Metabolizm glikogenu

Przemiany metaboliczne:

1. Duże cząsteczki pożywienia są rozbijane na mniejsze, nie powstaje użyteczna energia

2. Związki są rozkładane do prostych jednostek odgrywających rolę w metaboliźmie - acetylo-CoA

3. Cykl kwasu cytrynowego i fosforylacja oksydatywna dają 90% ATP wytwarzanego przez utlenianie składników pożywienia.

Szlaki metaboliczne dzielimy na:

1. Anaboliczne - synteza związków budujących strukturę ciała i wchodzących w inne szlaki metaboliczne - glukoneogeneza.

2. Kataboliczne - procesy oksydacyjne, które uwalniają energię w postaci bogatoenergetycznego fosforanu i równoważników redukujących - glikoliza.

3. Amfiboliczne - na skrzyżowaniu dróg metabolicznych, łączniki pomiędzy szlakami kata- i anabolicznymi - cykl kwasy cytrynowego.

Przemiany glukozy

Glukoza - źródło energii

Mózg potrzebuje 5 mg glukozy na 100g tkanki na 1 min.

Magazynuje 2 g glukozy w postaci glikogenu

W razie niedoboru glukozy ten zapas wystarcza na 90 min. pracy mózgu

Polisacharydy

Sposób magazynowania energii - glukozy, w postaci: skrobi i glikogenu. Oba są to:

•Homopolimery glukozy

•Reszty glukozowe połączone wiązaniami α(1-4)

•Rozróżnienie w reakcji z jodem: skrobia daje pozytywną reakcję

Reakcja z jodem - rozróżnienie skrobi i glikogenu

-I2 wchodząc w strukturę helikalną skrobi tworzy z nią niebieskawo-fioletowy kompleks

-Gdy I2 zmieszany jest z roztworem glikogenu, brunatno-czerwony kolor jodu się nie zmienia

Glikogen

• aż do 120 000 reszt glukozy

• wiązanie glikozydowe α(1-4) (głównie)

• wiązanie glikozydowe α(1-6), w miejscach rozgałęzień (co 10-11 reszt)

• struktura otwartej helisy

• koniec redukujący zawiera wolny węgiel C1

• magazyn przechowywania nadmiaru glukozy (gdy stężenie glukozy we krwi ↑)

• źródło szybkiego uwalniania glukozy

• kompletna cząsteczka ma 12 warstw (na rysunku przedstawiono tylko 5 warstw).

• każdy łańcuch B ma dwa miejsca rozgałęzienia,

• wszystkie łańcuchy mają tę samą długość,

• w centrum struktury znajduje się cząsteczka GLIKOGENINY

• rozgałęzienia dostarczają wolnych końców, na których zachodzi jednoczesne odszczepianie reszt glukozowych

MAGAZYNOWANIE

Mięśnie (1%)>wątoba(10%)>nerki i jelita

Mięśnie (1%) > wątroba (10%) > nerki> jelita

Ziarna glikogenu

• średnica: 10 - 40 nm

• zawierają białka regulatorowe oraz enzymy katalizujące syntezę i degradację glikogenu

Glikogen wątroby jest głównym źródłem glukozy występującej we krwi, a w mięśniach jest źródłem energii głównie dla tej tkanki.

Synteza glikogenu (glikogenogeneza)

1. Konwersja do glukozo-6-fosforanu

Substratem wyjściowym do produkcji glikogenu jest glukozo-6-fosforan, który powstaje z glukozy w mięśniach i wątrobie przy udziale odpowiednio heksokinazy i glukokinazy. Obecna w komórkach fosfoglukomutaza przeprowadza go w glukozo-1-fosforan, poprzez pośredni 1,6-bisfosforan.

Fosfoglukomutaza

• katalizuje reakcję odwracalną

• grupa OH seryny w miejscu aktywnym pełni rolę donora i akceptora Pi.

• bisfosforan nie jest uwalniany.

pirofosforylaza

2. Kolejnym etapem jest aktywacja glukozo-1-fosforanu zachodząca w jego rekcji z urydynotrifosforanem - UTP, w efekcie, czego powstaje urydynodifosfoglukoza - UPDGlc. Reakcję tę katalizuje pirofosforylaza UDPGlc.

Zachodzące w tej przemianie rozerwanie PPi jest jedynym energetycznym kosztem syntezy

(1 ~P wiązanie na resztę glukozy).

Glikogenina - białko o aktywności enzymu

•„primer” w syntezie glikogenu.

•Masa cząsteczki 37 kDa.

•Dimer - cząsteczki glikozylują się wzajemnie. Do reszty Tyr dodawana jest pierwsza reszta glukozy.

•W mięśniowym glikogenie związana na stałe z centrum jego cząsteczki a w wątrobie może być uwalniana.

3. Przyłączanie pierwszej reszty glukozy do glikogeniny.

Pomiędzy anomerycznym węglem C1 reszty glukozy a tlenem grupy -OH tyrozyny w glikogeninie tworzy się wiązanie glikozydowe.

4. Glukozylacja.

Wolna pozostaje gr. -OH węgla C4 w reszcie glukozy, do której są przyłączane kolejne reszty glukozy. Zachodzi wówczas proces zwany glukozylacją - glikogenina katalizuje dodawanie kolejnych reszt glukozy do momentu powstania, połączonego wiązaniami α(1-4) z cząsteczką glikogeniny, krótkiego liniowego polimeru glukozy.

glikogen(n reszt) + UDP-glukoza glikogen(n +1 reszt) + UDP

5. Synteza liniowej cząsteczki glikogenu.

syntaza glikogenowa - najważniejszy enzym prowadzący dalsza syntezę łańcucha glikogenu.

6.Synteza rozgałęzień

Rozgałęzienia powstają, co 11 reszt z udziałem

enzymu rozgałęziającego (amylo-[1-4]-[1-6]-transglukozydaza)

Rozkład glikogenu (glikogenoliza)

Glikogenoliza nie jest odwróceniem glikogenogenezy

Powoduje uwolnienie glukozo-1-fosforanu, który ulega konwersji do glukozo-6-fosforanu (G6P)

G6P może być:

•rozłożony w procesie glikolizy,

•ulec konwersji do glukozy w procesie glukoneogenezy

•utlenić się w szlaku pentozofosforanowym.

Najważniejszym enzymem jest

fosforylaza glikogenu

katalizująca fosforolityczne rozszczepienie wiązań α(1-4) glikozydowych w glikogenie z łańcuchów na powierzchni ziaren glikogenu, uwalniany jest w ten sposób glukozo-1-fosforan

Fosforylaza glikogenu jest homodimerem, którego każda z domena posiada:

* miejsce katalityczne

* miejsce wiążące cząsteczkę glikogenu

* miejsce dla fosforanu pirydoksalu

* miejsce dla AMP

Fosforan pirydoksalu (PLP)

• pochodna witaminy B6

• grupa prostetyczna fosforylazy glikogenu

• wiąże się z miejscem aktywnym enzymu tworząc zasadę Schiffa (reakcja grupy aldehydowej PLP z grupą e-aminową reszty lizyny).

Fosforolizę można porównać do hydrolizy

•Fosforoliza - rozszczepienie wiązania wywołane przez ortofosforan

R-O-R' + HO-PO32- = R-OH + R'-O-PO32-c

•Hydroliza - rozszczepienie wiązania wywołane przez cząsteczkę wody

R-O-R' + HOH = R-OH + R'-OH

Fosforylaza glikogenowa usuwa reszt glukozy z nieredukujacego końca cząsteczki glikogenu, a ortofosforan pochodzący od grupy prostetycznej, jaka jest fosforan pirydoksalu rozrywa wiązanie pomiędzy węglem C1 końcowej reszty a atomem tlenu wiążącym się z węglem C4 następnej reszty glukozylowej.

Ponieważ wiązania ၡ(1-6) nie są podatne na działanie fosforylazy glikogenowej fosforoliza zatrzymuje się na 4 reszcie glukozy od rozgałęzienia, które posiada właśnie wiązanie ၡ(1-6). Zaczyna wtedy działać inny enzym:

Wiązanie pomiędzy węglem C1 a grupą OH-węgla C4 zostaje podstawione przez grupę fosforanową fosforanu pirydoksalu.

Enzym usuwający rozgałęzienia

(160 kDa) ma dwa niezależne miejsca aktywne, zbudowane z reszt w różnych obszarach pojedynczego łańcucha polipeptydowego:

miejsce transferazowe

miejsce α(1-6)glukozydazowe

• Enzymy biorące udział w rozkładzie glikogenu:

• Fosforylaza glikogenu

• Enzym bifunkcyjny usuwający rozgałęzienia o aktywności

α-[1-4]- α-[1-4]-transferazy glukanowej

amylo-[1-6]-glukozydazy

• Fosfoglukomutaza

• Glukozo-6-fosfataza (wątroba)

Regulacja metabolizmu glikogenu

Synteza i rozkład glikogenu zachodzą spontanicznie ale nie równocześnie. Inaczej mielibyśmy do czynienie z „bezskutecznym cyklem”, a do tego dochodziłoby jeszcze do utraty jednego wiązanie fosforanowego na każdy cykl.

Dlatego syntaza glikogenu i fosforylaza glikogenu są odwrotnie regulowane przez efektory allosteryczne i fosforylację.

Efektory allosteryczne, to takie związki, które sygnalizują stan energetyczny komórki.

Odwracalna fosforylację powstaje w odpowiedzi na hormony:

• insulinę

• adrenalinę

• glukagon

Regulacja - Kontrola allosteryczna

W efekcie regulacji allosterycznej fosforylaza glikogenu występuje w dwóch konformacjach: “R” (aktywna) “T”(inhibowana). W mięśniach jest regulowana allosterycznie przez cAMP, który jest drugorzędową cząsteczką sygnałową powstającą pod wpływem działania wielu hormonów, a także przez glukozo-6-fosforan. Izoenzym fosforylazy wątrobowej jest mniej czuły na kontrolę allosteryczna.

• AMP (AMP wysoki poziom, ATP niski poziom) aktywuje fosforylazę, promując konformację rozluźnioną R.

• ATP i glukozo-6-fosforan, których miejsca wiązania pokrywają się z miejscem wiązania AMP, inhibują fosforylazę, promując konformację napięta.

Zatem rozkład glikogenu inhibowany w obecności wysokiego poziomu ATP i glukozo-6-fosforanu.

N-acetylglukozamina (GlcNAc) analog glukozy - wiąże się z miejscem aktywnym fosforylazy glikogenu, w sąsiedztwie fosforanu pirydoksalu. Działa ona, jako inhibitor allosteryczny. Inhibitory te wiążą się w obszarze między dimerami, stabilizując konformację nieaktywna.

Syntaza glikogenu jest regulowana allosterycznie w momencie wysokiego stężenia cukru we krwi przez glukozo-6-fosforan, który ją wówczas aktywuje.

Regulacja - Modyfikacja kowalencyjna

Glukagon i adrenalina działają w odpowiedzi na niskie stężenie cukru we krwi.

Glukagon syntetyzowany przez α-komórki trzustki, aktywuje tworzenie cAMP w wątrobie.

Adrenalina aktywuje tworzenie cAMP w mięśniach.

Oba aktywują białko G związane z receptorem i powodują

wyzwolenie kaskady cAMP, a w konsekwencji

ufosforylowanie enzymów metabolicznych

Dla fosforylazy glikogenu

Kaskada sygnałowa cAMP przeprowadza formę "b" enzymu - zależna od kontroli allosterycznej (zdefosforylowana fosforylaza glikogenu) w formę "a" aktywną, niezależną od regulatorów allosterycznych (w przypadku fosforylazy glikogenu, stan ufosforylowania).

Kaskada cAMP wywołuje fosforylację grup hydroksylowych seryny w miejscu aktywnym fosforylazy glikogenu i przechodzi ona w stan aktywny (R).

Ufosforylowany enzym jest mniej czuły na działanie inhibitorów allosterycznych. Tak więc przy wysokim poziome

ATP i G6P - ufosforylowana fosforylaza jest nadal aktywna.

Dla syntazy glikogenu

Kaskada cAMP wywiera przeciwny efekt na syntazę glikogenu. Fosforylacja promuje konformację "b" (mniej aktywną)

Syntaza glikogenu jest fosforylowana przez :

-kinazę A białek,

-kinazę fosforylazową

Kaskada cAMP inhibuje syntazę glikogenu

. Niskie stężenia glukozy we krwi będą hamować aktywność syntazy glikogenu

Insulina (5.8 kDa) - produkowana jest w odpowiedzi na wysokie stężenie glukozy we krwi przez komórki β trzustki. R

rozpoczyna kaskadę sygnałowa prowadzącą do aktywacji fosfatazy-1 białek.

Fosfataza-1 białek -usuwa regulatorowe reszty fosforanowe z:

•Fosforylazy - inaktywując ją

•Kinazy fosforylazowej (enzym bezpośrednio fosforylujący fosforylazę glikogenu w kaskadzie cAMP) - inaktywując ją

•Syntazy glikogenu - aktywując ją

Insulina ma wpływ antagonistyczny na kaskadę cAMP indukowaną przez glukagon i adrenalinę.

jony Ca2+

regulują rozkład glikogenu w mięśniach

aktywują częściowo kinazę fosforylazy, posiadającą w swej podjednostce domenę δ identyczną z kalmoduliną. Fosforylacja enzymu, na drodze kaskady cAMP indukowanej przez adrenalinę, powoduje jego dalszą aktywację tak że rozpoczyna on fosforylowanie fosforylazy glikogenu i aktywuje się szlak rozkładu glikogenu.

Zaburzenia magazynowania glikogenu

Wywołane są głównie przez dziedziczne braki, któregoś z enzymów szlaku metabolizmu glikogenu, co w efekcie powoduje nadmierne nagromadzenie glikogenu wewnątrz komórek.

Choroby

Opisano14 różnych chorób (GSD) związanych z zaburzeniami metabolizmu glikogenu. Wszystkie objawiają się nadmiernym magazynowaniem glikogenu, a poza tym zaburzeniami pracy wątroby a także osłabieniem mięśni. Wyróżnia się więc:

4 powodujące osłabienie mięśni:

Pompego (GSD II) - brak kwaśniej maltazy

Cori'ego (GDS III) - brak enzymu usuwającego rozgałęzienia

McArdle'a (GSD V) - brak miofosforylazy

Tarui'ego (GSD VII) - brak fosfofruktokinazy

A także nie tak ściśle związane z zaburzeniami mięśni:

von Gierke'go (GSD Ia) - brak glukozo-6-fosfatazy

Andersa (GSD IV) - brak transglukozydazy

Hersa (GSD VI) - brak fosforylazy

7

---