15

15

8.2. GLUKONEOGENEZA

• sinteza glukoze iz nešećernih prekursora:• laktat• aminokiseline• glicerol

mozak, nervno tkivo

mišići

srž bubrega

eritrociti

testisi

potrošačiproizvođači

jetra

kora bubrega

• Glc – glavno metaboličko gorivo • naročito važna za mozak (ne može

da koristi masne kiseline)

• normalno: 4–8 mmol/L• 2–4 mmol/L → hipoglikemija

• sinteza: jetra, bubrezi• glavni potrošači: mozak, mišići

Glukoneogeneza – proces biosinteze glukoze iz nešećernih prekursora – je anabolički put koji je univerzalno prisutan (javlja se u životinjama, biljkama*, gljivama, bakterijama). Kod životinja, zajedno sa glikogenolizom učestvuje u regulaciji sadržaja glukoze u krvi, odn. sprečavanju hipoglikemije. Glukoza je glavno metaboličko gorivo u organizmu. Dnevno se troši oko 160±20 g, od čega 75 % koristi mozak (masne kiseline ne mogu proći kroz krvno-moždanu barijeru, te je izbor goriva koja on može da koristi ograničen). Normalna koncentracija glukoze u krvotoku je 4–8 mmol/L. Kada nivo opadne ispod 2–4 mmol/L, dolazi do ispoljavanja simptoma hipoglikemije – nervoze, drhtanja, tahikardije, znojenja, utrnutosti, glavobolje, mučnine... U ekstremnijim slučajevima nastupaju epileptički napadi i smrt.

Rezerve glukoze u organizmu veoma su ograničene: ~180 g uskladišteno je u vidu glikogena (količina dovoljna za 1 dan) a ~20 g u telesnim tečnostima. Sledi da je za održanje koncentracije glukoze neophodno stalno unošenje ili (u slučaju gladovanja ili intenzivne aktivnosti) sinteza. Kod čoveka, tkiva koja su upravo najveći potrošači glukoze – mozak i mišići – imaju mali potencijal za glukoneogenezu. Umesto toga, sinteza se odvija prvenstveno u jetri (90 %) i bubrezima (10 %); iz ovih organa, glukoza se putem krvotoka dostavlja potrošačima – srcu, mozgu, mišićima, eritrocitima.

*Kod biljaka, glukoza se prvenstveno proizvodi fotosintezom. Međutim, kod klijanja semenja bogatog mastima, kao izvor glukoze služe masne kiseline.

16

16

• funkcije:1) reciklizacija laktata iz mišića i eritrocita (Korijev ciklus)

Glikogen Glukoza Laktat Laktat

Glukoza

Mišići Jetra

6 “ATP”2 ATP

Glc2 Pyr

2 NAD+

2 NADH 4 ATP + 2 GTP + 2 H2O + 2 H+

4 ADP + 2 GDP + 6 Pi

• sumarna reakcija:

2) mobilizacija aminokiselina

3) snabdevanje mozga energijom u slučaju deficita

Mišići Jetra

ATPATPGlukoza

Piruvat

AK

Glukoza

Piruvat

AKproteini

Reakcija se (ukoliko je prekursor piruvat) sumarno može predstaviti sintezom 1 molekula glukoze uz utrošak 2 molekula piruvata, 4 ATP, 2 GTP i 2 NADH, tj. uz utrošak energije. Pritom, utrošak energije veći je nego količina energije koja se dobija anaerobnom razgradnjom (glikolizom) jednog molekula Glc (2 ATP + 2 NADH). Može se postaviti pitanje, zašto organizam troši energiju za proizvodnju molekula koji treba da služi kao izvor energije, i to uz nepovoljan ukupni bilans (utošak 4 molekula energijom bogatih fosfata po 1 molekulu Glc)? Razlozi su višestruki:

1) Ovaj proces omogućava funkcionisanje mišića u uslovima hipoksije, a u sklopu Korijevog ciklusa. Prilikom intenzivnog rada mišića uz nedovoljno snabdevanje kiseonikom, glavnina energije dobijase glikolizom, pri čemu se neophodni NAD+ regeneriše konverzijom piruvata u laktat. Ovaj laktat će se u jetri, koja je dovoljno oksigenovana i stoga nema energetski deficit (proizvodi veliku količinu energije sledom reakcija glikolize, Krebsovog ciklusa i oksidativne fosforilacije), ponovo pretvoriti u Glc i vratiti u mišiće. Na ovaj način je, efektivno, deo opterećenja prebačen sa mišića na jetru, odn. jetra troši svoje rezerve da bi mišićima obezbedila trenutno neophodnu energiju. Laktat je, inače, najznačajniji prekursor u glukoneogenezi.

2) Glukoneogeneza omogućava i konverziju tzv. glukogenih aminokiselina (sve sem Lys i Leu) u šećere, bilo radi deponovanja (u slučaju viška resursa, unetih hranom), bilo u slučaju gladovanja. Naime, glavni izvor Glc pri gladovanju su aminokiseline nastale katabolizmom proteina mišića. One se u jetri konvertuju u Glc koja se dalje prosleđuje u druga tkiva.

3) Na kraju, dok ostatak organizma u slučaju energetskog deficita može koristiti kao izvor energije masne kiseline nastale mobilizacijom masnih naslaga, mozak to nije u stanju jer m.k. ne prolaze kroz krvno-moždanu barijeru. Zbog toga, za potrebe mozga neophodna je produkcija glukoze, koja slobodno prolazi kroz barijeru. Kao prekursori se koriste piruvat, aminokiseline, glicerol (iz lipida), propionat i sl., ali ne i masne kiseline (oksidacijom daju acetil-CoA koji se ne može prevesti u piruvat), U slučaju dugotrajnog energetskog deficita, organizam može konvertovati masne kiseline u formu koju i mozak može da koristi – ketonska tela (aceton, acetoacetat, β-hidroksibutirat) – ali je nagomilavanje ovih jedinjenja u organizmu štetno te se koristi samo u slučaju višednevnog gladovanja.

17

17

Glc

Glc6P

Fru6P

Fru1,6BP

DHAP+G3P

1,3BPG

3PG

2PG

PEP

Pyr

• u citoplazmi• 3 reakcije glikolize ireverzibilne (ΔG<<0)• katalizuju ih:

• heksokinaza• fosfofruktokinaza-1• piruvat kinaza

• bypass reakcije katalizuju:• glukoza-6-fosfataza• fruktoza-1,6-bisfosfataza• fosfoenolpiruvat karboksikinaza

HeksokinazaATPADP+Pi

Fosfofruktokinaza

ATPADP+Pi

Piruvat kinazaATP

ADP

Glc

Glc6P

Fru6P

Fru1,6BP

DHAP+G3P

1,3BPG

3PG

2PG

PEP

Pyr

Glukoza-6-fosfataza

PiH2O

OAA

Fruktoza-1,6-bisfosfataza

PiH2O

PEPCK GTPGDP+CO2

PCATP,HCO3

–ADP,Pi,H+

Kao i glikoliza, i glukoneogeneza se odvija u citoplazmi. Ova dva metabolička puta dele većinu reakcija. Samo su tri reakcije glikolize, katalizovane heksokinazom, fosfofruktokinazom-1 i piruvat kinazom, ireverzibilne (ΔG << 0) i stoga se u glukoneogenezi moraju zaobići bypass reakcijama.

Prve dve ireverzibilne reakcije glikolize, katalizovane heksokinazom i fosfofruktokinazom, predstavljaju reakcije fosforilacije monosaharida uz utrošak energije, i ireverzibilne su jer iz visokoenergetskog fosfata (ATP) nastaje niskoenergetski (Glc6P, Fru1,6BP). Suprotna reakcija, prenos fosfata sa niskoenergetskog na visokoenergetski molekul veoma je nepovoljna i ne odigrava se; umesto toga, fosfatna grupa se sa Glc6P i Fru1,6BP otkida hidrolizom koja je egzergona. Reakcije hidrolize katalizovane su glukoza-6-fosfatazom i fruktoza-1,6-bisfosfatazom.

Zaobilaženje treće reakcije, odn. konverzija piruvata u fosfoenolpiruvat, nešto je komplikovanije.

18

18

O

O

O-

piruvatPyr

piruvat karboksilaza

(PC)

HCO3-

ATPH+, PiADP

O

O

O-

O

O-

oksalacetatOAA

fosfoenolpiruvatkarboksikinaza

(PEPCK)

GTPCO2GDP

O

O

O-

P

O-

O

O-

fosfoenolpiruvatPEP

• Pyr se konvertuje u PEP preko OAA:

• tok r-ja i sudbina OAA zavise od energetskog statusa ćelije:

Pyr

acetil-CoA

OAA

PEP

malo ATP

Pyr

acetil-CoA

OAA

PEP

mnogo ATP

Piruvat se u glukoneogenezu uključuje preko oksaloacetata kao intermedijera, a posredstvom enzima piruvat karboksilaze (PC, EC 6.4.1.1) i PEP karboksikinaze (PEPCK, EC 4.1.1.32). Pritom, pošto se iz energetski siromašnog molekula gradi energetski bogat, troši se jedan molekul ATP i jedan GTP. Oksaloacetat (OAA) je, inače, intermedijer u Krebsovom ciklusu. Njegova sudbina zavisiće od energetskog stanja ćelije – ukoliko ćelija raspolaže viškom energije, Krebsov ciklus je neaktivan a OAA se koristi za proizvodnju glukoze, a ukoliko je deficitarna – OAA učestvuje u Krebsovom ciklusu.

Piruvat koji ulazi u glukoneogenezu može poticati iz različitih izvora: laktata (prosleđuje se iz mišićâ i eritrocitâ u jetru, gde se oksiduje laktat dehidrogenazom), aminokiselina (većina se može prevesti u piruvat direktno ili preko intermedijera Krebsovog ciklusa)... Dodatno, glicerol nastao hidrolizom triacilglicerolâ takođe se može uključiti u glukoneogenezu nakon konverzije u DHAP (nasuprot njemu, masne kiseline se kod životinja ne koriste za sintezu glukoze).

19

19

Regulacija glukoneogeneze

• glavno mesto regulacije glikolize i glukoneogeneze: Fru ⇔ Fru1,6BP

• Fru2,6BP: aktivator FFK a inhibitor Fru1,6BPaze

• ATP: inhibitor FFK a aktivator Fru1,6BPaze

Glc

Glc6P

Fru6P

Fru1,6BP

DHAP+GAld3P

1,3BPG

3PG

2PG

PEP

Pyr

Heksokinaza

Fosfofruktokinaza

Piruvat kinaza

Glukoza-6-fosfataza

OAA

Fruktoza-1,6-bisfosfataza

PEPCK

PC

– Fru2,6BP

+Fru2,6BP + ATP

−ATP

−ATP, Ala

glukagon

–

–glukagon

+ acetil-CoA

Kao i glikoliza, i glukoneogeneza predstavlja jedan od ključnih procesa energetskog metabolizma te je strogo kontrolisana. Pošto glukoneogeneza i glikoliza dele većinu reakcija, ne iznenađuje da su kontrolne tačke ovih puteva iste. Generalno, kada je jedan put aktivan, drugi je isključen, čime se sprečava prazan hod (ciklusi u kojima se troši energija, a ne nastaju korisni produkti, npr. Fru6P →Fru1,6BP → Fru6P →...).

Ključna tačka oba puta je interkonverzija Fru6P⇔Fru1,6BP, koju u glikolizi katalizuje fosfofruktokinaza-1 a u glukoneogenezi – fruktoza-1,6-bisfosfataza. Visok sadržaj ATP (koji signalizira dostupnost energije u ćeliji) alosterno aktivira fruktoza-1,6-bisfosfatazu a istovremeno inhibira fosfofruktokinazu, čime se inhibira proizvodnja energije a aktivira njeno deponovanje. Fruktoza-2,6-bisfosfat (Fru2,6BP), koja se sintetiše iz Fru6P, alosterni je aktivator fosfofruktokinaze a inhibitor fruktoza-1,6-bisfosfataze. U slučaju hipoglikemije, luči se hormon glukagon, koji stimuliše razgradnju Fru2,6BP. Opadanje koncentracije Fru2,6BP usporava glikolizu a aktivira glukoneogenezu u jetri. Sintetisana glukoza se dalje preko krvotoka šalje u druga tkiva.

Visok sadržaj energije (ATP) i metabolita (Ala) inhibira i piruvat kinazu, što dovodi do nagomilavanja fosfoenolpiruvata i njegovog preusmeravanja u glukoneogenezu.

20

20

+sinteza TAG

+sinteza masnih kiselina

+–hidroliza TAG (lipoliza)

+–glukoneogeneza u jetri (pyr→Glc)

–+glikoliza u jetri (Glc→pyr)

+–glikogenoliza u jetri (glikogen→Glc)

–+glikogeneza u jetri (Glc→glikogen)

+ulazak Glc u mišiće i jetruGCGINS

Glc u krvi

GCGINS

Za koordinaciju i prilagođavanje glikolize i glukoneogeneze potrebama organizma, odn. regulaciju koncentracije glukoze u krvi, zadužena su dva hormona pankreasa: insulin i glukagon. Insulin se luči po unosu hrane, i signalizuje dostupnost glukoze. Stimuliše ulazak Glc u većinu tkiva (naročito mišiće i jetru) i proces glikogeneze (deponovanja Glc u glikogen), a istovremeno inhibira razgradnju glikogena (glikogenolizu) jer nema potrebe za mobilizacijom rezervi. Glikoliza, odn. proizvodnja energije, aktivirana je u mišićima i jetri pod dejstvom insulina. Stimulisana je i sinteza masnih kiselina u jetri, koje se dalje transportuju u masno tkivo (adipocite), gde je stimulisana sinteza dugotrajnih rezervi (triacilglicerola).

Dejstvo glukagona suprotno je dejstvu insulina. On ima funkciju da poveća nivo glukoze u krvi u slučaju energetskog deficita. U jetri usporava procese trošenja i deponovanja glukoze (glikolizu i glikogenezu), a stimuliše procese oslobađanja i sinteze (glikogenolizu i glukoneogenezu). Istovremeno, stimuliše i lipolizu, odn. mobilizaciju masnih naslaga iz adipocita.

U slučaju nedovoljne sinteze insulina, grešaka u njegovoj sintezi, ili neodgovarajućeg odgovora na njega, dolazi do obolenja – dijabetesa. Otežan je transport glukoze u ćelije i njena dalja razgradnja i deponovanje u jetri i mišićima. Glikoza se nagomilava u krvi i zatim izbacuje iz organizma urinom. Anabolizam (sinteza triacilglicerola i proteina) je usporen, a katabolizam (trošenje masnih naslaga i razgradnja proteina) ubrzan. Intenzivna oksidativna razgradnja masnih kiselina troši NAD+, zbog čega i Krebsov ciklus usporava a acetil-CoA (nastao razgradnjom masnih kiselina) se nagomilava. Akumulacija acetil-CoA vodi hiperprodukciji ketonskih tela (acetoacetat, β-hidroksibutirat, aceton), što dalje vodi opadanju pH krvi (acidozi), što može biti opasno po život.

21

21

8.3. METABOLIZAM GLIKOGENA

• glikogen – glavni skladišni polisaharid životinja• u jetri (i do 10 % mase jetre)

• osnovna rezerva Glc• regulacija C(Glc) u krvi

O

OOHOH

O

O

OOHOH

O

OOHOH

O

OOHOH

OH

O

OH

OH

O

OOHOH

O

O

OHOH

OH

OH

α(1→4)

α(1→6)

• u mišićima (1–2 %)• izvor energije pri povećanoj aktivnosti

Kao što je već pominjano (3.3.1.), glikogen je glavni skladišni polisaharid životinja, bakterija, gljiva i protista. Omogućava deponovanje velikih količina glukoze – jednog od glavnih izvora energije u organizmu – bez značajnog povećanja osmotskog pritiska ćelije. Glikogen se deponuje u vidu granula, koje predstavljaju komplekse samog polisaharida, enzimâ zaduženih za njegov metabolizam, kao i molekula zaduženih za regulaciju metabolizma.

Najviše se deponuje u jetri, u kojoj može činiti i do 10 % od ukupne mase. Glikogen u jetri osnovna je rezerva glukoze u organizmu, i koristi se za regulaciju koncentracije glukoze u krvi, odn. za snabdevanje drugih tkiva u periodima gladovanja ili između obroka. Međutim, ovaj depo je ograničen, i traje najviše 12–14 h.

Manje količine glikogena skladište se u skeletnim mišićima, gde čini 1–2 % i predstavlja izvor energije pri povećanoj mišićnoj aktivnosti (bilo aerobnoj, bilo anaerobnoj). Zalihe su manje nego u jetri, i pri intenzivnoj aktivnosti utroše se za ~1 h.

22

22

• zašto se energija deponuje u i vidu glikogena a ne samo masti?

Glc

mkciklus TCA

glikoliza ciklus TCA

O2

O2

acetil-CoA

acetil-CoA

ATP

ATP

ATP• glikogen se brže mobiliše

• masti – ne mogu u anaerobnim uslovima

• masti se ne mogu transformisati u Glc koja je neophodna nekim tkivima

• zašto se energija ne deponuje u vidu glukoze?

• C(glikogen) = 0,1 μmol/L C(Glc) = 4 mmol/L; posledice:

• visok osmotski pritisak (Π = C R T)

• transport Glc u ćeliju: nasuprot gradijentu C → utrošak energije

• vezivanje Glc za proteine

Može se postaviti pitanje, zašto se energija deponuje i u vidu glikogena, a ne samo masti? Prvo, glikogen se mnogo brže može iskoristiti za proizvodnju energije, dok se masti mobilizuju nakon najmanje 30 min intenzivne aktivnosti. Dalje, masti ne mogu biti izvor energije u anaerobnim uslovima. Dok se iz glukoze može i pri anaerobnim uslovima procesom glikolize dobiti mala količina energije (2 ATP po molekulu Glc), oksidativna degradacija masnih kiselina (β-oksidacija) zahteva povezivanje sa Krebsovim ciklusom i oksidativnom fosforilacijom. Na kraju, neki organi (mozak, bubrezi) pretežno koriste glukozu kao izvor energije, i ne mogu katabolisati masne kiseline.

Takođe se može postaviti pitanje, zašto je potrebno glukozu deponovati u vezanom obliku, za čiju se izgradnju troši dodatna energija, i iz koga se sporije mobiliše? Koncentracija glikogena u ćeliji je ~0,1 μmol/L. Ukoliko bi se svi molekuli glukoze, vezani u glikogenu, oslobodili, koncentracija glukoze iznosila bi ~4 mmol/L (40 000× više). Ovo bi za posledicu imalo, za početak, veoma visok osmotski pritisak (40 000× viši, budući da on direktno zavisi od koncentracije: Π = C R T), te bi došlo do citolize (bubrenja ćelije i pucanja ćelijske membrane usled ulaska velikih količina vode). Drugo, ukoliko bi C(Glc) u ćeliji bila visoka, transport dodatnih količina u ćeliju bio bi veoma nepovoljan proces (transport nasuprot gradijentu koncentracije) i zahtevao bi utrošak velikih količina energije. Na kraju, velike količine glukoze mogu rezultovati i građenjem kompleksa sa nekim proteinima, što bi moglo narušiti njihovu funkciju.

23

23

P│

P│

P│

P│

8.3.1. Glikogenoliza

O

OOH

OH

OH

OH

O

O

OH

OH

OH

O

OOH

OH

OH

PO-

O

OH

O-

O

OOH

OH

OH

OH

P

O-

O

O-

O

O

OH

OH

OH

O

OOH

OH

OH

OH

glikogen fosforilaza

• = razgradnja glikogena• glikogen fosforilaza: raskida α1→4 glikozidne veze• samo na neredukujućem kraju• Glcn → Glcn–1 + Glc1P• α1→6 veze – ne može

1→4 1→4 1→4 1→41→6

1→4 1→4 1→4 1→4 1→4 1→4

• 4-α-D-glukantransferaza prenosi preostalu Glc3 na drugi lanac• amilo-α-1,6-glukozidaza uklanja α1→6 vezanu Glc

P│1→4 1→4 1→4

1→4

...

Dva metabolička puta vezana za glikogen su glikogenoliza (katabolički) i glikogeneza (anabolički put).Glikogenoliza je proces razgradnje glikogena odn. oslobađanja Glc iz depoa. Odvija se pod dejstvom enzima iz grupe transferaza – glikogen fosforilaze (EC 2.4.1.1) – koji raskida α1→4 glikozidne veze. Glikogen fosforilaza raskida samo vezu između glukoze sa neredukujućeg kraja i ostatka lanca, pri čemu nastaje Glc1P. Pri fiziološkim koncentracijama Pi reakcija je egzergona i ne zahteva utrošak energije (mada je i dalje toliko spora da zahteva enzimsku katalizu). Nastala Glc1P se fosfoglukomutazom prevodi u Glc6P, koja se uključuje u glikolizu*.

Glikogen fosforilaza ne deluje na razgranate lance, te razgradnja prestaje kada se enzim približi α1→6 vezanoj Glc. Da bi reakcija mogla dalje da teče, drugi enzim – 4-α-D-glukantransferaza (EC 2.4.1.25) –prenosi preostalu α1→6 vezanu Glc3 jedinicu na neredukujući kraj drugog lanca. Preostali α1→6 vezani ostatak Glc odvaja se trećim enzimom – amilo-α-1,6-glukozidazom, čime se od razgranatog formira linearni polimer, i razgradnja dalje teče neometano. Inače, kod sisara su poslednja dva enzima deo jednog multifunkcionalnog enzima** – glycogen debranching enzyme.

Potreba za razgranatošću glikogena (u odnosu na linearnu amilozu i manje razgranat amilopektin) može se opravdati većim energetskim potrebama životinja. Razgranati polimer ima više neredukujućih krajeva, i moguće je istovremeno otkidanje većeg broja molekula Glc, čime se broj oslobođenih molekula Glc u jedinici vremena povećava.

Glikogenoliza je hormonski regulisana. Glukagon (koji signalizira deficit Glc) i epinefrin (luči se kao odgovor na strah, bes i sl.) dovode do fosforilacije glikogen fosforilaze, čime se ona aktivira. Insulin (koji signalizira dostupnost Glc), s druge strane, defosforiluje i deaktivira glikogen fosforilazu.

* Napomena: pošto se u ovom slučaju za sintezu Glc6P ne troši ATP, u glikolizi će sumarno nastati 3 ATP (umesto uobičajenih 2).** multifunkcionalni enzimi poseduju više aktivnih centara te mogu da katalizuju više različitih reakcija

24

24

8.3.2. Glikogeneza

• prekursor: aktivirana Glc (UDP-Glc)

Glc6PFosfoglukomutaza

Glc1PUDP-glukoza pirofosforilaza

UTP PPi

UDP-Glc

2 Pi

H2O čini reakciju egzergonom

• UDP-Glc reaguje sa Glcn lancem uz transfer Glc na neredukujući kraj:

UDP-Glc + Glcnglikogen sintaza

UDP + Glcn+1

• prethodno se mora formirati prajmer Glcn, n = 4–8• grananje:

1→4 1→4 1→4 1→4 1→4 1→4 1→4 1→4

enzim grananja

1→4 1→4 1→4 1→4

1→4 1→4 1→4 1→6

Glikogeneza predstavlja proces izgradnje glikogena od monomera – glukoze. Reakcija direktnog povezivanja dva molekula glukoze (Glc + Glc → Glc2 + H2O) je endergona, i neophodno je učiniti je energetski povoljnom kuplovanjem sa visokoegzergonom reakcijom (konkretno: hidrolizom UTP). Glukoza-6-fosfat, nastao fosforilacijom glukoze iz hrane ili proizveden u glukoneogenezi, fosfoglukomutazom (EC 5.4.2.2) se prevodi u Glc1P, na koju se pod dejstvom UDP-glukoza pirofosforilaze (EC 2.7.7.9) prenosi uridil-monofosfatni ostatak, gradeći UDP-glukozu. Pokretačka sila za ovu reakciju je visokoegzergona reakcija hidrolize nastalog difosfata (PPi). Sumarno, za aktivaciju Glc troše se dva ATP ekvivalenta – UTP i PPi.

Fosfoestarska veza u UDP-Glc je bogata energijom i čini anomernu OH grupu reaktivnijom. Pod dejstvom enzima glikogen sintaze (EC 2.4.1.11), UDP-Glc reaguje sa poliglukoznim lancem (Glcn) uz transfer Glc na neredukujući kraj lanca i oslobađanje UDP (raskidanje energijom bogate fosfoestarske veze čini reakciju energetski povoljnom). Treba napomenuti da glikogen sintaza ne može direktno povezati dva slobodna molekula Glc - za reakciju je neophodno prethodno postojanje kraćeg Glcn lanca – prajmera – koji nastaje pod dejstvom posebnog enzima – glikogenina (EC 2.4.1.86). Prajmer nakon sinteze ostaje vezan za glikogenin, koji dakle predstavlja jezgro svake granule glikogena.

Razgranata struktura glikogena nastaje pod dejstvom amilo-α(1:4)→α(1:6)transglikozilaze, tzv. enzima grananja (EC 2.4.1.18), koji deo lanca otkida i prenosi ga na jednu od unutrašnjih Glc jedinica uz formiranje α(1→6) veze.

25

25

• = ciklus limunske kiseline, ciklus trikarboksilnih kiselina, TCA ciklus

• kod aerobnih organizama

• Krebsov ciklus + oksidativna fosforilacija → vezana energija (ATP)

gorivo CO2

O2 H2O

ADP + Pi ATP

• mnogo više energije od anaerobne degradacije

• amfibolička funkcija:

• katabolizam: C2-jedinica → CO2

• anabolizam: izvor prekursorâ

• u matriksu mitohondrija

~ 9. KREBSOV CIKLUS ~

Kod aerobnih organizama u aerobnim uslovima, samo mali deo energije dobija se glikolizom. Umesto toga, ovaj put služi samo za pripremu glukoze za centralni metabolički ciklus – Krebsov ciklus (ciklus trikarbonskih kiselina, ciklus limunske kiseline, ciklus TCA). Ovaj ciklus kuplovan je sa elektron-transportnim nizom i omogućava proizvodnju energije u procesu oksidativne fosforilacije.

Krebsov ciklus predstavlja krajnji aerobni put oksidativne degradacije organskih molekula (metaboličkog goriva) do CO2. Elektroni preuzeti sa organskih molekula prenose se na O2, gradeći H2O, uz oslobađanje velike količine energije. Energija dobijena ovim procesom mnogo je veća nego u slučaju anaerobne degradacije (npr. oksidacijom jednog molekula Glc u glikolizi dobijaju se 2 ATP, a u Krebsovom ciklusu i oksidativnoj fosforilaciji – oko 30).

Krebsov ciklus ima amfiboličku funkciju. S jedne strane, omogućava konačnu razgradnju organske materije (C2-jedinica, acetil-CoA, prevodi se u metabolički otpad – CO2) uz produkciju energije. S druge strane, intermedijeri ovog ciklusa predstavljaju prekursore u mnogim biosintetskim putevima(uklj. biosintezu aminokiselina).

Ciklus se u potpunosti odvija u mitohondrijama, tačnije u matriksu i na površini unutrašnje membrane.

26

26

Piruvat

Acetil-CoA

Citrat

[cis-Akonitat]

Izocitrat

[Oksalosukcinat]

α-KetoglutaratSukcinil-CoA

Sukcinat

Fumarat

Malat

Oksaloacetat

AkonitazaH2O

Akonitaza H2O

Izocitratdehidrogenaza

NAD+

NADH

Izocitratdehidrogenaza

CO2α-KGdehidrogenaza

CoA-SH + NAD+NADH + CO2

Sukcinil-CoAsintetaza

GDP + Pi

GTP + CoA-SH

Sukcinatdehidrogenaza

FADH2

FAD

FumarazaH2O

Malatdehidrogenaza

NADH

NAD+

CoA-SH, NAD+

NADH Piruvat dehidrogenaza

CoA-SHH2O

Citrat sintaza

Ciklus čini 10 enzimski katalizovanih reakcija. Kao što se može videti, u reakciju ulaze acetil-CoA (nastala iz piruvata) i oksaloacetat, koji se nakon završene oksidacije acetil-CoA regeneriše.

27

27

Piruvat

Acetil-CoA

Citrat

[cis-Akonitat]

Izocitrat

[Oksalosukcinat]

α-KetoglutaratSukcinil-CoA

Sukcinat

Fumarat

Malat

Oksaloacetat

COOH

COOH

COOH

OH

COOH

COOH

COOH

COOH

COOH

COOHOH

COOH

COOH

COOH

O

COOH

COOH

O

COOH

SCoA

O

COOH

HOOC

COOH

HOOC

COOH

HOOC

OH

COOH

HOOC

O

Faza ulaska

Oksidativnafaza

Regenerativnafaza

Može se podeliti u 3 faze: fazu ulaska, oksidativnu i regenerativnu fazu. U fazi ulaska, dolazi do dekarboksilacije piruvata (C3→C2) po dejstvom kompleksa piruvat dehidrogenaze. Kompleks piruvat dehidrogenaze sastoji se od 3 enzima – piruvat dekarboksilaze (EC 1.2.4.1), dihidrolipoil transacetilaze (EC 2.3.1.12) i dihidrolipoil dehidrogenaze (EC 1.8.1.4) – i 5 koenzima (TPP, lipoična kiselina, CoA, FAD, NAD+). Nastala aktivirana C2 jedinica (acetil-CoA) kombinuje se sa C4intermedijerom ciklusa (oksaloacetatom) dajući seriju trikarboksilnih kiselina (otuda jedan od naziva ciklusa).

U oksidativnoj fazi dolazi do oksidacije ovih trikarboksilnih kiselina, uz prenos elektrona na odgovarajuće koenzime (NAD+) i dekarboksilaciju. U ovom koraku, organska materija koja je ušla u ciklus (acetil-CoA) potpuno je razložena do CO2, uz deponovanje oslobođene energije u vidu redukovanih koenzima (NADH).

U trećoj, regenerativnoj fazi, nastale C4-kiseline transformišu se ponovo u oblik koji može da deluje kao akceptor C2 – oksaloacetat. U ovoj fazi se takođe oslobađa izvesna količina energije, vezane u vidu GTP, NADH i FADH2.

28

28

• bilans ciklusa TCA:

acetil-CoA 2 CO2

3 NAD+

3 NADH + 3H+ FADH2

FAD

GTP

GDP + Pi

CoA-SH

2 H2O

Acetil-CoA

Citrat

[cis-Akonitat]

Izocitrat

[Oksalosukcinat]

α-KetoglutaratSukcinil-CoA

Sukcinat

Fumarat

Malat

Oksaloacetat

Izocitratdehidrogenaza NADH

α-KG dehidrogenazaNADH

Sukcinil-CoAsintetaza

GTP

Sukcinatdehidrogenaza

FADH2

Malatdehidrogenaza

NADH

• C2 jedinica prevodi se u CO2

• u 4 r-je: 4 molekula redukovanih koenzima (3 NADH + FADH2)

•u jednoj r-ji: visokoenergetski fosfat (GTP)

• bilans glikolize + ciklusa TCA:

Glc + 2 H2O + 10 NAD+ + 2 FAD + 4 ADP + 4 Pi →

6 CO2 + 10 NADH + 6 H+ + 2 FADH2 + 4 NTP

Sumarno, u Krebsovom ciklusu C2 jedinica koja je ušla u ciklus (acetil-CoA) prevodi se u CO2. U ukupno 4 reakcije oksidacije nastaju molekuli redukovanih koenzima (FADH2

* + 3 NADH), a samo u jednoj se energija direktno proizvodi u vidu energijom bogatog fosfata – GTP. Međutim, redukovani koenzimi će u sledećoj fazi – oksidativnoj fosforilaciji – biti upotrebljeni za sintezu najveće količine energije (~2,5 ATP iz svakog NADH i ~1,5 ATP iz svakog QH2).

U slučaju aerobnog katabolizma glukoze, zaključno sa Krebsovim ciklusom, od jednog molekula Glc dobija se 12 molekula redukovanih koenzima (10 NADH, 2 FADH2) i 4 molekula nukleozid-trifosfata (ATP, GTP).

*koji se reoksiduje koenzimom Q, uz nastajanje QH2

29

29

Piruvat

Acetil-CoA

Citrat

[cis-Akonitat]

Izocitrat

[Oksalosukcinat]

α-KetoglutaratSukcinil-CoA

Sukcinat

Fumarat

Malat

Oksaloacetat

Glc, Gal, Fru, Man, glicerol

masne kiseline

Ala, Gly, Thr, Cys, Ser

Leu, Ile, Lys, Phe, Tyr, Trp

Arg, His, Pro, Gln, GluIle, Val, Thr, Met

Asn, Asp

Tyr, PheTyr

hem, hlorofil, B12

terpeni, steroidi

nukleotidi

nukleotidi

Pored glikolize, i drugi metabolički putevi ulivaju se u Krebsov ciklus – on predstavlja konačnu fazu katabolizma glavnih hranljivih materija: proteina, lipida i ugljenih hidrata. Masne kiseline se procesom β-oksidacije prevode u acetil-CoA, dok se aminokiseline razgrađuju do piruvata, acetil-CoA, α-KG, sukcinil-CoA, OAA ili fumarata. S druge strane, neki od intermedijera ciklusa mogu biti i prekursori u biosintezi različitih biomolekula – ugljenih hidrata, osapunjivih i neosapunjivih lipida, proteina...

30

30

• = respiratorni niz (lanac)

• kod eukariota: ATP se proizvodi koristeći energiju koja se oslobađa pri transportu e- na krajnji akceptor – O2

• čine ga 4 enzimska kompleksa u unutrašnjoj membrani mitohondrija

~ 10. OKSIDATIVNA FOSFORILACIJA ~

Finalna faza energetskog metabolizma aerobnih organizama je oksidativna fosforilacija, koja se odvija na elektron-transportnom (respiratornom) nizu, a koga čine 4 (+1) enzimska kompleksa smeštena u unutrašnjoj membrani mitohondrija. ATP se kod eukariota predominantno proizvodi koristeći energiju oslobođenu pri transportu elektronâ sa redukovanih koenzima na krajnji akceptor – O2 – pri čemu se formira protonski gradijent. Pri vraćanju protona niz gradijent koncentracije oslobađa se energija koja se koristi za pokretanje reakcije ADP + Pi → ATP.

31

31

• Kompleks I• NADH:CoQ oksidoreduktaza (NADH dehidrogenaza)• NADH → NAD+

• 2 e– se prenose na CoQ → ispumpavanje 4 H+

matriks membrana međumemb.prostor

NADHNAD+

QQH2

4 H+

• Kompleks II• sukcinat:CoQ oksidoreduktaza (sukcinat dehidrogenaza) • sukcinat → fumarat• 2 e– se prenose na CoQ

sukcinatfumarat

QQH2

• Kompleks III• CoQ:citohrom c oksidoreduktaza• 2e– sa QH2 na 2 cyt c → ispumpavanje 4 H+

Q

2 Cyt Cred 2 Cyt Cox 4 H+

• Kompleks IV• Citohrom c oksidaza• 2e– sa 2 Cyt Cox redukuju ½ O2 → ispumpavanje 4 H+

2 H+½ O2 H2O

QH2

Elektron-transportni niz čine 4 kompleksa. Kompleks I (NADH dehidrogenaza) oksiduje NADH poreklom iz glikolize, Krebsovog ciklusa, oksidacije masnih kiselina i sl. do NAD+, pri čemu se 2 elektrona prenose na koenzim Q* (CoQ). Energija koja se oslobađa prilikom ove oksidacije (transfera elektrona) koristi se za ispumpavanje protona iz mitohondrijalnog matriksa u međumembranski prostor. Po 2 preneta e– ispumpavaju se 4 H+.

Kompleks II (sukcinat dehidrogenaza) zapravo je enzim Krebsovog ciklusa. Na njemu se sukcinat oksiduje do fumarata, pri čemu se 2 e– prenose takođe na CoQ. Oslobođena količina energije je mala i nedovoljna za ispumpavanje H+.

Redukovani koenzim Q (QH2), nastao na kompleksima I i II, prenosi elektrone na kompleks III (CoQ:citohrom c oksidoreduktazu). Kompleks III prenosi 2 e– sa jednog molekula QH2 na 2 molekula citohroma C**, pri čemu se Q regeneriše. Energija oslobođena pri transferu 2 e– dovoljna je za ispumpavanje 4 H+ u međumembranski prostor.

Konačno, na kompleksu IV (citohrom c oksidazi) elektroni se prenose sa cyt cox (nastalog na kompleksu III) na O2 kao konačni elektron-akceptor. Ukupno 4 e– odn. 4 cyt cox potrebna su za redukciju jednog molekula O2

*** do H2O. Ponovo, energija oslobođena transferom 2 e– koristi se za ispumpavanje 4 H+.

* CoQ je zahvaljujući dugom hidrofobnom repu vezan za mitohondrijalnu membranu, i slobodno se kreće njenom površinom, prenoseći elektrone sa jednog kompleksa na drugi.** Sposobnost CoQ da razmenjuje 1 ili 2 e– omogućava mu da prenosi e– sa dvoelektronskih koenzima (NADH, FADH2) na jednoelektronski (hem)*** Ova reakcija razlog je zašto je aerobnim organizmima potreban O2

32

32

ATP sintaza

• ispumpavanje H+ iz matriksa u međumembranski prostor → elektrohemijski gradijent

• H+ se niz gradijent vraćaju u matriks kroz ATP sintazu

• oslobođena energija → sinteza ATP iz ADP i Pi

H+

H+

H+

matriks membrana međumemb.prostor

ADPPi ATP

FOF1H+

H+out + ADP + Pi ⇔ H+

in + ATP

• 3–4 transportovana H+ → 1 ATP

Kompleksi I, III i IV ispumpavaju (aktivno transportuju) H+ iz matriksa u međumembranski prostor, što dovodi do formiranja elektrohemijskog gradijenta (gradijenta koncentracije i naelektrisanja) –koncentracija H+ i pozitivno naelektrisanje veći su u međumembranskom prostoru nego u matriksu. Ovi uslovi favorizuju spontan (ΔG << 0) povratak H+ u matriks, niz gradijent. Ovaj transport je mogućjedino kroz kompleks V – ATP sintazu. ATP sintaza je aktivni transporter – ATPaza F-tipa. Ovaj enzim ponaša se kao molekulski motor odn. turbina – prilikom prolaska H+ kroz FO podjedinicu*, dolazi do njene rotacije. Rotacija dovodi do konformacionih promena u F1, što na kraju rezultuje sintezom ATP iz ADP i Pi. U proseku se po 3–4 ispumpana H+ sintetiše 1 molekul ATP.

Procesom oksidativne fosforilacije (na respiratornom nizu i ATP sintazi) produkuje se najveći deo energije u organizmu eukariota. U slučaju katabolizma glukoze, po 1 molekulu Glc proizvodi se ukupno 30 molekula ATP (ranije procene: 30–38), što je mnogo više od količine dobijene samo glikolizom (2 ATP).

* FO (oligomicin-vezujuća podjedinica), ne F0