Regulacja metabolizmu węglowodanów i oddychania tlenowego
Paweł Kiczmer
I. Łańcuch oddechowy
a. Kontrola oddechowa polega na regulowaniu przebiegu procesu przez dostępność ADP. Istnieje pięć stanów metabolicznych kontrolujących przebieg procesu. W
pewnych przypadkach wpływ na przebieg procesu może mieć dostępność Pi.
b. Hamowanie przez trucizny i leki:
1. Kompleks I- CoQ; na jego poziomie hamowanie następuje przy udziale:
Barbituranów (amobarbital), Rotenonu i Pierycydyny A.
2. Bursztynian-Kompleks II; inhibicja zachodzi przez malonian.
3. Kompleks II-CoQ; hamują Karboksyna i TTFA.
4. Kompleks III hamowany jest przez BAL i Antymycynę A
5. Kompleks IV hamowany jest przez klasyczne trucizny: siarkowodór, cjanek, czad
6. Termogenina i 2.4 Dinitrofenol to związki rozprzęgające; powodują zerwanie łączności między łańcuchem a syntazą ATP.
7. Oligomycyna całkowicie blokuje utlenianie i fosforylację.
8. Atraktylozyd hamuje transport ADP do mitochondriów.
9. Jonofory (np. Walinomycyna) umożliwiają przenikanie jonów przez błony mitochondrialna. Dinitrofenol też jest jonoforez
a. Etapy Kluczowe, uznawane za nieodwracalne:
1. reakcja dehydrogenazy pirogronianowej
2. reakcja syntazy cytrynianowej
3. reakcja dehydrogenazy cytrynianowej
4. reakcja dehydrogenazy α-ketoglutaranowej
Dehydrogenazy te są aktywowane przez jony wapnia.
b. Regulacja allosteryczna:
1. Syntaza cytrynianowa: hamowana jest przez ATP i długołańcuchowe
Acylo-CoA
2. Dehydrogenaza izocytrynianowa: hamowana przez ATP i NADH,
aktywowana przez ADP i NAD+
c. Dehydrogenaza Bursztynianowa hamowana jest przez szczawiooctan, którego dostępność zależy od aktywności dehydrogenazy jabłczanowej zależnej z kolei od stosunku NADH/NAD+.
d. Dehydrogenaza alfa-ketoglutaranowa jest regulowana tak samo jak
dehydrogenaza pirogronianowa
e. Inhibicja przez trucizny:
1. Fluorocytrynian hamuje akonitazę
2. Arsenian III hamuje kompleks dehydrogenazy α-ketoglutaranowej
3. Malonian hamuje dehydrogenazę bursztynianową
f. Witaminy istotne w cyklu:
1. Ryboflawina w formie FAD
2. Niacyna w formie NAD
3. Tiamina jako difosfotiamina w kompleksie dehydrogenazy α-
ketoglutaranowej
4. Kwas pantotenowy jako CoA
III. Glikoliza i glukoneogeneza
a. Etapy uznawane za nieodwracalne
1. reakcja heksokinazy
2. reakcja fosfofruktokinazy
3. reakcja kinazy pirogronianowej
b. Sposoby hamowania
1. fosfofruktokinaza hamowana jest przez ATP, hamowanie znoszone jest przez 5’AMP
2. heksokinaza jest hamowana przez glukozo-6-fosforan
3. fosfofruktokinaza jest hamowana przez ATP oraz cytrynian i
aktywowana przez fruktozo-6-fosforan i fruktozo 2.6-bifosforan
4. dehydrogenaza pirogronianowa (PDH): hamowana jest przez
Acetylo-CoA i NADH. Inną metodą regulacji jest fosforylacja trzech reszt
serynowych przez kinazę PDH pod wpływem wzrostu ATP/ADP,
Acetylo-CoA/CoA u NADH/NAD+. Kinaza PDH jest hamowana przez
dichlorooctan i pirogronian. Fosfataza PDH aktywowana jest przez jony
Mg i Ca oraz insulinę.
c. Trucizny hamujące Glikolizę
1. Jodooctan hamuje dehydrogenazę Gliceraldehydo-3-Fosforanową.
2. Fluorek hamuje enolazę
d. Bariery zapobiegające odwróceniu glikolizy i ich omijanie
1. reakcja kinazy pirogronianowej odwracana jest przez karboksylazę
pirogronianową, aktywowaną przez acetylo CoA, która wytwarza
szczawiooctan zużywając ATP i przy udziale Biotyny. Następnie
karboksykinaza
fosfoenolipirogronianowa
odtwarza
fosfoenolo-
pirogronian używając GTP. GTP powstaje w cyklu Kreba TYLKO w
tkankach zdolnych do glukoneogenezy. Dostępność GTP jest
mechanizmem regulacyjnym tej reakcji.
2. fruktozo 1.6 bifosfataza przekształca fruktozo 1.6 bifosforan we fruktozo 6 fosforan. Umożliwia glukoneogenezy
3. glukozo-6-fosforan jest w nerkach i wątrobie przekształcany w glukozę przez glukozo-6-fosfatazę.
e. fruktozo
2.6-bifosforan
jest
ważnym
aktywatorem
allosterycznym
fosfofruktokinazy. Przeciwdziała on hamowaniu jej przez ATP i zwiększa powinowactwo do glukozo-6-fosforanu.. Hamuje też fruktozo 1.6-bifosfatazę zwiększając jej Km dla substratu. Jego stężenie podlega regulacji allosterycznej i kowalencyjnej.
Regulacja kowalencyjna
1. Pod wpływem glukagonu powstaje cAMP
2. cAMP aktywuje kinazę cAMP-zależną
3. kinaza aktywuje fruktozo 2.6-bifosfatazę i hamuje fosfofruktozo-2-kinazę. Oba te enzymy to jedno dwufunkcyjne białko. Ufosforylowana
jest fosfatazą, a zdefosforylowane kinazą.
4. za defosforylację białka dwufunkcyjnego odpowiada fosfataza-2-białek.
Regulacja allosteryczna
1. Fruktozo-6-fosforan działa hamująco na przemianę fruktozo-2.6-
bifosforanu we fruktozo-6-fosforan, co zmniejsza glukoneogenezy.
2. Fruktozo-6-fosforan działa aktywująco na zdefosforylowany enzym
dwufunkcyjny, co zwiększa glikolizę.
3. Cytrynian
działa
hamująco
na
zdefosforylowany
enzym
dwufunkcyjny, zmniejszając glikolizę.
4. Fruktozo-2.6-bifosforan hamuje fruktozo 1.6-bifosfatazę, hamując
tym
samym
glukoneogenezy.
Równocześnie
aktywuje
Fosfofruktokinazę, zwiększając glikolizę.
5. WNIOSEK: Fruktozo 2.6 bifosforan jest w ogólnym rozrachunku
aktywatorem glikolizy i inhibitorem glukoneogenezy.
a. Rola cAMP: powstaje on w odpowiedzi na adrenalinę, noradrenalinę i glukagon.
cAMP aktywuje kinazę fosforylazy, która fosforyluje fosforylazę (wiem, że masło maślane). Przyjmujemy, że fosforylaza b to forma nieaktywna, a fosforylaza a jest formą aktywną i ufosforylowaną. Fosforylaza a ulega regulacji allosterycznej przez ATP i glukozo-6-fosforan oraz glukozę (w wątrobie i nerkach).
W mięśniach fosforylaza bezpośrednio potrafi wiązać 5’AMP, wtedy aktywacji ulega fosforylaza b, nawet bez fosforylacji przez kinazę.
cAMP aktywuje kinazę b fosforylazy do kinazy a fosforylazy. Ta z kolei fosforyzuje fosforylazę b do postaci a. w mięśniach sygnałem nasilającym syntezę cAMP jest noradrenalina.
b. Wpływ jonów wapnia na fosforylazę; w mięśniach uwolnienie jonów wapnia jest odpowiedzialne zarówno za inicjację skurczu, jak i za zwiększenie glikogenolizy.
Mięśniowa kinaza fosforylazy zawiera jedną z domen, która jest identyczna z kalmoduliną i wiąże 4 jony wapnia. Następuje aktywacja fosforylazy, nawet jeśli nie jest ona ufosforylowana. W wątrobie pod wpływem pobudzenia receptorów adrenergicznych przez adrenalinę i noradrenalinę następuje niezależna od cAMP
aktywacja fosforylazy. Z mitochondriów uwalnia się wapń, wiąże się z kalmoduliną i stymuluję kinazę fosforylazy wrażliwą na Ca2+-kalmodulinę.
c. Inaktywacja fosforylazy zachodzi dzięki działalności fosfatazy-1-białek. Jest ona hamowana przez białko zwane inhibitorem-1, które jest aktywne po fosforylacji pod wpływem kinazy cAMP zależnej. Insulina hamuję fosforylazę b pośrednio, zwiększając pobieranie glukozy powoduje zwiększoną produkcję glukozo-6-fosforanu, który jest inhibitorem kinazy fosforylazy.
d. Aktywność syntazy glikogenowej jest regulowana tak jak aktywnośc fosforylazy, tylko że z odwrotnym skutkiem. Aktywna syntaza a jest zdefosforylowana. Działa na nią 6 różnych kinaz. Dwie są zależne od kalmoduliny i wapnia, jedna od cAMP czyli od hormonów. Jej defosforylacja jest pod kontrolą fosfatazy-1 białek zależnej od cAMP.
Między syntezą a rozkładem glikogenu panuje równowaga.
V. Szlak pentozofosforanowy i inne szlaki przemiany heksoz
a. Konsekwencja zeżarcia dużej ilości fruktozy: fruktoza omija w wątrobie etap glikolizy regulowany przez fosfofruktokinazę, dlatego nie podlega kontroli i jak będziesz ją żarł to będziesz GRUBY. Zawalenie wątroby fruktozą wzmaga litogenezę. W wątrobie, nerkach i jelicie występuje fruktokinaza, która fosforyzuje ją do fruktozo-1-fosforanu. Enzym ten nie jest kontrolowany przez insulinę.
Fruktozo-1-fosforan
jest
rozkąłdany
przez
aldolazę
B
do
fosforanu
dihydroksyacetonu i D-gliceraldehydu. Enzym ten rozkłada też fruktozo-1.6-bifosforan. D-Gliceraldehyd jest fosforyzowany przez triozokinazę i wchodzi do glikolizy.
b. Samoistna fruktozuria jest spowodowana brakiem fruktokinazy w wątrobie. Z
kolei brak Aldolazy B powoduje wrodzoną nietolerancję fruktozy. W konsekwencji Fruktoza prowokuje hipoglikemię, która powstaje mimo rezerw glikogenu, gdyż nagromadzenie fruktozo-1-fosforanu i fruktozo-1.6-bifosforanu hamuje aktywność wątrobowej fosforylazy za pośrednictwem mechanizmów allosterycznych.