Metabolizm glukozy

Wszystkie reakcje metaboliczne rozkładające związki organiczne z uwolnieniem energii to reakcje kataboliczne, głównie rozkładane są węglowodany, ale też białka niebudulcowe i nie enzymy, tu uwalnia się amoniak, dzieje sie tak tylko w głodzonym organizmie i tłuszcze. Glukoza to główny węglowodan metabolizowany w naszych ciałach, obok niej człowiek pobiera z pokarmem rybozę, fruktozę, disacharydy jak laktozę, sacharozę, wielocukry jak skrobię. Wstępna degradacja cukrów zaczyna się w jamie ustnej przy udziale amylozy slinowej, w jelicie cienki właściwe trawienie odbywa się przy udziale amylazy trzustkowej, amylaza slinowa rozcina wiązanie 1,4 alfa glikozydowe. Absorbcja z jelit do krwi odbywa sie przy udziale jonów Ca, na zasadzie wymiany z jonami np. Na-antyport. Rceptory GLUT odpowiadają za wchłanianie glukozy do krwi i tkanek, jako jedyna glukozaprzenika przez barierę krew-mózg i stanowi jedyne źródło energii dla centralnego układu nerwowego i erytrocytów, czerwonych krwinek. Komórkowy metabolizm glukozy to oddychanie komórkowe, czyli utlenianie cząsteczki glukozy do CO2 i H2O.
Ludzie magazynują węglowodany w postaci glikogenu, podstawowy związek energetyczny to glukoza, wszystkie cukry są do niej rozkładane, glikogen to łańcuch z wielu cząsteczek glukozy, glukozę krew rozprowadza po organizmie i do komórek tam jest utleniana do CO2 i H2O i uwalnia się energia w postaci wiązań ATP. Cały proces ma 3 etapy:
glikolizę w cytoplazmie komórki;
reakcje cyklu kwasu cytrynowego w matrix mitochondriów;
łańcuch oddechowy na grzebieniach mitochondrialnych.
Glikoliza dostarcza niewiele cząsteczek ATP, ale powstają NADH+H+i FDH2 (dinukleotyd flawinoadeninowy) tu glukoza jest uaktywniana przez ATP (adenozynotrójfosforan), zachodzi tu 11 reakcji chem. Jest to główna droga przemiany glukozy w komórce, dzięki niej komórka uzyskuje energię i wiele niezbędnych do funkcjonowania metabolitów.
Łańcuch oddechowy zachodzący na grzebieniach mitochondrialnych - glukoza+Pi (nieorganiczny kwas ortofosforowy)=glukozo-6-fosforan+H2O, reakcja ta zachodzi z inną reakcją egzoergiczną, czyli rozpadu ATP do ADP i fosforanu, potem jest izomaryzacja aldozowo-ketozowa, powstaje fruktozo-6-fosforan, zostaje ufosforylowany przez fozfofruktokinazę I do fruktozo-1,6-bisfosforanu fosfor powstaje z rozpadu ATP, fruktozo-1,6-bisforan aldaza rozkłada na fosfodihydroksyaceton i aldehyd trójfosfoglicerynowy, izomeraza fosfotriozowa izomeryzuje fosfodihydroksyaceton do aldehydu 3-fosfoglicerynowego, aldehyd przy udziale dehydrogenazy gliceraldehydo-3-fosforanowej utlenia się do 1,3-bifosfoglicerynianu, kofaktor to NAD+, bierze tu udział Pi, powstaje NADH, kinaza fosfoglicerynianowa przy udz. ADP katalizuje fosforylacje oksydacyjną: 1,3-bifosfoglicerynian odłacza fosfor, dostaje go ADP, jest ATP i w 3-fosfoglicerynian. Mutaza fosfoglicerynianowa przekształća go w 2-fosfoglicerynian, enolaza przy udzi jonów magnezu odłącza cząsteczkę wody, powstaje fosfoenolopirogronian, reakcje hamuje nadmiar fluoru, kinaza pirogronianowa odłącza P od fosfoenolopirogronianu i daje go na ADP, powstaje pirogronian i ATP, enolowy pirogronian samoistnie izomeryzuje do formy ketonowej, przyłącza się koenzym A Co-A, powstaje AcetyloCo-A. Tu powstają 4 cząsteczki ATP, ANADH+H+, 2 cząśteczki ATP idą na dalsze reakcje, 2 to zysk energetyczny. Pirogronian idzie do mitochondrium zaczyna się cykl Krebsa (kwasu cytrynowego).
Kolejny etap to cykl Krebsa zachodzi w matrix, macierzy mitochondriów. Cykl Krebsa inaczej cykl kwasu cytrynowego, pirogronian ulega dekarboksylacji-odłaczeniu CO2, powstaje NADH+H+ i dwuwęglowa reszta acetylowa, podekarboksylacji zostaje kwas octowy, reszta acetylowa przyłącza się do koenzymu A, powstaje Acetylo-Co-A, wodór łączy się  z gr OH z koenzymu powst. wysokoenergetyczne wiązanie, Acetylo-Co-A łączy się ze szczawiooctanem, to cykl zamknięty, powstają 3 cząsteczki NADPH+H+ i FADH2 oraz GTP-guanozynotrójfosforan równoważny z ATP i 2 CO2, tu oidpływają produkty pośrednie potrzebne do syntezy aminokwasów i kwasów tłuszczowych: kwas izocytrynowy, szczawiooctowy, cytrynowy, bursztynowy, jabłkowy, alfa ketogrlutarany, głównymi substratami do ich powstania śą Acetylo-Co-A i szczwiooctan powstały w tymże cyklu, Acetylo-Co-A+szczawiooctan przy udziale syntazy cytrynianowej daje cytrynyloCo-A, rozpada się na koenzym A i kwas cytrynowy, który uwalniany jest do wodnego środowiska matrix, tu akonitaza odłącza cząsteczkę wody, powstaje cis-akonitan, on jest uwodniony przy 2 atomie węgla, cytrynian jest przy 3, powst. izocytrynian, dehydrogenaza izocytrynianowa utlenia go do szczawiobursztynianu, jest to beta ketokwas, ulega on dekarboksylacji do CO2 i alfa ketoglutaranu, tu kofaktorem jest Mn2+ lub Mg2+. A ketoglutaran ulega dekarboksylacji oksydacyjnej przy udziale kompleksu dehyrogenazy alfa ketoglutaranowej, alfa ketoglutaran łączy się z pirofosforanem, zred kwas liponowy utlenia się a NAD+ jest zred. do NADPH, kwas lipolowy łaczy się z produktem połączenia alfa ketoglutaranu z pirofosforanem, powstaje lipoilobursztynian (kwas sukcynyloliponowy), tu powstaje bursztynian, w następnej reakcji powst. bursztynian, który łączy się z Co-A, powstaje BursztynyloCo-A. Fosforylacja substratowa to proces gdzie do kwasu sukcynylolipolowego dołącza się Co-A, powstaje sukcynylo-Co-A, potem jest zamiana koenzymu na resztę fosforanową, powstaje bursztynylofosforan, fosforan jest przenoszony na ADP, powstaje bursztynien, zostaje koenzym A i ATP, dehydrogenaza bursztynianowa, która jest kompleksem przenosnika elektronów odłącza proton od bursztynianu, powstaje fumaran, do fumaranu przyłącza się cząsteczka wody, powstaje L-jabłczan, reakcję katalizuje fumaraza, dehydrogenaza jabłczanowa utlenia go do szczawiooctanu, następuje jego odtworzenie, może on przyjąć resztę acetylową. Utlenianie glukozy zachodzi z udziałem tlenu cząsteczkowego pochodzącego z oddychania-wymiany gazowej. W mięśniach mozliwa jest fermentacja beztlenowa do kwasu mlekowego. Podsumowując 1 cząsteczka glukozy przechodiz w 2 cząsteczki pirogronianu, powstają 2 cząsteczki NADH, trafiają one na łańcuch oddechowy. Produkty pośrednie jak kwasy organiczne służą do syntezy aminokwasów np. kwas alfaketoglutarowy jest przekształcany w kwas glutaminowy, szczawiooctowy w asparaginowy, cytrynowy w kwasy tłuszczowe.
Fosforylacja substratowa to tworzenie cząsteczek ATP z ADP i fosoranu nieorg. Pi przy udziale energii wydzielająćej się w wyniku wewnętrznej reorganozacji cząsteczki związku organicznego, której poziom energetyczny spada, wysokoenergetyczny substrat+ATP pod wpływem enzymów staje sie wysokoenergetycznym produktem syntezy ATP. Kwas
1,2-difosfoglicerynowy ma 2 wiązania, reorganizacja polega na tworzeniu kwasu trójfosfoglicerynowego i ATP, z niego powstaje pirogronian i ATP. W cyklu Krebsa powst. bursztynylo-Co-A rozpada się wiązanie jest kwas brusztynowy i GTP, ATP powst. w łańcuchu iodechowym to fosforylacja oksydacyjna-synteza ATP kosztem E wyzwolonej w czasie przenoszenia E- i H+ przez układ nośników na tlen. Łańcuch oddechowy odbywa się na grzebieniach mitochondrialnych, polega na przenoszeniu elektronów i protonów przez kolejne nosniki, elektrony idą z NADH do tlenu przy udziale kompleksu dehydrogenazy NADPH, ma mononukleotyd flawiniowy FNM i 2 centra żelazowo-siarkowe, FNM przyjmuje e-, kieruje je na Fe-S, odbiera je Fe, elektrony idą na ubichinon, powstaje ubichinon, e- idą na FAD, potem koenzym Q, potem do kompleksu cytochromów, z cytochromu bc1, ca1 itd. cytochromy to białka uczestniczące w transporcie elektronów i protonów, idzie na cytochrom c, na oksydazę cytochromową, IV kompleks cytochromów, jego blokuja jony cyjankowe, NADH i FADH2 to przenosniki atomów wodoru, przenoszą je z zewnętrznej błony grzebieni mitochondrium na wewnętrzną. W błonach grzebieni sa przenośniki, którymi e- płyną, maja one możliwość zmiany stopnia utlenienia, przepływ warunkuje utlenienie 1 przenośnika i redukcja 2, to reakcje redox warunkuja przepływ e-. O transporcie elektronów decyduje potencjał redox, im wyższa jego wartość tym łatwiejszy przepływ e-. Przenośnikileżą szeregowo wg. rosnącego potencjału redox, ostani akceptor e- i H+ to O2, przyjmuje elektrony i protony, ulega redukcji do H2O-elektrony idą na atom miedzi, potem na tlen, pwostaje cząsteczka wody. Przepływ elektronów warunkuje też przepływ protonówsteżęnie na zewnąrz jest większe niż wewnątrz, ale one wracają do matrix, mają dużą E kinetyczną, przepływ ją uwalnia, wiązana jest w ATP, porcja E zależy od utlenianego związku, z NADH powst. 3 cząsteczki ATP, z FAD2 2 ATP, synteza ATP ma kilka częściw wastwie lipidowej błony mitochondrialnej jest zanurzony białkowy rotor, na końcu ma wyrostek w kształcie grzybka, obraca się razem z wyrostkiem, 1 obród daje syntezę 1 cząsteczki ATP, w dolnej części rotora jest kanał, którym oprzemieszczają się protony z matrix na zewnątrz i odwrotnie, e- tracą E przy przejściu przez nośnik, H+ też ją tracą, na grzybkowatych wyrostkach są białka syntetyzujące ATP, układ przenośników warunkuje przepływ e- z jednego nośnika na drugi, tracą e- E, ATP ja akumuluje, H2 ulegaja jonizacji do H+.
2H=2H++2e-
1/2O+e-=O2--jon tlenkowy
O2-+2H+=H2O-woda metaboliczna
Atomy wodoru odrywają się od substratów i łączą z NAD i FAD to dehydratacja, w produkcji są ATP są 3 etapy:
1.utl. związków org. powstałe produkty idą na nośniki e- i H+,
2 transport e- w łańcuchu oddechowym po obu stronach wewnętrznej błony mitochondiarlnej,
3. przepływ protonów po obu stronach błony, 1 obrót daje 1 cząsteczkę ATP.
Glukoza wchłania się z jelita cienkiego do krwiobiegu zachodzi na zasadzie wymiany z jonami np. sodu, jest to antyport, czyli wymiana zgodna z gradientem stężeń, większe stężenie glukozy jest w jelicie, mniejsze we krwi, więc glukoza przenika na zasadzie wymiany z jonami sodu, główny spożywany cukier to dwucukier-sacharoza, złożona z cząsteczki glukozy i fruktozy, jej trawienie polega na przecięciu wiązania pomiędzy nimi, ale do tego wsytarczy hydroliza w wodzie. GLukoza i fruktoza przenikają do krwi, fruktoza płynie do wątroby, gdzie jest izomeryzowana do glukozy i ona wnika do komórek. Receptory glukozy w jelitach dzaiłają przy udziale jonów wapnia. do wchłąniania glukozy z krwi do komórek jest insulina, po posiłku gdy glukoza przenika do krwi, rośnie jej stężenie, dociera ona do trzustki, przenika do komórek beta, tu jest synteza ATP, rośnie stęż. cząsteczek ATP, zamykają sie kanały potasowe, jest depolaryzacja błony komórkowej, któa prowadzi do otwarcia kanałów wapniowych, jest egzocytoza insuliny. Insulina ma 2 łańcuchy polipeptydowe L i B połączone mostkami disiarczkowymi, jej prekursorem jest proinsulina. Insulina powstaje w komórkach beta trzustki, synteza polipeptydu odbywa się w rybosomach szorstkiej siateczki śródplazmatycznej, jest to preproinsulina, jej sekwencja umozliwia związanie z receptorem na błonie ER i transport do cysterny aparatu Gholgiego, pączkoanie błon siateczki daje odłączenie proinsuliny, która wnika do wnętrza cysterny, tu jest dołączenie peptydu C i wolnych aminokwasów, powstaje insulina, ona jest magazynowana w komókach beta na wyspach Langerhansa, uwalniana po wniknięciu do nich glukozy. Insulina umozliwia wnikanie glukozy do komórek ciała, wiąże się z receptorami insulinowymi,  zmienia się konformacja białek GLUT, które przyłączają cząsteczki glukozy, do białek GLUT przyłaczają sie jony wapnia, jest transport glukozy. Antagonistycznie do insuliny działa glukagon, powstaje w komórkach alfa trzustki.Insulina powoduje wchłanianie glukozy do komórek i spadek jej stężenia we krwi, wydziela się gdy jej stęż. we krwi rośnie, glukagon wydziela się gdy stęż. glukozy we krwi spada i podnosi jej stężenie we krwi, prowadzi do glukoneogenezy, czyli powstania glukozy z innych zw. org. np. jej metabolitów pośrednich np. pirogronianu, jest to przeciwna recja do glikolizy, pirogronian przechodzi w szczawiooctan, on w fosfoenolopirogronian, on w 2-fosfoglicerynian, on w 3-fosfoglicerynian, on 1,3-bisfosfoglicerynian, on w aldechyd 3-fosfoglicerynowy, on w fosfodihydroksyaceton, on we fruktozo-1,6-bisfosforan, odłączenie Pi do fruktozo-6-fosforanu, izomeryzacja do glukozo-6-fosforanu i glukoza, zmiana pirogronianu w szczawiooctan zachodzi w mitochndriach, reszta w cytozolu.
Nadmiar glukozy prowadzi do powsatania glikogenu, czyli polimeru glukozy magazynowanego w mięśniach i wątrobie. Glikogen powstaje na drodze glikogenogenezy glukoza dzięki glukokinazie przechodzi w glukozo-6-fosforan, fosfoglukomutaza iomeryzuje go w glukozo-1-fosforan, on przechodzi w UDP glukozę, powstaje pirofosforan rozkładany do  2 Pi, cząsteczki UDP-glukozy łączą się wiązaniem 1,4-o-glikozydowym, starterem jest kilka reszt glukozy połączonych tym wiązaniem, proces zaczyna sie od wolnej glukozy, rozgaęłzienia powst, dzięki enzymowi rozgałęziającemu-1,4-1,6-transglukozydazie, on odcina kilka cząsteczek glukozy i wiążę je wiązaniem 1,4-o-glikozydowym.
Zanim dojdzie do glukoneogenezy, glukagon stanowi źródło glukozy dla głodengo organizmu, gdy spada steżenie glukozy we krwi, spada stężenie glukozy i ATP w komórkach wątroby, glikogenoliza zachodzi w kilku etapach, fosforylacja glikogenu, czyli przeciecie wiązań alfa-1,4-glikozydowych i odłączenie glukozo-1-fosforanu od nieredukującego końca, enzymy odcinają 4 reszty glukozowe od rozgaęłzień łańcucha, enyzm usuwający rozgałęzienia przenosi 3 reszty na nieredukujący koniec, alfa-1,6-glukozydaza hydrolizuje wiązania alfa-1,6-glikozypowstaje wolna glukoza, glukozo-1-fosforan ulega izomeryzacji do glukozo-6-fosforanu przy udz, fosfomutoglukaza, potem glukozo-6-fosfataza odłącza fosforan, powstaje glukoza, która uwalniana jest do krwi.