bardziej wydajny pod względem odzyskiwania energii w mitochondrialnym utlenianiu substratów.
2.6.5. Jak nazywa się synteza ATP, która jest możliwa dzięki procesom pokazanym na rycinie 2.6a, b?
ZADANIE 2.7
Rozważ schemat glikolizy przedstawiony na rycinie 2.7 i odpowiedz na następujące pytania.
Rycina 2.7. Schemat glikolizy.
2.7.1. Które z poniższych stwierdzeń charakteryzuje glikolizę?
A. Glikoliza to proces przekształcania glukozy w pirogronian bez zużycia tlenu z wytworzeniem 2 ATP w wyniku fosforylacji substratowej.
B. Glikoliza to proces przekształcania glukozy w mleczan bez zużywania tlenu z tworzeniem 2 ATP w wyniku fosforylacji oksydacyjnej.
C. Glikoliza to proces konwersji glukozy do mleczanu z udziałem tlenu z wytworzeniem 2 ATP w wyniku fosforylacji oksydacyjnej.
D. Glikoliza to proces przekształcania glukozy w mleczan z udziałem tlenu z wytworzeniem 2 ATP w wyniku fosforylacji substratu.
E. Glikoliza to proces przekształcania glukozy w mleczan z udziałem tlenu bez formacji ATP.
2.7.2. Wymień wszystkie metabolity pierwszego etapu glikolizy i enzymy katalizujące te reakcje (1–5).
2.7.3. Opisz pierwszy etap glikolizy. Wskaż, która reakcja glikolizy pozwala nazwać ten proces „dychotomicznym rozkładem glukozy”, i nazwij enzym, który katalizuje tę reakcję.
2.7.4. Wymień wszystkie metabolity drugiego etapu glikolizy i enzymy katalizujące reakcje (6–11).
2.7.5. Opisz drugi etap glikolizy.
2.7.6. Nazwij reakcje fosforylacji substratów w glikolizie i wyjaśnij ich znaczenie.
2.7.7. Nazwij regulatorowe enzymy glikolizy, które katalizują nieodwracalne reakcje.
2.7.8. Oblicz efekt energetyczny glikolizy (w molach ATP).
2.7.9. U pacjenta z podejrzeniem choroby niedokrwiennej serca oznaczono zawartość kwasu pirogronowego i mlekowego we krwi. W jakim kierunku zmienia się stosunek pirogronianu do mleczanu w tej patologii? Wyjaśnij odpowiedź.
ZADANIE 2.8
Porównaj utlenianie glukozy w warunkach dopływu tlenu (warunki aerobowe) oraz w warunkach bez dostępu tlenu (warunki anaerobowe) (ryc. 2.8).
2.8.1. Nazwij proces utleniania glukozy bez zużycia tlenu.
2.8.2. Wymień produkty końcowe utleniania glukozy w warunkach aerobowych oraz glikolizy przebiegającej w warunkach beztlenowych.
2.8.3. Wymień wspólny etap utleniania glukozy w warunkach aerobowych oraz w warunkach anaerobowych (beztlenowych).
2.8.4. Co dzieje się z kwasem pirogronowym w warunkach beztlenowych?
2.8.5. Co dzieje się z kwasem pirogronowym w warunkach aerobowych?
2.8.6. Porównaj efekt energetyczny glikolizy przebiegającej w warunkach beztlenowych oraz w warunkach tlenowych.
jamy jelitowej, a w konsekwencji do biegunki i kolki jelitowej. Pierwotna hipolaktazja, leżąca u podstaw pierwotnej nietolerancji laktozy, to częste zaburzenie (autosomalne, recesywne) spowodowane mutacjami w genie kodującym laktazę. Obecność allela kodującego enzym o obniżonej aktywności jest więc molekularną przyczyną hipolaktazji pierwotnej. Ponadto obecność tego allela sprawia, że wraz z wiekiem dochodzi do narastania stopnia obniżenia ekspresji genu, a w efekcie narastanie stopnia nietolerancji laktozy. Natomiast efektem uszkodzenia komórek jelitowych, np. pod wpływem radio- lub chemioterapii czy w wyniku obecności chorób zapalnych jelit, może być wtórna nietolerancja laktozy.
ODPOWIEDZI
do ZADANIA 2.3
2.3.1. Przekształcenie glukozy do glikogenu to glikogeneza; rozkład glikogenu do glukozy to glikogenoliza. Tylko wątroba posiada enzym pozwalający na tworzenie glukozy z glikogenu.
2.3.2. Konwersja glukozy do mleczanu to glikoliza.
2.3.3. Przekształcenie glukozy w końcowe produkty metabolizmu: woda i dwutlenek węgla to tlenowe utlenianie glukozy.
2.3.4. Proces konwersji glukozy do fosfopentoz to szlak pentozofosforanowy.
2.3.5. Proces, w którym dochodzi do tworzenia glukozy z cząsteczek innych niż węglowodany, to glukoneogeneza.
ODPOWIEDZI do ZADANIA 2.4
2.4.1. Pierwszą reakcją przemiany glukozy w komórkach jest fosforylacja glukozy przy udziale ATP. Jest to reakcja nieodwracalna. W jej wyniku powstaje produkt – glukozo-6-fosforan, który jest aktywną formą glukozy ulegającą dalszym przemianom.
2.4.2. Reakcja fosforylacji glukozy „blokuje” glukozę w komórce, ponieważ błona komórkowa jest nieprzepuszczalna dla fosforylowanej glukozy.
2.4.3. Reakcje fosforylacji glukozy do glukozo-6-fosforanu katalizują heksokinaza lub glukokinaza. Heksokinaza (izoenzymu 1) obecna jest we wszystkich komórkach tkanek obowodowych (pozawątrobowych) i ma bardzo wysokie powinowactwo do glukozy (KM = 0,01 mmol/l), dzięki czemu jest aktywna w obecności niskich stężeń glukozy. Natomiast w komórkach wątroby obecna jest glukokinaza (izoenzym 2), który „działa” przy wysokich stężeniach glukozy (pojawiających się podczas trawienia węglowodanów), ponieważ ma znacznie mniejsze powinowactwo do glukozy (KM = 20 mmol/l). Glukokinaza fosforyluje glukozę, podczas gdy heksokinaza fosforyluje także inne heksozy (fruktoza, galaktoza) i aktywność heksokinazy jest hamowana przez glukozo-6-fosforan.
2.5.1. Schemat przemian na rycinie 2.5 przedstawia glikolizę, która przebiega w cytoplazmie.
2.5.2. W warunkach tlenowych pirogronian (produkt glikolizy) przechodzi do mitochondriów komórek i jest przekształcany w acetylo-CoA.
2.5.3. Metabolity powstające w tym procesie to: glukozo-6-fosforan (1), fruktozo-6-fosforan (2), fruktozo-1,6-difosforan (3), 3-fosfodioksyaceton (4), 3-fosfogliceroaldehyd (5), 1,3-difosfoglicerynian (6), 3-fosfoglicerynian (7), 2-fosfoglicerynian (8), fosfoenolopirogronian (9).
2.5.4. Enzymy biorące udział w tym procesie to: heksokinaza (1), izomeraza fosfoglukozy czyli fosfoheksoizomeraza (2), fosfofruktokinaza (3), aldolaza fruktozo1,6-difosforanu (4), izomeraza triozofosforanowa (5), dehydrogenaza aldehydu 3-fosfoglicerynowego (6), kinaza fosfoglicerynianowa (7), mutaza fosfoglicerynianowa (8), enolaza (9), kinaza pirogronianowa (10).
2.5.5. Aktywacja glukozy następuje przez jej fosforylację, która zachodzi w reakcjach 1 oraz 3 i towarzyszy jej zużycie 2 moli ATP.
2.5.6. Dychotomiczny rozkład cząsteczki fruktozo-1,6-difosforanu zachodzi w 4 reakcji. Pod działaniem aldozy cząsteczka 6-węglowa dzieli się na 2 cząsteczki 3-węglowe, czyli na 2 cząsteczki fosfotriozy [metabolity 4 i 5 pozostające w równowadze, która zostaje silnie przesunięta w miarę zużywania się aldehydu 3-fosfoglicerynowego (metabolit 5) i w efekcie całość fosfodihydroksyacetonu (metabolit 4) zostaje przekształcona do metabolitu 5, czyli aldehydu 3-fosfoglicerynowego].
2.5.7. Reakcje 7 i 10 syntetyzują ATP poprzez przeniesienie reszty kwasu fosforowego z substratów makroenergetycznych, czyli 1,3-difosfoglicerynianu i fosfoenolopirogronianu do ADP. W rezultacie na każdą cząsteczkę fosfotriozy (metabolitu 5) powstają 2 cząsteczki ATP. Biorąc pod uwagę, że podczas glikolizy z glukozy powstają 2 fosfotriozy (metabolity 4 i 5), całkowita liczba cząsteczek adenozynotrifosforanu powstałych w wyniku fosforylacji substratowej wynosi 4 ATP.
2.5.8. Reakcja 6 to reakcja utleniania aldehydu 3-fosfoglicerynowego (metabolit 5), w której jednocześnie koenzym NAD+ zostaje zredukowany do NADH+H+, a uwolniona energia jest użyta do fosforylacji prowadzącej do powstania 1,3-bisfosfoglicerynianu. Reakcja jest katalizowana przez dehydrogenazę 3-fosfoglicerynową, której drugim substratem jest kwas fosforowy, dzięki czemu możliwa jest fosforylacja.
2.5.9. W warunkach tlenowych cząsteczki NADH+H+ powstałe w reakcji 6 przenoszą atomy wodoru poprzez system wahadłowy z cytoplazmy do mitochondrialnego systemu utleniania.
2.5.10. W reakcjach 1 i 3 dwa ATP są zużywane na aktywację glukozy, w reakcjach 7 i 10 – cztery ATP powstają w wyniku fosforylacji substratowej.
2.6.1. Dwie cząsteczki zredukowanego NADH+H+, które powstały w procesie glikolizy w cytoplazmie komórek podczas utleniania dwóch cząsteczek aldehydu 3-fosfoglicerynowego pod wpływem dehydrogenazy 3-fosfogliceraldehydu zależnej od NAD+ (w reakcji 6 przedstawionej na rycinie 2.5) w warunkach tlenowych będą wykorzystane w procesie fosforylacji oksydacyjnej, wobec tego muszą być przeniesione do mitochondriów, gdzie zachodzi ten proces. Jednak błona mitochondrialna jest nieprzepuszczalna dla tego nukleotydu (koenzymu). Dlatego w warunkach tlenowych te cząsteczki zredukowanego koenzymu cytoplazmatycznego NADH+H+ przenoszą swoje redukujące odpowiedniki (atom wodoru) za pomocą mechanizmów transportu wahadłowego do mitochondrialnych koenzymów NAD+ (ryc. 2.6a) lub FAD (ryc. 2.6b), a następnie do łańcucha transportu elektronów.
2.6.2. Mechanizm wahadłowy przedstawiony na rycinie 2.6a jest mechanizmem transportu wahadłowego jabłczanu i asparaginianu, realizowanym w komórkach mięśnia sercowego, wątroby i nerek. Przy wysokim stężeniu NADH+H+ (utworzonego w reakcji 6 przedstawionej na rycinie 2.5) cytoplazmatyczna dehydrogenaza jabłczanowa (zależna od NAD+) przywraca jabłczan, wykorzystując nadmiar NADH+H+ (tzn. ze szczawiooctanu w obecności NADH+H+ powstaje jabłczan i NAD+). Następnie, dzięki translokazie dikarboksylowej, jabłczan przechodzi przez błonę do macierzy mitochondrialnej, gdzie jest utleniany przez mitochondrialną dehydrogenazę jabłczanową zależną od NAD+ i w efekcie powstaje NADH+H+ oraz szczawiooctan. Dzięki temu mechanizmowi protony zawarte w cytoplazmatycznym NADH+H+ zostają przeniesione na mitochondrialny NAD+, a więc w mitochondriach powstaje NADH+H+. W ten sposób powstały w cytoplazmie NADH+H+ może być wykorzystany w mitochondriach w procesie fosforylacji oksydacyjnej.
2.6.3. Mechanizm wahadłowy pokazany na rycinie 2.6b jest mechanizmem glicerofosforanowego transportu wahadłowego, który jest realizowany w mięśniach szkieletowych i mózgu. Cytoplazmatyczna dehydrogenaza fosfoglicerolowa redukuje fosfodioksyaceton do glicerolo-3-fosforanu, wykorzystując NADH+H+ (utworzony w reakcji 6 przedstawionej na rycinie 2.5). Następnie glicerolo-3-fosforan przechodzi przez mitochondrialną błonę zewnętrzną i jest utleniany przez mitochondrialną dehydrogenazę fosfoglicerolu. Enzym ten jest osadzony w wewnętrznej błonie mitochondrialnej i zawiera FAD jako grupę protetyczną. W procesie utleniania glicerolo-3-fosforanu FAD zostaje zredukowany do FADH2, który dalej przenosi redukcyjne ekwiwalenty (atomy wodoru) na kolejne składniki łańcucha transportu elektronów w mitochondriach.
2.6.4. Odwodornienie aldehydu 3-fosfoglicerynowego (6 reakcja na rycinie 2.5) prowadzi do powstania 2,5 ATP (P/O = 2,5) na drodze wykorzystania mechanizmu jabłczan–asparaginian i tylko 1,5 ATP na drodze wykorzystania mechanizmu glicerofosforanowego transportu wahadłowego (P/O = 1,5). Mechanizm jabłczanowo-asparaginianowy działa relatywnie efektywniej i w tym przypadku nie dochodzi do utraty 1 ATP, w przeciwieństwie do mechanizmu glicerofosforanowego, który sprawia, że zamiast 2,5 ATP uzyskujemy tylko 1,5 ATP.
2.6.5. Synteza ATP realizowana w procesach pokazanych na rycinie 2.6a, b nazywana jest fosforylacją oksydacyjną.
2.7.1. Оdpowiedź A.
2.7.2. Metabolity pierwszego etapu: glukoza (metabolit 1), glukozo-6-fosforan (metabolit 2), fruktozo-6-fosforan (metabolit 3), fruktozo-1,6-difosforan (metabolit 4), 3-fosfodioksyacetonoaldehyd 3-fosfoglicerynowy 4), aldehyd 3-fosfoglicerynowy (metabolit 5). Enzymy pierwszego etapu: 1 – heksokinaza, 2 – fosfoheksoizomeraza, 3 – fosfofruktokinaza, 4 – fruktozo-1,6-difosfataldolaza, 5 – triosofosfatyzomeraza.
2.7.3. W pierwszym etapie glikolizy (reakcja energochłonna) glukoza jest aktywowana (reakcje 1–3), co wymaga zużycia 2 moli ATP, dychotomicznym podziałem cząsteczki 6-węglowej na 2 fosfotriozy i ich izomeryzację. Ten etap to przygotowanie do etapu utleniania. Rozpad dychotomiczny zachodzi w 4 reakcji pod działaniem fruktozy-1,6-difosfataldolazy, w wyniku czego cząsteczka 6-węglowa dzieli się na 2 cząsteczki 3-węglowe – fosfotriozę.
2.7.4. Metabolity drugiego etapu glikolizy: aldehyd-3-fosfoglicerynowy (6), 1,3-difosfoglicerynian (7), 3-fosfoglicerynian (8), 2-fosfoglicerynian (9), fosfoenolopirogronian (10), pirogronian (11), mleczan (12). Enzymy drugiego etapu: dehydrogenaza aldehydu 3-fosfoglicerynowego (6), kinaza fosfoglicerynianowa (7), mutaza fosfoglicerynianowa (8), enolaza (9), kinaza pirogronianowa (10), dehydrogenaza mleczanowa (11).
2.7.5. W drugim etapie glikolizy (w którym zostaje wytworzona energia) utlenianie aldehydu 3-fosfoglicerynowego z późniejszą konwersją do pirogronianu (reakcje 6–10). W przypadku braku tlenu cząsteczki NADH+H+ powstałe w 6 reakcji nie mogą przenosić atomów wodoru do mitochondrialnego układu utleniania. Jednocześnie cząsteczka pirogronianu powstała w 10 reakcji jest dobrym akceptorem atomów wodoru. Dlatego przy nadmiernej akumulacji zredukowanego NADH+H+ i pirogronianu zachodzi 11 reakcja: redukcja pirogronianu do mleczanu, co zapewnia regenerację utlenionego NAD+ przy braku tlenu.
2.7.6. W drugim etapie synteza ATP (fosforylacja substratów w reakcjach 7 i 10) zachodzi na skutek rozszczepienia substratów makroergicznych, a mianowicie 1,3-difosfoglicerynianu (7) i fosfoenolopirogronianu (10). W rezultacie powstają 2 cząsteczki ATP.
2.7.7. Regulatorowymi enzymami glikolizy, które katalizują nieodwracalne reakcje, są heksokinaza (reakcja 1), fosfofruktokinaza (reakcja 3) i kinaza pirogronianowa (reakcja 10).
2.7.8. Efekt energetyczny glikolizy to 2 cząsteczki ATP. W reakcjach 7 i 10 powstają 4 ATP w wyniku fosforylacji substratowej, a w reakcjach 1 i 3 do aktywacji zużywane są 2 cząsteczki ATP.
2.7.9. U pacjenta z chorobą niedokrwienną serca stosunek pirogronianu do mleczanu zmniejsza się z powodu akumulacji mleczanu i zmniejszenia stężenia pirogronianu. W patologii tej dochodzi bowiem do zmniejszenia dostarczania tlenu
do komórek, co powoduje obniżenie stopnia wykorzystania pirogronu w procesie tzw. tlenowego utleniania glukozy i jednoczesny wzrost przekształcania pirogronianu do mleczanu.
ODPOWIEDZI do ZADANIA 2.8
2.8.1. Utlenianie glukozy bez zużycia tlenu to glikoliza.
2.8.2. Produktami końcowymi tlenowego utleniania glukozy (czyli procesu przebiegającego w warunkach aerobowych) są dwutlenek węgla i woda; końcowym produktem glikolizy przebiegającej w warunkach beztlenowych jest mleczan.
2.8.3. Wspólny etap utleniania glukozy w warunkach aerobowych oraz w warunkach anaerobowych (beztlenowych) to reakcja przekształcenia glukozy do pirogronianu, która zachodzi w cytoplazmie komórek.
2.8.4. Kwas pirogronowy w warunkach utleniania glukozy bez dostępu tlenu zostaje zredukowany do kwasu mlekowego dzięki NADH+H+, który powstał podczas utleniania aldehydu 3-fosfoglicerynowego (patrz reakcja 6 na rycinie 2.7).
2.8.5. Kwas pirogronowy w warunkach utleniania w warunkach aerobowych jest przekształcany w acetylo-CoA pod wpływem kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej.
2.8.6. Efekt energetyczny glikolizy to 2 cząsteczki ATP (w wyniku fosforylacji substratowej) w wyniku przekształcenia 1 cząsteczki glukozy. Podczas utleniania glukozy w warunkach tlenowych (aerobowych) w pierwszym etapie cytoplazmatycznym oprócz 2 cząsteczek ATP (w wyniku fosforylacji substratowej) powstaje dodatkowo (w wyniku fosforylacji oksydacyjnej) 5 ATP (mechanizm jabłczanowo-asparaginowy) lub 3 ATP (w wyniku fosforylacji glicerolu). Ogólnie bilans energetyczny pierwszego (cytoplazmatycznego) etapu utleniania 1 cząsteczki glukozy w warunkach tlenowych (aerobowych) osiąga (2 + 5) = 7 cząsteczek ATP dla komórek mięśnia sercowego, wątroby i nerek lub (2 + 3) = 5 cząsteczek ATP dla mięśni szkieletowych i mózgu. W drugim etapie tego procesu z pirogronianu powstaje acetylo-CoA, CO2 i zredukowany koenzym NADH+H+. Wykorzystanie wodoru z 2 cząsteczek NADH+H+ w procesie utleniania mitochondrialnego prowadzi do powstania (2 · 2,5) = 5 cząsteczek ATP. W trzecim etapie grupa acetylowa (z acetyloCoA) jest rozszczepiana na dwie cząsteczki dwutlenku węgla i wody. Efektem energetycznym tego procesu jest 10 cząsteczek ATP. Tak więc utlenienie cząsteczki kwasu pirogronowego w drugim i trzecim etapie utleniania mitochondrialnego zapewnia powstanie 12,5 cząsteczki ATP. Biorąc pod uwagę, że w pierwszym etapie cytoplazmatycznym glukoza jest przekształcana w dwie cząsteczki pirogronianu, drugi i trzeci etap aerobowego utleniania glukozy dają razem (2 · 12,5) = 25 cząsteczek ATP. Ogólnie rzecz biorąc, całkowite utlenianie glukozy w warunkach tlenowych zapewnia syntezę (7 + 25) = 32 cząsteczek ATP jako maksymalny możliwy odzysk energii. W tkankach zdominowanych przez glicerofosforanowy system wahadłowy wynik energetyczny jest nieco niższy: (5 + 25) = 30 cząsteczek ATP na cząsteczkę glukozy, która jest całkowicie utleniona do produktów końcowych.
2.3.1. Nazwij proces konwersji glukozy do glikogenu oraz proces odwrotny (rozkład glikogenu do glukozy).
2.3.2. Nazwij proces przekształcania glukozy w mleczan.
2.3.3. Nazwij proces przemiany glukozy w końcowe produkty przemiany materii: wodę i dwutlenek węgla.
2.3.4. Nazwij proces konwersji glukozy do fosfopentozy.
2.3.5. Nazwij proces powstawania glukozy z cząsteczek innych niż węglowodany.
ZADANIE 2.4
Rozważ przedstawiony na rycinie 2.4 schemat przekształcenia glukozy.
2.4.1. Nazwij tę reakcję, nazwij i opisz produkt reakcji.
2.4.2. Opisz biologiczne znaczenie tej reakcji.
Rycina 2.4. Schemat przekształcenia glukozy.
2.4.3. Nazwij izoenzymy, które kierują tą reakcją, i podaj ich charakterystykę porównawczą.
ZADANIE 2.5
Rozważ schemat przemian glukozy w warunkach tlenowych (ryc. 2.5).
2.5.1. Jaki proces jest przedstawiony na tym schemacie. Gdzie w komórce jest on zlokalizowany?
2.5.2. Jaki jest dalszy los pirogronianu w tzw. warunkach aerobowych?
2.5.3. Nazwij zaznaczone metabolity tego procesu (metabolity 1–9).
2.5.4. Nazwij enzymy katalizujące reakcje 1–10.
2.5.5. Wskaż reakcje, w których zachodzi aktywacja glukozy.
2.5.6. Wskaż reakcję, która odpowiada terminowi „dychotomia”, i wyjaśnij jego zna-czenie.
2.5.7. Wskaż reakcje odpowiedzialne za powstawanie ATP w procesie zwanym fosforylacją substratową.
2.5.8. Wskaż reakcję, w której dochodzi do utlenienia jednego z powstałych metabolitów oraz powstania NADH+H+. Nazwij enzym katalizujący tę prze-mianę.
Rycina 2.5.
Schemat przemian glukozy w warunkach tlenowych.
2.5.9. Co dzieje się w warunkach tlenowych z cząsteczkami NADH+H+, które zostały utworzone w 6 reakcji?
2.5.10. W których reakcjach przedstawionych na omawianym schemacie powstaje ATP, a w których jest ono wykorzystywane (zużywane)?
