Podstawowym węglowodanem, użytkowanym przez tkanki jest glukoza. Magazynowaną formą glukozy jest glikogen (wielocukier zbudowany z kilkudziesięciu do kilkunastu tysięcy cząsteczek glukozy). Zawartość glikogenu w jednym gramie mięśnia jest wielokrotnie niższa niż w jednym gramie wątroby. Z uwagi na większą masę mięśni w organizmie ilość glikogenu zgromadzona w mięśniach jest trzykrotnie większa niż w wątrobie. Rozkład glikogenu mięśniowego (glikogenoliza) zachodzi dzięki enzymowi o nazwie fosforylaza (ulega ona aktywacji pod wpływem adrenaliny i jonów wapnia – połączonych z białkiem kalmoduliną; adrenalina aktywuje cyklazę adenylanową, która zwiększa syntezę cyklicznego AMP w komórkach mięśniowych, który to z kolei zwiększa aktywność fosforylazy, tym samym aktywuje glikogenolizę). Końcowym produktem glikogenolizy jest glukozo-1-fosforan. Ponieważ komórka mięśniowa, w odróżnieniu od wątrobowej jest nieprzepuszczalna dla glukozo-1-fosforanu glikogen mięśniowy może być wykorzystany tylko w komórce, w której jest zmagazynowany – w komórce mięśniowej. W komórce wątrobowej fosforylaza jest aktywowana przez glukagon, adrenalinę i noradrenalinę. Wątroba zawiera enzym glukozo-6-fosfatazę, który umożliwia produkcję wolnej glukozy.

Pierwszym etapem na drodze utylizacji glukozy jest jej przejście w glukozo-6-fosforan w wyniku reakcji katalizowanej przez heksokinazę. Heksokinaza jest obecna we wszystkich tkankach metabolizujących glukozę, w wątrobie dodatkowo znajduje się glukokinaza. Oba enzymy katalizują tę samą reakcję, różnią się między sobą powinowactwem do substratu, jak również wpływem inhibitorów na ich aktywność. Glukozo-6 fosforan będąc związkiem łączącym się z wieloma szlakami metabolicznymi odgrywa dominująca rolę w metabolizmie węglowodanów. Bierze udział zarówno w procesach wytwarzania energii, jak i syntezy innych substratów niezbędnych do utrzymania funkcji fizjologicznych.

Kolejne związki pośrednie na drodze od glukozy do pirogronianu w szlaku glikolizy (zachodzi w cytoplazmie komórki; w szlaku tym 1 cząsteczka glukozy C6H12O6 zostaje zamieniona na 2 cząsteczki kwasu pirogronowego CH3-CO-COOH) to:

1. glukozo-6-fosforan. Przyłączenie grupy fosforanowej do 6-go węgla glukozy wymaga zużycia 1 cząsteczki ATP. Obecność grupy fosforanowej sprawia, że cząsteczka, mając w sobie więcej energii, łatwiej wchodzi w następne reakcje.

2. fruktozo-6-fosforan. Następuje przegrupowanie atomów wewnątrz cząsteczki. W tym miejscu, po fosforylacji, do szlaku wchodzi fruktoza.

3. fruktozo-1,6-dwufosforan. Następuje przyłączenie kolejnej grupy fosforanowej kosztem następnej cząsteczki ATP.

4. gliceraldehydo-3-fosforan (2x). Następuje rozpad łańcucha 6-węglowego na dwa łańcuchy 3-węglowe (dwie fosfotriozy). Wszystkie dalsze przemiany występują podwójnie w stosunku do wyjściowej cząsteczki glukozy.

5. 1,3-dwufosfoglicerynian (2x). Następuje odłączenie dwóch atomów wodoru połączone z przyłączeniem kolejnej grupy fosforanowej. Atomy wodoru zostają przeniesione na NAD. Przyłączenie grupy fosforanowej tym razem nie wymaga ATP.

6. 3-fosfoglicerynian (2x). Odłączenie grupy fosforanowej sprzężone jest z odzyskiem ATP.

7. 2-fosfoglicerynian (2x). Następuje przeniesienie grupy fosforanowej z węgla trzeciego na drugi.

8. fosfoenolopirogronian (2x). Następuje odłączenie cząsteczki wody.

9. pirogronian (2x). Następuje odłączenie grupy fosforanowej sprzężone z syntezą cząsteczki ATP.

Sumarycznie szlak ten można przedstawić następującym równaniem:

C6H12O6 (glukoza) + 2 NAD + 2 ADP + 2 P    2C3H4O3 (pirogronian) + 2 NADH2 + 2 ATP

W szlaku glikolizy na początku zostają zużyte 2 cząsteczki ATP do przyłączania grup fosforanowych, następnie jednak odzyskane są 4 cząsteczki. Łącznie powstają więc 2 cząsteczki ATP oraz 2 cząsteczki NADH2. Wodór z NADH2 może zostać przetransportowany do mitochondrium i tam ulec spaleniu z tlenem. Powstanie wtedy 6 cząsteczek ATP z 2 cząsteczek NADH2.

2 NADH2 + O2 + 6 ADP + 6 P    2 NAD + 2 H2O + 6 ATP

Łącznie więc na tym etapie spalania glukozy z 1 cząsteczki glukozy powstaje 8 cząsteczek ATP.

Pirogronian to węzłowy związek chemiczny w metabolizmie wewnątrzkomórkowym. Jest on końcowym etapem wstępnego spalania glukozy oraz większości aminokwasów. Jest on tym związkiem, który swobodnie przenika z cytoplazmy do mitichondrium, by tam ulec dalszym przemianom. W mitochondrium ma on dwie możliwości przemian. Pierwsza z nich, prowadząca do jego spalenia, to zamiana na acetylo-koenzym A. W reakcjach chemicznych związek ten zapisywany jest w skrócie jako CH3-CO–CoA lub po prostu acetylo-CoA. W czasie tej reakcji odłączony zostaje CO2, a dwa wodory zostają przeniesione na NAD, by później w trakcie spalania z tlenem wytworzyć 3 cząsteczki ATP:

CH3-CO-COOH + CoA + NAD  CH3CO-CoA + CO2 + NADH2

Pirogronian może również ulec transaminacji w komórce mięśniowej dając alanininę. W wątrobie alanina ulega deaminacji, a powstały pirogronian przekształcany w glukozę. Glukoza przenoszona jest do mięśni, gdzie katabolizowana jest do pirogronianu, zaś pirogronian przekształcany jest ponownie w alaninę. Cykl ten nosi nazwę cyklu alaninowo-glukozowego. Alanina odgrywa podwójną rolę: substratu do glukoneogenezy oraz transportera grup aminowych z mięśni do wątroby.
 

Acetylo-CoA to drugi bardzo ważny, węzłowy związek w metabolizmie wewnątrzkomórkowym. Jest on cząsteczką, która może ulec albo spaleniu w mitochondrium, albo wyjść z mitochondrium i zostać zużytą do syntezy kwasów tłuszczowych lub cholesterolu w cytoplazmie komórki.

Cykl pentozowy

Jest to alternatywna droga spalania glukozy umożliwiająca ominięcie niektórych etapów glikolizy. Podobnie jak glikoliza, zachodzi on w całości w cytoplazmie komórki. Losy 3 cząsteczek glukozy:

1. glukozo-6-fosforan (3x). (W skrócie: glukozo-6P). Reakcja jak w glikolizie.

2. 6-fosfoglukonian (3x). Następuje odłączenie 2 atomów wodoru od każdej cząsteczki i przeniesienie ich na NADP

3. rybulozo-5P (3x). Po dwa kolejne wodory zostają przeniesione na NADP, odłączona zostaje też cząsteczka dwutlenku węgla CO2. Rybuloza jest cukrem 5-węglowym, a więc należy do grupy pentoz. (Ponieważ w cyklu tym fosforan jest przyłączony zawsze do ostatniego węgla, cyferka w nazwach kolejnych cukrów pośrednich oznacza również ilość atomów węgla w cząsteczce).

4. ksylulozo-5P (2x), rybozo-5P (1x). Przegrupowania atomów wewnątrz cząsteczek.

5. ksylulozo-5P (1x), sedoheptulozo-7P (1x), gliceraldehydo-3P (1x). Przegrupowania atomów pomiędzy tymi cząsteczkami.

6. ksylulozo-5P (1x), fruktozo-6P (1x), erytrozo-4P (1x). Dalsze przegrupowania atomów pomiędzy cząsteczkami.

7. fruktozo-6P (2x), gliceraldehydo-3P (1x). Dalsze przegrupowania atomów między cząsteczkami. Oba powstałe związki są produktami pośrednimi glikolizy. Mogą więc ulec spaleniu włączając się do tego cyklu. Mogą też zajść reakcje odwrotne do glikolizy, czyli może nastąpić odbudowanie glukozo-6P, co powoduje zamknięcie cyklu pentozowego. Glukozo-6P może wtedy ponownie wejść w reakcje tego cyklu.

Sumaryczna reakcja spalania 1 cząsteczki glukozy:

C6H12O6  +  12 NADP  +  6 H2O   12 NADPH2  +  6 CO2

1 cząsteczka glukozy bez udziału tlenu, wykorzystując dodatkowo tlen i wodór zawarte w wodzie, rozpada się na dwutlenek węgla i wodór. Duża ilość wodoru powstałego w tym cyklu (przenoszonego przez NADP, a nie NAD) jest następnie używana do syntezy kwasów tłuszczowych i cholesterolu. Ten szlak metaboliczny dostarcza również pentoz dla nukleotydów i syntezy kwasów nukleinowych. Cykl pentozowy dominuje w tkankach syntetyzujących tłuszcze i steroidy, np. w tkance tłuszczowej jego udział stanowi 60% procesów oksydacyjnych glukozy, podczas gdy w wątrobie ok. 30%.

Cykl Krebsa

Cykl Krebsa to ciąg reakcji zachodzących w mitochondrium, umożliwiający spalenie 1 cząsteczki acetylo-CoA. Cykl Krebsa to pierwsza część spalania acetylo-CoA, w trakcie którego następuje jego rozłożenie na wodór H2 i dwutlenek węgla CO2. Wodór jest wykorzystany następnie do syntezy ATP, co następuje w trakcie jego spalania z tlenem. CO2 jest usuwany.

Kolejne reakcje tego cyklu są następujące:

1. szczawiooctan + acetylo-CoA + H2O  cytrynian + CoA

(przeniesienie reszty acetylowej z CoA na szczawiooctan)

2. cytrynian                                             izocytrynian

(przekształcenia wewnątrz cząsteczki)

3. izocytrynian + NAD                            szczawiobursztynian + NADH2

(przeniesienie dwóch pierwszych wodorów na NAD)

4. szczawiobursztynian                           -ketoglutaran + CO2

(odłączenie 1 cząsteczki CO2)

5. -ketoglutaran + CoA+ NAD            sukcynylo-CoA + CO2 + NADH2

(odłączenie cząsteczki CO2 oraz przeniesienie dwóch kolejnych wodorów na NAD, chwilowo uczestniczy w tym cząsteczka CoA)

6. sukcynylo-CoA +H2O+ ADP + P        bursztynian + CoA + ATP

(odłączenie CoA sprzężone jest z syntezą 1 cząsteczki ATP)

7. bursztynian + FAD                              fumaran + FADH2

(odłączenie dwóch kolejnych wodorów, tym razem uczestniczy w tym inny przenośnik: FAD)

8. fumaran + H2O                                    jabłczan

(przyłączenie cząsteczki wody)

9. jabłczan + NAD                                  szczawiooctan + NADH2

(przeniesienie kolejnych wodorów na NAD, powrót do wyjściowego szczawiooctanu)

 Powyższe reakcje można podsumować następująco:

CH3CO-CoA + 3 H20 + 3 NAD + FAD + ADP + P  CoA + 2CO2  + 3 NADH2 + FADH2 + ATP.

Ponieważ z jednej cząsteczki NADH2 można uzyskać 3 cząsteczki ATP, natomiast z FADH2 można uzyskać jedynie 2 cząsteczki ATP, łącznie jeden pełny cykl spalania acetylo-CoA daje łącznie 12 cząsteczek ATP (3x3 z NADH2 + 1x2 z FADH2 + 1 bezpośrednio w cyklu Krebsa).

Podliczając wszystkie cząsteczki ATP, jakie mogą powstać przy spalaniu 1 cząsteczki glukozy, to uzyskamy: 8 ATP (glikoliza) + 2x3 ATP (pirogronian acetylo-CoA) + 2x12 ATP (cykl Krebsa). Razem daje to 38 cząsteczek ATP (=263 kcal).

Paweł Orzechowski