METABOLISMUS GLYKOGENU 1. Odbourávání glykogenu 2. Úloha fosforylasy 3. Adrenalin a glukagon – hormony nutné k odbourávání glykogenu 4. Syntéza a odbourávání glykogenu probíhá různými drahami 5. Obě dráhy jsou vzájemně regulovány

Glykogen je mobilní skladovatelná glukosa. Vazby a-1,4-glykosidové a větvení po každé desáté glukosové molekule a-1,6-glykosidové. a- glykosidové vazby formují otevřené helikální polymery, zatímco b-glykosidové formují rovné řetězce –fibrily jako např. celulosa.

Proč skladují živočichové energii ve formě glykogenu ?? Kontrolované štěpení glykogenu poskyuje rychle glukosu mezi jídly.Glykogen má funkci „pufru“ hladiny krevní glukosy. Glukosa je nutná zvláště pro funkci mozku. Glukosa z glykogenu je pohotově k dispozici při zátěži organismu, zvláště za anaerobních podmínek. Hlavními místy kde je glykogen skladován jsou játra a svalstvo skeletu (v játrech 10%, ve svalech 2% na váhu). Celkově více ve svalech. Glykogen je skladován v cytosolu ve formě granulí o rozměrech od 10 do 40 nm.

Cesty glukosa-6-fosfátu.

Glykogenfosforylasa (Fosforolýza)

Enzym štěpící větvení glykogenu Fosforylasa štěpí jen po místo vzdálené 4 glukosové jednotky od větvení ! Dva další enzymy: transferasa – posunuje skupinu tří glukosových jednotek z jednoho řetězce na druhý. a-1,6-glukosidasa (odvětvující enzym – debranching enzyme) hydrolyzuje vazbu 1 – 6 za tvorby volné molekuly glukosy.

Fosfoglukomutasa – převádí glukosa-1-P na glukosa-6-P (obdoba glykolytického enzymu fosfoglycerátmutasy).

Jaterní glukosa-6-fosfatasa. Hlavní funkcí jater je udržovat konstantní hladinu krevní glukosy. Děje se tak uvolňováním glukosy do krve. Glukosa-6-fosfát z glykogenu do krve nevstupuje, jen glukosa. Glukosa-6-fosfát slouží k tvorbě ATP. Glukosa-6-fosfatasa je lokalizována na vnitřní starně membrány endoplasmatického retikula. Enzym je přítomen prakticky jen v játrech.

Struktura glykogenfosforylasy (homodimer) PLPjako prosthetická skupina vázaný na Lys 680

Mechanismus fosforylasy

Regulace svalové fosforylasy Fosforylasa je regulována řadou allosterických efektorů, které signalizují energetický stav buňky a reversibilní fosforylací, která je reakcí na hormony insulin, adrenalin a glukagon. Budeme se zabývat dvěma fosforylasami: jaterní a svalovou. Proč? Svaly využívají produkovanou energii pro sebe, kdežto játra pro celý organismus.

Svalová fosforylasa – dvě vzájemně převeditelné formy: obvykle aktivní fosforylasa a a inaktivní fosforylasa b. Každá z těchto forem existuje v rovnováze mezi stavy: aktivní – R-uvolněný (relaxed) a méně aktivní T –pevný (tense). Rovnováha pro fosf. a je na straně R, kdežto rovnováha pro fosf. b je na straně T. Fosforylasu b lze převést na fosforylasu a fosforylací Ser 14 !!! Regulačním enzymem je fosforylasakinasa, která katalyzuje fosforylaci. Ji aktivuje např. adrenalin.

Jaterní fosforylasa Na rozdíl od svalové, je u jaterní fosforylasy forma fosf. a více ovlivňována pro přechod R – T. Vazba glukosy na fosforylasu a posouvá rovnováhu ke stavu T – inaktivace enzymu. Proč glukosa? Účelem odbourávání glykogenu v játrech je udržování hladiny glukosy v krvi. Dostatek glukosy zastavuje odbourávání glykogenu. Inhibitory jako např. chloroindolkarboxamid se váží mezi obě podjednotky a stabilizují inaktivní formu. Mohou sloužit jako léky proti diabetu ? Jaterní enzym nereaguje na hladinu AMP. Proč ?

5-chlorindol-2-karboxamid– inhibitor fosforylasy

Aktivace fosforylasakinasy. Svalová je velký protein (1 200 kd – heterotetramer (abgd)4). Katalytickou aktivitu má podjednotka g, ostatní jsou regulační. Enzym je aktivován fosforylací proteinkinasou A (PKA) v jednotce b. PKA je spouštěna cyklickým AMP. Vápenaté ionty o koncentracích řádově 1 mM se váží na podjednotku d, což je calmodulin (CaM). Ca2+ se uvolňuje ze sarkoplasmatického retikula.

Pro spuštění a regulaci odbourávání glykogenu jsou nutné hormony adrenalin a glukagon. Adrenalin stimuluje odbourávání glykogenu hlavně ve svalech, v játrech výrazně méně. Glukagon ovlivňuje odbourávání glykogenu v játrech. Vysoká hladina glukagonu je signálem hladovění.

Biosyntéza ADRENALINU Z Phe.

Glucagon-29 aminokyselin, mol. hmotnost 3 485 daltonů. NH2-His-Ser-Gln-Gly-Thr-Phe- Thr-Ser-Asp-Tyr-Ser-Lys-Tyr-Leu-Asp-Ser-Arg-Arg-Ala-Gln-Asp-Phe- Val-Gln-Trp-Leu- Met-Asn-Thr-COOH Produkován a nebo A buňkami Langerhansových ostrůvků pankreatu.

Přenos signálu v játrech. Přenos je složitější než ve svalech. Adrenalin také může vyvolat degradaci glykogenu vazbou na b-adrenergní receptor, ale váže se také na a-adrenergní receptor, který aktivuje fosfolipasu C a tím se iniciuje fosfoionosidová kaskáda. To vede ke zvýšení produkce ionositol-1, 4, 5-trisfosfátu s následným uvolněním Ca2+ ze sarkoplasmatického retikula. Zvýšená koncentrace Ca2+ aktivuje d podjednotku fosforylasakinasy (calmodulin).

Terminace odbourávání glykogenu. GTPasová aktivita G proteinů převede GTP na GDP. Buňky obsahují také fosfodiesterasy, které převádí cAMP na AMP. PKA je fosforylována na podjednotce a (podjednotka b je už fosforylována) a nastupuje proteinfosfatasa 1 (PP1), která inaktivuje PKA. Inaktivuje současně fosforylasu a která se tak převede na inaktivní fosforylasu b.

Syntéza glykogenu je odlišná od odbourávání. Syntetickou jednotkou je uridindifosfátglukosa (UDP) a ne glukosa-1-fosfát jak by se dalo předpokládat. UDP je aktivovaná forma glukosy.

Syntéza UDP-glukosy. Reakce je reversibilní Syntéza UDP-glukosy. Reakce je reversibilní. Směr k syntéze je poháněn štěpením difosfátu difosfatasou.

Glykogensynthasa. Přidává glukosové jednotky jen na řetězec, který má už minimálně čtyři glukosové jednotky. Potřebuje primer !!! Primer poskytuje protein GLYKOGENIN – vždy osm glukosových jednotek.

GLYKOGENIN Protein, dimer, dvě identické podjednotky, každá 37 kd. Obsahují oligosacharid a-1,4-glukosové jednotky. Uhlík číslo jedna redukujícího konce je vázán na fenolický hydroxyl specifického Tyr glykogeninové podjednotky.

Jak je oligosacharid tvořen ? Každá z podjednotek glykogeninu katalyzuje adici osmi glukosových jednotek na sousední podjednotku. Donorem glukosových jednotek je UDP-glukosa. Proces je autokatalytický.

Větvící enzym. Glykogensynthasa spojuje jen a-1,4-glykosidové vazby. Větvící enzym spojuje vazby a-1,6-glykosidové. Nejprve se syntetizuje dlouhý řetězec a-1,4-glykosidový. Větvící enzym ho štěpí a přenáší jednotku sedmi glukos dovnitř a-1,4-glykosidového řetězce. Řetězec musí být dlouhý minimálně 11 jednotek. Větvící místo musí být minimálně 4 jednotky od již existujícího větvení. Výrazně odlišné od odvětvení ! Odvětvení - dva enzymy. Větvení je důležité neboť se tak zvyšuje rozpustnost glykogenu. Vzniká tak velké množství koncových skupin což jsou místa pro působení glykogensynthasy a glykogenfosforylasy. Zvyšuje se rychlost syntézy a degradace.

Řez molekulou glykogenu. G = glykogenin.

Glykogensynthasa je klíčový enzym syntézy glykogenu. Fosforylace glykogensynthasy vede k inaktivaci. Aktivátorem je glukosa-6-fosfát

Glykogen je efektivní skladovatelná forma glukosy. Za jakou cenu se převádí glukosa-6-fosfát na glykogen a poté zpět na glukosa-6-fosfát? Nejprve izomerace: Glukosa-6-fosfát = glukosa-1-fosfát Poté: Glukosa-1-fosfát + UTP = UDP-glukosa + PPi PPi + H2O = 2 Pi UDP-glukosa + glykogenn = glykogenn + 1 + UDP UDP + ATP = UTP + ADP enzym:nukleosiddifosfokinasa. Suma: Glukosa-6-fosfát + ATP + glykogenn + H2O = glykogenn + 1 + ADP + 2 Pi

Při vstupu jedné glukosy do glykogenu se hydrolyzuje jedno ATP. Kompletní oxidace glukosa-6-fosfátu vede ke tvorbě 31 molekul ATP. Skladovací efekt je téměř 97 % !!

Odbourávání a syntéza glykogenu jsou recipročně regulovány. Oba procesy jsou recipročně regulovány hormonální kaskádou s cAMP a proteinkinasou A. Regulace zajišťuje, že při syntéze glykogenu nemůže probíhat současně jeho odbourávání.

Glykogensynthasa – klíčový enzym syntézy glykogenu. Regulace kovalentní modifikací. Fosforyluje proteinkinasa A a řada jiných kinas. Fosforylace vede k inaktivaci. Fosforylace převádí aktivní a formu synthasy na inaktivní b formu. Aby byla fosforylovaná glykogensynthasa b aktivní je třeba vysoká koncentrace glukosa-6-fosfátu, kdežto na aktivitu a formy nemá přítomnost glukosa-6-fosfátu vliv.

Proteinfosfatasa 1 (PP1) obrací regulační efekt proteinkinas metabolismu gykogenu. Enzym hydrolyzuje fosfáty z Ser a Tyr proteinů. PP1 inaktivuje fosforylasakinasu a fosforylasu a. Enzym snižuje rychlost odbourávání glykogenu a zvyšue rychlost syntézy tím, že převádí glykogensynthasu b na aktivnější glykogensynthasu a PP1 je složena ze tří složek. PP1 samotná (37 kd), RG1 podjednotka (123 kd) s vysokou afinitou ke glykogenu a inhibitor 1 (malá podjednotka), který fosforylován, inhibuje PP1. Podjednotka RG1 je aktivní jen ve spojení s glykogenem Aktivace cAMP kaskády vede k inaktivaci PP1

Jak je regulována aktivita PP1 ? PP1 vytváří komplex ze tří komponent. Samotná PP1 (37 kd katalytická podjednotka), 123 kd RG1 podjednotka mající vysokou afinitu ke glykogenu a inhibitor 1, malá regulační podjednotka, která fosforylována, inhibuje PP1. Předpoklad úvahy: převládá odbourávání glykogenu. PKA je aktivní. Dvě složky PP1 jsou substráty PKA. Fosforylace RG1 zabraňje vazbě podjednotky PP1. Z toho plyne: Aktivace cAMP kaskády vede k inaktivaci PP1. Fosforylace inhibitoru 1 PKA vede k inhibici PP1. Závěr: Probíhá-li degradace glykogenu aktivovaná cAMP kaskádou je glykogensynthasa v inaktivní formě.

Insulin stimuluje syntézu glykogenu aktivací PP1 – je stimulována syntéza glykogenu a inhibována degradace

Metabolismus glykogenu v játrech reguluje hladinu krevní glukosy Metabolismus glykogenu v játrech reguluje hladinu krevní glukosy. Infůze glukosy vede k inaktivaci fosforylasy a aktivaci glykogensynthasy.

Regulace metabolismu glykogenu v játrech hladinou glukosy. Glukosa se váže a inhibuje v játrech glykogenfosforylasu a, oddisociuje a aktivuje se PP1. Volná PP1 defosforyluje glykogenfosforylasu a a glykogensynthasu b, což vede k inaktivaci odbourávání glykogenu a aktivaci jeho syntézy.

Regulace metabolismu glykogenu v játrech hladinou glukosy.