Βιοχημεία - Βιβλίο Μαθητή
Κεφάλαιο 8: Σάκχαρα Κεφάλαιο 10: Κύκλος του κιτρικού οξέος και οξειδωτική φωσφορυλίωση Επιστροφή στην αρχική σελίδα του μαθήματος
Εικόνα
Κεφάλαιο 9
Μεταβολισμός των σακχάρων
9.1. Γλυκόλυση

Με τον όρο γλυκόλυση εννοούμε την αλληλουχία των αντιδράσεων η οποία μετατρέπει τη γλυκόζη σε πυροσταφυλικό με ταυτόχρονη παραγωγή ΑΤΡ. Η πορεία αυτή είναι όμοια σε αερόβιες και αναερόβιες συνθήκες και γίνεται στο κυτταρόπλασμα. Στην πραγματικότητα, η μοναδική διαφορά μεταξύ αερόβιας και αναερόβιας διάσπασης της γλυκόζης βρίσκεται στην παραπέρα τύχη του πυροσταφυλικού.

Η αποσαφήνιση του μηχανισμού της γλυκόλυσης αποτέλεσε βασικό μοχλό για την ανάπτυξη της Βιοχημείας. Μία ανακάλυψη-σταθμός στην ιστορία της γλυκόλυσης έγινε το 1894, όταν οι Χάνς και Έντουαρντ Μπούχνερ (Hans και Eduard Buchner) παρασκεύασαν εκχυλίσματα ζύμης (χυμό από πεπιεσμένους ζυμομύκητες), τα οποία ήταν ικανά να μετατρέπουν τη σακχαρόζη σε αλκοόλη. Κατέδειξαν έτσι για πρώτη φορά ότι η ζύμωση είναι δυνατό να λάβει χώρα και έξω από τα ζωντανά κύτταρα, και κατέρριψαν την κυρίαρχη ιδέα της εποχής που ήθελε τη ζύμωση αναπόσπαστα συνδεδεμένη με τα ζωντανά κύτταρα.

Αυτή η θεμελιώδης ανακάλυψη άνοιξε διάπλατα την πόρτα για την ανάπτυξη της σύγχρονης Βιοχημείας, αφού ο μεταβολισμός έγινε χημεία.

9.2. Αντιδράσεις της γλυκόλυσης

Ένα ουσιώδες χαρακτηριστικό της γλυκόλυσης είναι ότι μπορεί να προχωρεί αναερόβια και να προμηθεύει το κύτταρο με ενέργεια. Κάθε mol γλυκόζης που διασπάται σε πυροσταφυλικό οξύ παράγει 200 kj, ποσό ενέργειας ικανό να δεσμεύσει δύο mol ανόργανου φωσφορικού δημιουργώντας έτσι δύο mol ΑΤΡ.

Η πορεία διάσπασης της γλυκόζης σε πυροσταφυλικό γίνεται σε δέκα επιμέρους βήματα. Οι ενδιάμεσοι μεταβολίτες, καθώς και τα συνένζυμα που συμμετέχουν στην πορεία αυτή, παρουσιάζονται στο σχήμα. 9.1.

Η γλυκόζη, η οποία κυκλοφορεί στο αίμα, εισέρχεται στα κύτταρα με μεταφορά μέσω μίας ειδικής πρωτεΐνης και έχει έναν προορισμό: να φωσφορυλιωθεί από το ΑΤΡ σχηματίζοντας 6-φωσφορική γλυκόζη. Η αντίδραση αυτή μπορεί να γίνει με την καταλυτική δράση δύο ενζύμων, της εξοκινάσης, η οποία φωσφορυλιώνει και άλλες εξόζες πλην της γλυκόζης, και της γλυκοκινάσης, η οποία έχει μεγάλη εξειδίκευση για τη γλυκόζη και παίζει σημαντικό ρόλο στο μεταβολισμό της γλυκόζης στο ήπαρ.

Το επόμενο βήμα στη γλυκόλυση είναι η μετατροπή της 6-φωσφορικής γλυκόζης σε 6-φωσφορική φρουκτόζη. Εδώ η αλδεϋδομάδα μετατρέπεται σε κετονομάδα (ισομερισμός).

 

Η αντίδραση που ακολουθεί έχει ως στόχο την προσθήκη μίας δεύτερης φωσφορικής ομάδας, που προέρχεται και πάλι από το ΑΤΡ, με αποτέλεσμα να δημιουργείται η Ι,6-διφωσφορική φρουκτόζη. Η αντίδραση αυτή καταλύεται από τη φωσφοφρουκτοκινάση, ένα ένζυμο κλειδί για τη ρύθμιση της γλυκόλυσης. Το ένζυμο αυτό αναστέλλεται αλλοστερικά από υψηλές συγκεντρώσεις ΑΤΡ, ενώ αντίθετα ενεργοποιείται από το ADP και το AMP. Χάρη στην αλλοστερική αυτή ρύθμιση η ροή διάσπασης της γλυκόζης προσαρμόζεται στις ενεργειακές ανάγκες του κυττάρου.

Σχήμα 9.1. Η πορεία των αντιδράσεων της γλυκόλυσης.
Σχήμα 9.1. Η πορεία των αντιδράσεων της γλυκόλυσης.

Όταν υπάρχει περίσσεια ΑΤΡ (υψηλή ενεργειακή φόρτιση), η γλυκόλυση αναστέλλεται, γιατί το ΑΤΡ δρα ως αναστολέας. Αντίθετα, όταν υπάρχει ανάγκη σε ενέργεια έχει καταναλωθεί το ΑΤΡ και έχει σχηματιστεί ADP, οπότε ενεργοποιείται η φωσφοφρουκτοκινάση και ο ρυθμός της γλυκόλυσης αυξάνεται ταχύτατα.

Η Ι,6-διφωσφορική φρουκτόζη διασπάται στη συνέχεια σε δύο ισομερή μόρια φωσφορικής τριόζης, τη φωσφορική διυδροξυακετόνη και την 3-φωσφορική γλυκεριναλδεΰδη, τα οποία μπορούν να αλληλομετατρέπονται με τη δράση ενός ειδικού ενζύμου. Η 3-φωσφορική γλυκεριναλδεΰδη αποτελεί τον ενεργό μεταβολίτη που τροφοδοτεί την αλληλουχία των επόμενων αντιδράσεων της γλυκόλυσης.

Μέσω των προηγούμενων σταδίων της γλυκόλυσης, ένα μόριο γλυκόζης διασπάστηκε σε δύο μόρια 3-φωσφορικής γλυκεριναλδεΰδης. Για την ώρα δεν έχει κερδιθεί ενέργεια. Αντίθετα, έως εδώ καταναλώθηκαν δύο μόρια ΑΤΡ. Ερχόμαστε τώρα σε μία σειρά αντιδράσεων οι οποίες αξιοποιούν μέρος της ενέργειας της 3-φωσφορικής γλυκεριναλδεΰδης.

Η αρχική αντίδραση σε αυτή την πορεία είναι η μετατροπή της 3-φωσφορικής γλυκεριναλδεΰδης σε 1,3-διφωσφογλυκερινικό. Στην αντίδραση αυτή, που είναι η μοναδική οδειδοαναγωγική αντίδραση της γλυκόλυσης, ενσωματώνεται ανόργανο φωσφορικό, ενώ ταυτόχρονα ανάγεται ένα μόριο του συνενζύμου NAD+ προς NADH.

Στην επόμενη αντίδραση καταλύεται η μεταφορά της φωσφορικής ομάδας από το 1,3-διφωσφογλυκερινικό προς το ADP, οπότε σχηματίζεται ένα μόριο ΑΤΡ. Στη συνέχεια το 3-φωσφογλυκερινικό μετατρέπεται σε 2-φωσφογλυκερινικό, το οποίο με αφυδάτωση δίνει το φωσφοενολοπυροσταφυλικο.

Τέλος απομακρύνεται η φωσφορική ομάδα του φωσφοενολοπυροσταφυλικού οξέος η οποία μεταφέρεται στο ADP και δημιουργείται το πυροσταφυλικό, που αποτελεί το τελικό προϊόν της γλυκόλυσης.

9.3. Ενεργειακή απόδοση της γλυκόλυσης

Από τις επιμέρους αντιδράσεις της γλυκόλυσης που παρουσιάσαμε προκύπτει η συνολική αντίδραση μετατροπής της γλυκόζης σε πυροσταφυλικό:

Γλυκόζη + 2Pi + 2ADP + 2NAD+ → 2 πυροσταφυλικό +2ATP + 2NADH + 2H+ + H2O
 

Είναι φανερό ότι από τη μετατροπή ενός μορίου γλυκόζης σε δύο μόρια πυροσταφυλικού το κύτταρο κερδίζει δύο μόρια ΑΤΡ (πίνακας 9.1), ενώ ταυτόχρονα σχηματίζονται και δύο μόρια NADH, η τύχη των οποίων συνδέεται με την παραπέρα μεταβολική τύχη του πυροσταφυλικού.

   
Αντίδραση
Ανάλωση (-) ή παραγωγή (+)
ΑΤΡ ανά μόριο γλυκόζης
Γλυκόζη → 6 - Φωσφορική γλυκόζη
6 - Φωσφορική φρουκτόζη → 1,6 - Διφωσφορική φρουκτόζη

2x1,3 διφωσφογλυκερινικό → 2x3 φωσφογλυκερινικό
2 x Φωσφοενολοπυροσταφυλικό → 2 x πυροσταφυλικό
-1
-1
+2
+2
Καθαρή παραγωγή  +2 
Πίνακας 9.1. Αντιδράσεις παραγωγής και κατανάλωσης ΑΤΡ κατά την γλυκόλυση
9.4. Μεταβολική τύχη του πυροσταφυλικού

Η αλληλουχία των αντιδράσεων της γλυκόλυσης είναι παρόμοια σε όλους τους οργανισμούς και σε όλα τα είδη κυττάρων. Αντίθετα, η μεταβολική τύχη του πυροσταφυλικού ποικίλλει και συνδέεται με την προσφορά ή την έλλειψη οξυγόνου (αερόβιος και αναερόβιος μεταβολισμός) (σχήμα 9.2).

Σχήμα 9.2. Οι κυριότεροι δρόμοι μεταβολισμού του πυροσταφυλικού οξέος.
Σχήμα 9.2. Οι κυριότεροι δρόμοι μεταβολισμού του πυροσταφυλικού οξέος.

Αερόβια αποικοδόμηση της γλυκόζης

Παρουσία οξυγόνου η γλυκόζη καίγεται πλήρως (μετατρέπεται δηλαδή σε CO2 + H2O), αποδίδοντας ταυτόχρονα ένα σημαντικό ποσό ενέργειας. Προκειμένου να επιτευχθεί η πλήρης οξείδωση της γλυκόζης, είναι απαραίτητη η συμμετοχή δύο ακόμα μεταβολικών δρόμων, του κύκλου του κιτρικού οξέος και της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης (τις πορείες αυτές θα μελετήσουμε στο επόμενο κεφάλαιο).

Το πυροσταφυλικό, το οποίο παράγεται από τις αντιδράσεις της γλυκόλυσης, εισέρχεται στα μιτοχόνδρια και μετατρέπεται σε ακετυλο-CoA (ουσία που τροφοδοτεί τον κύκλο του κιτρικού οξέος) σύμφωνα με την αντίδραση :

Πυροσταφυλικό + NAD+ + συνένζυμο A → ακετυλο-CoA + CO2 + NADH.

Αυτή η μη αντιστρεπτή διοχέτευση των προϊόντων της γλυκόλυσης στον κύκλο του κιτρικού οξέος καταλύεται από ένα πολυενζυμικό σύμπλεγμα, την πυροσταφυλική αφυδρογονάση (εικόνα 9.3), η ενεργότητα της οποίας ρυθμίζεται με πολλούς τρόπους, έτσι ώστε να εξυπηρετούνται με τον καλύτερο δυνατό τρόπο οι ανάγκες του κυττάρου σε ενέργεια και ενδιάμεσους μεταβολίτες.

Εικόνα 9.3. Δομή του συμπλέγματος της πυροσταφυλικής αφυδρογονάσης του βακτηρίου Azotobacter vindandil.
Εικόνα 9.3. Δομή του συμπλέγματος της πυροσταφυλικής αφυδρογονάσης του βακτηρίου Azotobacter vindandil.

Αναερόβια αποικοδόμηση της γλυκόζης

Για να είναι δυνατή η συνεχής πορεία της γλυκόλυσης, πρέπει το NADH που σχηματίστηκε να επανοξειδωθεί σε NAD+. Η επανοξείδωση αυτή, κατά τον αερόβιο μεταβολισμό, επιτυγχάνεται διαμέσου της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης. Όταν όμως δεν υπάρχει οξυγόνο, πρέπει να βρεθεί κάποια άλλη λύση.

Στο μεταβολισμό των σπονδυλωτών, όταν το ποσό του διαθέσιμου οξυγόνου είναι οριακό, όπως στους μυς κατά την διάρκεια έντονης μυϊκής δραστηριότητας, το πυροσταφυλικό ανάγεται σε γαλακτικό με την δράση της γαλακτικής αφυδρογονάσης. Η παροδική συσσώρευση του γαλακτικού οξέος στα μυϊκά κύτταρα, όταν αυτά δεν προλαβαίνουν να εφοδιαστούν με οξυγόνο, δημιουργεί την αίσθηση του κάματου, προκειμένου ο οργανισμός να σταματήσει την έντονη δραστηριότητα. Το καθαρό ενεργειακό κέρδος στην περίπτωση αυτή είναι δύο μόλις ΑΤΡ ανά μόριο γλυκόζης. Παρ όλα αυτά, το σχετικά πλούσιο σε ενέργεια γαλακτικό μεταφέρεται από τους σκελετικούς μυς στο ήπαρ, το οποίο τροφοδοτείται με οξυγόνο, προκειμένου να μεταβολιστεί περαιτέρω.

Αναερόβιες μεταβολικές διεργασίες που προμηθεύουν το κύτταρο με ενέργεια παρατηρούνται συχνά σε

 

μικροοργανισμούς και ονομάζονται ζυμώσεις. Το παραγόμενο κατά τη ζύμωση ΑΤΡ χρησιμοποιείται για την αύξηση και τον πολλαπλασιασμό των κυττάρων τους. Οι ζυμώσεις χαρακτηρίζονται κυρίως από το τελικό προϊόν που παράγεται στη μεταβολική αυτή πορεία (π.χ. αλκοολική ζύμωση, γαλακτική ζύμωση, προπιονική ζύμωση κ.ά.). Το αρχικό υπόστρωμα στις περισσότερες ζυμώσεις είναι η γλυκόζη.

Αλκοολική ζύμωση

Το πυροσταφυλικό που παράγεται κατά την αναερόβια διάσπαση της γλυκόζης μετατρέπεται, στους ζυμομύκητες και μερικούς άλλους μικροοργανισμούς, σε αιθανόλη. Το πρώτο στάδιο αυτής της διεργασίας είναι η αποκαρβοξυλίωση του πυροσταφυλικού οξέος, οπότε παράγεται ακεταλδεϋδη, η οποία στη συνέχεια ανάγεται σε αιθανόλη με ταυτόχρονη επανοξείδωση του NADH σε NAD*. Με τον τρόπο αυτό αναγεννάται το NAD* και εξασφαλίζεται η συνεχής πορεία της γλυκόλυσης.

Εικόνα

Έτσι, το συνολικό αποτέλεσμα της αναερόβιας διεργασίας μετατροπής της γλυκόζης σε αιθανόλη (αλκοολική ζύμωση) είναι:

Γλυκόζη + 2P + 2ADP + 2H+ → 2 αιθανόλη + 2CO2 + 2ATP + 2H2O

Γαλακτική ζύμωση

Βακτηρίδια που παράγουν γαλακτικό οξύ είναι από παλιά γνωστά και παίζουν ρόλο στο ξίνισμα του γάλακτος, στην παρασκευή τυριού κτλ. Η αντίδραση μετατροπής του πυροσταφυλικού οξέος σε γαλακτικό καταλύεται από τη γαλακτική αφυδρογονάση και οδηγεί στην επανοξείδωση του NADH σε NAD+ προκειμένου αυτό να αναγεννηθεί και να είναι διαθέσιμο στο κύτταρο για την ομαλή διεξαγωγή της γλυκολυτικής πορείας.

Εικόνα

Έτσι, η συνολική αντίδραση μετατροπής της γλυκόζης σε γαλακτικό οξύ είναι:

Γλυκόζη + 2Pi + 2ADP → γαλακτικό +2ATP + 2H2O
9.5. Γλυκονεογένεση

Γλυκονεογένεση ονομάζουμε τη μεταβολική πορεία σύνθεσης της γλυκόζης από μη υδατανθρακικές πρόδρομες ενώσεις.

Η διαδικασία αυτή είναι πολύ σημαντική, ιδιαίτερα σε περίοδο ασιτίας, γιατί ο εγκέφαλος χρησιμοποιεί τη γλυκόζη ως βασικό καύσιμο. Η καθημερινή απαίτηση του εγκεφάλου ενός ενηλίκου σε γλυκόζη είναι 120 gr περίπου, ποσότητα η οποία αποτελεί τα 3/4 της γλυκόζης που χρειάζεται ολόκληρο το σώμα (160 gr). Η ποσότητα της γλυκόζης η οποία υπάρχει στα υγρά του σώματος είναι περίπου 20 gr και αυτή η οποία διατίθεται άμεσα από το γλυκογόνο, το οποίο αποτελεί την αποταμιευτική μορφή της γλυκόζης στα θηλαστικά, είναι περίπου 190 gr. Ετσι τα αποθέματα του οργανισμού σε γλυκόζη είναι αρκετά, για να καλύψει ο οργανισμός τις ανάγκες του για μια ημέρα περίπου. Προκειμένου όμως να μπορέσει ο οργανισμός να επιβιώσει για μεγαλύτερη περίοδο ασιτίας, πρέπει να συνθέσει γλυκόζη από μη υδατανθρακικές πηγές. Ακόμη η γλυκονεογένεση είναι απαραίτητη σε περιόδους εντατικής άσκησης, οπότε παράγεται μεγάλη ποσότητα γαλακτικού οξέος.

Τα κύρια, μη υδατανθρακικά, πρόδρομα μόρια που χρησιμοποιούνται για τη σύνθεση της γλυκόζης είναι το γαλακτικό οξύ, ορισμένα αμινοξέα που ονομάζονται γλυκοπλαστικά αμινοξέα (π.χ. αλανίνη) και η γλυκερόλη. Τα μόρια αυτά εισέρχονται στη μεταβολική πορεία της γλυκονεογένεσης σε διαφορετικά σημεία (εικόνα 9.4).

Κατά τη γλυκόλυση η γλυκόζη μετατρέπεται σε πυροσταφυλικό οξύ, ενώ κατά τη γλυκονεογένεση το πυροσταφυλικό μετατρέπεται σε γλυκόζη. Παρόλα αυτά η γλυ κονεογένεση δεν είναι μία απλή αντιστροφή της πορείας της γλυκόλυσης. Οι αντιστρεπτές αντιδράσεις της γλυκόλυσης είναι κοινές αντιδράσεις και στη γλυκονεογένεση, ενώ οι μη αντιστρεπτές αντιδράσεις της γλυκόλυσης καταλύονται από άλλα ένζυμα. Με τον τρόπο αυτό το κύτταρο κατορθώνει να ελέγχει δύο μεταβολικές διεργασίες που έχουν διαφορετικό ρόλο και οι οποίες δεν μπορούν να προχωρούν χωρίς ρύθμιση η μία δίπλα στην άλλη, γιατί το μόνο που θα γινόταν ο αυτή την πετρίπτωση θα ήταν η άσκοπη κατανάλωση ενέργειας.

Το κύριο όργανο της γλυκονεογένεσης είναι το ήπαρ. Σύνθεση γλυκόζης γίνεται επίσης και στο φλοιό των νεφρών, αλλά η ολική ποσότητα της παραγόμενης γλυκόζης στους νεφρούς είναι το 1/10 της ποσότητας που παράγεται στο ήπαρ. Η γλυκονεογένεση βοηθά

 

στη διατήρηση των επιπέδων της γλυκόζης στο αίμα σε φυσιολογικά όρια, ώστε ο εγκέφαλος και οι μυς να αντλούν τη γλυκόζη που χρειάζονται, για να ικανοποιήσουν τις μεταβολικές τους ανάγκες.

9.6. Ο μεταβολισμός του γλυκογόνου

Ιδιαίτερα πλούσιοι σε γλυκογόνο είναι οι σκελετικοί μυς και το ήπαρ. Η συγκέντρωση του γλυκογόνου στα ηπατικά κύτταρα είναι υψηλότερη από ότι στα μυϊκά, αλλά λόγω της μεγαλύτερης μάζας των γραμμωτών μυών εκεί αποθηκεύεται τελικά περισσότερο γλυκογόνο. Αυτό βρίσκεται στο κυτταρόπλασμα με τη μορφή

Εικόνα 9.4. Το γαλακτικό οξύ που σχηματίζεται από τη γλυκόλυση στους μυς, καθώς και αμινοξέα που προέρχονται από πρωτεόλυση των πρωτεϊνών, αλλά και η γλυκερόλη που σχηματίζεται από τη διάσπαση ίων τριγλυκεριδίων στο λιπώδη ιστό, αποτελούν τα κύρια, μη υδατανθρακικά, πρόδρομα μόρια που χρησιμοποιούνται για τη σύνθεση της γλυκόζης στο ήπαρ.
Εικόνα 9.4. Το γαλακτικό οξύ που σχηματίζεται από τη γλυκόλυση στους μυς, καθώς και αμινοξέα που προέρχονται από πρωτεόλυση των πρωτεϊνών, αλλά και η γλυκερόλη που σχηματίζεται από τη διάσπαση ίων τριγλυκεριδίων στο λιπώδη ιστό, αποτελούν τα κύρια, μη υδατανθρακικά, πρόδρομα μόρια που χρησιμοποιούνται για τη σύνθεση της γλυκόζης στο ήπαρ.

κόκκων διαμέτρου 100 έως 400 Å που περιέχουν τα ένζυμα τα οποία καταλύουν τη σύνθεση και την αποικοδόμηση του γλυκογόνου (εικόνα 9.5). Ο μεγάλος αριθμός των διακλαδώσεων του γλυκογόνου έχει ιδιαίτερη σημασία από φυσιολογική άποψη. Με τον τρόπο αυτό δημιουργούνται πολλά ελεύθερα άκρα, στα οποία προσκολλώνται τα πλεονάζοντα μόρια της γλυκόζης που αποθηκεύεται προσωρινά και από τα οποία μπορεί να αρχίσει συγχρόνως η απομάκρυνση μορίων γλυκόζης,

όταν οι ανάγκες του οργανισμού το απαιτούν. Η φωσφορυλάση και η συνθετάση του γλυκογόνου αποτελούν τα βασικά ένζυμα για την πορεία της διάσπασης και της σύνθεσης του γλυκογόνου αντίστοιχα.

Ο έλεγχος της σύνθεσης και αποικοδόμησης του γλυκογόνου στο ήπαρ είναι βασικό στοιχείο για τη ρύθμιση της συγκέντρωσης της γλυκόζης στο αίμα. Για το λόγο αυτό οι παραπάνω πορείες ρυθμίζονται με έναν αυστηρό και πολύπλοκο τρόπο που περιλαμβάνει, εκτός των άλλων, και ορμονικό έλεγχο.

Κατά την αποικοδόμηση του γλυκογόνου απελευθερώνονται μονάδες I-φωσφορικής γλυκόζης, οι οποίες μετατρέπονται σε 6-φωσφορικη γλυκόζη. Η φωσφορυλιωμένη γλυκόζη, σε αντίθεση με τη γλυκόζη, δε διαχέεται έξω από τα κύτταρα. Το ήπαρ περιέχει ένα υδρολυτικό ένζυμο, τη φωσφατάση της 6-φω- σφορικής γλυκόζης, το οποίο απομακρύνει τη φωσφορική ομάδα της 6-φωσφορικής γλυκόζης, που παράγεται κατά τη διάσπαση του γλυκογόνου, και έτσι ελευθερώνει τη γλυκόζη στο αίμα. Χάρη στην παρουσία του ενζύμου αυτού, το ήπαρ εκπληρώνει μία από τις κύριες λειτουργίες του, που είναι η διατήρηση ενός σχετικά σταθερού επιπέδου γλυκόζης στο αίμα, προκειμένου να εφοδιάζει κυρίως τον εγκέφαλο και τους γραμμωτούς μυς με ένα καύσιμο που τους είναι απαραίτητο κατά τη διάρκεια μυϊκής δραστηριότητας
 
και στα διαστήματα μεταξύ των γευμάτων. Αντίθετα, στους μυς η φωσφατάση της 6-φωσφορικής γλυκόζης απουσιάζει, με αποτέλεσμα η 6-φωσφορική γλυκόζη να κατακρατείται προκειμένου να διασπαστεί μέσω της γλυκολυτικής πορείας για να καλύψει τις αυξημένες ενεργειακές ανάγκες του μυϊκού ιστού.

 

Εικόνα 9.5. Φωτογραφία ηλεκτρονικού μικροσκοπίου ενός ηπατικού κυττάρου. Τα πυκνά σωμάτια του κυτταροπλάσματος αποτελούν τους κόκκους του γλυκογόνου.
Εικόνα 9.5. Φωτογραφία ηλεκτρονικού μικροσκοπίου ενός ηπατικού κυττάρου. Τα πυκνά σωμάτια του κυτταροπλάσματος αποτελούν τους κόκκους του γλυκογόνου.

Περίληψη
Γλυκόλυση είναι η ομάδα των αντιδράσεων που μετατρέπουν τη γλυκόζη σε πυροσταφυλικό. Κατ' αρχάς η γλυκόζη φωσφορυλιώνεται προς 6-φωσφορική γλυκόζη και, μέσω των ενδιάμεσων 1,6-διφωσφορική γλυκόζη, 3-φω- σφορική γλυκεριναλδεΰδη και φωσφοενολοπυροσταφυλικό, αποικοδομείται σε πυροσταφυλικό. Το καθαρό ενεργειακό κέρδος αυτής της πορείας είναι δύο μόρια ΑΤΡ για κάθε μόριο γλυκόζης που διασπάται. Περιλαμβάνει μία μόνο οξειδοαναγωγική αντίδραση, κατά την οποία δημιουργούνται κυτταροπλασματικά μόρια NADH.
Στους αερόβιους οργανισμούς το NADH που σχηματίζεται κατά την γλυκόλυση μεταφέρει τα ηλεκτρόνιά του στο Ο2 μέσω της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων και με τον τρόπο αυτό αναγεννάται το NAD+. Κάτω από αναερόβιες συνθήκες το NAD+ αναγεννάται κατά τη σύνθεση του γαλακτικού οξέος ή της αιθανόλης από το πυροσταφυλικό. Αυτές οι δύο διεργασίες ονομάζονται ζυμώσεις και συντελούνται σε μερικούς μικροοργανισμούς. Μετατροπή της γλυκόζης σε γαλακτικό παρατηρείται επίσης και κατά τον μεταβολισμό των σπονδυλωτών, όταν το ποσό του διαθέσιμου οξυγόνου περιορίζεται, όπως στους μυς κατά την διάρκεια έντονης μυϊκής εργασίας.
Γλυκονεογένεση είναι η σύνθεση της γλυκόζης από μη υδατανθρακικές πηγές, όπως το γαλακτικό οξύ, ορισμένα αμινοξέα και γλυκερόλη. Κύριο όργανο της γλυκονεογένεσης είναι το ήπαρ και, μέσω αυτής της μεταβολικής πορείας ο οργανισμός βοηθιέται ουσιαστικά στη διατήρηση των επιπέδων της γλυκόζης στο αίμα σε φυσιολογικά επίπεδα. Αν και πολλές από τις αντιδράσεις της γλυκονεογένεσης είναι κοινές με τις αντιδράσεις της γλυκόλυσης, η γλυκονεογένεση και η γλυκόλυση ρυθμίζονται αντίστροφα, μέσω των μη κοινών αντιδράσεων, έτσι ώστε όταν η μία πορεία είναι ενεργός η άλλη να είναι ανενεργός.
Το γλυκογόνο είναι ένα καύσιμο που κινητοποιείται από τις αποθήκες του οργανισμού (ήπαρ και μυς) ταχύτατα, προκειμένου να τον τροφοδοτήσει άμεσα με ενέργεια. Αποτελείται από ένα διακλαδισμένο πολυμερές μονάδων γλυκόζης και η σύνθεση και αποικοδόμησή του υπόκεινται σε αυστηρή ρύθμιση.
Ερωτήσεις - ασκήσεις - προβλήματα
  1. Σημειώστε με (Σ) ή λάθος (Λ) τη γνώμη σας για τις παρακάτω προτάσεις:
    α. Η εξοκινάση φωσφορυλιώνει μόνο τη γλυκόζη.
    β. Η γλυκοκινάση βρίσκεται στο ήπαρ.
    γ. Η πορεία της γλυκόλυσης είναι ίδια σε αερόβιες και αναερόβιες συνθήκες.
    δ. Κατά την διάσπαση ενός μορίου γλυκόζης παράγεται ένα μόριο πυροσταφυλικού.
    ε. Οι αντιδράσεις της γλυκόλυσης γίνονται στο εσωτερικό του μιτοχονδρίου.
    στ. Η 6-φωσφορική γλυκόζη και η 6-φωσφορική φρουκτόζη είναι ισομερείς ενώσεις.
  2. Ποιο είναι το ένζυμο κλειδί για την ρύθμιση της γλυκόλυσης και με ποιο τρόπο επιτυγχάνεται η ρύθμιση αυτή;
  3. Με ποιο τρόπο μεταβολίζεται το πυροσταφυλικό στα μυϊκά κύτταρα απουσία και παρουσία οξυγόνου;
  4. Ποιες από τις παρακάτω ουσίες αποτελούν μεταβολικά προϊόντα του πυροσταφυλικού οξέος στα θηλαστικά;
    α. αιθανόλη, β. γαλακτικό οξύ, γ. ακετόνη, δ. ακέτυλο-CοΑ.
  5. Αναφέρετε τα τελικά προϊόντα διάσπασης της γλυκόζης κατά την αλκοολική και γαλακτική ζύμωση καθώς και τον τρόπο με τον οποίο αναγεννάται το NAD+ κατά τις διεργασίες αυτές.
  6. Σημειώστε (Σ) ή λάθος (Λ) σε κάθε μία από τις απαντήσεις που ακολουθούν.
    Η γλυκονεογένεση:
    α. Επιτελείται στα μυϊκά κύτταρα, όταν αυτά βρίσκονται υπό έντονη δραστηριότητα.
    β. Μετατρέπει το πυροσταφυλικό σε γλυκόζη.
    γ. Παίζει σημαντικό ρόλο σε περιόδους ασιτίας.
    δ. Αποτελεί μία αναστροφή της πορείας της γλυκόλυσης.
  1. Περιγράψτε το ρόλο του γλυκογόνου στο ήπαρ και στους σκελετικούς μυς.
  2. Τοποθετήστε τα συνένζυμα (με την οξειδωμένη ή ανηγμένη μορφή τους) και τους συντελεστές που χρειάζονται στο παρακάτω διάγραμμα:

    Εικόνα
  3. Η νόσος του McArdle είναι μία από τις ασθένειες που οφείλονται σε έλλειψη ενός ενζύμου του μεταβολισμού του γλυκογόνου. Χαρακτηρίζεται από ύπαρξη αυξημένης ποσότητας γλυκογόνου στους μυς και τα άτομα που την παρουσιάζουν έχουν περιορισμένη δυνατότητα για έντονη άσκηση εξαιτίας οδυνηρών σπασμών των μυών. Κατά τα άλλα οι ασθενείς αυτοί δεν έχουν πρόβλημα και η ανάπτυξή τους είναι φυσιολογική. Με βάση τα παραπάνω δεδομένα σε έλλειψη ποιου από τα βασικά ένζυμα του μεταβολισμού του γλυκογόνου αποδίδετε την ασθένεια αυτή;
Ας ερευνήσουμε
  1. Η φρουκτόζη και η γαλακτόζη αποτελούν δύο σάκχαρα που είναι άφθονα στη φύση. Υπενθυμίζουμε ότι η υδρόλυση της σακχαρόζης (κοινή ζάχαρη) δίνει φρουκτόζη και γλυκόζη, ενώ η υδρόλυση της λακτόζης (σάκχαρο του γάλακτος) δίνει γαλακτόζη και γλυκόζη. Προσπαθήστε, με τη βοήθεια σχετικής βιβλιογραφίας, να βρείτε τον τρόπο με τον οποίο τα σάκχαρα αυτά εισέρχονται στη γλυκολυτική πορεία προκειμένου να διασπαστούν.
  2. Η γαλακτοζαιμία είναι μία σοβαρή κληρονομική ασθένεια κατά την οποία όταν καταναλώνεται γάλα, προκαλούνται εμετοί και διάρροια και παρατηρείται διόγκωση του ήπατος και ίκτερος. Η διαταραχή αυτή εμφανίζεται στη βρεφική ηλικία και είναι επικίνδυνη για την ζωή και την διανοητική ανάπτυξη του βρέφους. Προσπαθήστε, με την βοήθεια σχετικής βιβλιογραφίας και ειδικών επιστημόνων, να βρείτε περισσότερες πληροφορίες για την ασθένεια αυτή, καθώς και τους τρόπους με τους οποίους μπορεί να αντιμετωπιστεί.
  3. Στο σκελετικό μυ λείπουν τα ένζυμα της γλυκονεογένεσης. Για το λόγο αυτό, το γαλακτικό οξύ που παράγεται σε ενεργούς μυς μεταφέρεται στο ήπαρ, όπου μετατρέπεται σε γλυκόζη. Η γλυκόζη εισέρχεται στο αίμα και παραλαμβάνεται πάλι από τους Εικόνα σκελετικούς μυς, οι οποίοι παράγουν ΑΤΡ. Οι αντιδράσεις αυτές αποτελούν τον κύκλο του Cori (βλέπε σχήμα). Ποια είναι, κατά τη γνώμη σας, η φυσιολογική σημασία του φαινομένου αυτού;