METABOLISMUS GLYKOGENU

Prezentace na téma: "METABOLISMUS GLYKOGENU"— Transkript prezentace:

1 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

2 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.

3

4 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.

5

6 Cesty glukosa-6-fosfátu.

7 Glykogenfosforylasa (Fosforolýza)

8 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.

9

10

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

12

13 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.

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

15

16 Mechanismus fosforylasy

17 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.

18 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.

19

20

21

22

23

24

25

26 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 ?

27 5-chlorindol-2-karboxamid– inhibitor fosforylasy

28

29 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.

30

31 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.

32 Biosyntéza ADRENALINU Z Phe.

33 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.

34

35 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).

36 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.

37 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.

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

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

40 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.

41 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.

42 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.

43 Řez molekulou glykogenu. G = glykogenin.

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

45 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 UDP UDP + ATP = UTP + ADP enzym:nukleosiddifosfokinasa. Suma: Glukosa-6-fosfát + ATP + glykogenn + H2O = glykogenn ADP + 2 Pi

46 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 % !!

47 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.

48 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.

49

50 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

51 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.

52

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

54 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.

55 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.

56 Regulace metabolismu glykogenu v játrech hladinou glukosy.