Univerzita Komenského v Bratislave,Ústav

lekárskej biochémie, Jesseniova lekárska

fakulta v Martine

Mgr. Eva BABUŠÍKOVÁ, PhD.

Metabolizmus glukózy

v pečeni

GLYKOLÝZA

‒

uvoľnenie energie nahromadenej v glukóze;

‒

postupná degradácia glukózy cestou niekoľkých na seba

nadväzujúcich metabolických dráh;

‒

výsledným produktom je:

‒ za aeróbnych podmienok kyselina

pyrohroznová,

‒ za anaeróbnych podmienok kyselina mliečna;

‒

organizmus využíva aj glukózu, ktorá vzniká v pečeni z

nesacharidových zlúčenín – glukoneogenéza.

Glykolýza

‒ metabolická dráha situovaná v cytoplazme buniek,

a) tvorba energie ‒ uvoľnenie len malej časti energie glukózy,

‒ vznik ATP na substrátovej úrovni,

b) tvorba intermediátov pre iné metabolické dráhy,
‒ kyselina pyrohroznová, ktorá sa za aeróbnych podmienok mení

na acetyl-CoA, cez ktorý sa dostáva do citrátového cyklu, kde sa

zvyšná energia glukózy skoncentruje v redukovaných

koenzýmoch prenášajúcich elektróny a protóny do procesu

terminálnej oxidácie,

‒ základná podmienka pre rozbehnutie glykolýzy:

‒ prenos glukózy z krvi do buniek,
‒prenos do buniek svalu a tukového tkaniva je závislý na

prítomnosti inzulínu,
‒ na prenos glukózy do mozgu a pečene inzulín vplyv nemá

Glykolýza

a) aeróbna glykolýza – bunky s mitochondriami a s dostatočným prívodom kyslíka
(O

2 – reoxidácia NADH)

– kyselina pyrohroznová – konečný produkt
– oxidačná dekarboxylácia kyseliny pyrohroznovej na acetyl CoA

→

KC

b) anaeróbna glykolýza – bunky bez mitochondrií (Ery) a s nedostatočným prívodom

kyslíka

– tvorba kyseliny mliečnej (reoxidácia NADH)

Transport glukózy:
a) uľahčená difúzia – po koncentračnom spáde
– transportéry pre GLU (GLUT 1-5)
– vysoká homológia v primárnej štruktúre, tkanivovo špecifická

expresia

GLUT – 1 – Ery
GLUT – 4 – tukové tkanivo, sval (inzulín počtu a aktivity)

b) kotransport – proti koncentrčnému spádu

– kotransport s Na+
– epiteliálne bunky čreva, renálny tubul, plexus chorioideus

Glykolýza

Metabolickú dráhu glykolýzy môžeme rozdeliť na dve fázy:

Prvá fáza glykolýzy – spotreba energie:
a) tvorba fosforylovaných foriem sacharidov (- 2 ATP),
b) tvorba 2 trióz ,
reakcie 1 – 5

Druhá fáza glykolýzy – produkcia energie:
a) tvorba 4 ATP ,
b) tvorba 2 NADH,
c) tvorba 2 molekúl kyseliny pyrohroznovej.
reakcie 6 – 10

Glykolýza

– cytoplazma

Pentózový cyklus

– cytoplazma

Krebsov cyklus

– mitochondrie

Dýchací reťazec

– vnútorná membrána

motochondrie

Oxidatívna fosforylácia – matrix mitochondrie

Glykolýza

glukóza glukóza-6-P fruktóza-6-P fruktóza-1,6-P

ATP

ATP

– enzýmy fosfokinázy: prenos kyseliny fosforečnej z ATP na

substráty, alebo zo substrátu na ADP

– fosfofruktokináza – najdôležitejší enzým v procese glykolýzy

– katalyzuje vznik fruktóza-1,6-bisfosfátu
– regulačný enzým
– aktiváciou alebo inhibíciou enzýmu, podľa

požiadaviek tkanív sa urýchľuje alebo

spomaľuje tvorba kyseliny pyrohroznovej

Glykolýza

1. reakcia: fosforylácia

glukóza → glukóza-6-fosfát

– glukóza-6-fosfát neprechádza membránou,
hexokináza

– regulačný enzým, rôzne tkanivá, fosforylácia hexóz,

– inhibícia: glukóza-6-fosfátom, vysokým pomerom ATP/ADP,
– nízka K

m,

glukokináza – pečeň a ß bunky pankreasu,
– fosforylácia glukózy v postresorpčnej fáze,

– ↑ hladiny po príjme sacharidov a vyplavení inzulínu,

– neinhibuje ju glukóza-6-fosfát,

– vysoká K

m.

2. reakcia: izomerizácia

glukóza-6-fosfát ↔ fruktóza-6-fosfát

glukóza-6-fosfátizomeráza (fosfoglukózaizomeráza)

Glykolýza

3. reakcia: ireverzibilná fosforylácia fruktóza-6-fosfát → fruktóza-1,6-

bisfosfát
fosfofruktokináza 1 (PFK 1)

–

rýchlosť limitujúca reakcia,

–

regulačné miesto.

Regulácia: energetický stav bunky,

a) ↑ hladina ATP a ↑ hladina citrátu → - PFK 1,
b) ↑ hladina AMP → + PFK 1,
c) fruktóza-2,6-bisfosfát

a) silný aktivátor PFK 1,

b) inhibítor fruktóza-1,6-bisfosfatázy

(glukoneogenéza)

,

–

recipročný účinok na glykolýzu a glukoneogenézu,

–

metabolizmus:

1. vznik → fosfofruktokináza 2 (PFK 2),
2. degradácia → fruktózabisfosfatáza 2 (FBF 2),

–

kinázová a fosfatázová aktivita – 2 domény v jednej bifunkčnej molekule

enzýmu

1.

2

.

3.

Glykolýza

4. reakcia: štiepenie

fruktóza-1,6-bisfosfát ↔ glyceraldehyd-3-fosfát+

dihydroxyacetónfosfát
aldoláza A

5. reakcia: izomerizácia

dihydroxyacetónfosfát ↔ glyceraldehyd-3-fosfát

triózafosfátizomeráza

4

.

5.

Glykolýza

– premena fruktóza-1,6-bisfosfátu (6 C, 2 P) na 2 triózy (3 C, 1

P)

– počas premeny triózy na kyselinu pyrohroznovú vznikajú na
dvoch miestach medziprodukty, na ktorých je viazaná kyselina
fosforečná makroergickou väzbou – dostatočne veľkou na

vytvorenie

ATP

substrátová fosforylácia – prenos kyseliny fosforečnej na ADP

Glykolýza

– v priebehu oxidačnej reakcie v 2. fáze glykolýzy sa vytvorí

redukovaný

NADH+ + H+

– v aeróbnych podmienkach sa môže odovzdať vodíky do terminálnej

oxidácie, čím sa vytvoria podmienky pre vznik troch ATP (na

jednu triózu) v procese oxidatívnej fosforylácie

– v anaeróbnych podmienkach sa vodíky z redukovaného NADH+ + H+

prenášajú na kyselinu pyrohroznovú

– výsledným produktom glykolýzy je tak kyselina mliečna

laktátdehydrogenáza

Glykolýza

6. reakcia: oxidácia

glyceraldehyd-3-P → 1,3-bisfosfoglycerát

glyceraldehyd-3-P-dehydrogenáza
– koenzým NAD+

a) oxidácia NADH → premena kyseliny pyrohroznovej na

kyselinu mliečnu

b) oxidácia NADH v dýchacom reťazci

– substrátová fosforylácia
– oxidácia aldehydovej skupiny → karboxylová skupina
– naviazanie fosfátu

i makroergickou väzbou

- syntéza 2,3-bisfosfoglycerátu (2,3-BFG)
bisfosfoglycerátmutáza: vysoká hladina v Ery

rozklad: fosfatáza → 3-fosfoglycerát

Glykolýza

7. reakcia: vznik ATP

kyselina 1,3-bisfosfoglycerová ↔ kyselina 3-

fosfoglycerová
fosfoglycerátkináza

– 2 molekuly ATP

8. reakcia: vnútromolekulový presun fosfátu

kyselina 3-fosfoglycerová ↔ kyseliny 2-fosfoglycerová

fosfoglycerátmutáza

9. reakcia: dehydratácia

kyselina 2-fosfoglycerová ↔kyselina

fosfoenolpyrohroznová
enoláza

– presun energie v rámci molekuly – vznik enolfosfátovej väzby

Glykolýza

10. reakcia: vznik ATP

kyselina fosfoenolpyrohroznová→ kyselina pyrohroznová

pyruvátkináza

– 2 molekuly ATP

– tvorba ATP substrátovou fosforyláciou
– feed-forward regulácia
pečeň: fruktóza-1,6-bisfosfát aktivuje pyruvátkinázu
(spojenie 2 kinázových aktivít: ↑ fosfofruktokináza 1 → ↑

pyruvátkináza)

– kovalentná modifikácia pyruvátkinázy

– fosforylácia – cAMP dependentná proteínkináza

– pečeň: ↑ glukagón (nízka hladina glukózy) → ↑c AMP →

fosforylácia →

fosforylovaná proteínkináza (inaktívna)

– defosforylácia: fosfatáza → proteínkinázy (aktívna)

– kyselina fosfoenolpyrohroznová – vstup do glukoneogenézy

6.

7.

!

ERY:
HbO

2 + 2,3-BPG →

→ Hb-2,3-BPG + O

2

8.

9.

10.

Pečeň

!

Metabolizmus glukózy v pečeni

GLU

GLU 6 P

GLYKOGÉN

GLUKÓZA

PYRUVÁT

GLUT 2

ACETYL CoA

TUKY

TCA

ATP

LAKTÁT

H+

PEČE

Ň

GLUKURONIDY

PC

Metabolizmus glukóza-6-P v erytrocyte

Premena kyselina pyrohroznová → kyselina mliečna

laktátdehydrogenáza (LD)

a) anaeróbna glykolýza v eukaryotických bunkách
b) Ery, Leu, šošovka, rohovka, dreň obličky, testes

1. vznik kyseliny mliečnej vo svale
– počas námahy, produkcia energie za anaeróbnych podmienok
– ↑ produkcia NADH (glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenáza) +

Krebsov cyklus

– ↓pH → bolesti svalu – kyselina mliečna do krvi

2. spotreba kyseliny mliečnej
– opačný účinok laktátdehydrogenázy
– pečeň:

a)Lac → Pyr → Glu (glukoneogenéza)
b)Lac → Pyr → Krebsov cyklus

– myokard: Lac → Pyr → Krebsov cyklus

Premena kyseliny mliečnej

1. oxidatívna dekarboxylácia kyseliny mlečnej

– pyruvátdehydrogenáza (komplex)
– vznik acetyl-CoA

2. karboxylácia kyseliny mliečnej

– pyruvátkarboxyláza
– vznik oxálacetátu

3. redukcia kyseliny mliečnej na etanol (mikroorganizmy)

a) dekarboxylácia pyruvátu

– pyruvátdekarboxyláza

b) redukcia acetaldehydu na etanol

SYNTÉZA ETANOLU

•

vyskytuje sa u kvasiniek, niektorých
baktérií (vrátane črevnej flóry)

•

dráha závislá od tiamín pyrofosfátu

•

lokalizovaná v cytosole

NAD+

NADH + H+

(Thiamine-PP)

CO

2

LAKTÁTDEHYDROGENÁZA

•

dôležitá v RBC, WBC (a iných bunkách s/bez
mitochondrií) a v kostrovom svale počas
kontrakcie)

•

fyziologicky reverzibilná v tkanivách s ↓
NADH /NAD+, napr. pečeň, srdcový sval

•

lokalizovaná v cytosole

PYRUVÁT DEHYDROGENÁZOVÝ

KOMPLEX

•

tiamín-PP, kyselina lipoová, FAD, NAD+ a
CoA sa využívajú ako koenzýmy

•

zdroj acetyl CoA pre TCA a syntézu
mastných kyselín

•

ireverzibilná reakcia

•

lokalizovaný v mitochondriách

Oxálacetát

Acetyl-CoA

NADH + H+

NAD+

CO

2

NADH + H+

NAD+

CO

2

PYRUVÁTKARBOXYLÁZA

•

biotín sa využíva ako prostetická
skupina

•

aktivovaný acetyl CoA v pečeni

•

dopĺňa medziprodukty cyklu TCA

•

poskytuje substráty pre glukoneo-
genézu

•

ireverzibilná reakcia

•

lokalizovaná v mitochondriách

Etanol Acetaldehyd PYRUVÁT Laktát

Energetická bilancia glykolýzy:

1. anaeróbna glykolýza

Glu + 2 P

i + 2 ADP → 2 Lac + 2 ATP + 2 H2O

a) tvorba ATP

– 2 molekuly ATP na 1 molekulu glukózy
– malý energetický zisk
– bunky a tkanivá bez, resp. s malým množstvom

mitochondrií: Ery, Leu, k. dreň, obličky

b) tvorba NADH

– nie je čistý zisk
– 1x NADH + (glyceraldehyddehydrogenáza)
– 1x NADH - (laktátdehydrogenáza)

2. aeróbna glykolýza

Glu + 2 P

i + 2 NAD

+

+ 2 ADP

→

2 Pyr + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H

2O

– spotreba 2 ATP (fosforylačné reakcie)
– tvorba 4 ATP (2 x 2 ATP)
– čistý zisk 2 ATP
– 2 x NADH → 6 ATP (3 ATP/ NADH v Krebsovom cykle)

Porovnanie zisku energie
– z glukózy po vytvorení kyseliny mliečnej
glykolýza: 2 ATP (na substrátovej úrovni)

– pri spálení glukózy na CO

2 a H2O v aeróbnom prostredí

glykolýza + citrátový cyklus + terminálna oxidácia: 38 ATP
(z nich 34 oxidatívnou fosforyláciou)

Regulácia glykolýzy

•

krátkodobá (min resp. h)

– alosterická aktivácia / inhibícia

– fosforylácia / defosforylácia

•

dlhodobá (hodiny – dni)

– hormonálna (inzulín, glukagón)

– 10 – 20x zvýšenie enzýmovej aktivity

•

regulačné enzýmy

a) glukokináza
b) fosfofruktokináza
c) pyruvátkináza

Regulácia glykolýzy

– kľúčový regulačný enzým: fosfofruktokináza
– katalyzuje premenu fruktóza-6-fosfátu na fruktóza-1,6-bisfosfát

– rýchlosť metabolickej dráhy glykolýzy bude závisieť predovšetkým

od

energetického náboja bunky

– ak má bunka dostatok ATP → tvorba kyseliny pyrohroznovej sa

znižuje

– vysoká koncentrácia ATP alostericky znižuje aktivitu

fosfofruktokinázy

– vysoká koncentrácia AMP → signálom pre urýchlenie glykolýzy
(ATP sa spotrebovala na krytie energetických požiadaviek

organizmu)

– AMP je alosterický aktivátor fosfofruktokinázy

– aktivitu fosfofruktokinázy, a tým urýchlenie spaľovania glukózy,
podstatne zvyšuje alostericky fruktóza-2,6-bisfosfát

– vysoká koncentrácia glukózy v krvi – vyplavenie inzulínu
– inzulín urýchľuje:

a) prienik glukózy do buniek

b) glykolýzu cez fruktózu-2,6-bisfosfát

– nízka koncentrácia glukózy v krvi – z pankreasu vylúčený

glukagón

– glukagón spomaľuje glykolýzu cez fruktóza-2,6-fosfát
(chránenie nízkeho obsahu glukózy v krvi pre činnosť mozgu)

– obe premeny vedú k návratu glykémie k norme

FRU 6 P

FRU 2,6 P

P

kinázová aktivita

TANDEMOVÝ ENZÝM

fosfatázová

kinázová aktivita

TANDEMOVÝ ENZÝM

fosfatázová

fosfoproteínfosfatáza

INZULÍN

P

fosforylovaná

defosforylovaná

PROTEÍN KINÁZA

c AMP

ATP

PDE

+

+

+

AC

+

+

+

Glukagón
Adrenalín

ATP

ADP

GLYKOLÝZA

GLUKONEOGENÉZA

+

-

Klinická aplikácia

1. Vrodený nedostatok enzýmov glykolýzy
a) pyruvátkináza (95%)
b) fosfoglukózaizomeráza (4%)

– rozdielna expresia v bunkách a tkanivách
– pyruvátkináza – Leu, Ery
– triózafosfátizomeráza – Ery, Leu, sval, CNS

Prejavy: hemolytická anémia
Terapie: bez terapie resp. kyselina listová

2. Laktátová acidóza

– anaeróbna glykolýza – produkcia energie pri nedostatku

kyslíka

(IM, pľúcna embólia, krvácanie)

– kyselina mliečna v krvi – informácia o „kyslíkovom dlhu“

– posúdenie závažnosti šoku

– monitorovanie liečby a rekonvalescencie

Glukoneogenéza

–

nedostatok glukózy v potrave – zníženie koncentrácie glukózy v krvi.

– snaha nahradiť glukózu v krvi z interných zdrojov.
– potrebný kontinuálny prívod glukózy

– mozog, Ery, dreň obličiek,

šošovka, rohovka, testes, pracujúci sval.

Dva mechanizmy:
– rozpad zásob uložených v podobe glykogénu,
– novotvorba glukózy z nesacharidových zdrojov.

– glukoneogenéza situovaná 90 % v pečeni a 10 % v obličke pri

dlhodobom

hladovaní
– základné nesacharidové substráty (alfa-oxokyseliny, glycerol, kyselina

mliečna)

– cez kyselinu pyrohroznovú – vstup do reakcií veľmi podobným

glykolýze

Glukoneogenéza

– vratné reakcie glukoneogenézy katalyzujú tie isté enzýmy ako

vratné reakcie v glykolýze,

– enzýmy, ktoré katalyzujú nevratné reakcie v glykolýze (fosfokinázy)
sú v glukoneogenéze nahradené enzýmami s opačným účinkom

(fosfatázy),

– mimoriadny význam má glukóza-6-fosfatáza – umožňuje prechod
glukózy z buniek do krvi.

Proces glukoneogenézy urýchľuje glukagón a opačný účinok má

inzulín.

Proces glukoneogenézy sa zvyšuje pri inhibícii enzýmov glykolýzy.

Metabolická dráha glukoneogenézy:

– glukoneogenéza nie je reverzibilná glykolýza
– tri reakcie sú ireverzibilné:

1. premena kyseliny fosfoenolpyrohroznovej na kyselinu

pyrohroznovú

pyruvátkináza

a) kyseliny pyrohroznová – karboxylácia → kyselina oxaloctová

pyruvátkarboxyláza (mitochondrie – pečeň, dreň obličiek)

koenzým: biotín; aktivácia – acetyl-CoA

b) kyselina oxaloctová → kyseliny fosfoenolpyrohroznová

fosfoenolpyruvátkarboxykináza (cytoplazma)

kyseliny oxaloctová – transport z mitochondrie do cytoplazmy –

malát –reoxidácia na kyselinu oxaloctovú

2. defosforylácia fruktóza-1,6-bisfosfátu

fruktóza-1,6-bisfosfatáza

– nevratná reakcia: fosfofruktokináza 1 (glykolýza)
– regulačné miesto:

a) energetický stav bunky + ↓ AMP; ↑ ATP

– ↑ AMP

b) regulácia fruktóza-2,6-bisfosfátom
– inhibícia fruktóza-1,6-bisfosfatázy alostericky

3. defosforylácia glukóza-6-fosfátu

glukóza-6-fosfatáza

– lokalizácia: pečeň, obličky

Sumárna reakcia

2Pyr + 4ATP + 2GTP + 2NADH + 2H+ + 6H

2O → Glu + 2NAD

+

+ 4ADP + 2GDP + 6P

i

+

6H+

Glukóza-6-fosfatáza
Glukóza-6-fosfát Glukóza

Fruktóza-6-P

Fruktóza-1,6-bisfosfatáza

Fruktóza-1,6-bisfosfát

Glyceraldehyd-3-P Dihydroxyacetónfosfát

Kyselina 1,3-bisfosfoglycerová

Kyselina 3-fosfoglycerová

Kyselina 2-fosfoglycerová

Kyselina fosfoenolpyrohroznová Pyruvát Kyseliny mliečna

Fosfoenolpyruvát- Pyruvátkarboxyláza (MIT)

karboxykináza (CYT) Kyselina oxaloctová

CO

2

Glukoneogenéza

Substráty pre glukoneogenézu:

1. glycerol

– produkt lipolýzy (TAG) v tukovom tkanive
– transport do pečene
– fosforylácia → glycerolfosfát (oxidácia) → dihydroxyacetónfosfát

2. kyselina mliečna

Coriho cyklus – glukóza (pečeň)→ krv → sval → kyselina mliečna

(krv) → pečeň (glukoneogenéza)

3. α-ketokyseliny

– pyruvát, oxalacetát, alfa-ketoglutarát
– glukogénne aminokyseliny – Ala, Ser, Gly, Cys, Thr (pyruvát);

Asp (oxalacetát); Glu (alfa-

ketoglutarát)

Coriho a glukóza-alanínový cyklus

Regulácia glukoneogenézy

•

Glukagón – stimulácia glukoneogenézy

a) znižuje hladinu fruktóza-2,6-bisfosfátu
– aktivácia fruktóza-1,6-bisfosfatázy
– inhibícia fosfofruktokinázy 1 (glykolýza)
b) kovalentná modifikácia enzýmovej aktivity
– cAMP aktívna proteínkináza A

→

→

inaktívna pyruvátkináza

(P)

=> hromadenie kyseliny fosfoenolpyrohroznovej

•

Dostupnosť substrátov

↓ inzulínu → mobilizácia proteínov → glukogénne AK

•

Alosterická aktivácia acetyl-CoA

↑ acetyl CoA → stimulácia pyruvátkarboxylázy (pečeň)

P

P

i

ATP

ADP

P

2. Znížená aktivita proteín-

kinázy A uprednostňuje

defosforylovanú formu

FFK-2 / FBF-2 komplexu

3. Defosforylovaná FFK-2 je

aktívna, zatiaľ čo FBF-2 je

inaktívna; čo uprednostňuje

tvorbu fruktóza 2,6-bisfosfátu

Aktívna proteínkináza A
(↓)

Fruktóza-2,6-bisfosfát (↑)

Fruktóza- 6-fosfát

Fruktóza-1,6-bisfosfát

4. Zvýšená

koncentrácia

fruktóza 2,6-

bisfosfátu aktivuje

FFK 1, ktorá vedie k

zvýšenej rýchlosti

glykolýzy

ADP

ATP

Fosfofruktokináza-

2

1. Vysoký pomer

inzulín / glukagón

spôsobuje pokles cAMP a

znižuje hladiny aktívnej

proteínkinázy A

Bunková membrána

Adenylá

t-

cykláza cAMP

ATP

+

Aktivácia viacerých

enzýmov

Glukagón (↓)

Inzulín (↑)

FBF-2
akt.

FBF-2

inakt.

FFK-2
akt.

FFK-2

inakt.

Bunková membrána

receptor

FBF-2 = fruktózabisfosfát-

fosfatáza-2

FFK-2 = fosfofruktokináza-2

P

P

i

FBF-2 = fruktózabisfosfát-

fosfatáza-2

FFK-2 = fosfofruktokináza-2

ATP

ADP

P

2. Zvýšená aktivita proteín-

kinázy A uprednostňuje

fosforylovanú formu

FFK-2 / FBF-2 komplexu

3. Fosforylovaná FFK-2 je

inaktívna, zatiaľ čo FBF-2 je

aktívna; čo bráni tvorbe

fruktóza 2,6-bisfosfátu

Aktívna proteínkináza A
(↑)

Fruktóza-2,6-bisfosfát (↓)

Fruktóza-6-fosfát

Fruktóza-1,6-bisfosfát

4. Znížená

koncentrácia

fruktóza 2,6-

bisfosfátu spomaľuje

aktiváciu FFK 1, čo

vedie k zvýšenej

rýchlosti

glukoneogenézy

H

2O

P

i

Fruktózabisfosfátfosfatáza-1

1. Nízky pomer inzulín /

glukagón spôsobuje

pokles cAMP a zvyšuje

hladiny aktívnej

proteínkinázy A;

pyruvátkináza-P

inaktívna

Bunková membrána

Adenylá

t
-cyklázacAMP + PPi

ATP

-

Glukagón (↑)

Inzulín (↓)

FBF-2
inakt.

FBF-2

akt.

FFK-2

inakt.

FFK-2

akt.

Bunková membrána

receptor

P

i