Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Buněčný metabolismus
Metabolismus glukosy
1
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Metabolismus (látková přeměna)
Živý organismus vyžaduje neustálý přísun energie a
tvorbu a obnovu stavebního materiálu.
Metabolismus - pochody, při kterých živý organismus
využívá a produkuje energii.
Souhrn všech reakcí, probíhajících v organismu.
2
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Úloha metabolismu
• zajištění energie (děje katabolické =
rozkladné)
• syntéza molekul (děje anabolické =
skladné)
• oba typy dějů jsou na sobě závislé ---
Energetické spřažení
3
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Rozdělení organismů podle metabolismu
• podle zdroje energie:
fototrofy (využívají sluneční energii, např. zelené rostliny)
chemotrofy (oxidace živin)
• podle zdroje stavebního materiálu:
autotrofy (samoživné - syntetizují látky z anorg.zdrojů,
např. sirné, nitrifikační bakterie)
heterotrofy (využívají org.látky)
4
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
CO2 malé molekuly
makromolekuly
Bílkoviny, tuky,
sacharidy
energie
O2
Metabolismus člověka
5
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
• trvale přijímají živiny s vysokou entalpií (= energií) a nízkou
entropií (= složitá a uspořádaná struktura)
• živiny přeměňují na odpadní produkty s nízkou enthalpií a
vysokou entropií (= jednoduché struktury)
• Gibbsova energie uvolněná při těchto procesech udržuje v
běhu biochemické pochody a zajišťuje vysoce organizovanou
buněčnou strukturu
• část energie se přemění na využitelnou formu, část na teplo
Organismy jako otevřené systémy
6
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Energie při chemických reakcích
Gibbsova volná
energie ( G)
maximální množství
užitečné energie,
která může být při
reakci získána za
konst. tlaku a teploty A+B  C+D
ba
dc
BA
DC
RTGG
][][
][][
ln0

Při přeměně živin na odpadní látky se uvolňuje
Gibbsova energie, která udržuje v běhu biochemické
pochody a zajišťuje vysoce organizovanou buněčnou
strukturu. Bohužel není možné využít veškerou
uvolněnou energii – její část se vždy přemění na
nevyužitelnou formu = teplo.
Gibbsovu energii (ΔG) můžeme definovat jako
maximální množství užitečné energie, která může být
při reakci získána za konstantního tlaku a teploty. Pro
reakci A + B → C + D ji lze matematicky vyjádřit:
7
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
 G0´ (pH = 7, 0 25 oC)
Biochemické pochody
• Ustálený stav (dynamická rovnováha).
• Reakce na sebe navazují, produkt jedné reakce je substrátem
reakce navazující.
• Koncentrace neodpovídají standardním.
S ohledem na Gibbsovu energii můžeme v organismu rozlišit dva různé druhy dějů:
a) děje exergonické
b) děje endergonické
Endergonické děje (ΔG>0) mohou probíhat jen ve spřažení s reakcemi exergonickými (ΔG<0).
K přenosu energie z jednoho procesu k jinému probíhá pomocí energeticky bohatých molekul –
nejčastěji bývá využíváno ATP (energie, uvolněná při určitém procesu, je přenášena pomocí
fosforylové skupiny –PO3
2- na jiné látky).
8
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Děje
exergonické endergonické
Endergonické reakce mohou probíhat jen ve spřažení s
reakcemi exergonickými
Přenos energie z jednoho procesu k jinému
probíhá pomocí energeticky bohatých molekul.
Nejčastěji je využito ATP.
Při spřažení dochází k přenosu fosforylové
skupiny -PO3
2- na jiné látky
9
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
-PO3
2- je pomocí enzymu kinasy přenášen z ATP na
glukosu.
Principy spřažení
Go´ = +13,8 kJ/mol
Go´ = -30,5 kJ/mol
Příklad 1:
Tvorba glukosa-6-fosfátu
glukosa + Pi  glukosa-6-P + H2O
Go´ = - 16,7 kJ/molglukosa + ATP  glukosa -6-P + ADP
ATP + H2O  ADP + Pi
10
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
G 1 > 0pyruvát + HCO3
- oxalacetát
Příklad 2: Karboxylace pyruvátu
HCO3
- + ATP  ADP + -OCO-O-PO3
2-
fosfokarbonát
-OCO-O-PO3
2- + biotin  -OOC-biotin + Pi
-OOC-biotin + pyruvát  oxalacetát
biotin + ATP + HCO3
- → karboxybiotin + ADP + Pi
karboxybiotin + pyruvát → biotin + oxalacetát
G 2 < 0
G < 0
Dílčí reakce:
ATP ADP + Pi
11
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
ATP + HCO3
-  ADP + -O -P-O-C-O-
OO
O fosfokarbonát
N NH
O
S CO enzym
C
O
OKarboxylátový
anion se aktivuje navázáním Pi a pomocí
biotinu navázaného na enzymu se přenáší na pyruvát
Karboxylace biotinu podrobněji
12
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Pojem „vysokoenergetická sloučenina“
(též „energeticky bohatá sloučenina“
„makroergní sloučenina“ )
Sloučenina, která hydrolytickým štěpením své vazby
poskytne přibližně stejnou nebo větší energii než je
G0´pro hydrolýzu ATP
Nejčastěji se jedná o funkční deriváty kys. fosforečné
13
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Vysokoenergetické fosfátové sloučeniny
obsahují zbytek kys. fosforečné navázaný nejčastěji:
anhydridovou,
amidovou,
enolesterovou vazbou.
(estery kys.fosforečné nejsou makroergní
sloučeniny)
14
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Universální fosfátová vysokoenergetická
sloučenina je ATP
Poskytuje energii v reakcích:
ATP + H2O  ADP + Pi  G0´ = -30,5 kJ/mol
ATP + H2O  AMP + PPi  G0´ = -32,0 kJ/mol
reakce musí být enzymově katalyzované
Obdobně poskytují energii i GTP, UTP a CTP
15
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Další energeticky bohaté fosfátové sloučeniny
Tyto látky vznikají v průběhu metabolismu.
Jejich reakcí s ADP může vznikat ATP = substrátová
fosforylace
Sloučenina  G0 (kJ/mol) typ sloučeniny
fosfoenolpyruvát -62 enolester
karbamoylfosfát -52 smíšený anhydrid
1,3-bisfosfoglycerát -50 smíšený anhydrid
fosfokreatin -43 amid
16
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Energeticky bohaté sloučeniny mohou být i
thioestery
(např. acylová skupina vázaná na koenzym A)
 G0 = -31,0 kJ/mol
17
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Jak se metabolismem získávají vysoko- energetické
sloučeniny ?
„spalování živin“
• živiny v potravě (lipidy a sacharidy, částečně proteiny)
obsahují atomy uhlíku s nízkým oxidačním stupněm
• jsou postupně dehydrogenovány na různé intermediáty,
které v dekarboxylačních reakcích odštěpují CO2
• elektrony a H atomy jsou přenášeny na oxidačně
redukční kofaktory (NADH, FADH2 ) a transportovány
do dýchacího řetězce
18
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Makroergní sloučeniny
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 75.
19
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Výše uvedené makroergní sloučeniny v metabolismu vznikají
spalováním živin. Živiny obsažené v potravě lze rozdělit na
lipidy, sacharidy a proteiny. Tyto látky obsahují uhlík s nízkým
oxidačním stupněm. Hlavní reakcí při spalování živin je
oxidace, která probíhá formou dehydrogenace.
Postupnou dehydrogenací vznikají různé intermediáty, uvolňuje
se CO2, elektrony a vodíky (protony). Vodíky spolu s elektrony
jsou přenášeny na oxidačněredukční kofaktory a transportovány
do dýchacího řetězce.
20
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 75.
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
• v průběhu odbourání živin mohou také přímo vznikat
vysokoenergetické sloučeniny, které poskytují ATP
následnou substrátovou fosforylací
• energie uvolněná jejich reoxidací je použita k tvorbě ATP
21
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Tvorba ATP v buňce
• Převážná část tvorby ATP v buňce
aerobní fosforylace
= přímá reakce mezi fosfátem a ADP
ADP + Pi  ATP katalyzovaná ATP-synthasou
- je využita energie získaná oxidací NADH a FADH2
- probíhá ve spřažení s respiračním řetězcem
22
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
• Další možnosti vzniku ATP
přenos -PO3
2- z energeticky bohaté sloučeniny na ADP
(substrátová fosforylace)
23
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Příklady substrátové fosforylace:
Reakce glykolýzy:
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 84-85.
24
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Citrátový cyklus
thiokinasa
Sval:
ADP ATP
kreatinkinasa
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 153, 234.
25
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
ATP v buňkách
 Životnost ATP v buňce cca 2 min
 Musí být stále doplňováno
 Okamžitý obsah ATP v těle je asi 100 g, denně je však produkováno
60-70 kg
 Adenylátkinasa udržuje rovnováhu mezi ATP, ADP a AMP
ATP + ADP 2 ADP
 Ve zdravé buňce poměr [ATP]/[ADP] = 5-200
Energetický náboj buňky:
jakmile klesne k nule, buňka zaniká
   
     AMPADPATP
ADPATP


 2
1
26
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Metabolismus je regulován na několika úrovních
• regulace aktivity enzymů ( allosterické vlivy, inhibice
produktem, dostupnost substrátu)
• kovalentní modifikace enzymů (fosforylace)
• regulace syntézy enzymů
• kompartmentace a orgánová specializace
• hormonální regulace
27
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Různé metabolické dráhy jsou ovlivňovány
stavem organismu
• stav po jídle x hladovění
• klidový stav x silná fyzická zátěž
• klidový stav x stres
• fyziologický stav x nemoc
28
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Metabolismus glukosy v buňkách
Metabolismus sacharidů 1
29
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Zdroje glukosy v potravě
 Glukosa může být z potravy přijímána:
 a) volná
 b) chemicky vázaná
 Volnou glukosu získáváme např. z hroznů (glukosa = hroznový cukr) a jiného ovoce
(resp. ovocných šťáv) a z medu.
 Chemicky vázaná může být glukosa v polysacharidech a v disacharidech.
 Hlavním zdrojem glukosy v potravě je škrob. Jedná se o polysacharid tvořený
glukosovými podjednotkami. Rozlišujeme jeho dvě části:
 a) amylosu = nevětvená
 b) amylopektin = větvený
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 76.
30
 Kromě své struktury se tyto dvě části liší i svým biologickým efektem.
Tuto odlišnost popisuje veličina zvaná glykemický index. Glykemický
index souvisí s tím, jakou rychlostí dochází k nárůstu krevní glukosy –
čím nižší je tento index, tím je daná potravina „lepší“ (glukosa se z ní
uvolňuje pomaleji, což se projeví v menších nárocích na slinivku a na
produkci insulinu).
 Zdroje škrobu jsou např. brambory (v naší stravě hlavní zdroj), dále
pečivo, rýže, těstoviny, kukuřice ad. Významným zdrojem škrobu jsou též
luštěniny, které mají tu výhodu, že obsahují hodně nevětvené amylosy (z té
se glukosa odštěpuje pomaleji) a tudíž mají nízký glykemický index.
 Dalšími zdroji glukosy kromě polysacharidů jsou disacharidy:
 a) sacharosa
 b) laktosa
 c) maltosa
 Z potravy je možné dále přijímat volnou fruktosu.
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
31
Katabolické dráhy glukosy
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Vstup glukosy do buněk
glukosové transportéry
- transmembránové bílkoviny usnadňující transport
glukosy do buněk
- typ GLUT (1-14)* nebo SGLT**
* glucose transporter
** sodium-coupled glucose transporter
Molekuly glukosy jsou výrazně polární, nemohou difundovat
hydrofobní lipidovou dvojvrstvou membrány (vodíkové
můstky mezi OH skupinami a vodou)
33
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
GLUT 1-GLUT 14, shodné rysy:
 500 AK, 12 transmembránových helixů
mechanismus:
usnadněná difuze přes membránu (probíhá
po koncentračním spádu, nevyžaduje energii)
34
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Proč tolik typů transportérů?
• liší se afinitou ke glukose
• mohou být různým způsobem regulovány
• vyskytují se v různých tkáních
35
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Glukosové transportéry typu GLUT
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 77.
36
Seminaře/TEST
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Transport glukosy pomocí GLUT
Mechanismus usnadněné difuze NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 78
37
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 78
38
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 78
39
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Receptory typu GLUT 4 jsou regulovány insulinem
Intracelulární
membránové vezikuly se
„spícími“ glukosovými
transportéry.
Pokud insulin není
navázán na receptory,
glukosa do buňky nemůže
vstoupit.
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 78
40
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Po navázání insulinu na
receptor se váčky s
transportéry pohybují k
membráně
Navázání insulinu na receptor
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 78
41
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Glukosové transportéry penetrují
do membrány, transport glukosy
do buňky může začít.
Transport glukosy do buňky
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 78
42
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Transport glukosy do buněk střevní
sliznice a ledviných tubulů (SGLT)
• Mechanismus: kotransport Glc se sodíkem
sekundární aktivní transport
• na dvě specifická místa transportéru se navazuje glukosa a Na+
• jejich transport probíhá současně (bez spotřeby energie)
• Na+ je následně z buňky čerpán ATPasou (spotřeba ATP)
• glukosa je následně transportována z buňky pomocí GLUT2
43
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Membrána slizniční buňky tenkého
střeva (enterocytu)
Mechanismus kotransportu glukosy s Na+
Lumen tenkého
střeva
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 79
44
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Po navázání Na+ i glukosy
mění transportér konformaci
a glukosa i Na+ vstupují do
buňky
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 79
45
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Na+ i glukosa byly transportovány do buňky
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 79
46
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Na opačném pólu buňky (serozní strana) je Na+ pomocí
Na+/K+-ATPasy transportováno ven z buňky (aktivní
transport)
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 69
47
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
glukosa je na serozní straně enterocytu transportována z buňky
ven pomocí GLUT-2 (pasivní transport)
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 79
48
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
glukosa + ATP glukosa-6-P + ADP
Metabolismus glukosy v buňkách
Enzymy hexokinasa nebo glukokinasa
Tvorba glukosa-6-fosfátu po vstupu glukosy do buňky:
49
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Význam tvorby glukosa-6-P pro další metabolismus glukosy
Fosforylace
glukosa
glukosa
ATP
ADP
glukosa-6-P
Hexokinasa,
(glukokinasa)
Zpětnou reakci
katalyzuje
glukosa-6-P
fosfatasa
Ta je jen v
játrech, (a
ledvinách).
50
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
• Přeměna glukosy na Glc-6-P v buňce umožňuje
další přísun glukosy po koncentračním spádu
• Jednou fosforylovaná glukosa již z buněk nemůže
ven (past na glukosu)
• Pouze játra (a ledviny) mohou přeměnit Glc-6-P
zpět na glukosu a tu vyslat zpět do krve
Důsledek:
SODERBERG, Tim. ChemWiki: The Dynamic Chemistry E-textbook. Dostupné z:
http://chemwiki.ucdavis.edu/Organic_Chemistry/Organic_Chemistry_With_a_Bi
ological_Emphasis/Chapter__3%3A_Conformations_and_Stereochemistry/Sectio
n_3.2%3A_Conformations_of_cyclic_organic_molecules
51
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
GLUKOKINASA X HEXOKINASA
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 79
52
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Koncentrace glukosy a rychlost fosforylace
glukokinasou a hexokinasou
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 81
53
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
• fosforylace v buňkách jiných než jaterních (hexokinasa)
probíhá, jen tehdy, má-li glukosa být metabolizována
• fosforylace glukokinasou v játrech probíhá při
dostatečném přísunu glukosy do jater (po jídle)
• při nižších koncentracích působí hexokinasa
54
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Role glukokinasy v pankreatu
glukokináza v - buňkách pankreatu je senzorem hladiny
glukosy v krvi
Při zvýšené hladině glukosy v krvi, vstupuje glukosa do buněk
pankreatu (GLUT2) a je fosforylována glukokinasou
Další metabolismus glukosy zprostředkuje uvolnění
insulinu z -buněk
55
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Přeměny Glc-6P v buňce a jejich význam
Pochod Význam
glykolýza
syntéza glykogenu
pentosový cyklus
syntéza derivátů
zisk energie, přeměna acetylCoA na mastné kyseliny
tvorba zásob glukosy
zdroj pentos, zdroj NADPH
syntéza glykoproteinů, proteoglykanů
56
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Glykolýza
Glykos (cukr) lysis (štěpení)
• Význam: zisk energie, tvorba dalších látek, zahrnuje i
metabolism. galaktosy a fruktosy
• Probíhá prakticky ve všech buňkách
• Lokalizace: cytoplasma
• Vratné, enzymově katalyzované reakce
• Tři reakce jsou nevratné
Aerobní glykolysa
za přístupu kyslíku,
pyruvát se přeměňuje
na acetylCoA
Anaerobní glykolysa
při nedostatku kyslíku,
pyruvát se mění na
laktát 57
Schematický
průběh glykolýzy
V prvním stupni probíhají fosforylace,
v druhém štěpení hexosy na dvě vzájemně
převoditelné triosy
a v třetím, při oxidaci tříuhlíkatých
fragmentů na pyruvát, se tvoří ATP.
U eukaryot probíhá glykolýza ve třech stupních v
cytoplasmě:
a) Převedení glukosy na fruktosa-1,6-bisfosfát
(F-1,6-bisP)
b) Štěpení F-1,6-bisP na dvě triosy
c) Tvorba ATP při oxidaci tříuhlíkatých sloučenin na
pyruvát.
59
Glykolýza
test
Struktury
Jména
Enzymy
Kofaktory
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Reakce glykolýzy
1. Vznik Glc-6-P: fosforylací
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 82.
60
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
1. Vznik Glc-6-P: štěpením glykogenu (bez spotřeby ATP)
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 82.
61
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
2. Izomerizace glukosa-6-P
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 82.
62
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
3. Vznik fruktosa-1,6-bisfosfátu
Rychlost reakce je určující pro rychlost celé glykolýzy
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 82.
63
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Principy regulace fosfofruktokinasy
• allosterická inhibice ATP a citrátem
• allosterická aktivace AMP, ADP a v játrech
fruktoso-2,6-bisfosfátem*
(*Fru-2,6-bisP vzniká pod hormonální kontrolou)
Co jsou to allosterické enzymy ?
64
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Vlastnosti enzymů, které limitují rychlost reakce
• nejpomalejší enzym dráhy
• pracuje při Vmax (jediná možnost, jak zvýšit rychlost
reakce je přidat více enzymu – ne více substrátu).
Rychlost reakce je nezávislá na [S].
• reakce je irreversibilní (aby reakce proběhla v opačném
směru, je třeba působení jiného enzymu). Ostatní
enzymy dráhy mohou být reversibilní.
65
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Regulační efekt fruktosa-2,6-biP při glykolýze a
glukoneogenezi v játrech
2,6-biP je allosterickým efektorem
fosfofruktokinasy fruktosa 1,6-bisfosfatasy
(glykolýza) (glukoneogeneze)
aktivace inhibice
Tvorba fruktosa-2,6-biP
 stimulace fruktosa-6P  inhibice glukagon
66
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
4.Vznik triosa-fosfátů
aldolasa (reakce je opakem aldolové kondenzace)
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 83.
67
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
5. Oxidace a fosforylace glyceraldehyd-3-P
Všimněte si, že do reakce
vstupuje Pi nikoliv ATP !!!!
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 83.
68
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Srovnejte:
glyceraldehyd-3-fosfát
3-fosfoglycerát
CH2
CHHO
C
H
O P
O
O
O
O
-
O
P
O
O
O
CH2
CHHO
C
O
O
-
-
-
69
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
v reakci se spotřebovává NAD+, vzniká NADH
Mechanismus oxidace a fosforylace glyceraldehyd-3-P
thioesterová
vazba
anhydridová
vazba
Fosforolytické
štěpení
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 83.
70
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
6.Tvorba 3-fosfoglycerátu a ATP
Tvorba ATP na principu substrátové fosforylace:
1,3 BPG je vysokoenergetická sloučenina (smíšený anhydrid),
energie uvolňující se při přenosu PO3
2- je využita k syntéze ATP
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 84.
71
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Vznik 2,3-bisfosfoglycerátu - vedlejší cesta v
erytrocytech
Při této reakci se na
rozdíl od glykolýzy
(viz. reakce 6)
nezíská ATP
Vazba na Hb,
význam pro
uvolnění O2
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 84.
72
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
7. Tvorba 2-fosfoglycerátu
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 84.
73
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
enolasa
(inhibice F- - zástava glykolysy při
odběru vzorku krve)
8. tvorba fosfoenolpyruvátu
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 84.
74
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
9. Vznik pyruvátu
Pyruvátkinasa
aktivace fruktosa-1,6-bisP
hormonálně regulována
glukagonem (inaktivace)
ATP
(substrátová fosforylace)
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 85.
75
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Přeměny pyruvátu
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 85.
76
TEST/DOPLNIT
ENZYMY
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Přeměny pyruvátu
1) Při anaerobní glykolýze je pyruvát redukován na laktát.5
2) Při aerobní glykolýze (za přístupu vzduchu) následuje oxidativní
dekarboxylace pyruvátu, který se tak přeměňuje na acetyl-CoA.
3) Karboxylací pyruvátu (jedna z anaplerotických reakcí citrátového
cyklu) za spotřeby energie vzniká oxalacetát, který může být využit v
různých drahách (přeměna na aspartát, CC ad.)
4) Transaminací pyruvátu získáme alanin – reakce se účastní glutamátu
(Glu) a vzniká při ní 2-oxoglutarát (2-OG).
5) Další možností odbourání pyruvátu je alkoholové mikroorganismy. V
této reakci vzniká ethanol.
77
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Tvorba laktátu - anaerobní glykolýza
Význam:
Regenerace NAD+ spotřebovaného při tvorbě 2,3-bisP-glycerátu
není-li dostatek NAD+, nemohou další
molekuly glukosy vstupovat do
glykolýzy
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 86.
78
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Laktátdehydrogenasa (LD)
Katalyzuje reakci v obou směrech
Isoenzymy LD1 - LD5
Podjednotka H
(heart)
Podjednotka M
(muscle)
LD1 LD2 LD3 LD4 LD5
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 86.
79
Isoenzymové formy laktátdehydrogenasy
Laktátdehydrogensa katalyzuje vzájemný převod laktát – pyruvát.
 LDH je tetramer dvou typů 35 kD podjednotek.
 H (heart) typ převažuje v srdečním svalu a M (muscle) v kontraktilním svalstvu
a játrech.
 Podjednotky asociují tak, že vytvářejí pět typů tetramerů:
H4, H3M1, H2M2, H1M3, a M4
 H4 isoenzym má vyšší afinitu k substrátu než M4, který je allostericky inhibován
vysokou hladinou pyruvátu.
 H4 oxiduje laktát na pyruvát, který využívá srdeční sval za aerobních podmínek.
Srdeční sval je vždy aerobní!
 M4 funguje opačně – převádí pyruvát na laktát což je v souladu s glykolýzou za
anaerobnmích podmínek. Ostatní isoenzymy mají vlastnosti mezi těmito dvěma
krajními.
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
• krátkodobě v intenzivně pracujícím svalu  14 %
• v erytrocytech (nemají mitochondrie)  25 %
• kůže  25 %
• mozek  14 %
• v buňkách střevní sliznice  8 %
Tvorba laktátu
průměrně 1,3 mol/den (muž 70 kg)
Koncentrace laktátu v krvi:  1 mmol/l
změny při intenzívní svalové práci (až 30 mmol/l)
81
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Coriho cyklus – odstraňování laktátu ze tkání do
jater a využití pro glukoneogenezi
JÁTRA
glukosa
SVAL
glukosa
pyruvát
laktát
KREV
laktát
pyruvát
Manželé Coriovi - Nobelova cena 1947
LD
LD
82
Coriho cyklus
 Laktát a alanin tvořící se v kontraktilním svalstu jsou zdrojem energie
pro jiné orgány.
 Tvořící se pyruvát ve svalech při intenzivním cvičení se nestačí
odbourat aerobně a pokračování glykolýzy závisí na dostupnosti
NAD+. Tvoří se laktát.
 Laktát je transportován krví do jater a zde je resyntetizována
glukoneogenezí glukosa, která putuje do svalů.
 Alanin je druhým zdrojem uhlíku pro syntézu glukosy. Ve svalech je
tvořen transaminací z pyruvátu, v játrech probíhá opačný proces.
Alanin tak pomáhá udržovat rovnováhu dusíku v organismu.
 Erythrocyty postrádají mitochondrie a proto nemohou oxidovat
kompletně glukosu.
Aminotransferasová reakce alanin –
pyruvát
Koenzymem je pyridoxal-5-fosfát (PALP).
Pyruvát
NH3
+
C
H
CH3 COO
-
Alanin
Aminotransferasa
-Ketokyselina Aminokyselina
C
O
CH3 COO
-
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Energetický zisk glykolýzy
1. přímý zisk ATP-substrátovou fosforylací
2 ATP na jednu glukosuspotřeba ATP zisk ATP 
- +
Tento zisk platí pro aerobní i anaerobní děj.
U anaerobní glykolýzy je jediným ziskem ATP.
85
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
- reoxidace NADH z reakce 5 (glyceraldehyd-P1,3-bisP-glycerát) :
přenos pomocí „člunků“ do dýchacího řetězce - zisk 2x 2-3 ATP
2. další zisk ATP při aerobní glykolýze:
- přeměna pyruvátu na acetylCoA (2 NADH) 2x3 ATP
- přeměna acetylCoA v citrátovém cyklu 2x12 ATP
86
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Celková bilance aerobní glykolýzy
Reakce Zisk ATP
glukosa 2 pyruvát (substrátová f.)
2 NADH  2NAD+
2
4-6*
Aerobní glykolýza po pyruvát:
* záleží na typu člunku (viz přednáška Resp.řetězec)
Další přeměny pyruvátu:
Reakce Zisk ATP
2 pyruvát  2 acetylCoA + 2 NADH
2 acetyl CoA  2 CO2 + 6 NADH + 2 FADH2
6*
2x 12
Celkový maximální zisk glykolýzy 36-38 ATP
* (2x NADH do resp.ř.)
87
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Bilance anaerobní glykolýzy
Anaerobní glykolýza po pyruvát:
Reakce Zisk ATP
glukosa 2 x pyruvát (substrátová f.)
2 NADH  2NAD+
2
0
Tvorba a spotřeba NADH při anaerobní glykolýze
Reakce Zisk/ ztráta NADH
2 glyceraldehyd-P  2 1,3-bisP-glycerát
2 pyruvát  2 laktát
celkem
+2
- 2
0
88
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
• Při anaerobní glykolýze je čistý výtěžek energie 2 ATP ze
substrátové fosforylace
• je to jen malý podíl z energie uchované v molekule glukosy
• má však význam při dějích, kdy
• přísun kyslíku je omezen
• tkáň nemá k dispozici mitochondrie (ercs, leukocyty, ..)
• je třeba, aby laktát se ušetřil pro glukoneogenezi
89
Kontrolní mechanismy glykolýzy
 Kontrola glykolýzy je důležitá z těchto dvou důvodů:
1. Tvoří se ATP rozkladem glukosy na pyruvát
2. Tvoří se stavební jednotky k syntéze, např. mastných kyselin.
 V metabolických drahách jsou vhodným místem kontroly enzymy
katalyzující prakticky ireversibilní reakce.
 Glykolýza: hexokinasa
fosfofruktokinasa
pyruvátkinasa
Fosfofruktokinasa – klíčový enzym
regulace savčí glykolýzy
Jaterní enzym je 340 kDa homotetramer obsahující katalytická a allosterická místa.
Inhibice a aktivace
fosfofruktokinasy
 ATP je allosterický inhibitor; AMP ruší inhibiční účinek ATP. Aktivita enzymu
roste, když poměr ATP / AMP klesá.
 Proč AMP a ne ADP ? Při rychlém úbytku ATP se vznikající ADP rychle
přeměňuje adenylátkinasou.
ADP + ADP = ATP + AMP
 Malé změny v koncentraci ATP vedou k velkým změnám koncentrace AMP a
tím ke zvýšení citlivosti regulace fosfofruktokinasy.
 Fosfofruktokinasa je také inhibována snížením pH. Je to prevence tvorby
nadbytku laktátu.
 Fosfofruktokinasa je inhibována citrátem. Nadbytek citrátu je znamením
nadbytku biosyntetických prekurzorů. Není nutné odbourávat další glukosu.
 Aktivátorem fosfofruktokinasy je fruktosa-2,6-bisfosfát (F-2,6-bP). Aktivuje
enzym tím, že zvyšuje jeho afinitu pro substrát.
F-2,6-bP je allosterický aktivátor, který posouvá tetramerní enzym ze stavu T
do stavu R.
O O
CH2OH
H
OH
OH
H
OH2C
H
O3P PO3
2-
Fruktosa-2,6-bisfosfát
(F-2,6-BP)
2-
Allosterická inhibice
fosfofruktokinasy ATPReakčnírychlost
Vysoká hladina ATP
[Fruktosa-6-fosfát]
Nízká hladina ATP
A) Aktivace fosfofruktokinasy fruktosa-2,6-bisfosfátem
B) ATP jako substrát, nadbytek inhibuje, přidání F-2,6-bP ruší inhibiční účinek ATP
[Fruktosa-6-fosfát] (M)
Relativnírychlost
100
80
60
40
20
1 2 3 4 5
1 M F-2,6-BP
0.1 M
0 M
[ATP] (M)
Relativnírychlost
100
80
60
40
20
1 2 3 4 5
1 M F-2,6-BP
0.1 M
0 M
A) B)
Kontrola hladiny F-2,6-BP
 Fruktosa-2,6-bisfosfát se tvoří za katalýzy fosfofruktokinasou 2 (PFK2) a je
hydrolyzována fruktosabisfosfatasou 2 (FBPasa2), což je bifukční enzym.
Existuje v pěti isoenzymových formách. Forma L převažuje v játrech a forma M
ve svalech. Forma L se podílí na udržování homeostéze krevní glukosy.
 Při vysoké hladině glukosy v krvi (insulin) se současně zvyšuje hladina
fruktosa-6-fosfátu v játrech, což vede ke zvýšené tvorbě F-2,6-BP a tím ke
zvýšení aktivity fosfofruktokinasy.
 Jaké kontrolní mechanismy fungují v játrech ve vztahu PFK2 a FBPasy2 ?
 Aktivity PFK2 a FBPasy2 jsou recipročně kontrolovány fosforylací Ser zbytku.
 Při nízké hladině glukosy (signalizuje glukagon přes proteinkinasovou kaskádu
s cAMP) dojde k fosforylaci bifunkčního enzymu proteinkinasou A, což má za
následek aktivaci FBPasy2 a inhibici PFK2. Snižuje se hladina F-2,6-BP a
zpomaluje se glykolýza.
 Při vysoké hladině glukosy, ztrácí bifunkční enzym fosfát, aktivuje se PFK2 a
inhibuje FBPasa2, zvyšuje se hladina fruktosa-2,6-bisfosfátu a zrychluje
glykolýza.
Úloha hexokinasy při regulaci
glykolýzy
 Hexokinasa je inhibována produktem – glukosa-6-fosfátem.
 Inhibice fosfofruktokinasy vede také k inhibici hexokinasy.
 Když je fosfofruktokinasa inaktivní, roste hladina fruktosa-6-fosfátu a tím i
glukosa-6-fosfátu.
 V játrech je glukokinasa, která fosforyluje glukosu při vysokých
koncentracích (glukokinasa je 60 x méně afinní ke glukose). Proto je rolí
glukokinasy spíše fosforylovat glukosu pro tvorbu glykogenu a mastných
kyselin.
 Dalším důvodem proč je klíčovým enzymem regulace glykolýzy
fosfofruktokinasa a ne hexokinasa je, že glukosa-6-fosfát není pouze
meziproduktem glykolýzy. Může přecházet na glykogen nebo se
katabolizovat v pentosafosfátové dráze.
Úloha pyruvátkinasy při regulaci glykolýzy.
Regulace pyruvátkinasy a regulace prostřednictvím F-2,6-BP brání při nízké hladině spotřebu
glukosy játry ve prospěch mozku.
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Oxidační dekarboxylace pyruvátu
• pyruvátdehydrogenasový komplex
CH3COCOOH + CoA-SH + NAD+
CH3COSCoA + CO2 + NADH + H+
Sumární rovnice:
acetylCoA
matrix
mitochondrie
• přeměna pyruvátu na acetylCoA
kofaktory: thiamindifosfát, lipoamid, CoA, FAD, NAD+
99
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
1. vazba pyruvátu na thiamindifosfát
Dílčí reakce
100
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
2. dekarboxylace a přenos acetylu na lipoát
lipoát
101
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
3. přenos acetylu na koenzymA
102
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
4. reoxidace lipoátu, přenos vodíku přes FAD na NAD+
103
kofaktory: thiamindifosfát, lipoamid, CoA, FAD, NAD+
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 90 .
104
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Glukoneogeneze
• Glukosa není esenciální látkou. Lidské
tělo si ji umí samo vyrobit pomocí
sledu reakcí, které nazýváme
glukoneogeneze (dále GNG).
• GNG je jedním z faktorů, které v
postresorpční fázi (= fázi hladovění)
zajišťují udržení hladiny glukosy v
krvi ve fyziologickém rozmezí 3,1 - 5,0
mmol/l. Spolu s ní k tomu slouží
glykogenolýza (hlavní faktor v
postresorpční fázi) a příjem sacharidů
potravou (hlavní faktor v resorpční
fázi – fázi po jídle).
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 91 .
105
• Metabolismus glukosy – a tím i její množství v krvi –
ovlivňují hormony. Především se jedná o insulin, glukagon,
adrenalin (hormon okamžitého stresu) a kortisol (hormon
dlouhodobého stresu). Základní informace o jednotlivých
hormonech uvádá tabulka.
• Glukoneogeneze probíhá v játrech (v malé míře i v
ledvinách), konkrétně v cytosolu buněk.
• Glukosa je syntetizovaná z jednodušších necukerných látek:
 laktát
 pyruvát
 glukogenní AK
 glycerol
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
106
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Resorpční fáze Postresorpční fáze,
hladovění
Sacharidy z potravy
Glykogenolýza (játra)
Glukoneogeneze (játra,
ledviny)
3,1-5,0 mmol/l
Hladina glukosy v krvi
107
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Hormon Zdroj
Účinek na hladinu
glukosy v krvi
Insulin -buňky pankreatu 
Glukagon -buňky pankreatu 
Adrenalin
Kortisol
dřeň nadledvin
kůra nadledvin


Hlavní hormony v metabolismu glukosy
108
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Odlišné reakce GNG a glykolýzy
• Pro syntézu glukosy jsou užívány enzymy a reakce glykolýzy –
avšak ne všechny, protože 3 reakce glykolýzy jsou nevratné a
je potřeba je nahradit.
• Jedná se o reakce:
• 1) glukosa + ATP → glukosa-6-fosfát + ADP
• 2) fruktosa-6-fosfát + ATP → fruktosa-1,6-bisfosfát + ADP
• 3) fosfoenolpyruvát + ADP → pyruvát + ATP
• Uvedené reakce nemohou probíhat na druhou stranu z
jednoduchého důvodu – při opačné reakci se v ani jednom z
případů neuvolní dostatečné množství energie, aby vznikly
uvedené produkty – např. kdyby reakce 1 měla probíhat pozpátku,
jednalo by se o substrátovou fosforylaci (vznikalo by ATP), ale
průběh reakce není možný, neboť štěpení glukosa-6-fosfátu
neposkytne dostatečné množství energie, potřebné k syntéze
ATP.
109
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Glukoneogeneze - syntéza glukosy de novo
• Orgán: játra (ledviny)
• Lokalizace: cytoplasma buněk
• Zdroj pro syntézu: necukerné látky
(laktát, pyruvát, glukogenní aminokyseliny, glycerol)
• Reakce: Jsou využity enzymy glykolýzy,
pouze 3 nevratné reakce jsou
nahrazeny jinými
110
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
1. Glc + ATP  Glc-6-P + ADP
(nahrazena jiným enzymem)
2. Fru-6-P + ATP  Fru-1,6-bisP
(nahrazena jiným enzymem)
3. PEP + ADP  pyruvát + ATP
(nahrazena „obchvatem“)
Nevratné reakce glykolýzy (kinasové reakce)
111
 Aktuální  G tvorby pyruvátu z glukosy je – 84 kJ/mol.
 Tři kroky jsou kritické (ireversibilní):
Hexokinasa ( G = - 33 kJ/mol)
Fosfofruktokinasa ( G = -22 kJ/mol)
Pyruvátkinasa ( G = - 17 kJ/mol)
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
glukosa
Glc-6-P
Fru-6-P
Fru-1,6-bisP
Glyceraldehyd-3-P Dihydroxyaceton -2-P
1,3-bis-P-glycerát
3-P-glycerát
2-P-glycerát
fosfoenolpyruvát
pyruvát
Nevratné
reakce
glykolýzy
Glykolýza x glukoneogeneze
112
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Zvláštní reakce glukoneogeneze
1. Syntéza fosfoenolpyruvátu
proč neprobíhá jako zvrat této reakce?
 Go = -61,9 kJ/mol
Ani štěpení ATP neposkytne pro zpětnou reakci dost energie
ATPADP
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 242 .
113
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Vznik fosfoenolpyruvátu je rozložen do dvou
stupňů:
1. vznik oxalacetátu karboxylací pyruvátu *
lokalizace: mitochondrie jater a ledvin
enzym: pyruvátkarboxylasa
energie: spotřeba 1 ATP
2. přeměna oxalacetátu na fosfoenolpyruvát
lokalizace: cytoplazma (i mitochondrie)
enzym: fosfoenolpyruvátkarboxykinasa
energie: spotřeba 1 GTP
*Pozn.: Karboxylace pyruvátu je také anaplerotickou reakcí citrátového cyklu
114
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
• dehydrogenace malátu (citr.cyklus)
Jiné cesty tvorby oxalacetátu v mitochondriích
• transaminace aspartátu
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 236.
WikiSkripta: Aminotransferázy [online]. [cit. 2014-07-17]. Dostupné z:
http://www.wikiskripta.eu/index.php/Aminotransfer%C3%A1zy
115
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Mitochondriální membrána není
prostupná pro oxalacetát.
Jak se oxalacetát dostane z mitochondrie
do cytoplasmy?
Je transportován ve formě malátu nebo aspartátu.
Oxalacetát vzniká v matrix mitochondrie. Jeho
dekarboxylace probíhá částečně v cytoplazmě:
116
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
pyruvát
pyruvát
laktát
oxalacetát
glukogenní
aminokyseliny
malát
acetylCoA
citrát
fosfoenolpyruvát
oxaloacetát
Vznik
fosfoenolpyruvátu
schematicky
a
b
c
mitochondrie
cytoplasmapyruvát
laktát
alanin
aspartát
CC
Syntéza a transport oxalacetátu
117
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
pyruvát
pyruvát
oxalacetát
glukogenní
aminokyseliny
malát
acetylCoA
citrát
mitochondrie
cytoplasma
fosfoenolpyruvát
oxalacetát
a
b
c
malát
alanin
laktát
aspartát
aspartát
Syntéza fosfoenolpyruvátu
CC
118
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
1. Přeměna pyruvátu na fosfoenolpyruvát (podrobněji)
•Karboxylace pyruvátu (matrix mitochondrie)
(viz též předn.v 3.týdnu)
a
KarboxybiotinCH3
C=O
COOH
pyruvát karboxylasa
biotin
Pyruvát
Oxaloacetát NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 37.
119
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
• Transport oxalacetátu do cytoplasmy ve formě malátu
oxaloacetát
malát
NADH + H+
NAD+
oxalacetát
malát
NADH + H+
NAD+
cytoplasma
mitochondrie
b
120
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
(*viz přenáška Dýchací řetězec – aspartát/malátový člunek).
• Transport oxalacetátu do cytoplasmy ve formě aspartátu
121
Tvorba volné glukosy v dutinkách endoplasmatického retikula (ER) působením
glukosa-6-fosfatasy
T1 transportuje G-6-P do ER, T2 a T3 transportují Pi a glukosu zpět
do cytosolu. Glukosa-6-fosfatasa je stabilizována Ca2+-vazebným proteinem (SP)
Dráhy transportu oxaloacetátu
Malát - aspartátový člunek (shutle). Srdeční sval a játra.
Univerzální člunek - směr toku elektronů závisí na NADH / NAD+
Glukoneogeneze
Vnitřní
mitochondrionální
membrána
Malát Malát
Aspartát Aspartát
Oxaloacetát Oxaloacetát
PEP PEP
Cytosol Mitochondrion
Aminokyselina
Aspartátaminotransferasa
NAD+
NADH + H+
Malátdehydrogenasa
NAD+
NADH + H+
Malátdehydrogenasa
-Ketokyselina
Aminokyselina
Aspartátaminotransferasa
-Ketokyselina
C
COO
CH2
COO
O
-
-
C
COO
CH2
COO
O
-
-
C
COO
CH2
COO
HNH3
+
-
-
C
COO
CH2
COO
HNH3
+
-
-
C
COO
CH2
COO
HOH
-
-
C
COO
CH2
COO
HOH
-
Dráha
1
Dráha 2
Glycerol-3-fosfátový člunek – reoxidace NADH z glykolýzy za aerobních
podmínek.
Typické pro intenzivně pracující sval.
Enzym je cytosolární glycerol-3-fosfátdehydrogenasa. Akceptorem elektronů FAD.
Elektrony se transportují proti NADH koncentračnímu gradientu.
Mitochondrionální
glycerol-3-fosfát
dehydrogenasa
Dihydroxyacetonfosfát
Cytosol
Matrix
E-FADH2
E-FAD
QH2 Q
O C
CH2OPO3
CH2OH
2-
CH2OPO3
C
CH2OH
OH H
2-
Glycerol-3-fosfát
Cytosolická
glycerol-3-fosfát
dehydrogenasa
NADH + H+
NAD+
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
• dekarboxylace oxalacetátu
(PEP)
vstupuje do vratných reakcí glykolýzy
c
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 94.
125
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Syntéza fosfoenolpyruvátu z pyruvátu nebo
laktátu vyžaduje spotřebu 2 ATP
Spřažení karboxylace a následné dekarboxylace
umožňuje průběh reakce, která je jinak energeticky
nevýhodná.
(viz též syntéza mastných kyselin)
126
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Proč je při glukoneogenezi upřednostněna
karboxylace pyruvátu před dekarboxylací ?
Organismus je pod vlivem glukagonu
Z tukové tkáně se uvolňují mastné kyseliny
V játrech probíhá jejich -oxidace
V játrech je dostatek acetyl-CoA
Acetyl-CoA: inhibuje pyruvátdehydrogenasu
aktivuje pyruvátkarboxylasu
127
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
2. Defosforylace fruktosa-1,6-bisfosfátu
Fruktosa-1,6-bisfosfatasa
Allosterická inhibice AMP,
aktivace ATP
Inhibice fruktosa-2,6-bisfosfátem
(jeho hladinu snižuje glukagon)
hydrolytické štěpení
Druhá zvláštní reakce glukoneogeneze
H2O
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 92.
128
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
3. Defosforylace glukosa-6-P
Je obsažena jen v játrech a (v ledvinách)
není ve svalu !
Třetí zvláštní reakce glukoneogeneze
Enzym je
lokalizován
v ER
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 92.
129
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Energetické nároky glukoneogenese
reakce ATP/glukosa
2 pyruvát → 2 oxalacetát -2
2 oxalacetát → 2 fosfoenolpyruvát -2 (GTP)
2 3-fosfoglycerát → 2 1,3-bisfosfoglycerát -2
-6 ATP/glukosa
Zdrojem energie je hlavně -oxidace MK
130
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
2 pyruvát + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH + 2H+
glukosa + 2NAD+ + 4 ADP + 2 GDP + 6 Pi
Sumární rovnice glukoneogeneze
-6 ATPSpotřeba:
131
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Laktát
vznik ve tkáních, transport krví do jater
laktát + NAD+  pyruvát + NADH + H+
(cytoplasma)
(Coriho cyklus)
Substráty pro glukoneogenezi - původ
132
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Glycerol
• vznik v adipocytech při štěpení triacylglycerolů
• transport krví do jater
• játra (cytoplasma):
glycerol + ATP  glycerol-3-P + ADP
glycerol-3-P + NAD+  dihydroxyaceton-P + NADH + H+
Jaká je spotřeba energie na syntézu 1 mol glukosy z
glycerolu?
133
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Glukogenní aminokyseliny
metabolismem poskytují pyruvát nebo
meziprodukty citrátového cyklu, které
poskytují oxalacetát
Acetyl CoA - není přímým zdrojem zdrojem pro
glukoneogenezi !!!
je odbourán v CC cyklu na CO2
u živočichů nejsou mastné kyseliny
přeměňovány na glukosu
134
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Nejvýznamnější glukogenní aminokyselinou je
alanin
Je v případě potřeby uvolňován ze svalů, kde vzniká transaminací
pyruvátu, je transportován do jater a transaminací opět
přeměňován na pyruvát
játra sval
glukosa
pyruvát
laktát
alanin
laktát
alanin
pyruvát
glukosa
aminokyselina
2-oxokyselina
glutamát
2-oxoglutarát
135
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Glukoneogeneze z laktátu i glycerolu vyžaduje
NAD+
za některých metabolických podmínek může být poměr
NADH/NAD+ vysoký – glukoneogeneze neprobíhá
poměr NADH/NAD+ zvyšuje např. metabolismus ethanolu
(alkoholdehydrogenasa) a proto příjem alkoholu může snižovat
glukoneogenezi  hypoglykemie u alkoholiků
136
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Hlavní rysy regulace glukoneogeneze
Dostupnost substrátů.
Ovlivnění nevratných reakcí allostericky a hormony.
Allosterické vlivy jsou rychlé (působí bezprostředně)
Hormony mohou působit
• buď přímým účinkem druhého posla aktivačně či
inhibičně (rychle)
• nebo ovlivněním syntézy indukcí a represí (pomalu –
hodiny až dny)
137
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Enzym Aktivátor Inhibitor
Hexokinasa Glukosa-6-fosfát
Fosfofruktokinasa 5´AMP, fruktosa-6fosfát,
fruktosa-2,6-
bisfosfát
Citrát, ATP, glukagon
Pyruvátkinasa fruktosa-1,6-bisfosfát,
insulin
ATP, alanin,
glukagon,
noradrenalin
Pyruvátdehydrogena
sa
CoA, NAD+, insulin,
ADP, pyruvát
acetylCoA, NADH,
ATP
Pyruvátkarboxylasa acetylCoA ADP
Fosfoenolpyruvát
karboxykinasa
Glukagon ?
Účinky aktivátorů a inhibitorů na enzymy glykolýzy a glukoneogeneze
138
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Enzym Induktor Represor
Glukokinasa Insulin Glukagon
Fosfofruktokinasa Insulin Glukagon
Pyruvátkinasa Insulin Glukagon
Pyruvátkarboxylasa Glukokortikoidy
Glukagon
Adrenalin
Insulin
Fosfoenolpyruvát
karboxykinasa
Glukokortikoidy
Glukagon
Adrenalin
Insulin
Glukosa-6-fosfatasa Glukokortikoidy
Glukagon
Adrenalin
Insulin
Účinky hormonů expresi enzymů glykolýzy a glukoneogeneze
139
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Glukoneogeneze v ledvinách
Ledviny mohou produkovat glukosu glukoneogenezí.
Mohou ji i uvolňovat do krevního oběhu – v
postresorpční fázi nebo při hladovění, též při acidosách
Substráty hlavně laktát, glycerol a glutamin
140
Srovnání glykolýzy a
glukoneogeneze I.
Glukosa
Triosafosfátisomerasa
Glukosa-6-fosfát
Fruktosa-6-fosfát
Fruktosa-1,6-bisfosfát
Hexokinasa
Dihydroxyacetonfosfát Glyceraldehyd-3-fosfát
ATP
ADP
Pi
H2
O
Glukosa-6-fosfatasa
Fosfoglukosaisomerasa
ATP
ADP
Pi
H2
O
Fruktosabisfosfatasa Fosfofruktokinasa
Aldolasa
Srovnání glykolýzy a
glukoneogeneze II.
Triosafosfátisomerasa
Dihydroxyacetonfosfát Glyceraldehyd-3-fosfát
NAD+
+ Pi
NADH + H+
Glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenasa
NAD+
+ Pi
NADH + H+
1,3-Bisfosfoglycerát
ATP
ADP
ADP
ATP
3-Fosfoglycerát
Fosfoglycerátkinasa
Fosfoglycerátmutasa
2-Fosfoglycerát
Enolasa
Fosfoenolpyruvát
ATP
ADP
Pyruvátkinasa
PyruvátOxaloacetát
ATP + CO2
Pi
+ ADP
Pyruvátkarboxylasa
CO2
+ GDP
GTP
Fosfoenolpyruvátkarboxykinasa
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Glykogen
- syntéza a odbourání
143
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
• Syntéza a odbourání glykogenu probíhá ve většině buněk,
největší rozsah je v játrech a svalech.
• Glykogen je zásobou glukosy v buňkách, která je velmi rychle
dostupná
• Ve svalech – hmotnost glykogenu cca 1(-2)% hmotnosti svalu,
odbourání při těžké svalové práci nebo stresu
• V játrech: cca 5(-10) % hmotnosti jater po jídle, odbourání při
poklesu hladiny glukosy v krvi
cca 0,1% hmotnosti jater po 24 hodinách hladovění
Zásoby glykogenu
144
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Tvorba glykogenu umožní uchování velkého
počtu molekul glukosy v buňce, aniž by
vzniklo hyperosmotické prostředí
145
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Glykogen se ukládá v cytoplazmatických granulích buněk.
Enzymy odbourávání a syntézy se váží na povrchu granulí.
Glykogenolýza není opakem syntézy.
Molekuly glykogenu
mají hmotnost Mr ~108
Lokalizace glykogenolýzy a syntézy glykogenu
Články a informace z různých oblastí lékařství: Tvorba glykogenu. [online]. 20.6.2006 [cit. 2014-07-18].
Dostupné z: http://www.biology.estranky.cz/clanky/biochemie/tvorba-glykogenu.html
146
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Typy vazeb v glykogenu
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 99.
147
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Syntéza glykogenu (glykogeneze)
1. aktivace glukosy na UDP-glukosu
2. přenos aktivovaných molekul k 4-konci již
existujícího primeru nebo řetězce glykogenu
3. vznik  -1,4 glykosidové vazby
4. větvení
Probíhá po jídle, aktivace insulinem
148
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
1. Syntéza UDP-glukosy
• Glukosa-6-P Glukosa -1-P
fosfoglukomutasa
• Glukosa-1-P + UTP UDP-glukosa + PPi
PP i + H2O 2Pi NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 100.
149
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
2. Pro syntézu glykogenu je potřebný primer
Fragment
glykogenu
Specifický protein, pokud
glykogen je zcela vyčerpán
(glykogenin)
Autoglykosylace na
serinovém zbytku
150
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
• Iniciace - navázání glukosy na primer  -1,4
glykosidovou vazbou (glykogensyntasa)
• Elongace - vznik lineárních řetězců s -1,4 vazbou
(glykogensynthasa)
UDP-glukosa + [glukosa]n  [glukosa]n+1 + UDP
3. vznik  -1,4 glykosidových vazeb
151
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
4. Větvení
(větvící enzym)
5-8 koncových glukosových zbytků na neredukujícím konci
je přeneseno a navázáno 1,6 vazbou
G-G-G-G-G
G-G-G-G-G-G-G-G-G-G-G-G-G  -G-G-G-G-G-G-G-G
-1,6 vazba
Další elongace glykogensyntasou na
neredukujících koncích
Další větvení větvícím enzymem
152
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Význam větvení:
• zvýšení rozpustnosti glykogenu
• zvýšení počtu neredukujících konců
zrychlení syntézy (a odbourání)
153
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Odbourání glykogenu (fosforolýza)
1. Fosforolytické štěpení -1,4 glykosidových
vazeb (fosforylasa)
2. Odstranění -1,6 větvení (odvětvovací enzym)
Probíhá při hladovění (játra), svalové práci (sval)
nebo stresu (játra i sval).
Srovnejte:
Hydrolýza x fosforolýza
154
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
1. Fosforylasa
Fosforolytické štěpení -1,4 glykosidových vazeb od
neredukujících konců
Glykogenn + Pi glukosa-1-P + glykogenn-1
štěpení probíhá do fáze „limitního dextrinu“(obvykle 4 glukosové
jednotky před -1,6 vazbou)
Rob's web: Glycogeen metabolisme [online]. [cit. 2014-07-18]. Dostupné z:
http://www.robkalmeijer.nl/voedingsleer/metabolisme/glycogeenmetabolisme/
n residues n – 1residues
155
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Účinek fosforylasy vede ke vzniku limitních dextrinů :
Odbourání glykogenu
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 103.
156
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
2. Odvětvovací enzym
transferasová aktivita: enzym přenáší 3 ze 4
zbývajících glukos na řetězci vázaném -1,6
vazbou na neredukující konec jiného řetězce
glukosidasová aktivita: odštěpí glukosu vázanou
-1,6 vazbou
(uvolní se volná glukosa ! Ne Glc-1-P)
157
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Následuje účinek fosforylasy
Účinek odvětvovacího enzymu
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 103.
158
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 103.
159
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Další osud glukosa-1-fosfátu vzniklého z glykogenu
uvolnění do krve
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 103.
160
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Glukosa-6-P nemůže přecházet přes cytoplazmatickou
membránu, přestup je možný jen pro glukosu
Enzym glukosa-6-fosfatasa je jen v játrech (ledvinách) – ne
ve svalu.
Hladina glukosy v krvi může být doplňována jen
štěpením jaterního glykogenu
Štěpením glykogenu ve svalu a dalších buňkách je
získán glukosa-6-P, který může být metabolizován
jen uvnitř buňky (glykolýza)
Využití glukosa-6-P
161
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Lysosomální degradace glykogenu
lysosomální kyselá glukosidasa (pH optimum 4)
- odbourává 1,4 vazby od neredukujícího konce
- uvolňuje se glukosa
odbourání 1-3 % buněčného glykogenu
(viz též Pompeho choroba)
162
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Regulace metabolismu glykogenu
Glykogensyntasa X glykogenfosforylasa
Hormonální kontrola
Allosterická regulace
163
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Hormony ovlivňující syntézu a odbourání glykogenu
Hormon syntéza odbourání
Insulin
Glukagon
Adrenalin






Hormony působí prostřednictvím svých „druhých poslů“.
164
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Fosforylace a defosforylace proteinů hraje
významnou roli při regulaci metabolismu
glykogenu
• fosforylace prostřednictvím kinas a ATP
• defosforylace prostřednictvím fosfatas
165
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
H2O
Pi
proteinfosfatasa
OH
O-P
ATP
ADP
proteinkinasa
Enzym neaktivní
Enzym aktivní
H2O
Pi
proteinfosfatasa
OH
O-P
ATP
ADP
proteinkinasa
Enzym aktivní
Enzym neaktivní
Obecné příklady změn aktivity vyvolaných
fosforylací a defosforylací
166
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Aktivace a inaktivace glykogenfosforylasy
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 105.
Fosforylasa b
(nefosforylovaná
forma - málo
aktivní)
Fosforylasa a
(fosforylovaná forma -
aktivní)
167
Fosforylasa v játrech a svalu se liší
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Aktivace a inaktivace glykogensynthasy
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 105.
Glykogensynthasa a
(defosforylovaná -
aktivní)
Glykogensynthasa b
(fosforylovaná -
inaktivní)
168
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
vliv hormonů:
Játra:
glukagon (cAMP),
adrenalin (cAMP, Ca2+ kalmodulin)
Odbourání glykogenu
Sval:
adrenalin (cAMP) při stresu
allosterická regulace
AMPNe účinek glukagonu !
 Ca2+ během
svalové kontrakce
169
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Aktivace fosforylasy probíhá stupňovitě
Proteinkinasa A
(neaktivní)
cAMP
Proteinkinasa A
(aktivní)
Fosforylasa
kinasa
(neaktivní)
Fosforylasa
kinasa
(aktivní)
ATP
ADP
P
Glykogenfosforylasa
b (neaktivní) ATP ADP
Glykogenfosforylasa a
(aktivní)
P
Játra – aktivace glykogenfosforylasy glukagonem a adrenalinem
zprostředkovaná cAMP
Glukosa, ATP, Glc-6P:
allosterická inhibice
Glukagon
(adrenalin)
170
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Játra – aktivace glykogen fosforylasy adrenalinem
zprostředkovaná intracelulárním zvýšením Ca2+
Adrenalin 1  Ca2+
 Ca2+-kalmodulin
Ca- kalmodulin
dependentní
fosforylasakinasa
(neaktivní)
Ca- kalmodulin
dependentní
fosforylasakinasa
(aktivní)
P
ATP ADP
Glykogenfosforylasa
b (neaktivní)
Glykogenfosforylasa a
(aktivní)
kalmodulin
Proteinfosfatasa (aktivace  cAMP )
Adrenalin
a glukagon
mohou působit
synergicky
171
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Proteinkinasa A
(neaktivní)
cAMP
Proteinkinasa A
(aktivní)
Fosforylasa
kinasa
(neaktivní)
Fosforylasa
kinasa
(aktivní)
ATP
ADPPGlykogenfosforylasa b
(neaktivní)
ATP ADP
Glykogenfosforylasa a
(aktivní)
P
Adrenalin -stres
Sval – aktivace glykogenfosforylasy adrenalinem, Ca2+ a AMP
Svalová
kontrakce ↑ Ca2+
Glykogenfosforylasa b (aktivní) (nefosforylovaná)
AMPPokles
energie
P
Proteinfosfatasa (aktivace  cAMP )
Glykogenfosforylasa b (neaktivní)
172
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Glykogensynthasa a
(defosforylovaná, aktivní)
Glykogensynthasa b
(fosforylovaná,
neaktivní)
Proteinfosfatasa 1
(aktivace insulinem, allostericky
glukosa-6-P
inaktivace ↑ cAMP )
Aktivace a inaktivace glykogensynthasy v játrech
ATP
ADP
Proteinkinasa (aktivace
glukagonem /cAMP/ nebo
adrenalinem /Ca-
calmodulin/
inaktivace aktivace
Pi
173
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Kontrola glykogensynthasy ve svalu je komplexnější a je
regulována i obsahem glykogenu.
Glykogen funguje jako zpětný inhibitor syntézy
174
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Glykogenózy
Enzymy, které hrají roli v metabolismu glykogenu, jsou velmi často nějakým způsobem
poškozené – většinou se jedná o vrozené deficience enzymů. Tyto deficience se
projevují různými způsoby – záleží na tom, o který konkrétní enzym se jedná a také na
tom, o kterou jeho konkrétní izoformu se jedná (poruchy tedy mohou být tkáňově
specifické – např. izoforma ve svalech bude poškozena a metabolismus glykogenu ve
svalu bude narušen, ale izoforma v játrech bude v pořádku, tudíž metabolismus
glykogenu v nich bude probíhat normálně).
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 108.
175
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Glykogenózy – poruchy enzymů
Vrozené deficience enzymů. Poněvadž v různých tkáních mohou být různé izoenzymy,
mohou být poruchy tkáňově specifické. (F – fatální)
Typ Enzymový defekt Orgán Charakteristika
0
I
II
III
IV
V
VI
VII
Glykogensythasa
Glc-6-fosfatasa
Lysosom. α-glukosidasa
Odvětvovací enzym
Větvící enzym
Svalová fosforylasa
Jaterní fosforylasa
fosfofruktokinasa
Játra
Játra, ledviny
Svaly, srdce
Játra, svaly,
srdce
Játra
Sval
Játra
svaly, ercs
Hypoglykemie F
Zvětšená játra, ledviny. Hypoglykemie. Buňky
jsou přeplněné glykogenem
Hromadění glykogenu v lyzosomech F
Hromadění charakt. větveného polysach.
Hromadění nevětveného polysacharidu F
Vys. obsah glykogenu ve svalu, snížená
schopnost těl. námahy
Vys. obsah. glykogenu v játrech, sklon k
hypoglykemiím
Jako typ V
176
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Von Gierkeho choroba (glykogenosa typu I)
Nejběžnější z glykogenóz
Deficit glukosa-6-fosfatasy nebo transportéru pro glukosa-6-P
Důsledky:
• hypoglykemie při krátkém hladovění
• laktacidemie
• (hyperlipidemie, hyperurikemie)
Příklady glykogenóz
177
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Pompeho choroba (glykogenosa typu II)
Absence -1,4-glukosidasy v lysosomech
Akumulace glykogenu v lysosomech
Ztráta funkce lysosomů
Poškození svalů, glykogen se hromadí i v cytoplazmě
svaloviny svalová slabost
Postihuje zejména svaly respiračního systému a srdce
Typ Ia – u kojenců (smrtelná)
Typ II b – u starších dětí a dospělých, zkracuje život
178
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
McArdlova choroba (typ V)
Absence svalové fosforylasy
Zásoby glykogenu nejsou dostupné pro produkci energie
Sval není schopen vykonávat trvalejší práci
Sval je snadno poškozen (myoglobin v krvi)
179
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Lokalizace jednotlivých dějů vzniku fosfoenolpyruvátu:
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 95.
180
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Pentosofosfátová dráha
• A) Úvod
• Doposud popisované děje se týkaly metabolismus glukosy, avšak pouze těch jeho částí, při
kterých buňka získávala energii. Pentosofosfátová dráha je rovněž jednou z metabolických
drah glukosy, avšak nevede k zisku energie.
• Probíhá ve velkém rozsahu v játrech, tukové tkáni (až 50% metabolismus glukosy),
erytrocytech (velmi významný zdroj NADPH+H+), štítné žláze, laktující mléčné žláze a dalších
tkáních. Obecně lze říci, že probíhá v tkáních, v nichž probíhají redukční syntézy. V ostatních
tkáních jsou využívány jen určité části této dráhy.
• Co se týče buněčné lokalizace, probíhá pentosofosfátová dráha v cytosolu.
• Pentosofosfátová dráha:
• je významným zdrojem NADPH+H+, který je využíván k redukčním syntézám, redukci
glutathionu a dále pak oxygenasami se smíšenou funkcí
• je zdrojem ribosa-5-fosfátu, který slouží k syntéze NK a nukleotidů
• umožňuje zapojení pentos přijatých potravou do metabolismu (např. přímou přeměnou na
nukleotidy, nebo jejich přeměnou na hexosy).
• Jak bylo řečeno v úvodu, není tato dráha zdrojem energie, navíc energii přímo
nespotřebovává.
• Můžeme rozlišit dvě části pentosofosfátové dráhy:
• oxidační část, ve které probíhají nevratné reakce
• regenerační (neoxidační) část, která se skládá z vratných reakcí
181
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
182
Pentosový cyklus
Buněčná lokalizace: cytoplasma
Tkáňová lokalizace:
ve velkém rozsahu játra, tuková tkáň (až 50% metab.
glukosy), erytrocyty, štítná žláza, laktující mléčná žláza
ad.
(obecně tkáně, kde probíhají redukční syntézy)
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
183
Význam pentosového cyklu
• zdroj NADPH (redukční syntézy, oxygenasy se
smíšenou funkcí, redukce glutathionu)
• zdroj ribosa-5-P (nukleové kyseliny, nukleotidy)
• zapojení pentos přijatých potravou do metabolismu
Neslouží k zisku energie
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
184
Dvě části pentosového cyklu
oxidační část nevratné reakce
neoxidační část (regenerační) vratné reakce
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
185
Oxidační část pentosového cyklu
laktonasa
6-fosfoglukonátdehydrogenasa
Glukosa-6-P
NADP+ NADPH + H+
6-fosfoglukonolakton
NADP+
NADPH + H+
Ribulosa-5-P + CO2
6-fosfoglukonát
glukosa-6-P-dehydrogenasa
Regulace: inhibice NADPH (inhibice
produktem)
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Oxidační část pentosového cyklu (podrobněji)
– vznik 6-fosfoglukonátu
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 110.
186
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Oxidační část pentosového cyklu (podrobněji)
– přeměna 6-fosfoglukonátu
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 110.
Ziskem oxidační větve pentosového cyklu jsou 2 moly NADPH a
pentosa fosfát
187
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
188
Regenerační fáze pentosového cyklu
(pokud pentosy nejsou využity pro syntézu
nukleotidů)
3 Ribulosa-5-P 2 Fruktosa-6-P + Glyceraldehyd-3-P
Proč regenerace ?
Některé buňky potřebují mnoho NADPH. Při jeho produkci
vzniká velké množství pentos, které buňka nepotřebuje.
souhrnná rovnice:
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Enzymy v regenerační fázi pentosového cyklu
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 110.
189
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 111.
190
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Transketolasa - přenáší dvouuhlíkatý zbytek
Kofaktor: thiamindifosfát NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 111.
191
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Transaldolasa - přenáší tříuhlíkatý zbytek
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 111.
192
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Transketolasa - přenáší dvouuhlíkatý zbytek
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 112.
193
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
194
Souhrnná bilance pentosového cyklu
Ribulosa-5-P Ribosa -5-P
2 Ribulosa-5-P 2 Xylulosa -5-P
Xylu-5-P + Rib-5-P Glyc-3-P + Sed-7-P
Sed-7-P + Glyc-3-P Ery-4-P + Fru-6-P
Xylu-5-P + Ery-4-P Glyc-3-P + Fru-6-P
3 Ribulosa-5-P Glyceraldehyd-3-P + 2 Fru-6-P
3 x 5C 3C + 2 x 6C
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 112.
195
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
196
Reakce regenerační fáze pentosového cyklu jsou vratné.
To umožňuje produkovat pentosy v buňce i v situacích, kdy
není potřebné NADPH, pouhým zvratem reakcí regenerační
fáze, z meziproduktů glykolýzy.
Tvorba ribosafosfátu z meziproduktů glykolýzy
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
197
sedoheptulosa-7-P + glyceraldehyd-3-P 2 pentosy
Další transketolasová reakce v opačném směru
fruktosa-6-P + glyceraldehyd-3-P erytrosa-4-P + xylulosa-5-P
(z glykolýzy)
erytrosa-4-P + fruktosa-6-P sedoheptulosa-7-P
+ glyceraldehyd-3-P
Transaldolasová reakce v opačném směru
(z glykolýzy)
Transketolasová reakce v opačném směru
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
198
Regulace pentosového cyklu
• rychlost závisí na úvodních nevratných reakcích
oxidační fáze
• dostupnost substrátu (NADP+), inhibice produktem
• indukce enzymů insulinem
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
199
Potřeby buňky určují směr reakcí pentosového
cyklu
Potřeba buňky Směr dráhy
pouze NADPH Oxidativní větev produkuje NADPH, regenerační fáze
konvertuje pentosy na Glc-6-P
NADPH + ribosa-5-P Oxidativní větev produkuje NADPH a ribuloso-5-P,
isomerasa ji přeměňuje na ribosu
pouze ribosa-5-P Probíhá konverze fruktosa-6-P a glyceraldehydu-5-P na
ribosa-5-P
NADPH a pyruvát Oxidativní větev produkuje NADPH, regenerační fáze
přeměňuje ribulosa-5-P na fruktosa-6-P a glyceraldehyd-
3-P, glykolýza produkuje pyruvát
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
200
Reakce vyžadující NADPH
• redukce oxidovaného glutathionu
• monooxygenázové reakce s cytP450
• redukční syntézy:
syntéza mastných kyselin
elongace mastných kyselin
syntéza cholesterolu
syntéza nukleotidů
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
201
NADH x NADPH / srovnání
Charakteristika NADH NADPH
vznik převážně při
dehydrogenaci
substrátů v
katabolických dějích
při dehydrogenaci
substrátů v reakcích
jiných než
katabolických
využití převážně dýchací
řetezec*
redukční syntézy a
detoxikační reakce
V dých. řetězci
nemůže být oxidován
Forma převažující v
buňce
NAD+ NADH
* Transhydrogenasa v mitochondriální membráně může katalyzovat přenos H z
NADH na NADP+
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
202
Význam pentosového cyklu pro erytrocyty
GS-SG + NADPH + H+ 2GSH + NADP+
glutathionreduktasa
Pentosový cyklus je jediným zdrojem NADPH pro erc
NADPH je potřebný na regeneraci glutathionu
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
203
Oxidovaný glutathion vzniká při odbourávání
peroxidu vodíku a organických peroxidů v erytrocytu
2GSH + HO-OH → GSSG + 2H2O
glutathionperoxidasa
2GSH + ROOH → GSSG + ROH + H2O
Hromadění peroxidů v buňce vyvolává hemolýzu
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
204
Deficit glukosa-6-P dehydrogenasy v erytrocytech
vrozená choroba
způsobena bodovými mutacemi genu v chromosomu X u
některých populací (až 400 různých mutací)
až 200 milionů jedinců
erytrocyty mají nedostatek redukovaného glutathionu
choroba je často bezpříznaková a projeví se episodami
hemolytické anemie po infekci, při užití některých léků nebo
favových bobů (Vicia fava)
Vstup galaktosy a fruktosy do
glykolýzy
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
206
Zdroj fruktosy: sacharosa z potravy, ovoce, med
Odhadovaný příjem 7 g a více (*USA až 37 g)
Vstup do buněk: GLUT V
Metabolismus fruktosy
* Kukuřičný sirup jako sladidlo
Wikipedie: Fruktóza. [online]. 17.4.2014 [cit. 2014-07-18]. Dostupné z:
http://cs.wikipedia.org/wiki/Frukt%C3%B3za#mediaviewer/Soubor:Beta-D-Fructofuranose.svg
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
207
Fruktosa a glukosa - srovnání
Glukosa Fruktosa
Resorpce ve střevě
Metabolismus
Poločas v krvi
Místo metabolismu
KM pro hexokinasu
KM pro fruktokinasu
rychlejší
pomalejší
43 min
většina tkání
0,1 mmol/l
-
pomalejší
rychlejší
18 min
hlavně játra, ledviny, enterocyty
3 mmol/l
0,5 mmol/l
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
208
Zásadní rozdíly mezi metabolismem glukosy a
fruktosy
•Fruktosa je metabolizována hlavně v játrech, enzymem
fruktokinasou
•Hexokinasa působí jen při vysoké koncentraci fruktosy
•Játra metabolizují rychleji fruktosu než glukosu
•Fruktosa sama nevyvolává uvolnění insulinu
•Avšak příjem fruktosy může vyvolat následné zvýšení hladiny
insulinu v důsledku přeměny fruktosy na glukosu
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Metabolismus fruktosy
Převážná část fruktosy je
metabolizována v játrech
není regulovaná
velmi nízké KM
ATP
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 118.
209
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
210
Aldolasa A a aldolasa B
• jsou isoenzymy (je známa i aldolasa C)
• aldolasa A : glykolýza (štěpení Fru-1,6-bisP)
• aldolasa B: štěpení fruktosa-1-P
glukoneogenese (syntéza Fru-1,6-bisP)
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
211
Fruktokinasa a aldolasa B (játra):
metabolismus obchází regulované enzymy
 rychlé odbourání
 fruktosa je rychlý, na insulinu nezávislý zdroj energie
 rychlé odbourávání fruktosy vede k vysokému poměru
NADH >> NAD+, jako důsledek vzniká laktát
 rychlý metabolismus fruktosy odčerpává Pi klesá tvorba
ATP
 vysoký příjem fruktosy vede ke zvýšené tvorbě mastných
kyselin a následně ke zvýšení produkce triacylglycerolů
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
212
Dříve se fruktosa doporučovala diabetikům jako neškodné
sladidlo
Současná doporučení:
malá množství fruktosy v ovoci je neškodné
slazení fruktosou nebo jiný vyšší příjem fruktosy
(např. formou infuze) – není doporučeno
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
213
Poruchy metabolismu fruktosy
Chybění fruktokinasy
- esenciální fruktosurie
Fruktosa se hromadí v krvi a vylučuje do moči
Dieta bez fruktosy
Diagnostika: pozitivní redukční zkouška v moči
průkaz glukosy specifickým testem negativní
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
214
Chybění aldolasy B
- hereditární fruktosová intolerance (autosomálně recesivní
choroba)
Fruktosa-1-P se hromadí v buňkách → hypoglykemie
Proč hypoglykemie?
Fru-1-P inhibuje glykogenolýzu a glukoneogenezi
Úprava dietou bez fruktosy a sacharosy
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
215
Pozdní komplikace diabetu
• při diabetické hyperglykemii vstupuje glukosa do buněk,
které pro její vstup nevyžadují insulin
• tvoří se D-glucitol, který nemůže z buňky unikat
• aktivita polyoldehydrogenasy v některých buňkách je
malá (retina, čočka, nervová b.)
• D-glucitol se hromadí
Zvýšený osmotický tlak vyvolává poruchy buněk
(diabetická katarakta, retinopatie, neuropatie)
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Polyolová metabolická dráha
- přeměna glukosy na glucitol a fruktosu
(hlavní zdroj
energie pro
spermie)
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 119.
216
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
217
Metabolismus galaktosy
zdroj: laktosa (mléko*)
• přeměna v játrech na glukosu
epimerace
aby mohla proběhnout, je třeba galaktosu aktivovat:
galaktosa-1-P UDP-galaktosa
* Ostatní mléčné výrobky (kefíry, tvaroh, sýry) laktosu téměř
neobsahují
Wikipedie: Galaktóza. [online]. 10.2.2014 [cit. 2014-07-18]. Dostupné z:
http://cs.wikipedia.org/wiki/Galakt%C3%B3za
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
218
UDP-galaktosa (aktivní forma galaktosy)
nevzniká přímou reakcí s UTP, nýbrž reakcí s
UDP-glukosou
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 120.
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
219
Metabolismus galaktosy
ATP
Galaktokinasa
Gal-1-P
UDP-glukosa
Glukosa-1-PUDP-galaktosa
uridyltransferasa
UDP-glukosaepimerasa glykogen
Galaktosa
ADP
Galaktosa je
rychle
metabolizována
na glukosu
syntéza glykolipidů,
GAG..
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
220
UDP-galaktosaUDP-glukosa
epimerasa
reakce je vratná, může být využita i k
produkci glukosy
Izomerace glukosy na galaktosu
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
221
Význam galaktosy
syntéza laktosy
syntéza glykolipidů, proteoglykanů a glykoproteinů
Galaktosemie
nejčastěji nedostatek uridyltransferasy
akumulace galaktosy a galaktosa-6-P
interference s metabolismem fosfátů a glukosy,
nebezpečné pro novorozence
konverse galaktosy na galaktitol v oku - katarakta
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
222
Biosyntéza laktosy
specifická pro mléčnou žlázu
UDP-galaktosa
glukosa
Laktosa (galaktosyl-1,4-glukosa)
Laktosasynthasa
Laktosasynthasa je komplex dvou proteinů:
• galaktosyltransferasa (přítomná v mnoha tkáních)
• -laktalbumin (přítomný v mléčné žláze jen při
laktaci, syntéza je stimulována prolaktinem)
Lecyklopædia: Laktosa. [online]. [cit. 2014-07-18]. Dostupné z:
http://leccos.com/index.php/clanky/laktosa
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
223
Metabolismus galaktosy v jiných buňkách
jen galaktosyltransferasa (za nepřítomnosti laktalbuminu)
- přenáší galaktosu z UDP na N-acetylglukosamin
- syntetizuje N-acetyllaktosamin
- ten je komponentou glykoproteinů
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
224
Biosyntéza UDP-glukuronátu
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 122.
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
225
Využití UDPGlcUA
Syntéza glukosiduronátů
(konjugační reakce)
H2O
UDP
glukuronát
Syntéza proteoglykanů
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Odbourání D-glukuronové kyseliny
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 122.
226
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
227
OH
O
OH
COOH
OH
OH
H
L-gulonát
NADPH + H+ NADP+
L-xylulosa
xylitolD-xylulosa
Xylulosa-5-P
L-askorbát
Primáti a morčata
může vstoupit do pentosového cyklu
Kyselina D-glukuronová
Odbourání D-glukuronové kyseliny
blok: →esenciální
pentosurie
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
Syntéza L-askorbátu
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 122.
228
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
229
L-gulonolaktonoxidáza
je neaktivní u primátů, a tedy i u člověka, ale též u ryb a ptáků.
Aktivní u většiny obratlovců
Je to výsledek ztrátové mutace (vlivem volných radikálů či virové
infekce?) u předchůdce podřádu Anthropoidea asi před 25 milióny
lety
A co morče?
Genom morčete obsahuje jiné pozůstatky genu pro
gulonolaktonoxidázu. Fungovat tento gen přestal
přibližně před 20 miliony let – morče tedy přišlo k své
závislosti na vitaminu C jindy a jinak než my.
Kyselinu askorbovou potřebují i rostliny.
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
230
Historie vitaminu C
1754 – James Lind vydal knihu A Treatise on Scurvy, v níž navrhl citrony jako
prevenci proti kurdějím.
1761 – Východoindická společnost doporučila používat na svých lodích citrony a
pomeranče.
1795 – Bylo zavedeno preventivní podávání citronové šťávy na lodích
anglického válečného námořnictva
1911 – Kazimir Funk přišel s hypotézou, že příčinou některých závažných
chorob může být nedostatek určitých nezbytných stopových látek – vitaminů –ve
výživě. Prvními nemocemi, jejichž příčina byla hledána v avitaminóze, byly
xeroftalmie (šeroslepost), beri-beri a kurděje; hypotetické vitaminy byly
označeny A, B a C.
1928 – Albert von Szent-Györgyi izoloval kyselinu askorbovou
z papriky (Nobelovu cenu za to dostal r. 1937.)
1933 – Tadeus Reichstein vyřešil chemickou syntézu kyseliny L-askorbové
1957 – J. J. Burns objasnil biochemickou příčinu, proč člověk, opice a morče (na
rozdíl od řady jiných obratlovců) nejsou schopni syntetizovat vitamin C.
Dle VESMÍR 80, září 2001 497
Biochemie-6-2-metabolismus_sacharidů
231
Kyselina askorbová je významný antioxidant
• Nejvyšší koncentrace polymorfonukleáry, nadledviny, také v oční čočce.
• Kyselina askorbová je důležitou složkou mnoha oxidačně-redukčních
reakcí
• Redox potenciál +0,08 V, může oxidovat O2, cytochromy a,c ad.
• V některých funkcích ji mohou nahradit jiné antioxidanty, v jiných je
patrně nezastupitelná.
• Je nezbytným kofaktorem při syntéze kolagenu (hydroxylace prolinu)
• Bez této posttranslační modifikace jsou molekuly kolagenu nestabilní a
nejsou schopny vytvářet správné vyšší struktury. Nedostatek vitaminu C se
tak projeví na kvalitě všech tkání – postiženy jsou bazální membrány,
stěny cév, vazy, kosti aj.