متابولیسم کربوهیدرات ها در بیوشیمی چیست؟ – به زبان ساده

روزانه مقدار زیادی کربوهیدرات از رژیم غذایی وارد بدن ما شده و صرف تامین انرژی برای فعالیت‌های مختلف می‌شود. کربوهیدرات‌های پیچیده قبل از ورود به سلول‌ها به‌وسیله آنزیم‌های لوله گوارش به قندهای ساده تبدیل می‌شود. گالاکتوز، گلوکز و فروکتوز سه قند نهایی است که وارد سلول‌های روده می‌شد. جریان خون این قندها را از روده به کبد منتقل می‌کند. گلوکز در کبد به‌وسیله آنزیم‌های مسیر گلیکولیز به پیرووات و ATP تبدیل می‌شود. در ادامه پیرووات در یک واکنش اکسایش-کاهش به استیل کوآ تبدیل و وارد چرخه سیتریک‌اسید می‌شود. استیل کوآ در این چرخه با اوگزالواستات واکنش داده و سیترات تشکیل می‌شود. سیترات پس از چند مرحله واکنش به اگزالواستات تبدیل شده و چرخه ادامه پیدا می‌کند. NADH و FADH2 تشکیل شده در این چرخه در زنجیره انتقال الکترون به سنتز ATP کمک می‌کند. زنجیره انتقال الکترون مجموعه‌ای از آنزیم‌های پروتئینی و ناقل‌های غشای داخلی میتوکندری است که از انرژی الکترون‌ها برای انتقال هیدروژن استفاده می‌کند. اکسيژن آخرین پذیرنده الکترون در این زنجیره است که به مولکول آب کاهش می‌یابد. در این مطلب از مجله فرادرس متابولیسم کربوهیدرات ها در مسیرهای بیوشیمیایی مختلف را توضیح می‌دهیم.

متابولیسم کربوهیدرات ها در بیوشیمی

کربوهیدرات‌ها ترکیبات آلی هستند که از سه اتم کربن، اکسیژن و هیدروژن تشکیل شده‌اند و با ساختار تک‌زیرواحدی (مونوساکارید)، دوزیرواحدی (دی‌ساکارید) و چند زیرواحدی (پلی‌ساکارید) در طبیعت وجود دارد. بدن انسان توانایی جذب دی‌ساکاریدها و پلی‌ساکاریدها را ندارد. به همین دلیل این ترکیبات قبل از جذب در سلول‌های روده به‌وسیله آنزیم‌های آمیلاز بزاق و پانکراس به مونوساکارید تجزیه می‌شود. گلوکز، گالاکتوز و فروکتوز مونوساکاریدهایی هستند که از سلول‌های دیواره روده وارد جریان خون شده و به اندام‌های مختلف منتقل می‌شوند. گالاکتوز ابتدا به گلوکز تبدیل و سپس وارد واکنش‌های بیوشیمیایی تولید ATP می‌شود.

سلول‌ها برای تامین انرژی مورد نیاز خود، گلوکز را در مسیر گلیکولیز به پیرووات تبدیل می‌کنند. اگر اکسیژن کافی در سلول وجود داشته باشد، پیرووات وارد مسیر تنفس سلولی و در نبود اکسیژن وارد مسیر بی‌هوازی می‌شود. تعداد ATP سنتز شده در تنفس هوازی بیشتر از مسیر بی‌هوازی است. علاوه بر کربوهیدرات دریافتی از رژیم غذایی، بخشی از گلوکز در واکنش‌های گلوکونئوژنز از لیپیدها و آمینواسیدها تولید می‌شود. کربوهیدرات اضافه بدن پس از تبدیل شدن به گلوکز به شکل پلی‌ساکارید گلیکوژن، در سلول‌های ماهیچه‌ای و کبد ذخیره می‌شود. در ادامه این مطلب مسیرهای تجزیه و سنتز کربوهیدرات را به همراه مکانیسم‌های تنظیمی آن توضیح می‌دهیم.

گلیکولیز

گلیکولیز مسیر اصلی متابولیسم کربوهیدرات ها و مجموعه‌ای از واکنش‌های آنزیمی است که از انرژی پیوندهای گلوکز برای تبدیل ADP به ATP استفاده می‌کنند. در این فرایند چندمرحله‌ای از هر مولکول گلوکز ۶ کربنه به دو مولکول پیرووات سه‌کربنه، ۲ مولکول NADH و ۴ مولکول ATP تولید می‌شود. با در نظر گرفتن دو ATP مصرف شده در مراحل اولیه این مسیر، در پایان گلیکولیز ۲ ATP به ذخیره سلولی اضافه می‌شود. پیرووات تولید شده در گلیکولیز وارد یکی از مسیرهای چرخه کربس، تنفس بی‌هوازی (در فعالیت شدید عضلات اسکلتی و گلبول قرمز) یا گلوکونئوژنز خواهد شد.

• در مرحله اول گلوکز به‌وسیله آنزیم هگزوکیناز و با مصرف ATP به گلوکز ۶-فسفات تبدیل می‌شود.
• در مرحله دوم فروکتوکیناز، گلوکز ۶-فسفات را به فروکتوز ۱،۶-بیس فسفات تبدیل می‌کند. فسفات مورد نیاز این واکنش از تبدیل ATP به ADP تامین می‌شود.
• در مرحله سوم فروکتوز ۱،۶-بیس فسفات به‌وسیله آنزیم آلدولاز به ترکیب سه‌کربنه گلیسرآلدهید ۳-فسفات و دی‌هیدروکسی استون فسفات تجزیه می‌شود. سپس آنزیم تری‌فسفات ایزومراز دی‌هیدروکسی استون فسفات را به گلیسرآلدهید ۳-فسفات تغییر می‌دهد.

فیلم متابولیسم چیست؟ انواع و نقش آن در بدن (فیلم آموزش رایگان) در فرادرس

کلیک کنید

• در مرحله چهارم آنزیم دهیدروژناز با اضافه کردن فسفات معدنی، مولکول‌های گلیسرآلدهید ۳-فسفات را به ۱،۳-بیس فسفوگلیسرات تبدیل می‌کند. در این واکنش کوآنزیم $$NAD^+$$ با دریافت الکترون و هیدروژن به NADH تبدیل می‌شود.
• در مرحله پنجم آنزیم فسفوگلیسرات کیناز با انتقال یک گروه فسفات از هر ۱،۳-بیس فسفوگلیسرات به ADP، دو مولکول ATP و ۳-فسفوگلیسرات تولید می‌کند.
• در مرحله ششم ۳-فسفوگلیسرات ابتدا به‌وسیله آنزیم موتاز به ۲-فسفوگلیسرات و سپس به‌وسیله آنزیم اندولاز ۲-فسفوگلیسرات به فسفوانول پیروات تبدیل می‌شود.
• در مرحله آخر پیروات کیناز با انتقال فسفات از فسفوانول پیروات به ADP، دو مولکول پیروات و دو مولکول ATP تولید می‌کند.

چرخه کربس

پیرووات برای ورود به چرخه کربس از سیتوپلاسم وارد میتوکندری می‌شود. در ماتریکس داخلی میتوکندری آنزیم پیرووات دهیدروژناز با انتقال الکترون از پیروات به $$NAD^+$$ این مولکول را به استیل کوآ و کربن‌دی‌اکسید تبدیل می‌کند. در ادامه استیل کوآ به‌وسیله آنزیم سیترات سنتتاز با مولکول چهارکربنه اگزالواستات در چرخه کربس ترکیب و کوآنزیم A آزاد می‌شود. سیترات حاصل از این واکنش وارد مراحل بعدی چرخه خواهد شد.

در مرحله بعدی سیترات به‌وسیله آنزیم آکونیتاز به ایزوسیترات و ایزوسیترات به‌وسیله آنزیم ایزوسیترات دهیدروژناز با آزاد شدن یک مولکول کربن دی‌اکسید به آلفا-کتوگلوتارات تبدیل می‌شود. در ادامه آلفاکتوگلوتارات به‌وسیله آنزیم دهیدروژناز به سوکسینیل کوآ تبدیل خواهد شد. در این واکنش یک مولکول دی‌اکسید کربن از آلفا کتوگلوتارات جدا شده و $$NAD^+$$ به NADH تبدیل می‌شود. در مرحله بعد آنزیم سوکسینیل کوآ دهیدروژناز با تبدیل GDP به GTP و جدا کردن کوآنزیم A، سوکسینیل کوآ را به سوکسینات تبدیل می‌کند. در ادامه سوکسینات به‌وسیله آنزیم دهیدروژناز و تولید FADH2 به فومارات، فومارات به‌وسیله آنزیم فوماراز به مالات و مالات به‌وسیله آنزیم دهیدروژناز و تولید NADH به اگزالواستات تبدیل می‌شود. اگزالواستات با استیل کوآ ترکیب و چرخه بعدی شروع می‌شود. در هر چرخه کربس ۲ مولکول NADH، یک مولکول FADH2 و یک GTP تولید می‌شود.

زنجیره انتقال الکترون

زنجیره انتقال الکترون مجموعه‌ای از چهار کمپلکس پروتئینی (I-IV) و دو کوآنزیم (یوبی‌کوئینون و سیتوکروم c) در غشای داخلی میتوکندری است. کمپلکس I و II آنزیم‌های دهیدروژنازی هستند که الکترون مولکول‌های NADH و FADH2 را دریافت می‌کنند. کمپلکس II آنزیم سوکسینات دهیدروژناز چرخه سیتریک‌اسید است که در نیمه ماتریکسی غشای داخلی میتوکندری قرار دارد. الکترون NADH از کمپلکس I و الکترون FADH2 از کمپلکس II به یوبی‌کوئینون منتقل می‌شود. در ادامه الکترون‌ها از یوبی‌کوئینون به کمپلکس II، سیتوکروم c، کمپلکس IV و در نهایت به اتم اکسیژن منتقل می‌شود. اکسیژن پس از دریافت الکترون با پروتون‌های ماتریکس ترکیب و مولکول آب تولید می‌شود. به این ترتیب در هر زنجیره انتقال الکترون از هر NADH و FADH2 دو مولکول آب تولید خواهد شد.

کمپلکس‌های I، III و IV این مجموعه پمپ پروتونی هستند که از انرژی الکترون برای انتقال پروتون (برخلاف شیب غلظت) از ماتریکس به فضای بین غشایی میتوکندری استفاده می‌کنند. ATP سنتتاز پروتئین دیگر غشای داخلی میتوکندری است که پروتون‌ها را در جهت شیب غلظت از فضای بین دو غشا وارد ماتریکس کرده و از انرژی الکتروشیمیایی آن برای اتصال فسفات معدنی به ADP و تولید ATP استفاده می‌کند. در این زنجیره از اکسایش هر NADH سه و از اکسایش هر FADH2 دو مولکول ATP تولید می‌شود. در نتیجه در انتهای مسیر هوازی تنفس سلولی از هر مولکول گلوکز ۳۶ مولکول ATP تولید خواهد شد.

مسیر بی‌هوازی

در نبود اکسیژن پیرووات در بیشتر سلول‌ها وارد فرایند تنفس بی‌هوازی شده و به‌وسیله آنزیم لاکتات دهیدروژناز به لاکتات تبدیل و NADH به $$NAD^+$$ اکسید می‌شود. تنفس بی‌هوازی سلول با کاهش غلظت پیرووات و تولید $$NAD^+$$ به ادامه یافتن گلیکولیز کمک می‌کند. لاکتات به‌وسیله جریان خون به کبد منتقل و به پیرووات یا گلوکز تبدیل می‌شود.

گلوکونئوژنز

در بخش‌های قبلی این مطلب از مجله فرادس مسیرهای تجزیه کربوهیدرات‌ها را توضیح دادیم. اما گلوکونئوژنز یکی از مسیرهای سنتزی در متابولیسم کربوهیدرات ها است. گلوکز منبع اصلی انرژی در نورون‌های مغز، بیضه‌ها، گلبول‌های قرمز و مدولای کلیه است. به همین دلیل در نبود گلوکز بدن از ترکیبات آلی دیگر ازجمله پیرووات، لاکتات، گلیسرول و آمینواسید‌های آلانین یا گلوتامین برای سنتز گلوکز در فرایند گلوکونئوژنز استفاده می‌کند. گلوکونئوژنز در میتوکندری یا سیتوپلاسم سلول‌های کبدی و کلیه انجام می‌شود. پیرووات پیش‌ساز اصلی گلوکز در این سلول‌ها است. برای تولید گلوکز، ابتدا آنزیم پیرووات دکربوکسیلاز با مصرف ATP و کمک کوآنزیم بیوتین به اوگزالواستات تبدیل می‌کند. در غشای میتوکندری پروتئینی برای انتقال اوگزالواستات به سیتوپلاسم وجود ندارد. به همین دلیل اوگزالواستات به‌وسیله مالات دهیدروژناز به مالات تبدیل و از میتوکندری خارج می‌شود. مالات دهیدروژناز سیتوپلاسم، مالات را دوباره به اگزالواستات تبدیل می‌کند و واکنش‌ها در سیتوپلاسم ادامه می‌یابد.

فیلم آموزش بیوشیمی کربوهیدرات و لیپید

کلیک کنید

• در مرحله بعد آنزیم فسفوانول پیرووات با مصرف یک GTP و کوآنزیم منیزیم، کربوکسیل را جدا کرده و فسفوانول پیرووات تولید می‌شود.
• ۲-فسفوگلیسرات به‌وسیله آنزیم انولاز و با اضافه شدن مولکول آب به فسفوانول پیرووات تولید می‌شود.
• در مرحله بعد آنزیم موتاز ساختار ۲-فسفوگلیسرات را به ۳-فسفوگلیسرات تغییر می‌دهد.
• در ادامه ۳-فسفوگلیسرات به‌وسیله آنزیم فسفوگلیسرات کیناز و با دریافت فسفات از ATP به ۱،۳-بیس فسفوگلیسرات تبدیل می‌شود.
• در مرحله بعد ۱،۳-بیس فسفوگلیسرات در یک واکنش اکسایش-کاهش به‌وسیله آنزیم گلیسرآلدهید ۳-فسفات دهیدروژناز و دریافت الکترون از NADH به گلیسرآلدهید ۳-فسفات تبدیل می‌شود.
• آنزیم تریوز فسفات ایزومراز، گلیسرآلدهید ۳-فسفات به دی‌هیدروکسی استون فسفات تغییر می‌دهد.
• در ادامه گلیسرآلدهید ۳-فسفات و دی‌هیدروکسی استون فسفات به‌وسیله آنزیم الدولاز با هم ترکیب شده و فروکتوز ۱،۶-بیس فسفات تولید می‌شود.
• در مرحله بعد آنزیم فروکتوز ۱،۶ بیس فسفاتاز با جدا کردن گروه فسفات، فروکتوز ۱،۶-بیس فسفات را به فروکتوز ۶-فسفات تبدیل می‌کند.
• آنزیم فسفوهگزوایزومراز، فروکتوز ۶-فسفات را به گلوکز ۶ فسفات تغییر می‌دهد.
• در مرحله آخر گلوکز ۶-فسفاتاز با جدا کردن گروه فسفات، گلوکز ۶-فسفات را به گلوکز تبدیل می‌کند.

گلوکونئوژنز سایر ترکیبات آلی

از دآمیناسیون آنالین و گلوتامین مولکول‌های حدواسط چرخه کربکس تولید می‌شود. آلانین آمینوترانسفراز، گروه آمین آلانین را به آلفا گتوگلوتارات منتقل کرده و آلانین به پیرووات تبدیل می‌شود. گلوتامین در دو مرحله به آلفا کتوگلوتارات تبدیل می‌شود. در مرحله اول آنزیم گلوتامیناز، گلوتامین را به گلوتامات و در مرحله دوم آنزیم ترانس آمیناز گلوتامات را به آلفا کتوگلوتارات تبدیل می‌‌کند. افزایش غلظت پیرووات و آلفا کتوگلوتارات در میتوکندری، غلظت مالات در این اندامک را افزایش می‌دهد. مالات از میتوکندری خارج شده و وارد مسیر گلوکونئوژنز می‌شود.

گلیسرول آزاد شده از هیدرولیز تری‌آسیل گلیسرول در سلول‌های چربی، یکی دیگر از منابع تولید گلوکز در بدن است. گلیسرول در سلول‌های کبدی به‌وسیله آنزیم کیناز به کلیسرول ۳-فسفات و گلیسرول ۳-فسفات به‌وسیله آنزیم گلیسرول ۳-فسفات دهیدروژناز به دی‌هیدروکسی استون فسفات (ترکیب حدواسط مشترک بین گلیکولیز و گلوکونئوژنز) تبدیل می‌شود.

مسیر پنتوز فسفات

مسیر پنتوز فسفات یکی از مسیرهای اکسایش گلوکز در سلول‌ها است که بیشتر برای سنتز قندهای پنج‌کربنه ازجمله ریبوز و تولید NADPH انجام می‌شود. در مرحله اکسایشی این مسیر گلوکز ۶-فسفات به‌وسیله آنزیم گلوکز ۶-فسفات دهیدروژناز به ۶-فسفوگلوکولاکتون اکسید شده و NADP به NADPH تبدیل می‌شود. در ادامه آنزیم گلوکونولاکتوناز، ۶-فسفوگلوکولاکتون را به ۶-فسفوگلوکونات هیدرولیز می‌کند. ۶-فسفوگلوکونات پس از یک مرحله اکسیداسیون و دکربوکسیلاسیون به قند پنج‌کربنه ریبلوز ۵-فسفات و NADP به NADPH تبدیل می‌شود. NADPH تولید شده در این مرحله در سنتز اسید چرب، متابولیسم کلسترول، سنتز نوکلئوتید و انتقال‌دهنده‌های عصبی، و ریبلوز ۵-فسفات در سنتز DNA، RNA، NAD، FAD و کوآنزیم A شرکت می‌کند.

تمام واکنش‌های مرحله غیراکسایشی برگشت‌پذیر است. در نتیجه ریبولوز ۵-فسفات بدون نیاز به ترکیبات مرحله اکسایشی نیز سنتز می‌شود. در این مرحله ریبولوز ۵-فسفات به‌وسیله آنزیم ایزومراز به ریبوز ۵-فسفات (آلدهید) و ریبوز ۵-فسفات به‌وسیله آنزیم اپیمراز به زایلوز ۵-فسفات تبدیل می‌شود. آنزیم ترانس‌کتولاز با کمک کوآنزیم تیمین پیروفسفات، ۲ کربن ریبوز ۵-فسفات را به زایلوز ۵-فسفات منتقل می‌کند. در پایان این واکنش گلیسرآلدهید ۳-فسفات (سه‌کربنه) و سودوهپتولوز-۷-فسفات (هفت‌کربنه) سنتز می‌شود. در ادامه مرحله غیراکسایشی پنتوز فسفات آنزیم ترانس آلدولاز سه کربن قند سودوهپتولوز-۷-فسفات را به گلیسرآلدهید ۳-فسفات منتقل می‌کند. در پایان این واکنش فروکتوز ۶-فسفات (شش‌کربنه) و اریتروز ۴-فسفات (چهارکربنه) سنتز می‌شود. در ادامه انتقال دو کربن از زایلوز ۵-فسفات به اریتروز ۴-فسفات به‌وسیله آنزیم ترانس‌کتولاز، گلیسرآلدهید ۳-فسفات و فروکتوز ۶-فسفات تولید می‌شود.

گلیکوژنز و گلیکوژنولیز

گلیکوژن پلیمر ذخیره کربوهیدرات‌ها در بدن انسان است که از واحدهای تکراری آلفا D-گلوکز با پیوند گلیوکوزیدی بین کربن ۱ گلوکز اول و کربن ۴ گلوکز دوم ($$1\rightarrow4$$) تشکیل می‌شود. واکنش‌های آنزیمی سنتز گلیکوژن یا گلیکوژنز در سیتوپلاسم سلول‌های ماهیچه‌ای، کبدی و بافت چربی انجام می‌شود. در مرحله اول گلیکوژنز، گلوکز به فرم فعال UDP-گلوکز و در مراحل بعدی به‌وسیله آنزیم‌ها گلیکوژنین، گلیکوژن سنتتاز و گلیکوزیل ترانسفراز به پلیمر گلیکوژن تبدیل می‌شود.

فیلم آموزش بیوشیمی عمومی – جامع و به زبان ساده

کلیک کنید

• در مرحله اول گلوکز به‌وسیله آنزیم هگزوکیناز و با مصرف ATP به گلوکز ۶-فسفات و گلوکز ۶-فسفات به‌وسیله آنزیم فسفوگلوکوموتاز به گلوکز ۱-فسفات تبدیل می‌شود. در مرحله بعد آنزیم UDP-گلوکز پیروفسفوریلاز، گلوکز پیروفسفات را به UDP-گلوکز و پیروفسفات (PiPi) تبدیل می‌کند.
• در مرحله بعدی آنزیم گلیکوژنین تشکیل پیوند گلیکوزیدی بین UDP-گلوکز را کاتالیز می‌کند. انتهای احیاکننده گلوکز به تیروزین جایگاه فعال این آنزیم متصل و قطعه ۸ زیرواحدی گلیکوژن تشکیل می‌شود.
• در مرحله بعد آنزیم گلیکوژن سنتتاز مولکول‌های UDP-گلوکز را به هیدروکسیل کربن ۴ در انتهای غیراحیاکننده باقی‌مانده قند وصل می‌کند. آنزیم گلیکوسیل ترانسفراز در حین سنتز رشته اصلی، شاخه‌های ۷ زیرواحدی گلوکز را با پیوند گلیکوزیدی $$\alpha1\rightarrow6$$ به پلیمر اضافه می‌کند.

در شرایط کمبود گلوکز آنزیم گلیکوژن فسفوریلاز و فسفوریلاز کیناز زیرواحدهای گلوکز و گلوکز ۱-فسفات را از گلیکوژن ذخیره شده در کبد و ماهیچه جدا می‌کند. آنزیم گلیکوژن فسفوریلاز در سیتوپلاسم زیرواحدهای گلوکز شاخه اصلی را جدا می‌کند. زمانی که آنزیم از شاخه چهار گلوکز فاصله داشت، آنزیم «دیبرانچ گلیکوژن» (Debranching Enzyme) شاخه را با پیوند $$1\rightarrow4$$ به زنجیره دیگر وصل کرده و یک گلوکز در محل شاخه باقی‌می‌ماند که به‌وسیله آنزیم $$\alpha1\rightarrow6$$ گلیکوزیداز هیدرولیز می‌شود.

تنظیم متابولیسم کربوهیدرات ها

تغییر غلظت ترکیبات حدواسط مسیرهای متابولیسمی کربوهیدرات‌ها، تغییر غلظت ATP در سلول و ترشح هورمون‌ها متابولیسم کربوهیدرات ها را با فعال یا غیرفعال کردن آنزیم‌ها تغییر می‌دهد. گلوکاگون، انسولین، اپی‌نفرین، نوراپی‌نفرین و کورتیزول هورمون‌های تنظیم‌کننده متابولیسم کربوهیدرات ها هستند.

تنظیم متابولیسم گلیکوژن

فعالیت آنزیم‌های گلیکوژن فسفوریلاز و گلیکوژن سنتتاز به‌وسیله تغییر متابولیت‌های سلول و هورمون‌ها تنظیم می‌شود. افزایش ATP، گلوکز ۶-فسفات و گلوکز (در سلول‌های کبدی) آنزیم گلیکوژن فسفوریلاز را مهار و گلیکوژن سنتتاز را تحریک می‌کند. کاهش گلوکز خون ترشح هورمون‌های گلوکاگون، اپی‌نفرین و نوراپی‌نفرین را افزایش می‌دهد. گلوکاگون به گیرنده غشایی سلول‌های کبدی و ماهیچه‌ای متصل شده و پروتئین Gs را فعال می‌کند. Gs آنزیم آدنیلات سیکلاز غشا را فعال کرده و این آنزیم ATP را به cAMP تبدیل می‌کند. cAMP آنزیم کیناز A را فعال می‌کند. یکی از پروتئین‌های هدف کیناز A، فسفوریلاز کیناز B است. اضافه شدن فسفات به فسفوریلاز کیناز B با فعال شدن این آنزیم، فسفوریلاسیون آنزیم گلیکوژن فسفوریلاز، فعال شدن گلیکوژن فسفوریلاز و افزایش گلوکز خون همراه است.

فسفوریله شدن آنزیم گلیکوژن سنتتاز به‌وسیله کیناز A در این مسیر، با مهار آنزیم و سنتز گلیکوژن همراه است. اتصال اپی‌نفرین و نوراپی‌نفرین به گیرنده غشایی با فعال شدن Gq، فسفولیپاز C و هیدرولیز لیپیدهای غشایی فسفواینوزیتول بیس‌فسفات به اینوزیتول تری‌فسفات (IP3) و دی‌آسیل گلیسرول (DAG) همراه است. IP3 با باز کردن کانال‌های کلسیمی شبکه اندوپلاسمی صاف، غلظت این یون در سیتوپلاسم را افزایش می‌دهد. کلسیم به کلمودولین متصل شده و کمپلکس کلسیم/کلمودولین فسفوریلاز کیناز B را فعال می‌کند.

افزایش گلوکز خون، ترشح هورمون انسولین را تحریک می‌کند. اتصال این هورمون به گیرنده تیروزین کیناز در غشای سلول با فعال شدن فسفوپروتئین فسفاتازها همراه است. فسفاتازها با جدا کردن گروه فسفات از آنزیم گلیکوژن سنتتاز این آنزیم را فعال و با جدا کردن فسفات از گلیکوژن فسفوریلاز و فسفوریلاز کیناز A این آنزیم‌ها را مهار می‌کنند. در نتیجه سنتز گلیکوژن افزایش می‌یابد.

تنظیم گلیکولیز

هگزوکیناز، فسفوفروکتوکیناز و پیرووات کیناز آنزیم‌های تنظیم‌کننده گلیکولیز هستند. اتصال گلوکز به جایگاه تنظیمی هگزوکیناز سبب فعال شدن و اتصال گلوکز ۶-فسفات به این جایگاه سبب مهار آنزیم می‌شود. اتصال ATP و سیترات به جایگاه تنظیمی فسفوفروکتوکیناز I، این آنزیم را مهار و اتصال ADP و فروکتوز ۲،۶-بیس‌فسفات به این جایگاه آنزیم را فعال می‌کند. افزایش ATP، استیل کوآ، بتا اکسیداسیون اسیدهای چرب، آنزیم پیرووات کیناز را مهار و افزایش فروکتوز ۱،۶ بیس فسفات این آنزیم را فعال می‌کند.

اتصال انسولین به گیرنده سلولی بیان ژن آنزیم هگزوکیناز و پیرووات کیناز در سلول را افزایش داده و هورمون گلوکاگون فعالیت این دو آنزیم را مهار می‌کند. انسولین و گلوکاگون با تنظیم غلظت فروکتوز ۲،۶-بیس فسفات به طور غیر مستقیم فعالیت آنزیم فسفوفروکتوکیناز I را کنترل می‌کند. انسولین با فعال کردن آنزیم فسفوفروکتوکیناز II غلظت فروکتوز ۲،۶-بیس فسفات در سلول را افزایش و گلوکاگون با فعال کردن آنزیم فروکتوز ۲،۶ بیس فسفاتاز غظت این متابولیت را کاهش می‌دهد.

تنظیم گلوکونئوژنز

فسفوانول پیرووات کربوکسی کیناز، پیرووات کربوکسیلاز و فروکتوز ۱،۶-بیس فسفاتاز سه آنزیم کلیدی گلوکونئوژنز هستند. اتصال ADP و استیل کوآ به جایگاه تنظیمی پیرووات کربوکسیلاز با فعال شدن آنزیم و افزایش گلیکونئوژنز همراه است. اتصال فروکتوز ۲،۶ بیس فسفات به جایگاه تنظیمی آنزیم فروکتوز ۱،۶ بیس‌فسفاتاز، آنزیم را مهار کرده و گلونئوژنز را کاهش می‌دهد.

کورتیزول بیان ژن و سنتز آنزیم‌های فسفوانول پیرووات کربوکسی کیناز، پیرووات کربوکسیلاز و فروکتوز ۱،۶ بیس فسفاتاز، و گلوکاکون بیان آنزیم‌های فسفوانول پیرووات کربوکسی کیناز و پیرووات کربوکسیلاز را افزایش می‌دهد. در نتیجه ترشح این دو هورمون با افزایش گلوکونئوژنز همراه است. هورمون‌های اپی‌نفرین، نوراپی‌نفرین و گلوکاگون با تنظیم آنزیم‌های فسفوفروکتوکیناز I و فروکتوز ۲،۶ بیس‌فسفاتاز، فعالیت فروکتوز ۱،۶ بیس‌فسفاتاز و گلوکونئوژنز را کنترل می‌کنند. این هورمون‌ها فسفوفروکتوکیناز II را مهار و فروکتوز ۲،۶ بیس فسفاتاز را فعال می‌کند. در نتیجه فسفوفروکتوکیناز ۲،۶ بیس فسفات کاهش یافته و فروکتوز ۱،۶ بیس فسفاتاز فعال می‌شود.

متابولیسم سایر کربوهیدرات ها

گالاکتوز، مانوز و فروکتوز مونوساکاریدهای دیگری هستند که از گوارش کربوهیدرات‌های رژیم غذایی تشکیل شده و وارد مسیرهای مختلف متابولیسم کربوهیدرات می‌شوند. گالاگتوز به شکل مونوساکارید یا دی‌ساکارید لاکتوز وارد دستگاه گوارش می‌شود. آنزیم‌های لوله گوارش لاکتوز را به گلوکز و گالاکتوز هیدرولیز می‌کنند. گالاکتوز پس از جذب در روده به کبد منتقل و در یک مسیر چهارمرحله‌ای به گلوکز تبدیل می‌شود. در مرحله اول آنزیم گالاکتوکیناز با استفاده از فسفات ATP، گالاکتوز را به گالاکتوز ۱-فسفات تبدیل می‌کند. در مرحله بعد آنزیم گالاکتوز ۱-فسفات یوریدیل ترانسفراز، گروه یوریدیل UDP-گلوکز را به گالاکتوز ۱-فسفات منتقل می‌کند. در این واکنش آنزیمی، گالاکتوز ۱-فسفات به UDP-گالاکتوز و UDP-گلوکز به گلوکز ۱-فسفات تبدیل می‌شود. در مرحله بعد UDP-گالاکتوز به‌وسیله آنزیم UDP-گالاکتوز-۴-اپیمراز به UDP-گلوکز و گلوکز ۱-فسفات به‌وسیله آنزیم موتاز به گلوکز ۶-فسفات تبدیل می‌شود. در پایان این مسیر UDP-گلوکز وارد گلیکوژنز و گلوکز ۶-فسفات وارد گلیکولیز خواهد شد.

مانوز از گوارش پلی‌ساکاریدها و گلیکوپروتئین‌ها وارد جریان خون می‌شود. این مونوساکارید در سلول‌های کبدی به‌وسیله آنزیم هگزوکیناز به مانوز ۶-فسفات تبدیل می‌شود. آنزیم فسفومانوز ایزومراز، مانوز ۶-فسفات را به فروکتوز ۶-فسفات تغییر می‌دهد و فروکتوز ۶-فسفات وارد مسیر گلیکولیز می‌شود. فروکتوز قند اصلی میوه‌ها است. این کربوهیدرات در سلول‌ها ابتدا به‌وسیله هگزوکیناز به فروکتوز ۱-فسفات فسفوریله می‌شود. در مرحله بعدی آنزیم آلدولاز B، فروکتوز ۱-فسفات را به دی‌هیدروکسی استون فسفات و گلیسرآلدهید تجزیه خواهد شد. دی‌هیدروکسی استون فسفات بدون تغییر و گلیسرآلدهید پس از فسفوریله شدن، به شکل گلیسرآلدهید ۳-فسفات وارد مسیر گلیکولیز می‌شود. گلسیرآلدهید و دی‌هیدروکسی استون فسفات تولید شده در این مسیر علاوه بر تامین انرژی در سنتز تری‌گلیسرید و گلیکوژنز شرکت می‌کنند.

سوالات متداول متابولیسم کربوهیدرات ها

در انتهای این مطلب از مجله فرادرس به تعدادی از سوالات متداول پیرامون متابولیسم کربوهیدرات ها پاسخ می‌دهیم.

بیماری های متابولیسم کربوهیدرات چیست؟

بیماری‌های متابولیسم کربوهیدرات ازجمله بیماری‌های ارثی است که به دلیل جهش در ژن آنزیم‌های مسیرهای مختلف تجزیه کربوهیدرات ایجاد می‌شود. کاهش قند خون، بزرگ شدن کبد و احساس درد ماهیچه‌ای ازجمله علائم این اختلال‌ها است. نقص آنزیم فروکتوز-۱-فسفات آلدولاز منجر به ایجاد بیماری ارثی عدم تحمل فروکتوز می‌شود. اضافه وزن، استفراغ، نارسایی کبد و کلیه از علائم این بیماری است. نقص آنزیم فروکتوز ۱،۱-دی‌فسفاتاز مسیر سنتز گلوکز از سایر کربوهیدرات‌ها را مختل می‌کند. در بیماران مبتلا به این بیماری تحمل گرسنگی به شدت کاهش یافته و کبد بزرگ می‌شود.

در بیماری‌های ذخیره گلیکوژن فعالیت آنزیم‌های تجزیه‌کننده این پلی‌ساکارید در مراحل مختلف مختل می‌شود. نقص آنزیم گلوکز ۶-فسفاتاز و ناقل گلوکز ۶-فسفات در کبد، کلیه و روده کوچک، آنزیم‌های شاخه‌شکن گلیکوژن در کبد، ماهیچه اسکلتی و قلب، آنزیم آلفا اسید گلیکوزیداز ماهیچه اسکلتی و قلبی و آنزیم شاخه‌ساز در قلب و کبد انواع بیماری‌های ذخیره گلیکوژن را ایجاد می‌کند. نقص آنزیم پیرووات دهیدروژنار کاتابولیسم کربوهیدرات‌ها و نقص آنزیم پیرووات دکربوکسیلاز گلوکونئوژنز را مختل می‌کند.

تفاوت متابولیسم کربوهیدرات های ساده و پیچیده چیست؟

کربوهیدرات‌های پیچیده یا پلی‌ساکاریدها باید قبل از ورود به سلول‌های روده با واکنش‌های آنزیمی به زیرواحدهای مونوساکاریدی تبدیل شود. به همین دلیل متابولیسم آن‌ها زمان بیشتری نسبت به کربوهیدرات‌های ساده (مونوساکاریدها) دارد.