Βιοχημεία Ι Μεταβολισμός Σακχάρων Γλυκόλυση Τρούγκος Κων/νος Αν. Καθηγητής Ιατρικής Σχολής ΕΚΠΑ Εργ. Βιολογικής Χημείας.

ΚΑΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΥΔΑΤΑΝΘΡΑΚΩΝ-I: ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ: ΚΑΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΥΔΑΤΑΝΘΡΑΚΩΝ-I: Πέψη και απορρόφηση των υδατανθράκων της τροφής Γλυκόλυση 18 2

Πεπτικό σύστημα (πεπτικός σωλήνα και επικουρικά όργανα) Πέψη: η διαδικασία με την οποία τα μεγάλα χημικά μόρια των τροφών διασπώνται σε μικρότερα ώστε να μπορέσουν να περάσουν τα τοιχώματα του λεπτού εντέρου και να εισέλθουν στην κυκλοφορία (απορρόφηση) και στη συνέχεια να διανεμηθούν στα κύτταρα όπου και θα χρησιμοποιηθούν. Η διάσπαση των τροφικών μορίων πραγματοποιείται μέσα στον πεπτικό σωλήνα με την βοήθεια ενζύμων. Άπεπτα, μη απορροφήσιμα μόρια αποβάλλονται στη συνέχεια με τα κόπρανα 3

Κυριότεροι υδατάνθρακες της τροφής Φυτικής προέλευσης Άμυλο και κυτταρίνη (πολυσακχαρίτες) Σουκρόζη (δισακχαρίτης) Ζωικής προέλευσης Γλυκογόνο (πολυσακχαρίτης) Λακτόζη (δισακχαρίτης) Η πέψη των υδατανθράκων της τροφής (η διάσπασή τους στους δομικούς λίθους τους, τα απλά σάκχαρα) αποτελεί το 1ο στάδιο του καταβολισμού τους Η πέψη των υδατανθράκων ξεκινάει στη στοματική κοιλότητα (μερική διάσπαση πολύσακχαριτών) και ολοκληρώνεται στο λεπτό έντερο με τη δράση (διάσπαση πολύ- και ολιγοσακχαριτών). Ενζυμα διάσπασης οι γλυκοζιτάσες 4

Ο άνθρωπος δεν παράγει β-ενδογλυκοζιδάσες και γι’ αυτό δεν μπορεί να πέψει την κυτταρίνη 5

Βασικές οδοί μεταβολισμού των υδατανθράκων ΓΛΥΚΟΓΟΝΟ Γλυκογονόλυση Γλυκογονοσύνθεση ΓΛΥΚΟΖΗ Γλυκόλυση Γλυκονεογένεση ΠΥΡΟΣΤΑΦΥΛΙΚΟ ΟΞΥ Οι βασικές οδοί του μεταβολισμού των υδατανθράκων ξεκινούν ή τελειώνουν με τη γλυκόζη

Βασικές οδοί μεταβολισμού των υδατανθράκων ΓΛΥΚΟΓΟΝΟ Γλυκογονόλυση Γλυκογονοσύνθεση ΓΛΥΚΟΖΗ Γλυκόλυση Γλυκονεογένεση ΠΥΡΟΣΤΑΦΥΛΙΚΟ - ΓΑΛΑΚΤΙΚΟ ΟΞΥ Οι βασικές οδοί του μεταβολισμού των υδατανθράκων ξεκινούν ή τελειώνουν με τη γλυκόζη

Γιατί η γλυκόζη είναι τόσο σημαντική για τον οργανισμό μας; Ορισμένοι ιστοί καλύπτουν τις ενεργειακές τους ανάγκες αποκλειστικά μέσω του καταβολισμού της γλυκόζης (ερυθρά αιμοσφαίρια, μυελός των νεφρών) Το νευρικό σύστημα καλύπτει τις ενεργειακές του ανάγκες κυρίως μέσω του καταβολισμού της γλυκόζης (σε περιπτώσεις παρατεταμένης νηστείας αναγκάζεται να καταβολίσει κετονοσώματα και να μειώσει τη δραστηριότητα του) 8

Πραγματοποιείται στο κυτταρόπλασμα των κυττάρων ΓΛΥΚΟΛΥΣΗ Αποτελεί το κέντρο του μεταβολισμού των υδατανθράκων: όλα τα σάκχαρα μετατρέπονται σε γλυκόζη Πραγματοποιείται στο κυτταρόπλασμα των κυττάρων Η τελική πορεία της γλυκόλυσης εξαρτάται από την παρουσία μιτοχονδρίων και επάρκειας οξυγόνου (αερόβια ή αναερόβια γλυκόλυση) Η Γλυκόλυση χρησιμοποιείται από όλους τους ιστούς για τη διάσπαση της γλυκόζης (παραγωγή ενέργειας και ενδιάμεσων προϊόντων για άλλες μεταβολικές οδούς) 9

ΣΤΟΧΟΙ Περιγραφή και κατανόηση : 1) της οδού αξιοποίησης της γλυκόζης σαν πηγή ενέργειας

ΣΤΟΧΟΙ Περιγραφή και κατανόηση : 1) της οδού αξιοποίησης της γλυκόζης σαν πηγή ενέργειας 2) της οδού σχηματισμού της γλυκόζης από μη υδρογονανθρακικά πρόδρομα (ΓΛΥΚΟΝΕΟΓΕΝΕΣΗ) . 3) της ρύθμισης των οδών αυτών

Γλυκόζη Μόριο που καταλαμβάνει κεντρική θέση στο μεταβολισμό ζώων, φυτών και πολλών μικροοργανισμών. Καύσιμο πλούσιο σε ενέργεια Ενέργεια υπό αναερόβιες συνθήκες Πολυμερίζεται και αποθηκεύεται Ευέλικτο πρόδρομο μόριο (παράγει τεράστια ποικιλία μεταβολικών ενδιαμέσων για βιοσυνθετικές αντιδράσεις).

Μεταβολική «τύχη» της γλυκόζης (ΑΤΡ και μεταβολικά ενδιάμεσα) (ΝΑDPH)

Μεταβολική «τύχη» της γλυκόζης Άμυλο : μορφή αποθήκευσης της γλυκόζης στα φυτά Γλυκογόνο : μορφή αποθήκευσης της γλυκόζης στους ιστούς των ζώων

Γλυκομεταφορείς Η μεταφορά της γλυκόζης δια μέσου των κυτταρικών μεμβρανών γίνεται με την βοήθεια ειδικών πρωτεινών-φορέων. Η γλυκόζη είναι υδρόφιλη και δεν μπορεί να διέλθει δια μέσου των λιπιδίων της κυτταρικής μεμβράνης. --- Ενεργητική μεταφορά μέσω συν-μεταφορέα Να-Glu (έντερο, επιθηλιακά κύτταρα νεφρών) --- Μηχανισμός διευκολυνόμενης διάχυσης (Glut)

Απορρόφηση των μονοσακχαριτών από τον αυλό του εντέρου στην κυκλοφορία 17

Γλυκομεταφορείς

ενδοθηλιακά κύτταρα και ερυθροκύτταρα νευρικά κύτταρα

Γλυκόλυση Η γλυκολυτική οδός ή οδός Embden-Meyerhof είναι μια αρχέγονη διαδικασία που τελείται από όλα τα κύτταρα του ανθρώπινου σώματος και περιλαμβάνει την αναερόβια διάσπαση της γλυκόζης σε πυροσταφυλικό ή και γαλακτικό οξύ με ταυτόχρονη απελευθέρωση ενέργειας με τη μορφή ΑΤΡ (ΑΝΑΕΡΟΒΙΟΣ ΓΛΥΚΟΛΥΣΗ). Λαμβάνει χώρα στο κυτταροδιάλυμα.

Αερόβιος Γλυκόλυση Στο κύτταρο μπορεί να «καεί» (οξειδωθεί) πλήρως σε CO2 και H2O μέσα από μια διαδικασία 30 βημάτων που περιλαμβάνει τον k. Krebs και την Οξειδωτική Φωσφορυλίωση => ΑΕΡΟΒΙΟΣ ΓΛΥΚΟΛΥΣΗ η γλυκόλυση αποτελεί μόνο τα πρώτα μερικά στάδια αυτής της καύσης.

Για άλλους ιστούς είναι εξαιρετικά σπουδαία σαν προκαταρκτική οδός Γλυκόλυση : Για κάποιους ιστούς η γλυκόλυση αποτελεί μια οδό επείγουσας μόνο παραγωγής ενέργειας ικανής να παράγει 2mol ΑΤP ανά mol γλυκόζης κατά την απουσία ή μερική έλλειψη οξυγόνου. Πχ Έντονη μυική άσκηση Για άλλους ιστούς είναι εξαιρετικά σπουδαία σαν προκαταρκτική οδός Εγκέφαλος (120γρ/ημέρα)

Διατήρηση ενέργειας (ΑΤΡ, NADH) Γλυκόλυση : Ακολουθία ενζυμικά καταλυόμενων αντιδράσεων που μεταβολίζουν ένα μόριο γλυκόζης σε δύο μόρια πυροσταφυλικού οξέος Διατήρηση ενέργειας (ΑΤΡ, NADH) Mεταβολική πορεία που χρησιμοποιείται από ένα πλήθος οργανισμών. Η οδός με τη μεγαλύτερη «κυκλοφορία» άνθρακα στα περισσότερα κύτταρα. Γλυκόλυση : αποκλειστική πηγή μεταβολικής ενέργειας σε μερικούς ιστούς και κυτταρικούς τύπους θηλαστικών (εγκέφαλο, ερυθρά αιμοσφαίρια, μυελός νεφρών, σπερματοζωάρια)

Στάδιο ενεργοποίησης Στάδιο διάσπασης (η αντίδραση 7 είναι αμφίδρομη)

Χημικοί μετασχηματισμοί Αποδόμηση ανθρακικού σκελετού Φωσφορυλίωση του ADP σε ATP Μεταφορά ενός ιόντος υδριδίου στο NAD+ για σχηματισμό NADH

Σημασία των φωσφορυλιωμένων ενδιαμέσων Δεν περνούν την κυτταρική μεμβράνη (οι φωσφορικοί εστέρες  υδρόφιλοι, φορτισμένοι

Στάδιο ενεργοποίησης Στάδιο διάσπασης, Η αντίδραση 7 είναι αμφίδρομη

1η αντίδραση Η φωσφορυλίωση της γλυκόζης από το ΑΤΡ είναι μια θερμοδυναμικά ευνοική, μη αναστρέψιμη, υπό κυτταρικές συνθήκες αντίδραση Υπόκειται σε ρύθμιση

Φωσφορυλίωση της γλυκόζης

Εξοκινάση Χρειάζονται Μg ++ ή άλλο δισθενές μέταλλο για δραστικότητα Γλυκοκινάση (ισοένζυμο στο ήπαρ) (διαφορετικές κινητικές και ρυθμιστικές ιδιότητες) Φωσφορυλιώνει κι άλλες εξόζες

Φωσφοφρουκτοκινάση 1 (PFK1) 1ο δεσμευτικό βήμα της γλυκόλυσης Ρυθμιστικό ένζυμο –κύριο σημείο ελέγχου της γλυκόλυσης Χρειάζεται Μg ++ ή άλλο δισθενές μέταλλο για δραστικότητα

Αλδολάση διάσπαση ανθρακικού σκελετού

Ισομεράση φωσφορικών τριοζών

Προπαρασκευαστική φάση της γλυκόλυσης Προπαρασκευαστική φάση της γλυκόλυσης Από γλυκόζη  2 μόρια 3-GAP Kατανάλωση 2 μορίων ΑΤΡ 2 μη αντιστρεπτές αντιδράσεις

Παραγωγική φάση της γλυκόλυσης Ακυλοφωσφορικό : έχει υψηλό δυναμικό μεταφοράς φωσφορικών ομάδων Η GAP οξειδώνεται σε ένα καρβοξυλικό οξύ με ταυτόχρονη αναγωγή του NAD+ σε NADH

Κινάση φωσφορογλυκερικού

Ανεπάρκεια της πυροσταφυλικής κινάσης: η πιο συχνή κληρονομική ανεπάρκεια γλυκολυτικών ενζύμων ↓ της δραστικότητας της πυρ. κινάσης ↓ της ταχύτητας της γλυκόλυσης  ανεπάρκεια κάλυψης των ενεργειακών αναγκών των ερυθροκυττάρων  Παραμόρφωση του σχηματων των ερυθροκυττάρων λύση των ερυθροκυττάρων ΑΙΜΟΛΥΤΙΚΗ ΑΝΑΙΜΙΑ Φυσιολογικό άτομο Άτομο με ανεπάρκεια πυρ.κινάσης 41

ΙΣΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΓΛΥΚΟΛΥΣΗΣ Γλυκόζη + 2ΑDΡ + 2 ΝΑD+ + 2Pi  2 πυροσταφυλικό + 2NADH + 2H++ 2ΑΤΡ +2Η2Ο

Πυροσταφυλικό οξύ Kαταβολικός ρόλος Αναβολικός ρόλος

Μεταβολική «τύχη» του πυροσταφυλικού

Διατήρηση του ισοζυγίου της οξειδοαναγωγής Για να συνεχιστεί η γλυκόλυση θα πρέπει να αναγεννηθεί το NAD+ το οποίο υπάρχει σε περιορισμένη ποσότητα στον οργανισμό και προέρχεται από την βιταμίνη νιασίνη

(3ος τρόπος) Ένας άλλος τρόπος αναγέννησης του NAD+ είναι η είσοδος του πυροσταφυλικού στον κύκλο του κιτρικού οξέος. Αυτό γίνεται με τον σχηματισμό του ακετυλο- CoΑ κατά την οξειδωτική αποκαρβοξυλίωση του πυροσταφυλικού στα ΜΙΤΟΧΟΝΔΡΙΑ. Πυροσταφυλικό +NAD+ +CoA  ακετυλοCoA +CO2 + NADH Το NAD+ αναγεννάται κατά την οξειδωτική φωσφορυλίωση

Zύμωση Περιγράφει διεργασίες που αποσπούν ενέργεια υπό τη μορφή ΑΤΡ χωρίς να καταναλώνουν οξυγόνο ή να μεταβάλλουν τις συγκεντρώσεις των NAD+ ή NADH. Μερικά από τα προιόντα της ζύμωσης έχουν εμπορικό ενδιαφέρον. Γαλακτική ζύμωση Αλκοολική ζύμωση

Ζύμωση Η ζύμωση παρέχει μικρότερη ποσότητα ενέργειας απ΄ότι η πλήρης καύση της γλυκόζης . Γιατί χρησιμοποιείται? ΓΙΑΤΙ ΔΕΝ ΑΠΑΙΤΕΙ ΟΞΥΓΟΝΟ  ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΑΝΟΞΙΑΣ ΚΑΙ ΥΠΟΞΙΑΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΓΑΛΑΚΤΙΚΟΥ ΟΞΕΟΣ ΑΠΌ ΤΟΥΣ ΣΚΕΛΕΤΙΚΟΥΣ ΜΥΣ ΌΤΑΝ ΟΙ ΑΝΑΓΚΕΣ ΓΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΞΕΠΕΡΝΟΥΝ ΤΗΝ ΙΚΑΝΟΤΗΤΑ ΓΙΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΟΞΥΓΟΝΟΥ.

Γαλακτική ζύμωση ( γλυκόζη  γαλακτικό) Το γαλακτικό σχηματίζεται από το πυροσταφυλικό σε κάποιους μικροοργανισμούς αλλά και σε ανώτερους οργανισμούς όταν η ποσότητα του οξυγόνου είναι οριακή (έντονη μυική δραστηριότητα) ή και υπό αερόβιες συνθήκες (όταν πχ. δεν διαθέτουν μιτοχόνδρια) Αμφιβληστροειδής, Κερατοειδής, Φακός, Ερυθρά αιμοσφαίρια

Αλκοολική ζύμωση ( γλυκόζη  αιθανόλη και CO2) Η αιθανόλη σχηματίζεται από το πυροσταφυλικό στους ζυμομύκητες και μερικούς άλλους μικροοργανισμούς.

Αποκαρβοξυλάση πυροσταφυλικού Περιέχει ως προσθετική ομάδα TPP (Thiamine pyrophosphate) πυροφωσφορική θειαμίνη (Vit Β1). Eλλειψη TPP, νόσος Beri-Beri.

Aλκοολική δευδρογενάση Υπάρχει σε πολλούς οργανισμούς που μεταβολίζουν την αιθανόλη (άνθρωπος) Βρίσκεται στο κυτταρόπλασμα των ηπατικών κυττάρων (σχεδόν αποκλειστικά)

Ζυμώσεις Αποδίδουν ποικίλα κοινά τρόφιμα αλλά και βιομηχανικές χημικές ουσίες Lactobacillus Bulgarius  Γαλακτικό οξύ pH χαμηλόκαθίζηση πρωτεινώνγιαούρτι πηκτό Propionibacterium freudenreichi προπιονικό οξύ και CO2 (τυρί Εmental) Clostridium acetobutyricum βουτανόλη και ακετόνη Πτώση pH, διατήρηση τροφίμων αναλλοίωτα από Βακτήρια

Καρκινικά κύτταρα Σε όγκους πρόσληψη γλυκόζης και γλυκόλυση 10πλάσια ταχύτητα / φυσιολογικό ιστό. Καρκινικά κύτταρα (Κκ)αντιμετωπίζουν υποξία (/παροχή Ο2 λόγω έλλειψης τριχοειδών). Για το λόγο αυτό κάνουν αναερόβια γλυκόλυση για παραγωγή ΑΤΡ (πυροσταφυλικόγαλακτικό). Κκ έχουν αύξημένα επίπεδα γλυκολυτικών ενζύμων. Ο ΗΙF (Hypoxia Inducible Factor) διεγείρει 8 γλυκολυτικά ένζυμα.

ΚΑΙ ΕΙΣΟΔΟΣ ΦΡΟΥΚΤΟΖΗΣ ΣΤΗ ΓΛΥΚΟΛΥΣΗ ΕΙΣΟΔΟΣ ΓΑΛΑΚΤΟΖΗΣ ΚΑΙ ΕΙΣΟΔΟΣ ΦΡΟΥΚΤΟΖΗΣ ΣΤΗ ΓΛΥΚΟΛΥΣΗ

Μεταβολισμός της γαλακτόζης Εάν δεν παρέχεται γαλακτόζη από την τροφή, τότε όλες οι ανάγκες των ιστών για UDP-γαλακτόζη καλύπτονται μέσω μετατροπής της UDP-γλυκόζης Γαλακτοζαιμία (ανεπάρκεια της ουριδιλοτρανσφεράσης της 1-φωσφορικής γαλακτόζης): - συσσώρευση της 1-φωσφορικής γαλακτόζης - διαταραχή στο μεταβολισμό των υδατανθράκων (υπογλυκαιμικά επεισόδια) - ηπατικές βλάβες, νοητική υστέρηση, καταρράκτης

Γενετικές διαταταχές μεταβολισμού γαλακτόζης Αδυναμία μεταβολισμού γαλακτόζης λόγω ενζύμων που μετατρέπουν τη γαλακτόζη σε γλυκόζη (γαλακτοκινάσης, επιμεράσης, ουριδιλομεταφοράσης της 1-Ρ-γαλακτόζης) οδηγούν σε πάθηση ΓΑΛΑΚΤΟΖΑΙΜΙΑ (συσσώρευση γαλακτόζης στο αίμα και ούρα).

Γαλακτοζαιμία Ελλειψη γαλακτοκινάσης οδηγεί σε ήπια διαταραχή, πρώιμος σχηματισμός καταρράκτη στα βρέφη λόγω εναπόθεσης γαλακτιτόλης στο φακό. Ελλειψη ουριδυλομεταφοράσης της 1-Ρ-γαλακτόζης ή επιμεράσης οδηγεί σε σοβαρή πάθηση, βλάβη στο ΚΝΣ, διαταραχή ανάπτυξης και ομιλίας και ηπατική βλάβη Συσσώρευση 1-Ρ-γαλακτόζης οδηγεί σε ηπατική ανεπάρκεια.

Θεραπεία Αφαίρεση γαλακτόζης από διατροφή Υπενθύμιση δισακχαρίτης Λακτόζη. Λακτόζη = γλυκόζη + γαλακτόζη

Δυσανεξία στη Λακτόζη Πάθηση κοινή σε πολλούς πληθυσμούς (εκτός Β. Ευρώπης και ορισμένα μέρη Αφρικής). Οφείλεται σε πλήρη ή μερική εξαφάνιση ενεργότητας λακτάσης στα εντερικά κύτταρα. Δεν αποδομείται η λακτόζη (δισακχαρίτης) και δεν απορροφάται στο λεπτό έντερο.

Δυσανεξία στη Λακτόζη Περνά στο παχύ έντερο όπου βακτήρια τη μετατρέπουν σε τοξικά προιόντα που προκαλούν κολικό και διάρροια. Άλλο πρόβλημα είναι η αύξηση ωσμωμοριακότητας του εντέρου που ευνοεί την κατακράτηση νερού στο έντερο. Δεν πρέπει να γίνεται κατανάλωση γάλακτος για βελτίωση προβλημάτων.

Πτώση στη δραστικότητα της λακτάσης ΜΗ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΔΟΜΗΣΗ ΤΩΝ ΔΙΣΑΚΧΑΡΙΤΩΝ: Το παράδειγμα της ΔΥΣΑΝΕΞΙΑΣ ΣΤΗ ΛΑΚΤΟΖΗ Πτώση στη δραστικότητα της λακτάσης Είσοδος λακτόζης στο παχύ έντερο Μεταφορά νερού από το βλεννογόνο στο παχύ έντερο Διάσπαση της λακτόζης από τα βακτήρια στο παχύ εντέρου προς γαλακτικό οξύ, μεθάνιο και Η2 ΤΥΜΠΑΝΙΣΜΟΣ ΔΙΑΡΡΟΙΑ ΑΦΥΔΑΤΩΣΗ 68