Biochemia żywności – wd. 4 – 26.10.2009r
`
W obecności inuliny w wątrobie glukoza indukuje ekspresję genów:
Transporterów glukozy
Kluczowych enzymów w glikolizy, np. Kinazy pirogronianowej
Kluczowych enzymów syntezy kwasów tłuszczowych, np. Karboksylazy acetylo-CoA i syntazy KT
I hamuje ekspresję genów enzymów glukoneogenezy – np. Karboksykinazy fosfoenolopirogroninanowej
Na diecie beztłuszczowej lub niskotłuszczowej – wysokowęglowodanowej:
indukcja ekspresji genów i wysoka aktywność enzymów glikolizy i syntezy KT,
Zahamowana synteza enzymy glukoneogenezy.
Przypuszczalnie metabolity glukozy pośredniczące w jej wpływie na ekspresję genów powstają pod wpływem glukokinazy lub heksokinazy oraz w cyklu pentozo fosforanowym:
Glukozo – 6 – fosforan
Ksylulozo – 5 – fosforan
Odcinek DNA w promotorach genów odpowiadający na glukozę:
Glucose – insulin response element – GIRE lub carbohydrate response element – ChoRE
Białka wiążące odpowiadające za glukozę - GIREBP i ChREBP,
Inne czynniki transkrypcyjne podlegające działaniu glukozy 0- Sp, Pdx
Mechanizm regulacji ekspresji genów przez glukozę i cAMP w hepatocytach:
cAMP i AMPK uaktywniają kinazę fosforylujacą CHERBP,
CHERBP ufosforylowany – nieaktywny znajduje się w cytosolu,
Uaktywnienie fosfatazy przez ksylulozo–5–fosforan i defosforylacja CHERBP w miejscu P1 umożliwiająca jego przemieszczenie się do jądra
W jądrze glukoza uaktywnia następująca fosfatazę, która defosforyluje miejsce P3 uniemożliwiając wiązanie CHERBP z CHRE w promotorze docelowego genu i indukuje transkrypcję.
Mechanizm wpływu glukozy na ekspresję genu insuliny.
Czynnik PDX 1 bierze udział w indukcji ekspresji genu insuliny,
Wzrost stężenia wewnątrz komórki beta powoduje fosforylację PDX i przemieszczenie z cytoplazmy do jądra,
Podobnie działają inne składniki pokarmowe stymulujące wydzielanie insuliny (fruktoza, ksylitom, pirogronian)
Mutacje PDX 1 są przyczyną cukrzycy wieku młodzieńczego, a także przyczyniają się do rozwoju cukrzycy typu II – fenotyp zależy od rodzaju mutacji
Transdukcja hepatocytów adenowirusem z wektorem PDX 1 reaktywuje uśpiony gen insuliny.
Glukoza zwiększa wiązanie rodziny czynników transkrypcyjnych SP do promotora syntazy KT, leptyny i liazy cytrynianowej,
Czynniki SP są regulowane bezpośrednio przez glukozę - ulegają glikozylacji,
Glikozylizacja chroni białka SP przed degradacją – w niedożywieniu niedostatecznie związanie z glukoza powoduje, ze są degradowane.
Mechanizmy indukcji genów przez węglowodany – podsumowanie:
Uaktywnieniu czynników transkrypcyjnych przez:
Defosoforylację (CHERBP) lub fosforylację (PDX)
Bezpośrednią glikozydację
Kinaza aktywowana prze AMP (AMPK) – jej aktywność wzrasta wraz z poziomem AMP, czyli obniżeniem poziomu ATP.
AMPK działa jak „key metabolic master switch” fosforyzując białka zaangażowane w odpowiedz metabolizmu na zmiany w ładunku energetycznym komórek.
AMPK – enzym aktywny w nieżywieniu komórki, hamowany przez zapasy energii i substratów energetycznych.
Negatywnym regulatorem allosterycznym AMPK jest fosfokreatyna,
AMPK ma domenę wiążącą glikogen – wysoki poziom glikogenu w mięśniach obniża aktywność AMPK
AMPK jest aktywowana przez fosforylację i AMP,
AMP jest regulatorem allosterycznym AMPK, a także zabezpiecza AMPK przed de fosforylacją bardzo duża czułość aktywności AMPK na działające AMP – mała zmiana w stężeniu AMP w znacznym stopniu zwiększa aktywność AMPK.
AMPK hamuje procesy zużywające energię, pobudza dostarczanie energii.
Kinaza aktywowana przez AMP (AMPK)
| AMPK |
|---|
Stymuluję:
|
Rola AMPK w centralnej – podwzgórzowej – regulacji bilansu energii
GRELINA AMPK NPY
LEPTYNA AMPK NPY
KWASY TŁUSZCZOWE, STEROLE I ICH POCHODNE
JAKO REGULATORY EKSPRESJI GENÓW
Na metabolizm kwasów tłuszczowych mają wpływ:
Leki antyteratogenne - hipolipemizujące i imitujące działanie insuliny – stosowanie w cukrzycy:
Zwiększają utlenianie kwasów tłuszczowych
Stymulują proliferacje peroksysomów
Peroksysomy
Katabolizm długołańcuchowych KT, puryn, prostaglandyn,
Synteza cholesterolu i kwasów żółciowych,
Metabolizm wolnych rodników tlenowych.
Leki na hiperlipidemię i cukrzycę typu II mają swoje receptory jądrowe:
Jądrowe receptory aktywowane przez proliferatory proksymalne (PPAR) należą do rodziny receptorów jądrowych obejmujących:
Receptory hormonów tarczycy,
Receptory glukokortykosteroidów,
Receptory androgenów
Receptory estrogenów,
Receptory kwasu retinowego,
Receptory kalcytriolu.
Receptor jądrowy tworzy hetero dimer z receptorem kwasu retinowego. W nieobecności specyficznego ligandu wiąże kompleks korepresora , który powoduje deacylację histonów i blokowanie transkrypcji
Związanie ligand powoduje odłączenie korepresora, przyłączenie ko aktywatora i uaktywnienie acetylazy histonów.
Acetylacja histonów powoduje rozluźnienie chromatyny, umożliwia powstanie kompleksu transkrypcyjnego i rozpoczęcie transkrypcji
Istnieją trzy typy receptorów aktywowanych [rzez proliferatory proksymalne - alfa, beta i gamma.
Wszystkie tworzą hetero dimery z receptorami kwasy retinowego typu RXR
PPAR wiążą się z PPRE – odcinkami DNA w promotorach regulowanych genów.
Syntetyczne ligandy PPARs
Specyficzność:
PPAR – alfa i beta – mała – KT długo łańcuchowe nasycone, jedno- i wielonienasycone i ich pochodne hydroksylowe oraz estry metylowe, a także prostagnadyny i leukotrieny,
PPAR – gamma – bardzo małe powinowactwo do kwasów nasyconych, obecnie postulowana jako ligand naturalny pochodzenia PGJ2: 5-deoxy-`12, 14PGJ2
WYSOKI poziom PPAR-α koreluje:
Z wysokimi aktywnościami utleniania mitochondrialnego, i peroksysomalnego.
Z wykorzystaniem kwasów tłuszczowych jako substratów energetycznych.
W wątrobie PPAR-α podlega negatywnej kontroli przez insulinę i pozytywnej przez glukokortykosteroidy,
W ciągu doby poziom PPAR-α zmienia się zgodnie z rytmem krążących glukokortykosteroidów.
W trakcie głodzenia, kiedy podnosi się poziom glukokortykosteroidów wzrasta także poziom PPAR-α w hepatocytach,
Dzięki temu wzrasta możliwość wykorzystania KT jako substratów energetycznych
Regulacja PPAR-β została mało poznana, prawdopodobnie jest zaangażowany w:
Regulację metabolizmu lipidów,
Różnicowania tkanki tłuszczowej, ponieważ myszy pozbawione PPAR-β posiadają szczątkową tkankę tłuszczową
Zaburzenia w mielinizacji oraz hiperplazja naskórka u myszy pozbawionych PPAR-β/ wykazują na udział tych receptorów w rozwoju mózgu i funkcjonowaniu skóry.
W przeciwieństwie do PPAR-α i γ , nie ma leków działających za pośrednictwem PPAR-β/
PPAR – γ u ludzi występuje w dużych ilościach w tkance tłuszczowej, w mniejszych w mięśniu sercowym i wątrobie, niski poziom w mięśniach szkieletowych. Receptory PPAR – γ u ludzi otyłych występują w większej ilości niż u ludzi szczupłych. Dieta niskokaloryczna obniża ekspresję tego receptora w tkance tłuszczowej u ludzi otyłych.
U gryzoni ilość PPAR – γ w tkance tłuszczowej wzrasta na diecie wysokotłuszczowej, obniża się przy głodzeniu i przy niedoborze insuliny. Ekspresja PPAR – γ podlega synergistycznej indukcji przez insulinę oraz glukokortkosteroidy.
SREBP – sterol regulatory element binding protein
Trzy izoformy białka wiążącego element regulowany przez sterole (SREBP – sterol regulatory element binding protein): 1a, 1c, 2
SREBP 1c – geny docelowe związane z syntezą kwasów tłuszczowych i trójglicerydów:
Liza cytrynianowa,
Karboksylaza acetylo-CoA
Syntaza kwas tłuszczowych,
Desaturacja steroiloCoA,
Acetylotransferaza 3-fosforanu glicerolu.
SREBP 2 – geny docelowe związane ze wzrostem poziomu cholesterolu w komórce i z jego estryfikacją:
Receptor LDL,
Enzymy szlaku syntezy cholesterolu
Enzymy syntezy kwasów tłuszczowych
SREBP 1c i SREBP 2 – geny związane z tworzeniem NADPH:
Enzymu jabłczanowego,
Dehydrogenazy glukozo-6-fosforanu,
Dehydrogenazy kwasu 6-fosfoglukonowego
SREBP 1a – aktywator wszystkich genów odpowiadających na SREBP – ponad 30 genów związanych z wychwytem przez komórki i syntezą cholesterolu, KT, TG, fosfolipidów i NADPH – ko faktora w syntezie związków lipidowych.