94glicoliza Şi gluconeogeneza

GLICOLIZA ŞI GLUCONEOGENEZA

Prin definiţie glicoliza este conversia glucozei în piruvat, cu producere de ATP şi NADH. Glicoliza este foarte intensă în creier, muşchi, ficat, rinichi, iar pentru anumite tipuri de celule, eritrocite, neuroni, spermatozoizi ea este principala sursă de energie.

Gluconeogeneza este sinteza glucozei din precursori neglucidici cum ar fi, piruvatul şi lactatul; glicerolul; intermediarii ciclului citric; 18 aminoacizi codificaţi genetic numiţi şi aminoacizi glucoformatori.

Aceşti precursori pot fi transformaţi într-un metabolit comun oxalacetatul, care este materialul de pornire al gluconeogenezei hepatice.


AlaCysGlySerThrTrp

Lactat

Piruvat

H3C C

O

O-

C

O

O-

Oxaloacetat

Glucozã

DOAP

Glicerol

AspAsn

Acetil-CoA

Citrat

Succinil-CoA

Succinat

Fumarat

Malat

C

O

C

O

CH2

O-

C

O

Izocitrat

Cetoglutarat

CH2 C

O

C

O

CH2

O-

C

O

O-

CH2 C

O

CH2

O-

C

O

SCoAArgGluGlnHisPro

PropionatIleMetVal

O-

C

O

O-

CH CH C

O

PheTyr

GLICOLIZA ŞI GLUCONEOGENEZAGluconeogeneza poate avea loc în principal în două

organe, ficatul şi rinichii şi intensitatea ei depinde de condiţiile metabolice. În condiţii normale ficatul asigură 85-95% din necesarul total de glucoză. Efortul fizic prelungit consumă rapid rezervele de glicogen hepatic şi muscular, ceea ce face necesară intensificarea gluconeogenezei în ficat, din precursori cum ar fi lactat rezultat din glicoliza anaerobă, precum şi din glicerolul rezultat în urma lipolizei hormon dependente.

Glicoliza şi gluconeogeneza, joacă un rol important în energogeneză, şi în homeostazia glicemiei. Intensifi carea gluconeogenezei determină intensificarea conversiei aminoacizilor gluconeogenetici circulanţi, care pot fi de origine alimentară, în intermediari ai ciclului citric cât şi degradarea acizilor cu număr impar de atomi de carbon în propiaonat.


Mecanismul chimic al glicolizei şi gluconeogenezei

GlucozaPi

H2O

ATP

ADPG-6-P

F-6-P

F 1,6-P2

DOAP Gliceraldehid -3-P

Hexokinaza Glucozo-6-fosfataza

Fosfogluco izomeraza

Fosfofructo kinaza

ATP

ADP

Fructozo-difosfataza

Pi

H2O

Aldolaza

Triozofosfat izomeraza

1,3-difosfoglicerat

3-fosfoglicerat

2-fosfoglicerat

Fosfoenolpiruvat

NAD++PiNAD++Pi

NADH+H +

NADH+H +

Gliceraldehid-3-P dehidrogenaza

ADPADP

ATPATP

Fosfoglicero- kinaza

Fosfoglicerat- mutaza

Enolaza

PiruvatOxaloacetat

GDP+CO2

GTP

ADP+Pi

ATP+CO2

ADP

ATP

PEPCK

Piruvatcarboxilaza

Piruvat kinaza

1

2

3

3


O

CH2OH

H

HO OHH

H

H

OH

OHH H

OH

OH

H

H

HOHHO

H O+ATP Mg2+

hexokinaza

CH2OPO32-

Glucoza Glucozo-6-fosfat

+ ADP + H+

Fosforilarea glucozei

Hexokinază (HK), enzimă reglatoare a glicolizei, relativ nespecifică, care acţionează în toate celulele din ţesuturile extrahepatice care conţin D glucoză sau D manoză. Mecanismul reacţiei este de tipul potrivirii induse. Hexokinaza, ca şi alte kinaze, necesită ioni Mg2+ deoarece adevăratul substrat nu este ATP4- ci complexul ATPMg2-

O

H

NH2

H HH

OH

N

CN

C

CC

N

CH

N

OH

P O CH2

O

-O

H

P O

O

-O

P O

O

-O

-O

Mg2+

În loc de hexokinază, ficatul conţine glucokinază, enzimă specifică a cărei afinitate pentru glucoză este mult mai mică, ceea ce înseamnă că este semi-saturată la o concentraţie mai mare decât concentraţia glucozei în sânge. Întrucât transportul glucozei prin membrana hepatocitului este facil, concentraţia intracelulară a acesteia este apropiată de glicemie permiţând ca glucokinaza (GK) să controleze în mod direct nivelul glicemiei.

Pe de altă parte glucokinaza este o enzimă inductibilă a cărei sinteză creşte şi în dieta bogată în glucide şi ca răspuns la secreţia de insulină. Cu alte cuvinte, atunci când dieta este bogată în glucide excesul de glucoză este convertit de GK în glucozo-6-P, care nu inhibă glucokinaza, G-6-P fiind apoi convertită în glicogen. Astfel este prevenită creşterea post-prandială a glicemiei în circulaţia sistemică.


Conversia glucozo-6-P în fructozo-6-PHOH

OH

H

H

HOHHO

H O

CH2OPO32-

Glucozo-6-fosfat

O CH2OH

fosfogluco-izomeraza OH

HO H

HH

HO

CH2OPO32-

Fructozo-6-fosfat

Enzima este fosfogluco izomeraza (PGI) a cărei activitate depinde de pH, care acţionează după mecanismul de tip acido-bazic.


Fosforilarea fructozo-6 PO CH2OH

OH

HO H

HH

HO

CH2OPO32-

Fructozo-6-fosfat

fosfofructokinaza

Mg2+

ATP ADP+H+

O

OH

HO H

HH

HO

CH2OPO32-

Fructozo-1,6-difosfat

CH2OPO32-

Enzima este fosfofructokinaza (PFK1) care joacă un rol central atât în reglarea glicolizei cât şi a gluconeogenezei. Este activată alosteric de AMP şi fructozo-2,6-P2 şi este inhibată alosteric de ATP şi citrat.PFK1 este mai importantă decât hexokinaza datorită rolului jucat de G-6-P în metabolismul glucidic. G-6-P poate proveni nu numai din glucoză ci şi din glicogen, în special în muşchiul scheletic, ceea ce reduce rolul HK în controlul glicolizei.


Clivajul fructozo-1,6-P2O

H

H

H

HO

OH

OH

aldolaza

CH2OPO32-

CH2OPO32-

C

C

C

C

C

C

CH2OPO32-

HO

O

H2

C

C

CH2OPO32-

OH

H

H

O+

Dihidroxiaceton fosfat

Fructozo-1,6-difosfat Glicerinaldehid

3-fosfat

Clivajul aldolic rupe F-1,6-P2 între C(3) şi C(4) rezultând doi compuşi cu schelete identice, triozofosfaţii: dihidroxiaceton fosfat (DOAP) şi gliceraldehid-3-P (GA-3-P). Enzima, aldolaza B catalizează reacţia după un mecanism de tip acido-bazic. De asemenea aldolaza catalizează formarea temporară a unei baze Schiff între gruparea carbonil a F-1,6-P2 şi un radical de lizină prin care se facilitează ruperea legăturii C(3)-C(4).


Interconversia triozofosfaţilorC

C

CH2OPO32-

HO

O

H2

Dihidroxiaceton fosfat

triozofosfat izomeraza

Glicerinaldehid 3-fosfat

C

C

CH2OPO32-

OH

H

H

O

Numai unul din triozofosfaţi continuă pe cale glicolitică, GA-3-P, care poate proveni şi din DOAP. Enzima reacţiei de interconversie este triozofosfat izomeraza (TPI) a cărei activitate depinde de pH şi ca şi în cazul fosfogluco izomerazei în centrul activ al TPI sunt doi radicali de aminoacizi având funcţii de bază generalizată, respectiv acid generalizat.


Oxidarea GA-3-P

Glicerinaldehid 3-fosfat

C

C

CH2OPO32-

OH

H

H

O

NAD++Pi NADH+H +

gliceraldehid-3-fosfo- dehidrogenaza

1,3-Difosfo- glicerat

C

C

CH2OPO32-

OHH

O OPO32-

Oxidarea aldehidei care este o reacţie exergonică furnizează cu energie liberă sinteza legăturii macroergice din compusul super-macroergic 1,3 difosfoglicerat (1,3-DPG). Enzima este gliceraldehid-3-P dehidrogenaza (GA-3-P-DH) care, poate fi otrăvită de acidul iodacetic,prin alchilare a unui radical de Cys din structura GA-3-P-DH, prin urmare, prin urmare enzima aparţine grupei tiol-enzimelor.


Sinteza ATP din 1,3-DPG fosfoglicerat kinaza

1,3-Difosfo- glicerat

C

C

CH2OPO32-

OHH

O OPO32-

ATPADP

Mg2+

3-Fosfoglicerat

C

C

CH2OPO32-

OHH

O-O

În această transformare reversibilă compusul macroergic 1,3-DPG, produce fosforilarea ADP, reacţia numindu-se fosforilare la nivel de substrat.Enzima care catalizează această reacţie este fosfoglicerat kinaza (PGK). Conformaţie ei este bilobată, unul din domenii conţinând centrul de asociere a substratului ADP Mg iar celălalt domeniu conţine al doilea centru, cel de asociere a substratului 1,3-DPG. Prin asocierea substraturilor cele două centre se apropie permiţând substraturilor să reacţioneze.


Conversia 3-PG în 2-PG fosfoglicerat mutaza

3-Fosfoglicerat3-Fosfoglicerat

OH

O

C

C

CH2OPO32-

H

-O

C

C

H

O

OPO32-

O-

CH2OH2-Fosfoglicerat

Enzima care catalizează această reacţie este o fosfoglucomutază (PGM). În stare activă aceasta are o grupare fosforil în centrul său activ. În prima etapă ea transferă fosforilul la substrat (3-PG) pentru a forma intermediarul difosforilat 2,3-difosfoglicerat (2,3-DPG). În următoare etapă acest intermediar refosforilează enzima care se regenerează, rezultând produsul 2-fosfoglicerat (2-PG). Prin disocierea 2,3-DPG de enzimă aceasta din urmă se dezactivează deoarece rămâne în stare nefosforilată. Prin urmare sunt necesare cantităţi catalitice de 2,3-DPG pentru regenerarea mutazei active, esterul difosforic jucând rolul unui primer al PGM.


Şuntul Rapaport-Luebering

difosfoglicerat mutaza

3-Fosfoglicerat

2-Fosfoglicerat

Gliceraldehid-3-fosfat

1,3-Difosfoglicerat

GAPDH

PGK

PGM2,3-Difosfoglicerat

CH2OPO32-

H

O

OPO32-

O-

C

C

2,3-difosfoglicerat fosfataza

Pi

În eritrocite există două enzime care realizează o "buclă metabolică" corelată cu glicoliza, necesară sintezei 2,3-DPG. Ea constă în conversia 1,3-DPG în 2,3-DPG sub acţiunea unei mutaze şi în transformarea 2,3 DPG în 3-PG sub acţiunea unei fosfataze. Această buclă elimină reacţia de fosforilare la nivel de substrat, ceea ce anulează beneficiul energetic (ATP) creat de glicoliză în eritrocit.

GLICOLIZA ŞI GLUCONEOGENEZA Conversia 2-PG la PEP

enolazaC

C

H

O

OPO32-

O-

CH2OH2-Fosfoglicerat

CH2

C

C

H

O

OPO32-

O-

Fosfoenolpiruvat

+H2O

Enzima, o enolază catalizează eliminarea apei, determinând rearanjarea atomilor. Astfel se produce cel de-al doilea compus super-macroergic al glicolizei, fosfoenolpiruvatul (PEP). Pentru formarea complexului enzimă-substrat este absolut necesară prezenţa cationilor bivalenţi Mg2+ sau Mn2+. Fluorura inhibă activitatea enolozei probabil prin formarea fluorofosfatului de magneziu (compus insolubil). Se pare că toate enzimele care necesită drept activator ionii de Mg2+, sunt inhibate de ionul de fluorură.


Sinteza ATP din PEP

CH2

C

C

H

O

OPO32-

O-

Fosfoenolpiruvat

piruvatkinaza

C

CO O-

PiruvatCH3

O

ADP+H+ATP

Aceasta reacţie este tot o fosforilare la nivel de substrat. Mecanismul reacţiei implică două etape. În prima etapă, gruparea fosfat de pe fosfoenolpiruvat este transferată ADP-ului care se transformă în ATP. Etapa a doua constă în tautomerizarea enolpiruvatului în piruvat. În condiţii fiziologice reacţia este puternic exergonică, adică este ireversibilă. Enzima este piruvat kinaza (Pyr-K), care de fapt catalizează numai prima etapă, cea de-a doua având loc neenzimatic.


Fermentaţia lactică şi alcoolică

HHNR

C

ONH2

+NR

C

ONH2

C

C

O

O-

CH3

H OH

Lactat

C

C

O

O-

PiruvatCH3

O

NAD+NADH

+ +

CO2

C

C

O

O-

PiruvatCH3

O

piruvatdecarboxilaza

alcooldehidrogenaza

Etanol

C

CH3

H OH

HH

C

AcetaldehidaCH3

O

NADH

NAD+


Mecanismul chimic al gluconeogenezei

În pofida simetriei celor două conversii (glucoză ↔ piruvat) parcurgerea în sens invers nu este identică cu parcurgerea în sens direct a ei. În condiţii fiziologice, din cele 10 reacţii ale glicolizei, trei sunt ireversibile 1, 3, 10. Parcurgerea în sens invers a acestor 3 reacţii necesită un echipament enzimatic specific gluconeogenezei, în timp ce parcurgerea în sens gluconeogenetic a celorlalte 7 reacţii utilizează aceleaşi enzime ca şi glicoliza datorită reversibilităţii lor.


Conversia piruvatului în fosfoenolpiruvat (PEP)

Dacă precursorul nu furnizează NADH citosolar, strict necesar gluconeogenezei în faza ei citosolară, se parcurge calea malat. Este cazul precursorilor piruvat şi alanină.

CITOSOL MATRIX MITOCONDRIAL

membranamitocondrialã

Pyr PyrH+ ATP+CO2

piruvatcarboxilazã

ADP+PiOA

MALAT

NADH

NAD+

malat DH

MALAT

OANADH

NAD+

malat DH

PEP

PEP-CK

GTP

GDPCO2


Conversia piruvatului în fosfoenolpiruvat (PEP)

Dacă precursorul poate furniza NADH în citosol, se parcurge calea PEP este calea al cărei precursor gluconeogenetic este lactatul

CITOSOL MATRIX MITOCONDRIAL

membranamitocondrialã

LACTAT

PyrNADH

NAD+

PEP

PEP-CK

GTP

GDP

CO2

lactat DH

H+Pyr ATP+CO2

piruvatcarboxilazã

ADP+PiOA

PEP


Hidroliza F-1,6-P cu formarea F-6-P

Această reacţie este a doua reacţie tipic gluconeogenetică care ocoleşte reacţia glicolitică 3. Bypass-ul gluconeogenetic este posibil datorită prezenţei fructozo-1,6-difosfatazei, enzimă Mg2+ dependentă, care, în condiţiile arătate, face ca reacţia ocolitoare chiar să genereze energie liberă. Fructozo-1,6- difosfat este principala enzimă reglatoare a gluconeogenezei al cărei control alosteric se face prin activare de către citrat şi prin inhibiţie de către AMP şi F-2,6-P2.Activatorii alosterici ai fructozo-1,6-difosfatazei sunt inhibitori ai PFK1 şi invers activatorii alosterici ai PFK1 sunt inhibitori ai fructozo-1,6-difosfatazei.


Hidroliza glucozo-6-fosfatului

Este a treia reacţie gluconeogenetică care ocoleşte reacţia glicolitică. Enzima hidrolitică este glucozo-6-fosfataza Mg2+ dependentă. Ea este localizată în reticulul endoplasmatic al hepatocitelor fiind absentă în muşchi sau în creier, ceea ce face ca gluconeogeneza să nu se poată produce în aceste ţesuturi. Muşchii şi creierul sunt principalii consumatori de glucoză sintetizată de ficat şi rinichi


Bilanţul energetic al glicolizei şi gluconeogenezeiÎn condiţii anaerobe, adică atunci când are loc fermentaţia lactică, în care NAD+ se reface reacţia globală este:C6H12O6 +2(ADP+Pi)→2C3H6O3+2ATPBilanţul energetic net: 2 moli ATP/mol glucoză.

În condiţii aerobe, piruvatul rezultat în glicoliză se transformă prin decarboxilare oxidativă în acetil CoA, care în ciclul citric se transformă în dioxid de carbon şi apă cu eliberare de ATP, NADH şi FADH2. Echivalenţii reducători (NADH şi FADH2) în lanţul de oxidare biologică se vor transforma în ATP


Glicoliza:C6H12O6+2(ADP+Pi)+2NAD+→ 2C3H4O3+2ATP+2(NADH+H+)Piruvatul rezultat din glicoliză, pe calea decarboxilării oxidative se transformă în acetil CoA: 2C3H4O3+2CoASH+2NAD+→2CH3COSCoA+2(NADH+H+)+2CO2Acetil CoA va fi degradat în ciclul citric al cărei reacţii globale este:2CH3COSCoA+6NAD++2FAD+2(ADP+Pi)→6(NADH+H+)+2FADH2+2ATP+6H2O+4CO2+2CoASHEchivalenţilor reducători prin fosforilare oxidativă sunt transformaţi în ATP:10 moli NADH x 3 = 30 moli ATP2 moli FADH2 x 2= 4 moli ATPTotal: 34 moli ATP/mol glucoză

Bilanţul energetic al glicolizei şi gluconeogenezei


Dacă se utilizează navetei glicerol-3-fosfat, adică internalizarea NADH se face prin această navetă (muşchi scheletic, creier) ea produce conversiaNADH+H++FAD→NAD++FADH2Prin aceasta echivalenţii reducători care intră în lanţul de oxidare biologică sunt: 8 moli NADH+ +4moli FADH2/mol glucoză. Bilanţul energetic general este 36 moli ATP/mol glucoză.



Considerăm utilizarea navetei malat-aspartat. Dacă internalizarea în mitocondrie a NADH se face prin această navetă (ficat, rinichi, miocard) bilanţul energetic general al oxidării unui mol de glucoză este: 2 moli ATP (glicoliză) + 2 moli ATP (ciclul citric)+34 moli ATP = 38 moli ATP/mol glucoză.


F-6-P

F-1,6-P2

F-2,6-P2

AMP

Citrat ATP

PFK1 F-1,6-P2-aza

+

+

-

-


Reglarea reciprocă a glicolizei şi gluconeogenezei

F-2,6-P2, este un reglator al cărui nivel celular depinde de nivelul sanguin al glucagonului. F-2,6-P2 se sintetizează prin fosforilarea F-6-P sub acţiunea PFK2 şi se retransformă în F-6-P prin hidroliza F-2,6-P2 sub acţiunea F-2,6-P2-azei. Cele două activităţi enzimatice fac parte dintr-o proteină bifuncţională, numită tandem enzimatic ale cărei activităţi enzimatice depind de nivelul glucagonului. Glucagonul, sintetizat de celulele a ale insulelor Langerhaus din pancreas, ca urmare a nivelului scăzut al glicemiei, ajunge pe cale sanguină la ficat unde se asociază la receptorii glucagonergici de la suprafaţa hepatocitelor. Stimularea adenilat ciclazei intensifică conversia intracelulară a ATP→AMPc iar AMPc stimulează o protein kinază (PK). Prin fosforilarea tandemului enzimatic este inhibată subunitatea PFK2 a acestuia şi activată fosfataza lui. Prin aceasta nivelul F-2,6-P2 scade ceea ce, inhibă glicoliza şi stimulează gluconeogeneza. Deci global, glucagonul măreşte glicemia.




Intensitatea fluxului glicolitic în ficat este influenţată de insulina prin inducţia glucokinazei hepatice şi a enzimelor-cheie ale glicolizei în unele ţesuturi extrahepatice. De asemenea acest hormon reprimă enzimele specific gluconeogenetice. Un punct de control specific gluconeogenezei este constituit de cuplul PyrDH/Pyr-carboxilază. În acest important nod metabolic Pyr-carboxilaza necesită acetil-CoA ca efector alosteric pozitiv. Ca o consecinţă a acestei reglări biosinteza glucozei din piruvat are loc numai atunci când există un exces de acetil-CoA care depăşeşte necesităţile ciclului citric. Excesul de acetil-CoA se creează atunci când fosforilarea oxidativă se încetineşte, NADH se acumulează şi inhibă ciclul citric, ceea ce determină acumularea substratului ciclului. Acetil-CoA inhibă complexul Pyr-DH încetinind formarea ei însăşi din Pyr şi stimulând gluconeogeneza prin activarea Pyr-carboxilazei. În consecinţă excesul de Pyr se transformă în glucoză


94glicoliza Şi gluconeogeneza

Documents