glucidele

AUTOR S.l.Dr. ELENA PETRESCU-Disciplina de Biochimie 1

METABOLISMUL PIRUVATULUI

Piruvatul, care se formează prin degradarea glicolitică a glucozei, ocupă o poziţe de răscruce

importantă în metabolismul glucozei. Metabolizarea sa ulterioară depinde de circumstanţele de

moment din ţesutul respectiv: (# 2)

în condiţii aerobe: piruvatul este degradat prin decarboxilare oxidativă la acetil-CoA, care

apoi va fi degradată total în ciclul Krebs;

în condiţii anaerobe, piruvatul este redus la lactat sub acţiunea lactat dehidrogenazei;

în condiţii de activare a gluconeogenezei (sinteza glucozei din compuşi neglucidici),

piruvatul este carboxilat la oxalacetat, care apoi se va transforma în glucoză.

Decarboxilarea oxidativă a piruvatului

Are loc în mitocondrie: piruvatul format prin glicoliză este transportat din citoplasmă în

mitocondrie prin cotransport cu un proton, cu ajutorul simporterului piruvat/H+ localizat în

membrana mitocondrială internă.

Decarboxilarea oxidativă a piruvatului la acetil-CoA (#3) este catalizată de un complex

multienzimatic numit piruvat dehidrogenaza (PDH), alcătuit din 3 enzime şi 5 coenzime. (#4)

Avantajul organizării mai multor enzime sub formă de complex constă în faptul că intermediarii

metabolici sunt transferaţi de la o enzimă la alta (produsul unei enzime devine imediat substrat

pentru enzima următoare), astfel încât ei nu difuzează în celulă; aceasta duce la o creştere

semnificativă a vitezei procesului.

Componența complexului PDH este următoarea: (#5)

Enzima Coenzime necesare Vitaminele din care provin

Piruvat dehidrogenaza (E1) tiamin pirofosfat tiamina (vitamina B1)

Dihidrolipoil transacetilaza (E2) acid lipoic acid lipoic

coenzima A acid pantotenic

Dihidrolipoil dehidrogenaza (E3) FAD riboflavina (vitamina B2)

NAD+ nicotinamida (vitamina PP)

Decarboxilarea oxidativă a piruvatului are loc în 5 etape: (# 6)

Piruvatul reacționează cu TPP legat la E1 și suferă un proces de decarboxilare, rămânând

atașat la TPP ca derivat hidroxi-etil (E1);

Gruparea hidroxi-etil este oxidată la un acid carboxilic (grupare acetil) (E1);

- cei 2 H îndepărtaţi în reacţie reduc legătura disulfidică a acidului lipoic la 2 grupări –SH,

formându-se acidul dihidrolipoic;

- gruparea acetil este transferată de pe TPP pe acidul lipoic legat la E2 (este legată tioesteric

la una din cele două grupări –SH) → se formează acidul acetil-dihidrolipoic și se regenerează TPP;

Gruparea acetil este transferată pe coenzima A, rezultând acetil-CoA (E2);

- energia liberă degajată în reacţia de oxidare anterioară este utilizată pentru formarea

legăturii tioesterice macroergice din molecula acetil-CoA;

Acidul lipoic este regenerat prin oxidarea acidului dihidrolipoic cu ajutorul FAD (E3);

Prin transferul echivalenților reducători de la FADH2 la NAD+ se formează, în final, NADH

+ H+

(E3).

Ecuaţia reacţiei globale a decarboxilării oxidative a piruvatului sub acțiunea PDH:


Piruvat + CoA–SH + NAD+ → acetil–CoA + NADH+H

+ + CO2

Reacţia este puternic exergonică (G° = – 8 kcal/mol) şi are caracter ireversibil în condiţiile

din celulă.

Reglarea activităţii complexului PDH (# 7)

a) Reglare alosterică – acetil-CoA şi NADH (produşi ai reacţiei) inhibă E1 din complex.

b) Reglare covalentă – are loc prin fosforilarea/defosforilarea la un rest de serină din

componenţa E1, sub acţiunea PDH-kinazei şi a PDH-fosfatazei:

- PDH-kinaza este activată alosteric de concentraţii crescute de acetil-CoA, NADH şi ATP;

- PDH-fosfataza este activată de ionii de Ca2+

(în muşchi) şi de insulină (în ţesutul adipos).

Activitatea PDH este scăzută atunci când necesarul energetic al unui țesut este satisfăcut

pe seama lipidelor; astfel, în condiţii de depleţie glucidică (între prânzuri şi în stările de post),

ţesuturile gluco-independente degradează acizi graşi ca sursă de energie → se formează cantități

crescute de acetil-CoA, NADH şi ATP, care duc la inactivarea PDH prin mecanismele descrise.

Activitatea PDH este crescută în condiţii de abundenţă glucidică: în asemenea condiţii

degradarea acizilor graşi este redusă → scade cantitatea de acetil-CoA, NADH şi ATP → dispare

efectul acestora de inhibare a activităţii PDH → piruvatul format în cantităţi mari prin degradarea

glucozei va putea fi degradat eficient la acetil-CoA, care apoi va fi antrenată spre degradare totală în

ciclul Krebs.

Activarea PDH de către ionii de Ca2+

(ca urmare a activării directe a PDH-fosfatazei) are

o importanță particulară în mușchiul scheletic: creșterea concentrației Ca2+

în cursul contracției

musculare are ca efect și activarea complexului PDH, favorizând degradarea glucozei ca sursă de

energie.

În țesutul adipos, activarea PDH-fosfatazei de către insulină duce la activarea

complexului PDH, acesta fiind unul din modurile în care insulina exercită o influență pozitivă

asupra metabolizării glucozei în scop energogen.

CICLUL KREBS

Ciclul Krebs (numit şi ciclul acidului citric sau ciclul acizilor tricarboxilici, descris de către

Hans Krebs) reprezintă calea de degradare oxidativă a acetil-CoA rezultată din catabolismul

glucozei, al acizilor graşi şi al unor aminoacizi; deci acest proces metabolic reprezintă o cale finală

comună pentru degradarea aerobă a celor trei categorii de combustibili metabolici. .

Reacţiile ciclului Krebs au loc în mitocondrie, enzimele fiind localizate în matricea

mitocondrială, libere sau ataşate de membrana mitocondrială internă. (8)

1. Condensarea acetil-CoA cu oxalacetatul, cu formare de citrat

Procesul debutează cu o condensare aldolică între acetil-CoA şi oxalacetat: carbonul metilic

al acetil-CoA este legat la carbonul carbonilic al oxalacetatului; intermediar se formează citril-CoA,

care este hidrolizat rapid la citrat şi coenzima A. Reacţia este catalizată de citrat sintază.

Hidroliza intermediarului tioesteric macroergic (citril-CoA) face ca reacţia să fie puternic

exergonică, deci echilibrul său este net în favoarea citratului; acest fapt este esenţial pentru

funcţionarea ciclului Krebs, întrucât concentraţia oxalacetatului în celulă este redusă.

2. Transformarea citratului în izocitrat

Aconitaza catalizează un proces reversibil de deshidratare a citratului la cis-aconitat, urmat

de adiţia apei la dubla legătură în aşa fel încât se formează izocitratul. Deşi citratul are o moleculă


simetrică, aconitaza reacţionează cu acesta într-o manieră asimetrică (are un situs activ asimetric),

astfel încât cei 2 C care vor fi pierduţi în etapele ulterioare nu derivă din acetil-CoA, ci din

oxalacetat (abia în rundele ulterioare ale ciclului Krebs se vor elimina cei 2 C ai acetil-CoA).

3. Conversia izocitratului în -cetoglutarat

Izocitrat dehidrogenaza (ICDH) catalizează oxidarea izocitratului în prezenţă de NAD+, cu

formarea unui intermediar numit oxalo-succinat, care apoi se decarboxilează la -cetoglutarat.

Există două izoenzime ale ICDH:

- ICDH - NAD+ dependentă, care se găseşte în mitocondrii şi acţionează în ciclul Krebs;

- ICDH - NADP+ dependentă, care are localizare dublă (mitocondrială şi citosolică) şi care

are rol în generarea NADPH (ce va servi ca agent reducător în reacţii anabolice reductive).

4. Decarboxilarea oxidativă a -cetoglutaratului la succinil-CoA

Acest proces este catalizat de -cetoglutarat dehidrogenază (KG-DH), care este un

complex enzimatic asemănător, din punct de vedere structural şi funcţional, cu piruvat

dehidrogenaza (este alcătuit din 3 enzime şi 5 coenzime: TPP, acid lipoic, coenzima A, FAD şi

NAD+). În această reacţie, energia liberă degajată în procesul de oxidare este conservată sub forma

legăturii tioesterice din succinil-CoA (legătură de tip macroergic: G° pentru hidroliza succinil-

CoA este –8,6 kcal/mol).

5. Transformarea succinil-CoA în succinat

În această reacţie, energia eliberată prin scindarea legăturii tioesterice din succinil-CoA este

utilizată pentru sinteza legăturii fosfat-macroergice din GTP sau ATP. Reacţia este catalizată de

succinat tiokinaza (succinil-CoA sintetaza), care are două izoenzime:

- una specifică pentru ADP (distribuită în toate ţesuturile);

- o alta specifică pentru GDP (localizată în ţesuturile implicate în procesul gluconeogenezei

- ficat și rinichi - care utilizează GTP în una din reacţiile sale).

Acesta reprezintă un proces de fosforilare la nivel de substrat: energia eliberată prin

decarboxilarea oxidativă a -cetoglutaratului este conservată în legătura tioesterică a succinil-CoA,

fiind apoi utilizată pentru sinteza ATP din ADP şi Pi.

GTP format în această reacţie (sub acţiunea succinat tiokinazei specifice pentru GDP) poate

ceda un fosfat ADP-ului, pentru a genera ATP, într-o reacţie reversibilă catalizată de nucleozid

difosfat kinaza: GTP + ADP GDP + ATP.

6. Dehidrogenarea succinatului la fumarat

Succinatul se dehidrogenează în prezenţa coenzimei FAD, sub acţiunea succinat

dehidrogenazei, cu formarea acidului fumaric (izomerul trans). Această enzimă este legată de

membrana mitocondrială internă şi reprezintă complexul II din lanţul transportorilor de electroni.

7. Hidratarea fumaratului la malat

Fumaraza (fumarat hidrataza) catalizează o reacţie de hidratare a fumaratului; enzima are o

stereospecificitate ridicată: acţionează numai asupra izomerului trans (acidul fumaric), nu

acţionează asupra izomerului cis (acidul maleic).

8. Dehidrogenarea malatului la oxalacetat

Malat dehidrogenaza catalizează reacţia de dehidrogenare, în prezenţă de NAD+, a

malatului, cu regenerarea oxalacetatului. În condiţii standard, echilibrul reacţiei este net spre

formarea malatului (G° = 7,1 kcal/mol). În condiţiile din celula vie, oxalacetatul este îndepărtat

continuu din reacţie prin angajare în reacţia citrat sintazei dintr-o nouă rundă a ciclului Krebs; în

consecinţă, concentraţia oxalacetatului este menţinută la valori foarte scăzute, ceea ce duce la

direcţionarea reacţiei malat dehidrogenazei spre formarea oxalacetatului.


Rezultatul net pentru o rundă a ciclului Krebs:

- o moleculă de acetil-CoA intră în ciclu şi 2 molecule de CO2 sunt eliberate;

- o moleculă de oxalacetat este utilizată pentru a forma citrat (în prima reacţie a ciclului) şi o

moleculă de oxalacetat este regenerată (în ultima reacţie) → aceasta poate începe o nouă rundă de

reacţii;

- în consecinţă, o moleculă de oxalacetat poate asigura oxidarea unui număr considerabil de

molecule de acetil-CoA, întrucât se regenerează la finalul fiecărei runde a ciclului (s-ar putea

considera că oxalacetatul are un rol „catalitic” în cadrul ciclului Krebs); într-adevăr, oxalacetatul se

găseşte în celulă în concentraţii mici, dar aceste cantităţi mici de oxalacetat pot asigura degradarea

unor cantităţi mari de acetil-CoA.

Ecuația globală a ciclului Krebs:

Acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + ADP + Pi + 2H2O →

2 CO2 + 3 (NADH+H+) + FADH2 + ATP + CoA-SH

ROLURILE CICLULUI KREBS

Ciclul Krebs are un rol central în cadrul metabolismului, care nu se limitează doar la

oxidarea acetil-CoA; el este un proces amfibolic, având caracter dublu: catabolic şi anabolic.

1. Latura catabolică a ciclului Krebs constă în degradarea acetil-CoA, cu generare de ATP.

(9)

Există 4 reacţii de oxidare în ciclul Krebs (3 NAD+-dependente şi una FAD-dependentă);

energia liberă degajată în aceste reacţii este conservată sub forma a 3 molecule de NADH şi a unei

molecule de FADH2; aceste coenzime reduse vor transfera echivalenţii reducători în lanţul

respirator, cuplat cu fosforilarea ADP => sinteză de ATP (3 molecule pentru fiecare moleculă de

NADH şi 2 molecule pentru FADH2, deci în total 11 molecule de ATP sintetizate în procesul

fosforilării oxidative).

În reacţia succinat tiokinazei se sintetizează 1 moleculă de ATP prin fosforilare la nivel

de substrat.

Bilanţul energetic global al ciclului Krebs este, deci, de 12 molecule de ATP.

2. Latura anabolică a ciclului Krebs constă în faptul că unii intermediari ai săi servesc ca

precursori pentru o varietate largă de produşi, în cadrul unor procese de biosinteză. (10) ce vor fi

discutate la capitolele specifice.

ETAPELE DEGRADĂRII TOTALE A GLUCOZEI

În anaerobioză, molecula de glucoză este degradată parţial (până la lactat), cu generarea a

2 molecule de ATP.

În aerobioză, glucoza este degradată total, la CO2 şi H2O, cu implicarea mai multor etape:

1. Glicoliza până la piruvat;

2. Decarboxilarea oxidativă a piruvatului la acetil-CoA;

3. Oxidarea acetil-CoA la CO2 în ciclul Krebs.

Ca urmare a desfășurării celor trei procese se generează ATP în două moduri:

- prin reacții de fosforilare la nivel de substrat (două în glicoloză și una în ciclul Krebs);

- în reacțiile de dehidrogenare din cadrul celor trei etape are loc conservarea energiei

eliberate sub forma coenzimelor reduse NADH şi FADH2; acestea se vor reoxida în lanţul

respirator, ducând la sinteză de ATP în procesul fosforilării oxidative.

Bilanţul energetic al degradării totale, aerobe, a moleculei de glucoză: (11)


1. Glucoză → piruvat (glicoliza):

- reacţiile de fosforilare la nivel de substrat → 2 ATP

- reacţia gliceraldehid-3-P dehidrogenazei: 2 x NADH → 2 x 3 ATP = 6 ATP în procesul

fosforilării oxidative

=> bilanţ al glicolizei desfăşurate în condiţii aerobe: 2 + 6 = 8 ATP.

2. Piruvat → acetil-CoA (reacţia piruvat dehidrogenazei):

- 2 x NADH → 2 x 3 ATP = 6 ATP în procesul fosforilării oxidative.

3. Acetil-CoA → 2 CO2 (ciclul Krebs):

- 2 x 12 ATP = 24 ATP.

Total: 8 + 6 + 24 = 38 ATP.

Realizând o comparaţie între bilanţul energetic al degradării anaerobe a glucozei, prin

glicoliză la lactat (2 ATP) şi bilanţul degradării totale aerobe (38 ATP), se observă că degradarea

aerobă permite eliberarea întregii cantităţi de energie liberă conţinută în molecula de glucoză şi

conservarea acesteia sub formă de ATP, deci are o eficienţă energetică mult mai mare în comparaţie

cu degradarea anaerobă, care eliberează doar aproximativ 5% din energia moleculei de glucoză.

Ca o concluzie, în celule există două căi de sinteză a ATP-ului:

În condiţii aerobe, cea mai mare parte a ATP-ului se produce în procesul fosforilării

oxidative: aceasta este calea majoră, d.p.d.v. cantitativ, de sinteză a ATP-ului în celulă;

În condiţii anaerobe, fosforilarea oxidativă nu poate avea loc → singura posibilitate de

generare a ATP-ului este fosforilarea la nivel de substrat (deci această cale, minoră d.p.d.v.

cantitativ, dobândește un rol major în condiţii de anaerobioză).

REACŢII ANAPLEROTICE (12)

Sunt reacţii care au rolul de a aproviziona ciclul Krebs cu intermediari care au fost

îndepărtaţi din acest proces pentru reacţii biosintetice (în limba greacă „ana” înseamnă „din nou”,

iar „pliro” înseamnă „a umple, a completa”). În condiţii normale, între procesele care îndepărtează

unii compuşi din ciclul Krebs şi cele care reintroduc aceşti compuşi înapoi în ciclu există un

echilibru, astfel încât concentraţiile intermediarilor din această cale metabolică rămân relativ

constante. Depleţia unora din intermediarii ciclului Krebs nu ar mai permite funcţionarea sa optimă.

1. Piruvat carboxilaza (PC) catalizează principala reacţie anaplerotică, ce duce la generarea

de oxalacetat necesar pentru angajarea acetil-CoA spre degradare în ciclul Krebs. (13)

Reacţia de carboxilare a piruvatului se realizează cu participarea biotinei (o vitamină

hidrosolubilă) în calitate de coenzimă. Piruvat carboxilaza este activată alosteric de acetil-CoA

(enzima are o activitate foarte redusă în absenţa acestui modulator); astfel, pe măsură ce acetil-CoA

se formează prin catabolismul glucozei sau al acizilor grași, ea asigură automat propria sa degradare

în ciclul Krebs prin formarea de oxalacetat.

2. Malic enzima catalizează carboxilarea reductivă a piruvatului, în prezenţă de NADPH, cu

formare de malat. (13)

Atunci când se desfăşoară de la malat spre piruvat, reacţia generează NADPH, care este

donor de echivalenţi reducători pentru reacţii de biosinteză reductivă.

3. Oxidarea glutamatului sub acţiunea glutamat dehidrogenazei (GDH) duce la formarea

de -cetoglutarat.


REGLAREA CICLULUI KREBS

Viteza de desfăşurare a ciclului acizilor tricarboxilici depinde de următorii factori: (#10)

1. Disponibilitatea de substrate: acetil-CoA şi oxalacetat.

Atunci când, în urma degradării glucozei (sau a altor substrate energogene), se formează

cantităţi mari de acetil-CoA, activitatea ciclului Krebs va fi crescută. Acetil-CoA are și rolul de

activator alosteric al piruvat carboxilazei, ce catalizează principala reacție anaplerotică, în care se

formează oxalacetatul necesar pentru angajarea acetil-CoA în ciclul Krebs.

2. Disponibilitatea de NAD+ (în forma oxidată), necesar în trei din cele patru reacții de

dehidrogenare din cadrul ciclului.

Menținerea unei cantități adecvate de NAD+ depinde de reoxidarea NADH (format în cele

trei reacţii de dehidrogenare) în lanţul respirator; viteza de desfăşurare a lanţului respirator depinde

de disponibilitatea de ADP, deci de starea energetică a celulei:

- stare energetică joasă (tradusă prin [ATP] ↓ şi [ADP] ↑) → disponibilitatea mare de ADP

va duce la creşterea vitezei fosforilării oxidative → accelerarea oxidării NADH în lanţul respirator

=> creşterea cantităţii de NAD+ în forma oxidată → aceasta va permite creşterea vitezei ciclului

Krebs;

- stare energetică înaltă (tradusă prin [ATP] ↑ şi [ADP] ↓) → scăderea disponibilităţii ADP

va duce la scăderea vitezei fosforilării oxidative → încetinirea oxidării NADH în lanţul respirator

=> ↓ cantității de NAD+ în forma oxidată → scăderea vitezei ciclului Krebs.

Așadar, viteza de desfășurare a ciclului Krebs este strâns corelată cu viteza lanțului

respirator și a fosforilării oxidative.

3. Activitatea celor trei enzime care catalizează reacţiile exergonice din cadrul ciclului

Krebs: citrat sintaza, izocitrat dehidrogenaza, -cetoglutarat dehidrogenaza.

Enzima Modulatori pozitivi Modulatori negativi

Citrat sintaza ADP ATP

NADH

Citrat

Izocitrat dehidrogenaza ADP ATP

NADH

-cetoglutarat dehidrogenaza NADH

Succinil-CoA

a) Citrat sintaza - este modulată alosteric:

- pozitiv de către ADP;

- negativ de către ATP, NADH şi citrat (produs al reacției).

b) Izocitrat dehidrogenaza - este cel mai important punct de control al ciclului acizilor

tricarboxilici (etapa limitantă de viteză). Această enzimă cheie este modulată alosteric:

- pozitiv de către ADP;

- negativ de către ATP şi NADH.

c) -cetoglutarat dehidrogenaza - este inhibată alosteric de către NADH şi succinil-CoA

(produs al reacţiei).

Existenţa unor cantităţi mari de ATP în celulă semnifică satisfacerea necesităţilor energetice

ale celulei; ATP-ul determină scăderea vitezei de desfăşurare a ciclului Krebs prin inhibarea

alosterică a două dintre enzimele supuse controlului metabolic.


Concentraţii mari de ADP în celulă semnifică depleţia rezervelor de ATP; ADP-ul

determină accelerarea ciclului Krebs prin activarea a două dintre enzime, în felul acesta generându-

se noi cantităţi de ATP.

Acumularea de NADH (ca urmare a scăderii reoxidării sale în lanțul respirator) duce la

inhibarea activităţii celor trei enzime reglatorii.

Acumularea de citrat (produs de reacţie al citrat sintazei) şi de succinil-CoA (produs de

reacţie al -cetoglutarat dehidrogenazei) determină inhibiţia feed-back a celor două enzime.

Ca o concluzie, principalii factori care reglează viteza de desfășurare a ciclului Krebs sunt

rapoartele [NADH]/[NAD+] și [ATP]/[ADP], care reflectă starea energetică a celulei:

- o stare energetică înaltă este asociată cu valori crescute ale celor două rapoarte, care

determină încetinirea ciclului Krebs, ducând la diminuarea producției de ATP;

- o stare energetică joasă este asociată cu valori scăzute ale celor două rapoarte, care

determină accelerarea ciclului Krebs, ducând la refacerea rezevelor de ATP ale celulei.(14)

Această modalitate de reglare se încadrează în mecanismul general de corelare a ritmului

degradării combustibililor metabolici cu ritmul utilizării ATP ca sursă de energie.

SISTEME DE TRANSPORT AL ECHIVALENŢILOR REDUCĂTORI

DIN CITOSOL ÎN MITOCONDRIE

În condiţii aerobe, NADH-ul format în reacţia gliceraldehid-3-P dehidrogenazei din

glicoliză (proces citosolic) este reoxidat în lanţul respirator mitocondrial. În acest scop, NADH

trebuie să treacă din citoplasmă în mitocondrie, însă membrana mitocondrială internă este

impermeabilă pentru NADH. Din acest motiv, sunt necesare sisteme de transport al echivalenţilor

reducători din NADH citosolic spre matricea mitocondrială pe o cale indirectă, cu ajutorul aşa-

numitelor „navete”.

Funcţionarea acestor sisteme de transfer se bazează pe existenţa unor dehidrogenaze cu

localizare dublă, citosolică şi mitocondrială.(15,16)

1. Naveta malatului:

- NADH reduce oxalacetatul la malat sub acţiunea malat dehidrogenazei (MDH) citosolice;

- malatul este transportat în mitocondrie cu ajutorul transportorului malat/-cetoglutarat;

- în matrice, malatul este oxidat la oxalacetat, echivalenţii reducători fiind transferaţi pe

NAD+ sub acţiunea MDH mitocondriale → NADH format va fi oxidat în lanţul respirator →

generarea a 3 molecule de ATP;

- oxalacetatul se întoarce în citosol sub formă de aspartat (format printr-o reacţie de

transaminare).

2. Naveta glicerol-fosfatului:

- NADH reduce dihidroxiaceton-fosfatul la glicerol-3-P sub acţiunea glicerol-3-P

dehidrogenazei citosolice (NAD+-dependentă);

- o glicerol-3-P dehidrogenază (FAD-dependentă) legată de faţa externă a membranei

mitocondriale interne transferă echivalenţii reducători de pe glicerol-3-P pe FAD, cu formare de

FADH2; ulterior aceştia sunt transferaţi pe coenzima Q din lanţul respirator, în final generându-se 2

molecule de ATP.


CALEA PENTOZ-FOSFAŢILOR

Calea pentoz-fosfaților (numită și șuntul hexoz-monofosfaților) este o cale de metabolizare a

glucozei care constituie o alternativă la degradarea acestui compus prin glicoliză. În majoritatea

ţesuturilor, soarta principală a glucozo-6-fosfatului este degradarea prin glicoliză la piruvat, urmată

de degradarea în continuare a acestuia, cu generare de ATP. În unele ţesuturi, are o importanţă

particulară metabolizarea glucozei pe calea pentoz-fosfaţilor, care are roluri complet diferite de cele

ale glicolizei.

Acest proces are loc în citoplasmă şi cuprinde 2 faze:

faza oxidativă (ireversibilă)

faza neoxidativă (reversibilă).

I. Faza oxidativă (transformarea hexoz-P în pentoz-P) (17)

Începe cu o reacţie de dehidrogenare a glucozo-6-fosfatului în prezenţă de NADP+, cu

formare de 6-fosfo-gluconolactonă şi NADPH + H+, sub acţiunea catalitică a glucozo-6-fosfat

dehidrogenazei. Glucono-lactonaza catalizează apoi hidroliza lactonei, cu formare de acid 6-fosfo-

gluconic.

Urmează o nouă dehidrogenare NADP+-dependentă urmată imediat de decarboxilare, într-o

reacție catalizată de 6-P-gluconat dehidrogenaza, cu generarea unei noi molecule de NADPH + H+

şi a unei pentoze: ribuloză-5-fosfat.

Ribulozo-5-P se poate transforma în alte două pentoze prin două reacţii de izomerizare: (18)

- prin epimerizare sub acțiunea fosfopentoz-epimeraze se transformă în xiluloză-5-P (care

conţine o inversiune la C3);

- printr-o izomerizare cetoză-aldoză sub acțiunea fosfopentoz-izomerazei se tranformă în

riboză-5-P.

Ecuaţia globală a primei etape a căii pentoz-fosfaţilor este:

Glucoză-6-P + 2 NADP+ + H2O Riboză-5-P + CO2 + 2 NADPH + 2 H

+

II. Faza neoxidativă (transformarea pentoz-P în hexoz-P) (19)

În această fază au loc o serie de rearanjări ale scheletelor de C ale pentozelor fosforilate

formate în prima etapă, care vor realiza reciclarea pentoz-fosfaţilor la hexoz-fosfaţi, permiţând

astfel oxidarea continuă a glucozo-6-P.

Produşii fazei neoxidative a şuntului pentoz-fosfaţilor, fructozo-6-P şi gliceraldehida-3-P,

pot urma în continuare două căi: (20)

- prin parcurgerea câtorva etape din gluconeogeneză, se pot transforma în glucoză-6-P,

aceasta putându-se angaja din nou în faza oxidativă a căii pentoz-P;

- prin angajare în procesul glicolizei, cei doi compuşi sunt degradaţi la piruvat sau lactat.

Bilanţul global al celor două faze ale căii pentoz-fosfaţilor constă în degradarea a 3

molecule de glucoză-6-P la două molecule de fructoză-6-P şi o moleculă de gliceraldehidă-3-P.

Multiplicând cu 2, se ajunge la următoarea ecuaţie globală (având în vedere că una din cele

două molecule de gliceraldehidă-3-P se poate izomeriza la dihidroxiaceton-P, iar cele două trioze

formează împreună o moleculă de fructoză-1,6-P2, care apoi se transformă în fructoză-6-P): (#8)

6 G-6-P + 12 NADP+ + 7 H2O 5 F-6-P + 6 CO2 + 12 NADPH + 12 H

+ + Pi

5 G-6-P

Bilanţul net constă, deci, în oxidarea totală a unei molecule de glucoză-6-P la 6 CO2:


Glucoză-6-P + 12 NADP+ + 7 H2O 6 CO2 + 12 NADPH + 12 H

+ + Pi

IMPORTANŢA CĂII PENTOZ-FOSFAŢILOR

Calea pentoz-fosfaților nu prezintă importanță din punct de vedere energetic, ci rolurile sale

constau în producerea a doi compuși cu roluri esențiale în celule: NADPH și riboză-5-fosfat.

1. Producerea de NADPH - utilizat ca donor de echivalenţi reducători pentru următoarele

scopuri:

Procesele de biosinteză reductivă: biosinteza de acizi graşi, colesterol, hormoni steroizi;

astfel, şuntul este activ în ţesuturile în care au loc asemenea procese: ficat, ţesut adipos, glanda

mamară în lactaţie, glandele corticosuprarenale şi gonade.

Detoxifierea xenobioticelor (substanțe străine organismului: medicamente sau substanțe

toxice) la nivel hepatic. Acest proces presupune, într-o primă etapă, hidroxilarea compușilor

respectivi sub acțiunea unui sistem monooxigenazic, cu participarea oxigenului molecular, a

NADPH și a citocomului P450:

R−H + O2 + NADPH + H+ → R−OH + NADP

+ + H2O

Reducerea glutationului oxidat, cu menţinerea în celulă a unor rezerve adecvate de glutation

redus (GSH, un tripeptid: -glutamil-cisteinil-glicina); reacţia este catalizată de glutation reductază.

La rândul său, GSH este implicat în descompunerea peroxidului de hidrogen sub acţiunea glutation

peroxidazei (enzimă ce necesită seleniu în calitate de cofactor). H2O2 este un agent oxidant

puternic, care poate ataca membranele celulare, ducând la lezarea acestora. Contracarând acţiunea

peroxidului de hidrogen, GSH este unul din componentele importante ale echipamentului de apărare

anti-oxidantă al celulelor, având efect protector asupra membranelor celulare. (21)

Calea pentoz-P are o importanţă particulară în eritrocit, unde reprezintă singura sursă de

NADPH (în alte ţesuturi mai există alte două posibilităţi de sinteză a NADPH: reacţia malic-

enzimei şi reacţia izocitrat dehidrogenazei NADP+-dependente).

În cazul unui deficit genetic al glucozo-6-P dehidrogenazei, scade generarea de NADPH în

eritrocit, ceea ce afectează negativ activitatea glutation reductazei și duce la scăderea rezervelor de

glutation redus.

Ca urmare, scade capacitatea de descompunere a peroxidului de hidrogen, iar acumularea

acestuia determină lezarea oxidativă a membranei plasmatice a eritrocitului (hemoliză); reducerea

duratei de viaţă a hematiilor se manifestă sub forma anemiei hemolitice. (22)

2. Sinteza de riboză-5-P - precursor utilizat în biosinteza de nucletide. Acestea, la rândul

lor, reprezintă unităţile structurale ale acizilor nucleici, intră în componenţa unor coenzime (NAD+,

FAD, coenzima A) şi a nucleotidelor macroergice implicate în stocarea şi transferul energiei libere

(ATP, GTP, UTP, CTP).

Reglarea activităţii căii pentoz-fosfaţilor: (23)

1. Glucozo-6-P dehidrogenaza este inhibată de NADPH, produs al reacției.

2. Insulina determină inducţia celor două dehidrogenaze NADP+-dependente care

acţionează în faza oxidativă a şuntului.

Glucozo-6-P are două posibilități de metabolizare: glicoliza și calea pentoz-fosfaților.

Alegerea uneia sau a alteia din cele două căi, la un moment dat, depinde de necesitățile de ATP,

respectiv NADPH în acel țesut:


- Atunci când ţesutul foloseşte activ NADPH în procesele de biosinteză reductivă, se

menţine o concentraţie ridicată a NADP+ în celulă → aceasta permite funcționarea optimă a G-6-P

dehidrogenazei; pe de altă parte, scăderea concentrației NADPH duce la eliberarea G-6-P

dehidrogenazei de sub acțiunea sa inhibitorie. Ca urmare, va crește viteza de desfăşurare a şuntului.

- Atunci când NADPH se formează mai rapid decât este utilizat, va creşte în celulă

concentraţia NADPH → acesta inhibă G-6-P dehidrogenaza, ceea ce va duce la scăderea vitezei de

desfăşurare a şuntului. În aceste condiții, glucozo-6-fosfatul se va angaja preponderent în procesul

glicolizei.

Modul în care se desfășoară calea pentoz-fosfaților în diverse țesuturi depinde de

necesităţile relative de NADPH şi riboză-5-P în ţesutul respectiv. Astfel, sunt posibile trei situaţii

distincte:

În ţesuturile în care necesarul de NADPH şi cel de riboză-5-P sunt relativ egale (cum este

ficatul) → şuntul se poate opri la finalul fazei oxidative, izomeraza transformând ribulozo-5-P în

riboză-5-P, iar faza neoxidativă nu se mai desfășoară.

Dacă necesarul de NADPH este mai mare decât necesarul de riboză-5-P (cum se întâmplă,

de exemplu, în ţesutul adipos) → faza oxidativă este activă și produce NADPH în cele două reacții

de dehidrogenare, iar ribozo-5-P este îndepărtat prin angajare în faza a doua a şuntului. Fructozo-6-

P şi gliceraldehida-3-P formate la finalul acestei faze sunt transformate în glucoză-6-P, care intră

din nou în faza oxidativă, generând cantități suplimentare de NADPH;

Dacă necesarul de riboză-5-P este mai mare decât cel de NADPH (într-un ţesut precum

muşchiul) → deşi faza I a şuntului are activitate foarte redusă, este posibilă, totuşi, sinteza de

riboză-5-P pornind de la fructoză-6-P şi gliceraldehidă-3-P (care sunt obținuți din glicoliză), prin

parcurgerea în sens invers a fazei neoxidative a şuntului (care are caracter reversibil). Ca urmare,

nu este necesar să existe o cale a pentoz-fosfaţilor complet funcţională pentru ca un ţesut să poată

sintetiza riboză-5-P.

glucidele

Documents