GLUCIDE (HIDRAŢI DE CARBON)

XIV. GLUCIDE (HIDRAŢI DE CARBON)

XIV. 1. NOMENCLATURĂ. CLASIFICARE

În acest capitol vom trata despre polihidroxialdehide sau polihidroxicetone şi unii derivaţi ai lor, numiţi hidraţi de carbon încă din vremea în care nu se cunoştea structura lor. Numele acesta impropriu (fiindcă nu cuprinde dezoxizaharurile) vine de la faptul că principalii derivaţi, de exemplu glucoza C6H12O6, celuloza (C6H10O5)x au formula generală Cn(H2O)m. Bertrand în anul 1923 a introdus termenul de glucidă datorită gustului dulce (glycos = dulce) şi a fost adoptat de Comisia Internaţională de Chimie Biologică (Cambridge, 1923).

În cadrul acestei clase mari, se folosesc termenii de oze pentru glucidele reducătoare nehidrolizabile (monozaharide) şi de ozide pentru moleculele formate din oze sau care prin hidroliză formează cel puţin două molecule de oze. Ozidele pot fi alcătuite numai din oze şi în acest caz se numesc holozide (holozidele formate dintr-un număr mic de oze se numesc oligozaharide sau oligozide, iar cele formate dintr-un număr mai mare, polizaharide sau poliozide).

255

Ozele sau monozaharide, ce sunt considerate ca produşi de oxidare a poliolilor alifatici simpli cum ar fi etilenglicolul, glicerina, teritolii, pentitolii şi hexitolii se împart în bioze, trioze, tetroze, pentoze şi hexoze. În urma oxidării grupării hidroxil primare din polioli rezultă aldoze şi la un atom de carbon secundar cetoze.

După cum este uşor de văzut, fiecare grupare CHOH din formulele de mai sus conţine un atom de carbon asimetric. Se ştie că o moleculă care conţine n atomi de carbon asimetrici poate exista în 2n izomeri optici. De aici urmează că vor exista 2 aldotrioze, 4 aldotetroze, 8 aldopentoze şi 16 aldohexoze. Evident că între aldoze şi hexozele corespunzătoare există relaţie de izomerie de poziţie.

Glicerinaldehida prezintă două configuraţii spaţiale posibile, una cu OH scris în dreapta: dextro, D sau d şi celălalt la stânga: levo, L sau l după Fischer.

În schema de mai jos sunt redate formulele aldozelor din aşa numita serie D. Se poate foarte uşor deduce o serie analoagă L cu structurile enantiomere seriei D. Schemele acestea cuprind formulele tuturor monozaharidelor posibile în conformitate cu teoria atomului de carbon asimetric. La ora actuală se cunosc toţi izomerii acestor două serii.

Denumirea se păstrează şi atunci când C terminali (asimetrici) se leagă si alte grupe decât cea aldehidică, precizându-se însă conformaţia la care corespunde C asimetric.

256

Astfel X respectiv Y pot fi, de exemplu, CHOH, CHOCH3, CHOAc, CHNH2. Considerând că toate derivă de la glucoză şi că funcţia principală de la care începe notarea este Y, unele vor aparţine seriei D-gluco şi celelalte seriei L-gluco. Pentru ozele cu cetona în poziţia 2 denumirea se face de la un prefix ce indică numărul atomilor de carbon şi tipul de izomerie, urmat de sufixul uloză, dar se folosesc şi denumirile uzuale, de exemplu D-arabinohexuloza corespunde fructozei, iar D-xilohexuloza este sorboza etc.

Izomeria optică în sensul de rotire a planului luminii polarizate se notează spre dreapta (+) sau pe stânga (-). Deoarece sensul rotirii planului luminii polarizate este o proprietate de ansamblu moleculei asimetrice, care nu are nimic comun cu convenţia de scriere a substituenţilor la dreapta sau la stânga, estre necesar ca la caracterizarea unei molecule optic active să trecem seria sterică din care face parte (D sau L) şi în paranteză sensul rotirii planului luminii polarizate (+) sau (-), de exemplu, D(+)-glucoza sau D(-)-fructoza.

Structurile aciclice prezentate până în prezent pentru oze nu corespund în totalitate realităţii. Una din proprietăţile chimice fundamentale ale aldehidelor şi cetonelor este reacţia de adiţie la legătura dublă carbonilică. Dintre reactanţii potenţiali pentru acest grup de reacţii sunt combinaţiile hidroxilice cu formare de acetali, cetali sau semiacetali respectiv semicetali.

Pentru aceste reacţii vom da un exemplu general:

a) pentru aldehide

257

b) pentru cetone

În situaţia dată se constată că în moleculele ozelor găsim concomitent atât gruparea funcţională carbonilică cât şi cea hidroxilică. Este evident faptul că aceste două grupări funcţionale vor reacţiona între ele cu condiţia ca şi geometria moleculei să o permită. Constatăm că în acest fel se pot închide două feluri de cicluri şi anume cu 5 atomi (forma furanozică) şi cu 6 atomi (forma piranozică). În continuare prezentăm exemplificarea acestui fenomen şi totodată diferite tipuri de scriere a monozaharidelor.

Formula (I) corespunde analizei experimentale şi funcţionale şi explică unele reacţii de oxidoreducere proprii grupării aldehidice, pe care le dau şi ozele, de exemplu, reducerea Cu+2, Bi+3 şi Ag+, a acidului picric, fericianurii etc, dar nu explică reacţia Schiff şi mutarotaţia. Deci gruparea aldehidică din maltoză nu se comportă întocmai ca şi o aldehidă, se abate parţial de la proprietăţile generale ale acestora motiv pentru care le vom numi pseudoaldehide.

258

Faţă de formula (I) care arată patru atomi de carbon asimetrici, cu formulele semiacetalice se observă apariţia unui nou atom de carbon asimetric (C1), care dă două forme şi . Existenţa acestor două forme a fost dovedită pentru glucoză prin puterea rotatorie (+113,4o pentru şi +18,7 pentru ), precum şi diferenţă de solubilitate, ale punctului de topire, de stabilitate şi în general proprietăţile fizice. Dizolvându-se, de exemplu, -glucoza în apă se constată că soluţia prezintă iniţial o rotaţie specifică de +113,4o, care scade în 5 minute la +108o, pentru a se stabiliza la +52,7o; dacă se pleacă de la -glucoză, iniţial se constată o rotaţie specifică de +18,7o care apoi creşte şi ajunge la +57,2o. Acest fenomen se numeşte mutarotaţie şi denotă starea de echilibru a celor două forme şi în soluţie. Evident că acest nu se poate imagina decât prin intermediul formei aciclice. În cazul aldozelor acest tip de izomerie se numeşte anomerie iar izomerii anomeri.

În reacţiile cu metanolul, aldozele participă cu un singur OH apărut la C1 (spre deosebire de aldehide şi cetone care reacţionează cu două molecule de alcool metilic) şi dau două forme de derivaţi enantiomeri -metil glicozida şi -metil glicozida. Prin tratare cu acid boric se constată o creştere a conductibilităţii electrice pentru soluţia de -glucoză, ceea ce pledează pentru situarea grupărilor OH din poziţiile 1 şi 2 de aceeaşi parte a planului.

Generalizând aceste observaţii se constată că se dublează numărul de izomeri sterici pentru aldoze, atomul de carbon C1 devine asimetric deci vom avea 25 stereoizomeri.

260

XIV.2. PROPRIETĂŢI FIZICE ŞI CHIMICE ALE OZELOR DE INTERES BIOLOGIC

Ozele sunt substanţe solubile în apă, greu solubile în alcool şi eter şi foarte greu solubile în acetonă. Punctele de topire sunt relativ ridicate, topirea se desfăşoară cu descompunerea parţială a monozaharidei respective. Gustul dulce nu este o proprietate exclusivă a glucidelor. În tabelul XIV.1. se prezintă gradul de dulce a glucidelor mai importante în comparaţie cu alte substanţe dulci. Etalonul de dulce se consideră zaharoza.

Tabel nr. XIV.1. Tabel care cuprinde gradul de dulceSubstanţa Grad de dulce Substanţa Grad de dulcezaharoza 1 sorbita 0,5fructoza 1,5 glicerina 0,5glucoza 0,5 ciclamat de sodiu 30lactoza 0,25 dulcina 200maltoza 0,6 zaharina 300galactoza 0,3 neohesperidina 1500zahăr invertit 0,8 paraldehidantioxina 2000

Proprietăţile chimice ale ozelor, valorificate în identificarea şi dozarea lor precum şi compartimentul acestora în sistemul biochimic este determinat de gruparea carbonil, grupările carboxilice şi interacţiunea acestora.

Acţiunea acizilor. Prin încălzire cu acizi (HCl, H2SO4), pentozele se transformă în furfurol, hexozele în hidroximetilfurfurol, care se poate descompune la acid levulinic. Derivaţii furfurolului se polimerizează uşor formând humine, substanţe instabile, de culoare castanie. Furfurolul şi derivaţii săi se condensază cu derivaţi fenolici sau amine aromatice, formând substanţe colorate, care stau la baza reacţiilor de identificare. Cu -naftolul, furfurolul şi derivaţii săi dă o coloraţie roşie pentru cetoze şi incoloră pentru aldoze (Selivanoff); cu orcina se pot diferenţia pentozele (culoare violetă) de hexozei etc.

261

Acţiunea alcaliilor (epimerizarea). În soluţii alcaline diluate, de la

o anumită oză, apare un amestec de echilibru dintre cei doi izomeri posibili la atomul de carbon C2, ai cetozelor corespunzătoare prin intermediul unui endiol. Zaharidele care se diferenţiază între ele doar prin atomii de carbon C1 şi C2 se numesc epimere.

262

Reacţii de lungire a lanţului de oze. Prin acţiunea acidului cianhidric se formează cianhidrine, care prin hidroliză trec în hidroxiacizi, care apoi prin reducere parţială se transformă într-o oză cu un atom de carbon mai mult (E. Fischer).

Reacţii de scurtare a lanţului moleculei ozelor. Ozele reacţionează cu hidroxilamina pentru a forma oxime, acestea prin reducere cu amalgam de sodiu, conduc la o amină primară; prin deshidratare trece în cianhidrină, din care prin eliminare de HCN se ajunge la oze cu un atom de carbon mai puţin în moleculă (metoda Wohl).

Cu aminele, aldehidele dau baze Schiff, în timp ce ozele formează N-heterozide, în care se păstrează forma ciclică. Reprezentanţi de mare importanţă biologică ai N-heterozidelor sunt nucleozidele, rezultate din oze (de obicei pentoze) şi baze purinice sau pirimidinice. Ele rezistă la acţiunea alcaliilor dar sunt hidrolizaţi de acizi sau de către enzime.

Cu o-toluidina, ozele dau baze Schiff colorate care servesc la dozarea colorimetrică (560 - 650 nm).

263

Reacţii cu fenilhidrazina. Gruparea carbonilică din oze reacţionează cu fenilhidrazina (FH) formând, la rece, fenilhidrazone. La cald reacţionează cu 3 moli de FH, cu formare finală de osazone.

Osazona se transformă uşor, prin oxidare blândă cu o soluţie caldă de sulfat de cupru în osatriol.

Reacţii de oxidoreducere. Oxidarea blândă a ozelor se realizează cu apă de brom, de iod, Cu+2, Bi+3, Ag+ etc, conduce la acizi onici, de la glucoză se obţine acidul gluconic, de la galactoză se obţine acidul

264

galactonic. În soluţie apoasă există o stare de echilibru între forma acidă şi cea lactonică.

În reacţia Trommer au loc următoarele etape:

Deoarece excesul de hidroxid de cupru (II) neredus se deshidratează la oxid negru care deranjează reacţia, se adaugă compuşi care pot lega Cu(OH)2 de exemplu, acid lactic, acid citric, în care se formeauă complexul Cu-citrat.

Ssau tartrat dublu de sodiu şi potasiu, sarea Seignette (reacţia Fehling).

265

Ionul cupric din acest complex se reduce uşor la ion cupros cu ozele la cald.În alte reacţii se utilizează reducerea ionilor de argint metalic

(reacţia Tollens), azotatul bazic de bismut la bismut metalic (reacţia Nylander), compuşii organici cum ar fi acidul picric se reduc la acid picramic, indigoul violet de reduce la indoxil incolor, fericianura se reduce la ferocianură etc.

Prin oxidare energică cu acid azotic se produce atât oxidarea grupării aldehidice cât şi a alcoolului primar, formându-se acizi glutarici, de la glucoză se obţine acid zaharic, de la galactoză, acid mucic.

Reacţii enzimatice. Din culturile de Aspergillus şi Penicilium s-a obţinut o gluconozidă, denumită notatină, care oxidează specific -glucoza la gluconolactonă. Concomitent se formează cantităţi echivalente de peroxid de hidrogen care se determină cu ajutorul unei peroxidaze şi a unor cromogeni, cum ar o-dianisidina. În mod similar pentru determinarea galactozei se utilizează galactoxidaza din Dactilium denoroides.

În alte metode se utilizează sistemul hexokinază (HK)/gluco-6-fosfat dehidrogenază (G-6-P-DH). Reacţia de fosforilare a glucozei în prezenţă de HK nu este specifică (reacţia este dată şi de manoză sau fructoză, dar acest inconvenient este eliminat prin fosforilarea celei de a doua enzimă. G-6-P-DH este o enzimă specifică numai pentru substratul ei G-6-P şi nu pentru Fr-6-P sau Man-6-P.

266

XIV.3. DERIVAŢI AI HIDRAŢILOR DE CARBON

XIV.3.1. Monozaharide

Bioze. Singurul reprezentant, cea mai simplă oză, este aldehida glicolică.

Trioze. Începând cu triozele poate să apară izomeria de poziţie şi izomeria optică, D sau L glicerinaldehida şi dihidroxiacetona.

Tetroze. Aldotetrozele pot apărea sub formă de eritroză sau treoză. Ele formează uşor polimeri, motiv pentru care nu se găsesc în stare liberă în ţesuturi şi celule. În cursul metabolismului intermediar pot fi găsiţi sub formă de esteri fosforici, la atomul de carbon C4.

Pentoze. Luând în considerare doar pentozele de bază vom aminti patru exemple: riboza, arabinoza, xiloza şi lixoza (fiecare sub formă D sau L). De asemenea, în biomolecule mai pot intra pentozele şi sub formă de cetoze. Pentozele pot apărea şi sub forme modificate, de exemplu, dezoxipentoze.

D(-)-Riboza nu se găseşte liberă în ţesuturi, dar prezintă un deosebit interes biologic, ca parte componentă a nucleotidelor, coenzimelor, acizilor nucleici (ARN) şi ca intermediari metabolici, sub formă de esteri fosforici ai -ribofuranozidelor.

D(+)-Ribuloza este cetoza corespunzătoare ribozei cu rol important în anumite procese biochimice.

267

L(+)-Arabinoza este răspândită în vegetale sub formă de polizaharide denumite arabane de unde se obţine prin hidroliză. Nu este metabolizată în organism.

D(+)-Xiloza, numită şi zahăr de lemn, se găseşte liberă în cantităţi mici în unele frunze (zarzăre), dar este destul de răspândit sub formă de polizaharide denumite xilane, în lignină (paie, lemn). Se obţine prin hidroliza polizaharidelor din cocenii de porumb.

Metilpentozele deşi au şase atomi de carbon sunt considerate pentoze, deoarece un atom de carbon apare sub forma unei grupări metil şi nu corespund formulelor generale ale hidraţilor de carbon. Cei mai importanţi reprezentanţi sunt L-ramnoza şi fucoza care intră în structura unor polizaharide microbiene şi în glicoproteine.

Hexoze. D(+)-Glucoza este foarte răspândită în regnul vegetal şi animal şi este principala oză a organismului uman. Se găseşte atât liberă cât şi în structura unor oligozaharide (zaharoză, lactoză, trehaloză), polizaharide (amidon, glicogen şi celuloză) şi sub formă de derivaţi (esteri fosforici, glucozamină etc). Se separă prin hidroliza chimică sau enzimatică a amidonului.

Prin reducere (cat. Ni), D-glucoza se transformă în polialcoolul sorbitol (sorbită) care oxidată cu B. xilinum sau Acetobacter suboxidans trece în sorboză, care serveşte la sinteza vitaminei C.

Acidul glucuronic prezintă un interes deosebit în conjugare, proces prin care intervine ficatul în eliminarea unor produşi străini, ca de exemplu, fenoli, indoxili, medicamente, toxice accidentale şi o serie de hormoni, produşi de organism.

D(+)-Manoza se găseşte sub forma unor polimeri, manane.D(-)-Fructoza roteşte planul luminii polarizate spre stânga de unde

şi denumirea de levuloză. Este mai dulce decât zahărul. Fructoza este

268

răspândită în stare liberă în fructe şi intră în structura zaharozei, rafinozei, genţianozei inulinei etc.

D(+)-Galactoza se găseşte în cantităţi foarte mici în sânge, lichid cefalorachidian, urină şi în cantităţi mai mari în lacoză, rafinoză, stachioză etc.

Heptozele au un singur reprezentant de interes biologic, seduheptuloza, izolată din Sedum spectabile, care apare în unii intermediari la metabolizarea glucidelor.

XIV.3.2. Oligozaharide

Diholozide (dizaharide). După modul de cuplare a celor două molecule de oze, diholozidele vor avea un caracter reducător sau nereducător. Conform nomenclaturii biochimice (1963) dizaharidele nereducătoare se numesc glicozil-glicozide, de exemplu zaharoza este -D-fructofuranozil--D-glucopiranozidă sau -D-glucopiranozil--D-fructofuranozidă, iar cele reducătoare glicozil-glucoze, de exemplu, lactoza este 4-O--D-galactopiranozil--D-glucopiranoză sau O--D-galactopiranozil-(14)--Glucopiranoză., dar în practică se folosesc denumirile uzuale mai simple.

Trehaloza este formată din două molecule de -glucoză legate prin grupele reducătoare. Se găseşte în cantităţi relativ mari în ciuperci, fiind obţinută iniţial din cornul de secară, apare în drojdia de brutărie, cu legături -’, în alge, insecte, bacilul tuberculozei etc. Pe lângă forma obişnuită a trehalozei se cunosc izomeri ai acesteia cum ar fi izotrehaloza şi neotrehaloza.

269

Zaharoza se găseşte în regnul vegetal, de exemplu, în sfecla şi trestia de zahăr, de unde se obţine zahărul comercial care este o zaharoză destul de pură. Are rotaţia specifică []D

20 = +66,5o şi prin hidroliză acidă sau enzimatică rezultă un amestec echimolecular de D-glucoză şi D-fructoză, ultimul puternic levogir. Din această cauză acest amestec se numeşte zahăr invertit.

Dizaharide reducătoare. Maltoza prezintă o legătură -glicozidică între două molecule de glucoză. Este un intermediar în hidroliza amidonului:

Celobioza are structura celulozei cu acelaşi rol în celuloză ca şi maltoza în amidon.

270

Lactoza este -glicozido-(14)-glucoză. Lactoza are o mare importanţă biologică, fiind glucida caracteristică laptelui (50 g/l în laptele de vacă şi 65 g/l în laptele de femeie), care asigură o mare parte a necesarului energetic pentru sugar. În laptele de femeie se mai găsesc încă opt zaharide care derivă din lactoză. Lactoza este hidrolizată de lactază.

Oligozaharide cu 3-5 molecule de oze. Denumirea de oligozaharidă se face începând cu prima oză, nereducătoare şi continuând cu celelalte, şi notând, în paranteză, cele două cifre care indică legătura dintre oze, de exemplu, rafinoza [O--D-galactopiranozil-(16)--D-glucopiranozil--D-fructofuranozidă.

Genţianoza este o triholozidă nereducătoare din rădăcina de genţiana şi are următoarea structură:

Rafinoza însoţeşte zaharoza în sfeclă.

271

Oze şi ozide aminate. Se cunosc numeroşi compuşi în care gruparea hidroxilică din oze este înlocuită cu grupări aminice. Numele se formează de la numele ozei cu adăugarea sufixului amină, de exemplu, glucozamina şi galactozamina.

Glucozamina intră în structura unor dizaharide aminate.Esteri fosforici ai ozelor sunt intermediari importanţi în

metabolismul glucidelor şi sunt utilizaţi ca şi substrate pentru determinarea activităţii diferitelor enzime sau în terapie.

Polioze. Amidonul constituie rezerva energetică a seminţelor şi a tuberculilor. Granulele de amidon sunt constituite din două părţi amiloza şi amilopectina.

Amiloza, M = 50000, are o catenă liniară, formată din cca 300 de molecule de -glucoză. Amiloza este solubilă în apă fierbinte cu formarea unei soluţii coloidale, care la rece formează o cocă (gel). Se recunoaşte datorită culorii albastre pe care o dă cu iodul.

Amilopectina sau izoamiloza are M = 200000 - 300000, dă culoare violacee cu iodul. Are o structură mult mai complicată decât amiloza, pe

272

lângă lanţurile de legături 14, prezintă şi ramificaţii cu legătură 16, cu un grad de ramificaţie pentru 8 - 10 unităţi de glucoză.

Hidroliza amidonului sub acţiunea acizilor sau a enzimelor duce la o serie de produşi intermediari, molecule mai mici, care se diferenţiază prin reacţia cu iodul, amilodextrine (culoare albastră), eritrodextrine (roşie), acrodextrine (nu colorează soluţia de iod) şi în final se ajunge la glucoză. Prin arderea amidonului se obţine o cenuşă care pe lângă ionii fosfat şi silicat mai conţine cationi de calciu, magneziu, sodiu şi potasiu.

Glicogenul este o polizaharidă cu M = 1 - 5000000, ce corespunde la animale, amidonului vegetal, cu o structură foarte ramificată de felul:

Formula uniramificata a gligenul Formula multiramificata a glicogenului

Glicogenul se găseşte în cantitate mare la animalele inferioare (moluşte, stridii) şi la mamifere, ca şi glucidă de rezervă în ficat (până la 10% din greutatea ficatului), în muşchi (unde asigură procesul contracţiilor) precum în bacterii şi ciuperci. Ca structură se aseamănă cu amilopectina, fiind hidrolizată de amilaze, dar are ramificaţii mai dese; o ramificaţie la 3 - 4 unităţi de glucoză. Cu iodul dă o coloraţie roşie cărămizie.

273

XIV.4. GLICOLIZA

Cu acest capitol începem să studiem sistemele multienzimatice care catalizează degradarea moleculelor de combustibil şi recuperarea unei părţi din energia chimică sub formă de ATP. Glicoliza este una din căile metabolice cunoscute sub genericul de fermentaţie anaerobă, sistemul care-şi procură energie chimică în absenţa oxigenului. Calea glicolitică a fost primul sistem enzimatic de importanţă majoră care a fost elucidat.

XIV.4.1. Fermentaţia şi respiraţia

Toate organismele heterotrofe îşi obţin în final energia din reacţii de oxido-reducere, adică reacţii în care electronii sunt transferaţi de la un compus, donor de electroni sau agent reducător, la un acceptor de electroni sau agent oxidant.

Organismele aerobe îşi procură cea mai mare parte din energie prin respiraţie, definită ca oxidarea compuşilor organici pe seama oxigenului molecular, oxigenul serveşte în acest caz ca şi acceptor final de electroni.

Organismele anaerobe heterotrofe îşi obţin cea mai mare parte din energie din reacţiile de oxido-reducere, dar în acest caz electronii trec de la un intermediar organic, de la degradarea zahărului, donor de electroni, la alt intermediar organic din procesul de fermentaţie, care acţionează ca şi

274

acceptor de electroni. În procesele de fermentaţie anaerobă nu apare o oxidare netă a combustibilului.

Organismele care pot trăi în mediu anaerob şi pot folosi fermentaţia ca sursă de energie se împart în două clase. Organismele obligat sau strict anaerobe, care nu pot folosi sub nici o formă oxigenul şi de multe ori nici măcar tolera. Organismele facultativ anaerobe, care pot trăi în absenţa sau în prezenţa oxigenului. Când trăiesc în mediu anaerob ele continuă procesul de fermentaţie anaerobă, oxidându-se apoi în mediu aerob cu ajutorul oxigenului molecular.

Între numeroasele tipuri de fermentaţie a glucozei mai frecvente sunt două aflate în strânsă legătură. În glicoliză, denumită uneori şi fermentaţie homolactică, molecula de glucoză din 6 atomi de carbon se degradează în două molecule de acid lactic de câte trei atomi de carbon, singurul produs final. Acest tip de degradare a glucozei apare la multe microorganisme şi la celulele plantelor şi animalelor superioare. În fermentaţia alcoolică, ce caracterizează o serie de drojdii, molecula de glucoză se degradează în două molecule de etanol cu câte doi atomi de carbon şi două molecule de dioxide

275

de carbon. Fermentaţia alcoolică are loc pe aceeaşi cale enzimatică ca şi glicoliza, dar mai solicită două etape enzimatice diferite la sfârşit.

XIV.4.2. Bilanţul energetic a glicolizei şi a fermentaţiei alcoolice

Schema de mai sus nu descrie soarta atomilor de carbon din molecula de glucoză şi nu spune nimic despre energia sistemului. De fapt, atât în glicoliză cât şi în fermentaţie alcoolică rezultă ATP din ADP. Ecuaţiile complete includ etapele de conservare a energiei:

Pentru a analiza partea energetică a glicolizei în condiţii standard, ne putem opri la ecuaţia generală a două procese, şi anume, trecerea glucozei în lactat care este exotermă şi trecerea ADP în ATP, care este endotermă:

Din schimbările de energie liberă standard arătate rezultă că degradarea g-glucozei în lactat furnizează o cantitate mai mult decât suficientă de energie necesară etapei endoterme de obţinere a ATP din ADP.

XIV.4.3. Etapele glicolizei

276

Glicoliza este catalizată de acţiunea consecutivă a unui grup de 11 enzime, dintre care cele mai multe au fost izolate în stare cristalizată şi studiate în profunzime. Ele sunt uşor de extras din celule sub formă solubilă şi se presupune că sunt fixate în partea solubilă a citoplasmei. De asemenea, se crede că enzimele individuale care catalizează etapele glicolizei nu depind fizic una de alta, ele nu par a fi asociate într-un complex multienzimatic.

Toţi produşii intermediari ai glicolizei de la glucoză la piruvat sunt compuşi fosforilaţi. Grupările lor fosfat par să îndeplinească trei funcţii. 1. Fiecare produs intermediar primeşte câte o grupare fosfat polară negativă, care-l face să nu mai poată străbate membrana celulară (care, în general nu lasă să treacă compuşii polari). 2. Grupele fosfat ale produşilor intermediari ai glicolizei servesc, de asemenea, ca grupări de legătură sau de recunoaştere în formarea complecşilor enzimă-substrat. 3. Cea mai importantă funcţie a grupării fosfat din compuşii intermediari ai glicolizei este cea de conservare a energiei, deoarece în final se transformă în ATP.

Glicoliza anaerobă prezintă două etape mai importante. În prima etapă, glucoza este pregătită pentru catabolizare prin fosforilare şi apoi disociată pentru a forma trioza (aldehida 3-fosfoglicerică). În cea de a doua etapă aldehida 3-fosfoglicerică este convertită în lactat. Prima serveşte ca o fază de pregătire, de colectare, prin care toate monozaharidele, după ce au fost fosforilate trec într-un produs comun aldehida 3-fosfoglicerică. Această etapă utilizează două molecule de ATP pentru fosforilarea poziţiilor 1 şi 6 a glucozei.

În cea de a doua fază se formează patru molecule de ATP, astfel, câştigul net este de două molecule de ATP pentru fiecare moleculă de glucoză prelucrată.

În timpul glicolizei au loc diferite transformări chimice iar căile lor se află în interconversiune:

1) Lanţul de reacţii prin care scheletul carbonic a glucozei se degradează pentru a forma lactatul sau calea atomilor de carbon.

2) Lanţul de reacţii prin care fosfatul anorganic se transformă în grupare fosfat terminală la al ATP-ului sau calea fosfatului.

3) lanţul de reacţii de oxido-reducere sau calea electronilor.

277

XIV.4.3.1. TREPTELE ENZIMATICE DIN PRIMA ETAPĂ A GLICOLIZEI

Fosforilarea D-glucozei de către ATP. Aceasta este prima din cele două trepte de iniţiere a glicolizei în care este utilizat ATP-ul. Molecula neutră de glucoză se pregăteşte pentru etapele următoare prin fosforilare la poziţia 6, pe socoteala ATP, obţinându-se, astfel, o moleculă încărcată negativ. În celule există puţine molecule de glucoză liberă, cea mai mare

278

parte este fosforilată. Fosforilarea D-glucozei la 6-glucozofosfat este catalizată de două enzime: hexokinază şi glucokinază care diferă prin specificitatea lor. Reacţia generală este:

Go’ = - 4,0 kcal/mol

Hexokinaza este mai larg răspândită, ea reprezintă enzima folosită de majoritatea celulelor. Această enzimă catalizează fosforilarea, în general, a unui număr mare de hexoze (D-fructoza, D-manoza etc), are o activitate sporită faţă de aldoze. Hexokinaza din drojdie a fost izolată şi cristalizată, are M = 96000. Hexokinaza din diferite ţesuturi se găseşte sub forma a trei izomeri care se deosebesc între ei privind afinitatea faţă de glucoză şi este inhibată de produsul de reacţie, glucozo-6-fosfat.

Cel de al doilea tip de enzimă catalizatoare pentru această treaptă este glucokinaza, care acţionează numai asupra glucozei nu şi asupra asupra altor hexoze. Această enzimă nu este inhibată de glucozo-6-fosfat. Glucokinaza se găseşte în cantităţi mari în ficat şi este absentă în muşchi, unde întâlnim numai hexokinază. Rolul glucokinazei începe când concentraţia glucozei în sânge este temporar ridicată, de exemplu, după o masă bogată în zaharuri. Atât hexokinaza cât şi glucokinaza au nevoie de prezenţa unui ion bivalent (Mg+2 sau Mn+2), care se combină mai întâi cu ATP-ul pentru a forma MgATP-2 sau MnATP-2 .

Defosforilarea enzimatică a D-glucozofosfatului se realizează în prezenţa glucozo-6-fosfatazei, care are rolul de a furniza glucoza liberă în sânge.

279

Trecerea glucozo-6-fosfatului în fructozo-6-fosfat. Enzima care catalizează această reacţie este glucozofosfat izomeraza, care a fost separată din ţesutul muscular în stare pură.

Fosforilarea D-fructozo-6-fosfatului la frucotzo-1,6-difosfat. În această reacţie, a doua din cele două reacţii de iniţiere a glicolizei, a doua moleculă de ATP este necesară pentru fosforilarea fructozo-6-fosfatului în poziţia 1 prin acţiunea 6-fosfofructokinazei.

Go’ = -3,4 kcal/mol

Este nevoie de Mg+2. Cu toate că fructozo-6-fosfatul reprezintă acceptorul specific de fosfat în această reacţie, ATP-ul poate fi înlocuit de UTP.

Fosfofructokinaza este o enzimă allosterică, fosforilarea fructozo-6-fosfatului este cel mai important punct de control al glicolizei. Asemenea enzimelor allosterice, fosfofructokinaza (M = 380000), conţine un număr de subunităţi şi prezintă dependenţa complexă a vitezei de reacţie de concentraţiile substratelor. Fosfofructokinaza are modulatori multipli. Ea

280

este inhibată de concentraţii mari de ATP, de citrat şi de acizi graşi cu catenă lungă, dar este stimulată de ADP şi AMP. În consecinţă atunci când celulare are o concentraţie mare de ATP sau ori de câte ori apare un alt combustibil, cum ar acizii graşi sau citratul se opreşte procesul glicolizei. În mod contrar când predomină ADP sau AMP şi lipsesc alţi combustibili se reia procesul glicolitic.

D-Fructozo-1,6-fosfatul poate fi reconvertit în fructozo-6-fosfat pe o altă cale enzimatică, printr-o reacţie de hidroliză catalizată de hexozodifosfatază, de asemenea, o enzimă allosteică cu rol evident în reglarea biosintezei glucozei.


Scindarea fructozo-1,6-difosfatului în dihidroxiaceton-fosfat şi glicerinaldehid-3-fosfat. Această reacţie este catalizată de binecunoscuta enzimă fructozo-difosfat aldolază, care se poate separa în stare cristalină din muşchii de iepure. Reacţia catalizată reprezintă o condensare aldolică reversibilă, din care rezultă doi triozofosfaţi.

Go’ = +5,73

281

Cu toate că reacţia este endotermă, reacţia este rapidă şi echilibrul deplasat spre dreapta.

Tipică pentru fructozo-difosfat-aldolaze, care se găseşte în plante şi animale superioare, denumite adesea aldolaze de clasa I-a, este aceea că are M = 160000şi conţine patru subunităţi. Ea conţine un număr de grupări SH libere, dintre care unele au activitate catalitică.

Interconversia triozo-fosfaţilor. Un singur triozofosfat şi anume gliceraldehid-3-fosfatul poate fi degradat în mod direct în reacţiile următoare ale glicolizei. În aceste condiţii dihidroxiacetonfosfatul este reversibil convertit la glicerinaldehid-3-fosfat de către enzima triozofosfat izomerază.

Se observă că în cursul reacţiilor atomii de carbon C1 şi C6 ai glucozei iniţiale devin C3 al D-glicerinaldehid-3-fosfatului, atomii C2 şi C5

devin C2 şi atomii C3 şi C4 devin C1.Această reacţie încheie prima etapă a glicolizei, în care molecula de

glucoză este pregătită pentru cea de a doua etapă prin două trepte de fosforilare şi scindare. Reacţiile de colectare prin care glicogenul, amidonul şi celelalte zaharuri sunt introduse în prima etapă le vom descrie mai târziu.

XIV.4.3.2. TREPTELE ENZIMATICE DIN A DOUA ETAPĂ A GLICOLIZEI

Această etapă cuprinde treptele de oxidoreducere ca şi cele de fosforilare în care ADP este trecut în ATP.

Oxidarea gliceraldehid-3-fosfatului la 3-fosfogliceroil fosfat. Aceasta este una din cele mai importante trepte ale secvenţei glicolitice, deoarece conservă energia de oxidare a grupării aldehidice din D-glicerinaldehid-3-fosfat în produsul său de oxidare, “3-gliceroilfosfatul”. Elucidarea acestei căi a fost elucidată de către Warburg (1938-1939).

Enzima care catalizează oxidarea aldehidei 3-fosfoglicerice, denumită în mod curent gliceraldehidfosfat dehidrogenază se poate izola

282

sub formă cristalină (M = 140000) din muşchiul de iepure sau drojdie. Ea conţine 4 subunităţi identice, fiecare fiind constituit dintr-un lanţ polipeptidic de aproximativ 330 de resturi, a cărui secvenţă de aminoacizi este descifrată.

Reacţia totală sub acţiunea enzimei catalizatoare este următoarea:

În această reacţie, gruparea aldehidică a D-glicerinaldehid-3-fosfatului este oxidată la carboxil. În ciuda acestui fapt, în locul unui acid carboxilic liber din reacţie rezultă o anhidridă mixtă a grupării carboxil a acidului 3-fosfogliceric şi acidului fosforic, respectiv 3-fosfogliceroil-3-fosfatul, care, după cum am văzut este un compus fosfatidic macroergic având o energie liberă standard de hidroliză mai mică decât ATP-ul.

Cealaltă componentă care intră în această reacţie este NAD+, forma oxidată a nicotinamid-adenin-dinucleotidului, care acceptă electronii de la gruparea aldehidică a aldehidei D-3-fosfoglicerice. NAD serveşte drept transportor de electroni de la donorul de electroni, aldehida D-3-fosfoglicerice, la piruvat, care se va forma mai târziu în secvenţa glicolitică.

Reacţia globală are o valoare Go’, relativ mică, fiind astfel puţin stabilă şi porneşte uşor în ambele direcţii în funcţie de concentraţia reactanţilor şi a produşilor. Reacţia de la stânga spre dreapta se poate separa în două procese pentru analiza schimbului de procese energetice, folosind RCHO pentru a desemna aldehida 3-fosfoglicerică, RCOOH pentru acidul 3-fosfogliceric şi RCOOPO3H2 pentru 3-fosfogliceroilfosfat.

Reacţia parţială exotermă:

283


Reacţia parţială endotermă:

Go’ = +11,8 kcal/mol

Suma reacţiilor:

Go’ = -10,3 + 11,8 = +1,5 kcal/mol

Mecanismul acestei importante reacţii a fost studiat în detaliu. Fiecare dintre cele 4 subunităţi identice ale enzimei conţine câte un centru activ, de care se leagă molecula NAD+. 3-Fosfogliceroil-fosfat dehidrogenaza este inhibată de metalele grele, ca şi de agenţii alchilanţi, de exemplu, iodacetatul. De aici s-a tras concluzia că cel puţin o grupare SH este esenţială activităţii enzimatice. Enzima leagă, mai întâi, forma oxidată a coenzimei NAD+, printr-o reacţie în care gruparea esenţială sulfhidril este mascată steric. În faza următoare, gruparea aldehidică a substratului formează o legătură tiolacetat cu gruparea sulfhidril.

După aceea enzima catalizează transferul hidrogenului de la aldehida 3-fosfoglicerică, formând un tioester între gruparea sulfhidril al enzimei şi gruparea carboxil a substratului, această formă a enzimei poartă numele de

284

acil-enzimă. NADH părăseşte, apoi, centrul activ al enzimei în schimbul unei molecule de NAD+ libere din mediu. Gruparea acil este apoi transferată de la gruparea sulfhidril a enzimei la fosfatul anorganic pentru a forma 3-fosfogliceroil fosfatul, produsul de oxidare. Forma liberă oxidată a enzimei este gata de un nou ciclu catalitic.

Transferul fosfatului de la 3-fosfogliceroil fosfat la ADP. Warburg a arătat că 3-fosfogliceroil fosfatul format în cadrul reacţiei prezentate, reacţionează acum pe cale enzimatică cu ADP-ul, cu transferul grupării acilfosfat la ADP şi formarea 3-fosfogliceratului, catalizată de fosfogliceratkinază.

Această reacţie este puternic exotermă şi serveşte pentru a trage reacţia precedentă spre consunare. Enzima transportoare de substrat are un grad de afinitate deosebit de ridicat pentru 3-fosfogliceroil fosfat. Ecuaţia generală a celor două procese este:


Prin intermediul acestor două reacţii consecutive, energia de oxidare a unei grupe aldehidice la gruparea carboxilică se conservă sub formă de ATP

Conversia 3-fosfogliceratului la 2-fosfoglicerat. Această reacţie este catalizată de enzima fosfogliceromutază:


285

Pentru această reacţie este esenţială prezenţa magneziului care implică transferul grupării fosfat din poziţia 3 în poziţia 2 a acidului gliceric. Această enzimă apare sub două forme, cea din ţesutul se pare că necesită ca intermediar 2,3-difosfogliceratul:

Deshidratarea 2-fosfogliceratului la fosfoenolpiruvat. Trecerea 2-fosfogliceratului în 2-fosfoenolpiruvat este cea de a doua reacţie a secvenţei glicolitice, în care este generat un compus macroergic. Treapta este catalizată de enolază:


Enolaza a fost obţinută în forma cristalină din mai multe surse (M = 85000). Ea necesită, în mod absolut, prezenţa unui cation bivalent (magneziu sau mangan) care alcătuieşte împreună cu enzima un complex, înainte ca substratul să fie legat.

Transferul fosfatului de la fosfoenolpiruvat la ADP. Transferul grupării fosfat de la fosfoenolpiruvat la ADP, prin obţinere de piruvat liber este catalizat de enzima piruvatkinază:

286


Această enzimă a fost obţinută în starea cristalină (M = 250000). Reacţia este puternic exotermă şi este ireversibilă în condiţii celulare. Enzima are nevoie de magneziu şi mangan cu care trebuie să formeze un complex înainte de a se lega de substrat. Ionul de calciu intră în competiţie cu magneziu, formând un complex inactiv.

Piruvatkinaza prezentă la mamifere este o enzimă reglatoare şi apare în forme diferite în ţesuturi. Forma F, sau cea din ficat este activată de către fructozo-1.6-difosfat şi de concentraţii mari de fosfoenolpiruvat, dar este inhibată de ATP, ANP, citrat şi alanină. Forma M, sau cea musculară, nu este inactivată de fructozo-1,6-difosfat, dar este inhibată de fenilalanină.

Reducerea piruvatului la lactat. În ultima treaptă a glicolizei, piruvatul este redus la lactat pe socoteala electronilor donaţi iniţial de aldehida 3-fosfoglicerică. Aceşti electroni sunt transferaţi de NADH. Reacţia este catalizată de lactatdehidrogenază.


Echilibrul reacţiei este deplasat foarte mult spre dreapta, după cum arată şi valoare negativă ridicată a Go’. Lactat dehidrogenaza apare la animalele superioare în cel puţin cinci forme de molecule diferite sau

287

izoenzime, care diferă prin viteza de reducere a piruvatului în funcţie de concentraţia acestuia

Lactatul, produsul final al secvenţei glicolitice în condiţii aerobe, difuzează prin membrana celulară în exterior ca şi produs de excreţie. În cazul în care muşchii animalelor sunt nevoiţi să funcţioneze anaerob în timpul unor scurte puseuri de activităţi intense, lactatul care iese din celula musculară în sânge este recuperat de ficat şi reutilizat pentru a forma glucoza din sânge.

XIV.4.4. Bilanţul energetic global al glicolizei

Acum putem întocmi un bilanţ energetic general al glicolizei, care să ne prezinte un tablou general despre ce a intrat în reacţie, ce s-a recuperat, ce s-a pierdut şi ce s-a întâmplat cu energia în decursul glicolizei.

Reducând termenii asemenea:

În general D-glucoza trece în două molecule de lactat, două molecule de ADP şi fosfat trec ATP şi sunt transferaţi 4 electroni.

Un interes deosebit prezintă aspectul energetic al glicolizei la nivelul celulei intacte. O astfel de analiză s-a făcut la nivelul celulelor roşii din sânge, care diferă de celelalte celule din organism că îşi obţine energia în urma glicolizei. Pentru fiecare etapă s-a calculat valoare energiei libere. Din aceste rezultate s-au arătat că opt reacţii din secvenţa glicolitică sunt reversibile, (Go’ este foarte aprope de zero), în timp ce trei dintre reacţii prezintă Go’ 0, aflându-se departe de starea de echilibru, şi anume etapele catalizate de hexokinază, fosfofructokinază şi piruvatkinază.

XIV.4.5. Intrarea altor hidraţi de carbon în secvenţa glicolitică

288

Polizaharidele de rezervă, glicogenul şi amidonul, şi zaharurile simple în afara glucozei sunt introduse în prima fază a glicolizei prin intermediul unor căi metabolice catalizate de nişte enzime auxiliare.

Glicogenul şi amidonul. Unităţile de D-glucoză din glicogen şi amidon intră în secvenţa glicolitică prin acţiunea consecutivă a două enzime glicogenfosforilaza (sau amidonfosforilaza) şi fosfoglucomutază. Glicogenfosforilaza şi amidonfosforilaza catalizează o gamă largă de reacţii de tipul:


În această reacţie, legătura glicozidică terminală (14) de la capătul nereducător al catenei laterale a glicogenului suferă o fosforiliză.

Aşa cum hidroliza provoacă ruperea unei molecule prin introducerea unei molecule de apă, fosforilaza provoacă scindarea unei legături covalente prin introducerea unei molecule de acid fosforic. Ruperea legăturii glicozidice terminale duce la îndepărtarea glucozei terminale sub formă de glucozo-1-fosfat, lăsând o catenă glicogen cu o unitate de glucoză mai puţin. Enzima reacţionează în mod repetat asupra capetelor nereducătoare ale lanţului glicogenic până când se întâlneşte cu punctele de ramificare 16 pe care nu le poate ataca.

Acţiunea exhaustivă a glicogenfosforilazei poate produce astfel o dextrină limită, care poate fi degradată mai departe de glicogenfosforilază după acţiunea unei enzime de deramificare, o amilo-1,2-glucozidază hidrolitică, ce hidrolizează legătura 16 din punctele de ramificaţie,

289

alcătuind astfel o nouă catenă de polizaharidă care poate fi atacată de glicofenfosforilază.

Fosforilaza se situează la punctul strategic important între rezervorul de combustibil (glicogen sau amidon) şi secvenţa glicolitică ce utilizează combustibilul. Activitatea sa în muşchi şi ficat se află sub controlul unui sistem complicat de reglatori. Fosforilaza din muşchii scheletici apare sub două forme, cea activă, fosforilaza a şi una mai puţin activă fosforilaza b, ambele au fost cristalizate. Fosforilaza a are M = 380000 şi constă din patru subunităţi identice. Fiecare subunitate prezintă un rest de fosfoserină, esenţial pentru activitatea catalitică şi o moleculă de piridoxal fosfat, care este legat covalent de un rest de lizină. Funcţia piridoxalfosfatului este încă necunoscută. Fosforilaza a poate fi atacată de enzima hidrolitică fosforilazfosfatază, care îndepărtează grupările fosfat din resturile de serinfosfat.

Această reacţie face ca fosforilaza a să se disocieze în două molecule de fosforilază b, care este forma mai puţin activă. Fosforilaza b trece în forma activă printr-o cale metabolică în care patru molecule de ATP acţionează asupra două molecule de fosforilază b în prezenţa enzimei fosforilazkinază. Prin acţiunea fosforilazkinazei şi a fosforilazfosfatazei poate fi controlat raportul dintre fosforilaza a şi fosforilaza b în interiorul celulei.

Ficatul conţine şi el formele active şi inactive ale fosforilazei, raportul fiind controlat de viteza de interconversie a celor două forme.

Glucozo-1-fosfatul, produs final al reacţiei dintre glicogen şi fosforilaze, trece în glucozo-6-fosfat cu ajutorul fosfoglucomuatazei, care a fost obţinută în formă pură din multe surse. Ea catalizează o reacţia uşor reversibilă. Fosfoglucomutaza conţine un rest de serină indispensabil activităţii catalitice. În timpul ciclului catalitic, gruparea hidroxil al serinei se esterifică cu acid fosforic, care pendulează între poziţiile 1 şi 6 ale glucozei:


290

Dizaharidele ingerate de animalele superioare sunt de obicei hidrolizate în componentele lor monozaharidice înainte de a fi absorbite de intestin, după reacţiile:

Enzima lactaza, o -galactozidază secretată de intestinul subţire, are o activitate redusă sau lipseşte cu desăvârşire la mulţi adulţi arabi, evrei, bantu, japonezi, indieni americani şi filipinezi. La aceşti indivizi lactoza nu se absoarbe normal ceea ce poartă numele de intoleranţă la lactoză. Monozaharidele rezultate îşi fac intrarea in glicoliză după cum urmează.

În ficatul vertebratelor fructoza intră în glicoliză sub acţiunea fructokinazei, care catalizează fosforilarea fructozei la C1.

Fructozo-1-fosfatul este apoi disociat în D-glicerinaldehidă şi dihidroxiaceton fosfat. Sub acţiunea aldolazei, D-glicerinaldehida liberă este fosforilată la glicerin aldehid 3 fosfat.

D-Galactoza intră în ciclul glicolitic după ce are loc fosforilarea cu ajutorul ATP-ului sub acţiunea galactokinazei.

291

D-galactozo-1-fosfatul trece prin izomerizare, prin mai multe etape, în D-glucozo-1-fosfat, care necesită coenzima uridintrifosfat (UTP).

D-Manoza este fosforilată de către hexokinază, reacţie relativ nespecifică:

D-Manozo-6-fosfatul este izomerizat reversibil la D-fructozo-6-fosfat de către manozoizomerază.

XIV.5. BIOSINTEZA GLUCIDELOR

Am văzut că în majoritatea celulelor, conversia glucozei la piruvat, catalizată de enzime glicolitice este calea metabolică principală a catabolismului hidraţilor de carbon atât în condiţii anaerobe, cât şi în condiţii aerobe. Procesul invers, de conversie a piruvatului în glucozo-6-fosfat, este calea metabolică principală în biosinteza hidraţilor de carbon de către diferite organisme (figura XIV1). Către această cale metabolică principală converg diverse căi metabolice afluente, provenite din precursori care nu sunt hidraţi de carbon. O asemenea cale metabolică se compune din secvenţele de reacţie prin care intermediarii ciclului acizilor tricarboxilici sunt transformaţi în precursori ai glucozei; această cale metabolică este folosită şi când lanţurile carbonate ale anumitor aminoacizi sunt convertite în glucoză. O altă cale metabolică afluentă o constituie reacţiile care realizează reducere netă a dioxidului de carbon pentru a forma precursori ai glucozei în celulele fotosintetizante.

Glucozo-6-fosfatul, produsul principal al sintezei, se poate transforma ulterior, pe numeroase căi divergente la alţi metaboliţi importanţi: 1) monozaharide şi derivaţii lor, 2) dizaharide, 3) polizaharide energetice de depozit (amidon, glicogen), 4) a componenţilor peretelui celular şi ai membranei celulare, cum sunt, celuloza, xilanii, peptidoglicanii

292

şi mucopolizaharidele acide şi glicoproteinele. Căile metabolice divergente care conduc de la glucozo-6-fosfat la diferiţi compuşi diferă de la un tip de organism la altul. De exemplu, capacitatea de a forma dizaharide este o caracteristică pentru plante şi nu pentru animale. Diverse căi metabolice duc la polimeri extracelulari sunt, de asemenea, specifici speciei.

Vom începe prin a examina calea metabolică biosintetizantă principală, care conduce de la piruvat la glucozo-6-fosfat, utilizat în procesul gluconeogenezei, sinteza glucozei “de novo” din precursori ca piruvatul, lactatul, anumiţi aminoacizi şi intermediari ai ciclului acizilor tricarboxilic

Figura XIV.1.Calea principală de biosinteză a hexozelor

glicogen,amidon

glucoză

polizaharide aleperetelui celularşi ale membraneicelulare

dizaharide

altemonozaharide

glucozo-6-fosfat

3-fosfoglicerat

RuDP

CO2

(fotosinteză)

fosfoenolpiruvat

oxalilacetat intermediariiciclului acidului tricarboxilic

piruvat

lactat

aminoaciziglicogenici

Figura nr. XIV.2. Căile de ocolire în calea gluconeogenezei.

293

F6P

ATP

ADP

piruvat

oxalilacetat

NADH

NAD+

malat

GTP

GDP

CO2

fosfoenolpiruvat

2PG

G3P(DHAP)

3PG

FDP

Pa

ADP

ATP

G6P

Pa

ADP

ATPglucoză

XIV.5.1. Calea de biosinteză de la piruvat la glucozo-6-fosfat

Majoritatea etapelor de reacţie din intens circulată cale metabolică principală, de la piruvat la glucozo-6-fosfat, sunt catalizate de enzime ale secvenţei glicolitice şi au loc, astfel, prin etape inverse ale glicolizei. Totuşi, există două etape ireversibile în calea glicolitică normală “la vale” care nu pot fi utilizate în conversia inversă “la deal” a piruvatului la glucozo-6-fosfat. În direcţia biosintetică aceste etape sunt ocolite prin reacţii alternative, care sunt favorabile termodinamic în direcţia sintezei.

Conversia piruvatului la fosfoenolpiruvat. Prima etapă de ocolire este fosforilarea piruvatului la fosfoenolpiruvat, care nu are loc prin etapă inversă a reacţiei piruvat kinazei, probabil datorită variaţiei înalt pozitive a energiei libere standard:


În timpul gliconeogenezei, fosforilarea piruvatului este realizată printr-o cale alternativă, printr-o secvenţă de reacţii tip suveică care implică cooperarea enzimelor atât în citosol cât şi în compartimentele mitocondriale ale ficatului de şobolan şi al altor specii (figura nr. XIV.2.). Prima etapă este catalizată de piruvat carboxilază mitocondrială, care catalizează, reacţia anaplerotică principală prin care intermediarii ciclului acizilor tricarboxilici sunt generaţi din piruvat. Această reacţie este aproape ireversibilă în celule.


Totuşi, această reacţie este controlată strict, întrucât piruvat carboxilaza, o enzimă allosterică, este complet inactivă în absenţa modulatorului său specific, acetil-CoA. Pentru ca reacţia să poată să aibă loc este necesar ionul Mn+2. Oxalil acetatul format în această reacţie mitocondrială este apoi redus la malat de către malat dehidrogenaza mitocondrială, cu consum de NADH:


294

Malatul, astfel format, poate părăsi mitocondria prin sistemul de transport dicarboxilat al membranei mitocondriale interne, în schimbul fosfatului sau a altui dicarboxilat. În citosol malatul este apoi reoxidat de malat dehidrogenaza NAD-dependentă citoplasmatică pentru a forma oxalilacetatul extramitocondrial:


Deşi această reacţie este puternic endergonică, ea decurge spre dreapta deoarece produşii sunt rapid îndepărtaţi. În ultima etapă a căii prin ocolire, oxalilacetatul este preluat de către fosfoenolpiruvat cocarboxikinază (GTP) pentru a forma fosfoenolpiruvat şi dioxid de carbon, o reacţie în care GTP (sau ITP) serveşte ca şi donor de fosfat.


Fosfoenolpiruvat cocarboxikinaza (GTP) are masa moleculară de aproximativ 75000. Întrucât are o foarte mică afinitate faţă de dioxid de carbon, enzima este activă numai în direcţia formării fosfoenolpiruvatului.

Se poate scrie acum reacţia globală pentru formarea fosfoenolpiruvatului (suma reacţiilor de mai sus).


Reacţia totală este termodinamic reversibilă, datorită variaţiei mici a energiei libere standard şi va tinde să meargă spre dreapta ori de câte ori raportul ATP/ADP este mare şi piruvatul este prezent în exces. Componenţii reacţiei totale pot fi împărţiţi în componenţi endergonici şi exergonici.

Componentul care necesită energie este:

295


procesul din care rezultă energie este:


Două legături macroergice, una de la ATP şi una de la GTP, fiecare furnizând -7,3 kcal/mol, sunt cheltuite în total pentru a fosforila o moleculă de piruvat.

Conversia fosfoenolpiruvatului la fructozo-1,6-difosfat. Fosfoenolpiruvatul format din piruvat este convertit în continuare, cu uşurinţă, la fructozo-1,6-difosfat prin reacţiile inverse glicolizei.

Conversia fructozo-1,6-difosfatului la fructozo-6-fosfat. Aceasta este al doilea punct crucial în gliconeogeneză, în care reacţia secvenţei glicolitice directe este ocolită printr-o enzimă care funcţionează în principal în direcţia sintezei. Reacţia directă a glicolizei în acest punct este catalizată de fosfofructo kinază.

296


Reacţia nu funcţionează biologic în direcţie inversă, parţial datorită valorii Go’ nefavorabile. În timpul gliconeogenezei, reacţia este ocolită (figura XIV.2.) prin reacţia catalizată de enzima din citosol, hexozodifosfataza sau fructozodifosfataza, care realizează îndepărtarea hidrolitică, practic ireversibilă, a grupării 1-fosfat.


Hexozodifosfataza este o enzimă allosterică; ea este puternic inhibată de AMP (modulatorul negativ) şi stimulată de 3-fosfoglicerat şi citrat. Enzima are cel puţin trei situsuri de legare pentru AMO, care sunt distincte de situsul de legare a substratului. Enzima prezintă un maxim de activitate şi favorizează formarea glucozei, când concentraţia unor precursori ai glucozei este mare şi concentraţia AMP este mică, adică atunci când încărcătura energetică este mare. Hexozodifosfataza din ficat are alte proprietăţi legate de reglarea gluconeogenezei. Ea este convertită de proteazele lizozomale într-o formă cu un pH optim mai alcalin; această schimbare pare să fie rezultatul unei reglări endocrine.

În ultima etapă, fructozo-6-fosfatul este convertit ireversibil la glucozo-6-fosfat de către glucozofosfat izomerază, care funcţionează reversibil atât în glicoliză cât şi în gluconeogeneză.

Reacţia globală rezultă din suma reacţiilor gluconeogenezei conducând de la piruvat la glucozo-6-fosfat este:

Pentru fiecare moleculă de glucozo-6-fosfat formată, se consumă patru legături macroergice, fiind necesare două molecule de NADH ca reducător; reacţia globală este exergonică. Această ecuaţie este diferită, în

297

mod evident, de cea a conversiei directe a glucozo-6-fosfatului în piruvat, care generează trei molecule de ATP.

În unele ţesuturi, în special în ficat, rinichi şi în epiteliul intestinal, glucozo-6- fosfatul poate fi defosforilat până la glucoză liberă, ficatul este centrul principal de formare a glucozei în sânge. Clivarea hidrolitică a glucozo-6-fosfatului nu se produce prin reacţie inversă a hexokinazei, ci este realizată de glucozo-6-fosfatază, care catalizeză reacţia hidrolitică exergonică:


XIV.5.2. Gliconeogeneza din intermediari ai ciclului acizilor tricarboxilici

Calea de la piruvat la glucoză permite sinteza netă a glucozei din diverşi produşi ai piruvatului sau a fosfoenolpiruvatului. Dintre ei, cei mai importanţi sunt intermediarii ciclului acizilor tricarboxilici, care se pot oxida la oxalilacetat. Acesta este apoi convertit la fosfoenolpiruvat prin acţiunea fosfoenolpiruvat carboxikinazei. Prin această cale, trei atomi de carbon de la diferiţi intermediari ai ciclului acizilor tricarboxilici sunt convertiţi, în final, în trei atomi de carbon ai fosfoenolpiruvatului. Aceşti atomi de carbon provin din atomii carboxil, -carbonil şi atomii de carbon ai oxalilacetatului. Această cale a fost amplu verificată prin numeroase experimente cu izotopi marcaţi, realizate cu animale intacte, pe secţiuni de ţesuturi sau în extracte.

298

XIV.5.3. Gliconeogeneza din aminoacizi

Aşa cum vom vedea mai târziu, unii sau toţi atomii de carbon ai unor aminoacizi pot fi, în final, convertiţi de vertebrate fie în piruvat fie în intermediari ai ciclului acizilor tricarboxilici, care vor fi precursori pentru fosfoenolpiruvat. Aceşti aminoacizi, care sunt şi precursori ai glucozei, sunt numiţi aminoacizi glucogenici. Un exemplu îl constituie acizii glutamic şi aspartic, care pot fi convertiţi direct, printr-o reacţie de transaminare, în intermediarii ciclului acizilor tricarboxilici, -cetoglutaratul respectiv oxalilacetatul.

Aminoacidul leucina nu generează nici piruvat nici vreun intermediar al ciclului acizilor tricarboxilici în timpul degradării sale oxidative. Deoarece generează acetil-CoA, care poate fi convertită în corpi cetonici, dar nu la piruvat, leucina este un aminoacid cetogenic.

XIV.5.4. Reglarea gluconeogenezei şi glicolizei

În figura XIV.3. sunt prezentate punctele de control ale căilor metabolice dintre piruvat şi glucoză în ţesuturile animale. Prima reacţie în calea metabolică de la piruvat la glucoză este catalizată de o enzimă reglatoare, piruvatcarboxilaza, care exercită primul control. Vedem deci că enzimele reglatoare importante ale căilor metabolice opuse, glicoliza şi gluconeogeneza, sunt situate în acele puncte în care cele două căi nu sunt identice, aceasta asigurând reglarea independentă a fiecăreia. În concluzie, ori de câte ori celula prezintă un nivel ridicat de ATP şi combustibilii respiratori ca acetil-CoA, citratul sau NADH sunt disponibili, glicoliza este accelerată şi gluconeogeneza este inhibată.

Această reacţie este iniţiată de modulatorul allosteric acetil-CoA. Ca urmare, când se sintetizeză acetil-CoA mitocondrială în exces faţă de necesităţile imediate energetice ale celulei, este iniţiată sinteza glucozei.

Al doilea punct de control al acestei căi este reacţia catalizată de hexozodifosfatază, care este stimulată de precursorii glucozei, citratul şi 3-fosfogliceratul şi inhibată de AMP. Astfel, calea metabolică de la piruvat la glucoză este reglată atât de nivelul combustibililor respiratori, cum sunt acetil-CoA şi citratul, cât şi de nivelul energetic al sistemului ATP. Prin contrast, calea metabolică directă este reglată mai întâi de enzima allosterică fosfofructokinază, care este stimulată deAMP şi ADP, dar inhibată de ATP, citrat şi NADH. Un al doilea punct de reglare a glicolizei este reprezentat de hexokinază, care este inhibată de glucozo-6-fosfat şi probabil de acetil-CoA

299

şi fosfoenolpiruvat. un alt Reglator al glicolizei este piruvat kinaza care este inhibată de ATP, NADH şi alanină, dar stimulată de fructozo-1,6-difosfat şi glucozo-6-fosfat.

glucozăATP

ADP

P

H2O

F6P

AMPADP

ATPNADHcitrat

citrat3PG

FDP

PEP

FDPG6P

ATPNADHalanină

piruvatacetil-CoA

oxalilacetat

malat

oxalilacetat

GDPGTP

CO2

G6P

AMP

300

GLUCIDE (HIDRAŢI DE CARBON)

Documents

Transcript of GLUCIDE (HIDRAŢI DE CARBON)