Pobierz Metabolizm węglowodanów - Utlenianie glukozy w warunkach tlenowych z udziałem drożdży i więcej Ćwiczenia w PDF z Transport tylko na Docsity!
Ćwiczenie nr 6
Metabolizm węglowodanów – utlenianie glukozy w warunkach tlenowych z
udziałem drożdży
Celem ćwiczenia jest: utlenianie glukozy w warunkach tlenowych i beztlenowych, przy udziale enzymów komórek drożdży. badanie przemian glukozy w obecności związków hamujących różne etapy glikolizy lub mitochondrialnego transportu elektronów. ilościowe oznaczenie glukozy metodą Somogyi-Nelsona Wstęp teoretyczny W komórkach wszystkich tkanek i narządów glukoza ulega fosforylacji do glukozo- 6 - fosforanu pod wpływem izoenzymów heksokinazy, kosztem energii ATP. Szybkość estryfikacji glukozy w komórkach jest w przybliżeniu tego samego lub podobnego rzędu co szybkość transportu nośnikowego, stąd praktycznie w obrębie komórek wolna glukoza nie występuje. Ufosforylowana glukoza nie przechodzi przez błonę cytoplazmatyczną poza komórkę, a powstający glukozo- 6 - fosforan jest bezpośrednim bądź pośrednim substratem w różnych torach metabolicznych przemiany węglowodanowej. Jego losy są zależne od okresów w ciągu doby (poposiłkowych i międzytrawiennych) oraz od specyfiki funkcjonalnej danej tkanki. Niektóre tory metaboliczne przemiany węglowodanowej przebiegają w komórkach wszystkich tkanek i narządów, chociaż z różną szybkością, zaś inne tylko w określonych tkankach. Stąd zużycie glukozy jest różne w poszczególnych tkankach. Glikoliza oraz tor pentozofosforanowy, dwa podstawowe kataboliczne tory przemiany węglowodanowej zachodzą w komórkach wszystkich tkanek i narządów. Podobnie jest z glikozylacją, prowadzącą do wytworzenia glikoprotein, jak również z syntezą glikozaminoglikanów, a następnie proteoglikanów. Z kolei synteza glikogenu (glikogenogeneza), a także degradacja tego związku (glikogenoliza) zachodzą tylko w wątrobie i w mięśniach. Natomiast synteza glukozy (glukoneogeneza) z metabolitów niecukrowych, (kwas mlekowy, glicerol i aminokwasy cukrotwórcze), ma miejsce w wątrobie oraz w korze nerek. Ponadto w wątrobie glukoza powstaje także z nadmiaru przyjętych z pożywieniem innych heksoz (fruktoza i galaktoza oraz mannoza). Prawidłowe stężenie glukozy we krwi zależy z jednej strony od szybkości uwalniania tego cukrowca przez wątrobę lub jelito (dostarczanie do krwi), zaś z drugiej strony od szybkości pobierania go przez pozostałe tkanki (usuwanie z krwi). Należy podkreślić, że magazynowanie glukozy w formie glikogenu w wątrobie jest konieczne dla dostarczania jej do innych tkanek, które nie mogą magazynować tego cukrowca. Jest to szczególnie istotne w przypadku tych tkanek, w których glukoza jest podstawowym substratem energetycznym,
np. dla mózgu. W ciągu całej doby nośniki GLUT-1 i GLUT-3 zapewniają dopływ glukozy do komórek mózgu, w których głównym torem przemiany węglowodanowej jest glikoliza. Pirogronian, końcowy produkt glikolizy, przedostaje się z cytoplazmy do mitochondriów, gdzie ulega karboksylacji do szczawiooctanu oraz dekarboksylacji tlenowej do acetylo~CoA. Pierwsza z tych reakcji zachodzi pod wpływem karboksylazy pirogronianu, a druga przy udziale kompleksu multienzymatycznego dehydrogenazy pirogronianowej. Następnie kondensacja acetylo~CoA ze szczawiooctanem przy udziale syntetazy cytrynianowej (ze zużyciem ATP) prowadzi do wytworzenia cytrynianu. Zapewnia to prawidłową szybkość cyklu Krebsa, w trakcie którego powstają dwie cząsteczki dwutlenku węgla i trzy cząsteczki zredukowanego dinukleotydu nikotynamidoadeninowego NADH+H+, które są bezpośrednio utleniane w łańcuchu oddechowym. Redukcja pośredników łańcucha oddechowego, zaś w końcowym efekcie tlenu powoduje powstawanie cząsteczek wody. Równolegle do łańcucha oddechowego zachodzi fosforylacja tlenowa, czyli wytwarzanie ATP z ADP i fosforanu nieorganicznego. W tkance mózgowej ponad 70% wytworzonego ATP (na drodze fosforylacji substratowej i tlenowej) jest wykorzystywane na utrzymanie potencjału błonowego. Prawidłowy przebieg glikolizy, cyklu Krebsa i łańcucha oddechowego jest więc szczególnie uzależniony od dopływu substratu, jakim jest glukoza, a także od dopływu tlenu. W ciągu doby mózg zużywa średnio 120 g glukozy. Natomiast z 16–20 moli tlenu przyjmowanych w ciągu tego samego okresu, aż 25% jest właśnie wykorzystywane przez mózg (o wadze około 1,2 kg). W mózgu cykl Krebsa jest także istotny dla utrzymania odpowiedniego stężenia związków pośrednich jak, na przykład kwasu -ketoglutarowego, uczestniczącego w wiązaniu toksycznych jonów amonowych. W ciągu całej doby glukoza jest również podstawowym substratem energetycznym dla erytrocytów. Jest ona transportowana przy udziale nośnika GLUT-1. Erytrocyty są komórkami o ograniczonym zapotrzebowaniu energetycznym, bo nie zawierają ani jądra i mitochondriów, ani lizosomów i aparatu Golgiego. Cząsteczki ATP, powstające w tych komórkach podczas fosforylacji substratowej, zachodzącej w trakcie glikolizy, są zużywane głównie na utrzymanie gradientu stężeń elektrolitów i potencjału spoczynkowego błony. Powstający jako produkt glikolizy pirogronian musi być więc redukowany do mleczanu, który jest usuwany do krwi na drodze dyfuzji niejonowej, bądź transportem nośnikowym na zasadzie synportu (anion mleczanowy i jon H+). Mleczan przedostaje się do wątroby, gdzie jest wykorzystywany do syntezy glukozy. Przechodzenie mleczanu z erytrocytów do wątroby, a następnie uwalnianie wytworzonej glukozy, z powrotem do krwi zwane jest cyklem Corich. Do odrębności metabolicznych w zakresie glikolizy w erytrocytach należy także zdolność przekształcania 1,3-difosfoglicerynianu w 2,3-difosfoglicerynian, z równoczesnym ominięciem pierwszej reakcji fosforylacji substratowej. Związek ten zmniejszając powinowactwo hemoglobiny do tlenu, ułatwia dysocjację oksyhemoglobiny na hemoglobinę i tlen. Ponieważ reakcja ta musi zachodzić dostatecznie szybko, stężenie 2,3 difosfoglicerynianu w erytrocytach jest tego samego rzędu, co stężenie hemoglobiny. W erytrocytach część glukozy jest też zużywana w torze pentozofosforanowym, przy czym szczególnie ważny jest oksydacyjny, nieodwracalny pierwszy etap tego toru, w trakcie którego następuje redukcja dinukleotydu NADP do NADPH +H+. Zredukowany dinukleotyd NADPH +H+^ jest niezbędny do redukcji glutationu w reakcji katalizowanej przez reduktazę glutationową. Z kolei zredukowany glutation przy współudziale seleno-zależnej peroksydazy glutationu uczestniczy w usuwaniu nadtlenku wodoru. Należy pamiętać, że nadtlenek wodoru ułatwia utlenianie
może być metabolizowane na tej drodze. Powstające kwasy tłuszczowe są bezpośrednio zużywane do wytwarzania triacylogliceroli (TG). Część cholesterolu jest natomiast estryfikowana do jego estrów, zaś pozostała część zużywana do wytwarzania kwasów żółciowych. Zarówno TG, jak i cholesterol oraz jego estry, jako związki nierozpuszczalne w wodzie są wiązane we frakcji lipoproteinowej VLDL, usuwanej z wątroby do krwi bezpośrednio po jej wytworzeniu. Ponadto po posiłkach nasila się utlenianie aktywnej glukozy (UDPG) do UDP-glukuronianu. Związek ten w wątrobie jest zużywany w reakcjach sprzęgania z substancjami nierozpuszczalnymi w wodzie. Powstają wtedy glukuronidy z niektórymi substancjami endogennymi, takimi jak bilirubina i hormony steroidowe, a także ze związkami egzogennymi, przyjmowanymi na przykład z pokarmem, jak również z niektórymi lekami. Jednak UDP-glukuronian jest przede wszystkim zużywany do syntezy glikozaminoglikanów, a następnie proteoglikanów. Główną funkcją wątroby w okresach międzytrawiennych w zakresie przemiany węglowodanowej jest dostarczanie glukozy do krwi. Zachodzi więc wtedy degradacja, nagromadzonego w okresach poposiłkowych glikogenu. W mięśniach, podobnie jak w wątrobie, nasilenie torów przemiany węglowodanowej, jest zależne od okresów w ciągu doby (poposiłkowych i międzytrawiennych). Po posiłkach insulina oprócz pozytywnego wpływu na nośnik GLUT-4, od czego jest uzależniona szybkość pobierania glukozy, zwiększa także aktywność heksokinazy-I. W mięśniach glukoza jest zużywana przede wszystkim do regeneracji zapasu glikogenu. W pierwszym etapie powstały glukozo- 6 - fosforan jest zamieniany w glukozo- 1 - fosforan, a ten ostatni w UDPG, substrat zużywany w trakcie syntezy glikogenu. Zawartość glikogenu w mięśniach, po uzupełnieniu zapasu, nawet po posiłkach nie przekracza 1–2% masy mokrej tkanki. Część glukozo- 6 - fosforanu jest wtedy również wykorzystywana do wytwarzania innych monosacharydów, heksozoamin, kwasów sjalowych i kwasów uronowych oraz ich pochodnych, zużywanych w glikozylacji białek, a także w syntezie glikozaminoglikanów, a następnie proteoglikanów. Nadmiar niewykorzystanej glukozy, może być wtedy materiałem energetycznym dla mięśni, przy czym stopień nasilenia glikolizy zależy pośrednio od ilości węglowodanów w pożywieniu. Powstający w trakcie glikolizy pirogronian, po przedostaniu się z cytoplazmy do mitochondriów, w mięśniach ulega głównie karboksylacji do szczawiooctanu. Acetylo~CoA jest bowiem wytwarzany z kwasów tłuszczowych w trakcie -oksydacji. Kwasy tłuszczowe stanowią podstawowy materiał energetyczny dla tej tkanki, stąd w ciągu całej doby w mięśniach jest wystarczająca ilość acetylo~CoA. Pirogronian może być też zużywany do wytwarzania alaniny, która przedostaje się do krwi, a następnie do wątroby (cykl alaninowy). W okresach międzytrawiennych pobieranie glukozy przez mięśnie jest ograniczone. Podobnie jak w wątrobie, zachodzi wtedy degradacja glikogenu na drodze glikogenolizy. Powstający glukozo- 1 - fosforan jest przekształcany w glukozo- 6 - fosforan. Ze względu na brak w mięśniach fosfatazy glukozo- 6 - fosforanu, związek ten jest zużywany przede wszystkim w glikolizie. W trakcie degradacji jednej cząsteczki glukozo- 6 - fosforanu powstają dwie cząsteczki ATP na drodze fosforylacji substratowej (wytwarzanie ATP kosztem innych związków wysokoenergetycznych, jak kwas 1,3 difosfoglicerynowy oraz 2-fosfoenolopirogronian, a także bursztynylo~CoA) i zachodzi w cytoplazmie oraz w mitochondriach. Zaś fosforylacja tlenowa przebiega w mitochondriach i prowadzi do wytwarzania ATP z ADP i fosforanu nieorganicznego, kosztem energii uzyskiwanej w trakcie transportu elektronów w łańcuchu oddechowym. W mięśniach szybkość glikolizy musi być jednak zawsze wystarczająca do wytwarzania takiej ilości pirogronianu, a następnie szczawiooctanu, która zapewniałaby
prawidłową szybkość cyklu Krebsa. Acetylo~CoA powstaje wtedy w trakcie degradacji kwasów tłuszczowych (–oksydacja). Ponadto znacznie większa ilość pirogronianu jest przekształcana do alaniny w okresach międzytrawiennych niż po posiłkach. W mięśniach, zależnie od potrzeb zmienia się szybkość glikolizy. Przyjmuje się, że w spoczynku mięśnie zużywają tylko około 30% tlenu pobieranego przez organizm. Stąd przy nadmiernym wysiłku, w trakcie którego dochodzi do niedotlenienia mięśni, zwiększa się szybkość glikogenolizy, a następnie glikolizy. Zużycie glukozy jest więc większe niż w stanie spoczynku. Mięśnie są wyjątkowa tkanką, w której szybkość fosforylacji substratowej może być wystarczająca do uzyskania potrzebnej ilości ATP, ale tylko przez krótki okres czasu. W tych warunkach zasadniczym problemem jest reoksydacja zredukowanego dinukleotydu NADH+H+. Redukcja NAD zachodzi podczas utleniania aldehydu 3-fosfoglicerynowego do 1,3- difosfoglicerynianu, przy współudziale dehydrogenazy aldehydu 3-fosfoglicerynowego. W warunkach ograniczonego dostępu tlenu taka reoksydacja zachodzi w cytoplazmie, a nie w mitochondriach. Dla odtworzenia utlenionej formy koenzymu NAD+^ pirogronian jest redukowany do mleczanu. Enzymem katalizującym tę reakcję jest dehydrogenaza mleczanowa współdziałająca z NADH+H+. Reakcja ta zapewnia więc regenerację dinukleotydu NAD+, na skutek czego glikoliza może zachodzić nawet przy bardzo ograniczonym dostępie tlenu. Nadmiar mleczanu jest usuwany do krwi na drodze dyfuzji niejonowej bądź transportem nośnikowym na zasadzie synportu. Istotne jest usunięcie jonów H+^ poza komórkę, bowiem wtedy następuje dalsze nasilenie glikolizy. Z krwi mleczan przedostaje się do wątroby, gdzie jest wykorzystywany do syntezy glukozy. Przechodzenie mleczanu z mięśni do wątroby, a następnie jego przekształcanie w glukozę, która poprzez krew może ponownie ,,wędrować” do mięśni nazywane cyklem Corich, zachodzi przy niedotlenieniu. Tak więc podczas wysiłku poziom glukozy we krwi, konieczny do funkcjonowania mózgu, ale także mięśni szkieletowych, jest podtrzymywany na skutek nasilenia glukoneogenezy przebiegającej w wątrobie. Substratem wykorzystywanym wtedy w dużym stopniu jest mleczan wytwarzany w mięśniach. Tkanka tłuszczowa jest najbardziej wrażliwa na działanie insuliny, stąd po posiłku glukoza bardzo szybko przedostaje się do adipocytów przy udziale nośnika GLUT-4. Proporcjonalnie do ilości pobranej glukozy, nasila się wtedy szybkość glikolizy. Powstający fosfodihydroksyaceton ulega redukcji do fosfoglicerolu pod wpływem dehydrogenazy fosfoglicerolu działającej z dinukleotydem NAD+. Fosfoglicerol jest zużywany wraz z napływającymi kwasami tłuszczowymi do syntezy triacylogliceroli (TG), które są następnie magazynowane w adipocytach, jako rezerwa energetyczna ustroju. Gdy napływ glukozy do adipocytów jest zbyt duży, a ilość ATP wystarczająca, pirogronian ulega redukcji do mleczanu, który jest następnie usuwany do krwi. Podobnie jak w pozostałych tkankach pewna ilość glukozy jest przekształcana do innych monosacharydów, heksozoamin, kwasów sjalowych i kwasów uronowych oraz ich pochodnych, zużywanych w glikozylacji białek oraz do syntezy glikozaminoglikanów, a następnie proteoglikanów. W tkance tłuszczowej tor pentozofosforanowy zachodzi wolno i to głównie nieoksydacyjny, odwracalny etap tego toru. W okresach międzytrawiennych transport glukozy do komórek insulinozależnej tkanki tłuszczowej jest w bardzo znacznym stopniu zahamowany, co ogranicza szybkość glikolizy, podobnie jak inne tory przemiany węglowodanowej. Glukoza, jako substancja dobrze rozpuszczalna w wodzie jest łatwo transportowana w osoczu krwi. Jednak jej przechodzenie do komórek jest już uwarunkowane sprawnością nośników glukozowych. Po przedostaniu się do komórek glukoza wchodzi w tory
Donorem atomów wodoru jest zredukowany dinukleotyd NADH+H+, powstający podczas utlenienia aldehydu 3 - fosfofoglicerolowego do kwasu 1,3-difosfoglicerolowego. Redukcja aldehydu octowego do etanolu umożliwia regenerację NAD+, zaś w konsekwencji powoduje nasilenie fermentacji etanolowej w warunkach ograniczonego dostępu tlenu. ATP powstaje wtedy na drodze fosforylacji substratowej. Są także drobnoustroje w których może zachodzić fermentacja mleczanowa. Wtedy regeneracja NAD+^ następuje w trakcie redukcji pirogronianu do mleczanu pod wpływem dehydrogenazy mleczanowej współdziałającej z dinukleotydem NADH+H+, jako dawcą wodorów. Ponadto u jeszcze innych drobnoustrojów występują różne modyfikacje fermentacji lub zupełnie odrębne procesy, których celem jest regeneracja powstającego w glikolizie zredukowanego dinukleotydu NADH+H+^ do NAD+. Jak się podaje, wśród końcowych produktów tych reakcji mogą być takie metabolity, jak propionian, jabłczan, maślan, octan lub mrówczan. Procesy te, zachodzące przy ograniczonym dostępie tlenu, stanowią pewien rodzaj przystosowania bakterii do wytwarzania energii metabolicznej na drodze fosforylacji substratowej. Schemat przebiegu różnego typu fermentacji
- przy ocenie przebiegu fermentacji alkoholowej jako źródło enzymów stosuje się zawiesinę drożdży (też ekstrakt bezkomórkowy drożdży, powstały przez autolizę – liza komórek spowodowana w odpowiednich warunkach ich własnymi enzymami hydrolitycznymi),
- przeprowadza się wtedy inkubację drożdży z glukozą jako podstawowym substratem, a także często z galaktozą jako cukrowcem kontrolnym, a wreszcie z mieszaniną obydwóch tych cukrowców
- oznaczenie wykonuje się w warunkach tlenowych lub w warunkach ograniczonego dopływu tlenu, w rurkach Thunberga,
- przeprowadza się też inkubację z użyciem inhibitorów enzymów biorących udział w degradacji glukozy:. Są nimi
- jodooctan – związek hamujący aktywność dehydrogenazy aldehydu 3-fosfoglicerynowego, przez kowalencyjne połączenie z grupami – SH istotnymi dla funkcji katalitycznej enzymu
- fluorek - związek hamujący aktywność enolazy (tworzy w miejscu aktywnym w obecności P kompleks z jonami magnezu, inaktywując w ten sposób enzym)
- azydek – związek hamujący kompleks oksydazy cytochromowej w łańcuchu oddechowym, co ogranicza zużycie glukozy w warunkach tlenowych
- przebieg fermentacji alkoholowej można śledzić na podstawie zużycia glukozy, oznaczając jej stężenie w próbkach po zakończonej inkubacji metodą redukcyjną Somogyi-Nelsona.
Do wszystkich próbówek II zestawu (czyli 1 - 8) dodaj i wymieszaj po 1 ml 5% roztworu ZnSO 4.
Odwiruj wszystkie próbówki II zestawu (10 min, 600 rcf). Procedura oznaczenie glukozy metodą Somogyi-Nelsona
Przygotuj 10 dużych próbówek (III zestaw ), ponumeruj je od 1- 8 oraz dodatkowo „0” , „W”
Następnie przygotuj ich zawartość zgodnie z tabelą i wymieszaj: Supernatant z II zestawu [ml] Woda destylowana [ml] 10 mM glukoza [ml] Odczynnik miedziowy [ml] Próbówki 1- 8 0.2 - - 0. „0” - 0.4 - 0. „W” - - 0.2 0.
Ogrzewaj wszystkie probówki we wrzącej łaźni wodnej przez 10 min, a następnie ostrożnie oziębij je pod bieżącą wodą.
Dodaj odczynnik fosfomolibdenowy i uzupełnij zawartość probówek wodą destylowaną z godnie z tabelą i wymieszaj: Odczynnik fosfomolibdenowy [ml] Woda destylowana [ml] Próbówki 1- 8 0.2 4 „0” 0.4 6 „W” 0.2 4
Po dokładnym wymieszaniu zmierz absorbancję przy λ=660nm wobec próby ślepej („0”). Absorbancja dla próby ”W” powinna być około 3-krotnie wyższa niż dla prób kontrolnych z glukozą.
