15 lutego, 2021

Szlaki metaboliczne do matury z biologii

β-oksydacja kwasów tłuszczowych, szlak pentozofosforanowy, cykl ornitynowy (mocznikowy)

Oprócz opisanych wcześniej podstawowych szlaków metabolicznych w komórce, takich jak glikoliza czy cykl Krebsa, na uwagę zasługuje także kilka innych, odgrywających znaczącą rolę w życiu komórek. Są to kolejno: 

  • β-oksydacja kwasów tłuszczowych
  • szlak pentozofosforanowy
  • cykl ornitynowy (mocznikowy)
  • β-oksydacja kwasów tłuszczowych

miejsce zachodzenia reakcji: matrix mitochondrium

Proces ten prowadzi do wytwarzania acetylo-CoA, który może być dalej przetwarzany przez komórkę np. w cyklu Krebsa, z kwasów tłuszczowych. W przypadku kwasów posiadających nieparzystą ilość atomów węgla w cząsteczce, oprócz acetylo-CoA powstaje również cząsteczka propionylo-CoA, zawierająca o jeden atom węgla więcej.

Oprócz acetylo-CoA, wykorzystywanego w cyklu Krebsa do pozyskiwania energii, β-oksydacja dostarcza gotowych przenośników elektronów – FADH2 i NADH, mogących brać udział w produkcji ATP bezpośrednio w łańcuchu oddechowym

Szlak ten spełnia bardzo ważną funkcję w przypadku niedostatecznej podaży glukozy, umożliwiając dalsze pozyskiwanie energii. Jego rozpoczęcie wymaga połączenia cząsteczki kwasu tłuszczowego z cząsteczką CoA – w wyniku tego powstaje acylo-CoA (przedrostek acylo- odnosi się do łańcucha węglowego o dowolnej długości). Taka cząsteczka może swobodnie przemieszczać się w przez błony komórkowe. 

Kolejne etapy β-oksydacji to:

  • Etap I: Utlenienie

enzym katalizujący reakcję: dehydrogenaza acylo-CoA

Acylo-CoA w wyniku działania odpowiedniej dehydrogenazy, zostaje zamieniony w cząsteczkę trans-Δ2-enoilo-CoA. Równolegle do tej przemiany, poprzez redukcję obecnego w środowisku FAD+, powstaje FADH2.

  • Etap II: Hydratacja

enzym katalizujący reakcję: hydrataza enoilo-CoA

Hydrataza enoilo-CoA umożliwia uwodnienie i przejście trans-Δ2-enoilo-CoA w 3-hydroksyacylo-CoA, będącego substratem w III etapie β-oksydacji.

  • Etap III: Utlenienie

enzym katalizujący reakcję: dehydrogenaza hydroksyacylo-CoA

3-hydroksyacylo-CoA ulega reakcji utlenienia, tworząc 3-ketoacylo-CoA. W reakcji redukcji, przebiegającej równolegle do tej przemiany, powstaje również cząsteczka NADH.

  • Etap IV: Tioliza

enzym katalizujący reakcję:  β-ketotiolaza

Obecność β-ketotiolazy oraz wolnych cząsteczek CoA w komórce, pozwala na zajście terminalnego etapu β-oksydacji. 3-ketoacylo-CoA ulega tiolizie przez cząsteczkę CoA – w ten sposób powstaje acetylo-CoA oraz nowa cząsteczka acylo-CoA (tym razem krótsza o dwa atomy węgla, które utworzyły acetylo-CoA). 

Taka cząsteczka acylo-CoA stanowi substrat w kolejnym cyklu przemian β-oksydacyjnych, który będzie powtarzał się aż do całkowitego rozłożenia wyjściowego łańcucha węglowego na cząsteczki acetylo-CoA.

Jak wspomniano na początku, w przypadku łańcuchów węglowych o nieparzystej ilości atomów, na końcu pozostaje cząsteczka propionylo-CoA.
Warto wiedzieć, że przemiany opisane powyżej zachodzą w ten sposób tylko dla nasyconych łańcuchów węglowych. W przypadku jedno- i wielonienasyconych kwasów tłuszczowych niezbędne jest działanie dodatkowych enzymów, zmieniających konformacje pośrednich produktów niektórych reakcji. 

  • Oksydacyjny szlak pentozofosforanowy

w skrócie: glukozo-6-fosforan + 2NADP+ + H2O rybozo-5-fosforan + NADPH + 2H++ 2CO2

miejsce zachodzenia reakcji: cytozol

Szlak ten jest często wykorzystywany przez komórki gruczołów mlekowych, wątroby i tkanki tłuszczowej. Służy głównie pozyskiwaniu NADPH , który niezbędny jest do przeprowadzania reakcji redukcji w komórce. Ponadto w wyniku przemian glukozy w tym szlaku powstają, wykorzystywane do syntezy nukleotydów kwasów nukleinowych, pentozy.

Szlak pentozofosforanowy przebiega zasadniczo w dwóch, dających się wyraźnie wyodrębnić fazach:

  • Faza I: faza oksydacyjna

W tej fazie następuje zamiana glukozo-6-fosforanu w rybozo-5-fosforan, z jednoczesnym powstaniem dwóch cząsteczek NADPH.

  • utlenienie

enzym katalizujący reakcję: dehydrogenaza glukozo-6-fosforanowa

Grupa -OH przy jednym z węgli cząsteczki glukozo-6-fosforanu zostaje utleniona przy pomocy dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej do grupy ketonowej; w ten sposób powstaje 6-fosfoglukono-δ-lakton. Reakcji tej towarzyszy redukcja jednej cząsteczki NADP+ do NADPH.

  • hydroliza

enzym katalizujący reakcję: 6-glukonolaktonaza

6-fosfoglukono-δ-lakton ulega pod wpływem cząsteczki wody i odpowiedniego enzymu rozpadowi, tworząc cząsteczkę 6-fosfoglukonianu, mogącego ulec kolejnej reakcji.

  • dekarboksylacja

enzym katalizujący reakcję: dehydrogenaza 6-fosfoglukonianowa

Kolejna cząsteczka NADP+ ulega redukcji do NADPH, czemu towarzyszy utlenienie jednego z atomów węgla w łańcuchu 6-fosfoglukonianu. Ulega on odłączeniu od łańcucha w postaci cząsteczki CO2, co skutkuje jego skróceniem – powstaje pięciowęglowy rybulozo-5-fosforan.

  • Faza II: faza redukcyjna

W tej fazie rybulozo-5-fosforan jest przekształcany do rybozo-5-fosforanu za pośrednictwem enzymu izomerazy pentozofosforanowej

W zależności od zapotrzebowania komórki rybulozo-5-fosforan może jednak ulegać także innym przemianom za pośrednictwem odpowiednich enzymów, np. do metabolitów glikolizy. W ten sposób dostarcza substratów do reakcji w innych szlakach, w wyniku czego powstają pożądane w danej chwili przez komórkę produkty. 

  • Cykl ornitynowy

w skrócie: NH3+CO2+asparaginian+2H2O+3ATP mocznik+fumaran +2ADP+2Pi+AMP+PPi

miejsce zachodzenia reakcji: mitochondria i cytoplazma komórek wątroby

Cykl ornitynowy znany jest również pod nazwą mocznikowego cyklu Krebsa. W jego toku z amoniaku, dwutlenku węgla i wody powstaje mocznik

W cyklu tym biorą udział trzy aminokwasy:

  • ornityna
  • cytrulina
  • arginina

Poprzedzony jest on procesem deaminacji, polegającym na odłączeniu grupy aminowej od cząsteczek aminokwasów. W wyniku tych przemian powstają tzw. ketokwasy oraz jon amonowy NH4+.

Łańcuchy węglowe ketokwasów mogą w organizmie ulegać kolejnym przemianom prowadzącym do uzyskiwania energii. Jon amonowy z kolei jest silnie toksyczny z uwagi na swoją wysoką reaktywność i zdolność do uszkadzania komórek żywych. Z tego względu musi zostać wydalony z organizmu. Jest to możliwe właśnie dzięki zachodzeniu reakcji cyklu ornitynowego (mocznikowego), w wyniku którego kation amonowy zamieniony zostaje w nietoksyczną cząsteczkę mocznika i może zostać usunięty m.in. jako składnik moczu. 

Cykl mocznikowy rozpoczyna się przez kondensację cząsteczek amoniaku i dwutlenku węgla. Zużywane są przy tym dwie cząsteczki ATP i powstaje karbamoilofosforanNastępnie karbamoilotransferaza ornitynowa katalizuje reakcję połączenia karbamoilofosforanu z ornityną, w wyniku czego powstaje cytrulina, która to następnie łącząc się z asparaginianem przy zużyciu kolejnej cząsteczki ATP daje argininobursztnian. Reakcję tę umożliwia obecność enzymu zwanego syntetazą argininobursztynianową. 

Następnie na argininobursztynian działa liaza argininobursztynianowa – uwalniana jest cząsteczka fumaranu, a dalszym przemianom podlega arginina

Ostatnim etapem jest reakcja katalizowana przez arginazę; dzięki niej wydziela się mocznik i odtwarzana jest cząsteczka ornityny, mogąca wziąć udział w kolejnym obrocie cyklu. 

Do przeprowadzenia cyklu ornitynowego niezbędna jest obecność asparaginianu i 3 cząsteczek ATP – jest to więc proces wymagający dostarczenia energii, a nie ją generujący w przeciwieństwie do większości z procesów opisanych wcześniej. Jest jednak niezbędny do prawidłowego funkcjonowania organizmu i zapobiega apoptozie komórek na skutek działania szkodliwych produktów przemiany materii.

8 0 komentarze

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

This site is protected by reCAPTCHA and the Google Privacy Policy and Terms of Service apply.