METABOLISMUS SACHARIDŮ

Transkript

1 METABLISMUS SAHARIDŮ

2 GLUKNEGENEZE

3 GLUKNEGENEZE entrální úloha glukosy Palivo Prekursor strukturních sacharidů a jiných molekul Syntéza glukosy z necukerných prekurzorů Laktát Aminokyseliny (uhlíkatý řetězec glukogenních aminokyselin při hladovění, hlavní zastoupení přitom mají alanin a glutamin) Meziprodukty citrátového cyklu Glycerol Prekursory pro biosyntézu glukosy nemohou být AK, které nelze převést na oxalacetát (leucin, lysin) Mastné kyseliny u živočichů (u rostlin tzv. glyoxalátový cyklus produkce oxalacetátu z acetyl-oa)

4 GLUKNEGENEZE Hlavním místem glukoneogeneze jsou játra, malé množství v ledvinách, něco málo v mozku, kosterních svalech a srdečním svalu Denní spotřeba glukosy mozkem u dospělého člověka je 120 g, což je většina spotřeby těla (160 g). V tělních tekutinách je 20 g glukosy a zásoba ve formě glykogenu je 190 g. Kapacita jater na uskladnění glykogenu umožňuje zásobování mozku glukosou asi na půlden elkově je v těle zásoba glukosy asi na jeden den

5 Glukoneogeneze není zvratem glykolýzy Ireversibilní kroky glykolýzy Glukoneogeneze využívá enzymy glykolysy s vyjímkou 3 enzymů Tři kroky jsou kritické (ireversibilní) při glykolýze: a) Hexokinasa (DG = - 33 kj/mol) b) Fosfofruktokinasa (D G = -22 kj/mol) c) Pyruvátkinasa (D G = - 17 kj/mol) Enzymy specifické pouze pro glukoneogenezi se syntetizují ve chvíli, kdy jsou potřeba. Jedná se tedy o inducibilní enzymy. Jejich syntézu aktivují například glukagon, nebo kortisol.

6 Srovnání glykolýzy a glukoneogeneze I Glukosa P i Glukosa-6-fosfatasa H 2 Glukosa-6-fosfát ATP Hexokinasa ADP P i Fruktosabisfosfatasa Fosfoglukosaisomerasa Fruktosa-6-fosfát ATP H ADP 2 Fruktosa-1,6-bisfosfát Aldolasa Fosfofruktokinasa Dihydroxyacetonfosfát Triosafosfátisomerasa Glyceraldehyd-3-fosfát

7 Srovnání glykolýzy a glukoneogeneze II Dihydroxyacetonfosfát Triosafosfátisomerasa Glyceraldehyd-3-fosfát NAD + + P i NAD + + P i Glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenasa NADH + H + NADH + H + 1,3-Bisfosfoglycerát ADP ATP Fosfoglycerátkinasa ATP ADP 3-Fosfoglycerát Fosfoglycerátmutasa 2-Fosfoglycerát Enolasa 2 + GDP Fosfoenolpyruvátkarboxykinasa GTP Fosfoenolpyruvát ADP Pyruvátkinasa ATP xaloacetát Pyruvát P i + ADP ATP + 2 Pyruvátkarboxylasa

8 Srovnání glykolýzy a glukoneogeneze

9 Tři klíčové kroky glykolýzy a glukoneogeneze s vyznačením změn Gibbsovy energie v kj.mol -1

10 Karboxylace pyruvátu Překonání prvního ireversibilního kroku Anaplerotická (doplňující) reakce pro cyklus trikarboxylových kyselin Probíhá v matrix mitochondrie probíhá v cytosolu P 3 2- H 3 - Pyruvátkarboxylasa - H 2 - PEPK H 2 - Pyruvát H ATP ADP + P GTP i GDP + xaloacetát 2 Fosfoenolpyruvát Pyruvátkarboxylasa a fosfoenolpyruvátkarboxykinasa (PEPK) Pyruvátkarboxylasa je mitochondriální enzym, zatímco ostatní enzymy glukoneogeneze jsou cytoplasmatické. PEPK lokalizace je druhově specifická Játra myší a krys cytosol Játra holuba a králíka mitochondrie Morče a člověk rovnoměrně v cytosolu a v mitochondriích (PEP)

11 Karboxylace pyruvátu Karboxybiotinylpyruvátkarboxylasa Biotin jako prosthetická skupina, tetramerní enzym, dva reakční kroky Biotin je vázán na koncovou aminoskupinu Lys pyruvátkarboxylasy - N NH S (H 2 ) 4 Karboxybiotinyl-enzym NH (H 2 ) 4 H NH Biotin - přenašeč 2 Postranní řetězec lysinu

12 1. Mechanismus tvorby karboxybiotinu reakcí hydrogenuhličitanu s ATP Adenosin P P P H ADP H P - - ATP Karboxyfosfát P i Biotinyl-enzym - N NH + HN NH S (H 2 ) 4 NH (H 2 ) 4 E S (H 2 ) 4 NH (H 2 ) 4 E Karboxybiotinyl-enzym Biotinyl-enzym

13 2. Reakce karboxybiotinu s pyruvátem za tvorby oxaloacetátu přes enolformu pyruvátu jako meziproduktu (matrix) - - H 2 + N H Pyruvát NH - H 2 + H N - NH Biotinyl-enzym HN NH - - Enolforma pyruvátu + H 2 - H 2 Karboxybiotinyl-enzym - xaloacetát

14 Reakce oxaloacetátu s GTP za katalýzy fosfoenolpyruvátkarboxykinasy P H P P - P - Guanosin - GDP + 2 PEPK H 2 - xaloacetát GTP Fosfoenolpyruvát (PEP) Reakce probíhá jen za přítomnosti acetyloa, který se na pyruvátkarboxylasu váže AcetyloA allostericky aktivuje pyruvátkarboxylasu - signalizace zvýšené potřeby oxalacetátu

15 Transport metabolitů mezi mitochondrií a cytosolem Malát - aspartátový člunek (shutle) - srdeční sval a játra Univerzální člunek - směr toku elektronů závisí na NADH / NAD + H - H ytosol Vnitřní mitochondrionální membrána Mitochondrion H - H H 2 - NAD + Malát Malát NAD + H 2 - Malátdehydrogenasa NADH + H + - H 2 - Aminokyselina Aspartátaminotransferasa xaloacetát Dráha 1 Dráha 2 xaloacetát Malátdehydrogenasa NADH + H + - H 2 - Aminokyselina Aspartátaminotransferasa -Ketokyselina - Aspartát Aspartát -Ketokyselina - + H 3 N H + H 3 N H H 2 - H 2 - Glukoneogeneze PEP PEP

16 Další dva ireversibilní kroky Převedení fruktosa-1,6-bisfosfátu na fruktosa-6-fosfát Fruktosa-1,6-bisfosfát + H 2 Fruktosa-6-fosfát + P i Allosterický enzym: Fruktosa-1,6-bisfosfatasa aktivován citrátem inhibován fruktosa-2,6-bisfosfátem a AMP Glukosa-6-fosfát tvorba volné glukosy Ve většině tkání končí glukoneogeneze na tomto stupni (syntéza glykogenu atd.) Tvorba volné glukosy vyžaduje regulaci enzymu glukosa-6- fosfatasy Enzym je přítomen jen ve tkáních, které udržují fyziologickou hladinu glukosy v krvi játra a částečně ledviny

17 Tvorba volné glukosy v dutinkách endoplasmatického retikula (ER) působením glukosa-6-fosfatasy T1 transportuje G-6-P do ER, T2 a T3 transportují Pi a glukosu zpět do cytosolu Glukosa-6-fosfatasa je stabilizována a 2+ -vazebným proteinem (SP)

18 Glukoneogeneze z glycerolu Glycerol získaný při hydrolýze triacylglycerolů se může použít jako substrát pro glukoneogenezi Prvním krokem je jeho fosforylace na glycerol-3-p pomocí glycerolkinasy. Následuje jeho dehydrogenace na dihydroxyaceton-p katalyzovaná glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenasou, čímž vzniká meziprodukt glukoneogeneze. H H 2 H H Glycerolkinasa H H 2 H H Glycerol-3-fosfátdehydrogenasa H 2 H H 2 H ATP ADP H 2 P 3 2- NAD + NADH + H + H 2 P 3 2- Glycerol Glycerol-3-fosfát Dihydroxyacetonfosfát

19 Glycerol-3-fosfátový člunek Reoxidace NADH z glykolýzy za aerobních podmínek. Typické pro intenzivně pracující sval a nervové buňky Enzym je cytosolární glycerol-3-fosfátdehydrogenasa Dochází k přenosu vodíkových atomů z NADH + H+ na FAD za tvorby FADH 2, vstupuje do dýchacího řetězce místo NADH NADH + H + NAD + H 2 H ytosolická glycerol-3-fosfát dehydrogenasa H 2 H H H H 2 P 3 2- H 2 P 3 2- Dihydroxyacetonfosfát Glycerol-3-fosfát ytosol Mitochondrionální glycerol-3-fosfát dehydrogenasa E-FADH 2 E-FAD QH 2 Q Matrix

20 Glykolýza x glukoneogenese

21 Glykolýza x glukoneogenese

22 Porovnání energetické náročnosti glykolýzy a glukoneogenese Glykolýza glukosa + 2NAD + + 2ADP + 2P i 2pyruvát + 2NADH + 4 H + + 2ATP + 2H 2 Glukoneogenéze 2pyruvát + 2NADH + 4 H + + 4ATP + 2GTP + 6H 2 glukosa + 2NAD + + 4ADP + 2GDP + 6P i Na syntézu glukosy je spotřebováno 6 nukleosidtrifosfátů Energeticky nevýhodnou (endergonní) reakci pohání hydrolýza ATP a GTP

23 Reciproká regulace glykolýzy a glukoneogeneze Glukoneogeneze a glykolýza jsou dva protichůdné pochody ideální regulace = jeden pochod aktivní a druhý neaktivní Množství a aktivity různých enzymů obou drah jsou pod kontrolou a proto nejsou obě dráhy současně vysoce aktivní regulace dle potřeb organismu rychlost glykolýzy je také dána koncentrací glukosy rychlost glukoneogeneze koncentrací laktátu a dalších prekurzorů glukosy

24 Rovnováha mezi glykolýzou a glukoneogenezí v játrech vliv hladiny glukosy v krvi. Vysoká hladina glukosy syntéza glykogenu a aktivace glykolýzy a pyruvátdehydrogenasy (katalyzuje vznik acetyl-oa) pro biosyntézu MK a ukládání tuků Nízká hladina glukosy hladovění štěpení glykogenu a zvrat glykolýzy ve směru glukoneogenéze (využití produktů degradace proteinů)

25

26 Regulace přes fruktosa-2,6-bisfosfát Fruktosa-2,6-bisfosfát aktivuje fosfofruktokinasu a inhibuje fruktosa 1,6-bisfosfatasu!!! Při nízké hladině glukosy v krvi se z fruktosa-1,6-bisfosfátu uvolňuje fosfát za tvorby fruktosa-6-fosfátu. Fruktosa-6-fosfát se neváže jako aktivátor fosfofruktokinasy (váže se jen do aktivního místa).

27 Regulace přes fruktosa-2,6-bisfosfát Jakým způsobem je kontrolována koncentrace fruktosa-2,6- bisfosfátu??? Na kontrole hladiny fruktosa-2,6-bisfosfátu se podílejí dva enzymy. Fruktosa-2,6-bisfosfát je produktem reakce katalyzované fosfofruktokinasou 2 (PFK2). dštěpení fosfátu je katalyzované enzymem fruktosabisfosfatasa 2 (FBPasa2) ba enzymy jsou součástí jednoho proteinového řetězce o délce 55 kd bifunkční enzym!!!

28 Kontrolní mechanismus syntézy a odbourání fruktosa-2,6-bisfosfátu

29 Hormonální regulace glukoneogeneze při hladovění Nízká hladina glukosy v krvi (hladovění) Zvýšená sekrece glukagonu Zvýšená hladina [camp] Zvýšená rychlost fosforylace bifunkčního enzym Fosforylace bifunkčního enzymu proteinkinasou A, což má za následek aktivaci FBPasy2 a inhibici PFK2. Snižuje se hladina F-2,6-BP a zpomaluje se glykolýza. Inhibice fosfofruktokinasy a aktivace fruktosabisfosfatasy Zvýšená glukoneogeneze

30 Reciproká regulace glykolýzy a glukoneogeneze v játrech

31 Reciproká regulace glykolýzy a glukoneogeneze Řada enzymů je kontrolována hormonálně. Hormony ovlivňují expresi genů a regulují degradaci mrna. Insulin, signál sytosti, stimuluje expresi fosfofruktokinasy, pyruvátkinasy a bifunkčního enzymu, který vede k tvorbě a degradaci fruktosa-2,6-bisfosfátu. Glukagon, signál hladovění, inhibuje expresi těchto enzymů a stimuluje tvorbu fosfoenolpyruvátkarboxykinasy a fruktosa-1,6- bisfosfatasy. Kontrola přes transkripci je pomalá.

32 Úloha hormonů v regulaci metabolismu sacharidů

33 Substrátové cykly Dvojice reakcí jako jsou fosforylace fruktosa-6-fosfátu na fruktosa- 1,6-bisfosfát a jeho hydrolýza zpět na fruktosa-6-fosfát se nazývají SUBSTRÁTVÉ YKLY. bě nebývají současně plně aktivní. Přesto dochází často současně k oběma reakcím je to nedokonalost těchto reakcí cyklují tyto cykly se také nazývají JALVÉ (futile cycles). Jsou biologicky zajímavé. Jednou z jejich možných funkcí je zesílení metabolických signálů. Druhou možnou funkcí je produkce tepla hydrolýzou ATP. Příkladem je čmelák, který může za potravou již při 10 o. Je schopen dosáhnout potřebnou teplotu v hrudi současnou vysokou aktivitou fosfofruktokinasy a fruktosa- 1,6-bisfosfatasy. Hydrolýza ATP vytváří teplo. Tato bisfosfatasa není inhibována AMP!! To znamená, že enzym je určen k produkci tepla. Včela, která nemá v létacích svalech bisfosfatasu, nemůže při nízkých teplotách létat. U lidí existuje onemocnění maligní hypertermie, kdy dochází ke ztrátě kontroly, oba procesy probíhají současně plně a generují TEPL.

34 oriho cyklus Zdroj energie pro sval = ATP Pomalé (červené) svaly vznik ATP oxidační fosforylací, při vysoké zátěži možnost produkce laktátu v glykolýze Rychlé (bílé) svaly vznik ATP glykolýzou za vzniku laktátu Tvořící se pyruvát ve svalech při intenzivním cvičení se nestačí odbourat aerobně a pokračování glykolýzy závisí na dostupnosti NAD +. Tvoří se laktát. Laktát je transportován krví do jater a zde je resyntetizována glukoneogenezí glukosa, která putuje do svalů.

35 Anaerobní produkce ATP ve svalech

36 Glukosa-alaninový cyklus Mezi svalovými buňkami a játry. Poté, co pyruvát vznikne ve svalových buňkách, podléhá transaminaci za vzniku alaninu. Ten se uvolňuje do krve, která jej transportuje do jater, kde se alanin transaminací zpětně přeměňuje na pyruvát, jenž se může zapojit do glukoneogeneze. Vzniklá glukóza je přenesena krví do svalů a celý cyklus se uzavírá.

37 Alanin je druhým zdrojem uhlíku pro syntézu glukosy. Ve svalech je tvořen transaminací z pyruvátu, v játrech probíhá opačný proces. Alanin tak pomáhá udržovat rovnováhu dusíku v organismu. Aminotransferasová reakce alanin pyruvát Koenzymem je pyridoxal-5-fosfát (PALP). H H 3 - Aminotransferasa H 3 - NH 3 + -Ketokyselina Aminokyselina Alanin Pyruvát

38 Vzájemná interakce glykolýzy a glukoneogeneze na úrovni tělesných orgánů