Pentózový cyklus, metabolismus fruktózy, galaktózy a kyseliny glukuronové

Z WikiSkript

Náplň podkapitoly:

  1. Pentózový cyklus (hexózamonofosfátový zkrat)
  2. Metabolismus fruktózy
  3. Metabolismus galaktózy
  4. Přeměna glukózy na kyselinu glukuronovou a její využití


Pentózový cyklus (hexózamonofosfátový zkrat)

Pentózový cyklus

Pencil.png upravit

Schéma pentózového cyklu

Pentózový cyklus umožňuje přímou oxidaci glukózy na CO2  bez zahrnutí Krebsova cyklu a dýchacího řetězce.

Jako kofaktor dehydrogenáz se v pentózovém cyklu využívají molekuly koenzymu NADP+, jež se po přijetí redukčních ekvivalentů (atomů H) redukují na NADPH + H+. Ty se mohou v buňce uplatnit na mnoha místech − slouží jako zdroje redukčních ekvivalentů při biosyntézách (např. syntéza mastných kyselin nebo steroidních látek), napomáhají antioxidační ochraně buněk (mj. systém glutathionu), či se účastní metabolismu cizorodých látek.

V pentózovém cyklu může dále vznikat ribóza-5-P (prekurzor při syntéze nukleových kyselin) či mnoho jiných monosacharidů.
Účelem pentózového cyklu není přímý zisk energie, protože NADPH se nemůže oxidovat v dýchacím řetězci, ale spíše:

1) zisk NADPH – pentózový cyklus je hlavním producentem NADPH v buňce;
2) zisk ribóza-5-P;
3) vzájemné přeměny monosacharidů, užité např. při syntéze glykoproteinů.


Pentózový cyklus je lokalizován v cytosolu (zejména buněk jater, tukové tkáně, varlat, kůry nadledvin, dále pak v erytrocytech či v laktující mléčné žláze, enzymy se ale vyskytují ve všech tkáních).

V rámci pentózového cyklu můžeme rozlišit dvě základní fáze – oxidační a neoxidační (regenerační).

Oxidační (oxidativní) fáze

Pencil.png upravit

Oxidace.jpg

Během oxidativní fáze pentózového cyklu dochází k oxidaci molekuly glukózy-6-P na molekulu ribulóza-5-P. Současně se uvolňuje CO2 a získají se dvě molekuly NADPH + H+.

Její průběh souhrnně zachycuje následující rovnice:


Glukóza-6-fosfát + 2 NADP+ → CO2 + 2 NADPH+H+ + ribulóza-5-fosfát


Z reakcí první fáze je důležitá úvodní reakce katalyzovaná glukóza-6-fosfátdehydrogenázou. Tato nevratná reakce je totiž hlavním regulačním krokem pentózového cyklu.

Rychlost celé metabolické dráhy se odvíjí od činnosti dvou dehydrogenačních reakcí, které závisejí na dostupnosti NADP+ (tedy oxidované formy koenzymu). Při nedostatku NADP+ rychlost pentózového cyklu klesá, jinými slovy: nadbytek NADPH zpomaluje oxidativní fázi pentózového cyklu.

Regenerační (neoxidační) fáze

Pencil.png upravit V regenerační fázi dochází k vzájemným přeměnám fosforylovaných molekul monosacharidů.

Tyto reakce jsou volně reverzibilní (vratné).


Základní schéma regenerační fáze pentózového cyklu bychom mohli zjednodušeně zapsat jako:

3 C5 → 2 C6 + C3
3 Ribulóza-5-P → 2 fruktóza-6-P + glyceraldehyd-3-P

Při detailnějším pohledu:

1) Přeměna ribulóza-5-P na ribóza-5-P (ketóza se mění pomocí izomerázy na aldózu) či na xylulózu-5-P (katalyzuje epimeráza)
2) Následuje dvojice reakcí vyjádřená rovnicemi:
C5 + C5 ↔ C3 + C7 ↔ C6 + C4
Xylulóza-5-P + ribóza-5-Pglyceraldehyd-3-P + sedoheptulóza-7-PFru-6-P + erytróza-4-P


Tyto reakce katalyzují dvě transferázy – transketoláza a transaldoláza.
Transketoláza transportuje dvouuhlíkaté jednotky z xylulóza-5-P (ketóza) na ribóza-5-P za vzniku glyceraldehyd-3-P a sedoheptulóza-7-P (kofaktorem enzymu je derivát vitaminu B1 – thiamindifosfát).
Transaldoláza přenáší tříuhlíkaté jednotky ze sedoheptulóza-7-P (ketóza) na aldehydovou skupinu glyceraldehyd-3-P.
Obecně platí, že uhlíkaté štěpy (C3- a C2-jednotky) vznikají z ketóz a jejich příjemcem se stávají aldózy.
Výsledkem je, že z ketózy vznikne kratší aldóza a z aldózy delší ketóza.


3) Aby se nehromadila nepotřebná erytróza-4-P, následuje její reakce s xylulóza-5-P:
C4 + C5 → C3 + C6
Erytróza-4-P + xylulóza-5-Pglyceraldehyd-3-P + fruktóza-6-P


Výsledné produkty druhé fáze, fruktóza-6-P a glyceraldehyd-3-P, mohou být reakcemi glykolýzy a glukoneogeneze (probíhají také v cytoplazmě) buď spáleny, nebo přeměněny na glukóza-6-P. Ta může opět vstoupit do oxidativní fáze cyklu, a pentózový cyklus se tedy uzavírá. Na tomto místě jasně vidíme, jak se glykolýza/glukoneogeneze úzce propojuje s pentózovým cyklem.

Někdy se dokonce můžeme setkat s tvrzením, že pentózový cyklus je jejich odbočkou.


Pohlížíme-li na pentózový cyklus jako na alternativní cestu oxidace glukózy, můžeme napsat sumární rovnici:


6 Glukóza-6-P6 CO2 + 6 ribulóza-5-P + 12 NADPH+H+


6 Ribulóza-5-P →→→ regenerační fáze a glukoneogeneze →→→ 5 glukóza-6-P


K tomuto dochází, pokud buňka potřebuje maximalizovat zisk NADPH.


Pentózový cyklus může ale také sloužit jako zdroj ribóza-5-P či jiných monosacharidů. Jestli je buňka potřebuje (a nevyžaduje NADPH), může dojít k otočení druhé fáze cyklu a opačným sledem reakcí se z glykolýzy naopak odčerpává glyceraldehyd-3-P a fruktóza-6-P a postupně se mění na ribóza-5-P či ostatní monosacharidy.

Regulace pentózového cyklu

Pencil.png upravit

Jak již zaznělo výše, pentózový cyklus je regulován na úrovni dostupnosti koenzymu NADP+. Není-li vznikající redukovaná forma NADPH odčerpávána a reoxidována v jiných metabolických procesech, dochází k inhibici reakcí, které vyžadují oxidovanou formu tohoto koenzymu. Redukci NADP+ na NADPH katalyzuje glukóza-6-fosfátdehydrogenáza a 6-fosfoglukonátdehydrogenáza. Syntézu klíčových enzymů rovněž indukuje inzulin. Prolaktin činí totéž během laktace.


Klinická korelace:
Deficit glukózo-6-fosfátdehydrogenázy se považuje za celosvětově nejrozšířenější enzymatický defekt – počet postižených se odhaduje na 400 miliónů osob (převážně v Africe, Středomoří, Středním východě a v Asii). Jedním z jeho důsledků je vznik hemolytické anémie (pro narušení antioxidačních systémů erytrocytů). Blížší informace můžete najít v multimediálních skriptech Funkce buněk a lidského těla, 3. LF UK

Metabolismus fruktózy

Metabolismus fruktózy

Pencil.png upravit

DL-Fructose num-sl.svg

Fruktózu můžeme přijímat v potravě buď volnou (ovoce, med), nebo v podobě disacharidu sacharózy.

Ta je v trávicím traktu rozkládána sacharázou na fruktózu a glukózu. Fruktóza se vstřebává do enterocytů facilitovanou difúzí skrze specifický přenašeč. Menší část fruktózy se již v enterocytech přemění na glukózu (přes Glc-6-P), většina je ale vypuštěna do portální krve.

Metabolickým osudem fruktózy je její zapojení se do glykolýzy, k čemuž slouží dvě cesty s rozdílnou orgánovou lokalizací.

Osud fruktózy v těle

Pencil.png upravit

Osud fruktózy v játrech

Fruktóza je jednak velmi rychle vychytávána játry, kde je také metabolizována pomocí enzymu fruktokinázy specifického pro fosforylaci fruktózy. Podívejme se nyní na příslušnou reakci:

Fruktóza + ATP → fruktóza-1-P + ADP
katalyzuje fruktokináza


Fruktóza-1-P není meziproduktem glykolýzy a jeho další přeměnu katalyzuje tzv. aldoláza B (odlišná od aldolázy A v glykolýze).
Štěpením Fruktózy-1-P vznikají dvě triózy – glyceraldehyd a dihydroxyacetonfosfát.

  • Dihydroxyacetonfosfát se jako meziprodukt glykolýzy do ní může ihned zapojit.
  • Glyceraldehyd má osud složitější. Může být fosforylován pomocí specifické kinázy na glyceraldehyd-3-fosfát, nebo může být redukován na glycerol.
Fosforylace je mnohem významnější, neboť slouží k napojení glyceraldehydu na glykolýzu.


Fruktóza-1-Pdihydroxyacetonfosfát + D-glyceraldehyd
katalyzuje specifická aldoláza B


Dihydroxyacetonfosfátglyceraldehyd-3-Pglykolýza
D-glyceraldehydglyceraldehyd-3-Pglykolýza
nebo → glycerolglycerol-3-fosfáttriacylglyceroly


Velmi vzácně se vyskytuje vrozený defekt aldolázy B podmiňující onemocnění zvané intolerance fruktózy, v jehož průběhu dochází ke hromadění Fru-1-P, což vyústí v dysbalanci metabolismu sacharidů.


Metabolismus fruktózy je rychlejší než metabolismus glukózy, neboť se obchází hlavní regulační (nejpomalejší) krok glykolýzy katalyzovaný fosfofruktokinázou.
Výsledně to může vést ke zvýšené jaterní lipogenezi – z nadbytku vznikajícího pyruvátu (a následně AcCoA) vzniká nadměrné množství mastných kyselin a triacylglycerolů.

Alternativní osud fruktózy

V menší míře a také v jiných tkáních (např. ve svalech) je fruktóza fosforylována hexokinázou:

Fruktóza + ATPfruktóza-6-P + ADP

Vzniklý Fruktóza-6-P je přímo meziproduktem glykolýzy, a cesta napojení fruktózy proto trvá mnohem kratší dobu.
Hexokináza má ale pro fruktózu vyšší Km a tedy nízkou afinitu.

Význam fruktózy pro spermie

Pencil.png upravit Spermie využívají fruktózu jako svůj hlavní energetický zdroj.
Proto nepřekvapí, že v seminální tekutině je velmi vysoká koncentrace fruktózy (5–10 mmol/l), kterou produkují seminální žlázky z glukózy.
Nejdříve dochází k redukci glukózy na sorbitol, ten se následně oxiduje na fruktózu.

Metabolismus galaktózy

Metabolismus galaktózy

Pencil.png upravit

Metabolismus galaktózy v játrech

Galaktóza, 4-epimer glukózy, je součástí mléčného cukru laktózy (disacharid). Tu v trávicím traktu štěpí enzym laktáza na galaktózu a glukózu. Tyto monosacharidy jsou následně vstřebány sekundárně aktivním transportem do enterocytů.
V játrech je galaktóza galaktokinázou fosforylována na galaktóza-1-P a následně přeměněna na glukózu:

Galaktóza-1-P + UDP-glukózaUDP-galaktóza + glukóza-1-P
(katalyzuje hexóza-1-fosfáturidyltransferáza)
UDP-galaktózaUDP-glukóza
(katalyzuje 4-epimeráza)


Defekt hexóza-1-fosfáturidyltransferázy podmiňuje vzácné onemocnění nazývané galaktosemie.
Galaktóza se při ní nemůže přeměnit na glukózu, a proto se hromadí v orgánech - játrech, erytrocytech, střevě, oční čočce, ledvinách, srdci či mozku.
Z galaktózy vzniká galaktitol (neboli dulcitol, cukerný alkohol vznikající redukcí galaktózy), který podmiňuje vznik zákalu oční čočky.
V léčbě se proto zcela zásadně ze stravy vylučují mléčné výrobky.

Přeměna glukózy na galaktózu

Pencil.png upravit Galaktóza se v lidském těle využívá k syntéze laktózy v laktující mléčné žláze či při tvorbě glykoproteinů, proteoglykanů a glykolipidů.
Jak již bylo uvedeno výše, vzájemná přeměna glukózy na galaktózu (a zpět) neprobíhá ve formě volných sacharidů. Ty musí být nejdříve aktivovány.
Po aktivaci glukózy na UDP-1-glukózu dochází k její izomeraci na UDP-galaktózu:


UDP-1-glukózaUDP-galaktóza
(katalyzuje 4-epimeráza)
Vytvořená UDP-galaktóza je makroergní sloučenina a může se přímo využít k syntéze výše zmíněných sloučenin.


Syntéza laktózy probíhá pouze v laktující mléčné žláze.
Slučují se při ní UDP-galaktóza s glukózou (katalyzuje galaktosyltransferáza).
Laktaci podporuje prolaktin – peptidový hormon z adenohypofýzy.

Přeměna glukózy na kyselinu glukuronovou a její využití

Pencil.png upravit Kyselina glukuronová patří mezi tzv. uronové kyseliny, základní součásti mnoha pro tělo významných látek – např. glykosaminoglykanů, a tedy i proteoglykanů.
Uronové kyseliny se mimo to využívají i jako konjugační činidla usnadňující vylučování mnoha endogenních i cizorodých látek. Kromě kyseliny glukuronové řadíme mezi uronové kyseliny i kyselinu L-iduronovou či galaktouronovou.

Tvorba kyseliny glukuronové z glukózy spočívá v oxidaci primární hydroxylové skupiny na C6 molekuly glukózy na karboxylovou skupinu.

Přeměna glukózy na kyselinu glukuronovou

Před samotnou oxidací musí být ale molekula glukózy nejdříve převedena do aktivní formy – UDP-glukózy. Jednotlivé kroky přeměny glukózy na kyselinu glukuronovou probíhají tedy takto:

1) Fosforylace glukózy (katalyzuje hexokináza/glukokináza):

Glukóza + ATPglukóza-6-P + ADP


2) Izomerace glukózy (katalyzuje glukózafosfátisomeráza):

Glukóza-6-Pglukóza-1-P


3) Aktivace glukózy – vazba UDP (katalyzuje UDP-glukózapyrofosforyláza):

Glukóza-1-P + UTPUDP-1-glukóza + difosfát


4) Oxidace na glukuronát:

UDP-1-glukóza + 2 NAD+UDP-glukuronát + 2 NADH+H+
UDP-glukuronát je aktivní formou kyseliny glukuronové a může vstoupit do mnoha reakcí.

Využití kyseliny glukuronové

Pencil.png upravit

Kyselina glukuronová

1) Syntéza proteoglykanů

2) Využití jako konjugačního činidla

Kyselina glukuronová se konjuguje s látkami špatně rozpustnými ve vodě (bilirubin, steroidní hormony, xenobiotika) s cílem vyloučit je z organismu.
Po navázání kyseliny glukuronové se nepolární sloučeniny stávají rozpustnějšími ve vodě a lépe se vylučují močí nebo žlučí. Klíčový enzym se nazývá UDP - glukuronyltransferáza. Více informací se dozvíte v multimedálních skriptech 3. LF UK