Nauka swiatowa i polska[1].Rozdzial 04.pdf

Rozdział 4

Węglowodany i ich metabolizm

Andrzej Dżugaj

Uniwersytet Wrocławski, Instytut Genetyki i Mikrobiologii, ul. Przybyszewskiego 63/77,

51-148 Wrocław, email dzugajan@biol.uni.wroc.pl

Wprowadzenie + Struktura i właściwości cukrów + Odkrycie glikolizy + Reakcje

glikolizy + Metabolizm glikogenu + Glukoneogeneza + Cykl pentozo-fosforanowy

+ Glikoneogeneza – nowy szlak metaboliczny + Rola cukrów w rozpoznawaniu

komórek i przekazywaniu informacji + Uwagi końcowe

Wprowadzenie

Węglowodany to inna nazwa cukrów i obu tych nazw używa się zamiennie.

Rola węglowodanów w codziennym pożywieniu jest powszechnie znana, chleba i

igrzysk domagali się starożytni Rzymianie, a chrześcijanie do dnia dzisiejszego

modlą się o chleb powszedni. O tym, że węglowodany są ważnym źródłem energii

wiedziano od dawna, natomiast o tym jak złożoną rolę pełnią cukry w

funkcjonowaniu żywych organizmów wiemy dopiero obecnie, dzięki wieloletnim

badaniom licznych laboratoriów na całym świecie. Wiemy także, że ssaki i ptaki są

wrażliwe zarówno na zbyt wysokie jak i zbyt niskie stężenie glukozy. Erytrocyty

wyłącznie, a neurony niemal wyłącznie, czerpią swą energię z glikolizy, brak

glukozy powoduje ich obumieranie. Zaledwie po trzech minutach braku glukozy

zaczynają się nieodwracalne zmiany w ośrodkowym układzie nerwowym.

Natomiast nadmiar glukozy prowadzi do śpiączki cukrzycowej oraz do

nieenzymatycznej glikozylacji białek. Dlatego też stężenie glukozy we krwi

obwodowej musi być utrzymywane w ściśle określonych granicach. Glukostaza

czyli utrzymywanie w miarę stałego stężenia glukozy w płynach ustrojowych

wymaga precyzyjnej regulacji metabolizmu węglowodanów. Poznawanie

mechanizmów tej regulacji było długotrwałym procesem, który praktycznie trwa

128

Andrzej Dżugaj

do dziś. Badania wykazały, że w glukostazie uczestniczy ośrodkowy, współczulny

i przywspółczulny układ nerwowy, a także gruczoły wewnętrznego wydzielania,

takie jak trzustka, kora i rdzeń nadnerczy, wydzielające hormony: insulinę,

glukagon, kortyzol, czy adrenalinę. Warto dodać, że w regulacji glukostazy wciąż

odkrywany jest udział nowych hormonów, jak np. leptyny i stosunkowo niedawno

odkrytej, greliny. W niniejszym artykule zajmiemy się przede wszystkim regulacją

metabolizmu węglowodanów za pośrednictwem enzymów. Regulacja glikolizy jest

możliwa na trzech poziomach: heksokinazy, fosfofruktokinazy i kinazy

pirogronianowej.

Struktura i właściwości cukrów

Węglowodany, czyli cukry, są to aldehydy lub ketony zawierające w

swojej cząsteczce grupy OH. Cukry z grupą aldehydową nazywamy aldozami, z

grupą ketonową ketozami. W cukrach występuje węgiel asymetryczny, tj.

węgiel, przy którym występują cztery różne podstawniki. W przypadku

asymetrycznego węgla istnieją zawsze dwie możliwości ułożenia tych

podstawników w przestrzeni. Klasycznym przypadkiem jest aldehyd

glicerynowy. Istnieją dwie możliwe formy przestrzenne aldehydu

glicerynowego, zostały one nazwane izomerami D i L. We wzorze,

umieszczając grupę aldehydową u góry kartki, mamy dwie możliwości

rozpisania aldehydu glicerynowego, grupę OH przy węglu drugim możemy

umieścić po stronie prawej lub lewej. W pierwszym przypadku mamy formę

nazwaną D, w drugim formę L.

Odnosząc się do powyższego oznaczenia wszystkie cukry

przyporządkowano do szeregu D lub L. Za podstawę kwalifikacji uznano

najbardziej oddalony od grupy aldehydowej lub ketonowej asymetryczny atom

węgla. Jeśli grupa OH jest po stronie prawej cukier należy do szeregu D, jeśli po

stronie lewej do szeregu L. Jak łatwo policzyć istnieją cztery aldozy w szeregu D

z pięcioma węglami w łańcuchu i osiem aldoz w szeregu D z sześcioma węglami

w łańcuchu. Znajomość struktury cukrów zawdzięczamy badaniom Emila

Fischera (Fischer, 1902). Z niewieloma wyjątkami, cukry występujące w żywych

Węglowodany i ich metabolizm

129

organizmach należą do szeregu D. W wielu przypadkach istotna trudność w

rozumieniu reakcji chemicznych wynika z zapisywaniu wzorów na kartce

papieru, co sugeruje, że związki chemiczne są płaskie. Według takiego zapisu

grupa aldehydowa w aldozie jest oddalona od grupy hydroksylowej znajdującej

się przy czwartym lub piątym węglu. W rzeczywistości grupy te znajdują się w

bliskim sąsiedztwie grupy aldehydowej. Umożliwia to reakcję pomiędzy grupą

aldehydową i hydroksylową, co prowadzi do powstania semiacetalu.

Ryc. 1. Reakcja grupy aldehydowej z alkoholowej; powstawanie semiacetalu i formy

pierścieniowej glukozy

Węgiel pierwszy łączy się z węglem czwartym lub piątym poprzez tlen,

powstaje związek cykliczny, który przez analogię do furanu lub piranu

nazywamy furanozą lub piranozą. Węgiel aldehydowy jest po tej reakcji

połączony z czterema różnymi podstawnikami, a więc staje się węglem

asymetrycznym.

130

Andrzej Dżugaj

Ryc. 2. Dwie formy α i β glukopiranozy

Możliwe są dwie formy optycznie czynne takiego związku, nazwane formą

alfa i beta. Grupa OH semiacetalu jest grupą reaktywną reagującą z innymi

grupami hydroksylowymi tworząc wiązanie glikozydowe. Reaktywna grupa

semiacetalu reaguje też z grupami aminowymi i iminowymi tworząc wiązanie

N-glikozydowe. Dzięki tym właściwościom semiacteli możliwe jest tworzenie

dwucukrów i wielocukrów. Równie ważne jest tworzenie wiązań

N-glikozydowych występujących w kwasach nukleinowych. Analogicznie jak

semiacetal tworzy się semiketal wykazując podobną do semiacetalu reaktywność.

Zdolność cukrów do tworzenia zarówno dwucukrów jak i wielocukrów stanowi

niezwykle istotną właściwość w funkcjonowaniu żywych organizmów.

Występowanie w cukrach asymetrycznego węgla determinuje stereospecyficzność

w reakcjach biochemicznych, jak również rozpoznawanie oddziaływań ligand-

białko. W procesie powstawania życia na ziemi obok aminokwasów, zasad

purynowych i pirymidynowych również cukry były tymi niezbędnymi elementami,

bez których życie nie byłoby możliwe. Podstawową jednostką węglowodanów jest

glukoza, która w czystej postaci została wyizolowana z rodzynek w połowie

osiemnastego stulecia.

Węglowodany i ich metabolizm

131

Ryc. 3. Wzory cukrów

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: