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 glkogenu 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-glykosidasa (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. Glu-6-fosfatasa je lokalizována vnitřní starně membrány endoplasmatického retikula. Enzym je přítomen prakticky jen v játrech. Glukosa-6-fosfát slouží k tvorbě ATP.

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 obvykle 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. 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 gluksy zastavuje odb. glykogenu. Jaterní enzym nereaguje na hladinu AMP. Proč ?

Aktivace fosforylasakinasy. Svalová je velký protein (1 200 kd – heterotetramer). Enzym je aktivován fosforylací proteinkinasou A (PKA) v jednotce b. PKA je spouštěna cyklickým AMP. Vápenaté ionty se váží na podjednotku d, což je calmodulin. Ca++ 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 odb. glykogenu v játrech. Vysoká hladina glukagonu je signálem hladovění.

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 a inaktivuje PKA. Inaktivuje sučasně fosforylasu a která se tak převede na inaktivní fosforylasu b.

Syntéza glykogenu je odlišná od odbourávání. Syntetickou jednotkou je uridindifosfát glukosa (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 čtyři glukosové jednotky. Potřebuje primer !!! Primer poskytuje protein GLYKOGENIN – vždy osm glukosových jednotek.

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. 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.

Struktura glykogentransferasy Struktura glykogentransferasy. Asp tvoří kovalentní intermediát s s řetězcem glukosových molekul.

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? Glukosa-6-fosfát glukosa-1-fosfát Glukosa-1-fosfát + UTP = UDP-glukosa + PPi PPi + H2O = 2 Pi UDP-glukosa + glykogenn = glykogenn + 1 + UDP UDP + ATP = UTP + ADP 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.

Proteinfosfatasa 1 (PP1) obrací regulační efekt kinas metabolismu gykogenu. Enzym hydrolyzuje fosfáty z Ser a Tyr proteinů. PP1 inaktivuje fosforylasukinasu 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, RG1 podjednotka s vysokou afinitou ke glykogenu a inhibitor 1, který fosforylován, inhibuje PP1. Aktivace cAMP kaskády vede k inaktivaci PP1

Insulin stimuluje syntézu glykogenu aktivací PP1.

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.

Metabolické mutanty Urči metabolické důsledky: a) Ztráta vazebného místa pro AMP u svalové fosforylasy. b) Mutace Ser 14 za Ala 14 u jaterní fosforylasy. c) Nadbytek (overexpression) fosforylasakinasy v játrech. d) Ztráta genu kódujícího inhibitor 1 proteinfosfatasy 1 (PP1). e) Ztráta genu kódujícího podjednotku PP1, která váže glykogen. f) Ztráta genu kódujícího glykogenin.

Metabolické mutanty - řešení a) Svalová fosforylasa b bude inaktivní i při vysokých hladinách AMP. Glykogen nebude odbouráván do doby než se převede fosforylasa b na fosforylasu a hormonální nebo Ca2+ indukcí. b) Fosforylasa b nemůže být převedena na aktivnější fosforylasu a. Mobilizace jaterního glykogenu bude významně zpomalena. c) Zvýšená hladina kinasy povede k fosforylaci a aktivaci glykogenfosforylasy. Glykogen bude nekontrolovaně odbouráván a jeho zásoba v játrech se podstatně sníží.

Metabolické mutanty – řešení 2. část d) Proteinfosfatasa bude stále aktivní. Důsledkem bude vyšší hladina fosforylasy b a odbourávání glykogenu bude pomalejší. e) Proteinfosfatasa1 bude méně aktivní při defosforylacích a důsledkem toho bude menší aktivita synthasy (b forma) a fosforylasa v aktivnější formě a. Obě změny povedou k zvýšené degradaci glykogenu. f) Absence glykogeninu bude blokovat start biosyntézy glykogenu. Bude syntetizováno velmi málo glykogenu.