8. Metabolizam glikogena

8. Metabolizam glikogena

Sveučilište u SplituPrirodoslovno-matematički fakultet

Odjel za kemiju

prof. dr. sc. Maja Pavela-Vrančič

visokorazgranati polimer glukoze

skladište glukoze: u citosolu stanica jetre i mišića, u obliku zrnaca zrnca sadrže

visoko hidratiziranu molekulu glikogena i

enzime za njegovu sintezu i razgradnju

svojstva: grananje povećava

topljivost glikogena veći broj nereducirajućih

krajeva osigurava efikasniju sintezu i razgradnju

zrnca glikogenaGlikogen

Monomeri glukoze koji čine jedan ogranak povezani su -1,4 glikozidnom vezom,

dva ogranka povezana su -1,6 glikozidnom vezom,

kratki pobočni ogranci u razmaku od 8-10 podjedinica.

glikogen

podjedinica glukoze

-1,6 veza

Struktura glikogena

-1,4 veza

nereducirajući kraj: kraj saslobodnom 4-OH skupinom

Procesi razgradnje i sinteze glikogena

u skeletnim mišićima: osiguravaju gorivo za potrebe pojačane mišićne aktivnosti

u jetri: održavaju razinu glukoze u krvi, za potrebe cijelog organizma

nereducirajući

kraj

reducirajući

kraj

Nereducirajući krajevi su mjesta sinteze i razgradnje glikogena

točka

grananja

R: reducirajući kraj

Mišići NE mogu jednako brzo mobilizirati masti kao

glikogen,

masne kiseline se NE mogu metabolizirati anaerobno,

masne kiseline NE mogu poslužiti mozgu kao neposredni izvor energije,

životinje NE mogu masne kiseline prevesti u glukozu i tako nezavisno održavati razinu glukoze u krvi.

Prednost glikogena nad mastima

Heksoze su snažni osmoliti

molekulska masa glikogena je 107

400 mM glukoze skladišti se kao 0,01 µM glikogena

Nakupljanje glukoze u stanici uzrokovalo bi smanjenje koncentracijskog gradijenta koji omogućava unos glukoze u stanicu.

Prednost glikogena nad glukozom

visoka

niska

kon

cen

tracija

olakšana difuzija

niz koncentracijski

gradijent

Uloga glikogena

Glikogen se sintetizira u sitosti

nakon obroka pri visokim koncentracijama glukoze

služi kao izvor glukoze u gladi u stresnim “fight or flight” situacijama

Uloga skladišta glikogena u jetri: opskrba ostalog tkiva glukozom u mišiću: za potrebe mišićne aktivnosti

glikogen fosforilaza fosforolitički cijepa α-1,4-glikozidnu vezu

glikozil transferaza i amilo-1,6-glukozidaza bifunkcionalni enzim katalizira skidanje ogranaka i prevodi razgranatu

strukturu glikogena u linearnu

fosfoglukomutaza katalizira pregradnju fosfatne skupine

Biorazgradnja glikogena odvija se uz učešćenekoliko enzima

postupno odstranjuje glukozilne ostatke s nereducirajućeg kraja molekule glikogena

glikozidna veza cijepa se ORTOFOSFATOM

glikogenlikogen(n)(n) glukoza-1-fosfat glukoza-1-fosfat glikogenlikogen(n-1)(n-1)

Glikogen fosforilaza katalizira fosforolitičkocijepanje -1,4-glikozidne veze

Pi

Pi

nereducirajući kraj

PREDNOST fosforolize energetski povoljna, jer je oslobođeni šećer već fosforiliran i spreman za

uključivanje u metabolizam, bez utroška ATP fosforilirana glukoza ne može difundirati iz stanice (prednost kod mišićnih stanica)

glikogen fosforilaza je dimerni enzim

Struktura glikogen fosforilaze

podjedinica glikogen fosforilaze

piridoksalfosfat

Ser-14mjesto

fosforilacije

mjestoskladištenjaglikogena

mjestovezanja

nukleotidnoginhibitora G1P u

aktivnommjestu

G1P uaktivnom

mjestu

Prostetička skupina glikogen fosforilaze:piridoksal fosfat

piridoksal fosfat preteča PLP: piridoksin (PLP) (vitamin B6)

Piridoksal fosfat je kovalentno vezan na glikogen fosforilazuputem Schiffove baze s Lys679

Razgradnja glikogena - GLIKOGENOLIZA

glikogenfosforilaza glukoza-

-1-fosfat

transferaza

-1,6-glukozidazaglukoza

Glikogen fosforilaza katalizira fosforolitičku razgradnju -1,4-glikozidne veze do 4 ostatka od točke grananja produkt: glukoza-1-fosfat

Bifunkcionalni enzim za skidanje bočnih ogranaka -1,6-glukozidaza katalizira

hidrolitičku razgradnju -1,6-glikozidne veze

produkt: glukoza

supstrat za daljnje djelovanje fosforilaze

srž

srž

srž

srž

glikogen

G1P~ 90%

glukoza~ 10%

G6P

ATP

G6P

KINAZAKINAZAMUTAZAMUTAZAADP

Omjer -1,4:-1,6 glikozidnih veza je oko 10:1

Glukoza-6-fosfat je ključni međuproduktmetabolizma ugljikohidrata

Pi

Pi

Pi

glukoza-1-fosfat G1P

enzim

glukoza-6-fosfatG6P

G1,6P

OH

Fosfoglukomutaza prevodi G1P u G6P i obrnuto

Katalitičko mjesto aktivne enzimske molekulesadrži fosforilirani serinski ostatak

Pi

Pi

enzim enzim

Pi

glikogenn

glukoza-6-fosfat

glikogen fosforilazaglikogenn-1

glukoza-1-fosfat

fosfoglukomutaza

piruvat

laktat CO2 + H2O glukoza

krvotok(za potrebe tkiva)

MIŠIĆI,MOZAK

glikoliza JETRA

glukoza6-fosfataza

riboza + NADPH

pentozafosfatni

put

Sudbina glukoza-6-fosfata

JETRA glikogen

G6P

glukoza-6-fosfataza glukoza + Pi

MIŠIĆ glikogen

G6P

glikoliza

piruvat

Krvotok

Glukoza-6-fosfataza katalizira ireverzibilnuhidrolizu glukoza-6-fosfata u glukozu i Pi

Enzim se nalazi u jetri, bubrezima i u crijevima:omogućava glukozi napuštanje tih stanica.

Glukoza-6-fosfataze

nema u mozgu i u mišićima

(tkiva koja pretežno koriste glukozu

kao izvor energije): G6P se zadržava

u tim stanicama gdje služi kao gorivo.

Glukoza-6-fosfataza nalazi se u membrani ER(na luminalnoj strani)

G6P

G6P glukoza

Pi Pi

glukoza

glukoza

GLUT 2

kapilara

prijenosnik Pi

(T2)

prijenosnikglukoze

(T3)

prijenosnikG6P(T1)

glukoza-6-fosfataza

lumen ER

citosol

Objasnite kako se krv opskrbljuje glukozom iz jetre.

hepatocit krvotok

biosinteza glikogena nije obrat biorazgradnje biosinteza i biorazgradnja ne koriste iste enzime ograničen je kapacitet jetre za skladištenje

glikogena

ENZIMI biosinteze

glikogen sintaza dodaje glikozilne ostatke: stvara -1,4-

glikozidnu vezu

amilo-(1,4 1,6)-transglikozilaza gradi bočne ogranke

Biosinteza glikogena

glukoza-1-fosfat

UTP

UDP-glukoza PPi

2 Pi

+

anorganska pirofosfataza

UDP-glukoza

pirofosforilaza

Go

(kJ mol-1)

__________________________G1P + UTP UDPG + PPi 0H2O + PPi 2Pi - 33,5__________________________G1P + UTP UDPG + 2Pi - 33,5

Pokretačka snaga reakcije: ireverzibilna hidroliza pirofosfata

Uridin-difosfat-glukoza (UDP-glukoza) je aktivirani oblik glukoze

G6P

glikogen

sintazaUDP-glukoza

UDP

UDP-glukoza + glikogenn glikogenn+1 + UDP

UDP-glukoza jedonor glukoze

u biosintrezi glikogena

Glikogen sintaza katalizira prijenos glukozes UDP-glukoze na lanac glikogena

nereducirajućikraj

novinereducirajući

kraj

UDP + ATP UTP (regeneracija) + ADP

Glikogen sintaza treba klicu (početnicu)- ne započinje sintezu de novo

Reducirajući kraj glikogena vezan je na Tyr-OH skupinu glikogenina

protein glikogenin je integralna komponenta glikogena

Glikogenin autokatalitički produljuje lanac do 5-13 (najčešće 8-10) glukoznih podjedinica: klica

Glikogen sintaza nastavlja sintezu lanca glikogena

glikogenin glikogenin

glikogenin

glikogen sintaza

autokataliza

autokataliza

glikogenin

glikogenin

enzim grananja

enzim grananja

(14)-terminalnilanci

Stvaranje bočnih ogranaka

Enzim grananja prenosi s

nereducirajućeg kraja najčešće 7 podjedinica s lanca od najmanje

11 podjedinica na udaljenost

od najmanje 4 podjedinice

G6P + ATP + glikogenn + H2O glikogenn+1 + ADP + Pi

potpuna oksidacije G6P daje oko 31 ATP

za skladištenje glukoza-6-fosfata utroši se nešto više od jedne molekule ATP

efikasnost uskladištenja: 97%

Glikogen je vrlo uspješan skladišni oblik glukoze

Svijetle je boje, ugodna mirisa i slatkog okusa,

u kasno proljeće postaje mršava, žilava i tamne boje, zbog razmnožavanja,

kamenica je najizdašnija u veljači.

Kamenica zimi stvara velike količine glikogena

Glikogen kao standard: mjerenje koncentracije glikogena kao

biomarkera kemijskog stresa (Cd, Pb, As),

mjerenje aktivnosti glikogen fosforilaze kao dijagnostičkog kriterija kod akutnih koronarnih sindroma.

Dodatak kozmetičkim proizvodima (“morski glikogen” u kremama za njegu kože) kao sredstvo za vezanje vode.

Komercijalni glikogen dobiva seekstrakcijom iz kamenica i iz jetre zečeva

Glikogen sintaza je inaktivna kada je fosforilaza posve aktivna i obrnuto

recipročna alosterička kontrola inhibitori aktivatori

regulacija kovalentnom preinakom (fosforilacija/defosforilacija): hormonska regulacija

Sinteza i razgradnja glikogena nalaze se pod koordiniranom kontrolom

Glikogen fosforilaza može postojati u aktivnomR (relaxed) stanju i manje aktivnom T (tense) stanju

fosforilirani enzim:ravnoteža na strani

R stanja

nefosforilirani enzim:ravnoteža na strani

T stanja

kinaza

fosfataza

FOSFORILAZA b KINAZA katalizira fosforilaciju Ser-14 u svakoj podjedinici dimernog enzima

FOSFORILAZA a FOSFATAZA katalizira hidrolizu fosforilne skupine na Ser-14

FOSFORILAZA b FOSFORILAZA a

fosforilaza b

T oblik(neaktivan)

R oblik(aktivan)

ATPG6P

AMP

Alosterička regulacija fosforilaze b

aktivna je samo u prisutnosti visokih koncentracija AMP

negativni alosterički efektori: ATP, G6P

Glikogen fosforilaza b je dominantan obliku mišiću koji se odmara

PP

PP

PP

PP

fosforilaza a

T oblik(neaktivan)

R oblik(aktivan)

glukoza

Aktivnost fosforilaze a NE ovisi o koncentraciji AMP, ATP i G6P,

udio aktivnog enzima prvenstveno ovisi o brzini fosforilacije i defosforilacije.

Razgradnja glikogena pri niskim koncentracijama glukoze u krvi, radi opskrbe organizma glukozom.

U stanicama jetre, glikogen fosforilaza aje senzor za glukozu

GLUKAGON potiče razgradnju glikogena u jetri

ADRENALIN potiče razgradnju glikogena u mišiću, manje u jetri

INZULIN povećava kapacitet jetre za sintezu glikogena - potiče sintezu glikogena

Ključni hormoni koji regulirajumetabolizam glikogena

Niska razinaglukoze u krvi

Visoka razinaglukoze u krvi

glukagon

inzulin

glukoza

glikogen

gušterača

receptorreceptorreceptorreceptor

adrenalin/glukagonadrenalin/glukagon

adenilatciklaza adenilatciklaza

ATPATP Drugi glasnikDrugi glasnik

cAMP-zavisnaprotein kinaza A

protein kinaza A

fosforilaza kinazafosforilaza kinaza glikogenglikogen

G1PG1P

glikogenfosforilaza b

glikogenfosforilaza b

cAMPcAMP

adenilatciklaza

adenilatciklaza GGGG

glikogenfosforilaza a


PP Inhibitor

fosforilaza kinazafosforilaza kinazaP

PP Inhibitor

PP InhibitorP

Pfosfoprot. fosfatazafosfoprot. fosfataza

P

X

XX

Aktivacija glikogen fosforilaze

fosfoprot. fosfataza fosfoprot. fosfataza

glikogenglikogenfosforilaza kinazafosforilaza kinaza

fosfoprot. fosfataza fosfoprot. fosfataza fosfoprot. fosfatazafosfoprot. fosfataza

inzulin-osjetljivaprotein kinaza




receptorreceptorreceptorreceptor

inzulininzulin



fosforilaza kinazafosforilaza kinazaP

P

P

G1PG1P

Inaktivacija glikogen fosforilaze

glikogenfosforilazaglikogen

fosforilaza

cAMP-zavisnaprotein kinaza A

adenilatciklaza adenilatciklaza adenilatciklaza

adenilatciklaza

receptorreceptorreceptor

GG

ATPATP

protein kinaza Aprotein kinaza A

glikogen sintaza bglikogen sintaza bPP

fosfoprot. fosfatazafosfoprot. fosfataza fosfoprot. fosfatazafosfoprot. fosfatazaP



GlikogenGlikogen

receptorreceptorreceptor

inzulininzulin

cAMPcAMP



glikogen sintaza aglikogen sintaza a

Regulacija aktivnosti glikogen sintaze

protein kinaza Aprotein kinaza A

adrenalin/glukagonadrenalin/glukagon

GG

glikogen fosforilaza b

Fosforilacija izaziva suprotne učinke na enzimskuaktivnost glikogen fosforilaze i glikogen sintaze

glikogen fosforilaza aP

glikogen sintaza a glikogen sintaza bP

GLIKOGEN FOSFORILAZA: aktivira se fosforilacijomGLIKOGEN SINTAZA: inaktivira se fosforilacijom

kinaza

fosfataza

Glukagon i adrenalinaktiviraju razgradnju glikogena

glikogen

sintaza a

protein

kinaza A

fosforilaza

kinaza

glikogen

fosforilaza a

glikogen

sintaza b

fosforilaza

kinaza

glikogen

fosforilaza b

adrenalinmišić

glukagonjetra

RAZGRADNJAGLIKOGENA

Pi

Pi

Pi

XSINTEZAGLIKOGENA

fosforilacija

glikogen

sintaza a

glikogen

sintaza b

inzulin

fosforilaza

kinaza

fosforilaza

kinaza

glikogen

fosforilaza b

glikogen

fosforilaza a

protein

fosfataza-1

SINTEZAGLIKOGENA

Inzulin aktivira sintezu glikogena, a obustavljarazgradnju glikogena

Pi

Pi

Pi

XRAZGRADNJAGLIKOGENA

defosforilacija

Vanjski događajkoji ugrožava pojedinca

“FIGHT or FLIGHT”

Luči se adrenalin,noradrenalin

i kortizol

Uklonjenaprijetnja

Oslobađa seacetilkolin

Snizuje se razinaadrenalina,

noradrenalinai kortizola

Povratak unormalno stanje

Aktivacija “FIGHT or FLIGHT” odaziva

ubrzani rad srca ubrzano disanje oslobađanje glukoze

mišić: aktivacija glikolize radi energije

jetra: inhibicija glikolize, otpuštanje glukoze u krvotok

krvotok se usmjerava s nebitnih dijelova tijela prema mišićima i mozgu

pojačano znojenje potisnut imunološki sustav

Jetra

ADRENALIN preko -adrenergičkog

receptora aktivira fosfolipazu C

fosfolipaza C pokreće fosfoinozitolnu kaskadu

IP3 potiče otpuštanje Ca2+ iz ER

-podjedinica fosforilaza kinaze je kalmodulin – veže Ca2+

razgradnja glikogena

Otpuštanje glukoze osigurava potrebnu energiju

Emocionalni ili fizički stres i potrebaza energijom uzrokuje otpuštanje adrenalina

Stvaranje leda na površini kože potiče: aktivaciju -andregeničnih receptora hepatocita,

odnosno razgradnju glikogena porast glukoze u jetri i u krvi glukoza se isporučuje ostalim organima

periferna tkiva (koža, skeletni mišići) primaju najmanje glukoze (50 mM)

razina glukoze u srcu, mozgu i jetri poraste na 200 mM

dok stvaranje leda napreduje od perifernog tkiva prema organima glukoza snizuje talište, pa se srce smrzava

posljednje povećava osmotski tlak te sprječava smanjenje

volumena stanice osigurava gorivo za stanicu u nedostatku kisika

srce se odmrzava prvo te osigurava uspostavljanje cirkulacije i odmrzavanje drugih organa

Prilagodba na smrzavanje porastomkoncentracije niskomolekulskih metabolita (glukoza,

glicerol: prirodni antifriz) u vitalnim organima

Rana sylvatica

Documents

8. Metabolizam glikogena