Kémia | Biokémia » Szénhidrátok anyagcseréje

BIOKÉMIA – SZÉNHIDRÁTOK ANYAGCSERÉJE 1. A glikolízis reakciói  Glikolízis reakciói          A glikolízis valamennyi reakciója a citoszolban zajlik le, a glikolízis enzimjei multienzim komplexek. A glikolízisben hat-, illetve három C-atomos foszfátvegyületek vesznek részt, amelyekben a foszfát vagy észter-, vagy savanhidridkötéssel kapcsolódik az intermedierhez. A foszforiláció a glikolízis első lépésében megtörténik, s mivel a keletkező és minden további intermedier negatív töltésű, számukra a plazmamembrán nem permeábilis. Ez biztosítja, hogy a sejtet nem tudják elhagyni. A hat C-atomos hexózok (valamennyien Dizomerek) részvételével folyó reakciók jelentik a glikolízis első szakaszát, a három C-atomos glikolízis intermedierek reakciói a második szakaszát. A glikolízist reverzibilis és irreverzibilis

reakciók alkotják. A glukóz foszforilációját gl-6-P-tá a hexokináz és a glukokináz végzi. Hexokináz minden sejtben van, az összes hexózra specifikus, a végtermék (gl6-P) allosztérikusan gátolja, K M értéke 0,1 mM (mindig telített). Glukokináz csak a hepatocytákban van, csak glukózra specifikus, nincs végtermékgátlás, K M értéke 5 mM, tehát a vércukorszint emelkedést követni képes. A gl-6-P reverzibilis reakcióban alakul át fr-6-P-tá, amit a foszfoglukóz-izomeráz katalizál. A fr-6-P irreverzibilisen alakul fr-1,6-biszP-tá, amit a foszforuktokináz I katalizál, és ATP használódik el. Ez a glikolízis elkötelező lépése A fr-1,6-biszP kettéhasad, és glic.ald-3-P (aldóz) valamint dihidrociaceton-P (ketóz) keletkezik. A reakciót az aldoláz katalizálja, a végtermékek átalakulhatnak egymásba. BIOKÉMIA – SZÉNHIDRÁTOK ANYAGCSERÉJE 

     A glicerinaldehid-3-P oxidálódik és foszforilálódik, mehy reverzibilis reakciót a glicerinaldehid-3-P-dehidrogenáz katalizál, miközben NAD+ redukálódik. A kettős reakció után kialakul az 1,3-biszfoszfo-glicerát, amely egy savanhidrid (1) és egy észterkötésben (3) tartalmaz foszfátot. Az 1,3-biszfoszfoglicerátból 3-foszfoglicerát alakul ki, a foszfoglicerát-kináz hatására, miközben egy ADP foszforilálódik ATP-vé (szubsztrátszintű foszforiláció; reverzibilis). A 3-foszfoglicerát 2-foszfogliceráttá alakul a foszfoglicerát-mutáz által katalizált reakcióban. A 2-foszfoglicerátból az enoláz alakít ki PEP-ot. A PEP-ból a piruvát-kináz által katalizált reakcióban piruvát keletkezik, miközben ismét egy ADP foszforilálódik ATP-vé (szubsztrátszintű foszforiláció; irreverzibilis). A piruvát aerob körülmények között acetil-CoA-vá alakul (citrátciklus), anaerob körülmények esetén laktáttá redukálódik

a laktát-dehidrogenáz által katalizálva, ami közben NADH oxidálódik NAD+-dá. Ha anaerob körülményekállnak fenn, és nincs lehetőség arra hogy ami a glicerinaldehid-3-foszfát-dehidrogenáz reakciója során redukálódott NADH visszaoxidálódjék NAD+-dá, akkor ezt a laktátdehidrogenáznak kell végeznie, mert ha nem, akkor leáll a glikolízis NAD+ hiányában. Így viszont laktát halmozódik fel BIOKÉMIA – SZÉNHIDRÁTOK ANYAGCSERÉJE  A glikolízis irreverzibilis reakciói  A fruktóz-6-foszfát foszforilációja fruktóz-1,6-biszfoszfáttá a foszforuktokináz I által katalizált, irreverzibilis reakció a glikolízis első elkötelező lépése: fruktóz-6-foszfát + ATP  fruktóz-1,6-biszfoszfát + ADP  A foszfofruktokináz I aktivitását több allosztérikus aktivátor és inhibitor szabályozza. A leghatékonyabb aktivátor a fruktóz-2,6-

biszfoszfát Allosztérikus aktivátor még az AMP (éhségszignál); inhibitor az ATP (szubsztrát!), a citrát és a zsírsavak. Ez a glikolízis legfontosabb szabályozási pontja   A következő irreverzibilis reakció a glikolízis második szakaszában történik. A 2-foszfoglicerátból a 2-foszfoglicerát-anhidratáz, ismertebb, triviális nevén az enoláz enzim hatására foszfoenolpiruvát jön létre. A víz kilépésével egy makroerg enol-foszfát észter képződik. A 2-foszfoglicerát esetében a foszfátcsoport hidrolízisekor a ΔG0’ érték –17,6 kJ/mol, ugyanez az érték a foszfoenolpiruvát esetében –61,9 kJ/mol (közel kétszerese az ATP hidrolízisekor felszabaduló energiának). A foszfoenolpiruvát ezt a magas csoportátviteli potenciálú kötésben lévő foszfátot képes az ADP-re átvinni a piruvát-kináz enzim segítségével:   foszfoenolpiruvát + ADP  piruvát + ATP  Ez a mozzanat az, ami irreverzibilis; egyébként

pedig szubsztrátszintű foszforiláció. A piruvát-kináznak az ATP allosztérikus inhibitora. BIOKÉMIA – SZÉNHIDRÁTOK ANYAGCSERÉJE 2. A glikolízis energiamérlege és szabályozása  Az anaerob glikolízis energiamérlege  Az anaerob glikolízis során molekula glukózból 2 molekula laktát keletkezik, és nettó két ADP foszforilálódik ATP-vé: glukóz + 2 P i + 2 ADP  2 laktát + 2 ATP + 2 H 2 O   Összesen 2×2 ATP keletkezik, a 1,3-biszfoszglicerát  3-foszfoglicerát átalakulásban kettő (molekulánként egy) és a PEP  piruvát átalakulásban kettő (molekulánként egy). Viszont a glikolízis első szakaszában elhasználódik 2 ATP, egy a glukóz  glukóz-6-P reakcióban és egy a frktóz-6-P  fruktóz-1,6-bisz-P reakcióban. Tehát a nettó energiatermelés: 2 ATP.  Az aerob glikolízis energiamérlege  Aerob körülmények

között ez a folyamat másképp alakul: glukóz + 2 P i + 2 ADP + 2 NAD+  2 piruvát + 2 ATP + 2 H 2 O + 2 NADH + 2 H+      Egy molekula glukóz lebontása nettó 2 ATP-t, 2 NADH-t és 2 piruvátot eredményez. A két NADH attól függően, hogy milyen transzportrendszeren jut el a mitokondriális elektrontranszport-lánchoz, 4 vagy 6 ATP-vel egyenértékű, így 6-8 ATP képződik aerob körülmények között. A két piruvát lebontása a piruvát-dehidrogenáz komplex által 2 molekula acetilCoA-t eredményez, miközben az enzimkomplex E 3 része 2 NADH-t termel (molekulánként egy). A citrátkörbe belépő két acetil-CoA lebontása 2×4 NADH-t, 2×1 FADH-t, és 2×1 GTP-t, termel Így egy molekula glukóz oxidációja (CO 2 -dá és vízzé) nettó energiatermelése: 2×1 NADH++H+  6 ATP 2 ATP  2 ATP 2 piruvát  (PDH)  2 acetil-CoA + 2×1 NADH++H+  6 ATP 2 acetil-CoA  (citrát-kör)  2×3 NADH++H+ + 2×1 FADH + 2×1 GTP 

24 ATP Σ: 38 ATP BIOKÉMIA – SZÉNHIDRÁTOK ANYAGCSERÉJE  A standard szabadentalpia-változások értékei alapján történő számítások szerint: glukóz  CO 2 + H 2 O ΔG0’ = -2840 kJ/mol, illetve 38 ADP + 38 P i  38 ATP ΔG0’ = 38×30,5 kJ/mol = 1160 kJ/mol   Ez kb. 40%-os hatásfokot jelent, a glukóz energiájának 40%-örződik így meg ATP formájában. Hasonló számítások alapján egy molekula glukóz 2 molekula piruváttá alakulásához (illetve 2 molekula NAD+ redukciójához), mint exergonikus folyamathoz (ΔG0’ = -146 kJ/mol) két molekula ADP foszforilációját (ΔG0’ = 2×30,5 kJ/mol = 31 kJ/mol), mint endergonikus folyamatot kapcsolva a glukóz  piruvát átalakulás hatásfoka a glikolízisben energetikai szempontból az aktuális intracelluláris koncentrációértékekkel számolva kb. 60%  A glikolízis szabályozása  

         A glikolízis és a glukoneogenezis közös intermedierek és enzimek okán egymással összefüggő folyamatok. Bármelyik folyamat gátlása egyszersmind a másik stimulálását is jelenti. Mindkét folyamat szabályozása az irreverzibilis lépéseket katalizáló enzimeken keresztül történik. A glikolízisben a regulált enzimek a hexokináz, a foszfruktokináz I és a piruvátkináz, a glukoneogenezisben pedig a piruvát-karboxiláz és a fruktóz-1,6biszfoszfatáz. A reguláció allosztérikus mechanizmusokkal történik, de szerepe van az enzimek kovalens módosításának is (foszforilálás). Az allosztérikus regulátorok a glikolízis és a glukoneogenezis sebességét annak függvényében módosítják, hogy milyen az adott sejt energiaállapota (ATP, AMP, citrát), változik-e az intracelluláris pH, illetve milyen a szervezet energiaállapota (fruktóz-2,6-biszfoszfát). Az utóbbi hatást hormonok, főleg a glukagon közvetíti

A regulációban a felsorolt enzimek közül kiemelkedően a legfontosabb szerepet a foszfofruktokináz I játssza. A glikolízis sebessége az ATP illetve az AMP hatására változik. Az ATP allosztérikusan gátolja a foszfofruktokináz I-t, valamint a piruvát-kinázt, így az intracelluláris ATP-koncentráció emelkedése lassítja a glikolízist. Az ATP-szinttel ellentétesen változik az AMP-szint. Az ATP + ADP + AMP mennyisége a sejtekben közel állandó, az egyensúlyt a citoszolban az adenilátkináz biztosítja, ami a 2 ADP ↔ ATP + AMP reakciót katalizálja. Normális körülmények között ATP>>ADP>>AMP. Az AMP allosztérikus aktivátora a foszforuktokináz I-nek és ezáltalstimulálója a glikolízisnek, Ugyanakkor allosztérikusan gátolja a fruktóz-1,6-biszfoszfatázt, így is biztosítva a glikolízis-glukoneogenezis egyensúlyának glikolízis irányába való eltolódását. A glikolízis sebessége csökken citrát hatására, mert az

allosztérikusan gátolja a foszforuktokináz I-t, így azokba a sejtekben, amelyek zsírsavat oxidálnak, csökken BIOKÉMIA – SZÉNHIDRÁTOK ANYAGCSERÉJE a glukózfelhasználás és ez glukózt takarít meg pl. az agy számára, amely majdnek kizárólag glukózt oxidál.  A H+-koncentráció emelkedése a foszfofruktokináz I gátlását okozza. Az anaerob glikolízis fokozódása a laktát mellett H+-felszaporodást is jelent, ami fékezi a glikolízist.  A glikolízis és a glukoneogenezis hormonális szabályozásában a glukagon és az inzulin játszanak szerepet.  A glukagon a pancreas α-sejtjeiből a vércukorszint csökkenés hatására jut a keringésbe, a májban csökkenti a glukózfelhasználást és serkenti a glukózszintézist. A májsejtek membránjában receptorok vannak, amelyek felismerik és kötik a keringésben jelenlévő glukagont. Ennek

eredményeként a sejtben ATP-ből az adenilát-cikláz hatására cAMP keletkezik. A cAMP intracellulárisan a cAMP-dependens protein-kinázt aktiválja, ami egy szerin/treonin-kináz, és számos olyan enzimet foszforilál, amelyek a metabolizmusban jelentős szerepet játszanak, s ez egyes enzimek esetében az aktivitást csökkenti, másoknál fokozza. A májsejtekben a glukagon hatása a glikolízisre és a glukoneogenezisre a fruktóz2,6-biszfoszfát szintjének változásán ekeresztül érvényesül, ami a fruktóz-6foszfátból keletkezik a foszfofruktokináz II hatására. A foszfofruktokináz II egy sajátos, kettős funkciójú enzim, amely a fenti átalakulás visszáját is tudja katalizálni. Az, hogy melyik funkcióját látja el éppen, az attól függ, hogy az enzim foszforilált vagy defoszforilált állapotban van-e. Az enzimet a cAMP-függő protein-kináz foszforilálja, és a foszfoproteinfoszfatáz defoszforilálja. A foszforilált enzim foszfatázként

működik, tehát a fruktóz-2,6-biszfoszfát  fruktóz-6-foszfát reakciót katalizálja. Deforforilált állapotban kinázként működik, tehát a fruktóz-6-foszfát  fruktóz-2,6-biszfoszfát reakciót katalizálja. A fruktóz-2,6-biszfoszfát a glikolízis sebességét fokozza, a glukoneogenezis sebességét pedig csökkenti, mert pozitív allosztérikus regulátora a glikolízis sebességmeghatározó lépését katalizáló foszfofruktokináz I enzimnek, és allosztériuks inhibitora a fruktóz-1,6-biszfoszfatáznak. Mindezek ismeretében a glukagon hatása a következőképpen foglalható össze: hatására foszforilálódik a bifunkcionális foszfofruktokináz II, amely így foszfatázként működik és a fruktóz-2,6-biszfoszfát  fruktóz-6-biszfoszfát átalakulást katalizálja. Lecsökken a sejtben a fruktóz-2,6-biszfoszfát szintje és megszűnik a foszfofruktokináz I aktiválása, illetve a fruktóz-1,6.biszfoszfatáz gátlása. Ez azt jelentik, hogy a

folyamatok a glukoneogenezis irányába működnek Glukagon hiányában a foszfofruktokináz II defoszforilálódik, a kináz aktivitása válik dominánssá és katalizálja a fruktóz-6-foszfát  fruktóz-2,6-biszfoszfát katalízisét. A fruktóz-2,6-biszfoszfát a foszforuktokináz allosztérikus aktivátora, a glikolízis sebességét fokozza, a glukoneogenezist a fruktóz-1,6-biszfoszfatázon keresztül gátolja.           A glukagon hatásában a glikolízisre és a glukoneogenezisre a fruktóz-2,6biszfoszfát játssza a legnagyobb szerepet. Ezt egészíti ki a piruvát-kináz gátlása, amely annak a következménye, hogy a cAMP-függő protein-kináz a piruvát-kinázt is foszforilálja és ezáltal aktiválja. BIOKÉMIA – SZÉNHIDRÁTOK ANYAGCSERÉJE            A glukagonnal ellentétes hatású hormon

az inzulin, amely a pancreas β-sejtjeiből a vércukorszint-emelkedés hatására szecernálódik. Hatása még bizonytalan Lehet, hogy a foszfoprotein-foszfatázokat vagy a cAMP-t AMP-vé alakító ciklikus nukleotid-foszfodieszterázt aktiválja. Mindkét hatás a glukoneogenezis gátlását és a glikolízis serkentését váltja ki. A glikolízis szabályozásában és az egyes szervek vércukorszinttől függő eltérő glikolítikus aktivitásában fontos szerepet játszanak a hexokináz izoenzimek. A különböző szervekben eltérő hexokináz izoenzimek találhatók, de a legtöbb helyen az enzim glukóz iránti K M -értéke < 1 mM, és gátolható a reakcióban keletkező glukóz-6-foszfáttal. Így nem fordulhat elő, hogy a sejtek anorganikus foszfát készlete glukóz-6-foszfát formájában halmozódjon föl, amikor a glikolízis folyamata valamiért gátolt. A máj parenchymasejtjeiben található glukokináz, amelynek K M -értéke 10 mM körül van, nem

gátolható a glukóz-6-foszfáttal. A viszonylag magas K M -értéke magyarázza, hogy a vércukorkoncentráció kismértékű emelkedése fokozza a glukóz  glukóz-6-foszfát átalakulást, vagyis a májban a glukózfelhasználást, amely egyszersmind a vércukorszintet csökkenti. Azok a szervek, amelyekben az alacsony K M -értékű hexokináz foszforilálja a glukózt (pl. az agy), csökkenő vércukorszint esetén is hozzájutnak a glukózhoz A glukokináz működése összefügg az ellentétes irányú reakciót katalizáló glukóz6-foszfatáz működésével is. Ezt az enzimet is magas (~3 mM) K M -érték jellemzi, így a glukóz ↔ glukóz-6-foszfát átalakulás irányát a koncentrációviszonyok szabják meg. 5 mM körüli vércukor koncentráció mellett az ellentétes irányú folyamatok egyensúlyban vannak. Ez ATP-felhasználást jelent ugyan, de a két enzim együttes működése fontos szerepet játszik abban, hogy a máj az aktuális igényekhez alkalmazkodva

glukózt vesz fel, vagy ha szükséges, glukózt küld a keringésbe. A glukokináz gén transzkripcióját az inzulin fokozza, azaz glukokinázindukciót okoz. A megnövekedett enzimmennyiség a máj alkalmazkodását jelzi a megnövekedett glukózfogyasztáshoz. Inzulin hiányában a glukokináz elégtelenné válik és a megemelkedett vércukorszint ellenére a máj csökkent kapacitással képes a glukózt felvenni. BIOKÉMIA – SZÉNHIDRÁTOK ANYAGCSERÉJE 3. A glikolízis biológiai jelentősége. A Pasteur-effektus és mechanizmusa.  A glikolízis biológiai jelentősége         A glikolízis során egy molekula glukózból két molekula piruvát lesz; a glukóz lebontása során ATP keletkezik. Glikolízisre minden sejt képes; a metabolizmus „központi” tápanyaga a glukóz, mivel minden sejt képes hasznosítani és szénvázából a

szervezetben képződő valamennyi anyag szénváza fel(át)épülhet. A glikolízisben ezért klasszikusan érvényesül a metabolizmus kettős –anabolikus és katabolikus– jellege. A glikolízis a legősibb, univerzális energiatermelő folyamat; a glikolízis a glukóz katabolizmusának első, előkészítő szakasza. Az emberi szervezet glukózigénye kb. 160 g naponta A KIR, az agy sejtjeinek igénye ebből 120 g, és napi kb. 40 g glukóz fordítódik ATP-szintézisre főleg azokban a sejtekben, amelyek döntően vagy kizárólag a glikolízisből képesek energiát nyerni. Ilyenek a vvt-ek, a leucocyták, a cornea, a szemlencse, részben a retina sejtjei, a testis sejtjeinek jelentős része, a vese velőállományát alkotó sejtek, a mitokondriumokban szegény „fehér” gyors izmok. A glikolízis reakciói a sejt energiallapotától függően anabolikus szerepet is betölthetnek. Intermedierjei több bioszintetikus folyamat kiindulópontjai, illetve több katabolikus

folyamat végterméke glikolízis intermedier. Az a tény, hogy a glikolízis szabályozása elválaszthatatlan a glukoneogenezis szabályozásától biztosítja, hogy a két folyamat közti egészséges összhang a szervezet energiaállapotának, vércukorszintjének megfelelően történjen a glukóz metabolizmusa.  Pasteur-effektus    A glikolízis teszi lehetővé anaerob körülmények között is az ATP termelést. Aerob körülmények között a glikolízis a piruváttal végződik, ám anaerob körülmények között a piruvát laktáttá redukálódik. Olyan sejtekben, ahol nincsen mitokondrium (vvt) aerob körülmények között is laktát keletkezik. A glikolízis sebessége olyan szövetekben, ahol az oxigén ellátás változhat, alapvetően attól függ, hogy aerob vagy anaerob viszonyok vannak. BIOKÉMIA – SZÉNHIDRÁTOK ANYAGCSERÉJE     Louis

Pasteur fedezte fel, hogy anaerob körülmények között a glikolízis sebessége többszöröse annak, amit aerob körülmények között mérni lehet. Ezt a jelenséget nevezzük ma Pasteur-effektusnak. Magyarázata, hogy az ATP allosztérikusan gátolja az irreverzibilis foszforilációt katalizáló enzim, a foszfofruktokináz I aktivitását. Aerob körülmények között azonban működik a terminális oxidáció, amelyhez kapcsoltan az oxidatív foszforiláció ATP-t eredményez. Így ebben az esetben jóval lassabb glikolízis elegendő az adott mennyiségű ATP-szintézishez. Anaerob körülmények között a glikolízis magára marad, mint ATP-termelő folyamat. Értelemszerűen az ATP-mennyisége csökken, nincs ami „fékezze” a foszfofruktokináz I-t. BIOKÉMIA – SZÉNHIDRÁT-ANYAGCSERE 4. A táplálkozás szempontjából fontos mono-, di- és poliszacharidok,

emésztésük és felszívódásuk.  A táplálkozás szempontjából fontos mono-, di- és poliszacharidok  Monoszacharidok:  glukóz  galaktóz  fruktóz  Diszacharidok:  laktóz (glukóz + galaktóz; redukáló)  maltóz (két glukóz; redukáló)  szacharóz (glukóz + fruktóz; nem redukáló)  Poliszacharidok:  keményítő (glukóz α-14, illetve elágazásnál α-16)  cellulóz (glukóz β-14)  Emésztés           A táplálékkal elfogyasztott szénhidrátok a gyomor-bél traktusban enzimek hatására monoszacharidokká bomlanak, amelyek a vékonybél hámsejtjein keresztül szívódnak fel. A szájüregben megkezdődik a szénhidrátok emésztése, amiért a nyálban lévő αamiláz enzim a felelős. Ez az enzim specifikusan az α-14 glikozidos kötéseket hasítja. Az α-amiláznak egyaránt szubsztrátja a keményítő és a glikogén és, ám az enzim nem tudja hasítani sem az

α-16, sem az elágazásoknál lévő α-14 kötéseket, így ún. α-limit dextrinek maradnak vissza Ezt az enzimet mind a nyálmirigyek, mind a pancreas (exocrin funkció) termeli. A gyomor savas pH-ja mellett az α-amiláz aktivitása megszűnik. A gyomorból a doudenumba jutva a pancreas által szintén termelt α-amiláz a lúgos közegben ismét munkába áll. Ennek eredményeképpen itt α-limit dextrinek, maltóz, maltotrióz, laktóz, szacharóz és cellulóz található. A vékonybélben az oligoszacharidokat és diszacharidokat speciális enzimek bontják tovább (pl. laktáz, szukráz [=szacharáz], α-glukozidáz) Az emésztés végeredménye glukóz, galaktóz, fruktóz és a változatlan cellulóz. Ismert betegség az elsődleges laktóz intolerancia, amikor is a laktáz enzim hiánya miatt a laktóz nem bomlik monoszacharidokra (glu + gal), így az nem szívódik fel. Mivel az enzimet a vékonybél hámsejtjei termelik, így pl. vírusos gastroenteritis esetén a

gyulladásos sejtek miatt a laktáztermelés elégtelenné válhat, és kialakulhat BIOKÉMIA – SZÉNHIDRÁT-ANYAGCSERE az átmeneti, ún. másodlagos laktóz intolerancia (Ezért gastroenteritisben nem adunk tejtermékeket.)  Felszívódás     A vékonybél hámsejtjeinek apikális membránja a szénhidrátokra nézve igen limitáltan permeábilis. A bazális oldalra való átjutás viszont csak a sejten keresztül történhet. Ebben játszik szerepet az SGLT 1. A nátrium-glukóz kotranszporter (SGLT) géncsaládnak kb. 30 tagja van, melyekre jellemző a 13 transzmembrán régió. A vékonybél hámsejtjeinek apikális membránjában található az SGLT1, míg a vese proximális csatornáiban SGLT1 és SGLT2 egyaránt megtalálható.  Az SGLT1 jellemzői:  K M = 0,35 mM, tehát nagy affinitású  másodlagos aktív transzporttal működik, a Na+ elektrokémiai

grádiensének megfelelően  synport-ot végez, Na+:glukóz = 2:1  glukózon kívül galaktózra is specifikus  genetikai mutációja okozza az újszülöttkorban jelentkező galaktóz-glukóz malabszorpciót (GGM)  konklúzió: a vékonybél hámsejtjeinek az SGLT1-i az egyetlen transzport lehetőség a glukóz számára az kapillárisokhoz  therápiás felhasználás: glukóz pótlásnál (hypoglycaemia) a cukros folyadékba sót rakva gyorsíthatjuk a felszívódást, illetve só pótlásnál glukóz párhuzamos bevitelével hasonló eredményt érhetünk el  A fruktóz a GLUT-5 révén jut be a hámsejtekbe, míg a cellulóz változatlan formában ürül. Mégis fontos a cellulóz-bevitel, mern nagy ozmolaritása révén vizet, illetve tömeget tart vissza a béltraktusban, ami annak perisztaltikáját fokozza; ez utóbbi pedig csökkenti a vastagbélrák kialakulásának kockázatát (Utah-állambeli mormonok; egerekben indukált colontumor.)  Tekintettel

arra, hogy az SGLT1 hajtóereje a Na+-ból származó elektrokémiai grádiens, lennie kell egy rendszernek, ami ezt fenntartja, a folyamatosan fennálló Na+-influx ellenében. Ez a baso-laterális membránban elhelyezkedő Na+/K+-ATPáz A Na+/K+-pumpa elsődleges aktív tarnszportot végez, a sejt ATP-készletének kb. 30%-át elhasználja (neuronokban 50-70% is lehet). A két ionra nézve antiport a szállítás, míg 3 Na+-ot pumpál ki, addig 2 K+-ot pumpál be. Ezzel egyrészt hozzájárul a nyuglami membránpotenciál fenntartásához, másrészt gondoskodik a Na+-tól származó elektrokémiai grádiens állandóságáról.   BIOKÉMIA – SZÉNHIDRÁT-ANYAGCSERE  Anyagforgalom a bazális membránon   A glukóz a galaktóz és a frutóz a GLUT-2 révén jut át a kapilláris oldalra. A GLUT-családra jellemző, hogy  facilitált diffúziót végeznek, így a

transzport iránya a koncentráció grádiens irányával egyező  többféle izoforma ismert, melyek egymástól a K M -értékekben különböznek  mind az N-, mind a C-terminális IC helyezkedik el  a transzmembrán hélixek poláros AS-akat tartalmaznak  glukóz-kötés hatására konformációváltozás alakul ki, mely révén csatorna keletkezik  GLUT-1  K M = 5-10 mM  normális Vc-tartomány  alapfelvételt biztosít, (majdnem) minden sejtben megtalálható  hypoxiára reagálni képes, a vér-agy gát területén nagy számban fordul elő  GLUT-2  K M = 20-40 mM  ez tudja követni a Vc-szint emelkedést  jellemző a bélhámsejtekben, májban, vesében, pancreasban  GLUT-3  K M = 1-5 mM  legkritikusabb helyekre lokalizálódik (agy, placenta)  nagy az affinitása  GLUT-4  K M < K M-GLUT-3  még nagyobb affinitás  adipocytákban, izomban lokalizálódik, javarészt IC vezikulákban  inzulindependens

működés jellemzi  inzulin receptor ligandkötésére reagálva a vezikulák a sejtmembránnal fúzionálnak  zsír-és izomszövet nagy kiterjedésére való tekintettel effektív glukóz-felvétel  így a plazma [Vc] gyorsan csökken  GLUT-5  vékonybél apikális hámjában nagy mennyiségben fordul elő  fruktózra nagyobb affinitást mutat, mint a glukózra  GLUT-7  májból izolált, az ER-ban helyezkedik el, nem a sejtmembránban  Mivel a GLUT facilitált transzportot végez, elméletileg ez kétirányú lehet a [Glu]grádiens függvényében; a máj kivételével ez még sem így van. Lennie kell egy rendszernek, ami biztosítja az egyirányú [Glu]-grádienst. Ez pedig a glukóz azonnali foszforilációja a sejtben, amit a hexokináz végez   A hexokinázra jellemző  K M = 0,05 mM  örökké telített  semmit nem limitál és semmit nem szabályoz  a végtermék (glu-6-P) allosztérikusan gátolja (kivétel a májban)

BIOKÉMIA – SZÉNHIDRÁT-ANYAGCSERE    aspecifikus, tehát minden hexóz a szubsztrátja a májban egy izoenzimje működik, a glukokináz, aminek a K M = 10 mM, tehát követi az emelkedő Vc-szintet, glukózra specifikus, nincsen allosztérikus végtermékgátlás A máj tehát két módon képes követni az emelkedő Vc-szintet:  magas K M -értékű (20-40) GLUT-2 van a sejtmembránban  magas K M -értékű (10) glukokináz enzim foszforilál a plazmában  Glukóz eloszlása a szervezetben         A GLUT K M -értékei mutatják a szervek prioritását. A magas K M -érték jól követi a Vc-szint emelkedést  máj, pancreas. agy: kritikus glukózigénnyel bír, így itt kis K M -értékű GLUT-3 vvt: kizárólag glukózból él, mivel mitokondriuma nincsen, csak glikolízisből származik az ATP adipocyták: glukózból zsírt szintetizál

izom: gyors és nagyteljesítményű izommunkához elengedhetetlen, felveszi, raktározza vese: kiválasztja, majd visszaszívja pancreas: kulcsfontosságú az érzékenysége, hiszen a glukózfelvétele szignál az inzulin-szintézisre nézve máj: felveszi, ha túl sok; szintetizál, ha túl kevés; glikogén formában raktározza; ha nagyon sok  zsírt szintetizál  Szénhidrát-anyagcsere hypoxiában     Ha csökken a vér pO 2 -je, akkor csökken a terminális oxidáció is, amihez O 2 kell. Ha a terminális oxidáció leáll, marad a glikolízis ATP-termelésre, ami nem működik olyan hatásfokkal. A glikolízis glukózigénye jóval nagyobb, így sokkal több glukózra van szükség. Ezt az egész jelenséget Pasteuer-effektusnak nevezzük. Extra glukóz-igény kielégítése három módon történhet:  a membránban lévő GLUT-1 aktivitása emelkedik  IC-vezikulákban tárolt GLUT-1 jut a sejtmembránba  génszinten emelkedik a GLUT-1

expressziója BIOKÉMIA – SZÉNHIDRÁTOK ANYAGCSERÉJE 5. A fruktóz metabolizmusa. Fruktóz intolerancia, esszenciális fruktózuria.  A fruktóz metabolizmusa        A fruktóz a vékonybélhám sejtjeinek apikális felszínén található GLUT-5 típusú glukóztranszporteren keresztül szívódik fel, tehát eltérően a glukóztól és a galaktóztól. A napi fruktózbevitel 100 g, melynek jelentős része az asztali cukorból (szacharóz) származik. Sok fruktózt tartalmaznak a gyümölcsök, a méz Újabban az élelmiszeripar nagy előszeretettel használja, mert kisebb mennyiségben kelt édes ízérzést, mint a glukóz, így csökkenthető az energiabevitel. Metabolizmusára jellemző, hogy olyan intermedierek keletkeznek, melyek vagy a glikolízis vagy a glukoneogenezis folyamataiban alakulnak tovább. Elsősorban a májban metabolizálódik, mivel a

máj tartalmazza legnagyobb mennyiségben a fruktokináz enzimet, amely foszforilálja a fruktózt, és fruktóz-1-P keletkezik. A fruktóz-1-P az aldoláz B hatására glicerinaldehidre és dihidroxiaceton-foszfátra hasad. A glicerinaldehidből glicerin-foszfáton keresztül dihidroxiaceton keletkezik, így a fruktóz vagy a glikolízisbe csatlakozik és lebomlik, vagy a glukoneogenezisben glukózzá alakul.        A glicerinaldehidből az alkohol dehidrogenáz által katalizált reakcióban keletkezik glicerin, miközben egy NADH oxidálódik NAD+-dá. A glicerint a glicerinkináz alakítja tovább glicerin-foszfáttá. A reakció egy ATP terhére történik. A glicerinfoszfátot a glicerinfoszfát-dehidrogenáz alakítja tovább dihidroxiaceton-P-tá, miközben egy NAD+ redukálódik NADH-vá. A fruktóz szubsztrátja a hexokináznak, de sokkal kisebb az affinitása az enzimnek a fruktózhoz, mint a glukózhoz. Fruktóz-6-P számottevően csak a

zsírsejtekben keletkezik. Mivel a folyamat kikerüli a glikolízis sebességmeghatározó lépését szabályozó foszfofruktokináz I-t, a fruktóz metabolizmusának sebessége csak a fruktóz mennyiségétől függ. A fruktóz így gyorsan metabolizálódik, és a keletkező acetilCoA a májban könnyen zsírsavvá alakul tovább Fontos, hogy a frkutokinázt nem gázolja allosztérikusan a végtermék (fruktóz-1-P), vagyis a sejtekbe kerülő fruktóz azonnal foszforilálódik. Ez fiziológiásan azt jelenti, hogy a májsejtek fruktózfelvétele nem korlátozott. (Extrém nagy mennyiségű fruktózbevitel esetén az aldoláz B kapacitása nem elegendő, a fruktóz-1-P továbbalakulása az igényekhez képest korlátozott, így fruktózintoleranciát imitáló tünetek jelentkezhetnek  hypoglycaemia.) BIOKÉMIA – SZÉNHIDRÁTOK ANYAGCSERÉJE  Fruktóz keletkezhet is a

szervezetben glukózból, szorbitolon keresztül. A fruktóz a spermiumok legfőbb energiaforrása, amihez a fruktóz a vesicula seminalisban keletkezik, és innen szekretálódik. A spermiumokban a fruktóz a glikolízis és a citrátkör folyamataiban CO 2 -dá és H 2 O-zé oxidálódik, a keletkező energia pedig a spermiumok mozgását fedezi.  Fruktózintolerancia      Ha a fruktóz továbbalakulása enzimdefektus miatt akadályozott, a fruktóz-1-P felszaporodik. Ez történik a fruktózintoleranciában, amikor az aldoláz B működése elégtelen. Következménye, hogy lecsökken a hepatocytákban az anorganikus foszfát mennyisége, mert az a foszfát-1-P csapdájába esik. Továbbiakban a csökkent P i -koncentráció csökkent ATP-szintézishez vezet, amely súlyos következményekkel járhat, ha a K+/Na+ pumpa is sérül. Az egyik legsúlyosabb tünet, a fruktózfogyasztást követően kialakuló hypoglycamia, aminek oka, hogy anorganikus foszfát

hiányában nem tud a glikogénből glukóz-1-P keletkezni, így kiesik egy, a vc-szint fenntartásához szükséges akut szabályozás.  Esszenciális fructosuria   Előforduló jóindulatú állapot, melyben a fruktokináz működése elégtelen. Fruktózfogyasztást követően ilyenkor a vérben nagymértékben megnő a fruktózkoncentráció, amely ennek következtében a vizeletben is megjelenik. BIOKÉMIA – SZÉNHIDRÁTOK ANYAGCSERÉJE 6. A galaktóz metabolizmusa, galaktozémia, laktózszintézis.  A galaktóz metabolizmusa       A galaktóz a vékonybélhám sejtek apikális felszínén a glukózzal közösen az SGLT-1 kotranszporteren keresztül szívódik fel. Fontos tápanyag, különösen születés után, amikor a tej a meghatározó táplálék. Metabolizmusára jellemző, hogy olyan intermedierek keletkeznek, melyek vagy a glikolízis vagy

a glukoneogenezis folyamataiban alakulnak tovább. A tejcukorból (laktóz) az emésztés során keletkező galaktóz a májban metabolizálódik. A galaktózt a galaktokináz foszforilálja ATP terhére; a reakcióban galaktóz-1-P keletkezik. A következő lépést a galaktóz-1-P-uridil-transzferáz katalizálja, melynek eredményeképpen ADP-galaktóz és glukóz-1-P képződik. Ennek az a jelentősége, hogy az epimeráznak, amely a galaktóz-glukóz átalakítást végzi, az UDP-galaktóz a szubsztrátja. A keletkező UDP-glukóz glukóz-1-P-on keresztül glukóz-6-P-tá alakul, amelynek további sorsát a metabolizmus egyéb tényezői határozzák meg.  Galactosaemia     Nem metabolizálódik a galaktóz akkor, ha elégtelen az UDP-galaktóz szintéziséhez szükséges galaktóz-1-foszfát-uridil-transzferáz működése, mert a folyamat a galaktóz-1-P-nál megáll. Ez az állapot a galactosaemia, amelyre jellemző a tejfogyasztás után jelentkező hányás,

hasmenés, hepatomegalis, icterus és mentális retardáció kialakulása. A galactosaemia galactosuriával jár. Ha a beteg étrendjéből a tejet és tejterméket teljesen kivonjuk, a mentális retardációt leszámítva az összes tünet visszafejlődik. Ezért fontos a betegség korai diagnosztizálása. A betegségben a galaktóz az aldóz-reduktáz hatására redukáldik és galaktikol képződik, ami a szemlencsében cataracta kialakulásához vezet.  Laktózszintézis   A galaktóz nem esszenciális tápanyag. Tekintve, hogy az UDP-galaktóz-4-epimeráz által katalizált reakció reverzibilis, a glikoproteinek, a glikolipidek ill. a szoptatás alatt a laktózszinzézishez szükséges galaktóz glukózból szintetizálódhat. Az emlőmirigyben történik a laktóz-szintáz hatására a laktózszintézis. Az enzim katalitikus alegysége, a galaktozil-transzferáz, melynek szubsztrát-specificitását az határozza meg, hogy jelen van-e egy másik alegység is, az

α-laktalbumin. BIOKÉMIA – SZÉNHIDRÁTOK ANYAGCSERÉJE    Ennek hiányában a laktóz-szintáz a galaktózt N-acetil-glukózaminhoz köti, aminek a glikoproteinek szintézisében van jelentősége. Amennyiben van jelen α-laktalbumin, a galaktóz glukózhoz kapcsolódik és tejcukor keletkezik. Az α-laktalbumin szintézise prolaktin hatására a szülést követően csak az emlőmirigyben keletkezik, ezért a laktóz is csak itt szintetizálódik. BIOKÉMIA – SZÉNHIDRÁTOK ANYAGCSERÉJE 7. A glukóz direkt oxidációja (pentózfoszfát ciklus).  A pentózfoszfát út    Egyaránt hívjuk ezt a reakciósorozatot pentózfoszfát-ciklusnak, és a glukóz direkt oxidációjának. Ez azt jelzi, hogy több rendeltetésű, különböző módokon megvalósuló reakciók

sorozatáról van szó. A pentóz-foszfát-út során NADP+ redukálódik, illetve ribóz-5-P termelődik glukóz-6-P-ból. A citoszólban lejátszódó reakciósorozat két részre osztható.  A glukóz direkt oxidációjának oxidatív szakasza   A reakciósorozat első, elkötelező lépése a glukóz-6-P átalakulása 6-foszfoglukonodelta-laktonná. Ez egy irreverzibilis oxidoredukció, melyet a glu-6-P-dehidrogenáz katalizál. A reakció közben oxidálódó glu-6-foszfátról a hidrogén NADP+-re kerül.  Ezután következik a C1 karboxil- és a C5 hidroxilcsoport közötti intramolekuláris észterkötés (laktongyűrű) felszakadásával a 6-foszfoglukonát képződése. A reakciót a laktonáz katalizálja, amivel újabb dehidrogenálást készít elő.  A harmadik lépést a 6-foszfoglukonát-dehidrogenáz katalizálja. Ebben az oxidoredukciós reakcióban a hidrogénakceptor szintén a NADP+. Abban külünbözik ez a reakció az elsőtől, hogy itt a

szubsztrát dekarboxileződése is megtörténik (oxidatív dekarboxilezés), így a hexóz pentózzá alakul, és keletkezik a D-ribulóz-5-P.   Az oxidatív szakasz során tehát két NADPH, illetve egy CO 2 (HCO 3 -) képződik, miközben egy glu-6-P-ból egy D-ribulóz-5-P lesz. BIOKÉMIA – SZÉNHIDRÁTOK ANYAGCSERÉJE  A D-ribulóz-5-P két módon alakulhat tovább.  izomerációval a foszfopentóz-izomeráz szubsztrátjaként D-ribóz-5-P képződik (a glikolízis során megismert aldóz-ketóz átalakulásokhoz hasonlóan)  D-xilulóz-5-P képződik belőle a foszfopentóz-epimeráz által katalizált reakcióban  A D-ribóz-5-P a nukleotidszintézis előanyaga. Ha a sejtben erre éppen nincs szükség, további reakciók segítségével glikolízis intermedierekké alakulhat.  A pentóz-foszfát ciklus nem oxidatív szakasza      Ezt a

szakaszt reverzibilis reakciók alkotják, melyek során fruktóz-6-P, illetve glicerinaldehid-3-P képződik pentóz-foszfátokból A folyamat fordítva is végbemehet: a glikolízis intermedierekből pentózfoszfátok is keletkezhetnek. A reakciókat kétféle enzim, a transzaldoláz és a transzketoláz katalizálja. A transzketoláz két szénatomos csoport átvitelét teszi lehetővé, koenzime a tiamin-pirofoszfát. A transzaldoláz három szénatomos csoport átvitelét katalizálja. Mind a kétféle csoport ketocsoportot tartalmaz, így a donor mindig ketóz, az akceptor pedig aldóz. Így a kiinduláshoz mind a pentóz-foszfátok, mind a glikolízis intermedierek oldaláról egy ketóz és egy aldóz szükséges. BIOKÉMIA – SZÉNHIDRÁTOK ANYAGCSERÉJE     A pentóz-P-okból kiindulva xilulóz-5-P-ból és ribóz-5-P-ból glicerinaldehid foszfát és

szedoheptulóz-7-P keletkezik a transzketoláz által katalizált reakcióban. A keletkezett két intermedier transzaldoláz segítségével továbbalakul fruktóz-6-P-tá és eritróz-4-P-ttá. A fru-6-P további sorsa a glikolízis / glukoneogenezis állapotának függvénye. Az eritróz-4-P to-vábbi metabolizmusához egy újabb ketopentóz (xilulóz-5-P) kell, valamint transzketo-láz. A reakció eredménye két glikolízis intermedier, a fru-6-P és a glicerinaldehid-3-P. Összefoglalva, két molekula xilulóz-5-P-ból és egy mole-kula ribóz-5-P-ból két mole-kula fruktóz-6-P, illetve egy molekula glicerinaldehid-3-P keletkezik három reverzibilis reakcióban, tehát mindez fordítva is végbemehet. BIOKÉMIA – SZÉNHIDRÁTOK ANYAGCSERÉJE 8. A pentózfoszfát ciklus metabolikus jelentősége, szabályozása és orvosi vonatkozásai.  A pentózfoszfát ciklus jelentősége,

szabályozása        Jelentősége kettős, egyrészt NADPH-termelés, másrészt a pentózfoszfát szintézise. NADPH-ra van szükség többek között a zsírsavak, a koleszterin, a szteroidhormonok szintézisénél; a NADP+-redukciójának a pentózfoszfát ciklus az egyik legfontosabb helye. Az oxidatív reakciómenet egyik végterméke, a ribóz-5-P a nukleotid-, nukleinsav szintézis egyik nélkülözhetetlen alapanyaga. A NADP+ redukció és a pentózfoszfáttermelés igénye azonban nem mindig esik egybe Vannak esetek, amikor NADPHra van szükség, pentózfoszfátra azonban nem és fordítva Irreverzibilis, elkötelező és sebességmeghatározó lépés az oxidatív szakaszban a glukóz-6-P dehidrogenálása. Ha a pentóz-foszfát igény nagyobb és NADPH-ra nincs szükség, a nem oxidatív szakasz aktív, az oxidatív szakasz nem működik. Ilyenkor a Glukóz-6-P-dehidrogenáz gátlás alatt áll, aminek aktivitását egyébként elsősorban a

NADP+/NADPH arány szabályozza. Pentózfoszfát fruktóz-6-P-ból és gicerinaldehid-3-P-ból keletkezik.  Ha NADPH-ra és pentózfoszfátra is szükség van, csak az oxidatív szakasz működik.  Amikor nincs szükség pentózfoszfátra, de NADPH kell, a reakcióút ciklusként működik. A glukóz-6-P-ból keletkezett pontózfoszfátok tovább alakulnak fruktóz-6-P-tá, ill. glicerinaldehid-3-P-tá, melyek mint glikolízis/glukoneogenezis intermedierek visszalakulnak glukóz-6-P-tá. Hat ciklus alatt a glukóz valamennyi C-atomja CO 2 -dá oxidálódik, miközben 12 molekula NADP+ redukálódik NADPH-vá.      Alacsony a ciklusintenzitás izomsejtekben, ugyanakkor magas a zsírszövetben a zsírsavszintézis fokozott NADPH-igénye miatt, és daganatokban az intenzív nukleinsavszintézis miatt emelkedett pentózfoszfát-igényt kompenzálandó. Intenzív a ciklus azokban a sejtekben, ahol a glutation fontos a sejthomeosztázis biztosításában, így pl.

vörösvértestekben, májszövetben Az oxidált glutationt a glutation-reduktáz redukálja, az elektrondonor a NADPH. A glutation egy olyan tripeptid (glu-cys-gly), ami a cisztein SH-csoportja révén szabad oxigéngyököket tud eliminálni. Ebben az esetben oxidáció hatására két glutation között kialakul egy diszulfid-híd. BIOKÉMIA – SZÉNHIDRÁTOK ANYAGCSERÉJE  A pentózfoszfát-ciklus orvosi vonatkozásai       A glu-6-P-dehidrogenáz-hiány vörösvértestekben kb. 100 millió embert érintő öröklődő betegség. Rendszerint gyógyszer által indukált haemolyticus anaemiakét jelentkezik. A csökkent enzimexpresszió vvt-ekben komoly gond, hiszen mitokondrium hiányában a pentózfoszfát-ciklus kiemelt jelentőségű a NADPH-termelést tekintve. A vvt-ekben a NADPH elsősorban az antioxidáns redukált glutation-szint fenntartásához kell.

Fokozott oxidáns hatás (pl. a betegség felfedezéséhez vezető antimaláriás szer) fokozott glutationoxidációt, az emelkedett oxidált glutation szint intenzív NADPHoxidációt eredményez. A pentózfoszfát út azonban nem tud intenzívebben működni az enzimhiány miatt, azért a NADPH-termelés nem tud alkalmazkodni a fokozott igényekhez. A betegség jellemző példa a genetikából ismert heterozigóta szelekciós előny jelenségre, mivel a malária-kórokozó szaporodásának ez nem kedvez. H 2 O 2  glutation peroxidáz  2 H 2 O glu-6-P  glu-6-P-dehidrogenáz  6-P-glukono-δ-lakt.   A Wernicke-Korsakoff-szindróma genetikailag kialakuló transzketoláz-hiány. Ebben az esetben a betegség manifesztációjához szintén szükséges környezeti indukció: B-vitamin hiány. A kórkép krónikusan alultáplált, alkoholista betegeken fejlődik ki, főként neuropszichiátriai tüneteket okozva. BIOKÉMIA – SZÉNHIDRÁTOK ANYAGCSERÉJE

9. A pentózfoszfát cikluson kívüli NADPH keletkezési lehetőségek a sejtben.  NADPH keletkezés a pentózfoszfát cikluson kívül  A zsírsavszintézishez elengedhetetlen, hogy a sejtekben NADPH álljon rendelkezésre. Ez elsősorban a glukóz direkt oxidációja során keletkezik  Emellett NADP+ redukciója kíséri a citoplazmában az almasav  piruvát átalakulást, amit az almasav enzim katalizál. Almasav oxálecetsavból keletkezik a citoplazmatikus malátdehidrogenáz hatására. Végsősoron a zsírsav-szintézishez a szunsztrátot szállító citrát hozzájárul a szintézis egy másik kimponensének, a NADPH-nak a keletkezéséhez is. A folyamat reverzibilis, fordított irányban malát keletkezését teszi lehetővé piruvátból, ami a citrátkör intermedierjeit pótló, ún. anaplerotikus reakció    NADPH keletkezhet még a citoplazmában az

izocitrát-dehidrogenáz által katalizált reakcióban, amikor is a mitokondriális citrátból származó izocitrát alakul át α-ketoglutaráttá, s ez megy vissza a citoszolból a mitokondriumba.  Nem tisztázott, hogy in vivo melyik reakció, milyen mértékben vesz részt a zsírsavszintézishez szükséges NADPH előállításában, valószínű, hogy ez a sejten belül egyéb reakcióutaknak is függvénye. BIOKÉMIA – SZÉNHIDRÁTOK ANYAGCSERÉJE 11. A glikogénszintézis. A glikogén biológiai szerepe  A glikogészintézis       A reakciósor kiindulási anyaga a glukóz-6-P, ami vagy a glukóz foszforilációja vagy a glukoneogenezis során képződik. A glu-6-P szubsztrátja a foszfoglukomutáz enzimnek, ami reverzibilis reakció során azt glu-1-P-tá alakítja. Az enzim aktív centruma foszforilált szerint tartalmaz, amely reverzibilisen

elveszíti P i -ját, amikor kialakul a glu-6-P-ból a reakció intermedierje, a glu-1,6bisz-P. Az enzim regenerálódik, amikor az intermedierről a C6-on lévő P i visszakerül, és kialakul a glukóz-1-foszfát. A glukóz-1-P UTP-hez kötődik, és „aktivált” glukózt képez, ami nem csak a glikogénszintézisnek, hanem sok más bioszintetikus útnak is prekurzora. A reakció kondenzáció, amit az UDP-gukóz-pirofoszforiláz katalizál, miközben piroszfát (PP i ) szabadul fel. glukóz-1-P 3 UTP  UDP-glukóz + PP i  A PP i az anorganikus pirofoszfatáz által katalizált reakcióban anorganikus foszfátokká hasad szét, így az UDP-glukóz kialakulásának két makroerg kötés az ára, emiatt a reakció igen exergonikus.  A glikogén-szintáz által katalizált glukóz-transzferben az UDP-glukóról a glikogénnláncvégi nem redukáló glukózához egy újabb glukóz kapcsolódik α-14 kötésben. A glikogén-szintáz azonban nem képes elkezdeni a

glikogénlánc szintézisét, működéséhez legalább egy 4 glukózból álló primer szükséges. Az első glukóz egy glikogenin nevű fehérjében egy Tyr-hoz kapcsolódik. A glikogenin és a glikogén-szintáz együttes hatása szükséges az első nyolc glukózegység összekapcsolásához.      Az elágazásokat az amilo-(14)-(16)-transzglikoziláz vagy glikozil-(46)transzferáz enzim alakítja ki. Ha egy legalább 1 glukózból álló lánc elkészül, az enzim egy kb. 7 glukóz által alkotott láncrészt áthelyez és α-16 kötéssel kapcsolja a poliglukóz-lánchoz. A glikogénmolekula felépítésében igen nagy szerepe van az elágazásoknak. A láncvégi glukózok számának növelése egyre több lehetőséget nyújt a glikogénfoszforiláz, illetve a glikogén-szintáz működésére, ezért ez gyorsítja a glikogénszintézist és lebontást. BIOKÉMIA – SZÉNHIDRÁTOK ANYAGCSERÉJE

 A glikogén biológiai szerepe     A sejtek egy jelentős része képes a glukóz raktározására glikogén formájában. A két legfontosabb glikogénraktár a máj és az izom. Az izomban tárolt glikogén csak az izom számára tud szükség esetén energiát szolgáltatni, a vércukorszint szabályozásának szempontjából a máj glikogénraktára a jelentős. A glikogénben történő raktározás előnye, hogy igény esetén gyorsan és glukózként mobilizálható a benne tárolt glukóz. Hátránya, hogy nagyobb a raktározás helyszükséglete annál, mint amikor a glukózból zsírsavak képződnek és a tárolás lipid formában történik. Ez utóbbi esetben viszont a mobilizálás során képződő intermedierek nem glukoplasztikus anyagok. BIOKÉMIA – SZÉNHIDRÁTOK ANYAGCSERÉJE 12. A glikogenolízis.

Glikogéntárolási betegségek  A glikogenolízis    A glikogén lebontását a sejtekben a glikogén-foszforiláz nevű enzim végzi. A reakcióhoz anorganikus foszfátra van szükség, a lehasadó glukóz foszforilálódik, és glukóz-1-foszfátként szabadul fel. Ez a foszforolízis energetikailag igen kedvező, így ez a reakció különbözik a glikogén hidrolítikus bontásától, amit az α-amiláz katalizál, és a szénhidrátok lebontásában van szerepe. A glikogén-foszforiláz működéséhez piridoxál-foszfát szükséges.  Az elágazásokat külön („debranching”) enzim, az ún. oligo-(α6)-(α4)-glukántranszferáz bontja  A képződött glukóz-1-P-ból a foszfoglukomutáz által katalizált reakcióban glukóz6-P keletkezik, amely vagy a glikolízisben alakul tovább (izom), vagy a glukóz-6foszfatáz hatására glukózzá alakul (máj) és a keringésbe jut.  Glikogéntárolási betegségek  Ezeket az öröklődő

betegségeket glycogenosisok néven foglaljuk össze. Nyolc típusú glycogenosist írtak le, amelyek a glikogén-anyagcsere különböző enzimeinek defektusai.  A von Gierke-kórban egy nem glikogén metabolizmus enzim, a glukóz-6-foszfatáz expressziója igen alacsony a májban, a vesében és a vékonybélben. Az enzim hiánya következtében a glikogén nem tud lebomlani, mivel nincs meg a glukózszekréció lehetősége. Hypoglycaemia alakul ki, étkezések közötti éhségrohamok jellemzik az állapotot, ketosis és hyperlipaemia lép fel. A máj glikogénszerkezete normális, de a mennyisége igen nagy és hepatomegalis jön létre.        A McArdle-syndroma az izom glikogén-foszforiláz hiánya miatt alakul ki. Hiába magas az izom glikogéntartalma, az egyébként normálisan fejlett betegek képtelenek aktív izommunkára. A laktátkoncentráció az izomban nem emelkedik meg, illetve a pH nem csökken. Az izomglikogén hasznosítása nem

történik meg, az izomsejt energiaszükségletét nem fedezi. A betegségből következik, hogy az izomglikogén megfelelő hasznosítása nélkül is lehet élni. BIOKÉMIA – SZÉNHIDRÁTOK ANYAGCSERÉJE    Az Andersen-betegségben a májban az elágazásokat katalizáló enzim expressziója károsodik. Az így szintetizálódott glikogén kevés elágazást tartalmaz, mennyisége nagy de funkcióját nem képes ellátni. A betegség az első életévben halálos. BIOKÉMIA – SZÉNHIDRÁTOK ANYAGCSERÉJE 13. A glikogén anyagcsere szabályozása.  A glikogén anyagcsere szabályozása     A glikogén-anyagcsere két kulcsenzime, a glikogén-szintáz és a glikogénfoszforiláz egyaránt foszforilált és defoszforilált állapotban létezhet. Mindkét enzim

tartalmaz több olyan Ser-oldalláncot, amely OH-csoportja foszforilálódhat protein-kináz hatásra., illetve defoszforilálódhat protein-foszfatáz hatásra. Különbség a két enzim között, hogy a glikogén-szintáz foszforilált állapotban inaktív, míg a glikogén-foszoriláz foszforilált állapotban aktív, tehát a foszforiláció ellentétesen befolyásolja a két enzim működését. Mivel az izom- és a májglikogén funkciója az anyagcserében különbözik egymástól, ezért szabályozásuk is eltérő.  A glikogén anyagcsere szabályozása izomban             A glikogénből felszabaduló glukóz-1-P a glikolízisbe kerül. A glikogénraktár az izom fokozott energiaszükségletét fedezi. A glikogén-foszforiláz enzim nyugalmi állapotban zömmel defoszforilált glikogénfoszforiláz b (kevésbé aktív). A foszforiláció a két alegységből álló enzim egy-egy Ser OH-csoportján következik be a foszforiláz

b-kináz hatására. A foszforiláz-kináz 4-féle alegységből áll (α, β, γ, δ) 4 . Az α- és β-alegység tartalmazza a Ser-oldalláncokat, melyek a cAMP-dependens protein-kináz hatására foszforilálódnak. A δ-alegység 4 Ca2+ kötőhellyel rendelkezik és nem más, mint kalmodulin. A γ-alegység a katalitikus rész, ami a Ca2+-kötésre aktiválódik, defoszforilált enzim esetében is; a foszforilált enzim pedig csak Ca2+ jelenlétében működik teljes aktivitással. Ezért a vázizomban a kalciumot a foszforiláz b-kináz allosztérikus effektorának tekintik. Kontrakció esetén a megemelkedett myoplazmatiokus [Ca2+] serkenti a foszforiláz b átalakulását foszforiláz a-vá. A kevésbé aktívvá való átmenetet (foszforiláz a  foszforiláz b) a foszforiláz afoszfatáz (vagy foszfoptotein-foszfatáz-1) nevű enzim katalizálja defoszforilációval. A foszforilációval történő szabályozás izomban másodpercek alatt megy végbe elsősorban adrenalin

hatására, β-receptor közreműködésével, cAMP által mediált szignáltranszdukcióval. A glikogén-foszforiláz a hatására keletkező glukóz-1-P glokóz 6-P-on keresztül a glikolízisbe áramlik, fokozódik az ATP-termelés, ami az intenzív izommunkát biztosítja. BIOKÉMIA – SZÉNHIDRÁTOK ANYAGCSERÉJE    A glikogén foszforiláz b allosztérikusan is aktiválható AMP-vel, mivel az AMPkötőhellyel rendelkezik. AMP hatására ms-ok alatt a foszforiláz b aktív lesz, így az allosztérikus szabályozás gyorsabb, mint a posttranszkripciós kovalens modifikáció. Az AMP-koncentráció akkor emelkedik, ha az ATP-lebontás fokozódik. Ha az ATP magas koncentrációban áll rendelkezésre, az AMP nem aktiválja az enzimet, mert az ATP gátolja az AMP bekötődését az allosztérikus kötőhelyre.  A glikogén anyagcsere szabályozás a májban    

        Májban a glikonraktár funkciója a vércukorszint fenntartása. Ez vc-csökkenés esetén glikogénlebontást és glukózexportot, táplálékbevitel, illetve többlet esetén glukózimportot és raktározást jelent. Glikogenolízis során felszabaduló glukóz-1-P-ból itt is glukóz-6-P lesz, amit a hepatocyta az ER lumenében lévő glukóz-6-foszfatáz defoszforilál és a glukóz a keringésbe szecernálódik. A májban a glikogén-foszforiláz b a átalakulás fő hormonális aktivátora a glukagon, cAMP-függő jelátvitellel. A májban is létezik egy, az i.c [Ca2+] emelkedésén keresztül, α 1 -adrenerg receptorokon át ható jelátviteli út, amelynek révén az adrenalin fokozza a glikogenolízist. A glikogén-foszforiláz a a májban allosztérikusan is szabályozódik: az effektor molekula itt a glukóz. Emelkedett vc-szint esetén a glukóz a hepatocitában a glikogén-foszforiláz a-hoz kötődik és konformációváltozást

okoz. Így a foszforiláz a szubsztrátjává válik a foszfatáznak és a foszforilált Ser defoszforilálódik: megtörténik az a  b átlakulás. A májban lévő glikogén-foszforiláz a-t ezért glukózszenzornak tekintjük, ami a máj glikogén metabolizmusát a vércukorszintnek megfelelően szabályozza. A glikogén-szintáz regulációja éppen ellentétes. A defoszforilált állapotban aktív enzim a glikogén-szintáz a. Többféle proteinkináz (cAMP- és kalmodulindependens) álta foszorilálódik, és a kevésbé aktív glikogén-szintáz b-vé alakul. Az aktivációt a defoszforilációt katalizáló foszfoprotein-foszfatáz-1 végzi. A foszfoprotein-foszfatáz aktivitását a foszforiláz a gátolja. A foszforioláz a  b átalakulással a gátló hatás kiesik, így a glukóz hatására nemcsak a glikogenolízis csökken, hanem a glikogénszintézis is fokozódik. A glikogén-szintáz defoszforilálását, így aktiválását az inzulin serkenti. Összefoglalva: a

szabályozás azt biztosítja, hogy egyszerre teljes intenzitással ne történjen glikogénszintézis és –lebontás. BIOKÉMIA – SZÉNHIDRÁTOK ANYAGCSERÉJE 14. A glukoneogenezis reakciói.  A glukoneogenezis    A glukoneogenezis az a folyamat, amikor a glukóz szintetizálódik nem szénhidrát prekurzorokból (de novo). A kiindulási anyag lehet laktát, glukoplasztikus aminosavak, glicerol és propionsav. A folyamat legtöbb lépését ugyanazok az enzimek katalizálják, mint a glikolízisben, és az intermedierek is majdnem teljesen azonosak. A glukoneogenezis mégsem a glikolízis reakcióinak egyszerű megfordítása, hiszen három olyan enzim is részt vesz a glikolízisben, amelyek irreverzibilis folyamatokat katalizálnak. Ezek a hexokináz, a foszfofruktokináz I és a piruvátkináz, melyek a glukoneogenezisben nem vesznek részt  A glukoneogenezis

reakciói       Az első olyan reakció, amely nem egyszerűen a glikolízis megfordítása, a piruvát  foszfoenolpiruvát átalakulás, melyben makroerg foszfátkötés jön létre. A reakcióhoz két enzimre és makroerg foszfátvegyületre van szükség, miközben oxálecetsav intermedier keletkezik. A piruvát-karboxiláz katalizálja a piruvát  oxálacetát átalakulást, amihez biotin közreműködése szükséges. Az enzim négy azonos alegységből áll, mindegyik egy molekula biotint köt egy lizin ε-aminocsoporton keresztül. A folyamat energiaigényes, mert ATP hidrolízise szükséges ahhoz, hogy a bikarbonát „aktiválódjon”. Az ATP-ről lehasadó foszfát és a bikarbonát között vegyes savanhidridkötés jön létre, innen a CO 2 először az enzimen kötött biotinra, majd a biotinról a piruvátra kerül és kialakul az oxálacetát. A piruvát karboxiláz működéséhez acetil-CoA-ra van szükség, ami az entim allosztérikus

aktivátora.  A PEP-karboxikináz hatására az oxálacetátból alakul ki a PEP, amelyben a makroerg kötéssel kapcsolódó foszfátot GTP adja. Így a piruvát  PEP átalakulás összesen 2 ATP felhasználását jelenti.  A glukoneogenezis két enzime, a piruvát karbixiláz és a glukóz-6-foszfatáz nem a citoszolban működik. A piruvát-karboxiláz a mitokondriumban lokalizálódik, és itt keletkezik az oxálacetát, aminek a citoszolba kell transzportálódnia ahhoz, hogy szubsztrátja lehessen a PEP-karboxikináznak. A mt belső membránon azonban az oxálacetát nem tud áthaladni, így vagy transzaminálással aszpartáttá alakul, amit az aszpartát-glutamát carrier a citoszolba   BIOKÉMIA – SZÉNHIDRÁTOK ANYAGCSERÉJE   transzportál, vagy a malát-dehidrogenáz által katalizált reakcióban maláttá redukálódik és így kerül a citoszólba.

A citoszolban transzaminálás útján újra oxálacetát keletkezik, illetve a malát oxálacetáttá oxidálódik és NADH+H+ keletkezik. A glukoneogenezis további lépései a citoszolban történnek.  A PEP-től a fruktóz-1,6-biszfoszfátig a reakciók a glikolízis fordítottjai, az enzimek megegyeznek.  A fruktóz-1,6-biszfoszfátból a fruktóz-1.6-biszfoszfatáz hatására anorganikus foszfát létrejötte mellett kialakul a fruktóz-6-P.  A glukoneogenezis utolsó lépésében, a szabad glukóz keletkezését a glukóz-6foszfatáz katalizálja. Az enzim az ER membránhoz kötve található. A glukóz a májsejtet elhagyva a keringésbe kerül, mely folyamatban valószínűleg a GLUT-7 játszik szerepet.    A glukóz de novo szintézise energiaigényes folyamat: egy molekula glukóz keletkezése 2 molekula laktátból 6 ATP felhasználását jelenti. 2 laktát + 6 ATP  1 glukóz + 6 ADP + 6 P i   Glukoneogenezis szempontjából a

legfontosabb szervünk máj. Bár a vesében is folyik glukoneogenezis, a máj, tömegénél fogva ennél jelentősebb kapacitást jelent. A glukoneogenezis enzimei, a glukóz-6-foszfatáz kivételével az izmokban is jelen vannak, azonban itt szabad glukóz nem keletkezik, a glukóz-6-P a glikogénszintézis irányában alakul tovább.  A glukoneogenezis szubsztrátjainak eredete    A kérdés az, hogy honnan áll rendelkezésre a szubsztrát? A laktát az anaerob glikolízis végterméke, ami kisebb-nagyobb mértékben minden szervben folyik, az aktuális oxigénellátottságtól függően. A laktát májba jutását a Cori-ciklus írja le.  Az aminosavak közül az alanin a legfőbb, de nem egyetlen glukózforrás: minden aminosavból, ami piruváttá vagy oxálacetáttá tud alakulni, glukóz szintetizálódhat. A lizin és a leucin kivételével gyakorlatilag minden aminosav képes erre.  Acetil-CoA-ból nem keletkezhet sem piruvát, sem oxálacetát.

Minthogy a zsírsavak oxidációja acetil-CoA képződéshez vezet, a zsírsavakból nem keletkezhet glukóz. Ez alól kivételt a páratlan szénatom számú zsírsavak jelentenek, amelyek oxidációja molekulánként egy propionil-CoA-vá alakul, s ebből a citrátkörben oxálacetát keletkezik.   Glukóz szintetizálódhat a zsírsavraktárakban található trigliceridek glicerinkomponenséből is, amely két lépésben dihidroxi-aceton-foszfáttá alakulhat. BIOKÉMIA – SZÉNHIDRÁTOK ANYAGCSERÉJE  A glukoneogenezis ATP-fedezete    Az igen energiaigényes glukoneogenezis a felhasználandó ATP-t a zsírsavak oxidációjából szerzi. A zsírsavak, mint alternatív tápanyagok fokozott mértékben oxidálódnak akkor, amikor glukoneogenezis történik, tehát amikor a vércukorszint csökkent. Ez nemcsak mint energiaforrás járul hozzá a folyamathoz, hanem a

mitokondrium acetil-CoA-szintjének emelésével, a piruvát-karboxiláz allosztérikus stimulálásán keresztül is fokozza a glukózszintézist. BIOKÉMIA – SZÉNHIDRÁTOK ANYAGCSERÉJE 15. A glukoneogenezis szabályozása.  A glukoneogenezis szabályozása        A glukoneogenezis szabályozása –csakúgy, mint a glikolízis esetében– az irreverzibilis lépéseket katalizáló enzimek szabályozásán keresztül történik. A glukoneogenezisben ezek a regulált enzimek, melyek irreverzibilis reakciót katalizálnak, a piruvát-karboxiláz és a fruktóz-1,6-biszfoszfatáz. A modifikáció allosztérikusan történik, de szerepe van a kovalens módosításnak (foszforiláció) is. Az allosztérikus effektorok a folyamat sebességét annak függvényében módosítják, hogy  milyen az adott sejt energiaállapota (ATP, AMP, citrát)  változik-e az

intracelluláris pH  milyen a szervezet energiaállapota (fruktóz-2,6-biszfoszfát), mely hatást hormonok, főleg a glukagon közvetíti. A sejt energiaállapotát az ATP : AMP arány jelzi. Az ATP+ADP+AMP mennyisége a sejtekben közel állandó, az egyensúlyt a citoszolban az adelinátkináz (myokináz) biztosítja, amely a 2 ADP ↔ ATP + AMP reakciót katalizálja. Normális körülmények között az egyensúly ATP>>ADP>>AMP arányban áll fenn. Az ATP-koncentráció kis csökkenése viszonylag magas emelkedést jelent az AMPkoncentrációban. Az AMP allosztérikusan gátolja a fruktóz-1,6-biszfoszfatázt, így a glukoneogenezist lassítja a fruktóz-1,6-bisz-P  fruktóz-6-P reakción keresztül.  A zsírsavak oxidációja során keletkező acetil-CoA a piruvát-karboxilázt aktiválja és a glukoneogenezist serkenti.  A H+-koncentráció emelkedése is hatással van a glukoneogenezisre. A H+ a laktáttal együtt egy transzporteren keresztül a

keringésbe jut és a glukoneogenezis folyamatában, a májban glukózszintézisre használódik fel.  A glukagon a pancreas α-sejtjeiből jut a keringésbe vércukorszint-csökkenés hatására, ami serkenti a glukoneogenezist és a glukózmobilizációt. A hepatocyták membránjában glukagon-receptorok vannak, melyek ligandkötésre egy cAMP-mediált szignáltranszdukciót indítanak be. A cAMP a cAMP-dpendens protein-kinázt aktiválja, ami számos olyan enzimet foszforilál Ser OH-n, amely a metabolizmust befolyásolja. A glukoneogenezisre a fruktóz-2,6-bisz-P szintjének változásán keresztül fejti ki hatását, ami a fruktóz-6-P-ból keletkezik a foszfofruktokináz II hatására. Ez az enzim közös a glikolízisben és a glukoneogenezisben. Azt, hogy melyik irányban katalizál, az dönti el, hogy az enzim foszforilált vagy defoszforilált állapotban van-e.     BIOKÉMIA – SZÉNHIDRÁTOK ANYAGCSERÉJE

      Az enzimet a cAMP-dependens protein-kináz foszforilálja és a foszfoproteinfoszfatáz defoszforilálja. Az enzim foszforilált állapotban foszfatázként működik, és a fruktóz-2,6-bisz-P  fruktóz-6-P átalakulást katalizálja, ezzel fokozva a glukoneogenezist. Defoszforilált állapotban kináz funkciója van, és a fruktóz-6-P  fruktóz-2,6-biszP reakciót katalizálva a glukoneogenezist lassítja. Összefoglalva: glukagon hatására foszforilálódik a bifunkcionális foszfruktokináz II, amely ennek eredményeképpen foszfatázként működik és a fruktóz-2,6-bisz-P  fruktóz-6-P átalakulást katalizálja. Lecsökken a sejtekben a fruktóz-2,6-bisz-P koncentráció és így megszűnik a foszfofruktokináz I allosztérikus aktiválása, illetve a fruktóz-1,6-biszfoszfatáz allosztérikus gátlása. Ez azt jelenti, hogy a folyamatok a glukoneogenezis irányányában működnek.  A

glukagon glukoneogenezisre gyakorolt hatásában a fruktóz-2,6-biszfoszfát játssza a legnagyobb szerepet. Ezt egészíti ki a piruvát-kináz gátlása, amely annak következtében jön létre, hogy a cAMP-dependens protein-kináz a piruvát-kinázt is foszforilálja, és ezáltal inaktiválja.  A glukagonnal ellentétes hatású hormon az inzulin, amely a pancreas β-sejtjeinek terméke, és a vércukorszint-emelkedés hatására szekretálódik. BIOKÉMIA – SZÉNHIDRÁTOK ANYAGCSERÉJE 16. A glikolízis és a glukoneogenezis koordinált szabályozása.  A glikolízis és a glukoneogenezis szabályozása       A glikolízis és a glukoneogenezis a közös intermedierek és enzimek okán egymással összefüggő, ellentétes irányú és hatású folyamatok. Bármelyik gátlása egyszersmind a másik serkentését is jelenti. Mindkét folyamat szabályozása

az irreverzibilis lépéseket katalizáló enzimek szabályozásán keresztül történik. A glikolízisben a regulált enzimek a hexokináz, a foszfofruktokináz I és a piruvát-kináz, a glukoneogenezisben pedig a piruvát-karboxiláz és a fruktóz1,6-biszfoszfatáz. A modifikáció allosztérikusan történik, de szerepe van a kovalens módosításnak (foszforiláció) is. A regulációban a felsorolt enzimek közül kiemelkedően a legfontosabb szerepet a foszforuktokináz I játsza. Az allosztérikus effektorok a mindkét folyamat sebességét annak függvényében módosítják, hogy  milyen az adott sejt energiaállapota (ATP, AMP, citrát)  változik-e az intracelluláris pH  milyen a szervezet energiaállapota (fruktóz-2,6-biszfoszfát), mely hatást hormonok, főleg a glukagon közvetíti. BIOKÉMIA – SZÉNHIDRÁTOK ANYAGCSERÉJE        

         A két folyamat sebessége a sejt energiaállapotának megfelelően az ATP, illetve az AMP hatására változik. Az ATP allosztérikusan gátolja a glikolízis legfontosabb szabályozó enzimét a foszfofruktokináz I-t, valamint a piruvát-kinázt. Ennek eredményeként a glikolízis sebessége lelassul, amikor az ATP-koncentráció megnő a sejtekben. A sejt energiaállapotát az ATP : AMP arány jelzi. Az ATP+ADP+AMP mennyisége a sejtekben közel állandó, az egyensúlyt a citoszolban az adelinátkináz (myokináz) biztosítja, amely a 2 ADP ↔ ATP + AMP reakciót katalizálja. Normális körülmények között az egyensúly ATP>>ADP>>AMP arányban áll fenn. Az ATP-koncentráció kis csökkenése viszonylag magas emelkedést jelent az AMPkoncentrációban. Az AMP allosztérikus aktivátora a foszforuktokináz I-nek és ezáltal stimulálója a glikolízisnek. Ugyanakkor allosztérikusan gátolja a fruktóz-1,6-biszfoszfatázt,

így biztosítva a glikolízis-glukoneogenezis egyensúlyának glikolízis irányába történő eltolódását. Ugyanakkor a zsírsavak oxidációja során keletkező acetil-CoA a piruvátkarboxilázt aktiválja és a glukoneogenezist serkenti, ezzel ellentétben a piruvátkinázt gátolja és a glikolízist lassítja. A H+-koncentráció emelkedése a foszfofruktokináz I gátlását okozza. Az anaerob glikolízis fokozódása laktát mellett H+-felszaporodást is jelent, ami „fékezi” a glikolízist. A H+ a laktáttal együtt egy transzporteren keresztül a keringésbe jut és a glukoneogenezis folyamatában, a májban glukózszintézisre használódik fel. A glikolízis és a glukoneogenezis hormonális suabályozásában a glukagon és az inzulin játszik szerepet. A glukagon a pancreas α-sejtjeiből jut a keringésbe vércukorszint-csökkenés hatására, ami serkenti a glukoneogenezist és a glukózmobilizációt. A hepatocyták membránjában glukagon-receptorok vannak,

melyek ligandkötésre egy cAMP-mediált szignáltranszdukciót indítanak be. A cAMP a cAMP-dpendens protein-kinázt aktiválja, ami számos olyan enzimet foszforilál Ser OH-n, amely a metabolizmust befolyásolja. A májsejtekben a glikolízisre és a glukoneogenezisre a fruktóz-2,6-bisz-P szintjének változásán keresztül fejti ki hatását, ami a fruktóz-6-P-ból keletkezik a foszfofruktokináz II hatására, ami egy sajátos, bifunkcionális enzim. Ez az enzim közös a glikolízisben és a glukoneogenezisben. Azt, hogy melyik irányban katalizál, az dönti el, hogy az enzim foszforilált vagy defoszforilált állapotban van-e. Az enzimet a cAMP-dependens protein-kináz foszforilálja és a foszfoproteinfoszfatáz defoszforilálja. Az enzim foszforilált állapotban foszfatázként működik, és a fruktóz-2,6-bisz-P  fruktóz-6-P átalakulást katalizálja, ezzel fokozva a glukoneogenezist és lassítva a glikolízist. Defoszforilált állapotban kináz funkciója van,

és a fruktóz-6-P  fruktóz-2,6-biszP reakciót katalizálva a glukoneogenezist lassítja és serkenti a glikolízist. BIOKÉMIA – SZÉNHIDRÁTOK ANYAGCSERÉJE         A fruktóz-2,6-biszfoszfát a glikolízis sebességét fokozza, a glukoneogenezis sebességét pedig csökkenti, mert allosztérikus regulátora a glikolízis sebességmeghatározó lépését katalizáló foszfofruktokináz I enzimnek és allosztérikus inhibitora a fruktóz-1,6-biszfoszfatáznak. Fruktóz-2,6-biszfoszfát nélkül a foszfofruktokináz I aktivitása elégtelen, a fruktóz1,6-biszfoszfatázé viszont fokozott. Összefoglalva: glukagon hatására foszforilálódik a bifunkcionális foszfruktokináz I, amely ennek eredményeképpen foszfatázként működik és a fruktóz-2,6-bisz-P  fruktóz-6-P átalakulást katalizálja. Lecsökken a sejtekben a fruktóz-2,6-bisz-P

koncentráció és így megszűnik a foszfofruktokináz I allosztérikus aktiválása, illetve a fruktóz-1,6-biszfoszfatáz allosztérikus gátlása. Ez azt jelenti, hogy a folyamatok a glukoneogenezis irányányában működnek. Glukagon hiányában ezzel szemben a foszfofruktokináz II a foszfoprotein-foszfatáz hatására defoszforilálódik, a kináz aktivitása dominánssá válik és katalizálja a fruktóz-6-P  fruktóz-2,6-bisz-P átalakulást. Ez utóbbi a foszfofruktokináz I leghatékonyabb allosztérikus aktivátora, a glikolízis sebességét fokozza, ugyanakkor a fruktóz-1,6-biszfoszfatázon keresztül a glukoneogenezist gátolja. A glukagon glikolízisre és glukoneogenezisre gyakorolt hatásában a fruktóz-2,6biszfoszfát játssza a legnagyobb szerepet. Ezt egészíti ki a piruvát-kináz gátlása, BIOKÉMIA – SZÉNHIDRÁTOK ANYAGCSERÉJE amely annak következtében

jön létre, hogy a cAMP-dependens protein-kináz a piruvát-kinázt is foszforilálja, és ezáltal inaktiválja.  A glukagonnal ellentétes hatású hormon az inzulin, amely a pancreas β-sejtjeinek terméke, és a vércukorszint-emelkedés hatására szekretálódik. BIOKÉMIA – SZÉNHIDRÁTOK ANYAGCSERÉJE 19. A Cori-ciklus.  A Cori-ciklus         Glukoneogenezis szempontjából a legfontosabb szervünk máj. Bár a vesében is folyik glukoneogenezis, a máj, tömegénél fogva ennél jelentősebb kapacitást jelent. A glukoneogenezis enzimei, a glukóz-6-foszfatáz kivételével az izmokban is jelen vannak, azonban itt szabad glukóz nem keletkezik, a glukóz-6-P a glikogénszintézis irányában alakul tovább. A laktát az anaerob glikolízis végterméke. Anaerob glikolízis a vérellátástól és az oxigénellátástól függően kisebb-nagyobb

mértékben minden szervben történik. Jelentékeny és folyamatos a laktátképződés a vörösvértestekben, ahol nem lévén mitokondrium, a glikolízis az egyetlen ATP-termelő folyamat. A harántcsíkolt izomban is a többi szervet meghaladó mértékben keletkezhet laktát, mert fokozott izommunkában, a relatív hypoxia miatt az anaerob glikolízis kerül előtérbe. A laktát a keringéssel jut el a májba, az itt szintetizált glukóz pedig (glukoneogenezis) a keringéssel jut vissza, egyebek mellett ezekbe a szervekbe. A máj és az extrahepatikus szervek közötti ilyen munkamegosztás és tápanyagforgalom együttesen a Cori-ciklust alkotja. (A Cori-ciklus mellett a glukoneogenezis táplálásában szerepet játszik az ún. alanin-ciklus is, amennyiben az pl. az izomban a glikolízisben keletkező piruvátbúl transzaminálással jön létre.) BIOKÉMIA II – SZÉNHIDRÁTOK ANYAGCSERÉJE

21. Aminocukrok és származékaik, N-acetil galaktózamin, N-acetil mannózamin és N-acetil-neuraminsav szintézise és biológiai szerepe.  Aminocukrok és származékaik             A glikoproteinek és proteoglikánok szénhidrátláncában előforduló aminocukrok aminocsoportja glutaminból származik. A különböző aminocukrok a glikoproteinek, glikoszfingolipidek és glukózaminoglikánok fontos alkotórészei. A legfontosabb aminocukrok a hexózaminok (glukózamin, galaktózamin és mannózamin) valamint a 9 szénatomos sziálsav (N-acetil-neuraminsav). A szintézis során az aminocsoport-donor a glutamin. Az aminocukrok zömmel Nacetilált formában fordulnak elő, az acetildonor az acetil-CoA A glikoproteinek szénhidráttartalma 1-85% között változhat. A humán glikoproteinek hétféle monoszacharidot tartalmaznak, melyek közül a legjelentősebbek az oligpszacharidlánc végén elhelyezkedő N-acetil-neuraminsav,

mely rendszerint galaktózhoz, vagy N-acetil-galaktózaminhoz kapcsolódik. Ezemkívül a glikoproteinek szénhidrát oldalláncában glukóz, mannóz, fukóz és Nacetil-glukózamin fordul elő. Az oldalláncok komponensei először aktiválódnak, és aztán kerülnek rá az oldalláncra, egymás után. A különböző glikozil-transzferázok által katalizált glikozilációs lépések a Golgihálózat lumenében történnek, az UDP-cukrok antiport-rendszereken keresztül transzportálódnak a citoszolból a lumenbe. A nukleotidcukor belépéséhez a vonatkozó nukleotid kilépése társul. A szénhidrátoldallánc a polipeptidlánc szerinjéhez, treoninjához vagy hidroxilizinjéhez O-glikozidos kötéssel, illetve aszparaginjához N-glikozidos kötéssel kapcsolódik. A glikoproteinek szénhidrátláncát specifikus glikozidázok bontják. Proteoglikánok azok a fehérjék, amelyek kovalensen kötött glukózaminoglikánokat (GAG) tartalmaznak. Tulajdonságaik inkább a

poliszacharidokra jellemzőek. 95%-uk szénhidrát lehet, amely a következő glukózaminoglikánokból áll: hialuronsav, kondroitinszulfát BIOKÉMIA – SZÉNHIDRÁTOK ANYAGCSERÉJE 23. Miért vezet a piruvát-dehidrogenáz hiánya tejsavas acidózishoz? Mire utal, ha a tejsav mellett egyéb, a normál vizeletben nem kimutatható szerves savak nagyfokú ürítése észlelhető?  Miért vezet a piruvát-dehidrogenáz hiánya tejsavas acidózishoz?    A PDH multienzim komplex a piruvát  acetil-CoA átalakulást katalizálja. A piruvát eredete lehet a glikolízis, lehet a Cori-kör, és az alanin-ciklus. A fenti ábrából kitűnik, hogy a piruvát ↔ laktát és a piruvát ↔ alanin átalakulások reverzibilisek, tehát a reakció irányát a koncentrációviszonyok határozzák meg. Ha a piruvát-dehidrogenáz enzimkomplex hiányzik, akkor piruvát halmozódik fel.

Ebben az esetben a koncentrációviszonyoknak megfelelően a piruvát  laktát átalakulás a laktát irányába zajlik, így kialakulhat a laktátacidózis (>5mM).  Mire utal, ha tejsav mellett egyéb, a normál vizeletben nem kimutatható szerves savak fokozott ürítése észlelhető?    A PDH-komplex E 3 része (dihidrolipoát dehidrogenáz) több dehidrogenáz enzimkomplexnek is alkotórésze. Amennyiben a PDH ezen része hiányzik, vagy nem működik a koenzim hiány (FAD) miatt, akkor több dehidrogenáz enzim is sérül a szervezetben. Ilyen esetben a vizeletmintában gázkromatográfiás, tömeg spektrometriás módszerrel tejsav, α-hidroxi-vajsav, β-hidroxi valeriánsav és α-ketoglutársav felszaporodás detektálható. BIOKÉMIA – SZÉNHIDRÁTOK ANYAGCSERÉJE 24. Milyen anyagcsere-folyamatokban játszik szerepet a piruvát-karboxiláz enzim? A

piruvát-karboxiláz deficiencia hogyan vezet agyi károsodáshoz és hyperammonaemiához?  Milyen anyagcsere-folyamatokban játszik szerepet a piruvát-karboxiláz enzim?   A piruvát karboxiláz (PC) mitokondriális enzim, amely négy egyforma alegységből áll. Mind a négy alegységen kötőhelyek találhatók a szubsztrátok számára (piruvát, ATP, bikarbonát). Kötőhely van még ezenkívül az allosztérikus effektor, az acetilCoA és a prosztetikus csoport, a biotin számára A PC a következő reakciót katalizálja: piruvát + HCO 3 - + ATP  axálacetát + ADP + P i + H+     A PC működése majdnem teljesen az allosztérikus aktivátor, az acetil-CoA jelenlététől függ, az acetil-CoA keletkezésével egy időben (zsírsavak oxidációja) aktiválódik. A reakció a glukoneogenezis első lépése, így legnagyobb aktivitást a májban és a vesében mutat, de jelen van minden mitokondriumot tartalmazó szövetben. Az izomban a PEPCK-val

együtt a citrátkör intermedierek koncentrációját szabályozza. Mind az agy, mind a zsírszövet nagy koncentrációban tartalmazza az enzimet, mely anaplerotikus szerpet játszik és fontos a zsírsav szintézis szempontjából. BIOKÉMIA – SZÉNHIDRÁTOK ANYAGCSERÉJE  A piruvát-karboxiláz hyperammonaemiához?          deficiencia hogyan vezet agyi károsodáshoz és A szellemi visszamaradottság feltételezhető oka az agyi neuronok pusztulása, annak ellenére, hogy normál körülmények között PC-aktivitás nem a neuronokban, hanem az astrocytákban található. A PC tehát elengedhetetlen anaplerotikus szereppel bír az astrocytákban és hiányában a neuron meg van fosztva olyan, létezése számára elengedhetetlen tápanyagoktól, amelyeket normálisan az astrocytáktól kapna. Amennyiben a PC csak csökkent működésű, a beteg

az ’A’-csoportba osztható. Ha az enzim hiányzik, a ’B’-csoportba. A ’B’-csoportba tartozó betegek ritkán élik meg a 3 hónaposnál idősebb kort. A PC teljes hiánya esetén nem történik meg a piruvát  oxálacetát átalakulás, így a piruvát feszaporodik, és a reverzibilis reakciók a piruvát  laktát valamint piruvát  alanin irányba zajlanak. Ennek következtében (piruvát  laktát) laktátacidózis alakul ki. Szintén a kiesett piruvát  oxálacetát reakciónak köszönhető, hogy a betegekben súlyos axálacetát hiány alakul ki. Ennek következtében a glukoneogenezis kezdetén lévő mitokondriális transzaminálás is elmarad, tehát az aszpartát is csökkent szinten van. Így a betegek oxálacetáthoz csak a táplálékkal bevitt aszpartátból, glutamátból vagy glutaminból jutnak hozzá, ami a fenti hármast esszenciális aminosavakká teszik Az aszpartát és oxálacetát hiánya tükröződhet az urea-ciklus deficienciájában