Metabolizam ugljenih hidrata

Παρουσίαση με θέμα: "Metabolizam ugljenih hidrata"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

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: anaerobna oksidacija
Proces glikolize koji se odvija u citosolu, obuhvata razgradnju glukoze preko piruvata do laktata u anaerobnim uslovima, a realizuje se u dve faze A - faza glikolize u kojoj se razgradnja glukoze odvija preko niza intermedijera i uz učešće više enzima do gliceraldehid- 3-fosfata i B - faza glikolize u kojoj se produžava razgradnja glukoze od gliceraldehid-3-fosfata do laktata.

11 Glikoliza Glikoliza je početna faza razgradnje glukoze i zajednička je praktično svim ćelijama. Glikoliza se odigrava u odsutnosti kiseonika pa anaerobnim organizmima može osigurati svu potrebnu metaboličku energiju. U aerobnim ćelijama glikoliza je prva faza razgradnje glukoze.

12 Razgradnja glukoze 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 - preparativna faza

14 Proizvodnja ATP-a Reakcije koje dolaze posle stvaranja fruktozo-1,6-bisfosfata pripadaju delu glikolitičkog puta kojim se proizvodi energija. Raspadom fruktozo-1,6-bisfosfata nastaju dva molekula šećera s tri ugljenikova atoma. Gliceraldehid-3-fosfat se oksidiše u 1,3-bisfosfoglicerat. Fosfatna grupa tog jedinjenja ima vrlo veliku slobodnu energiju hidrolize pa se koristi u sledećoj reakciji glikolize za pokretanje sinteze ATP iz ADP. Produkt te reakcije, 3-fosfoglicerat, prevodi se zatim u fosfoenolpiruvat, drugi visoko-energijski intermedijar u glikolizi.

15 B- faza dobijanja energije

16 Energetski bilans glikolize
Hidroliza visokoenergijskog fosfata u fosfoenolpiruvatu teče pa se konverzija fosfoenolpiruvata u piruvat povezuje sa sintezom ATP. Svaki molekul gliceraldehid-3-fosfata, koja se prevede u piruvat, povezan je s proizvodnjom dva molekula ATP. Od početnog molekula glukoze ukupno se sintetiše četiri molekula ATP. Pošto su dva molekula ATP bila potrebna za otpočinjanje prvih reakcija, čist dobitak od glikolize su dva molekula ATP.

17 Energetski bilans glikolize
Pretvaranje glukoze u piruvat tokom glikolize nastaju dva molekula ATP-a Glukoza + 2Pi + 2ADP + 2NAD+ → 2piruvat + 2ATP + 2NADH + 2H+ + 2H2O

18 Stvaranje redukovanog NADH
Pored proizvedenog ATP, glikoliza pretvara dva molekula koenzima NAD+ u NADH. U toj reakciji NAD+ deluje kao oksidacijsko sredstvo koje prima elektrone od gliceraldehid-3-fosfata. NADH, nastali produkt te reakcije, obnavlja, i služi kao donor elektrona u drugim oksido-redukcijskim reakcijama u ćeliji. U anaerobnim uslovima konverzijom piruvata u laktat ili etanol reoksidiše se NADH nastao glikolizom u NAD+. U aerobnim organizmima NADH služi kao dodatni izvor energije dajući svoje elektrone transportnom lancu elektrona putem kojeg će na kraju poslužiti za redukciju O2 u H2O uz povezano stvaranje dodatnog ATP.

19 Sledeći korak 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 Održavanje redoks ravnoteže: razlicite sudbine piruvata

21

22

23 Čovek NAD+ regeneriše redukcijom piruvata u laktat

24 Kontrola glikolize Kvasci i neki drugi mikroorganizmi regeneriraju
NAD+ oksidacijom piruvata u etanol Glikoliza je strogo kontrolisana Fosfofruktokinaza je kljucni enzim kontrole glikolize

25

26

27 Krebsov ciklus/ ciklus limunske kiseline

28 CIKLUS LIMUNSKE KISELINE
Faza aerobnog metabolizma usmerena je na potpunu oksidaciju piruvata do krajnjih proizvoda ugljen dioksida i vode. Ciklus razgradnje piruvata u aerobnim uslovima detaljno je objasnio biohemičar Hans Krebs po kome je ovaj ciklus dobio naziv Krebsov ciklus. Ovaj ciklus naziva se i ciklus trikarbonskih kiselina, jer u toku njegovog odvijanja stvaraju se molekuli kiselina sa tri karboksilne grupe, kao i ciklus limunske kiseline (citratni ciklus, CLK) zbog veoma bitne uloge koju ima citrat u njemu.

29 CLK Sam ciklus limunske kiseline ima dvostruku ulogu (amfibolična uloga), jer se u njemu susreću reakcije razgradnje (katobolizam) i reakcije sinteze (anabolizam). Oksidativnom dekarboksilacijom piruvata uz učešće multienzimskog (PDH) kompleksa sastavljenog od tri enzima i prisutnog CoA-SH nastaje acetil-S-CoA. Nastali acetil-S-CoA predstavlja “aktivirani acetat”, koji se uključivanjem u ciklus limunske kiseline, razgrađuje do krajnjih proizvoda CO2 i H2O. CLK praktično predstavlja stecište krajnjeg metabolizma i drugih organskih jedinjenja, a to su pre svih, pored ugljenih hidrata, aminokiseline i masne kiseline. U ciklusu limunske kiseline na svaki uključeni molekul acetil-S-CoA nastaju 2 molekula CO2 uz oslobadjanje elektrona i H+ . Akceptori elektrona i H+ u toku skoro svih reakcionih faza CLK su NAD+ i FAD , koji prelaze u NADH i FADH2.

30 CLK Tokom svakog ciklusa limunske kiseline nastaju: 2 molekula GTP,
6 molekula NADH i 2 molekula FADH2 Sa uključenjem 2 molekula acetil-S-CoA (jedan molekul glukoze daje 2 molekula acetil-S-CoA). Oksidacijom svakog molekula NADH nastaju 3 molekula energijom bogatog ATP, i još dva molekula ATP pri formiranju svakog FADH2 . Na ovaj način svaki razgradjeni molekul glukoze daje ukupno 36 molekula ATP. (GTP je ekvivalentan ATP).

31

32

33

34 Aktivacija piruvata Pirogroždjana kiselina - (odn. piruvat) dobijen glikolizom u citosolu transportuje se u mitohondrije gde se razlaže do CO2 i H2O u CTK. Piruvat ne ulazi direktno u ciklus već se prvo oksidativno dekarboksiluje uz učešće enzimskog kompleksa piruvatdehidrogenaze(PDH-kompleks) do stvaranja energijom bogatog tioestarskog jedinjenja acetil-S῀CoA uz oslobadjanje CO2 i redukovanog NADH. Piruvat + NAD+ + CoA -SH ------> acetil-CoA + NADH + CO2 CH3COCOO- +NAD++ CoA-SH CH3CO-S-CoA + NADH +CO2

35 Faze CLK Ciklus se sastoji iz osam faza:
1. Formiranje citrata, kondenzacijom Acetil CoA i oksaloacetata. 2. Pretvaranje citrata u izocitrat preko cis-akonitata. 3. Dehidrogenizacija izocitrata i dobijanje α-ketoglutarata i CO2 4. Oksidacija α-ketoglutarata do sukcinil-CoA i CO2 5. Pretvaranje sukcinil CoA u sukcinat. 6. Dehidrogenacija sukcinata u fumarat. 7. Hidratacija fumarata i formiranje maleata. 8. Dehidrogenacija maleata i formiranje oksalacetata.

36 Faza 1 1. Formiranje citrata, kondenzacijom Acetil CoA i okaloacetata.
Proces katališe i reguliše enzim citrat sintaza . U reakciji metilni ugljenik, acetilne grupe iz Acetil-CoA se kondenzuje sa karbonilnom grupom 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. Pretvaranje citrata u izocitrat preko cis-akonitata.
Enzim akonitaza katalizira reverzibilno pretvaranje citrata u izoctirat preko intermedijerne formacije trikarboksilnog cis akonitata. -Obzirom da se izocitrat stalno transformiše u metabolite naredne faze cilkusa, reakcija se u ćelija stalno odvija udesno. Akonitaza je kompleksan enzim koji sadrži gvožđe

38

39 Faza 3 3. Dehidrogenizacija izocitrata i dobijanje α-ketoglutarata i CO2 Uz pomoć enzima izocitrat dehidrogenaze izocitrat dehirogenizira u α-ketogulrat. izocitrat dehidrogenaza Izocitrat + NAD+ ----> α-ketoglutarat+ CO2+ NADH + H+ Enzim treba jone Mg 2+ i Mn 2+.

40

41 Faza 4 4. Oksidacija α-ketoglutarata do sukcinil-CoA i CO2
U ovoj fazi a-ketoglutarat prolazi oksidatovnu dekarboksilaciju i formira Sukcinil-CoA i CO2. Proces katalizira enzimski kompleks a-ketoglutarat dehidrogenaza

42

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).

44

45 Faza 6 6. Dehidrogenacija sukcinata u fumarat.
Sukcinat, nastao u predhodnom stadijumu iz sukcinil-CoA, se dehidrogenizuje u fumarat. Proces se katališe uz pomoć enzima sukcinat dehidrogenaze, koji je u kovalentnoj vezi sa FAD, koji ima ulogu akceptora vodonikovog atoma, Sukcinat + Sukcinatdehidrogenaza-FAD ----> Fumarat + Sukcinatdehidrogen.-FADH2 Sukcinat dehidrogenaza je inhibirana od strane malonata, što ima važnu ulogu u regulaciji samog ciklusa.

46

47 Faza 7 7. Hidratacija fumarata i formiranje maleata.
Reverzibilna reakcija hidratacije fumarata u L-maleat, katalizirana je enzimom fumarat hidratazom, nazvan i fumaraza. Enzim je molekulske težine oko sa četiri polipeptidne subjedinice, bez koenzima i jako je specifičan. Hidratizuje dvostruku trans vezu fumarata, fumaraza i 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 koncentracija u ćeliji jako mala.

49

50 Energetski bilans CLK Pošto je svaki NADH ekvivalentan 3 ATP, FAD je ekvivalent 2 ATP, a GTP je ekvivalent 1 ATP imamo sledeći ukupan energetski bilans po jednom molekulu glukoze: reakcija Ukupno ATP Glukoza piruvata 2 piruvata CO2 + H2O 2NADH+ H NAD+ 2 ATP 30 ATP 4 ATP 36 ATP

51 Kontrola pojedinih faza CLK