A glikolízis és a glükoneogenezis olyan metabolikus folyamatok, amelyek során a glükóz lebomlik, illetve szintetizálódik. A glikolízis során a glükózmolekulák lebontása két nettó adenozin-trifoszfát (ATP) molekulát eredményez, amelyek könnyen hozzáférhető energiaforrást biztosítanak a sejtek különböző reakcióihoz, illetve két piruvát molekulát, amelyek tovább átalakíthatók laktáttá (→ glükoneogenezis) , acetil koenzim A-vá (→ citromsav ciklus), oxaloacetáttá (→ citromsav ciklus) és alaninná (→ transzaminációs reakciók). A glikolízis, amely kizárólag a citoplazmában zajlik, az egyetlen ATP-forrás azokban a sejtekben, amelyekben nincs mitokondrium (pl. vörösvértestek). A glükoneogenezis éhezés során biztosítja az euglikémiát, de ebben az esetben a glükóz nem szénhidrát-prekurzorokból szintetizálódik, hanem glükogén aminosavakból (főleg alanin és glutamin), páratlan láncú zsírsavakból, glicerinből, piruvátból és laktátból. Míg a glikolitikus út minden sejt jellemzője, a glükoneogenezis szinte kizárólag a májsejtekben zajlik le. A foszfofruktokináz-1 a sebességkorlátozó enzim a glikolízishez, a fruktóz-1,6-bifoszfatáz pedig sebességkorlátozó enzim a glükoneogenezishez. A glükóz metabolizmusát főként olyan hormonok szabályozzák, mint az inzulin, amely serkenti a glikolízist, és a glukagon, amely serkenti a glükoneogenezist. A glükóz a pentóz-foszfát út résztvevője is lehet (más néven hexóz-monofoszfát-sönt), amely során nikotinamid-adenin-dinukleotid-foszfát (NADPH) és ribóz-5-foszfát termelődik glükóz6-foszfátból. A pentóz-foszfát út kizárólag a citoszolban zajlik le, kiváltképp a mellékvesekéreg sejtjeiben, a májban és a vörösvértestekben. A ribóz-5-foszfát a nukleotidszintézishez, míg a NADPH a koleszterin szintézishez, a szteroid szintézishez, a glutation redukciójához és a légzési robbanáshoz szükséges. A hemolitikus anémiát glükóz-6-foszfát-dehidrogenáz (G6PD)-hiány okozza, amely a NADPH elégtelen termelését eredményezi. A NADPH szükséges a glutation redukciójához, amely egy antioxidáns és megakadályozza a hidrogén-peroxid valamint a szabad gyökök felszaporodását és az RBC membránok károsodását.

Glikolízis vs. glükoneogenezis

Áttekintés

• A glükóz lebontása és szintézise nélkülözhetetlen folyamat az emberi testben,
• A glükóz biztosítja az aerob és anaerob anyagcseréhez szükséges szubsztrátumokat. A glikolízis a legtöbb szénhidrát (pl. galaktóz és fruktóz) anyagcseréjének fő útja,
• Azon vörösvértestek működése, amelyekben nincs mitokondrium, teljesen a glükóztól függenek,
• A glükóz metabolizmusát elsősorban hormonok, például inzulin és glukagon szabályozzák. Az inzulin étkezés után szabadul fel (anabolikus anyagcsere), amely során a glükóz tárolható formává (glikogén és zsír) alakul át,
• Ezzel szemben a katabolikus anyagcsere éhomi állapotában a glukagon hatás dominál, amely során a tárolt forma (pl. zsírok, aminosavak,) glükózra hasad, és energiaforrásként szolgál.

Glikolízis

Áttekintés

• Definíció: Olyan metabolikus út, amelynek során a glükóz szubsztrát szintű foszforilációval és oxidációval lebomlik, így 2 piruvát molekula és 2 ATP termelődik glükózmolekulánként. Anaerob körülmények között a glikolízis 2 laktátmolekulát és 2 ATP-t eredményez glükózmolekulánként,
• Lokalizáció: Citoszol,
• Enzimek:
• Sebességkorlátozó enzim: Foszfofruktokináz-1 (PFK-1),
• A glikolízis során három irreverzibilis lépés van, amelyeket a következő enzimek hajtanak végre:
• Glükokináz: A máj és a pancreas β-sejtjeinek alacsonyabb affinitása van a glükózhoz, mint más szövetekben előforduló hexokináznak,
• Alacsony glükóz koncentráció (portális vér): A glükóz elérhető az extrahepatikus szövetekben,
• Magas glükóz koncentráció (portális vér): A glükóz bejut a májba és glikogénként tárolódik,
• PFK-1,
• Piruvát kináz,
• A PFK-1 és a piruvát-kináz ATP-t igényel

Az eritrociták piruvát-kináz hiánya krónikus hemolitikus anémiát okoz a glikolízis zavara és az ATP hiánya miatt.

A reakciósorrend

A glükóz egy 6 szénatomos molekula (C6H12O6). Minden glükóz molekula 2, 3 szénatomos piruvátot termel. A glikolízis során 2 ATP felhasználásával 4 termelődik, vagyis a nettó nyereség 2 ATP glükózmolekulánként. A glikolízis egyenlete: Glükóz + 2 Pi + 2 ADP + 2 NAD⁺ → 2 piruvát + 2 ATP + 2 NADH + 2 H⁺ + 2 H₂O.

1. Glükóz → glükóz 6-foszfát (G6P),
• Az alábbi enzimek által:
• Hexokináz: Minden szövetben (a G6P gátolja),
• Glükokináz: A pancreas β-sejtjeiben és a májban (a fruktóz 6-foszfát gátolja),
• ATP-igényes lépés,
2. G6P → fruktóz 6-foszfát (F6) a G6P izomerázon keresztül,
3. F6P → fruktóz 1,6-bifoszfát,
• A PFK-1 által,
• ATP-igényes lépés,
4. 2 fruktóz 1,6-bifoszfát → 2 gliceraldehid 3-foszfát (GAP) az aldolázon keresztül,
5. 2 GAP → 2 1,3-bifoszfoglicerát (1,3 BPG),
• A GAP dehidrogenázon keresztül,
• 2 NAD⁺ + inorganikus P (Pi) szükséges,
• Produktum: 2 NADH + H⁺,
6. 2 1,3 BPG → 2,3-foszfoglicerát,
• A foszfoglicerát kináz által,
• Produktum: 2 ATP,
7. 2 3-foszfoglicerát → 2 2-foszfoglicerát foszfoglicerát-mutázon keresztül,
8. 2 2-foszfoglicerát → 2 foszfoenolpiruvát (PEP) enolázon keresztül,
9. 2 PEP → 2 piruvát,
• A piruvát-kináz által,
• Produktum: 2 ATP,
• Stimulálja: Fruktóz 1,6-bifoszfát,
• Gátolja: ATP és alanin.

Glikolízis reguláció

• A glikolízis regulációját a hexokináz (vagy glükokináz a májban és a hasnyálmirigy β-sejtjeiben), foszfofruktokináz-1 és piruvát-kináz enzimek aktivitása határozza meg,
• Ezeknek a szabályozó enzimeknek a közös jellemzői:
• Irreverzibilis reakiókat katalizálnak,
• Aktivitásukat metabolitok és egyéb köztitermékek szabályozhatják (up és downreguláció), amelyek gyakran a feedbackek részét képezik.

Fruktóz-2,6-bifoszfát (feed-forward reguláció)

• Funkció: A fruktóz-2,6-bifoszfát (Fru-2,6-P2) stimulálja a glikolízist azáltal, hogy növeli a PFK-1 aktivitást magas vércukor-koncentráció esetén,
• Szintézis:
• A foszfofruktokináz-2 (PFK-2) és a fruktóz-bifoszfatáz-2 (FBPáz-2) ugyanazon bifunkcionális enzim két doménje,
• A protein-kináz A (PKA) képes foszforilálni a bifunkcionális enzimet, és ezáltal meghatározni, hogy a két doménből melyik aktív.
• Defoszforilált állapot: A PFK-2 fokozott aktivitása növeli a fruktóz-2,6-bifoszfát produkciót (fruktóz-6-foszfát → fruktóz-2,6-biszfoszfát),
• Foszforilált állapot: A fokozott FBPáz-2 aktivitás csökkenti fruktóz-2,6-biszfoszfát produkciót (fruktóz-2,6-bifoszfát → fruktóz-6-foszfát),
• Reguláció:
• A májban:
• Posztprandiális állapot: Plazma glükóz koncentráció ↑ → inzulin ↑ → cAMP ↓ → protein kináz-A aktivitás ↓ → PFK-2/FBPáz-2 foszforiláció ↓ → PFK-2 aktivitás ↑ és FBPáz-2 aktivitás ↓ → Fru-2,6-P2 ↑ → PFK-1 aktivitás ↑ → glikolízis ↑ és glükoneogenezis ↓
• Éhezés alatt: Plazma glükóz koncentráció ↓ → glukagon ↑ → cAMP ↑ → protein kináz-A aktivitás ↑ → PFK-2/FBPáz-2 foszforiláció ↑ → FBPáz-2 aktivitás ↑ és PFK-2 aktivitás ↓ → Fru-2,6-P2 ↓ → PFK-1 aktivitás ↓ → glükoneogenezis ↑ és glikolízis ↓
• A szívben: Adrenalin és/vagy inzulin → PFK-2 aktivitás ↑ → Fru-2,6-P2 ↑ → PFK-1 aktivitás ↑ → A fokozódó glikolízis gyors energiát biztosít, például stressz vagy fizikai aktivitás során,
• Inhibitorok: Az arzenát gátolja a glicerinaldehid-3-foszfátot (GAP), amely nem vezet ATP termeléshez.

Piruvát metabolizmus

Karakterisztika

• Alfa-keto sav, amely a glikolízis utolsó terméke,
• Közitermék, amely tovább alakítható laktáttá (anaerob körülmények között), az acetil koenzim A-vá, az oxaloacetáttá (OAA) és az alaninná,
• A piruvát → laktát és a piruvát → alanin átalakulás reverzibilis és a májban történik,
• Az ALT átalakítja az alanint piruváttá a glükoneogenezishez (glükóz-alanin ciklus),
• A laktát-dehidrogenáz (LDH) átalakítja a laktátot piruváttá a glükoneogenezishez vagy az anyagcseréhez acetil CoA-vá (Cori-ciklus a májban),

Piruvát dehidrogenáz komplex

• Mitokondriális enzimkomplex, amely összeköti a glikolízist a trikarbonsav-ciklussal (TCA-ciklus v. citromsav ciklus),
• Oxidatív dekarboxilezési reakció: Piruvát + NAD⁺ + CoA → acetil CoA + CO₂ + NADH + H⁺
• A következőkből áll:
• 3 enzim:
• Piruvát dehidrogenáz,
• Dihidrolipoil-transzacetiláz,
• Dihidrolipoil-dehidrogenáz,
• 5 kofaktor:
• NAD⁺ (B₃/niacin),
• FAD (B₂/riboflavin),
• CoA (B₅/pantoténsav),
• Liponsav,
• Tiamin-pirofoszfát (B₁-vitamin),
• Ha van táplálék, aktív, éhezéskor inaktív,
• Felépítésében hasonló az α-ketoglutarát dehidrogenáz komplexhez (az α-ketoglutarátot szukcinil-CoA-vá alakítja a citromsav ciklusban),
• Mindkét enzim komplexnek ugyanazok a kofaktorai,
• A szubsztrátok szerkezetileg hasonlóak (piruvát, α-ketoglutarát),
• Mindkét enzim komplex CoA-t ad a szubsztrátumhoz (acetil CoA, szukcinil-CoA).

Glükoneogenezis

Áttekintés

• Definíció: Olyan metabolikus folyamatok láncolata, amely lehetővé teszi glükóz szintézist nem szénhidrát-prekurzorokból,
• Cél: Az éhezés során a glükoneogenezis válik a glikémiás kontroll fő módszerévé, miután a glikogénkészletek kimerültek (1-3 napos normál aktivitás után),
• Lokalizáció: A folyamatban résztvevő enzimek a citoszolban és a mitokondriumokban találhatók,
• A glükoneogenezis helyszínei:
• Elsősorban a májban,
• Vese cortex,
• Intesztinális epitélium,
• A vázizomzat nem része a glükoneogenezis helyszíneinek, mert hiányzik belőle a glükóz-6-foszfatáz (amelyre a szabad glükóz vérbe juttatásához van szükség),
• Sebességkorlátozó enzim: Fruktóz-1,6-bifoszfatáz,
• Nem szénhidrát-prekurzorok: Glükogén aminosavak (főleg alanin és glutamin), lipidek, glicerin, piruvát és laktát, amelyek mind átalakíthatók glükózzá a plazma glükózszintjének megőrzése érdekében. Ezek a reakciók energiaigényesek, mivel a nagy energiájú molekulák (GTP, ATP) fogyasztására támaszkodnak.

Primer szubsztrátumok

• Glükogén aminosavak: A proteinek hidrolíziséből (tipikusan éhezés során) keletkezve ezek az aminosavak átalakíthatók α-keto savakká (pl. oxaloacetáttá, α-ketoglutaráttá), majd glükózzá,
• Laktát: A Cori-körön keresztül az anaerob glikolízis során előállított laktát (főleg vázizomzatban) a májba kerül, ahol piruváttá alakul, amely a glükoneogenezis első igazi szubsztrátja,
• Propionil-CoA,
• Páratlan láncú zsírsavak β-oxidációjával képződik, majd karboxileződve szukcinil-CoA-t termel. A szukcinil-CoA bejuthat a glükoneogenezis útvonalába, miután a citromsav cikluson keresztül oxaloacetáttá alakult át,
• A páros láncú zsírsavak csak acetil CoA-vá oxidálhatók, így nem használhatók fel a glükoneogenezishez,
• Glicerin-3-foszfát: A glicerin foszforsavésztere. A foszfolipidek fontos összetevője. Három zsírsavval együtt triglicerideket alkot,
1. A zsírszövetben levő triacil-glicerinek hidrolízise során szabadul a plazmába,
2. A májban glicerin-kináz foszforilálja,
3. A glicerin-foszfát-dehidrogenáz oxidálja dihidroxi-aceton-foszfáttá (a glikolízis köztiterméke).

A glükoneogenezis kulcs reakciói és reguláció

• A glükoneogenezist stimulálja a többlet energia (magas ATP/AMP arány), és gátolja az energiahiány (alacsony ATP/AMP arány),
• A glükoneogenezist a glukagon stimulálja, az inzulin gátolja,
• Az alábbi táblázat a glükoneogenezis legfontosabb lépéseit mutatja be, amelyek irreverzibilisek, és csak specifikus enzimekkel kerülhetők meg. A többi lépés csupán a glikolízis ellentétes reakciói, amelyeket kétirányú enzimek végeznek.

A pentóz foszfát út

Áttekintés

• Leírás: Olyan reakciók halmaza, amelyek a G6P lebomlását katalizálják, ami NADPH és ribóz-5-foszfát képződéséhez vezet,
• Ez egy alternatív metabolikus út, amikor a G6P bőségesen rendelkezésre áll,
• A sejt igényei határozzák meg, hogy melyik anyagcsere útvonalat választják,
• Funkció:
• A ribóz-5-foszfátra a nukleotidok (pl. DNS, RNS) szintéziséhez van szükség,
• A NADPH szükséges:
• Zsírsav-, koleszterin- és szteroid hormonok szintézishez (különösen a májban, a mellékvese kéregben és a laktáló emlőmirigyekben),
• A glutation redukciójához: A glutation a hidrogén-peroxiddal és a szabad gyökökkel reagálva megakadályozza a vörösvértestek sejtmembránjának oxidatív károsodását,
• Légzési robbanás (A fagocitált kórokozók elpusztítása reaktív oxigén származékok (pl. hidrogén-peroxid, hipoklorinsav) előállításával),
• Lokalizáció: Citoszol (minden sejtben),
• Sebességkorlátozó enzim: Glükóz-6-foszfát-dehidrogenáz (G6PD),
• Stimulálja: Glükóz 6-foszfát, NADP⁺,
• Gátolja: NADPH.

A kétfázisú reakciósorrend

Irreverzibilis, oxidatív fázis

Nettó reakció 3 lépésben: G6P + 2 NADP⁺ + H₂O → ribulóz-5-foszfát + 2 NADPH + 2 H⁺ + CO₂.

1. G6P → 6-foszfoglukonolakton,
• Enzim: G6PD,
• A NADP⁺ NADP + H⁺-ra redukálódik,
2. 6-foszfoglukonolakton → 6-foszfoglukonát,
• Enzim: 6-foszfoglukonolaktonáz,
• 1 H₂O szükséges,
3. 6-foszfoglukonát → ribulóz 5-foszfát,
• Enzim: 6-foszfoglukonát-dehidrogenáz,
• A NADP⁺ NADP + H⁺-ra redukálódik,
• CO₂ szabadul fel.

Reverzibilis, non-oxidatív fázis

Nettó reakcióegyenlet: 3 ribulóz 5-foszfát ⇄ ribóz 5-foszfát + 2 xilulóz 5-foszfát ⇄ 2 fruktóz 6-foszfát + glicerinaldehid-3-foszfát.

• A funkciók igényfüggőek:
• Ribóz-5-foszfát létrehozása ribulóz-5-foszfátból (nukleotid szintézishez),
• Olyan cukrok szintézise, amelyek cserélhetők a pentóz foszfát út és a glikolízis között,
• A fő reakciók a következők:
• Ribulóz 5-foszfát ⇄ ribóz 5-foszfát (izomerizációs reakció) a ribóz 5-foszfát izomerázon keresztül,
• Ribulóz-5-foszfát-xilulóz-5-foszfát (epimerizációs reakció) a ribulóz-5-foszfát-epimerázon (foszfopentóz-epimeráz) keresztül,
• Ribóz-5-foszfát + xilulóz-5-foszfát ⇄ fruktóz-6-foszfát + glicerinaldehid-3-foszfát a transzketolázon (tiamin-pirofoszfát szükséges) és transzaldolázon keresztül.