Η κεντρική οδός μεταβολισμού της γλυκόζης είναι η γλυκόλυση, δηλαδή η μετατροπή της γλυκόζης σε πυροσταφυλικό οξύ.
Η πορεία αρχίζει με φωσφορυλίωση της γλυκόζης στο έκτο άτομο άνθρακα με κατανάλωση ενός μορίου ΑΤΡ. Το ένζυμο που καταλύει την αντίδραση είναι η εξοκινάση. Στο ήπαρ, όμως, υπάρχει ένα ακόμη ένζυμο που φωσφορυλιώνει τη γλυκόζη στο 6ο άτομο άνθρακα, η γλυκοκινάση. Η γλυκοκινάση παρόλο που έχει μεγάλη εξειδίκευση ως προς τη γλυκόζη απαιτεί μεγάλες ποσότητες γλυκόζης για να δράσει. Αυτό σημαίνει ότι δρα μόνο όταν στο αίμα υπάρχει υψηλή συγκέντρωση γλυκόζης. Άρα η γλυκόζη που φωσφορυλιώνεται από τη γλυκοκινάση προορίζεται κυρίως για να αποθηκευτεί με τη μορφή γλυκογόνου στο ήπαρ.
Η 6-Ρ γλυκόζη βρίσκεται σε ένα σταυροδρόμι του μεταβολισμού της γλυκόζης. Έχει τη δυνατότητα να μεταβολιστεί με τους παρακάτω τρόπους:
1. Να αποικοδομηθεί μέσω της γλυκόλυσης σε δύο μόρια πυροσταφυλικού οξέος με ταυτόχρονη παραγωγή ΑΤΡ:
Για να γίνει αυτό η 6-Ρ-γλυκόζη πρέπει να μετατραπεί αρχικά σε μια ένωση που να μπορεί να διασπαστεί σε δύο τριόζες. Έτσι μετατρέπεται σε 6-P-φρουκτόζη και στη συνέχεια, με την κατανάλωση ενός μορίου ΑΤΡ σε 1,6 διφωσφοφρουκτόζη που μπορεί να δώσει δύο τριόζες την 3-Ρ-γλυκεριναλδεϋδη (GAP) και την φωσφοδιυδροξυακετόνη (DHA-P). Οι δύο αυτές ενώσεις έχουν τη δυνατότητα αλληλομετατροπής, έτσι η DHA-P μετατρέπεται με τη βοήθεια της ισομεράσης των φωσφοτριοζών σε GAP που συμμετέχει απ’ ευθείας στη γλυκόλυση.
Η DHA-P μπορεί να αναχθεί από το ΝΑDH σε 3-Ρ-γλυκερόλη, που εστεροποιεί τα λιπαρά οξέα και σχηματίζει τριγλυκερίδια (αποθήκευση με τη μορφή λίπους). Σε συνθήκες, όμως, που ευνοείται η γλυκολυτική πορεία το σύνολο της DHA-P μετατρέπεται σε GAP.
|
Η GAP οξειδώνεται με τη βοήθεια του NAD+ και με τη χρησιμοποίηση ανόργανου φωσφoρικού οξέος δίνει το 1,3, διφωσφογλυκερινικό οξύ (1,3-BPG) ένωση με υψηλό δυναμικό μεταφοράς φωσφορικής ομάδας που μετατρέπεται σε 3-Ρ-γλυκερινικό οξύ (3-PG) με ταυτόχρονη παραγωγή ενός μορίου ΑΤΡ μέσω της μεταφοράς της 1-φωσφορικής του ομάδας στο ADP. |
Το 3-PG μετατρέπεται σε 2-PG που θα δώσει στη συνέχεια το φωσφοενολοπυροσταφυλικό (PEP), ένωση με υψηλό δυναμικό μεταφοράς φωσφορικής ομάδας που μετατρέπεται σε πυροσταφυλικό μεταφέροντας τη φωσφορική του ομάδα στο ADP και σχηματίζοντας ένα δεύτερο μόριο ATP. Από ένα μόριο γλυκόζης παράγονται δύο μόρια πυροσταφυλικού και τέσσερα μόρια ΑΤΡ. Αν από αυτά αφαιρεθούν τα δύο μόρια ΑΤΡ που καταναλώθηκαν στα πρώτα βήματα της γλυκολυτικής πορείας για την ενεργοποίηση του μορίου της γλυκόζης, το καθαρό κέρδος σε ενέργεια από την γλυκολυτική πορεία είναι δύο μόρια ΑΤΡ ανά μόριο γλυκόζης. Η γλυκόλυση είναι μία μεταβολική πορεία που γίνεται στους περισσότερους ζωντανούς οργανισμούς και στα περισσότερα κύτταρα του ανθρωπίνου σώματος. Η τύχη, όμως, του πυροσταφυλικού είναι διαφορετική σε αερόβιες και αναερόβιες συνθήκες.
|
α) Σε αναερόβιους οργανισμούς ή σε αναερόβιες συνθήκες που επικρατούν στον μυϊκό ιστό κατά τη διάρκεια έντονης μυϊκής εργασίας, όταν η παροχή οξυγόνου στους μύες μέσω της κυκλοφορίας είναι οριακή, το πυροσταφυλικό οξύ ανάγεται στο κυτόπλασμα σε γαλακτικό οξύ με ταυτόχρονη οξείδωση του ΝΑDH που συσσωρεύεται κατά τη διάρκεια της γλυκόλυσης σε NAD+. Η αναπαραγωγή του ΝΑD+ είναι απαραίτητη για να συνεχιστεί η γλυκολυτική πορεία. Η μετατροπή της γλυκόζης σε γαλακτικό οξύ που γίνεται στους μύες ονομάζεται αναερόβια γλυκόλυση και είναι η μόνη πορεία που παράγει ΑΤΡ σε αναερόβιες συνθήκες. |
Όταν δεν υπάρχει πλέον άμεση ανάγκη ενέργειας (σταματήσει η μυϊκή εργασία), το γαλακτικό οξύ που έχει συσσωρευτεί μεταφέρεται στο ήπαρ και δίνει ξανά γλυκόζη κατά την πορεία της γλυκονεογένεσης. Η πορεία της γλυκονεογένεσης δεν είναι η αντιστροφή της γλυκολυτικής πορείας. Διαφοροποιείται από αυτήν σε τρεις αντιδράσεις: της πυροσταφυλικής κινάσης, της φωσφοφρουκτοκινάσης και της εξοκινάσης. Οι αντίστοιχες αντιδράσεις της γλυκονεογένεσης γίνονται με διαφορετικά ένζυμα.
β) Σε αερόβιες συνθήκες το πυροσταφυλικό εισέρχεται στα μιτοχόνδρια και μέσω οξειδωτικής αποκαρβοξυλίωσης σχηματίζει ακετυλοσυνένζυμο Α. Την αντίδραση καταλύει το ενζυμικό σύμπλοκο της πυροσταφυλικής αφυδρογονάσης.
Το ακέτυλο-CoA αντιδρά με το οξαλοξικό οξύ και σχηματίζει κιτρικό οξύ και με αυτόν τον τρόπο μπαίνει στον κύκλο του κιτρικού ή κύκλο του Krebs, που απεικονίζεται στο επόμενο σχήμα:
|
Το ακετυλο-CoA οξειδώνεται μετατρεπόμενο σε δύο μόρια CO2. Τα πλούσια σε ενέργεια ηλεκτρόνια που ελευθερώνονται κατά την οξείδωση ανάγουν τρία μόρια NAD+ σε NADH και ένα μόριο FAD σε FADH2. Το NADH και το FADH2 μεταφέρουν τα ηλεκτρόνιά τους σταδιακά στο οξυγόνο, ανάγοντάς το προς νερό. Η ενέργεια που ελευθερώνεται κατά τη ροή των ηλεκτρονίων στο Ο2 αξιοποιείται με τον σχηματισμό ΑΤΡ μέσω της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης. |
2. Να μετατραπεί σε 1-Ρ γλυκόζη και από εκεί σε γλυκογόνο για προσωρινή αποθήκευση στο ήπαρ ή τους μύες με την πορεία της γλυκογονογένεσης:
Το γλυκογόνο του ήπατος μπορεί άμεσα να προμηθεύσει γλυκόζη όταν το επίπεδο γλυκόζης στο αίμα πέφτει, ενώ το γλυκογόνο των μυών κατά τη διάρκεια έντονης μυϊκής εργασίας μπορεί αναερόβια να αποικοδομηθεί σε γαλακτικό. Συγκεκριμένα, η 1-Ρ γλυκόζη αντιδρά με το ουριδυλοτριφωσφορικό οξύ και σχηματίζει την ουριδυλοδιφωσφογλυκόζη (UDP-Glu), που μπορεί εύκολα να αποδίδει ένα μόριο γλυκόζης και να το ενσωματώνει στο γλυκογόνο με τη βοήθεια του ενζύμου συνθάση του γλυκογόνου. H πορεία αυτή ονομάζεται γλυκογονογένεση.
Η αντίθετη πορεία, δηλαδή ο σχηματισμός της 1-Ρ-γλυκόζης από το γλυκογόνο, γίνεται με τη δράση του ενζύμου φωσφορυλάση, του γλυκογόνου. Η πορεία αυτή ονομάζεται γλυκογονόλυση. Η φωσφορυλάση χρησιμοποιεί ανόργανο φωσφορικό οξύ για να διασπάσει τους γλυκοζιτικούς δεσμούς.
3. Να μπει στον κύκλο των φωσφοπεντοζών όπου με δύο διαδοχικές οξειδωτικές αποκαρβοξυλιώσεις και μια ισομερίωση να μετατραπεί σε 5-Ρ-ριβόζη:
Κατά την πορεία αυτή σχηματίζονται και δύο μόρια NADPH που είναι απαραίτητο σε πολλές βιοσυνθετικές πορείες.
Μέρος της 5-Ρ-ριβόζης χρησιμοποιείται από τον οργανισμό για τη βιοσύνθεση νουκλεοτιδίων και η υπόλοιπη ύστερα από μια σειρά αντιδράσεων μετατρέπεται σε 3-Ρ-γλυκεριναλδεϋδη και 6-Ρ-φρουκτόζη, προϊόντα ενδιάμεσα της γλυκόλυσης.
Η πορεία των φωσφορικών πεντοζών γίνεται σε μεγάλη έκταση στον λιπώδη ιστό και το ήπαρ, όπου γίνεται βιοσύνθεση λιπαρών οξέων που απαιτεί ΝΑDPH.