Ukládání energie v buňkách Josef Fontana EB - 58
Obsah přednášky Úvod do problematiky zásobních látek lidského organismu Přehled zásobních látek v těle Metabolismus glykogenu Struktura glykogenu Syntéza a degradace glykogenu (glykogenózy) Syntéza mastných kyselin a TAG Rozdíly mezi odbouráváním a syntézou mastných kyselin Jak funguje synthasa mastných kyselin Elongace a desaturace mastných kyselin Syntéza TAG
Úvod do problematiky zásobních látek lidského organismu Přehled zásobních látek v těle
Přehled zásobních látek v těle TAG Glykogen Neexistuje zásobní protein - degradaci každého proteinu tělo pocítí TAG výhodné pro skladování 1g bezvodého TAG má 6 x více energie než 1g hydratovaného glykogenu Kompletní oxidací 1g MK se získá 38 kj, z 1g sacharidů či proteinů jen 17 kj
Přehled zásobních látek v těle 70kg muž má: 1) 420 000 kj v TAG 2) 10 000 kj v proteinech (svaly) 3) 2 500 kj v glykogenu 4) 170 kj v glukóze Zásoby glykogenu a glukózy vystačí na jeden den, TAG na týdny
Metabolismus glykogenu Struktura glykogenu
Glykogen Zásobárna sacharidů u živočichů V játrech (100g), kosterních svalech (500g) a v malém množství v každé buňce 1) jaterní glykogen: udržení glykémie 2) svalový glykogen: využití jen ve svalu Podkladem PAS reakce (fialové zbarvení)
Struktura glykogenu Rozvětvený homopolymer Většina zbytků vázána α 1 4 vazbou Rozvětvení kmene glykogenu α 1 6 vazbou Větve se opět prodlužují α 1 4 vazbou a větví pomocí α 1 6 vazeb
Glykogen má dva konce Reakce (prodlužování či zkracování) probíhají na neredukujících koncích Redukující konec má poloacetalový hydroxyl - vazba glykogenu na tyrosin v glykogeninu
Metabolismus glykogenu Syntéza a degradace glykogenu
Glykogeneze (syntéza glykogenu) Cytozol Fosforylace Glc na Glc-6-P: glukokináza v játrech a hexokináza ve svalu Izomerace Glc-6-P Glc-1-P: glukózafosfátisomeráza Reakce Glc-1-P s UTP UDP-Glc (aktivovaná Glc, vazba na C1): UDP-glukózapyrofosforyláza Vazba UDP-Glc na neredukující konec: glykogensyntáza
Glykogensyntáza Připojení C1 z UDP-Glc na neredukující konec Glc (C4) v molekule glykogenu Uvolnění UDP Řetězec spojených glukóz narůstá, až dosáhne určité délky a dojde k větvení
Branching enzyme větvící enzym Přenos oligosacharidu (7 molekul Glc) z konce lineárního řetězce na -OH skupinu na C6 Glc Vznik α 1 6 vazby Nové větve prodlužovány glykogensyntázou Větvící enzym = amylo-(1,4 1,6)- transglykosyláza
Regulace syntézy glykogenu Regulace glykogensyntázy fosforylací: vazba fosfátu ji inaktivuje defosforylovaná forma je aktivní Aktivována inzulínem Inhibována glukagonem a adrenalinem
Fosforylace proteinů Proteinkinázy fosforylují proteiny Fosfoproteinfosfatázy defosforylují proteiny (odštěpují fosfát) Protein může být fosforylován jen na tyrosinu, serinu a threoninu
Proteinkinázy (PK) Proteinkináza A (PKA) je camp dependentní aktivní po vazbě camp Kalmodulin dependentní PK aktivní po vazbě bílkoviny kalmodulin kalmodulin se váže, jen když se na něj samotného váží čtyři Ca 2+
Regulace syntézy glykogenu Glukagon se váže na receptor spojený s G-proteinem Vazba na receptor aktivace adenylátcyklázy tvorba camp z ATP camp aktivuje PKA fosforylace glykogensyntházy inaktivace Adrenalin i noradrenalin též zvyšují camp
Regulace syntézy glykogenu Ve svalu se během kontrakce zvyšuje množství IC Ca 2+ Vazba Ca 2+ na kalmodulin asociace s kalmodulin dependentní PK fosforylace glykogensyntházy inaktivace
Regulace syntézy glykogenu Inzulin aktivuje fosfodiesterázu štěpení camp na AMP snížení IC koncentraci camp Oslabení činnosti PKA snížená fosforylace proteinů Inzulin aktivuje fosfoproteinfosfatázy Zvýšení aktivity glykogensyntázy
Glykogenolýza Cytosol 1) Fosforolytické štěpení (použije se volný anorganický P) pomocí glykogenfosforylázy vznik Glc-1-P (Coriho ester) 2) Izomerace Glc-1-P na Glc-6-P díky fosfoglukomutáze (glukózafosfátisomeráze)
Useknutí větévky Odbourávání glykogenu končí u 4. Glc zbytku před místem větvení Glukanotransferáza (transglykosidáza) oddělí od čtyř glukózového řetězce štěp 3 Glc přenos na konec hlavního řetězce Zbývá jedna molekula glukózy (α 1 6 vazba) odštěpuje debranching enzyme (amylo-α1 6- glukosidáza) Vznik lineárního řetězce - glykogenfosforyláza
Regulace glykogenolýzy Glykogenfosfofyláza je aktivní fosforylovaná Fosforylázakináza PKA a kalmodulin dependentní PK Inhibuje inzulín Aktivují kontraregulační hormony
Syntéza mastných kyselin a TAG Rozdíly mezi odbouráváním a syntézou mastných kyselin
Rozdíly mezi odbouráváním a syntézou MK Syntéza MK v probíhá cytoplasmě, odbourávání v matrix mitochondrií Meziprodukty syntézy MK jsou vázány na ACP (acyl carrier protein), meziprodukty degradace na CoA Enzymy syntézy MK jsou spojeny do polypeptidového řetězce zvaného synthasa MK, enzymy degradace volně v matrix
Rozdíly mezi odbouráváním a syntézou MK Řetězec MK se prodlužuje o 2 uhlíky z AcCoA aktivovaným donorem dvou uhlíků je malonyl~coa Redukčním činidlem syntézy je NADPH, oxidačními činidly degradace jsou FAD a NAD +
Rozdíly mezi odbouráváním a syntézou MK Prodlužování řetězce na synthase MK končí tvorbou palmitátu (C ) 16 Další prodlužování řetězce a tvorba nenasycených kyselin probíhá na jiných enzymech
Syntéza mastných kyselin a TAG Tvorba malonyl~coa
Tvorba malonyl~coa Vstupní látka pro syntézu MK: AcCoA Karboxylace na malonyl-coa AcCoA + ATP + HCO 3 - malonyl~coa + ADP + P i + H + AcCoA karboxylasa (biotin vitamin H či B7) Regulační enzym CO 2 odstraněn při kondenzaci s rostoucí MK
Syntéza mastných kyselin a TAG Jak funguje synthasa mastných kyselin
Savčí synthasa mastných kyselin Homodimer 2 identických podjednotek (260 kda) Každá podjednotka má 3 domény spojené pohyblivými regiony: 1) doména 1 vstup substrátu a kondenzační jednotka obě transferasy a β-ketoacylsynthasa (kondenzační enzym - CE) 2) doména 2 redukční jednotka obsahuje ACP, β-ketoacylreduktasu, dehydratasu a enoylreduktasu 3) doména 3 thioesterasa odštěpující palmitát
Savčí synthasa mastných kyselin Místa vazby meziproduktů na synthasu MK: 1) thiolová skupina cysteinu CE 2) thiolová skupina fosfopanteteinu, který se váže na serin v ACP
Jednotlivé kroky syntézy MK 1. Syntéza malonyl-coa: acetyl-coa karboxylasa 2. Navázání AcCoA na CE: acetyltransacylasa 3. Navázání malonyl-coa na ACP: malonyltransacylasa 4. Kondenzační reakce: kondenzační enzym Acetyl-CE + malonyl-acp acetoacetyl-acp + CE + CO 2
Jednotlivé kroky syntézy MK 5. První redukce: β-ketoacylreduktasa Acetoacetyl-ACP + NADPH + H + D-3- hydroxybutyryl-acp + NADP + 6. Dehydratace: 3-hydroxyacyldehydratasa D-3-Hydroxybutyryl-ACP krotonyl-acp + H 2 O 7. Druhá redukce: enoylreduktasa Krotonyl-ACP + NADPH + H + butyryl-acp + NADP +
Synthasa MK funguje jako dimer Kondenzace mezi malonylem zavěšeným na ACP jedné podjednotky a acetylem na kondenzačním enzymu druhé podjednotky S H 3 C CE C S ACP O C H 2 C O C O - ACP O SH CE SH KONDENZACE CO 2 CE HS H 2 C C S ACP ACP CH 3 C O SH O CE SH Nový acyl zůstává na ACP
První redukce H 3 C O C C H 2 O C S ACP REDUKCE H 3 C HO C H C H 2 O C S ACP Acetoacetyl-ACP H + + NADPH NADP + D-3-Hydroxybutyryl-ACP
Dehydratace HO H O DEHYDRATACE H O H 3 C C C H 2 S ACP D-3-Hydroxybutyryl-ACP C H 2 O H 3 C C C C S H Krotonyl-ACP ACP
Druhá redukce H 3 C H C C O C S ACP REDUKCE H 3 C H 2 C C O C S ACP H Krotonyl-ACP H + + NADPH NADP + H 2 Butyryl-ACP
Přenos řetězec z ACP na SH skupinu kondenzačního enzymu stejné podjednotky CE ACP CE ACP HS SH HS SH S H 2 C C CH 3 CH 2 O SH TRANSLOKACE SH CH 3 H 2 C CH 2 C O S ACP CE ACP CE
Nový malonyl se váže na ACP 2. podjednotky CE ACP CE ACP Kondenzace na protilehlou podjednotku dimeru, než bylo při první kondenzaci HS SH H 2 C CH 3 O CH 2 C S SH Malonyl-CoA CoA HS SH H 2 C O O C CH 3 O C CH - 2 C S S CH 2 O Podjednotky se tedy střídají ACP CE ACP CE
Další postup syntézy MK Střídání podjednotek a prodlužování řetězce Ukončení při délce C palmitát je 16 koncovým produktem Thioesterasa odštěpí palmitát z ACP - hydrolýza thioesterové vazby na fosfopanteteinu
Tvorba palmitátu vyžaduje 8 AcCoA, 14 NADPH a 7 ATP AcCoA vzniká v matrix mitochondrie vnitřní membrána MIT ho nepropouští přenos pomocí citrátu 8 NADPH se získá transportem citrátu do cytoplasmy a zbylých 6 v pentosovém cyklu
Citrát jako nositel acetylů Vysoká hladina citrátu v matrix transport do cytosolu štěpení ATPcitrátlyasou: Citrát + ATP + HSCoA + H 2 O AcCoA + ADP + P i + OAA Do cytosolu vstoupí AcCoA i OAA
Návrat OAA do matrix MIT Vnitřní membrána MIT je pro OAA nepropustná Redukce OAA na malát cytosolovou malátdehydrogenasou: OAA + NADH + H + malát + NAD + Oxidační dekarboxylace malátu NADP + - malátovým enzymem (jablečný enzym): Malát + NADP + Pyr + CO 2 + NADPH
Návrat OAA do matrix MIT Vstup Pyr do mitochondrie - karboxylace pyruvátkarboxylasou: Pyr + CO 2 + ATP + H 2 O OAA + Sumární rovnice: ADP + P i + 2 H + NADP + + NADH + ATP + H 2 O NADPH + NAD + + ADP + P i + H +
Regulace tvorby MK Dostatek substrátů (sacharidů/ak) a energie AcCoA-karboxylasa: 1) insulin aktivuje 2) glukagon a adrenalin inhibují 3) aktivuje citrát znak dostatku substrátu a energie 4) inhibuje palmitoyl-coa feedback inhib. 5) inhibuje AMP
Syntéza mastných kyselin a TAG Elongace a desaturace mastných kyselin
Vznik ostatních mastných kyselin Prodlužování řetězce elongace elongasy Tvorba nenasycených MK desaturace desaturasy Strana membrány ER přivrácená do cytosolu
Desaturace Savci postrádají enzymy katalyzující vstup dvojné vazby za C-9 MK Nové dvojné vazby jsou vždy zaváděny mezi existující dvojnou vazbu a karboxylovou skupinu Savci nemohou syntetizovat linoleát (18 : 2 cis D 9, D 12 ) a linolenát (18 : 3 cis D 9, D 12, D 15 ) obě esenciální
Syntéza mastných kyselin a TAG Syntéza TAG
Syntéza TAG