OBECNÝ METABOLISMUS SACHARIDY I

Transkript

1 OBECNÝ METABOLISMUS SACHARIDY I

2 Sacharidy Heterotrofní organismy (např. savci) sacharidy jsou hlavní živiny Autotrofní organizmy (např. rostliny) fixace C vedoucí k produkci sacharidů proces fotosyntézy Funkce sacharidů zdroj energie pro buňky zdroj uhlíkových atomů pro syntézu látek rezervní forma chemické energie (glykogen, škrob) strukturní funkce (proteoglykany)

3 Glukosa v běžné řeči označovaná jako hroznový cukr nebo krevní cukr monosacharid ze skupiny aldohexos v chemických vzorcích oligosacharidů a polysacharidů se značí symbolem Glc v čistém stavu je glukosa bílá krystalická látka sladké chuti v přírodě běžná konformace glukózy je D-glukosa, která stáčí polarizované světlo doprava (odtud pochází její staré označení dextróza, které se doposud běžně používá v lékařské literatuře) Systematický název 6-(hydroxymethyl)oxan-2,3,4,5- tetrol (hemiacetalová forma) Aldehydická forma (ve Fischerově projekci) Hemiacetalová α-forma (v Haworthově projekci) Sumární vzorec C 6 H 12 O 6

4 Glukosa V roce 1792 Johann Tobias Lowitz (německo-ruský chemik a farmaceut) odkrývá poprvé hroznový cukr jako další monosacharid v hroznu vína. V roce 1838 Jean Baptiste Dumas dává hroznovému cukru odborný název glukóza (z řeckého slova glykos = sladký). Friedrich August Kekulé von Stradonitz přiděluje hroznovému cukru nový odborný výraz dextróza. Hroznový cukr je nejrozšířenější monosacharid (jednoduchý cukr) a vyskytuje se zejména v hroznovém víně nebo v medu. Hroznový cukr se dostane z úst do krevního řečiště do 2 minut.

5 Glukosa univerzální energetický substrát oxidací jednoho gramu glukosy získáme přibližně 17 kj, tj. 4 kcal lze získat energii i za nepřítomnosti O 2 (substrátová fosforylace) některé buňky, např. erytrocyty či buňky CNS, na glukóze striktně závisí nelze syntetizovat glukosu z mastných kyselin!!!!! nadbytek sacharidů naopak dokáže naše tělo přeměnit přes acetyl-coa na mastné kyseliny a následně na TAG v potravě volná nebo jako součást disacharidů či polysacharidů z trávicího traktu se do krve vstřebává pouze volná glukosa

6 Glykemie Koncentrace glukózy v krvi Normální hodnota nalačno: 3,3-5,6 mmol/l Po jídle může přechodně být až 7,1 mmol/l Citlivá regulace: 1) inzulin - snižuje glykémii 2) glukagon, adrenalin, růstový hormon, kortisol - zvyšují glykémii

7 Metabolické dráhy glukosy GLYKOGEN Glykogenolýza Glykogenéze GLUKOSA Glykolýza Glukoneogenéze PYRUVÁT/LAKTÁT

8 Metabolické dráhy glukosa-6-fosfátu GLYKOGEN NADPH GLUKOSA GLUKOSA- 6-FOSFÁT RIBULOSA- 5-FOSFÁT ACETYL CoA ATP MASTNÉ KYSELINY FOSFOLIPIDY CHOLESTEROL

9 Metabolické dráhy glukosy a glukosa-6-fosfátu 1. glukosa-6-fosfatasa: glukosa-6-fosfát (G6P) glukosa uvolněná do krevního oběhu ( v okamžiku kdy hladina krevní glukosy poklesne pod 5 mm) 2. vliv klesající krevní glukosy (hladovění / intenzívní cvičení) na receptory pankreatu vylučuje se glukagon 3. receptory glukagonu na povrchu jaterních buněk aktivují adenylátcyklasu zvýšená hladina intracelulárního camp spouští štěpení glykogenu 4. požadavek organismu na glukosu nízký spouští se syntéza glykogenu

10 Metabolické dráhy glukosy a glukosa-6-fosfátu

11 Metabolické dráhy glukosy a glukosa-6-fosfátu 1. G6P může být převeden na acetylcoa přes glykolýzu a pyruvátdehydrogenasu 2. acetylcoa odbourán v CC / syntéza mastných kyselin / fosfolipidů / cholesterolu 3. G6P pentosafosfátová dráha tvorba NADPH a pentos potřebných k syntéze mastných kyselin a nukleotidů glykolýza PDH D-glukosa 2 pyruvát 2 acetylcoa 2 L-laktát Citrátový 2 CO 2 cyklus 4 CO2 nevyžaduje O 2 vyžaduje O 2

12 Zdroje krevní glukosy: Glukosa 1) Sacharidy z potravy - případně přeměna jiných živin z potravy na glukosu 2) Rozklad jaterního glykogenu zásoba vystačí asi na 24 hodin 3) Glukoneogeneze z C3 a C4 látek (laktát, glycerol, většina aminokyselin) - při dlouhodobém lačnění nebo při patologických podmínkách

13 Spotřeba krevní glukosy: Glukosa 1) Spotřeba tkáněmi závislými na glukose (mozek, erytrocyty) nezávislé na inzulinu 2) Spotřeba tkáněmi, které nejsou závislé na glukose, a mohou tedy využívat i jiné energetické substráty (např. kosterní svaly) závislé na inzulinu 3) Syntéza glykogenu v játrech, svalech a dalších tkáních 4) Přebytek glukosy se přemění na mastné kyseliny a TAG skladování (zejména v tukové tkáni) 5) Tvorba mnoha významných látek (ostatní monosacharidy, deriváty monosacharidů apod.)

14 Transport glukosy přes buněčnou membránu Glukosové transportéry Aktivní transport kotransportéry (SGLT-1/2) Pasivní transport (GLUT 1-5)

15 Transport glukosy přes buněčnou membránu Aktivní transport kotransportéry (SGLT-1/2) transport přes apikální membránu tenkého střeva a ledvinových epitelárních buněk závisí na přítomnosti sekundárního aktivního Na + /glukosa symportéru (SGLT-1/2) molekuly glukosy jdou proti svému koncentračnímu gradientu do buňky energii poskytnou ionty Na +, které procházejí do buňky po svém koncentračním gradientu ke zpětnému transportu Na + z enterocytů se spotřebovává ATP Na + /K + -ATPasa - sekundárně aktivní transport

16 Transport glukosy přes buněčnou membránu Pasivní transport difúzí glukosy přes buněčnou membránu zprostředkovanou glukosovými transportéry energeticky nezávislý děj Glukosové transportéry (transmembránové proteiny, 500 AMK) GLUT 1 - erytrocyty, hematoencefalická bariéra GLUT 2 - játra, ledviny, β-buňky pankreatu, enterocyty GLUT 3 - mozek GLUT 4 - tuková tkáň, kosterní svalovina, srdce; inzulin senzitivní - inzulin zvyšuje jejich množství

17 Transport glukosy přes buněčnou membránu Glukosové transportéry (transmembránové proteiny, 500 AMK) GLUT 1 a 3 udržení bazálního vychytávání glukózy tkáněmi, jejichž metabolismus je na glukose závislý (mozek, erytrocyty, ale také ledviny a placenta) GLUT 2 lokalizovaný na membráně β- buněk pankreatu a hepatocytů - přestup glukosy z resorpčních epitelů (proximální tubulus ledvin, enterocyty střeva) do krve

18 Transport glukosy přes buněčnou membránu Glukosové transportéry (transmembránové proteiny, 500 AMK). GLUT 4 v tzv. inzulin-dependentních tkáních kosterní sval, myokard a tuková tkáň, nutná přítomnost vyšších hladin inzulinu v krvi přenašeče jsou připraveny ve vezikulech a po vazbě inzulinu na receptor nastává fúze vezikul s buněčnou membránou k tomu dochází zejména po jídle, kdy tkáně zodpovídají za metabolismus až 80 % glukosy z krve v období mezi jídly glukosu neresorbují a šetří ji pro tkáně na ní závislé

19 Glykolýza (Embden-Meyerhof-Parnasova dráha) probíhá v cytoplazmě všech buněk lidského těla katabolická dráha z jedné molekuly glukosy dvě tříuhlíkaté molekuly pyruvát /laktát Glukosa + 2 NAD ADP + 2 P i 2 pyruvát + 2 NADH + 2 ATP + 2 H 2 O Funkce glykolýzy zisk energie tvorba acetyl-coa jako substrátu pro syntézu lipidů Podmínky glykolýzy aerobní dvě molekuly pyruvátu, dvě molekuly ATP a dvě molekuly NADH anaerobní z pyruvátu v reakci, která regeneruje kofaktor NAD + vzniká laktát

20 Glykolýza (Embden-Meyerhof-Parnasova dráha) Fáze glykolýzy 1) Investice energie a současná aktivace molekul glukosy 2) Štěpení hexosy na dvě triosy 3) Oxidace trios a souběžný zisk energie 4) Přeměna pyruvátu na laktát (za anaerobních podmínek)

21 Glykolýza (Embden-Meyerhof-Parnasova dráha)

22 Glykolýza (Embden-Meyerhof-Parnasova dráha) Dílčí reakce glykolýzy 1) Fosforylace glukosy Glukosa + ATP Glc-6-P + ADP fosforylovaná glukosa neprochází buněčnou membránou GLUKOKINASA v hepatocytech a v β-buňkách pankreatu K M 10 mmol/l aktivována až při vyšších koncentracích glukosy ve všech tkáních K M 0,1 mmol/l HEXOKINASA za fyziologických podmínek vždy téměř plně aktivní regulována inhibicí vlastním produktem Glc-6-P katalyzuje i fosforylaci fruktosy

23 Glykolýza (Embden-Meyerhof-Parnasova dráha) Grafické vyjádření rovnice Michaelise-Mentenové pro hexokinasu a glukokinasu: Koncentrace glukosy v krvi

24 Glykolýza (Embden-Meyerhof-Parnasova dráha) Dílčí reakce glykolýzy 2) Izomerizace Glc-6-P na Fru-6-P reverzibilní reakce probíhající za katalýzy hexosafosfátizomerasou 3) Fosforylace Fru-6-P za spotřeby ATP na Fru-1,6-bisP 6-fosfofrukto-1-kinasa - klíčový allosterický regulační enzym glykolýzy 4) Aldolové štěpení Fru-1,6-bisP na dvě fosforylované triosy vznik glyceraldehyd-3-p (aldosa) a dihydroxyaceton-3-p (ketosa) enzym aldolasa 5) Izomerace trios enzym triózafosfátizomerasa do další reakce glykolýzy vstupuje glyceraldehyd-3-p

25 Glykolýza (Embden-Meyerhof-Parnasova dráha) Dílčí reakce glykolýzy 6) Oxidace glyceraldehyd-3-p na 1,3-bisfosfoglycerát jediná oxidační reakce enzym glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenasa vznik 1,3-bisfosfoglycerát (energeticky bohatá sloučenina) a redukovaný kofaktor - NADH + H + 7) Přeměna 1,3-bisfosfoglycerátu na 3-fosfoglycerát enzym fosfoglycerátkinasa substrátová fosforylace - z ADP se tvoří ATP 8) Izomerace 3-fosfoglycerátu na 2-fosfoglycerát enzym fosfoglycerátmutasa

26 Glykolýza (Embden-Meyerhof-Parnasova dráha)

27 Glykolýza (Embden-Meyerhof-Parnasova dráha) Dílčí reakce glykolýzy 8) Izomerace 3-fosfoglycerátu na 2-fosfoglycerát enzym fosfoglycerátmutasa aktivní ve fosforylované formě 2,3-bisfosfoglycerát E-P + 3-fosfoglycerát E + 2,3-bisfosfoglycerát E + 2,3-bisfosfoglycerát E-P + 2-fosfoglycerát Suma: 3-fosfoglycerát 2-fosfoglycerát nutný pro tvorbu E-P (fosfoglycerátmutasa) v malém množství je obsažen ve všech buňkách v erytrocytech ve vysoké koncentraci regulátor vazby kyslíku na hemoglobin

28 Glykolýza (Embden-Meyerhof-Parnasova dráha) biosyntéza 2,3-bisfosfoglycerátu z 1,3-bisfosfoglycerátu bifunkčním enzymem 2,3-bisfosfoglycerátmutasa/fosfatasa

29 Role 2,3-bisfosfoglycerátu (2,3-BPG) v erytrocytech ½ glukosy ADP ATP 1,3-bisfosfoglycerát 3-fosfoglycerát 2,3-bisfosfoglycerát 2-fosfoglycerát laktát MIP fosfatasa inositolpolyfosfátfosfatasa reguluje hladinu 2,3-BGP negativního alosterického regulátoru hemoglobínu 2,3-BGP mutasa a 2,3-BGP fosfatasa bifunkční enzym

30 Role 2,3-bisfosfoglycerátu (2,3-BPG) v erytrocytech 15-25% glukosy v erytrocytech přeměněno na laktát přes 2,3-BPG vznikající z 1,3-BPG význam - regulace transportu kyslíku na hemoglobin (negativní alosterický regulátor čím vyšší koncentrace 2,3 BPG, tím nižší afinita hemoglobinu ke kyslíku posun saturační křivky doprava čím nižší koncentrace 2,3 BPG, tím vyšší afinita hemoglobinu ke kyslíku posun saturační křivky doleva

31 Glykolýza (Embden-Meyerhof-Parnasova dráha) Dílčí reakce glykolýzy 9) Dehydratace 2-fosfoglycerátu na fosfoenolpyruvát (PEP) enzym enolasa vzniku makroergní sloučeniny fosfoenolpyruvátu 10) Přeměna fosfoenolpyruvátu na pyruvát regulační enzym pyruvátkinasa enol-pyruvát izomerizuje na stabilnější keto-pyruvát silně exergonická a prakticky nevratná reakce syntéze ATP z ADP substrátová fosforylace

32 Glykolýza (Embden-Meyerhof-Parnasova dráha) Energetická bilance glykolýzy +2 moly ATP na 1 mol glukosy -2 ATP spotřebováno, +4 ATP vytvořeno

33 Metabolické osudy pyruvátu - produkt glykolýzy Aerobní podmínky transport pyruvátu do matrix mitochondrie pyruvátdehydrogenasa - vznik acetyl-coa

34 Metabolické osudy pyruvátu - produkt glykolýzy Aerobní podmínky Výtěžek: substrátová dekarboxylace citrátový glykolýza fosforylace pyruvátu cyklus 2 ATP + 2 NADH + 2 NADH + acetyl-scoa 2 ATP + 4 / 6 ATP + 3 / 6 ATP + 24 ATP ATP

35 Metabolické osudy pyruvátu - produkt glykolýzy Anerobní podmínky pyruvát + NADH + H + laktát + NAD + disociace a tvorba H +

36 Metabolické osudy pyruvátu - produkt glykolýzy intenzivně pracující sval s nedostatečnou dodávkou kyslíku, erytrocyty pyruvát se přeměňuje na laktát následně uvolněný z buňky do krevního oběhu dochází k regeneraci NAD +, ten je koenzymem pro glyceraldehyd- 3-fosfátdehydrogenasu (glykolýza) enzym laktátdehydrogenasa (LDH) laktát 1) zapojení do Coriho cyklu 2) oxidace v tkáních s aerobním metabolismem (srdce, játra) na CO 2 a H 2 O

37 Metabolické osudy pyruvátu - produkt glykolýzy Coriho cyklus Při anaerobní glykolýze (rozkladu glukosy za nedostatku kyslíku) vzniká ve svalu pyruvát, který je redukován na laktát. Laktát je krví dopraven do jater, kde je zpětně oxidován na pyruvát. Pyruvát je v játrech za spotřeby energie zpětně převáděn na glukosu, která je krví dopravována zpět do svalu. JÁTRA glukosa SVAL glukosa pyruvát LD laktát KREV pyruvát LD laktát

38 Metabolické osudy pyruvátu - produkt glykolýzy Coriho cyklus Během nadměrné zátěže svaly pracují za nedostatečného zásobení kyslíkem (takzvaný kyslíkový dluh). Důsledkem je hromadění laktátu, který se pak musí v játrech přeměnit na glukosu v procesu glukoneogeneze. Spotřeba energie na syntézu glukosy v játrech je kryta převážně b-oxidací mastných kyselin, která je doprovázena vysokou spotřebou kyslíku. Odstraňování laktátu probíhá v játrech ještě asi 30 minut po skončení zátěže a po tuto dobu je pozorována taktéž zvýšená spotřeba kyslíku, kterou se kyslíkový dluh splácí.

39 Metabolické osudy NADH - produkt glykolýzy NADH nemůže jednoduše přestoupit do matrix mitochondrie Malát aspartátový člunek srdce a játra reversibilní závisí na poměru NADH/NAD + v cytoplasmě a matrix

40 Metabolické osudy NADH - produkt glykolýzy NADH nemůže jednoduše přestoupit do matrix mitochondrie ve svalech redukce dihydroxyacetonfosfátu na glycerol-3-fosfát a poté mitochondriální glycerol-3- fosfátdehydrogenasa tvoří se při respiraci pouze 2 ATP Glycerol-3-fosfátový člunek

41 Metabolické osudy NADH - produkt glykolýzy NADH je využit pro 1. Zisk energie v mitochondriích 2. Oxidace alkoholu etanol + NAD + acetaldehyd + NADH + H + acetaldehyd + NAD + + H 2 O acetát + NADH + H + 3. Tvorba glukuronidů UDP-D-glukosa + NAD + +H 2 O UDP-D-glukuronová kys. + 2NADH +2H +

42 Přeměna glukosy v jednotlivých tkáních Červené krvinky GLUT1 chybí mitochondrie glykolýza tvorba laktátu pentosafosfátová dráha NADPH glutathion ochrana proti ROS Buňky mozkové tkáně GLUT3 glykolýza tvorba pyruvátu TCA pentosafosfátová dráha NADPH glutathion

43 Přeměna glukosy v jednotlivých tkáních Buňka sval, srdce GLUT4 (stimulace inzulínem) glykolýza tvorba pyruvátu TCA ATP (laktát anaerobní podmínky) biosyntéza/degradace glykogenu pentosafosfátová dráha NADPH glutathion Buňky tukové tkáně GLUT4 glykolýza tvorba pyruvátu acetylcoa mastné kyseliny biosyntéza glycerol-3-p biosyntéza/degradace glykogenu pentosafosfátová dráha NADPH syntéza MK

44 Přeměna glukosy v jednotlivých tkáních Buňka játra GLUT2 (nezávislý na inzulínu) biosyntéza/degradace glykogenu pentosafosfátová dráha NADPH syntéza např. MK, cholesterolu, nukleotidy(ribosa-p) biosyntéza glukuronové kyseliny glykolýza pyruvát uvolnění glukosy tvorba acetylcoa TCA ATP tvorba acetylcoa mastné kyseliny laktátu (anaerobní podmínky) biosyntéza glycerol-3-p triacylglycerol biosyntéza glukosy z laktátu, pyruvátu, glycerolu, alaninu pro potřeby např. mozku

45 Význam meziproduktů glykolýzy

46 Regulace glykolýzy Dvě úlohy glykolýzy: odbourávání glukosy za tvorby ATP tvorba stavebních jednotek pro biosyntézy (např. mastné kyseliny) Regulačními body v glykolýze: tři enzymy katalyzující nevratné exergonní reakce hexokinasa 6-fosfofrukto-1-kinasa pyruvátkinasa Regulace reversibilní vazbou allosterických efektorů kovalentní modifikací

47 Regulace glykolýzy

48 Hexokinasa izoenzymy I,II,III Regulace glykolýzy nachází ve všech tkáních kromě jater a β-buněk pankreatu nízké K M pro glukosu (0,1 mm) (koncentrace v krvi je cca 5 mm) když je fosfofruktokinasa inaktivní, roste hladina glukosa-6-fosfátu (G6P) a inaktivuje se i hexokinasa inhibice produktem G6P aktivace inzulinem Grafické vyjádření rovnice Michaelise-Mentenové pro hexokinasu a glukokinasu:

49 Regulace glykolýzy Glukokinasa (GK) v játrech v b buňkách Langerhansových ostrůvků pankreatu, kde je G6P signálem tvorby hormonu insulinu afinita ke glukose je 50x nižší než u hexokinasy katalyzuje fosforylaci glukosy při vyšších koncentracích a vede k biosyntéze zásobního glykogenu nízká afinita glukokinasy ke glukose šetří glukosu pro mozek a svaly aktivita není ovlivněna koncentrací Glc-6-P je aktivována Fru-1-P (může vést ke ztukovatění jater v důsledku nadměrné konzumace glukosy spolu s fruktosou) je inhibována Fru-6-P, což směřuje vznikající Glc-6-P spíše k syntéze glykogenu než do glykolýzy

50 Glukokinasa (GK) Regulace glykolýzy GK s inhibičním proteinem RP neaktivní forma v jádře uvolnění GK je regulováno zvýšenou hladinou glukosy F6P naopak má vliv na inaktivaci enzymu přesunem do jádra a vazbou na protein RP

51 Regulace glykolýzy 6-fosfofrukto-1-kinasa hlavní regulační bod glykolýzy allosterický enzym 1) Zvýšení poměru ATP / AMP vede k inhibici glykolýzy (typické pro játra i sval) Nízká hladina ATP ATP = substrát a allosterický inhibitor 6-fosfofrukto-1- kinasy Reakční rychlost AMP = aktivátor enzymu Vysoká hladina ATP Fruktosa- 6-fosfát

52 Regulace glykolýzy 2) Citrát inhibuje glykolýzu (typické pro játra) pokud jsou oxidovány mastné kyseliny, vzniklý acetyl-coa inhibuje pyruvátdehydrogenasu (PDH) vznikající pyruvát směřuje do karboxylace na oxalacetát je-li současně dostatek acetyl-coa i oxalacetátu, syntetizuje se citrát, který se hromadí před enzymem isocitrátdehydrogenasou citrát uniká do cytoplazmy, kde blokuje regulační enzym glykolýzy signalizuje, že v mitochondrii je dostatek substrátů Krebsova cyklu citrát zvyšuje inhibiční účinek ATP na 6-fosfofrukto-1-kinasu

53 Regulace glykolýzy 3) Inhibice kyselým ph (typické pro svaly) 6-fosfofrukto-1-kinasa je inhibována protony pyruvát i laktát jsou poměrně silné kyseliny a jejich významná akumulace by mohla ohrozit buňku zvýšené koncentrace kyselin vedou přes protony k inhibici regulačního enzymu nízké ph nemá vliv na jaterní enzym, protože laktát za normálních podmínek v játrech nevzniká laktát, který je do jater transportován, je přeměněn na glukosu

54 Regulace glykolýzy 4) Fruktosa-2,6-bisfosfát (Fru-2,6-P) (typické pro játra) fruktosa-2,6-bisfosfát = pozitivní alosterický efektor 6-fosfofrukto- 1-kinasy 2- O 3 P OH 2 C O O PO 3 H H HO 2- CH 2 OH OH H Fruktosa-2,6-bisfosfát (F-2,6-BP) F-2,6-bisP zvyšuje afinitu 6-fosfofrukto-1-kinasy k fruktosa-6- fosfátu a snižuje inhibiční efekt ATP jeho koncentrace se zvyšuje, pokud je poměr inzulin / glukagon zvýšený

55 Regulace glykolýzy glukagon v krvi se váže na receptor v plazmatické membráně jaterní buňky aktivace adenylátcyklasy

56 Regulace glykolýzy tvorba Fru-2,6-P bifunkční enzym = aktivita 6-fosfofrukto-2- kinasová a fruktosa-2,6-bisfosfatasová camp ovlivňuje aktivitu enzymu proteinkinasy (2 regulační a 2 katalytické podjednotky) vazba camp na regulační podjednotku aktivace enzymu fosforylací

57 Regulace glykolýzy fosforylace bifunkčního enzymu 6-fosfofrukto-2-kinasy/fruktosa- 2,6-bisfosfatasy inaktivuje kinasovou aktivitu a naopak aktivuje fosfatasovou aktivitu defosforylace má opačný efekt

58 Regulace glykolýzy mechanismus vlivu glukagonu a epinefrinu na inhibici glykolýzy u jaterní buňky zprostředkované camp vedoucí ke snížené koncentraci fruktosa-2,6-bisfosfátu + vedoucí přes camp k aktivaci proteinkinasy A inhibici aktivity 6-fosfofrukto-2- kinasové aktivity snížení koncentrace pozitivního efektoru 2,6-bisfosfofruktosy enzymu 6-fosfofrukto-1-kinasy - +

59 Regulace glykolýzy mechanismus vlivu vysoké hladiny inzulinu v krvi na akceleraci glykolýzy u jaterní buňky aktivace camp fosfodiesterasy = konverze camp na AMP inhibici proteinkinasy A aktivace fosfoproteinfosfatasy stimulace rychlosti glykolýzy

60 Regulace glykolýzy Mechanismus akcelerace glykolýzy v buňkách srdečního svalu v odpovědi na epinefrin Významný rozdíl v porovnání s vlivem epinefrinu v jaterních buňkách epinefrin v srdci stimuluje glykolýzu (v játrech inhibuje) + jiný izoenzym bifunkčního enzymu 6-fosfofrukto-2- kinasy/fruktosa-2,6-bisfosfatasy + aktivace aktivity 6-fosfofrukto-2-kinasové aktivity zvýšení koncentrace pozitivního efektoru 2,6-bisfosfofruktosy enzymu 6-fosfofrukto-1-kinasy

61 Regulace glykolýzy 5) Glykolýzu aktivuje inzulin a inhibují ji kontraregulační hormony vzestup poměru inzulin / glukagon snižuje intracelulární koncentraci camp nastává převaha defosforylačních dějů. pokles poměru a působení dalších kontraregulačních hormonů vyvolá naopak vzestup koncentrace camp převažují fosforylační děje Proč je spíše fosfofruktokinasa klíčovým regulačním enzymem a ne hexokinasa? produkt glukosa-6-fosfát není jen meziproduktem glykolýzy ve svalech může být převedena na glykogen enzym katalyzující klíčovou reakci metabolické dráhy je nejdůležitějším kontrolním bodem dráhy

62 Regulace glykolýzy Pyruvátkinasa (tetramer, 57 kd) 1. regulace kovalentní modifikací u savců - isoenzymy formy L převažují v játrech formy M ve svalech a mozku isoformy se liší možnostmi ovlivnění aktivity kovalentní modifikaci katalytické vlastnosti L formy (jaterní) jsou ovlivňovány fosforylací aktivní v defosforylované /neaktivní ve fosforylované formě aktivní neaktivní

63 Pyruvátkinasa Regulace glykolýzy Pi H 2 O Fosforylovaná pyruvátkinasa (méně aktivní) ADP Pi Defosforylovaná pyruvátkinasa (aktivnější) ATP Fosfoenolpyruvát + ADP + H + pyruvát + ATP + Fruktosa 1, 6-bisfosfát - ATP Alanin

64 Regulace glykolýzy Pyruvátkinasa (tetramer, 57 kd) 1. regulace kovalentní modifikací vliv poměru inzulin / glukagon při nízké hladině krevní glukosy dochází ke glukagonem iniciované tvorbě camp kaskády vedoucí k fosforylaci pyruvátkinasy a tím ke snížení aktivity zabraňuje spotřebě glukosy játry a ta je přednostně spotřebována mozkem a svaly 2. allosterická regulace allosterická inhibice ATP a tím zpomalení glykolýzy je dostatek energie allosterická inhibice alaninem (tvoří se aminotransferasovou reakcí z pyruvátu) 3. aktivace fruktosa-1,6-bisfosfátem (jaterní enzymy)

65 Regulace glykolýzy Regulační enzymy aktivace inhibice Hexokinasa Glukosa-6-fosfát Glukokinasa 6-fosfofrukto-1-kinasa Hlavní regulace (klíčový enzym) Inzulin (indukce) Fruktosa-1-P (játra) ATP/AMP Fruktosa-2,6-bisfosfát (zvýšen při poměru inzulin/glukagon) Inzulin (indukce) Fruktosa-6-fosfát ATP/AMP Citrát Kyselé ph Pyruvátkinasa Inzulin (indukce) Fruktosa-1,6-bisfosfát (regulace krokem vpřed) Glukagon (represe, inhibice fosforylací) ATP/AMP Acetyl-CoA

66 Celkové schéma regulace glykolýzy ve svalech (sval v klidu a v pohybu) Sval v klidu (glykolýza je inhibována) Glykogen Glukosa Hexokinasa Glukosa-6-fosfát - Negatívní zpětná vazba Fruktosa-6-fosfát PFK Fruktosa-1,6-bisfosfát - ATP ATP/AMP Energetický náboj Fosfoenolpyruvát ATP Pyruvát Pyruvátkinasa -

67 Glykolýza u rostlin Lokalizace glykolýzy: cytosol, plastidy Vstupní sacharid (transportní ): sacharosa Konečný produkt glykolýzy: laktát, pyruvát, malát První krok: štěpení sacharosy sacharosasynthasa UDP-glukosa + fruktosa UDP-pyrofosforylasa přenos difosfátu PPi za tvorby UTP + glukosa-6-fosfátu invertasa hydrolýza sacharosy na fruktosu a glukosu

68 Glukoneogeneze = proces tvorby molekul glukosy z látek nesacharidové povahy Prekurzory: tří- a čtyřuhlíkaté látky - např. laktát, pyruvát, glycerol, Ala, Gln a jiné glukogenní aminokyseliny či propionát (hlavně u přežvýkavců) 2 laktát 2 pyruvát aminokyseliny aminokyseliny 2 oxalacetát 2 propionát 2 glycerol 2 triosafosfáty fruktosa glukosa

69 Glukoneogeneze Lokalizace: matrix mitochondrie, v cytosolu převážně v jaterních buňkách, tubulárních buňkách ledvin a v enterocytech Úloha glukoneogeneze: udržet glykémii ve fyziologických mezích i za stavu lačnění nebo nadměrné spotřeby doplňování meziproduktů citrátového cyklu zpracování katabolitů: laktátu z pracujícího svalu a glycerolu z mobilizace mastných kyselin v tukové tkáni

70 Glukoneogeneze 1. Udržování potřebné hadiny krevní glukosy je pro život velmi důležité. 2. Na přísunu glukosy je závislý hlavně mozek. 3. Denní potřeba glukosy mozkem je 120 g, tělo celkem 160 g. 4. V tělních tekutinách je asi 20 g glukosy, v glykogenu je skladem 190 g. 5. Glukosa vystačí na jeden den! 6. Při hladovění nebo půstu je nutné syntetizovat potřebnou glukosu.

71 Substráty pro glukoneogenezi Laktát Glukoneogeneze hlavní zdroj uhlíkových atomů v procesu glukoneogeneze vzniká během anaerobní glykolýzy z pyruvátu hlavními producenty jsou pracující svalové buňky a erytrocyty Coriho cyklus: laktát se uvolňuje do krevního oběhu transport do jater přeměněna na glukosu glukosa se uvolní do krve možný přechod zpět např. do svalu

72 Glukoneogeneze Substráty pro glukoneogenezi Pyruvát produkován mnoha periferními tkáněmi Glukosa-alaninový cyklus mezi svalovými buňkami a játry pyruvát vzniklý ve svalových buňkách, podléhá transaminaci za vzniku alaninu uvolnění alaninu do krve transport do jater, kde se alanin transaminací zpětně přeměňuje na pyruvát vstup do glukoneogeneze vzniklá glukosa je přenesena krví do svalů a celý cyklus se uzavírá.

73 Glukoneogeneze Substráty pro glukoneogenezi Glukogenní aminokyseliny uhlíkaté skelety všech aminokyselin kromě leucinu a lysinu hlavní zastoupení - alanin a glutamin hlavní zdroj glukogenních aminokyselin tvoří svalové proteiny Glukogenní AK Ketogenní AK Glycin, serin, valin, histidin, arginin, cystein, prolin, hydroxyprolin, alanin, glutamát, glutamin, aspartát, asparagin, methionin Leucin, lysin Gluko i ketogenní AK Threonin, isoleucin, fenylalanin, tyrosin, tryptofan

74 Substráty pro glukoneogenezi Glycerol hydrolýza triacylglycerolů Glukoneogeneze fosforylace na glycerol-3-p pomocí glycerolkinasy dehydrogenace na dihydroxyaceton-p katalyzovaná glyceraldehyd-3- fosfátdehydrogenasou vznik meziproduktu glukoneogeneze

75 Biosyntéza glukosy z fruktosy v játrech fosforylace fruktosy aldolasa Glukoneogeneze

76 Glukoneogeneze Proces glukoneogeneze: obrácená glykolýza s vyjímkou vstupní reakce - přeměna pyruvátu na fosfoenolpyruvátu (silně makroergický) odštěpování fosfátových skupin z fruktosa-1,6-bisfosfátu odštěpování fosfátových skupin z glukosa-6-fosfátu Tři nevratné reakce v glykolýze pyruvátkinasa 6-fosfofrukto-1-kinasa hexokinasa/glukokinasa

77 Glukoneogeneze Glukosa-6-fosfatasa Glukosa Glukosa-6-fosfát Hexokinasa Fruktosa-6-fosfát Fruktosa-1,6-bisfosfatasa Fosfofruktokinasa Fruktosa-1,6-bisfosfát Pyruvátkarboxylasa + Fosfoenolpyruvátkarboxylasa Fosfoenolpyruvát Pyruvát Pyruvátkinasa

78 Glukoneogeneze Bypass 1 - přeměna pyruvátu na fosfoenolpyruvát 1. cesta - přímá karboxylace pyruvátu na fosfoenolpyruvát v cytosolu - pouze některé bakterie 2. a 3. cesta - tzv. "obchvat pyruvátkinasové reakce tvorba fosfoenolpyruvátu přes oxalacetát pyruvátkarboxylasa - v matrix mitochondrií oxalacetát - redukován na malát (3. cesta), transaminace na Asp oxalacetát - dekarboxylován a fosforylován na fosfoenolpyruvát (2. cesta) Prostupnost mitochondriální membrány pyruvát - ANO oxalacetát NE fosfoenolpyruvát - ANO

79 Glukoneogeneze

80 Glukoneogeneze

81 Glukoneogeneze Bypass 2 přeměna Fru-1,6-bisP na Fru-6-P fruktosa-1,6-bisfosfatasa hydrolyzuje Fru-1,6-bisP na Fru-6-P klíčový regulační krok glukoneogeneze Bypass 3 přeměna Glc-6-P na volnou glukosu glukosa-6-fosfatasa hydrolyzuje Glc-6-P na volnou glukosu enzym je vázán na membránách hladkého endoplazmatického retikula buněk jater, ledvin a střeva chybí ve svalu a v mozku fosforylovaná glukosa tam zůstává jako metabolické palivo Glc-6-P je do ER transportována pomocí enzymu translokasy Důvod: vznikající glukosa není ihned zpětně fosforylována na Glc-6-P volná glukosa je následně vypuštěna do krve, kde může sloužit jako zdroj energie

82 Glukoneogeneze Bypass 3 přeměna Glc-6-P na volnou glukózu

83 Glukoneogeneze Zbytečný cyklus Pokud by oba enzymy byly funkční - neužitečné štěpení ATP Regulace inhibicí a aktivací enzymů Možnost odblokování regulace - energie štěpení je využita na produkci tepla

84 Glukoneogeneze Energetická bilance glukoneogeneze glukoneogeneze je energeticky náročný děj spotřebuje šest makroergických fosfátů na jednu molekulu glukosy 2 Pyr + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH + 4 H 2 O Glc + 4 ADP + 2 GDP + 6 P i + 2 NAD H + Energie pro glukoneogenezi z β-oxidace mastných kyselin při hladovění se mastné kyseliny uvolňují ze zásobních triacylglycerolů tukové tkáně a metabolizují se v játrech

85 Regulace glukoneogeneze aktivuje se během hladovění nebo za patologických stavů (stres v důsledku infekce, polytraumata apod.). Regulační enzymy ty, které obcházejí nevratné reakce glykolýzy: 1) Pyruvátkarboxylasa: aktivuje ji acetyl-coa pocházející například z β-oxidace mastných kyselin 2) PEP karboxykinasa, Fru-1,6-bisfosfatasa a Glc-6-fosfatasa: regulují je stejné vlivy jako reakce glykolýzy, pouze v opačném směru Fru-1,6-bisfosfatasa - aktivace citrátem, inhibice AMP a Fru-2,6- bisp

86 Regulace glukoneogeneze Regulace koncentrací substrátu daných enzymů vznik např. proteolýzou či lipolýzou Hormony kontraregulační hormony (glukokortikoidy, glukagon či katecholaminy) glukoneogenezi zesilují inzulin inhibuje

87 Reciproká regulace glukoneogeneze a glykolýzy v játrech Glukoneogeneze Glukosa Glukosa-6-fosfát Glykolýza Fruktosa-1,6-bisfosfatasa F-2,6-BP (-) AMP(-) Citrát (+) Fruktosa-6-fosfát Fruktosa-1,6-bisfosfát Několik kroků Fosfofruktokinasa F-2,6-BP (+) AMP(+) ATP(-) Citrát (-) H + (-) Fosfoenolpyruvátkarboxylasa ADP(-) Oxaloacetát Pyruvátkarboxylasa acetylcoa (+) ADP(-) Fosfoenolpyruvát Pyruvát Pyruvátkinasa F-1,6-BP (+) ATP(-) alanin(-)

88 Regulace glukoneogeneze a glykolýzy fruktosa-2,6-bisfosfátem Bifunkční enzym regulující hladinu fruktosa-2,6-bisfosfátu N-terminální regulační doménu kinasovou doménu (fosfofruktokinasa 2, PFK2) - fosforylace fruktosa -6-fosfátu fosfatasovou doménu (fruktosabisfosfatasa 2, FBP2) - hydrolýza fruktosa-2,6-bisfosfátu

89 Regulace glukoneogeneze a glykolýzy fruktosa-2,6-bisfosfátem Regulace bifunkčního enzymu fosforylací vedlejšího řetězce serinu při hladovění se zvedne hladina glukagonu vede k signální kaskádě v buňkách se tvoří camp aktivuje proteinkinasu A fosforyluje bifunkční enzym. fosforylace aktivuje FBP 2 a inhibuje PFK 2 převládá glukoneogeneze

90 Hormonální regulace glukoneogeneze 1. Inzulín /glukagon - regulace aktivity bifunkčního enzymu regulujícího hladinu fruktosa- 2,6-bisfosfátu 2. Glukagon signál indukce transkripce přes camp proteinkinasu fosforylací transkripčního faktoru PEP karboxykinasa fruktosa-1,6-bisfosfatasa glukosa-6-fosfatasa aminotransferasy

91 Pankreatické a nadledvinkové hormony Slinivka břišní 1 až 2% tvoří Langerhansovy ostrůvky vylučují do krevního oběhu polypeptidové hormony tvorba inaktivních prekursorů v hrubém endoplasmatickém retikulu a Golgiho aparátu se z nich tvoří aktivní hormony uvolňovány jsou exocytosou Typ buňky b(b) buňky a(a) buňky hormon insulin (51 AMK) glukagon (29 AMK) odezva na vysokou hladinu glukosy v krvi odezva na nízkou hladinu krevní glukosy g(g) a d(d) buňky somatostatin ovlivňuje vylučování hormonů inzulinu a glukagonu