Náplň podkapitoly:
1. Pentózový cyklus (hexózamonofosfátový zkrat)
2. Metabolismus fruktózy
3. Metabolismus galaktózy
4. Přeměna glukózy na kyselinu glukuronovou a její využití
_
Pentózový cyklus (hexózamonofosfátový zkrat)
Pentózový cyklus umožňuje přímou oxidaci glukózy na CO2 bez zahrnutí Krebsova cyklu a dýchacího řetězce. Jako kofaktor dehydrogenáz se v pentózovém cyklu využívají molekuly koenzymu NADP+, jež se po přijetí redukčních ekvivalentů (atomů H) redukují na NADPH + H+. Ty se mohou v buňce uplatnit na mnoha místech – například slouží jako zdroje redukčních ekvivalentů při biosyntézách (syntéza mastných kyselin, steroidních látek atd.), napomáhají antioxidační ochraně buněk (mj. systém glutathionu) či se účastní metabolismu cizorodých látek. V pentózovém cyklu může dále vznikat ribóza-5-P (prekurzor při syntéze nukleových kyselin) či mnoho jiných monosacharidů. Jeho cílem ale není přímý zisk energie, protože NADPH se nemůže oxidovat v dýchacím řetězci. Hlavní funkce pentózového cyklu tedy můžeme shrnout jako:
1) Zisk NADPH – pentózový cyklus je hlavním producentem NADPH v buňce
2) Zisk ribóza-5-P
3) Vzájemné přeměny monosacharidů – užité např. při syntéze glykoproteinů
Pentózový cyklus je lokalizován v cytosolu (zejména buněk jater, tukové tkáně, varlat, kůry nadledvin, dále pak v erytrocytech či v laktující mléčné žláze, enzymy se ale vyskytují ve všech tkáních). V jeho rámci můžeme rozlišit dvě základní fáze – oxidační a neoxidační (regenerační).
Oxidační (oxidativní) fáze
V rámci oxidativní fáze pentózového cyklu dochází k oxidaci molekuly glukózy-6-P na molekulu ribulóza-5-P za souběžného uvolnění CO2 a zisku dvou molekul NADPH + H+. Její průběh souhrnně zachycuje následující rovnice:
Glukóza-6-fosfát + 2 NADP+ → CO2 + 2 NADPH+H+ + ribulóza-5-fosfát
Z reakcí první fáze si zaslouží vyzdvihnout ihned úvodní reakce katalyzovaná glukóza-6-fosfátdehydrogenázou. Tato nevratná reakce je totiž současně hlavním regulačním krokem pentózového cyklu. Rychlost celé metabolické dráhy se odvíjí od činnosti dvou dehydrogenačních reakcí, které závisejí na dostupnosti NADP+ (tedy oxidované formy koenzymu). Při jeho nedostatku rychlost pentózového cyklu klesá, jinými slovy nadbytek NADPH zpomaluje pentózový cyklus (přesněji jeho oxidativní fázi).
Regenerační (neoxidační) fáze
V regenerační fázi dochází k vzájemným přeměnám fosforylovaných molekul monosacharidů. Tyto reakce jsou volně reverzibilní (vratné). Základní schéma regenerační fáze pentózového cyklu bychom mohli zjednodušeně zapsat jako:
3 C5 → 2 C6 + C3
3 Ribulóza-5-P → 2 fruktóza-6-P + glyceraldehyd-3-P
Při detailnějším pohledu:
1) Přeměna ribulóza-5-P na ribóza-5-P (ketóza se mění pomocí izomerázy na aldózu) či na xylulózu-5-P (katalyzuje epimeráza)
2) Následuje dvojice reakcí vyjádřená rovnicemi:
C5 + C5 ↔ C3 + C7 ↔ C6 + C4
Xylulóza-5-P + ribóza-5-P ↔ glyceraldehyd-3-P + sedoheptulóza-7-P ↔ Fru-6-P + erytróza-4-P
Tyto reakce katalyzují dvě transferázy – transketoláza a transaldoláza. Transketoláza transportuje dvouuhlíkaté jednotky z xylulóza-5-P (ketóza) na ribóza-5-P za vzniku glyceraldehyd-3-P a sedoheptulóza-7-P (kofaktorem enzymu je derivát vitaminu B1 – thiamindifosfát). Transaldoláza přenáší tříuhlíkaté jednotky ze sedoheptulóza-7-P (ketóza) na aldehydovou skupinu glyceraldehyd-3-P. Obecně platí, že uhlíkaté štěpy (C3- a C2-jednotky) vznikají z ketóz a jejich příjemcem se stávají aldózy. Výsledkem je, že z ketózy vznikne kratší aldóza a z aldózy delší ketóza.
3) Aby se nehromadila nepotřebná erytróza-4-P, následuje její reakce s xylulóza-5-P:
C4 + C5 → C3 + C6
Erytróza-4-P + xylulóza-5-P → glyceraldehyd-3-P + fruktóza-6-P
Výsledné produkty druhé fáze, fruktóza-6-P a glyceraldehyd-3-P, mohou být reakcemi glykolýzy a glukoneogeneze (probíhají také v cytoplazmě) buď spáleny, nebo přeměněny na glukóza-6-P. Ta může opět vstoupit do oxidativní fáze cyklu, a pentózový cyklus se tedy uzavírá. Na tomto místě jasně vidíme, jak se glykolýza/glukoneogeneze úzce propojuje s pentózovým cyklem. Někdy se dokonce můžeme setkat s tvrzením, že pentózový cyklus je jejich odbočkou.
Pohlížíme-li na pentózový cyklus jako na alternativní cestu oxidace glukózy, můžeme napsat sumární rovnici:
6 Glukóza-6-P → 6 CO2 + 6 ribulóza-5-P + 12 NADPH+H+
6 Ribulóza-5-P →→→ regenerační fáze a glukoneogeneze →→→ 5 glukóza-6-P
K tomuto dochází, pokud buňka potřebuje maximalizovat zisk NADPH.
Pentózový cyklus může ale také sloužit jako zdroj ribóza-5-P či jiných monosacharidů. Jestli je buňka potřebuje (a nevyžaduje NADPH), může dojít k otočení druhé fáze cyklu a opačným sledem reakcí se z glykolýzy naopak odčerpává glyceraldehyd-3-P a fruktóza-6-P a postupně se mění na ribóza-5-P či ostatní monosacharidy.
Regulace pentózového cyklu
Jak již zaznělo výše, pentózový cyklus je regulován na úrovni dostupnosti koenzymu NADP+. Není-li vznikající redukovaná forma (NADPH) odčerpávána a reoxidována v jiných metabolických procesech, dochází k inhibici reakcí, které vyžadují oxidovanou formu tohoto koenzymu – katalyzuje glukóza-6-fosfátdehydrogenáza a 6-fosfoglukonátdehydrogenáza. Syntézu klíčových enzymů rovněž indukuje inzulin. Prolaktin činí totéž během laktace.
Klinická korelace:
Deficit glukóza-6-fosfátdehydrogenázy se považuje za celosvětově nejrozšířenější enzymatický defekt – počet postižených se odhaduje na 400 miliónů osob (převážně v Africe, Středomoří, Středním východě a v Asii). Jedním z jeho důsledků je vznik hemolytické anémie (pro narušení antioxidačních systémů erytrocytů). Blíže viz Podkapitola 5/4.
_
Metabolismus fruktózy
Fruktózu můžeme přijímat v potravě buď volnou (ovoce, med), nebo v podobě disacharidu sacharózy. Ta je v trávicím traktu rozkládána sacharázou na fruktózu a glukózu. Fruktóza se vstřebává do enterocytů facilitovanou difúzí skrze specifický přenašeč. Menší část fruktózy se již v enterocytech přemění na glukózu (přes Glc-6-P), většina je ale vypuštěna do portální krve. Metabolickým osudem fruktózy je její zapojení se do glykolýzy, k čemuž slouží dvě cesty s rozdílnou orgánovou lokalizací.
Osud fruktózy v játrech
Fruktóza je jednak velmi rychle vychytávána játry, kde je také metabolizována pomocí enzymu fruktokinázy specifického pro fosforylaci fruktózy. Podívejme se nyní na příslušnou reakci:
Fruktóza + ATP → fruktóza-1-P + ADP
(katalyzuje fruktokináza)
Fruktóza-1-P není meziproduktem glykolýzy a jeho další přeměnu katalyzuje tzv. aldoláza B (odlišná od aldolázy A v glykolýze). Štěpením Fru-1-P vznikají dvě triózy – glyceraldehyd a dihydroxyacetonfosfát. Dihydroxyacetonfosfát se jako meziprodukt glykolýzy do ní může ihned zapojit. Složitější je osud glyceraldehydu. Ten může být jednak fosforylován pomocí specifické kinázy na glyceraldehyd-3-fosfát, jednak redukován na glycerol. Fosforylace je mnohem významnější, neboť slouží k napojení glyceraldehydu na glykolýzu.
Fruktóza-1-P → dihydroxyacetonfosfát + D-glyceraldehyd
(katalyzuje specifická aldoláza B)
Dihydroxyacetonfosfát → glyceraldehyd-3-P → glykolýza
D-glyceraldehyd → glyceraldehyd-3-P → glykolýza
(nebo) → glycerol → glycerol-3-fosfát → triacylglyceroly
Velmi vzácně se vyskytuje vrozený defekt aldolázy B podmiňující onemocnění zvané intolerance fruktózy, v jehož průběhu dochází ke hromadění Fru-1-P, což vyústí v dysbalanci metabolismu sacharidů.
Metabolismus fruktózy je rychlejší než metabolismus glukózy, neboť se obchází hlavní regulační (nejpomalejší) krok glykolýzy katalyzovaný fosfofruktokinázou. Výsledně to může vést ke zvýšené jaterní lipogenezi – z nadbytku vznikajícího pyruvátu (a následně AcCoA) vzniká nadměrné množství mastných kyselin a TAG.
Alternativní osud fruktózy
V menší míře a také v jiných tkáních (např. ve svalech) je fruktóza fosforylována hexokinázou:
Fruktóza + ATP → fruktóza-6-P + ADP
Vzniklý Fru-6-P je přímo intermediátem glykolýzy, a cesta napojení fruktózy proto trvá mnohem kratší dobu. Hexokináza má ale pro fruktózu ↑ KM a tedy nízkou afinitu.
Význam fruktózy pro spermie
Spermie využívají fruktózu jako svůj hlavní energetický zdroj. Proto nepřekvapí, že v seminální tekutině je velmi vysoká koncentrace fruktózy (5-10 mmol/l), kterou produkují seminální žlázky z glukózy. Nejdříve dochází k redukci glukózy na sorbitol, ten se následně oxiduje na fruktózu.
_
Metabolismus galaktózy
Galaktóza, 4-epimer glukózy, je součástí mléčného cukru laktózy (disacharid). Tu v trávicím traktu štěpí enzym laktáza na galaktózu a glukózu, které následně vstřebá sekundárně aktivní transport do enterocytů. V játrech je galaktóza galaktokinázoufosforylována na galaktóza-1-P a následně přeměněna na glukózu:
Galaktóza-1-P + UDP-glukóza → UDP-galaktóza + glukóza-1-P
(katalyzuje hexóza-1-fosfáturidyltransferáza)
UDP-galaktóza → UDP-glukóza
(katalyzuje 4-epimeráza)
Defekt hexóza-1-fosfáturidyltransferázy podmiňuje vzácné onemocnění nazývané galaktosemie. Galaktóza se při ní nemůže přeměnit na glukózu, a proto se hromadí v orgánech – játrech, erytrocytech, střevě, oční čočce, ledvinách, srdci či mozku. Z galaktózy vzniká galaktitol (neboli dulcitol, cukerný alkohol vznikající redukcí galaktózy), který podmiňuje vznik zákalu oční čočky. V léčbě se proto zcela zásadně ze stravy vylučují mléčné výrobky.
Přeměna glukózy na galaktózu
Galaktóza se v lidském těle využívá k syntéze laktózy v laktující mléčné žláze či při tvorbě glykoproteinů, proteoglykanů a glykolipidů. Jak již bylo uvedeno výše, vzájemná přeměna glukózy na galaktózu (a zpět) neprobíhá ve formě volných sacharidů. Ty musí být nejdříve aktivovány. Po aktivaci glukózy na UDP-1-glukózu dochází k její izomeraci na UDP-galaktózu:
UDP-1-glukóza ↔ UDP-galaktóza
(katalyzuje 4-epimeráza)
Vytvořená UDP-galaktóza je makroergní sloučenina a může se přímo využít k syntéze výše zmíněných sloučenin.
Syntéza laktózy probíhá pouze v laktující mléčné žláze. Slučují se při ní UDP-galaktóza s glukózou (katalyzuje galaktosyltransferáza). Laktaci podporuje prolaktin – peptidový hormon z adenohypofýzy.
_
Přeměna glukózy na kyselinu glukuronovou a její využití
Kyselina glukuronová patří mezi tzv. uronové kyseliny, základní součásti mnoha pro tělo významných látek – např. glykosaminoglykanů, a tedy i proteoglykanů. Uronové kyseliny se mimoto využívají i jako konjugační činidla usnadňující vylučování mnoha endogenních i cizorodých látek. Kromě kyseliny glukuronové řadíme mezi uronové kyseliny i kyselinu L-iduronovou či galaktouronovou.
Tvorba kyseliny glukuronové z glukózy spočívá v oxidaci primární hydroxylové skupiny na C6 molekuly glukózy na karboxylovou skupinu.
Před samotnou oxidací musí být ale molekula glukózy nejdříve převedena do aktivní formy – UDP-glukózy. Jednotlivé kroky přeměny glukózy na kyselinu glukuronovou probíhají tedy takto:
1) Fosforylace glukózy (katalyzuje hexokináza/glukokináza):
Glukóza + ATP → glukóza-6-P + ADP
2) Izomerace glukózy (katalyzuje glukózafosfátisomeráza):
Glukóza-6-P → glukóza-1-P
3) Aktivace glukózy – vazba UDP (katalyzuje UDP-glukózapyrofosforyláza):
Glukóza-1-P + UTP → UDP-1-glukóza + difosfát
4) Oxidace na glukuronát:
UDP-1-glukóza + 2 NAD+ → UDP-glukuronát + 2 NADH+H+
UDP-glukuronát je aktivní formou kyseliny glukuronové a může vstoupit do mnoha reakcí.
Využití kyseliny glukuronové
1) Syntéza proteoglykanů
2) Využití jako konjugačního činidla
Kyselina glukuronová se konjuguje s látkami špatně rozpustnými ve vodě (bilirubin, steroidní hormony, xenobiotika) s cílem vyloučit je z organismu. Po navázání kyseliny glukuronové se nepolární sloučeniny stávají rozpustnějšími ve vodě a lépe se vylučují močí nebo žlučí. Klíčový enzym se nazývá UDP-glukuronyltransferáza. Blíže viz Podkapitola 9/6.
Autoři podkapitoly: Josef Fontana a Petra Lavríková
