATP n procesul fosforilrii oxidative.
Bilanul energetic al degradrii totale, aerobe, a moleculei de
glucoz: 1. Glucoz piruvat (glicoliza):
- reaciile de fosforilare la nivel de substrat 2 ATP
- reacia gliceraldehid-3-P dehidrogenazei: 2 x NADH 2 x 3 ATP =
6 ATP n procesul fosforilrii oxidative
=> bilan al glicolizei desfurate n condiii aerobe: 2 + 6 = 8
ATP.
2. Piruvat acetil-CoA (reacia piruvat dehidrogenazei):
- 2 x NADH 2 x 3 ATP = 6 ATP n procesul fosforilrii
oxidative.
3. Acetil-CoA 2 CO2 (ciclul Krebs):
- 2 x 12 ATP = 24 ATP.
Total: 8 + 6 + 24 = 38 ATP.
Realiznd o comparaie ntre bilanul energetic al degradrii
anaerobe a glucozei, prin glicoliz la lactat (2 ATP) i bilanul
degradrii totale aerobe (38 ATP), se observ c degradarea aerob
permite eliberarea ntregii cantiti de energie liber coninut n
molecula de glucoz i conservarea acesteia sub form de ATP, deci are
o eficien energetic mult mai mare n comparaie cu degradarea
anaerob, care elibereaz doar aproximativ 5% din energia moleculei
de glucoz.
Ca o concluzie, n celule exist dou ci de sintez a ATP-ului:
n condiii aerobe, cea mai mare parte a ATP-ului se produce n
procesul fosforilrii oxidative: aceasta este calea major, d.p.d.v.
cantitativ, de sintez a ATP-ului n celul;
n condiii anaerobe, fosforilarea oxidativ nu poate avea loc
singura posibilitate de generare a ATP-ului este fosforilarea la
nivel de substrat (deci aceast cale, minor d.p.d.v. cantitativ,
dobndete un rol major n condiii de anaerobioz).
REGLAREA CICLULUI KREBS
Viteza de desfurare a ciclului acizilor tricarboxilici depinde
de urmtorii factori: (#10)
1. Disponibilitatea de substrate: acetil-CoA i oxalacetat.
Atunci cnd, n urma degradrii glucozei (sau a altor substrate
energogene), se formeaz cantiti mari de acetil-CoA, activitatea
ciclului Krebs va fi crescut. Acetil-CoA are i rolul de activator
alosteric al piruvat carboxilazei, ce catalizeaz principala reacie
anaplerotic, n care se formeaz oxalacetatul necesar pentru
angajarea acetil-CoA n ciclul Krebs.
2. Disponibilitatea de NAD+ (n forma oxidat), necesar n trei din
cele patru reacii de dehidrogenare din cadrul ciclului.
Meninerea unei cantiti adecvate de NAD+ depinde de reoxidarea
NADH (format n cele trei reacii de dehidrogenare) n lanul
respirator; viteza de desfurare a lanului respirator depinde de
disponibilitatea de ADP, deci de starea energetic a celulei:
- stare energetic joas (tradus prin [ATP] i [ADP] )
disponibilitatea mare de ADP va duce la creterea vitezei
fosforilrii oxidative accelerarea oxidrii NADH n lanul respirator
=> creterea cantitii de NAD+ n forma oxidat aceasta va permite
creterea vitezei ciclului Krebs;
- stare energetic nalt (tradus prin [ATP] i [ADP] ) scderea
disponibilitii ADP va duce la scderea vitezei fosforilrii oxidative
ncetinirea oxidrii NADH n lanul respirator => cantitii de NAD+ n
forma oxidat scderea vitezei ciclului Krebs.Aadar, viteza de
desfurare a ciclului Krebs este strns corelat cu viteza lanului
respirator i a fosforilrii oxidative.3. Activitatea celor trei
enzime care catalizeaz reaciile exergonice din cadrul ciclului
Krebs: citrat sintaza, izocitrat dehidrogenaza, -cetoglutarat
dehidrogenaza. (#11)
EnzimaModulatori pozitiviModulatori negativi
Citrat sintazaADPATP
NADH
Citrat
Izocitrat dehidrogenazaADPATP
NADH
-cetoglutarat dehidrogenazaNADH Succinil-CoA
a) Citrat sintaza - este modulat alosteric:
- pozitiv de ctre ADP;
- negativ de ctre ATP, NADH i citrat (produs al reaciei).
b) Izocitrat dehidrogenaza - este cel mai important punct de
control al ciclului acizilor tricarboxilici (etapa limitant de
vitez). Aceast enzim cheie este modulat alosteric:
- pozitiv de ctre ADP;
- negativ de ctre ATP i NADH.
c) -cetoglutarat dehidrogenaza - este inhibat alosteric de ctre
NADH i succinil-CoA (produs al reaciei).
Existena unor cantiti mari de ATP n celul semnific satisfacerea
necesitilor energetice ale celulei; ATP-ul determin scderea vitezei
de desfurare a ciclului Krebs prin inhibarea alosteric a dou dintre
enzimele supuse controlului metabolic.
Concentraii mari de ADP n celul semnific depleia rezervelor de
ATP; ADP-ul determin accelerarea ciclului Krebs prin activarea a
dou dintre enzime, n felul acesta generndu-se noi cantiti de
ATP.
Acumularea de NADH (ca urmare a scderii reoxidrii sale n lanul
respirator) duce la inhibarea activitii celor trei enzime
reglatorii.
Acumularea de citrat (produs de reacie al citrat sintazei) i de
succinil-CoA (produs de reacie al -cetoglutarat dehidrogenazei)
determin inhibiia feed-back a celor dou enzime.
Ca o concluzie, principalii factori care regleaz viteza de
desfurare a ciclului Krebs sunt rapoartele [NADH]/[NAD+] i
[ATP]/[ADP], care reflect starea energetic a celulei:
- o stare energetic nalt este asociat cu valori crescute ale
celor dou rapoarte, care determin ncetinirea ciclului Krebs, ducnd
la diminuarea produciei de ATP;
- o stare energetic joas este asociat cu valori sczute ale celor
dou rapoarte, care determin accelerarea ciclului Krebs, ducnd la
refacerea rezevelor de ATP ale celulei.
Aceast modalitate de reglare se ncadreaz n mecanismul general de
corelare a ritmului degradrii combustibililor metabolici cu ritmul
utilizrii ATP ca surs de energie.GLUCONEOGENEZAGluconeogeneza (GNG)
reprezint procesul de sintez a glucozei din precursori
neglucidici.
esuturile gluco-dependente necesit o aprovizionare continu cu
glucoz pentru a-i satisface necesitile energetice. n anumite
circumstane, aportul exogen de glucide nu asigur necesarul de
glucoz al esuturilor respective:
- lipsa aportului alimentar de glucide (n perioadele
inter-prandiale i n strile de post, precum i n cazul unei diete
bazat pe lipide i proteine dar srac n glucide);
- efortul muscular susinut.
n aceste condiii se apeleaz la sursele endogene de glucoz:
depozitele de glicogen hepatic: acestea pot asigura necesarul de
glucoz pentru o perioad de 10-18 ore;
sinteza de glucoz prin GNG: este activ, ntr-o anumit msur, i la
cteva ore dup un prnz glucidic, dar rolul su devine foarte
important dup ce rezervele de glicogen hepatic s-au epuizat.
Gluconeogeneza are loc n ficat (90%) i rinichi (10%).
Precursorii de la care se poate porni pentru a se realiza
sinteza de novo a glucozei sunt:
- lactatul
- glicerolul (eliberat prin hidroliza trigliceridelor)
- aminoacizii glucogenici. 1. GNG din lactat
Lactatul provine din glicoliza anaerob n muchiul n activitate i
eritrocit de aici este eliberat n snge captat n ficat, unde este
transformat n glucoz prin GNG glucoza este eliberat n snge de unde
este captat parial de muchi i eritrocit, care o vor folosi ca surs
de energie. n felul acesta se creeaz aa-numitul ciclu lactat-glucoz
ntre muchi/eritrocit i ficat (ciclul Cori). GNG din lactat are loc,
n principiu, prin parcurgerea n sens invers a glicolizei. ns
echilibrul global al glicolizei favorizeaz net formarea
lactatului/piruvatului (procesul este puternic exergonic); ca
urmare:
- reaciile reversibile din glicoliz pot fi parcurse n sens
invers, n GNG, sub aciunea acelorai enzime (enzime comune celor dou
procese);
- trei dintre reaciile glicolizei sunt ireversibile (fiind
puternic exergonice), deci reprezint bariere termodinamice care
mpiedic desfurarea lor n sens invers pentru depirea lor, n GNG
intervin enzime distincte de cele din glicoliz, care catalizeaz
reacii diferite de cele glicolitice (enzime specifice
gluconeogenezei).
Deci, dei glicoliza i GNG mprtesc mai multe etape (7 enzime sunt
comune), totui ele nu sunt ci identice care se desfoar n sensuri
opuse. GNG din lactat ncepe cu transformarea lactatului n piruvat
sub aciunea lactat dehidrogenazei.
(1) Urmeaz prima etap care constituie o barier energetic:
transformarea piruvatului n fosfoenolpiruvat (PEP). n glicoliz,
transformarea PEP n piruvat este realizat ntr-o singur etap,
catalizat de piruvat kinaz. n GNG, transformarea piruvatului n PEP
are loc n dou etape:
Mai nti, piruvatul este transformat n oxalacetat prin
carboxilare sub aciunea piruvat carboxilazei (PC, piruvat
carboxiligaza, enzim din clasa ligazelor). Biotina (o vitamin
hidrosolubil) intervine n calitate de coenzim n aceast reacie; ea
este legat covalent de apoenzima piruvat carboxilazei printr-o
legtur de tip amidic cu o grupare -amino aparinnd unui rest de
lizin din centrul activ, formndu-se biotin-enzima. CO2 particip la
reacia de carboxilare sub form de anion bicarbonat; ntr-o prim etap
HCO3 se leag de o grupare fosfat provenit din ATP, formnd o molecul
carboxil-fosfat. Apoi are loc transferul gruprii carboxil activate
pe biotin-enzim, cu formare de carboxi-biotin-enzim: aceasta este
donorul de grupare carboxil ctre piruvat, cu formare de oxalacetat.
Piruvat carboxilaza este o enzim mitocondrial, iar restul enzimelor
gluconeogenezei sunt localizate n citosol; oxalacetatul nu poate fi
transferat n citosol ca atare (membrana mitocondrial intern nu
conine un transportor pentru oxalacetat), ci sub form de malat: -
oxalacetatul este redus la malat sub aciunea malat dehidrogenazei
mitocondriale;
- malatul este translocat n citosol cu ajutorul unui transportor
specific;
- n citosol, malat dehidrogenaza citosolic oxideaz malatul napoi
la oxalacetat.
Oxalacetatul este transformat n fosfoenolpiruvat sub aciunea
fosfoenolpiruvat carboxikinazei (PEPCK), n prezen de GTP ca donor
de grupare fosfat. Reaciile piruvat carboxilazei i PEP
carboxikinazei au, n anasamblu, G = 0,2 kcal/mol, dar G real este
de aproximativ 6 kcal/mol, ceea ce face ca transformarea
piruvatului n PEP s fie ireversibil la concentraiile reale ale
celor doi compui n celul (PEP este consumat imediat n reaciile
ulterioare ale GNG).
(2) PEP parcurge mai multe etape reversibile din glicoliz, sub
aciunea enzimelor comune glicolizei i gluconeogenezei, pn cnd se
ajunge la cea de a doua barier energetic din glicoliz ce trebuie
depit: transformarea fructozo-1,6-difosfatului n fructoz-6-fosfat
(care corespunde reaciei din glicoliz catalizat de
fosfofructokinaza-1). n GNG, aceast transformare are loc prin
ndeprtarea hidrolitic a fosfatului sub form de fosfat anorganic,
sub aciunea fructozo-1,6-difosfatazei. Fructozo-6-fosfatul este
convertit n glucoz-6-fosfat sub aciunea fosfohexoz-izomerazei.
(3) Ultima barier energetic este transformarea
glucozo-6-fosfatului n glucoz; scindarea hidrolitic a fosfatului
este catalizat de glucozo-6-fosfataza. Ecuaia global a GNG din
lactat:
2 lactat + 4 ATP + 2 GTP + 6 H2O Glucoz + 4 ADP + 2 GDP + 6
Pi
2. GNG din lipide
Lipidele de rezerv (trigliceridele) din esutul adipos reprezint
o alt surs de glucoz. Prin hidroliza trigliceridelor rezult
glicerol i acizi grai.
a) Glicerolul este eliberat n snge, de aici este captat n ficat
i rinichi, unde poate fi transformat n glucoz n modul urmtor: este
fosforilat sub aciunea glicerol kinazei, dup care glicerol-3-P este
oxidat n prezen de NAD+ sub aciunea glicerol-3-P dehidrogenazei, cu
formare de dihidroxiaceton-fosfat (DHAP). DHAP este un intermediar
al glicolizei/gluconeogenezei: din 2 molecule de DHAP, una este
izomerizat la gliceraldehid-3-P (GA-3-P); cele dou trioze formeaz
mpreun fructoz-1,6-difosfat, care apoi parcurge etapele din GNG pn
la formarea de glucoz:
DHAP + GA-3-P F-1,6-P2 F-6-P G-6-P Glucozb) Acizii grai cu numr
par de atomi de C (cum sunt marea majoritate a acizilor grai din
componena trigliceridelor depozitate n esutul adipos), eliberai n
snge dup hidroliza trigliceridelor, sunt captai parial n ficat:
aici sunt degradai prin -oxidare la acetil-CoA.
Pentru a se transforma n glucoz, acetil-CoA ar trebui s se
transforme mai nti n piruvat: acest lucru este imposibil, datorit
ireversibilitii reaciei piruvat dehidrogenazei (care catalizeaz
reacia invers, de transformare a piruvatului n acetil-CoA) din
acest motiv, acizii grai cu numr par de C nu constituie substrate
pentru GNG (avnd n vedere c nici nu exist o alt cale prin care
acetil-CoA s se transforme n piruvat sau ntr-un alt intermediar al
GNG).
3. GNG din aminoacizi
Din cei 20 de aminoacizi existeni n structura proteinelor, 18
pot fi transformai n glucoz (sunt glucogenici sau glucoformatori;
excepie fac leucina i lizina). Pentru a se transforma n glucoz,
aceti aminoacizi sunt metabolizai la: - piruvat acesta este
convertit n glucoz;
- diveri intermediari ai ciclului Krebs acetia, parcurgnd
ciclul, sunt convertii n oxalacetat, care dup transformare n
fosfoenolpiruvat, intr n calea GNG i genereaz glucoz.
Principalul aminoacid glucogenic este alanina: aceasta este
implicat, alturi de glutamin, n transportul gruprilor amino ale
altor aminoacizi de la esuturile extra-hepatice (muchiul scheletic,
n cazul alaninei) spre ficat. Aici, alanina este transformat prin
transaminare n piruvat: - piruvatul va genera glucoz n procesul
GNG, glucoza fiind apoi trimis muchiului pe cale sanguin;
- gruparea amino a alaninei va fi transformat, n cele din urm, n
uree.
Astfel, se formeaz un ciclu alanin-glucoz ntre muchi i ficat:
muchiul furnizeaz ficatului alanin, ca substrat pentru
gluconeogenez, iar ficatul trimite o parte din glucoza format napoi
la muchi, ca surs de energie. REGLAREA GLUCONEOGENEZEI
Viteza de desfurare a gluconeogenezei este reglat prin dou
tipuri de mecanisme, care acioneaz la nivelul enzimelor cheie ale
acestui proces: este vorba de cele patru enzime specifice
gluconeogenezei, care catalizeaz reaciile ce corespund etapelor
ireversibile din glicoliz. (#25)
1. Reglarea activitii unor enzime-cheie prin modulare
alosteric:
piruvat carboxilaza: este activat de acetil-CoA;
fructozo-1,6-difosfataza: este inhibat de fructoz-2,6-difosfat i
AMP.
2. Controlul sintezei celor patru enzime-cheie, n special a
PEPCK (deci modificarea cantitii lor n celul):
Glucagonul, adrenalina i cortizolul: determin inducia enzimelor.
Glucagonul i adrenalina acioneaz prin creterea concentraiei AMPc n
celul, iar acesta activeaz protein kinaza A. Subunitile catalitice
ale PKA intr n nucleu i fosforileaz o protein numit CREB
(CRE-binding protein). Aceasta reprezint un factor de transcripie,
care se leag la o secven reglatorie localizat n vecintatea unor
gene (cum este PEPCK), numit CRE (cAMP response element) i activeaz
transcripia genelor respective. Cortizolul acioneaz prin mecanismul
caracteristic hormonilor liposolubili. Pe lng activarea
transcripiei genelor care codific enzimele cheie ale GNG,
cortizolul stimuleaz i catabolismul proteinelor musculare,
aminoacizii rezultai fiind utilizai apoi n ficat ca substrate
pentru gluconeogenez. Insulina: determin represia enzimelor cheie
ale gluconeogenezei, avnd astfel o aciune inhibitorie asupra
acestui proces.METABOLISMUL GLICOGENULUIGlicogenul reprezint forma
de depozitare a glucozei n organismele animale. Cele mai importante
depozite de glicogen se gsesc n:
- ficat - glicogenul poate reprezenta pn la 10% din greutatea
organului (aprox. 100 g);
- muchi - glicogenul poate reprezenta pn la 1-2% din greutatea
esutului (n jur de 400 g).
Motivul pentru care glucoza este depozitat sub form de glicogen
const n faptul c acesta reprezint o form de stocare din care
glucoza poate fi rapid mobilizat, pentru a asigura necesarul de
glucoz al esuturilor gluco-dependente, n perioadele n care lipsete
aportul exogen sau cnd crete substanial necesarul de glucoz ca surs
de energie, cum se ntmpl n cursul exerciiului fizic.
O alt rezerv de energie o reprezint trigliceridele depozitate n
esutul adipos; dei nsumeaz aprox. 130.000 kcal (fa de aprox. 800
kcal, ct reprezint rezervele de glicogen), depozitarea energiei sub
form de lipide are dou inconveniente fa de depozitarea sa ca
glicogen:
- trigliceridele nu pot fi utilizate ca surs de energie n absena
oxigenului;
- acizii grai din componena trigliceridelor nu pot fi
transformai n glucoz (absolut necesar pentru esuturile
gluco-dependente).
Depozitarea glucozei se face sub form de glicogen i nu sub form
de glucoz liber deoarece glucoza este o substan osmotic activ dac
ntr-o celul s-ar acumula acelai numr de molecule de glucoz sub form
liber, presiunea osmotic intra-celular ar crete foarte mult apa
atras din mediul extra-celular ar determina liza osmotic a celulei
(o concentraie a glicogenului de 0,01 M este echivalent cu o
concentraie a glucozei de 0,4 M).
Structura glicogenului
Glicogenul este un polimer de glucoz cu structur ramificat:
- poriunile liniare sunt formate din molecule de glucoz unite
prin legturi (1-4)-glicozidice;
- ramificaiile sunt create prin formarea de legturi
(1-6)-glicozidice.
Ramificaiile sunt situate la distan de 4 resturi glucozil (n
interiorul moleculei), fiind mai rare spre periferia moleculei;
fiecare lan liniar conine 12-14 molecule de glucoz, iar pe fiecare
lan sunt ataate dou ramificaii. Molecula glicogenului conine un
singur capt reductor (C-1 al unei molecule de glucoz, ce poart
gruparea hidroxil glicozidic), toate celelalte capete ale lanurilor
de glicogen fiind nereductoare (au liber gruparea hidroxil de la
C-4).
Structura ramificat a glicogenului prezint un mare avantaj:
permite sinteza i degradarea sa rapid, enzimele implicate putnd
aciona simultan la nivelul capetelor nereductoare de pe mai multe
lanuri.
I. SINTEZA GLICOGENULUI (GLICOGENOGENEZA)Pentru a putea fi
ncorporat n molecula glicogenului, glucoza trebuie s fie activat cu
un nucleotid, sub form de UDP-glucoz.
- Pentru aceasta, glucoza este mai nti fosforilat la
glucoz-6-fosfat sub aciunea hexokinazei sau a glucokinazei, dup
care este izomerizat la glucoz-1-fosfat sub aciunea
fosfogluco-mutazei.
- Glucozo-1-fosfat uridil transferaza
(UDP-glucoz-pirofosforilaza) catalizeaz apoi transferul unui
radical uridil (UMP) din UTP pe glucoz-1-fosfat, cu formare de
UDP-glucoz; aceasta reprezint o form activ a glucozei: o parte din
energia legturii fosfoanhidridice din UTP care se scindeaz este
nmagazinat n molecula UDP-glucozei, crescnd astfel coninutul de
energie liber al moleculei i fcnd posibil participarea sa la reacia
de sintez a glicogenului.
- Pirofosfatul eliberat n aceast reacie este hidrolizat sub
aciunea pirofosfatazei anorganice; aceasta menine concentraia
pirofosfatului la un nivel redus echilibrul reaciei catalizate de
uridil transferaz este net favorizat n sensul formrii
UDP-glucozei.
UDP-glucoza este donorul de grupare glucozil pentru sinteza
glicogenului: restul glucozil este transferat, sub aciunea glicogen
sintazei, la captul nereductor al unei molecule mici de glicogen
deja existent, care funcioneaz ca primer pentru sinteza
glicogenului. ntruct glicogen sintaza nu poate iniia sinteza de
glicogen pornind de la o molecul de glucoz, este necesar s existe
deja acest primer de glicogen (care s amorseze sinteza
glicogenului); primerul poate fi:
- un lan scurt de glicogen rmas din procese de degradare ale
glicogenului anterioare (cu minimum 4 resturi de glucoz);
- glicogenina: este o protein pe care sunt asamblate, la nivelul
unei grupri OH dintr-un rest de tirozin, primele cteva molecule de
glucoz (provenite din UDP-glucoz, sub aciunea glucozil-transferazic
a proteinei); glicogenina rmne legat la singurul capt reductor al
moleculei de glicogen.
Glicogen sintaza poate realiza numai legturi (1-4)-glicozidice.
Pentru formarea legturilor (1-6)-glicozidice (care creeaz puncte de
ramifiere), atunci cnd lanul s-a alungit cu 11 resturi de glucoz
intervine o alt enzim: enzima de ramifiere [amilo(1-4)(1-6)
transglicozilaza]: aceasta transfer un fragment cu aproximativ 6
resturi glucozil de la captul nereductor al unui lan la atomul C6
al unui rest de glucoz din acelai lan sau dintr-un lan diferit.
Prin formarea unei legturi (1-6)-glicozidice, se creeaz un punct de
ramifiere. Ulterior intervine glicogen sintaza, care va aduga noi
molecule de glucoz prin legturi (1-4)-glicozidice i va alungi
ramificaia.
Ca urmare a modului de aciune al glicogen sintazei, molecula de
glicogen conine un singur capt reductor i o multitudine de capete
nereductoare: acesta constituie un avantaj, ntruct creeaz numeroase
situsuri de aciune pentru enzimele implicate n sinteza i degradarea
glicogenului, ceea ce asigur o eficien sporit a acestor
procese.
Ecuaia global a alungirii moleculei de glicogen cu un rest de
glucoz:
Glucoz + ATP + UTP + (Glucoz)n + H2O (Glucoz)n+1 + ADP + UDP + 2
Pi
Sinteza glicogenului este un proces consumator de energie:
pentru fiecare molecul de glucoz adugat se consum 2 legturi
macroergice.
II. DEGRADAREA GLICOGENULUI (GLICOGENOLIZA)Are loc printr-un
proces de fosforoliz: scindarea legturilor (1-4)-glicozidice de la
captul nereductor al unui lan de glicogen cu ajutorul fosfatului
anorganic eliberarea glucozei terminale sub form de
glucoz-1-fosfat. Acest proces este catalizat de glicogen
fosforilaz, enzim care necesit prezena piridoxal-fosfatului (forma
activ a vitaminei B6) n calitate de cofactor esenial.
Glicogen fosforilaza acioneaz repetitiv pn cnd ajunge la o
distan de 4 resturi glucozil fa de un punct de ramifiere, moment n
care se oprete.
La nivelul ramificaiilor moleculei de glicogen acioneaz o alt
enzim numit enzima de deramifiere, care are activitate dubl:
- prin activitatea oligo-(1-4)(1-4) glucan transferazic, ea
transfer un grup de 3 resturi glucozil de pe lanul care a fost
scurtat pe un alt lan, unde leag acest fragment prin legtur (1-4)
glicozidic;
- prin activitatea (1-6) glicozidazic, enzima scindeaz
hidrolitic restul de glucoz care a rmas la punctul de ramifiere
(legat (1-6)-glicozidic) ndeprteaz aceast molecul de glucoz sub
form de glucoz liber.
Dup ce ramificaia a fost ndeprtat, asupra lanului liniar de
glicogen va aciona n continuare glicogen fosforilaza.
Aadar, produii degradrii glicogenului sunt:
- n principal glucoz-1-P, care rezult n urma procesului de
fosforoliz catalizat de glicogen fosforilaz;
- o cantitate mic de glucoz liber, rezultat de la nivelul
punctelor de ramifiere, n urma procesului de hidroliz catalizat de
enzima de deramifiere.Glucozo-1-P rezultat din glicogenoliz se va
transforma n glucoz-6-P sub aciunea fosfogluco-mutazei. Ulterior,
soarta glucozo-6-fosfatului este diferit n ficat fa de muchi:
- n ficat, glucozo-6-P este hidrolizat sub aciunea
glucozo-6-fosfatazei, cu formare de glucoz liber aceasta este
eliberat n snge cu ajutorul transportorului GLUT2 situat n membrana
plasmatic a celulelor hepatice din snge, glucoza va fi captat de
ctre esuturile gluco-dependente, n vederea satisfacerii necesitilor
energetice;
- n muchi, glucozo-6-fosfataza este absent (deci glucozo-6-P nu
poate fi transformat n glucoz liber), iar glucoza fosforilat nu
poate prsi celula => glucozo-6-P va fi utilizat n glicoliz,
pentru generare de ATP necesar contraciei musculare.
Glicogenul din ficat i cel din muchi au roluri diferite:
n ficat, glicogenul - se sintetizeaz n condiiile abundenei de
glucoz (postprandial);
- se epuizeaz dup 12-20 ore de post.
Rolul glicogenului hepatic este acela de a contribui la
meninerea constant a glicemiei n intervalele dintre prnzuri (ntruct
ficatul poate elibera n snge glucoza rezultat din degradarea
glicogenului, ca urmare a existenei glucozo-6-fosfatazei).
Glicogenul hepatic este prima surs endogen de glucoz la care se
apeleaz pentru a menine nivelul glucozei sanguine n perioadele
interprandiale. Glicogenul hepatic ofer o surs rapid mobilizabil de
glucoz plasmatic, ce poate fi utilizat n absena aportului exogen de
glucide, sau n cursul exerciiului fizic susinut, dup epuizarea
rezervelor de glicogen muscular, pentru a asigura necesarul crescut
de glucoz al muchiului.
n muchi, glicogenul - se epuizeaz dup efortul susinut (n
aproximativ o or);
- se sintetizeaz dup ce muchiul a revenit la starea de repaus,
pentru refacerea depozitelor.
(glicogenul muscular nu este afectat de perioade de post de
cteva zile i scade doar moderat n cursul postului prelungit).
Glicogenul muscular nu poate contribui la meninerea constant a
glicemiei ntre prnzuri: nu poate furniza glucoz sngelui, datorit
absenei glucozo-6-fosfatazei. Rolul glicogenului muscular este
acela de a constitui o rezerv de glucoz utilizabil pentru
satisfacerea necesitilor energetice proprii ale muchiului.
SINTEZ A METABOLISMULUI GLUCIDIC
Caracteristici ale glucozei ca surs de energie:
Glucoza este o surs de energie pentru toate esuturile.
Unele esuturi sunt gluco-dependente: creier, eritrocit, muchi
scheletic n activitate intens.
Glucoza este singurul combustibil care poate genera ATP n
anaerobioz (prin fosforilare la nivel de substrat):
- aport insuficient de oxigen n raport cu necesitile de ATP (de
ex. muchiul scheletic n activitate intens, stri de hipoxie
tisular);
- celule fr mitocondrii (eritrocit).
Alte substrate energogene (provenite din lipide: acizi grai,
corpi cetonici, precum i aminoacizii) pot genera ATP numai n
aerobioz, prin fosforilare oxidativ.
Cei doi hormoni pancreatici - insulina i glucagonul - regleaz
procesele din cadrul metabolismului glucidic, realiznd adaptarea la
necesitile de moment; ei acioneaz asupra enzimelor-cheie din cile
metabolice prin 2 mecanisme:
- influenarea reglrii covalente (prin fosforilare-defosforilare)
a activitii enzimatice;
- modificarea cantitii enzimelor prin inducie-represie.
I. Dup prnzurile glucidice (abunden de glucoz)
Glicemia crete stimuleaz secreia de insulin raport
insulin/glucagon crescut.
Ci metabolice active:
- toate esuturile utilizeaz glucoza ca surs de energie, prin
glicoliz
- n ficat i muchi are loc depozitarea glucozei sub form de
glicogen
- n unele esuturi are loc metabolizarea glucozei pe calea
pentoz-fosfailor sintez de NADPH i riboz-5-fosfat.
Efectele insulinei:
- activeaz procesele care utilizeaz glucoza plasmatic -
glicoliza
- sinteza de glicogen- inhib procesele care produc glucoz -
gluconeogeneza
- degradarea glicogenului
Mecanisme:
captarea glucozei n esuturi (n special muscular i adipos) - prin
nr. de transportori membranari pentru glucoz (GLUT-4)
cantitatea de fructoz-2,6-difosfat (n ficat)
- (+) fosfofructokinaza-1 => glicoliza
- () fructozo-1,6-disfosfataza => gluconeogeneza
inducia enzimelor-cheie ale glicolizei (n special
glucokinaza)
represia enzimelor-cheie ale gluconeogenezei
(+) protein fosfataza-1 defosforilarea:
- glicogen sintazei (+) => glicogenogeneza
- glicogen fosforilazei () => glicogenoliza
Rezultatul acestor aciuni ale insulinei este scderea glicemiei
readucerea sa la normal (la aproximativ 2 ore dup prnzul
glucidic).
II. Inter-prandial i n strile de post (depleie de glucoz)
Glicemia scade este stimulat secreia de glucagon raport
insulin/glucagon sczut.
Ci metabolice active:
- glucoza este consumat, ca surs de energie, numai de ctre
esuturile gluco-dependente
- ficatul produce glucoz prin - degradarea glicogenului
- gluconeogenez
- glucoza produs este eliberat n snge captat de esuturile
gluco-dependente.
Efectele glucagonului:
- activeaz procesele hepatice care produc glucoz -
gluconeogeneza
- degradarea glicogenului
- inhib procesele care utilizeaz glucoza plasmatic -
glicoliza
- sinteza de glicogen
Mecanisme:
cantitatea de fructoz-2,6-difosfat (n ficat)
- (+) fructozo-1,6-disfosfataza => gluconeogeneza
- () fosfofructokinaza-1 => glicoliza
inducia enzimelor-cheie ale gluconeogenezei
cantitatea de AMPc n celulele hepatice activarea protein kinazei
A fosforilarea:
- glicogen fosforilazei (prin intermediul fosforilaz kinazei)
(+) =>
glicogenoliza
- glicogen sintazei () => glicogenogeneza
Rezultatul acestor aciuni ale glucagonului este creterea
glicemiei meninerea sa la un nivel constant n condiiile lipsei
aportului exogen de glucoz.
Proces
metabolic
INSULINAGLUCAGONUL
EfectMecanismEfectMecanism
Glicoliza(+) fosfofructokinaza-1
inducia enzimelor-cheie() fosfofructokinaza-1
Gluconeogeneza() fructozo-1,6-disfosfataza
represia enzimelor-cheie(+) fructozo-1,6-disfosfataza
inducia enzimelor-cheie
Glicogenogeneza(+) glicogen sintaza() glicogen sintaza
Glicogenoliza() glicogen fosforilaza(+) glicogen fosforilaza
PAGE 28