© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 1
5 Metabolismus sacharidů
5.1 Metabolismus
Aby mohl živý organismus přežít, musí se svým okolím neustále vyměňovat energii a různé látky.
Energie je následně využita k přeměně přijatých látek na látky tělu vlastní.
Pojem metabolismus1
(látková přeměna) zahrnujeme pochody, při kterých organismus využívá
a produkuje energii (jedná se o souhrn všech reakcí probíhajících v organismu).
Hlavní úlohy metabolismu jsou:
a) zajištění energie (děje katabolické = rozkladné)
b) syntéza molekul (děje anabolické = skladné)
Oba typy reakcí jsou na sobě závislé – hovoříme o tzv. energetickém spřažení (viz dále).
Podle typu metabolismu rozdělujeme organismy:
a) podle zdroje energie na
 fototrofy (využívají sluneční energii; např. zelené rostliny)
 chemotrofy (energii získávají oxidací živin)
b) podle zdroje stavebního materiálu na
 autotrofy (samoživné organismy – dokážou syntetizovat organické látky
z anorganických zdrojů, např. sirné, či nitrifikační bakterie)
 heterotrofy (organické látky vytvářejí z jednodušších látek organických)
Organismy jsou otevřené systémy. Z prostředí přijímají látky o vysoké entalpii (energii) a nízké
entropii (mají složitou strukturu). Tyto látky, obecně nazývané živiny, se přeměňují na odpadní
produkty s nízkou entalpií (energií) a vysokou entropií (mají jednoduchou strukturu).
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:
ba
dc
[B][A]
[D][C]
lnTRΔGΔG 
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
2na
jiné látky).
1
Metabolismus je regulován na různích úrovních: regulace aktivity enzymů (allosterické vlivy, inhibice
produktem, dostupnost substrátu), kovalentní modifikace enzymů (např. fosforylace zajistí
aktivaci/deaktivaci enzymu), regulace syntézy enzymů, kompartmentace a orgánová specializace,
hormonální regulace.
Různé metabolické dráhy jsou ovlivňovány i stavem organismu (po jídle x při hladovění, klid x zátěž…)
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 2
Příklady:
Tvorba glukosa-6-fosfátu
glukosa + Pi → glukosa-6-fosfát + H2O ΔG°´= + 13,8 kJ/mol
ATP + H2O → ADP + Pi ΔG°´= – 30,5 kJ/mol
glukosa + ATP → glukosa-6-fosfát + ADP ΔG°´= – 16,7 kJ/mol
Reakce, při níž vzniká glukosa-6-fosfát je reakce endergonní – samovolně by neproběhla. Její
spřažením s hydrolýzou ATP dodá potřebnou energii a umožní jí proběhnout. Fosforylová
skupina –PO3
2je
přenáše na pomocí enzymu kinasy nejprve z ATP na vlastní enzym a následně
na glukosu.
Karboxylace pyruvátu
pyruvát + HCO3
-
oxalacetát
ATP ADP + P
Výše uvedená reakce probíhá v několika krocích:
a) Aktivace HCO3
–
na fosfokarbonát
HCO3
–
+ ATP → –
OCO–P–PO3
2+
ADP
b) Reakce fosfokarbonátu s kofaktorem
–
OCO–O–PO3
2+
biotin → –
OOC-biotin + Pi
c) Vznik oxalacetátu
–
OOC-biotin + pyruvát → oxalacetát + biotin
Podrobnější pohled:
HCO3
+
ATP ADP + O
P
O C O
-
O
O
-
O
fosfokarbonát
N NH
S
O
C
O
O
CO
enzym
Karboxylátový anion se aktivuje
navázáním Pi vzniklého hydrolýzou
ATP.
Vzniklý fosfokarbonát je markoergní
sloučenina.
V dalších reakcích se energie v ní
vázaná postupně využívá pro přenos
-COO(na
biotin a na pyruvát).
Makroergní sloučeniny
Makroergní sloučeniny („vysokoenergetické sloučeniny“, „energeticky bohaté sloučeniny“) jsou
sloučeniny, které obsahují takové vazby, jejichž hydrolýza poskytne přibližně stejnou nebo
vyšší energii než je ΔG°´ pro hydrolýzu ATP.
Nejčastěji se jedná o deriváty kyseliny fosforečné – její zbytek bývá navázán nejčastěji vazbou:
 anhydridivou (ATP)
 amidovou (fosfokreatin)
 enolesterovou (např. fosfoenolpyruvát)
! Estery kyseliny fosforečně NEjsou makroergní sloučeniny !
ΔG < 0
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 3
Univerzální fosfátovou makroergní sloučeninou je adenosintrifosfát (ATP). Jeho hydrolýza
(enzymově katalyzovaná) může probíhat do dvou stupňů:
 ATP + H2O → ADP + Pi ΔG°´ = – 30,5 kJ/mol
 ADP + H2O → AMP + Pi ΔG°´ = – 32,0 kJ/mol
Obdobným způsobem je možné získat energii i z látek jako GTP, UTP, či CTP.
Kromě ATP se v metabolismu setkáme s makroergními sloučeninami uvedenými v tabulce níže.
Jejich reakce s ADP nám může poskytnout ATP (hovoříme o tzv. substrátové fosforylaci2
).
Tabulka 1 - Makroergní sloučeniny
Sloučenina ΔG° [kJ/mol] Typ sloučeniny Děj
Fosfoenolpyruvát
CH2
C
C
O O
P
O
O
-
O
-
O
– 62 enolester glykolýza
Karbamoylfosfát
C
O
NH2
P
O
O
-
O
-
O
– 52 smíšený anhydrid
metabolismus
močoviny
1,3-bisfosfoglycerát
C
HC
H2C
O O
O
OH
P O
OH
OH
P O
OH
OH – 50 smíšený anhydrid glykolýza
kreatinfosfát
NH
NH N
CH3
H2C COOH
PO
OH
OH
– 43 amid
metabolismus ve
svalové tkáni
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.
2
Při substrátové fosforylaci se ATP účastní reakce jako jeden ze substrátů:
např. 1,3-bisfosfoglycerát + ADP → 3-fosfoglycerát + ADP
Druhým způsobem získávání ATP je fosforylace oxidativní (aerobní), ke které dochází v terminálním
dýchacím řetězci. Jedná se o přímou reakci ADP s Pi katalyzovanou enzymem ATP-synthasou. Energie pro
její průběh je zajištěna spřažením s dýchacím řetězcem.
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 4
5.2 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
4
5 O
1
2
3
OHOH
H
H
H
H
HOH
6
OH
4
5 O
1
2
3
OH
H
H
H
H
HOH
6
OH
4
5 O
1
2
3
OH
H
H
H
H
HOH
OH
6
OH
O
O
amylosa
n
4
5O
1
2
3
OH
H
H
H
H
H OH
6
OH
OH
O
4
5O
1
2
3
OH
H
H
H
H
H OH
6
OH
4
5 O
1
2
3
OHOH
H
H
H
H
HOH
6
4
5 O
1
2
3
OH
H
H
H
H
HOH
6
OH
4
5 O
1
2
3
OH
H
H
H
H
HOH
OH
6
OH
O
O
O
amylopektin
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) sacharóza
b) laktosa
c) maltosa
Z potravy je možné dále přijímat volnou fruktosu.
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 5
5.3 Katabolismus glukosy v buňkách
A) Vstup glukosy do buněk
Aby mohl metabolismus glukosy probíhat, je potřeba, aby se glukosa dostala do buněk. Glukosa
je molekula výrazně polární, a proto není možné, aby difundovala hydrofobní vrstvou membrán.
V membráně se proto vyskytují specifické glukosové transportéry. Glukosové transportéry jsou
transmembránové bílkoviny. Rozlišujeme dva typy:
a) typ GLUT 1-14 (GLUcose Transporter)
b) typ SGLT (Sodium-coupled GLucose Transporter)
Přenašeče typu GLUT
Mechanismus přenosu: usnadněná difuze (po koncentračním spádu, nepotřebuje energii)
Všechny přenašeče typu GLUT mají podobnou strukturu – jedná se o bílkoviny složené cca z 500
různých AK tvořící 12 transmembránových helixů.
Rozlišujeme celkem 14 druhů přenašečů GLUT označovaných čísly GLUT 1 – GLUT 14. Velká
rozmanitost ve struktuře receptorů odráží různé metabolické nároky buněk – např. přenašeče
typu GLUT 4 jsou charakteristické pro buňky svalové a tukové (v jiných buňkách je nenalezneme
a jsou to jediné GLUT transportery, které jsou regulované inzulinem).
Různé typy mají různou afinitu ke glukose, mohou být určitým způsobem regulovány a
vyskytují se v určitých typech tkání.
Následující tabulka uvádí charakteristiku vybraných transporterů typu GLUT.
Tabulka 2 - Charakteristika transporterů typu GLUT
Typ Charakteristika
GLUT 1 Nacházejí se ve většině buněk (např. erytrocyty, svalové buňky za klidových
podmínek, krevní cévy v mozku i jinde, atd.)
GLUT 2 Nacházejí se v játrech, β-buňkách pankreatu a ledvinách
GLUT 3 Nacházejí se v nervových buňkách, placentě i jinde
GLUT 4 Výskyt pouze ve svalech a adipocytech, závislé na inzulinu
GLUT 5 Zajišťují transport fruktosy, např. v tenkém střevě
GLUT 7 Zajišťují intercelulární transport v játrech
Typ GLUT 1 – nejběžnější typ transporteru
Transportery typu GLUT 1 fungují čistě na principu usnadněné difuze, jsou nejběžnějšími
transportery v těle.
Při transportu se glukosa navazuje do vazebného místa. Její navázání vyvolá konformační
změnu v molekule transporteru. Následně je glukosa z vazebného místa uvolněna a transportér
se vrací do původní konformace.
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 6
Typ GLUT 4 – transportery závislé na inzulinu
Popis:
1) Nepotřebují-li svalové a tukové buňky glukosu (nevykonávají svou činnost, či je glukosa
potřeba někde jinde ≈ fáze hladovění), jsou transportery uschovány v intracelulárních
vesiklech.
2) Nastane-li změna metabolického stavu organismu (např. se najíme), dojde k sekreci inzulinu
a jeho navázání na svůj receptor. To způsobí pohyb vesiklů směrem k membráně.
3) Po té, co se váčky přiblíží membráně dostatečně blízko, dojde k exocytóze – transportery se
tak dostávají na povrchu membrány.
4) Přes nyní již aktivní receptory dojde k transportu glukosy do buňky.
Vliv insulinu tedy spočívá ve zvýšení počtu GLUT4 transporterů na povrchu buněčné membrány.
K tomuto ději dochází především po jídle.
Přenašeče typu SGLT
Mechanimus přenosu: sekundární aktivní transport → kontransport se sodíkem
S typem transportérů SGLT se můžeme setkat v buňkách střevní sliznice a ledvinových tubulů –
slouží k „vychytávání“ glukosy.
Transportery nemají vazebné místo pouze pro glukosu, ale i pro dva ionty Na+
. Na+
je hlavním
extracelulárním iontem – jeho koncetrace v buňce je tedy velmi malá a koncentrační gradient je
vysoký – tohoto vysokého gradientu se využívá k transportu glukosy do buňky.
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 7
Na druhém konci buňky (serózní strana) dochází k následujícím dějům:
a) Na+
je pomocí sodíko-draslíkové pumpy (Na+
/K+
-ATPasy) transportován ven z buňky
(jinak by docházelo k jeho hromadění). Pro vykonání tohoto děje je potřebné dodat
energii v podobě ATP (proto hovoříme o sekundárním aktivním transportu - energie se
spotřebovává až sekundárně)
b) Glukosa přes transportéry typu GLUT 2 opouští buňku (pasivní transport)
B) Fosforylace glukosy
Glukosa, která se dostala do buňky, je ihned po svém vstupu fosforylována na glukosa-6-fosfát
(dále glc-6-P), tohoto děje se mohou účastnit dva enzymy – hexokinasa nebo glukokinasa.
Fosforylace slouží jako „past“ na glukosu – již jednou fosforylovaná glukosa nemůže být
defosforylována a tudíž nemůže opustit buňku. Jedině hepatocyty a buňky tubulů ledvin mají
enzym glukosa-6-fosfatasu, který umí glc-6-P rozštěpit zpět na fosfát a glukosu.
Další význam této reakce tkví v tom, že glc-6-P neovlivňuje koncentrační gradient glukosy (jedná
se o jinou látku) – nedochází tak k hromadění glukosy uvnitř buňky a buňky mohou glukosu dále
přijímat.
Navíc je glc-6-P „lépe uchopitelný pro enzymy“ (fosfát nese záporný náboj, který může
přitahovat kladně nabitý enzym apod.)
Enzymy, které se účastní této reakce, mají různé charakteristiky uvedené v tabulce níže:
Tabulka 3 - Porovnání glukokinasy a hexokinasy
Charakteristika Hexokinasa Glukokinasa
Výskyt mnoho tkání játra, pankreas
Specifita široká (hexosy) úzká (glukosa)
Inhibice glc-6-P není inhibována
afinita ke glukose vysoká nízká
Indukovatelnost není insulinem
KM (mmol/l) 0,1 10
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 8
Z tabulky vidíme, že hexokinasa je typickým konstitutivním enzymem – její syntéza není nijak
ovlivněna, produkuje se ve stále stejném množství. Zajímavostí je, že je inhibována vlastním
produktem (glc-6-P).
Glukokinasa je typickým indukovatelným enzymem – její syntézu lze indukovat (pomocí
insulinu).
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 9
Při srovnání funkce obou enzymů můžeme vyjít z následujícího grafu:
Při hladovění (žlutý obdélník) je koncentrace glukosy cca 5,5 mmol/l, tedy poměrně malá. Avšak
právě při této malé koncentraci glukosy má hexokinasa nejvyšší aktivitu a uplatňuje se při
fosforylaci glukosy více než glukokinasa.
Po jídle (zelený obdélník – umístěn pouze orientačně) je koncentrace glukosy vyšší – a i když
hexokinasa pracuje svou maximální rychlostí (má dostatek substrátu), tak glukokinasa pracuje
rychleji. Lze tedy říct, že po jídle se více uplatňuje glukokinasa.
Nutné je uvědomit si, že glukokinasa se vyskytuje pouze v játrech a pankreatu. V pankreatu má
tento enzym navíc zvláštní význam – v jeho β-buňkách slouží jako senzor hladiny glukosy v krvi.
Fosforylací vzniklý glc-6-P může v buňce vstoupit do různých metabolických drah:
 glykolýza
 syntéza glykogenu
 pentosový cyklus
 syntéza derivátů (např. glykoproteinů, proteoglykanů)
C) Glykolýza
Sémantika slova: glykos = cukr; lysis = štěpení
Glykolýzou rozumíme přeměnu glukosy3
na jednodušší látky. Při této přeměně je získávána
energie v podobě ATP (substrátová fosforylace).
Glykolýza probíhá prakticky ve všech buňkách, konkrétně v jejich cytosolu.
Můžeme rozlišit dva druhy glykolýzy:
a) aerobní glykolýza probíhá za přístupu kyslíku, glukosa je přeměněna na pyruvát a ten
následně na acetyl-CoA
3
Glykolýza zahrnuje i metabolismus galaktosy a fruktosy
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 10
b) anaerobní glykolýza probíhá při nedostatku kyslíku, glukosa je přeměněna na pyruvát a
ten následně na laktát
Glykolýza zahrnuje enzymově katalyzované reakce, z nichž většina je vratných (a lze je proto
využít při glukoneogenezi) a pouze 3 jsou nevratné.
Jednotlivé reakce glykolýzy:
1) Tvorba glc-6-P
a. Fosforylací
b. Štěpením glykogenu
Tvorba glc-6-P je prvním krokem glykolýzy:
 vycházíme-li z glukosy přijaté potravou, je potřebné provést fosforylaci, při které se
spotřebovává ATP
 vycházíme-li z glykogenu, je potřeba provést jeho fosforolýzu (štěpení fosfátem), při
které se ATP nespotřebovává.
2) Izomerace glc-6-P na fruktosa-6-P
3) Vznik fruktosa-1,6-bisfosfátu
Fosfofruktokinasová reakce je nejpomalejší reakcí celé glykolýzy a určuje tedy její rychlost.
Zároveň se jedná o klíčovou reakci – fosfofruktokinasa je allosterický enzym:
 Allosterická inhibice je prováděna ATP a citrátem (tedy „produkty“ citrátového cyklu –
buňka tak říká fosfofruktokinase: „energie je dost, citrátový cyklus je přehlcen, neumožni
další glykolýzu.“
Povšimněme si ale paradoxu – ATP, které je potřebné pro průběh reakce, je zároveň
jejím inhibitorem.
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 11
 Allosterická aktivace je prováděna pomocí AMP, ADP, Pi, fruktosa-2,6-bisfosfátu4
a
fruktosa-1,6-bisfosfátu.
Zvýšená koncentrace ADP v buňce říká fosfofruktokinase: „buňka má málo energie, je
načase začít s glykolýzou“. Pokud i tak fosfofruktokinasová reakce nezačne, ADP se spojí
s dalším ADP v reakci: ADP + ADP → ATP + AMP. Vzniklé ATP je velmi rychle upotřebeno
(protože má buňka málo energie) a AMP „křičí“ na fosfofruktokinasu: „v buňce je kriticky
málo energie, začni už něco dělat!“.
Fosfofruktokinasa pracuje vždy při Vmax – jediný způsob, jak reakci urychlit je tedy přidat více
enzymu, ne substrátu (z toho vyplývá, že rychlost reakce není závislá na koncentraci
substrátu). Jedná se o irreverzibilní reakci.
4) Vznik triosa-fosfátů
5) Oxidace a fosforylace glyceraldehyd-3-fosfátu
Glyceraldehyd-3-fosfát je oxidován a fosforylován na 1,3-bisfosfoglycerát, energeticky
bohatou sloučeninu.
Aldehydová skupina je oxidována na karboxylovou skupinu za účasti NAD+
, fosforylace
probíhá bez účasti ATP!
Podrobnější pohled (mechanismus oxidace a fosforylace glyceraldehyd-3-fosfátu)
4
Fruktosa-2,6-bisfosfát vzniká v játrech a jeho vznik je regulován insulinem a glukagonem (vzniká zde tedy
další možnost regulace glykolýzy). Kromě toho, že fruktosa-2,6-bisfosfát aktivuje fosfofruktokinasu, je
zároveň inhibitorem fruktosa-1,6-bisfosfatasy (jeden z enzymů glukoneogeneze).
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 12
6) Tvorba 3-fosfoglycerátu a ATP
Při vzniku 3-fosfoglycerátu z 1,3-bisfosfoglycerátu vzniká ATP (na jednu glukosu 2 ATP) na
úrovni substrátové fosforylace. 1,3-bisfosfoglycerát, jak bylo uvedeno výše, je makroergní
sloučenina (smíšený anhydrid) a při hydrolýze anhydridové vazby se uvolní dostatečné
množství energie, která se využije k syntéze ATP.
Vedlejší cesta vzniku 3-fosfoglycerátu v erytrocytech (přes 2,3-BPG)
Vlivem enzymu mutasy se fosfát přenese z anhydridové vazby do vazby esterové (esterová
vazba již není energeticky bohatá) a při následném štěpení nedochází ke vzniku ATP!!!
2,3-BPG působí v erytrocytech jako allosterický modifikátor Hb (usnadňuje uvolnění O2)
7) Tvorba 2-fosfoglycerátu
Jak přesně probíhá přeměna 3-fosfoglycerátu na 2-fosfoglycerát? (zajímavost)
Kofaktorem enzymu fosfoglycerátmutasy je 2,3-bisfosfoglycerát.
Fosfoglycerátmutasa nejprve odštěpí fosfát ze třetího uhlíku svého 2,3-BPG a přenese jej na
druhý uhlík 3-fosfoglycerátu vzniklého glykolýzou – čímž vznikne z původního 2,3-BPG
2-fosfoglycerát a z původního 3-fosfoglycerátu 2,3-BPG.
Enzym následně pustí svůj 2-fosfoglycerát a umožní mu zapojit se do glykolýzy, ale na
oplátku si sebere vzniklý 2,3-BPG, který mu slouží jako kofaktor pro další reakce.
8) Tvorba fosfoenolpyruvátu
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 13
Fosfoenolpyruvát obsahuje ve své molekule enolesterovou vazbu, jejímž rozštěpením lze
získat velké množství energie (jedná se o makroergní sloučeninu).
Enzym enolasu je možné inhibovat pomocí F–
iontů – proto, se při odběrů vzorků krve
přidává do zkumavky NaF, který tak zastaví glykolýzu (kdyby glykolýza dál probíhala, všechna
glukosa by se přeměnila na pyruvát a ovlivnilo by to výsledky vyšetření).
9) Vznik pyruvátu
Při vzniku pyruvátu z fosfonolpyruvátu se uvolňuje energie (štěpení enolesterové vazby),
která je využita k syntéze ATP (na jednu glukosu opět 2 ATP).
Enzym pyruvátkinasa je regulován:
 aktivavuje jej fruktosa-1,6-bisfosfát
 inhibujej jej glukagon (hormonální regulace)
D) Přeměny pyruvátu
Py
ruvát, jak naznačuje schéma výše, může podléhat různým přeměnám:
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
K této reakci dochází při svalové práci na kyslíkový dluh. Intenzivní práce (např. sprint) na kyslíkový dluh
může trvat zhruba 1 minutu. Po té je již ve svalu tolik laktátu, že dochází ke snížení pH a zastavení dalších
přeměn. To se projevuje jako svalová únava. Význam: chrání sval před degradací.
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 14
5) Další možností odbourání pyruvátu je alkoholové kvašení, kterého jsou však schopny pouze
mikroorganismy. V této reakci vzniká ethanol.
Tvorba laktátu (rce 1) podrobněji:
K přeměně pyruvátu na laktát dochází pouze za nepřístupu vzduchu. Reakce probíhá proto, aby
došlo k regeneraci NADH+H+
na NAD+
(k této reakci normálně dochází v dýchacím řetězci, avšak
bez přístupu kyslíku dýchací řetězec neprobíhá). Regenerované NAD+
se může opět zapojit do
glykolýzy (= regenerace zabraňuje zastavení glykolýzy).
Laktátdehydrogenasa (LD)
Reakce je katalyzována enzymem LD = laktátdehydrogenasou a je obousměrná.
LD je enzym, který se skládá ze čtyř podjednotek. Tyto podjednotky mohou být dvojího druhu:
a) podjednotka H (od Heart = srdce)
b) podjednotka M (od Muscle = sval)
Oba typy podjednotek se liší (jen minimálně) svou strukturou. To, jaké podjednotky se
zakomponují do enzymu, závisí na tom, v jaké tkáni enzym vzniká:
 vzniká-li enzym v srdeční tkáni, je složen z více H podjednotek (HHHH, HHHM, HHMM)
 vzniká-li enzym ve svalové tkáni, je složen z více M podjednotek (MMMM, HMMM, HHMM)
Z výše popsaného vyplývá, že rozlišujeme pět izoenzymů LD1 (HHHH) – LD5 (MMMM).
U některých chorob dochází ke zvýšení hladiny LD v plazmě. Díky tomu, že existuje 5 izoenzymů,
můžeme po biochemickém rozboru zjistit, o který izoenzym se jedná, a z toho pak odvodit, v jaké
tkáni (např. srdeční nebo svalové) došlo k onemocnění.
Tvorba laktátu v organismu:
Za den se v našem těle vytvoří průměrně 1,3 molu laktátu (muž o hmotnosti 70kg)
 velké množství laktátu se tvoří v intenzivně pracujícím svalu (14%)
 velké množství laktátu se tvoří v erytrocytech, které nemají mitochondrie a neprobíhá
v nich tudíž dýchací řetězec (25%)
 dalšími velkými producenty laktátu jsou kůže (25%) a mozek (14%), dále pak buňky
střevní sliznice (8%)
Koncentrace v krvi by se měla pohybovat okolo 1 mmol/l, avšak při svalové práci může
dosahovat (přechodně) až 30 mmol/l.
Laktát, vytvořený ve svalech, může být transportován do jater, kde dochází k jeho přeměně na
pyruvát a glukosu, která se může opět vrátit do svalu a sloužit jako zdroj energie. Tento cyklus
nazýváme Coriho cyklem.
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 15
Obrázek 1 - Coriho cyklus
Pozn. Coriho cyklus je významný (a zajímavý) i tím, že laktát stále koluje v krvi a je znovu a znovu přeměňován na
glukosu. Kdyby probíhal typický aerobní metabolismus, dojde k přeměně pyruvátu nikoli na laktát, ale na acetyl-CoA –
tato přeměna v sobě zahrnuje dekarboxylaci. Vzniklý oxid uhličitý vydechneme a „tudíž o něj přijdeme“ – za to když
vytvoříme laktát při anaerobním způsobu, můžeme jej využívat (díky tomuto cyklu) velmi dlouhou dobu.
Pozn. 2: V dalším textu se setkáme s cyklem glukoso-alaninovým. Laktát je v něm „nahrazen“ alaninem.
Oxidativní (oxidační) dekarboxylace pyruvátu (rce 2) „podrobněji“:
Přeměna pyruvátu na acetyl-CoA probíhá v mitochondriální matrix (stejně jako navazující děj:
Citrátový cyklus). Účastní se jí pyruvátdehydrogenasový komplex a dochází při ní
k dekarboxylaci – vzniklý CO2 je odstraněn z těla.
Reakce se účastní 5 kofaktorů: thiamindifosfát, lipoát, CoA, FAD, NAD+
Dílčí reakce vzniku acetyl-CoA z pyruvátu:
Ke schématu:
 modrou barvou je podbarvena cesta vedoucí k acetyl-CoA
 červenou barvou je zvýrazněno vznikající NADH+H+
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 16
E) Energetická bilance glykolýzy
Reakce glykolýzy (přeměna glukosy na pyruvát) nám v substrátové fosforylaci poskytne 4 ATP.
Od těchto 4 ATP však musíme 2 ATP odečíst, protože jsme je spotřebovali při přeměně glukosy
na glukosa-6-fosfát a při přeměně fruktosa-6-fosfát na frutkosa-1,6-bisfosfát.
Celkový zisk ATP substrátovou fosforylací (pro aerobní i anerobní děj): 2 ATP
Zisk při anaerobní glykolýze tvoří právě 2 ATP vzniklá substrátovou fosforylací, další ATP z ní
nezískáme.
V přeměně glyceraldehyd-3-P na 1,3-bisP-glycerát jsme sice získali 2 redukované koenzymy NADH+H+, ze kterých by
mohla vzniknout energie, avšak při přeměně pyruvátu na laktát tyto koenzymy opět spotřebujeme – proto z nich nelze
získat energii.
Pro přehled si energetickou bilanci anaerobní glykolýzy uvedeme v tabulkách:
Tabulka 4 - Zisk ATP při anaerobní glykolýze
Reakce Zisk ATP
glukosa → glukosa-6-fosfát – 1 ATP
fruktosa-6-fosfát → fruktosa-1,6-bisfosfát – 1 ATP
2x ( 1,3-bisfosfoglycerát → 3-fosfoglycerát ) + 2 ATP
2x (fosfoenolpyruvát → pyruvát) + 2 ATP
přeměny NADH+H+
v dýchacím řetězci 0 ATP (neprobíhají)
CELKEM + 2 ATP
Tabulka 5 - Zisk NADH+H+
při anaerobní glykolýze
Reakce Zisk NADH+H+
2x (glyceraldehyd-3-fosfát → 1,3-bisfosfoglycerát) + 2 NADH+H+
2x (pyruvát → laktát) – 2 NADH+H+
CELKEM 0 NADH+H+
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 17
Při aerobní glykolýze získáme 4 – 2 = 2 ATP (uvedeným způsobem) a 2 NADH+H+
.
Následně dochází k přeměně 2 pyruváty → 2 Ac-CoA, při které vznikají další 2 NADH+H+
.
Následná přeměna vzniklých 2 Ac-CoA v citrátovém cyklu nám poskytne 2 FADH2, 2 GTP a
6 NADH+H+
(podrobněji viz „Citrátový cyklus“).
Redukované koenzymy jsou následně využity v dýchacím řetězci pro vznik energie:
 z NADH+H+
vzniká množství energie ekvivalentní 3 ATP
 z FADH2 vzniká množství energie ekvivalentní 2 ATP
Na 2 Ac-CoA tedy, prostřednictvím dýchacího řetězce a regeneraci redukovaných koenzymů,
připadá 24 ATP (2 GTP = 2 ATP; 6 NADH+H+
= 18 ATP; 2 FADH2 = 4 ATP).
Jak je patrno ze schématu,existuje jistý rozdíl mezi NADH+H+ vzniklými v glykolýze a NADH+H+ vzniklými v ostatních
částech odbourávání pyruvátu. Glykolýza probíhá v cytosolu, zatímco dýchací řetězec, ve kterém dochází k regeneraci
redukovaných koenzymů a vzniku ATP, probíhá v mitochrondrii. NADH+H+ vzniklá glykolýzou je tedy potřeba přenést
do mitochondrie – k tomu slouží různé typy přenašečů – některé nespotřebovávají energii, jiné vyžadují za přenos
1 NADH+H+ „platbu“ 1 ATP.
Ostatní děje odbourávání pyruvátu (oxidativní dekarboxylace a CC) již probíhají v mitochondrii a vzniklé NADH+H+
nemusí být nikam přenášeno (tudíž nemusíme při výpočtech odečítat 1 ATP na 1 molekulu NADH+H+)
Tabulka 6 - Zisk ATP a redukovaných koenzymů při aerobní glykolýze
Reakce Redukované koenzymy ATP
glukosa → glukosa-6-fosfát --- – 1 ATP
fruktosa-6-fosfát → fruktosa-1,6-bisfosfát --- – 1 ATP
2x (glyceraldehyd-3-fosfát → 1,3-bisfosfoglycerát) + 2 NADH+H+
+ 4 - 6 ATP
2x ( 1,3-bisfosfoglycerát → 3-fosfoglycerát ) --- + 2 ATP
2x (fosfoenolpyruvát → pyruvát) --- + 2 ATP
2x (pyruvát →Ac-CoA) + 2 NADH+H+
+ 6 ATP
2x citrátový cyklus (substrátová fosforylace) --- + 2 GTP
2x citrátový cyklus (vznik redukovaných koenzymů)
+ 6 NADH+H+
+ 2 FADH2
+ 18 ATP
+ 4 ATP
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 18
CELKEM 36 – 38 ATP
F) Pár slov na závěr ke katabolismu glukosy
Jak vidíme, je aerobní cesta odbourávání glukosy (aerobní glykolýza) energeticky výnosnější,
než cesta anaerobní (anaerobní glykolýza), při níž se nám podaří využít jen malou část energie,
která je skryta v molekule glukosy.
I přes tento fakt, je anaerobní glykolýza velmi důležitým dějem. Aby bylo možno glukosu
odbourat aerobně, potřebuje buňka mitochondrie – existují však buňky, které mitochondrie
nemají a jsou proto odkázány na anaerobní metabolismus, jedná se např. o erytrocyty6
a
leukocyty. Navíc může dojít k tomu, že je přísun kyslíku do buněk omezen – i v tomto případě se
anaerobní cesta aktivuje.
Laktát vznikající při anaerobní glykolýze je rovněž velmi významnou látkou – je jedním z hlavních
substrátů pro glukoneogenezi, o které bude pojednáno v následující část kapitoly 5.
G) Umístění jednotlivých dějů v buňce
Obrázek 2 - Rozmístění jednotlivých dějů katabolismu glukosy
K obrázku:
 v obrázku nejsou zachována množství vznikajících látek (pouze názvy)
6
Při poškození jakéhokoliv enzymu glykolýzy (genetickou či jinou poruchou; nejčastěji se jedná o enzym
pyruvátkinasu) dochází k hemolytické anémii. Děje se tomu tak proto, že erytrocyty jsou odkázány na
anerobní glykolýzu – jiným způsobem energii získat nemohou. Zastaví-li se kvůli chybění enzymu glykolýza,
erytrocyty umírají předčasně (způsobeno např. tím, že nedokážou udržet gradient iontů na membráně, ale
důvodů jejich zániku je mnohem více), což vede k anémii (=snížení počtu erytrocytů).
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 19
 modročervené šipky ukazují hlavní směr metabolismu (glukosa – pyruvát – Ac-CoA – redukované
koenzymy – ATP)
5.4 Glukoneogeneze
A) Úvod
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).
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.
Tabulka 7 - Hormony ovlivňující metabolismus glukosy
Hormon Zdroj Účinek na hladinu glukosy v krvi
INSULIN β-buňky pankreatu ↓
GLUKAGON α-buňky pankreatu ↑
ADRENALIN dřeň nadledvin ↑
KORTISOL kůra nadledvin ↑
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
B) 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
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 20
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.
Způsob, kterým jsou uvedené reakce nahrazeny, vystihuje následující schéma:
Ke schématu:
 modré šipky jsou umístěny u reakcí obousměrných (probíhají v glykolýze i GNG stejně)
 červené a černé šipky jsou umístěny mezi reakcemi odlišnými
Nyní se na odlišné reakce glukoneogeneze podíváme podrobněji.
AD1) Defosforylace glukosa-6-P
Oproti reakci glykolýzy je využit enzym glukosa-6-fosfatasa, který zajistí rozštěpení glukosa-6-P
na glukosu a fosfát.
Enzym glukosa-6-fosfatasa se vyskytuje pouze v endoplazmatickém retikulu jaterních buněk a
buněk ledvin! V jiných buňkách není možné glukosa-6-fosfát defosforylovat.
AD2) Defosforylace fruktosa-1,6-bisfosfátu
Oproti reakci glykolýzy je opět využit jiný enzym: fruktosa-1,6-bisfosfatasa. Reakce má obdobný
průběh jako reakci již zmíněná.
Tato reakce je nejpomalejší reakcí GNG (stejně jako je odpovídající protichůdná reakce
nejpomalejší reakcí glykolýzy) a je možné ji ovlinit různými způsoby. Např. jako allosterický
inhibitor slouží AMP, jako allosterický aktivátor slouží ATP a jako inhibitor slouží
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 21
fruktosa-2,6-bisfosfát, jehož hladina je snižována glukagonem (tímto způsobem glukagon
nepřímo ovlivňuje průběh GNG).
AD3) Syntéza fosfoenolpyruvátu
Oproti ostatním dvěma zvláštním reakcím GNG, není tato reakce upravena pouze změnou
enzymu, nýbrž „obchvatem“ přes zcela jiné sloučeniny.
Jak bylo zmíněno v poznámce výše, průběh zvratné reakce není možný, neboť reakce
fosfoenolpyruvát → pyruvát poskytuje Gibbsovu energii o hodnotě ΔG°´= – 61,9 kJ/mol a
reakce pyruvát → fosfoenolpyruvát (při které by došlo k hydrolýze ATP) poskytuje energii pouze
ΔG°´ = – 30,5 kJ/mol. Energie vzniklá hydrolýzou ATP (-30,5 kJ/mol) tedy není dostačující pro
syntézu fosfoenolpyruvátu, na kterou je potřeba dodat 61,9 kJ/mol.
Vznik fosfoenolpyruvátu můžeme rozložit do dvou stupňů:
a) Vznik oxalacetátu karboxylací pyruvátu7
Lokalizace: mitochondrie
Enzym: pyruvátkarboxylasa
Energie: spotřeba 1 ATP
b) Přeměna oxalacetátu na fosfoenolpyruvát
Lokalizace: cytoplazma i mitochondrie
Enzym: fosfoenolpyruvátkarboxykinasa
Energie: spotřeba 1 GTP
Oxalacetát vzniká v matrix mitochondrie karboxylací pyruvátu, dle souhrnné rovnice:
pyruvát + HCO3
+
ATP → oxalacetát + ADP + Pi
Podrobněji:
Hydrogenkarbonátový iont reaguje s ATP za vzniku fosfokarbonátu. Fosfokarbonát se následně
přenáší na biotin v podobě –COO–
za vzniku karboxybiotinu. –COO–
skupina je pak přenesena na
pyruvát za vzniku oxalacetátu.
7
Oxalacetát vzniká v buňkách i jinými způsoby:
a) dehydrogenací malátu (reakce citrátového cyklu)
b) transaminací aspartátu
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 22
HCO3
+
ATP ADP + O
P
O C O
-
O
O
-
O
fosfokarbonát
N NH
S
O
C
O
O
CO
enzym
karboxybiotin
CH3 C COO
-
O
pyruvát
CH2 C COO
-
O
-
OOC
oxalacetát
GNG probíhá v cytosolu. Oxalacetát, který potřebujeme pro syntézu fosfoenolpyruvátu, ale
vznikl v mitochondrii a nemůže být přenesen přes mitochondriální membránu, protože ta pro
něj není propustná!8
Je proto potřeba jej přeměnit v látku, která přes membránu procházet
může – touto látkou může být buď malát, nebo aspartát9
.
Přeměna na malát probíhá za účasti NADH+H+
. Po té, co je malát přenesen přes mitochondriální
membránu, probíhá reakce v opačném směru – z malátu vzniká oxalacetát za účasti NAD+
.
Dekarboxylace oxalacetátu potřebuje pro svůj průběh energii, která je získána z GTP. Enzym
katalyzující reakci nazýváme fosfoenolpyruvátkarboxykinasou.
Poznámka k reakci: fialová šipka naznačuje přesun dvojné vazby (tautomerie).
Lokalizace jednotlivých dějů vzniku fosfoenolpyruvátu:
8
Navíc v mitochondrii začíná jistý „boj“ o oxalacetát – oxalacetát je výchozí látkou citrátového cyklu,
buňka se tedy musí rozhodnout, zda oxalacetát přemění na citrát (a získá energii v citrátovém cyklu) nebo
zda provede přeměnu na malát (a získá glukosu). Rozhodnutí se odvíjí od metabolického stavu buňky.
9
O přeměně na aspartát a jeho přenosu přes mitochondriální membránu bude pojednáno v kapitole o
„Dýchacím řetězci v části o „Aspartát/malátovém člunku“.
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 23
Schéma na předcházející stránce vyžaduje několik komentářů:
 Modré šipky naznačují hlavní trasu vzniku fosfoenolpyruvátu z pyruvátu.
Začínáme u pyruvátu. Ten je přenesen do mitochondrie a karboxylován na oxalacetát.
Oxalacetát nemůže opustit mitochondrii, proto je přeměněn na malát, v menší míře
(naznačeno oranžovou šipkou) na asparát. Malát (nebo asparát) jsou přeneseny ven
z mitochondrie, přeměněny na oxalacetát a ten je dekarboxylován a fosforylován na
fosfoenolpyruvát.
Na hlavní cestě vzniku fosfoenolpyruvátu vidíme spotřebu energie ekvivalentní 2 ATP (1 ATP
a 1 GTP). Tato energie je využita při karboxylaci pyruvátu a dekarboxylaci oxalacetátu. O
tomto jevu můžeme hovořit jako o principu karboxylace a dekarboxylace, který nám umožní
průběh reakce, která je jinak energeticky nevýhodná, tedy přeměnu pyruvátu (s nízkou
energií) na fosfoenolpyruvát (s vysokou energií).10
 Černé šipky nám ukazují, které látky slouží jako zdroje meziproduktů syntézy
fosfoenolpyruvátu:
o pyruvát získáváme z alaninu, laktátu a produktů odbourávání glukogenních AK
o oxalacetát získáváme z meziproduktů odbourávání glukogeních AK
 Zelené šipky naznačují reakce, kterým daná látky rovněž může podléhat (čísla níže odpovídají
číslům v hvězdičkách) :
1) Dekarboxylace pyruvátu, vede ke vzniku acetyl-CoA, který je využit v citrátovém cyklu.
To, že probíhá karboxylace (= vznik oxalacetátu) je zajištěno glukagonem, který buňkám
říká: „je potřeba tvořit glukosu“ a také tím, že z tukové tkáně jsou uvolňovány MK, ty
jsou transportovány do jater, kde probíhá jejich katabolismus (β-oxidace), kterým vzniká
acetyl-CoA. Jaterní buňky tak mají dostatečně množství Ac-CoA, aby zajistily buňce
energii, a není potřeba jej získávat dekarboxylací pyruvátu.
Přesněji řečeno, zvýšená hladina Ac-CoA inhibuje pyruvátdehydrogenasu (=nevzniká
Ac-CoA) a aktivuje pyruvátkarboxylasu (= vzniká oxalacetát).
10
K podobné reakci (karboxylaci a dekarboxylaci) dochází i při syntéze VMK.
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 24
2) Oxalacetát může být v mitochondrii zapojen do citrátového cyklu a přeměněn na citrát
(o této reakci jsme se zmínili již v poznámce výše).
C) Energetická bilance GNG
Z výše popsaného způsobu vzniku fosfoenolpyruvátu vidíme, že pro jeho vznik je potřeba energie
odpovídající 2 ATP, počítáme-li energii potřebnou na vznik jedné molekuly glukosy, tak 4 ATP
(reakce musí proběhnout dvakrát).
V dalších popsaných reakcích GNG energie potřebná nebyla, avšak v jedné z nepopsaných reakcí
(reakce nebyla popsána, protože je opakem dané reakce glykolýzy), a to v přeměně
3-fosfoglycerátu na 1,3-bisfosfoglycerát je potřeba dodat 1 ATP (2 ATP na vznik glukosy).
Tabulka 8 - Energetická bilance GNG
Reakce ATP/glukosa
2x (pyruvát → oxalacetát) – 2 ATP
2x (oxalacetát → fosfoenolpyruvát) – 2 GTP
2x (3-fosfoglycerát → 1,3-bisfosfoglycerát) – 2 ATP
CELKEM – 6 ATP
Kdybychom chtěli GNG popsat sumární rovnicí, vypadala by takto:
2 pyruvát + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH+2H+
→ glukosa + 2 NAD+
+ 4 ADP + 2 GDP + 6 Pi
D) Původ substrátů glukoneogenze
V úvodu kapitoly 5.4 byly zmíněny hlavní substráty glukoneogeneze, a to pyruvát, laktát,
glycerol a glukogenní AK. Nyní se na jejich roli v GNG podíváme podrobněji.
Pyruvát
Pyruvát vzniká ve tkáních především dehydrogenací laktátu, v menší míře transaminací
z alaninu. O jeho zapojení do GNG pojednávala část B) této kapitoly.
Laktát
Laktát vzniká jako odpadní produkt metabolismu různých tkání (především tkáně svalové). Z nich
je transportován krví do jater (Coriho cyklus), kde dojde k jeho přeměně na pyruvát.
laktát + NAD+
→ pyruvát + NADH+H+
Vzniklý pyruvát se do GNG zapojí dle výše popsaného způsobu.
Glycerol
Glycerol vzniká v adipocytech při štěpení triacylglycerolů, následně je transportován krví do
jater. V cytoplasmě jaterních buněk dochází k jeho přeměně na dihydroxyacetonfosfát, který se
může zapojit do glukoneogeneze.11
glycerol + ATP → glycerol-3-fosfát + ADP
glycerol-3-fosfát + NAD+
→ dihydroxyacetonfosfát + NADH+H+
Kdyby glukoneogeneze začínala u glycerolu, vyhneme se dvěma reakcím, které vyžadují energii:
11
Může se zapojit i do glykolýzy – vše se opět odvíjí od metabolického stavu buňky.
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 25
 vzniku fosfoenolpyruvátu z pyruvátu (spotřeba 4 ATP na 1 glukosu)
 vzniku 1,3-bisfosfoglycerátu z 3-fosfoglycerátu (spotřeba 2 ATP na 1 glukosu)
Místo 6 ATP, tedy stačí dodat pouze 2 ATP (ušetřili jsme 4 ATP).
Glukogenní AK
Glukogenní AK svým metabolismem poskytují buď pyruvát, nebo meziprodukty citrátového
cyklu, které mohou být přeměněny na oxalacetát, který se do GNG zapojí popsaným způsobem.
Nejvýznamnější glukogenní AK je alanin, který je v případě potřeby uvolňován ze svalů a
transportován do jater (viz glukoso-alaninový cyklus v kapitole 6)
Poznámka:
Povšimněme si, že GNG začínající u laktátu a glycerolu vyžaduje NAD+
(zvýrazněno červeně). Je-li
NAD+
v buňce málo (poměr NADH+H+
:NAD+
je vysoký), dochází k zastavení GNG. K tomuto stavu
může dojít u alkoholiků, protože metabolismus alkoholu (alkoholdehydrogenasa) vyžaduje NAD+
.
U alkoholiků proto může dojít až k hypoglykemii.
E) Acetyl-CoA a GNG
Acetyl-CoA není přímým zdrojem pro glukoneogenezi!!!
Jelikož ještě neznáme průběh citrátového cyklu, vysvětlíme si tento fakt zjednodušeně –
zaměříme se pouze na počet uhlíků v meziproduktech tohoto cyklu.
V průběhu citrátového cyklu dochází k napojení Ac-CoA (2C) na oxalacetát (4C) za vzniku citrátu
(6C). Citrát je následně přeměněn na isocitrát (6C), který je dekarboxylován na 2-oxoglutarát
(5C) – uhlík v uvolněném CO2 pochází z Ac-CoA. 2-oxoglutarát je následně dekarboxylován na
sukcinyl-CoA (4C) – uhlík v uvolněném CO2 rovněž pochází z Ac-CoA. Sukcinyl-CoA pak dokončuje
cyklus přes sukcinát (4C), fumarát (4C), L-malát (4C) až po oxalcetát (4C), který je zdrojem pro
GNG. Je tedy patrné, že ani jeden uhlík z Ac-CoA nebyl zabudován do molekuly oxalacetátu a
proto není Ac-CoA zdrojem pro glukoneogenezi.
F) Regulace glukoneogeneze
GNG je regulována:
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 26
 dostupností substrátů
 ovlivněním nevratných reakcí allostericky a hormony
Allosterické ovlivnění je rychlé – působí bezprostředně, zatímco hormonální ovlivnění může být
i rychlé (působení přes druhého posla) i pomalé (hormon se napojí na receptor a vzniklý
komplex hormon-receptor ovlivňuje dění v buňce po dobu hodin až dnů).
Zástupce alosterických aktivátorl, inhibitorů a hormonů jsou uvedeny pro větší přehlednost
v tabulkách:
Tabulka 9 - Účinky aktivátorů a inhibitorů na enzymy GNG (a glykolýzy)
Enzym Aktivátor Inhibitor
HEXOKINASA --- glukosa-6-fosfát
FOSFOFRUKTIKINASA
5´AMP, fruktosa-6-fosfát,
fruktosa-2,6-bisfosfát
citrát, ATP, glukagon
PYRUVÁTKINASA fruktosa-1,6-bisfosfát, insulin
ATP, alanin, glukagon,
noradrenalin
PYRUVÁTDEHYDROGENASA
CoA, NAD+, insulin, ADP,
pyruvát
acetyl-CoA, NADH+H+, ATP
PYRUVÁTKARBOXYLASA acetyl-CoA ADP
FOSFOENOLPYRUVÁTKARBOXYKINASA glukagon? ---
Tabulka 10 - Účinky hormonů na expresi enzymů GNG (a glykolýzy)
Enzym Induktor Represor
GLUKOKINASA insulin glukagon
FOSFOFRUKTOKINASA insulin glukagon
PYRUVÁTKINASA insulin glukagon
PYRUVÁTKARBOXYLASA glukokortikoidy, glukagon,
adrenalin
insulin
FOSFOENOLPYRUVÁTKARBOXYKINASA glukokortikoidy, glukagon,
adrenalin
insulin
GLUKOSA-6-FOSFATASA glukokortikoidy, glukagon,
adrenalin
insulin
G) Glukoneogenese v ledvinách
Ledviny jsou po játrech jediným orgánem, který je schopen provádět GNG (mají ve svých
buňkách mj. enzym glukosa-6-fosfatasu potřebnou pro její poslední krok – odštěpení fosfátu
z glukosa-6-fosfátu).
Vzniklá glukosa může být uvolněna do krevního oběhu – k tomu dochází především
v postresorpční fázi (hladovění) a při acidózách.
Jako substráty pro GNG v ledvinách slouží především laktát, glycerol a glutamin (oproti alaninu,
který je hlavní AK v játrech).
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 27
5.5 Anabolismus (syntéza) a katabolismus (odbourání) glykogenu
Doposud jsme se bavili jen o metabolismu glukosy. O glukose se budeme bavit stále, avšak ne o
glukose volné, ale glukose vázané ve formě polysacharidu glykogenu.
A) Glykogen
Glykogen je zásobní formou glukosy v buňkách. Jedná se o polysacharid velmi podobný škrobu,
avšak oproti němu je častěji větven (cca na každé 8. molekule) – právě díky větvení je velmi
snadno dostupným zdrojem glukosy v případě jejího nedostatku.
Syntéza (a odbourání) glykogenu probíhá ve většině buněk, v největší míře ale v játrech a
svalech:
 ve svalech tvoří glykogen cca 1-2% hmotnosti svalu a k jeho odvourávání dochází při
těžké svalové práci a při stresu
 v játrech tvoří glykogen zhruba 5-10% hmotnosti jater po jídle (po 24 hodinách
hladovění pouze 0,1 % hmotnosti) a k jeho odbourávání dochází především při poklesu
hladiny glukosy v krvi
Glykogen umožňuje uchovávat v buňce velké množství molekul glukosy (molekulová hmotnost
glykogenu se pohybuje okolo 108
). Kdyby tato glukosa nebyla vázaná, vzniklo by hyperosmotické
prostředí, do buňky by přecházela voda a buňka by praskla.
V glykogenu rozlišujeme dva typy vazeb: α-1,4-glykosidové vazby a α-1,6-glykysidové vazby.
Molekula glykogenu má díky větvení několik neredukujících konců a jeden konec redukující.
Pozn. na obrázku není redukující konec označen, jedná se o konec „vpravo“ s volným poloacetalovým hydroxylem.
Větší počet neredukujících konců je důležitý při štěpení glykogenu.
Nyní se podíváme na jednotlivé děje metabolismu glykogenu:
 glykogeneze (tvorbu glykogenu) umožňuje syntézu glykogenu z glukosy; vzniklý glykogen
je následně uložen ve formě granul v buňkách
 štěpení glykogenu umožňuje z glykogenu uvolnit glukosu (enzymy glykogenolýzy se váží
na povrch granul a postupně z nich oddělují molekuly glukosy)
Syntéza glykogenu není opakem jeho štěpení!!!
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 28
B) Syntéza glykogenu (glykogeneze)
Syntéza glykogenu probíhá po jídle – organismus má dostatek glukosy a je potřeba „schovat si ji
na horší časy.“ Aktivace glykogeneze je zajištěna inzulinem.
V syntéze glykogenu můžeme rozlišit 4 kroky:
1) aktivace glukosy na UDP-glukosu
2) přenos aktivovaných molekul UDP-glukosy k 4-konci již existujícího primeru nebo řetězce
glykogenu
3) vznik α-1,4-glykosidových vazeb
4) větvení (vznik α-1,6-glykosidových vazeb)
AD1) Syntéza UDP-glukosy
Glukosa jako taková je v příliš nízkém energetickém stavu, aby se mohla zúčastnit syntézy
glykogenu – je potřebné ji aktivovat.
Při aktivaci je glukosa přeměna na glukosa-6-fosfát a následně izomerována na glukosa-1-fosfát,
který následně reaguje s UTP.
Reakcí s UTP vzniká UDP-glukosa.
Poznámka:
Při vzniku UDP-glukosy vzniká difosfát (PPi), který je po svém vzniku hydrolyticky rozštěpen na
dva fosfáty:
PPi + H2O → Pi + Pi
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 29
AD2) Přenos na primer
Aby mohl vznikat glykogen, je nutné přenést UDP-glukosu na primer, což je látka, na které se
syntéza glykogenu začíná. Touto látkou může být:
a) fragment glykogenu
Na fragmentu glykogenu začíná syntéza v případě, že všechen glykogen nebyl v buňce
spotřebován.
b) protein glykogenin
Glykogenin je specifický protein, který ve své molekule obsahuje serin. Na serinovém
zbytku dochází k autoglykosylaci (glukosa je přenesena na –OH skupinu serinu; na
navázanou první molekulu glukosy se mohou připojovat další za vzniku glykogenu)
AD3) Vznik α-1,4-glykosidových vazeb
Vzniku α-1,4-glykosidových vazeb se účastní enzym glykogensynthasa. Můžeme rozlišit dvě fáze
vzniku α-1,4-glykosidových vazeb:
a) Iniciace
Vznik první α-1,4-glykosidové vazby mezi UDP-glukosou a primerem
b) Elongace
Připojování dalších molekul UDP-glukosy na již připojené molekuly za vzniku
nevětveného řetězce:
UDP-glukosa + [glukosa]n → [glukosa]n+1 + UDP
AD4) Větvení
Jakmile je původní řetězec (obsahující pouze α-1,4 vazby) dost dlouhý, nasedá na něj větvící
enzym, který „utrhne“ 5-8 glukosových zbytků z neredukujícího konce a napojí je na původní
řetězec α-1,6-glykosidovou vazbou.
Následně dochází k další elongaci a po té, co je elongace dostatečná dochází k dalšímu větvení.
Větvení zajišťuje:
a) vznik více neredukujících konců, tudíž zrychlení syntézy a odbourání
b) zvýšení rozpustnosti glykogenu
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 30
C) Odbourání glykogenu – fosforolýza
K odbourávání glykogenu dochází při stresu (jaterní i svalový glykogen), při hladovění (jaterní
glykogen) a při svalové práci (svalový glykogen).
Můžeme rozlišit 2 fáze:
1) Fosforolytické štěpení α-1,4-glykosidových vazeb
Probíhá od neredukujících konců za účasti enzymu fosforylasy. Výsledkem toho štěpení
je vznik glukosa-1-fosfátů (fosfát není poskytován z ATP ale přímo jako anorganický
fosfát Pi)
2) Odstranění větvení (odstranění α-1,6-glykosidových vazeb)
Přesněji bude znázorněno níže. Účastní se jej odvětvovací enzym.
AD1) Fosforolytické štěpení α-1,4 vazeb
Fosforylasa štěpí nevětvené části glykogenového řetězce – postupně odštěpuje z glykogenu po
jedné molekule glukosy, které se však neuvolňují jako glukosy volné, ale ve formě glukosa-1-P:
[glykogen]n + Pi → [glykogen]n-1 + glukosa-1-P
Zkracování probíhá tak dlouho, dokud se vedlejší větev (složená z mnoha molekul glukosy)
nezkrátí na „větvičku“ o délce 4 glukosových zbytků, kterou nazýváme limitní dextrin
(= 4 glukosové jednotky před α-1,6-vazbou)
AD2) Odstranění větvení
Jakmile obsahují vedlejší řetězce pouze 4 molekuly glukosy, nastupuje odvětvovací enzym. Jeho
funkce při odvětvování je dvojí:
a) Má transferázovou (transglykosylásovou) aktivu – tři ze čtyř molekul glukosy limitního
dextrinu přenese na neredukující konec jiného delšího řetězce
b) Zbylou molekulu glukosy – díky své glukosidasové aktivitě – odštěpí ve formě glukosy,
nikoliv ve formě glukosa-1-P!
Oba výše popsané děje znázorňuje následující schéma:
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 31
Výsledkem odbourávání glykogenu je tedy velké množství molekul glukosa-1-fosfátu a několik
molekul samotné glukosy (počet vzniklých glukos se rovná počtu větvení).
D) Osudy vzniklého glukosa-1-fosfátu
Glukosa-1-fosfát je po uvolnění z glykogenu přeměněn na glukosa-6-fosfát. Ten může být
v jaterních buňkách (nebo buňkách ledvin) rozštěpen na glukosu a fosfát (játra a ledviny mají
enzym glukosa-6-fosfatasu), pokud k tomuto štěpení nedochází (v ostatních tkáních) je zapojen
do metabolismu buněk.
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 32
Po štěpení glykogenu dochází v buňce k nárůstu koncentrace glukosa-6-fosfátu.
Glukosa-6-fosfát nemůže procházet přes buněčnou membránu, pokud není rozštěpen na
glukosu a fosfát (glukosa přes membránu projít může). Z toho vyplývá, že hladina glukosy v krvi
je ovlivňována štěpením glykogenu pouze v játrech (ledvinách), nikoliv štěpením glykogenu ve
svalové či jiné tkáni (v extrahepatálních tkáních je vzniklý glukosa-6-fosfát zapojen do glykolýzy).
E) Lysozomální odbourávání glykogenu
Kromě odbourávání glykogenu výše popsaným způsobem, dochází k jeho štěpení i
v lysozomech, které obsahují enzym s názvem lysozomální kyselá glukosidasa (pH optimum 4).
Při jeho absenci vzniká Pompeho choroba (viz dále).
Lysozomální kyselá glukosidasa odbourává α-1,4-glykosidové vazby od neredukujícího konce a
uvolňuje samostatnou glukosu.
Tímto způsobem je odbouráno 1-3% buněčného glykogenu.
F) Regulace metabolismus glykogenu
Regulace glykogenu spočívá především s ovlivňování dvou protichůdných enzymů:
a) glykogensynthasy, která je aktivní po jídle a jejíž činností vzniká glykogen
b) glykogenfosforylasy, která je aktivní za hladovění a jejíž činností je z glykogenu
uvolňována glukosa
K ovlivňování jejich funkce slouží dva systémy – allosterická regulace a hormonální kontrola.
(Stejně jako u glykolýzy, GNG a většiny dějů, které probíhají v organismu).
Hormony, které se podílí na regulaci syntézy a odbourání glykogenu, jsou vypsány v tabulce níže:
Tabulka 11 - Hormony ovlivňující metabolismus glykogenu
Hormon Syntéza Odbourání
INSULIN ↑ ↓
GLUKAGON ↓ ↑
ADRENALIN ↓ ↑
Při regulaci metabolismu glykogenu, hraje velkou roli fosforylace a defosforylace proteinů
(enzymů):
 fosforylaci zajišťují kinasy (s pomocí ATP)
 defosforylaci zajišťují fosfatasy
Obecně může mít fosforylace a defosforylace dvojí vliv – buď při nich dochází k aktivaci enzymu,
nebo k jeho deaktivaci.
Důležité je uvědomit si, že jeden enzym může být fosforylací aktivován a defosforylací
inaktivován a jiný enzym může být fosforylací inaktivován a defosforylací aktivován.
Tyto situace znázorňují následující schémata:
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 33
Obrázek 3 - Aktivace fosforylací Obrázek 4 - Deaktivace fosforylací
ADa) Regulace syntézy glykogenu (ovlivnění glykogensynthasy)
Glykogensynthasa se v organismu vykytuje ve dvou formách:
 glykogensynthasa a
 glykogensynthasa b
„Glykogensynthasa a“ je aktivnější forma glykogensynthasy a je defosforylovaná. Její fosforylací
dochází k inaktivaci a vzniku „glykogensynthasy b“.
Ke schématu:
Aktivní defosforylovaná „glykogensynthasa a“ je pomocí enzymu proteinkinasy fosforylována do
své neaktivní formy „glykogensynthasy b“. Opačnou reakci – aktivaci spojenou s defosforylací –
zajišťuje enzym proteinfosfatasa I.
 proteinkinasa je inhibována pomocí glukagonu, cAMP, adrenalinu a Ca-kalmodulinu
 proteinfosfatasa I je aktivována insulinem a allostericky pak glukosa-6-fosfátem; k její
inhibici vede zvýšená hladina cAMP
Poznámka:
Kontrola ve svalu je komplexnější než v játrech, protože se odvíjí i od aktuálního obsahu
glykogenu.
ADb) Regulace odbourávání glykogenu (ovlivnění glykogenfosforylasy)
Podobně jako glykogensynthasa, nachází se i glykogenfosforylasa ve dvou formách:
 glykogenfosforylasa a
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 34
 glykogenfosforylasa b
Její aktivace a inaktivace probíhá přesně opačně, než je tomu u glykogensynthasy.
„Glykogenfosforylasa a“ je aktivní formou, která je fosforylovaná, „glykogenfosforylasa b“ je
neaktivní formou, která je defosforylovaná.
Celou situaci ovlivnění funkce tohoto enzymu navíc komplikuje fakt, že aktivace enzymu
fosforylasakinasy (=enzym, který zajišťuje fosforylaci glykogenfosforylasy) se liší v játrech a ve
svalech.
Ke schématu:
Fosforylovaná aktivní „glykogenfosforylasa a“ je vlivem proteinfosfatasy I převedena do své
neaktivní deforforylované formy „glykogenfosforylasy b“. Opačná reakce – fosforylace pod
vlivem fosforylasakinasy – vede k aktivaci.
Štěpení glykogenu je regulováno mnohem složitěji, než jeho syntéza (jak lze poznat ze
schématu). Nyní se zaměříme na jednotlivé enzymy a možnosti jejich ovlivnění:
a) „glykogenfosforylasa a“ může být ve svalech inhibována glukosou, ATP nebo glukosa-6-P
(= ve svalu je dost glukosy i energie, je zbytečně štěpit glykogen)
b) „glykogenfosforylasa b“ může být allostericky aktivována vlivem cAMP
c) „proteinfosfatasa I“ je inhibována zvýšenou hladinou cAMP, při nižší hladině cAMP je
naopak aktivována
d) „fosforylasakinasa“ je aktivována ve svalech a v játrech různými způsoby:
a. V játrech najdeme dvě neaktivní formy fosforylasakinasy:
„neaktivní fosforylasakinasu b“
„neaktivní Ca-kalmodulin-dependentní-fosforylasakinasu“
Vlivem glukagonu dojde ke zvýšení hladiny cAMP. Zvýšená hladina cAMP vede k aktivaci
„cAMP-dependentní-proteinkinasy“. Tato proteinkinasa aktivuje „fosforylasakinasu b“
a přemění ji na „fosforylasakinasu a“, která je aktivní a fosforylovaná. Fosforylovaná
„fosforylasakinasa a“ může nyní fosforylovat glykogenfosforylasu.
Vlivem adrenalinu, který se naváže na α1-receptory (při stresu), dochází k zvýšení
koncentrace Ca2+
v játrech. Zvýšená koncentrace Ca2+
zvýší koncentraci
Ca2+
-kalmodulinu, který aktivuje „neaktivní Ca-kalmodulin-dependentnífosforylasakinasu“
na „aktivní Ca-kalmodulin-dependentní fosforylasakinasu“.
Fosforylasakinasa nyní může fosforylovat glykogenfosforylasu.
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 35
b. Ve svalech najdeme jen jednu neaktivní formu fosforylasakinasy a to „neaktivní
fosforylasakinasu b“. Její aktivace ale může probíhat dvěma způsoby:
Vlivem adrenalinu, který se naváže na β1-receptory, dochází ke zvýšení hladiny cAMP.
Zvýšená hladina cAMP aktivuje „cAMP dependentní-proteinkinasu“. Tato proteinkinasa
aktivuje „fosforylasakinasu b“ a přemění ji na aktivní „fosforylasakinasu a“.
Po dobu trvání svalové kontrakce dochází ke zvýšení koncentrace Ca2+
iontů. Aniž by
byla potřeba fosforylace, působí zvýšená koncentrace Ca2+
iontů na „fosforylasakinasu b“
a stimuluje její aktivaci na „fosforylasakinasu a“.
Obrázek 5 - Situace v JÁTRECH Obrázek 6 - Situace ve SVALU
Kdybychom měli výše popsané způsoby ovlivnění fosforylasakinasy shrnout, vypadal by výsledek
našeho snažení následovně:
 JÁTRA
a. Vliv hormonů:
i. glukagon působí na hladinu cAMP
ii. adrenalin působí na koncentraci Ca2+
 SVAL:
a. Vliv hormonů:
i. Adrenalin působí na hladinu cAMP
b. Allosterická regulace:
i. zvýšená hladina Ca2+
vyvolaná svalovou kontrakcí
G) 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).
Tabulka 12 - Glykogenózy
Typ Enzymový defekt Orgán Charakteristika
0 glykogensynthasa játra hypoglykemie; fatální
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 36
I glc-6-fosfatasa játra, ledviny zvětšená játra, ledviny; hypoglykemie
buňky jsou přeplněny glykogenem
II lysozomální α-glukosidasa srdce, svaly hromadění glykogenu v lysozomech;
fatální
III odvětvovací enzym játra, svaly,
srdce
hromadění charakteristicky větveného
polysacharidu
IV větvící enzym játra hromadění nevětveného polysacharidu;
fatální
V svalová glykogenfosforylasa sval vysoký obsah glykogenu ve svalu, snížená
schopnost tělesné námahy
VI jaterní glykogenfosforylasa játra vysoký obsah glykogenu v játrech, sklon
k hypoglykemii
VII fosfofruktokinasa srdce, svaly vysoký obsah glykogenu ve svalu, snížená
schopnost tělesné námahy (jako typ V)
Glykogenosa typu I = Von Gierkeho choroba
Nejběžnější z glykogenóz, která je způsobena deficitem glukosa-6-fosfatasy nebo absencí
transportéru pro glukosa-6-fosfát.
Chybění tohoto enzymu vede k hypoglykemii již při krátkém hladovění, k laktacidemii a občas
k hyperlipidemii a hyperurikemii.
Výše popsané projevy jsou způsobeny tím, že glukosa-6-fosfát nemůže být z jater ani ledvin
uvolňován ve formě glukosy do krve (a udržovat tak hladinu krevní glukosy) a musí se tedy
zapojit do metabolismu těchto buněk (a jelikož ho je hodně, dochází k jeho přeměně na
glykogen).
Glykogenosa typu II = Pompeho choroba
Choroba způsobená deficitem lysozomální α-1,4-glukosidasy. Glykogen tak nemůže být
v lysozomech odbouráván a dochází k jeho hromadění. Lysozomy přeplněné glykogenem
nemohou plnit svou funkci.
To, že lysozomy nemohou pracovat vede k poškození svalů (svalové slabosti) a dalších orgánů,
především částí respiračního systému a srdce.
Glykogenosa typu V = McArdlova choroba
Choroba způsobená deficitem svalové glykogenfosforylasy. Chybí-li tento enzym, není možné
štěpit glykogen a využívat tak jeho zásoby pro produkci energie – sval tedy není schopen trvalejší
práce a snadno dochází k jeho poškození (což vede k vyplavení myoglobinu do krve, což má další
následky…)
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 37
5.6 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 NADH+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
B) Oxidační část pentosofosfátové dráhy
Oxidační část pentosofosfátové dráhy obsahuje 3 přeměny. Ve dvou z nich vzniká NADPH+H+
,
navíc dochází k dekarboxylaci (z hexosy vzniká pentosa).
Vznikající NADPH+H+
je zároveň regulátorem reakce – při zvýšení jeho hladiny v buňce dochází
k inhibici této části pentosofosfátového cyklu (tzv. „inhibice produktem“).
Nyní se na jednotlivé reakce ze schématu podíváme podrobněji:
a) Vznik 6-fosfoglukonátu
Glukosa-6-fosfát (cyklická sloučenina) je nejprve oxidována na 6-fosfoglukonolakton, což je
také cyklická sloučenina. Její hydrolýzou dojde k narušení kruhu a vzniku 6-fosfoglukonátu.
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 38
b) Vznik ribulosa-5-fosfátu
6-fosfoglukonát podléhá dehydrogenaci (na třetím uhlíku) a dekarboxylaci (na prvním
uhlíku) za vzniku ribulosa-5-fosfátu.
Výsledkem oxidační části pentosového cyklu jsou:
 2 NADPH+H+
 pentosa-fosfát (ribulosa-5-fosfát)
C) Regenerační fáze pentosofosfátového cyklu
V oxidační části jsme z hexosa-fosfátu (glukosa-6-P) získali pentosa-fosfát (ribulosa-5-P).
Regenerační fáze umožňuje vzniklé pentosy přeměnit zpět na hexosy.
Vyvstává otázka, proč vůbec probíhá regenerační fáze, neboli proč vůbec vynakládá buňka
snahu vytvářet pentosy, když je následně přemění zpět na hexosy. Důvod je prostý – některé
buňky potřebují mnoho NADPH+H+
pro svoji běžnou činnost a pentosofosfátový cyklus je jeho
hlavním zdrojem. Vzniklé pentosy, kterých je v některých buňkách velké množství, se tedy
nevyužijí k syntéze nukleotidů (buňka tolik nukleotidů nepotřebuje) a jsou přeměněny zpět na
hexosy. Ty se mohou zapojit znovu do pentosofosfátového cyklu a poskytnout buňce další
NADPH+H+
nebo do dalších reakcí metabolismu (a poskytnout buňce např. energii).
Prvním krokem regenerační fáze je přeměna ribulosa-5-fosfátu na:
 ribosa-5-fosfát (enzym: isomerasa; přesun dvojné vazby)
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 39
 xylulosa-5-fosfát (enzym: epimerasa; „přehození“ –OH a –H)
Ribosa-5-fosfát se může zapojit do syntézy nukleotidů (je-li jich potřeba) nebo se spolu
s xylulosa-5-fosfátem podílí na vzniku hexos.
Po té, co jsme získali ribosu-5-fosfát i xylulosu-5-fosfát, může pokračovat regenerační fáze. Na
další reakci se podílí enzym transketolasa, která přenáší dvouuhlíkatý zbytek. Tento zbytek
pochází z xylulosa-5-fosfátu, ze které tak vzniká glyceraldehyd-3-fosfát a je přenášen na
ribosu-5- fosfát, ze které tak vzniká sedoheptulosa-7-fosfát.12
Kofaktorem reakce je thiamindifosfát.
Následující reakci katalyzuje enzym transaldolasa, která přenáší tříuhlíkatý zbytek. Tento zbytek
pochází ze sedoheptulosa-7-fosfátu, ze kterého po odrtžení vzniká erythrosa-4-fosfát, a je
přenesen na glyceraldehyd-3-fosfát, ze kterého tak vzniká první hexosa: fruktosa-6-fosfát.
Do další reakce se opět zapojuje transketolasa přenášející dvouuhlíkatý zbytek. Tento zbytek
pochází z molekuly xylulosa-5-fosfátu, ze které jeho odštěpením vznikne glyceraldehyd-3-fosfát,
a je přenesen na erythrosa-4-fosfát za vzniku druhé hexosy: fruktosa-6-fosfátu.
12
Povšimněme si zajímavosti – i když se lokátor fosfátu (3-fosfát ; 5-fosfát; 7-fosfát) stále mění, poloha
fosfátu je stále stejná – pouze se mění délka řetězce.
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 40
Souhrnná bilance regenerační fáze pentosofosfátové dráhy:
ribulosa-5-P ribosa-5-P
2x ribulosa-5-P 2x xylulosa-5-P
xylulosa-5-P + ribosa-5-P glyceraldehyd-3-P + sedoheptulosa-7-P
sedoheptulosa-5-P + glyceraldehyd-3-P erythrosa-4-P + fruktosa-6-P
xylulosa-5-P + erythrosa-4-P glyceraldehyd-3-P + fruktosa-6-P
3 x ribulosa-5-P glyceraldehyd-3-P + 2 x frutkosa-6-P
3x 5C 3C + 2 x 6C
Vidíme, že do reakcí pentosofosfátové dráhy vstupují 3 pentosy, které se z ní po různých
přesunech dvou a tříuhlíkatých zbytků. Vystupují jako 2 hexosy a 1 triosa.
Schematicky:
Ke schématu: 1.TK = 1. transketolasová reakce; TA = transaldolasa; 2.TK = 2. transketolasová reakce
D) Pentosofosfátový cyklus opačným směrem
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 41
Díky tomu, že jsou jednotlivé reakce regenerační fáze zvratné, je možné produkovat pentosy i
bez produkce NADPH+H+
, např. z meziproduktů glykolýzy.
Řečeno jinak: obrátíme-li sled reakcí, může pentosofosfátový cyklus probíhat ve směru hexosy →
pentosy, čímž se vyhneme oxidační fázi a vzniku NADPH+H+
.
Průběh jednotlivých opačných reakcí:
a) 2. transketolasová reakce v opačném směru
Z fruktosa-6-fosfátu (vzniklého glykolýzou) je možné v reakci s glyceraldehyd-3-fosfátem
(rovněž vzniklý glykolýzou) získat erythrosu-4-fosfát a xylulosu-5-fosfát (pentosu):
fruktosa-6-P + glyceraldehyd-3-P erythrosa-4-P + xylulosa-5-P
b) transladolasová reakce v opačném směru
Z erytrosy-4-fosfátu (vzniklé reakcí a)) a fruktosa-6-fosfátu (vzniklého glykolýzou) je možné
získat sedoheptulosu-7-fosfát a glyceraldehyd-3-P:
erythrosa-4-P + fruktosa-6-P sedoheptulosa-7-P + glyceraldehyd-3-P
c) 1. transketolasová reakce v opačném směru
Ze sedoheptulosy-7-P (vzniklé reakcí b)) a glyceraldehyd-3-P (vzniklého glykolýzou nebo
výše uvedenou reakcí) můžeme získat ribosu-5-fosfát a xylulosu-5-fosfát (2 pentosy):
sedoheptulosa-7-P + glyceraldehyd-3-P ribosa-5-P + xylulosa-5-P
E) Regulace pentosofosfátové dráhy
Rychlost pentosofosfátové dráhy se odvíjí od:
a) úvodních nevratných reakcí oxidační fáze
b) dostupnosti substrátu (NADP+
)
c) množství vzniklého NADPH+H+ (inhibice produktem!)
d) indukce tvorby enzymů pomocí insulinu13
Směr pentosofosfátové dráhy se odvíjí od potřeb buňky (viz tabulka)
Tabulka 13 - Potřeby buňky
Potřeba buňky Směr dráhy
POUZE NADPH+H+
oxidativní větev produkuje NADPH+H+
regenerační větev konvertuje pentosy na glukosa-6-P
NADPH+H+
A RIBOSA-5-P oxidativní větev produkuje NADPH+H+
vzniklá ribulosa-5-P je pomocí izomerasy přeměněna na ribosu-5-P
POUZE RIBOSA-5-P oxidativní větev neprobíhá
regenerační větev probíhá pozpátku (fruktosa-6-P a
glyceraldehyd-3-P jsou konvertovány na ribosa-5-P)
NADPH+H+
A PYRUVÁT
(alternativa potřeby 1)
oxidativní větev produkuje NADPH+H+
regenerační větev přeměňuje ribosa-5-P na fruktosa-6-P a
glyceraldehyd-3-P
glykolýza produkuje pyruvát
13
Proč zrovna insulin? Insulin je hlavním hormonem v resorpční fázi (fázi po jídle). V této fázi má buňka
dostatek hexos (glukosy), aby z nich mohla vytvářet pentosy. Insulin tedy indukuje syntézu enzymů
pentosofosfátové dráhy.
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 42
F) NADPH+H+
V pentosofosfátové cyklu vzniká NADPH+H+
, lze říci, že tento cyklus je jeho hlavním
producentem. Je tedy vhodné zmínit pár slov o tomto kofaktoru.
Jemu strukturně velice blízkou sloučeninou je NADH+H+
. Srovnání těchto látek uvádí tabulka na
následující stránce. Hlavní rozdíl je asi v tom, že NADP+
se vyskytuje především v anabolismu a
NAD+
v katabolismu.
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 43
Tabulka 14 - Srovnání NADH+H+
a NADPH+H+
Charakteristika NADH+H+
NADPH+H+
vznik převážně při dehydrogenacích
substrátů v katabolických dějích
převážně při dehydrogenaci
substrátů v dějích jiných než
katabolických
využití převážně v dýchacím řetězci redukční syntézy (viz dále)
detoxikační reakce
(nemůže být oxidován
v dýchacím řetězci)
forma převažují v buňce NAD+
(oxidovaná forma) NADPH+H+
(redukovaná forma)
NADPH+H+
Je nezbytný pro průběh následujících reakcí:
 redukce (regenerace) oxidovaného glutathionu (G-S-S-G → G-SH + G-SH)
 monooxygenázové reakce s cytochromemP450 (probíhají v játrech, střevech a plicích;
jedná se o reakce, kdy jsou cizorodé látky = xenobiotika = převáděny z méně polární na
více polární formu, což umožní jejich lepší vyloučení z organismu)
 respirační vzplanutí v leukocytech
 redukční syntézy:
o syntéza mastných kyselin
o elongace mastných kyselin
o syntéza cholesterolu
o syntéza nukleotidů
o syntéza NO z argininu
G) Pentosofosfátová dráha a erytrocyty
Ve většině buněk je možné NADPH+H+
syntetizovat i jinými cestami než pomocí
pentosofosfátové dráhy – v erytrocytech je to jediná možnost vzniku NADPH+H+
, což se
projevuje i v tom, že 5-10% glukosy (glc-6-P) v erytrocytu vstupuje do pentosofosfátové dráhy.
Hlavní význam vznikajícího NADPH+H+
je v regeneraci glutathionu, NADPH+H+
slouží jako
kofaktor enzymu glutathionreduktasy.
G S S G
NADP+
NADPH+H+
GLUTATHIONREDUKTASA
G SH SH G+
Erytrocyty jsou buňky, které se dostávají do přímého kontaktu se vzdušným kyslíkem (nacházejí
se v oxidačním stresu). Vznikají v nich proto škodlivé látky jako peroxid vodíku H-O-O-H a různé
organické peroxidy R-O-O-H, které jsou odbourávány právě pomocí glutathionu. Kdyby
nedocházelo k odbourávání peroxidů a došlo by k jejich nahromadění v buňce, způsobilo by to
hemolýzu.
2 GSH + H-O-O-H → G-S-S-G + 2 H2O
2 GSH + R-O-O-H → G-S-S-G + ROH + H2O
Velký problém nastává v erytrocytech v okamžiku, kdy je pentosofosfátový cyklus narušen.
Nejčastěji je tomu tak kvůli deficitu glukosa-6-P-dehydrogenasy (první enzym oxidační větve).
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 44
Tento deficit je podmíněn dědičně (vrozená choroba) bodovými mutacemi v genu nacházejícím
se na chromosomu X. Bylo objeveno kolem 400 mutací tohoto genu.
V některých populacích (středomoří, Afrika) je výskyt těchto mutací častější, než v jiných.
V současné době se odhaduje, že mutací v tomto genu trpí asi 400 milionů lidí.
Deficit glukosa-6-P-dehydrogenasy způsobuje, že erytrocyty14
nemají dostatečně množství
redukovaného glutathionu (nemají enzym, který by vytvořil NADPH+H+
potřebný pro
glutathionreduktasu).
Většinou se deficit nijak neprojevuje – to je dáno tím, že H-O-O-H a R-O-O-H nevzniká
v organismu nikdy tolik, aby došlo ke smrti všech erytrocytů najednou (navíc jsou erytrocyty
každých 120 dní vyměňovány za nové). Deficit se projeví hemolytickou anémií až v okamžiku,
kdy se do organismu dostane infekce, určité druhy léků (skupina AAA = antimalarika, antibiotika,
antipyretika) nebo větší množství favových bobů (druh: Vicia favia, jejich velké množství
vyvolává oxidační stres). Pokud dojde k poslední situaci (konzumace velkého množství favových
bobů) hovoříme o favismu.
Erytrocyty organismu postiženého deficitem glukosa-6-P-dehydrogenasy je možné poznat
v mikroskopu – vyskytují se v nich tzv. Heinzova tělíska. Tvorba těchto tělísek souvisí s vysokou
hladinou H-O-O-H a R-O-O-H, které způsobují částečnou denaturaci proteinů. Tyto proteiny se
tak stávají nerozpustnými a jsou přichyceny k membráně v podobě tělísek. Tvorba tělísek vede
k tomu, že erytrocyt ztrácí svou pružnost a stává se z něj rigidní struktura.15
14
Postiženy jsou samozřejmě všechny buňky, nejen erytrocyty, ale erytrocyty nemají jinou možnost
syntézy NADPH+H+
, proto se postižení projevuje nejvíce na nich.
15
Tím, že se z erytrocytů stanou rigidní struktury, je jim znemožněno procházet kapilárami o průsvitu
užším, než je jejich vlastní průměr. Takovéto erytrocyty jsou ihned označeny na „poškozené“ a jsou
odstraněny pomocí makrofágů.
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 45
5.7 Metabolismus fruktosy
A) Úvod
Fruktosa je po glukose velmi hojným monosacharidem vyskytujícím se v potravě – můžeme ji
přijmout především z ovoce a medu, ve formě disacharidu pak jako sacharosu.
Denně přijímáme asi 7g fruktosy, v USA (především kvůli slazení nápojů, kečupů a omáček
kukuřičným sirupem16
) až 60 g.
Hlavní rozdíly mezi glukosou a fruktosou vystihuje následující tabulka:
Tabulka 15 - Rozdíly mezi glukosou a fruktosou
Charakteristika Glukosa Fruktosa
Resorpce ve střevě
rychlejší
(kotransport se sodíkem)
pomalejší
(usnadněná difuze)
Metabolismus
pomalejší
(„složitěji“ ovlivňován)
rychlejší
(ovlivňován v menší míře)
Poločas v krvi
(čas, za který počátečná množství
klesne na polovinu)
43 minut 18 minut
Místo metabolismu většina tkání
především játra, ledviny a
enterocyty
KM pro hexokinasu 0,1 mmol/l 3 mmol/l
KM pro fruktokinasu --- 0,5 mmol/l
Vliv insulinu
↑ hladiny v krvi
(závislé na insulinu)
---
(nezávislé na insulinu)
Zásadní rozdíly mezi těmito monosacharidy ještě zmíníme slovně.
Fruktosa je metabolizována hlavně v játrech pomocí enzymu fruktokinasy17
, hexokinasa se
uplatňuje pouze při opravdu vysokých koncentracích fruktosy. Z hodnot poločasu v krvi vidíme,
že játra metabolizují fruktosu rychleji než glukosu – to je dáno tím, že fruktokinasa není nijak
hormonálně ani zpětně ovlivňovaná (tzn., že pokud je co fosforylovat, fosforyluje; oproti tomu
je činnost hexokinasy zpomalena zvýšením koncentrace glukosa-6-fosfátu).
Fruktosa samotná nevyvolá uvolnění insulinu, avšak její metabolismus vede ke vzniku glukosy,
která může zpětně vyvolat zvýšení hladiny insulinu.
B) Průběh metabolismu fruktosy
Průběh metabolismu fruktosy je odlišný od metabolismu glukosy.
Vlivem enzymu fruktokinasy (méně často hexokinasy) je fruktosa přeměněna na
fruktosa-1-fosfát. Ten se pod vlivem enzymu aldolasy B štěpí na glyceraldehyd a
dihydroxyacetonfosfát18
. Glyceraldehyd může být vlivem triosakinasy fosforylován na
glyceraldehyd-3-fosfát, stejnou látku získáme z dihydroxyacetonfosfátu působením enzymů
16
Kukuřičný škrob se vyrábí z inulinu. Ten je pomocé různých biotechnologií konvertován na fruktosu,
která je sladší než sacharosa a je tedy možné jí využívat méně (čímž se ušetří peníze…)
17
KM fruktokinasy je o hodně menší než KM hexokinasy, afinita fruktokinasy k fruktose je tedy o hodně
vyšší než afinita hexokinasy.
18
Povšimněme si, že jen jeden ze štěpných produktů nese fosfát. V glykolýze se štěpí fruktosa-1,6-bisP a
proto nesou fosfát oba tříuhlíkaté štěpy.
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 46
triosafosfátisomerasy, se kterým jsme se již setkali v glykolýze. Glyceraldehyd-3-P nyní může
vstoupit do glykolýzy, nebo se spojit s dihydroxyacetonfosfátem a vytvořit novou molekulu
glukosy19
(tedy vstoupit do glukoneogeneze).
Výše popsané děje shrnuje následující schéma:
C) Ovlivnění metabolismu fruktosy
Metabolismu fruktosy se účastní enzymy, které nejsou zpětně ani hormonálně regulovány.
Jedná se především o aldolasu B20
a fruktokinasu.
To, že tyto enzymy nejsou organismem kontrolovány vede k tomu, že je fruktosa velmi rychle
odbourána a slouží nám jako rychlý (oproti glukose na inzulinu nezávislý) zdroj energie. To je
ale asi jediná výhoda, kterou fruktosa má.
Tím, že není možné její metabolismus kontrolovat, dochází k následujícím negativním jevům:
 rychlý nárůst poměru NADH+H+
>>> NAD+
Buňka nestíhá zpracovat NADH+H+
v dýchacím řetězci, což vede ve výsledku k tomu, že
NADH+H+
je regenerováno na NAD+
přeměnou pyruvátu na laktát, a to vede k acidóze
 rychlé odčerpávání fosfátu (Pi)
Buňka má jen omezené množství anorganického fosfátu. Tím, že vzniká velké množství
fruktosa-1-fosfátu, se jeho hladina v buňce zmenšuje a buňka jej tak nemá dost pro
syntézu ATP.
Tento stav, kdy buňka nemá dost fosfátu na syntézu ATP, může vyústit až do tzv. otravy
fruktosou (není dost fosfátu → netvoří se ATP → buňka nemá energii → zpomalení
metabolismu…)
 zvýšená tvorba mastných kyselin
Glyceraldehyd-3-P se může zapojit do GNG nebo do glykolýzy. Jeho nadměrným
zapojením do glykolýzy vzniká mnoho pyruvátu, z něj mnoho acetyl-CoA. Tím, že je moc
Ac-CoA, dochází k překročení kapacity Krebsova cyklu a Ac-CoA je přeměněn na mastné
kyseliny. Ty se následně ukládají do tukové tkáně a my tloustneme.
19
Jak vidíme, je možné z fruktosy „vytvořit“ glukosu.
20
Existuje i enzym aldolasa A, se kterým jsme se setkali v glykolýze (katalyzoval štěpení fruktosa-1,6-bisP
na glyceraldehyd-3-P a dihydroxyaceton-P
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 47
Proto, že je metabolismus fruktosy nezávislý na inzulinu, bývala fruktosa dříve doporučována
diabetikům jako neškodné sladidlo. Toto doporučení dnes již neplatí v celém svém rozsahu:
a) v malém množství (v ovoci, medu) je fruktosa neškodná
b) slazení větším množstvím fruktosy (nebo její jiný vyšší příjem, např. infuzí) může
způsobovat problémy a proto není doporučeno (jak jsme viděli ze schématu, je možné
přeměnit fruktosu na glukosu, jejíž metabolismus je na inzulinu závislý).
D) Polyolová metabolická dráha
Polyolová metabolická dráha se týká mj. metabolismu glukosy. Jedná se o její přeměnu na
glucitol a jeho přeměnu na fruktosu. (viz schéma)
Chybění (malá aktivita) enzymu polyoldehydrogenasy způsobuje pozdní komplikace diabetu.
Nastane-li u diabetika diabetická hyperglykémie, vstupuje glukosa do buněk, které mají na svém
povrchu receptory nevyžadující přítomnost inzulinu. V těch je následně odbourávána na glucitol
a na fruktosu. Jenže některé buňky nemají polyoldehydrogenasu nebo jí mají tak málo, že její
práce není dost efektivní (oční čočka, retina, nervové buňky), a proto se glucitol v buňkách
hromadí (buněčná membrána pro něj není propustná). Zvýšení koncentrace glucitolu vede ke
zvýšení osmotického tlaku, a ten vyvolá různé poruchy buněk (v oku to vede k diabetické
kataraktě a různým retinopatiím, v nervové tkáni pak k neuropatiím).
E) Poruchy metabolismus fruktosy
Nejběžnějšími poruchami jsou hereditární (dědičně) deficience fruktokinasy a aldolasy B.
Chybění fruktokinasy
Chybění tohoto enzymu vede k esenciální fruktosurii. Fruktosa, protože nemůže být
fosforylována a tedy dále upravována, se hromadí v krvi a je vylučována močí. Díky tomuto
projevu je možné poruchu diagnostikovat (nejprve se provede redukční zkouška moči; vyjde-li
pozitivně, prokazuje se glukosa, a je-li ta negativní, znamená to, že se v moči vyskytuje
fruktosa).
Léčba: Dieta bez fruktosy (málo ovoce, medu…)
Chybění aldolasy B
Chybění tohoto enzymu způsobuje hereditární fruktosovou intoleranci (AR choroba). Fruktosa
se sice dostane do buněk a je fosforylována na frc-1-P, ale ten již není možné dále rozštěpit,
proto dochází k jeho hromadění v buňkách a to vede k hypoglykémii.21
Chorobu je nutné včas odhalit.
21
Hypoglykémie nastává proto, že vysoká hladina frc-1-P inhibuje glykogenolýzu a GNG (inhibice obou
dějů vede k tomu, že buňka netvoří glukosu).
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 48
Léčba: dieta bez fruktosy a sacharosy
5.8 Metabolismus galaktosy
A) Úvod
Galaktosa se do našeho organismus dostává především z disacharidu laktosy, jehož hlavním
zdrojem je mléko (je zajímavé, že ostatní mléčné výrobky jako kefíry, tvarohy a síry laktosu
neobsahují). Po rozštěpení v trávicím traktu je do buněk střevní sliznice transportována stejně
jako glukosa, tedy kotransportem se sodíkem.
B) Vlastní metabolismus galaktosy
a) Po té, co se galaktosa dostane do buněk střevní sliznice, je fosforylována na galaktosa-1-P
b) Aby mohl organismus dále zapojit galaktosu do metabolismu, musí ji aktivovat na
UDP-galaktosu. Galaktosa nemůže reagovat přímo s UTP, proto reaguje s UDP-glukosou.
c) Vzniklá UDP-galaktosa může být následně využita na syntézu glykolipidů (součást buněčných
membrán), či glykosaminoglykanů (součást amorfní hmoty pojivových tkání), nebo je možné
ji přeměnit (enzymem epimerasou) na UDP-glukosu, která se následně zapojí do syntézy
glykogenu. Reakce katalyzovaná epimerasou je vratná a je tedy možné ji využívat v obou
směrech.
Výše popsané vystihuje následující schéma:
C) Význam galaktosy (biosyntéza laktosy)
Galaktosa je významnou složkou mnoha různých sloučenin (glykolipidy, proteoglykany,
glykoproteiny…), u laktujících žen je nezbytná pro syntézu laktosy.
Při syntéze laktózy dochází k spojení galaktosy (ve formě UDP-galaktosy) a glukosy:
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 49
Enzym, katalyzující tuto reakcí se nazývá laktosasynthasa a jedná se o komplex dvou proteinů:
a) galaktosyltransferasa (nachází se v mnoha tkáních; přenáší galaktosu z UDP na glukosu)
b) α-laktalbumin (vyskytuje se pouze v mléčné žláze a jen při laktaci; syntéza tohoto
proteinu je aktivována hormonem prolaktinem)
V tkáních, které neobsahují α-laktalbumin (tedy ve všech ostatních mimo mléčné žlázy) je
galaktosa přenášena na N-acetylglukosamin, čímž vzniká N-acetyllaktosamin, který je
komponentou již výše zmíněných glykoproteinů.
D) Galaktosemie
Chyběním různých enzymů účastnících se metabolismu galaktosy – nejčastěji se jedná o
uridyltransferasu, méně často o galaktokinasu, či epimerasu – vznikají onemocnění nazývaná
galaktosemie.
Kvůli chybění enzymů, dochází ve tkáních k hromadění galaktosy a galaktosa-1-P. Tyto látky pro
svou strukturní podobnost s glukosou a fruktosou ovlivňují metabolismus těchto sloučenin. Dále
hromaděním galaktosy v těle dochází k přeměně galaktosa→galaktikol, přičemž vzniklý galaktikol
může způsobovat v oku vznik katarakty.
Galaktosemie jsou nebezpečně především pro novorozence (jejich hlavní zdroj potravy –
mateřské mléko – obsahuje hodně galaktosy), proto se provádí novorozenecký screening, aby
došlo k jejich včasnému zachycení. Pokud není nemoc odhalena, dítě neprospívá, zvrací, nechce
přijímat potravu…
Není-li galaktosemie léčena delší dobu, vede to k poškození jater, ledvin a mozku.
Léčba: restrikce mléka a mléčných výrobků
5.9 Metabolismus glukuronové kyseliny; syntéza L-askorbátu
Kyselina glukuronová je významnou složkou glukosiduronátů a proteoglykanů. U všech
živočichů, kromě člověka, primátů a morčete, je jedním z mezikroků při syntéze vitaminu C (tedy
L-askorbátu).
Naše tělo si ji umí vyrobit z glukosy.
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 50
Po té, co je glukosa fosforalována na glukosa-6-fosfát je fosfát přenesen z polohy 6 do polohy 1,
čímž získáme glukosa-1-fosfát. Tak reaguje s UTP za vzniku UDP-glukosy. UDP-glukosa je
následně dvojnásobně oxidována (z alkoholové skupiny na šestém uhlíky, se nejprve stane
aldehydová skupina a ve výsledku karboxylová skupiona), tato oxidace potřebuje 2 molekuly
NAD+
.
UDP-glukuronát je následně možné využít k syntéze výše zmíněných látek (glukosiduronáty,
proteoglykany), nebo jej začít odbourávat. Odbourávání vede ke vzniku L-gulonátu. Z toho je u
člověka, primátů a morčete postupně vytvořen xylulosa-5-P, který se může zapojit do
pentosového cyklu, u ostatních živočichů je možné L-gulonát přeměnit v L-askorbát, tedy ve
vitamin C.
Podrobněji jsou výše popsané přeměny znázorněny na schématu:
Ke schématu:
Glukosa je postupně přeměněna na glukuronovou kyselinu. Z té se stává kyselina gulonová. U většiny obratlovců se
přeměňuje na L-askrobát, u člověka, primátů a morčete (protože nemají aktivní enzym gulonolaktonoxidázu; viz dále)
dochází k přeměně na xylulosa-5-P. Červená šipka v této přeměně značí, že enzym, který se kroku L-xylulosa→xylitol
účastní, bývá poškozen (nebo úplně chybí), což se projeví jako esenciální pentosurie (nadbytek xylulosy v moči).
L-gulonolaktonoxidáza
Jedná se o enzym nezbytný pro tvorbu vitaminu C (kys. askorbové), který je bohužel neaktivní u
primátů (člověka), morčete, ale i u ryb a ptáků; aktivitu si však zachovává u většiny dalších
skupin živočichů.
U primátů je jeho nefunkčnost způsobena důsledkem ztrátové mutace (kterou zapříčinily buď
volné radikály, nebo virová infekce), která proběhla asi před 25 miliony lety u našeho
předchůdce z podřádu Anthropoidea.
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 51
U morčete došlo k jiné chybě – jeho genom obsahuje jiné zbytky genu pro gulonolaktonoxidázu
než náš. Ke ztrátě genu došlo asi před 20 miliony let.
Kyselina askorbová a její význam
Kyselina askorbová je velmi důležitým antioxidantem, který najdeme především
v polymorfonukleárech, nadledvinách a v oční čočce. Účastní se velkého množství redoxních
reakcí. Její redoxní potenciál se pohybuje okolo nuly (+ 0,08 V), proto může oxidovat kyslík a
cytochromy (a,c). V některých reakcích je nenahraditelná (např. hydroxylace prolinu při
syntéze kolagenu)!
Nedostatek vitaminu C, se projeví jako kurděje (skorbut). Skorbut se projevuje jako následek
zastavení hydroxylace prolinu, čímž dojde k zastavení syntézy kolagenu. Buňky tak nejsou
schopny tvořit kolagen – pokud už nějaký vytváří, je nestabilní, není schopný se agregovat do
více uspořádaných struktur. To se projeví v kvalitě všech tkání – jsou postiženy bazální
membrány, stěny cév, vazy, kosti…
Historie vitaminu C (pro zajímavost)
 1754: James Lind vydává knihu „A Treatise on Scurvy“, v níž navrhuje citrony jako prevenci proti kurdějím
 1761: Východoindická společnost doporučuje používat na svých lodích citrony a pomeranče
 1795: Zavádí se preventivní podávání citronové šťávy na lodích britského válečného námořnictva
 1911: Kazimir Funk přichází 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 byla xeroftalmie (šeroslepost), beri-beri a kurděje, k nim odpovídající hypotetické vitaminy
byly označeny jako A, B, C.
 1928: Albert von Szent-Györgyi izoloval kyselinu askorbovou z papriky (Nobelova cena: 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
5.10 Metabolismus aminocukrů
Glukosa po vstupu do organismu prochází celou řadou metabolických přeměn – v této kapitole
jsme se věnovali glykolýze, GNG, syntéze a odbourávání glykogenu a dalším metabolickým
drahám. Většina z nich vedle k zisku energie.
Nyní se zaměříme na metabolickou dráhu glukosy, jejíž výsledné produkty hrají určitou roli
v buněčné komunikaci, tedy na přeměnu glukosy na aminocukry.
Mluvíme o tzv. hexosaminové biosyntetické dráze (HBP – hexosamine biosynthetic pathway).
Účastní se jí zhruba 1-3% glukosy v těle.
Začátek HBP je stejný jako u glykolýzy – glukosa je fosforylována na glukosa-6-P, který je
následně izomerován na fruktosa-6-P. Od fruktosa-6-P však další reakce probíhají zcela jinak.
Fruktosa-6-P ve své struktuře obsahuje >C=O skupinu22
. Díky ní je možné provést reakci
s glutaminem, který daruje fruktose svůj dusík a přijme od ní kyslík (tím se z něj stane glutamát).
22
Protože metabolismus aminocukrů začíná většinou od fruktosy, která obsahuje >C=O skupinu v pozici 2,
není možné najít dusík (-NH2 skupinu) u aminocukrů v jiné pozici, než v pozici 2.
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 52
Enzym katalyzující tuto reakci se nazývá glutamin:fruktosa-6-fosfát-amidotransferasa, zkráceně
GFAT a patří do skupiny aminotransferas.
Následuje izomerační reakce (přesmyk), při které se z 2-imino-D-fruktosy-6-P stane
D-glukosamin-6-P, který je výchozí látkou pro syntézu mnoho dalších látek.
To, jaké látky mohou vzniknout z glukosaminu naznačuje následující schéma:
Podrobněji se podíváme na reakce vedoucí ke vzniku kyseliny sialové.
Na glukosamin-6-P se připojí acetyl (přes dusík). Následně dojde k epimeraci a poté k připojení
PEP (fosfoenolpyruvátu) za vzniku kyseliny sialové (9 C).
© JN 2009 Kapitola 5 – Metabolismus sacharidů 53