Metabolizm polisachcarydów – wykład 11
[3] Glikogen – wysoce rozbudowana cząsteczka cukrowa, polimer glukozy. Co 8-10 monomerów glukozowych występuje w cząsteczce rozgałęzienie poprzez wiązanie 1,6-O-glikozydowe. Glikogen może być przechowywany w mięśniach (2%) oraz w wątrobie, gdzie tworzy charakterystyczne granule oraz rozety związane zwykle z ER gładkim.
[4] Glikogen może być rozkładany przez fosforylazę glikogenu lub trawiony hydrolitycznie przez α‑amylazę. Fosforlaza glikogenu z pomocą PLP przyłącza się do glukozy na niezredukowanym końcu i powoduje odcięcie monomeru w formie glukozo-6-fosforanu.
[5] Glukozo-6-fosforan trafia do szlaku glikolizy, a następnie zostaje przekształcony do 3‑fosfoglicerynianu.
[6] Po rozcięciu części łańcucha glikogenu przez fosforylazę działa enzym usuwający rozgałęzienia przenosi część glukoz z rozgałęzienia na koniec nieredukujący i usuwa ostatnią glukozę za pomocą podwójnej aktywności (transferazy 1,4, glukozydazy 1,6).
[7] Fosfoglukomutaza katalizuje reakcję izomeryzacji glukozo-1-fosforanu w glukozo-6-fosforan. W pierwszym etapie przyłącza grupę fosforanową do miejsca 6 G1P, tworząc glukozo-1,6-bifosforan. W drugim etapie przejmuje grupę fosforanową z miejsca 1.
[8] W mięśniach jedyną możliwością jest wejście G6P na szlak glikolizy. W wątrobie/nerkach występuje glukozo-6-fosfataza, która może odłączyć grupę fosforanową od glukozy i z pomocą transportera glukozowego przenieść ją do krwi, gdzie podwyższa wartość cukru we krwi. Fosfataza skierowana jest do lumenu ER, co zapobiega konkurencji o glukozę z procesem glikolizy.
[9] Prekursorem do syntezy glikogenu jest najczęściej UDP-glukoza, która powstaje w wyniku reakcji fosforylacji (heksokinazy) oraz izomeryzacji (fosfoglukomutaza) i ponownej pirofosforylacji (UDP‑glukozopirofosforylaza).
[10] Reakcja kondensacji pomiędzy trifosforanami nukleotydów i fosforanem cukrowym. Następuje atak nukleofilowy grupy fosforanowej i połączenie cukru do pojedynczej grupy nukleotydowej, w wyniku czego powstaje NDP-cukier oraz pirofosforan rozkładany na dwa fosforany przez nieorganiczne pirofosfatazy.
[11] UDP-glukoza łączy się z nieredukującym końcem glikogenu (gdy ten zawiera już więcej niż 4 monomery glukozowe) z pomocą syntazy glikogenu. Syntaza glikogenu tworzy wyłącznie liniowe polimery (katalizuje tworzenie wiązania 1-4-O-glikozydowego).
[12] Rozgałęzienia wytwarzane są przez glikozylo (4 -> 6) transferazę, która może zadziałać na łańcuchu co najmniej 11 reszt glukozowych, przenosząc 6-7 glukozowy fragment na wewnętrzną resztę glukozy, tworząc wiązanie 1,6-O-glikozydowe.
[14] 4-merowe łańcuchy glukozy (niezbędne do działania syntazy glikogenu) dostarcza glikogenina (Mn2+), która katalizuje własną glikozylację w miejscu Tyr194 z UDP-glukozy (białko autokatalityczne). Po wydłużeniu powstaje 8-merowa cząsteczka liniowa glukoz wykorzystywana przez syntazę. Centralna cząsteczka glikogeniny z łańcuchem cukrowym stanowi szkielet do działania glikozylotransferazy, która może tworzyć wiązania 1,6-O-glikozydowe. Zostają one wydłużane do 12‑14 monomerów, a następnie ponownie działa glikozylotransferaza. Dojrzała cząsteczka glikogenu zawiera ok. 55 tysięcy reszt glukozowych.
[15, 16] Aktywność fosforylazy zależy od obecności reszty fosforanowej (na Ser14). Istnieją dwa stany charakterystyczne: fosforylaza a (aktywna) po ufosforylowaniu oraz fosforylaza b (nieaktywna). Aktywację katalizuje obecność glukagonu (w wątrobie) lub epinefryny/adrenaliny (w mięśniach), które aktywują białka wiążące GTP, a następnie cyklazę adenylanową (która wytwarza cAMP, które aktywują PKA, która aktywuje kinazę fosforylazy b przekształcającą nieaktywny enzym w jego aktywną formę). Taka kaskada umożliwia amplifikację sygnału – już niewielkie stężenie cząsteczki sygnałowej jest odczuwalne w rozkładzie glikogenu (wzmocnienie rzędu 104).
[17] Fosforylaza a jest sensorem dla glukozy. Jej obecność powoduje dezaktywację enzymu i konformacyjne przejście do fosforylazy b. Fosfataza fosforylazy a (PP1) katalizująca tą reakcję może być aktywowana poprzez zadziałanie insuliny.
[18] Syntaza glikogenu jest aktywna, gdy jej seryny blisko końca karboksylowego nie są ufosforylowane. Przejście do formy nieaktywnej po „gruntowaniu” przez kinazę kazeiny (CKII) przeprowadza kinaza syntazy glikogenu 3 (GSK3). Reakcję tą hamuje insulina. Przeciwną reakcję przejścia w aktywną formę syntazy katalizuje PP1, która może być aktywowana przez insulinę, glukozę lub glukozo-6-fosforan, a inhibowana przez glukagon i epinefrynę.
[19] Gruntowanie polega na fosforylacji przez CKII seryny glikogenu przyłączonego do miejsca primerowego GSK3. Stabilizuje to układ GSK3-glikogen i uniemożliwia powstanie nieaktywnego pseudosubstratu.
[20, 21] Receptor dla insuliny w błonie komórkowej, wiążąc insulinę, aktywuje kinazę tyrozynową, która fosforyluje białko receptorowe insuliny (IRS1). Białko to przyłącza się do kinazy fosfatydyloinzytolu (PI-3K) która fosforyluje fosfatydyloinozytol w błonie. PIP3 wiąże się z kompleksem PDK-1 i PKB, która inaktywuje przez fosforylację GSK3, więc synteza glikogenu może być aktywowana.
[22] W granulach glikogenowych znajdują się białka GM, które po zadziałaniu insuliny ulegają fosforylacji i tworzą kompleks kinazy/fosforylazy/syntazy glikogenu z PP1, co umożliwia rozpoczęcia działania kinazy fosforylazy. W takim ujęciu cały kompleks enzymatyczny jest zdefosforylowany, więc syntaza glikogenu jest aktywna i produkowany jest glikogen. Epinefryna aktywująca PKA powoduje rozszczepienie kompleksu, fosforylację i inaktywację syntazy glikogenu.
[27, 28] Celuloza jest najszerzej występującym polisacharydem glukozowym w przyrodzie. Dla ludzi jest ona niedostępna, ponieważ zawiera wiązanie 1,4-β-glikozydowe. Polimery celulozy tworzą mikrofibrylle (33 na jedno włókno), które asocjują ze sobą (do wielkości 5-12 nm) w rozety.
[30] Synteza celulozy rozpoczyna się od przeniesienia reszty glukozy z UDP-glukozy przez lipidowy primer (sitosterol) do białka błonowego. Po inicjacji łańcuch cukrowy jest wydłużany poprzez dodawanie kolejnych podjednostek glukozy aż do osiągnięcia wartości krytycznej. Wtedy sitosterol prze wraz z łańcuchem policukrowym przeskakuje (flip) przez błonę na jej stronę zewnętrzną, gdzie działa endo-1,4-β-glukanaza pozwalająca na dalsze wydłużanie cząsteczki katalizowane przez syntazę celulozy. Sitosterol zaś powraca do błony wewnętrznej i może katalizować polimeryzację kolejnego łańcucha celulozy.
[31] Prawdopodobny model syntazy celulozy zakłada, że zbudowana jest ona z części katalitycznej (przenoszącej resztę glukozy z UDP z syntazy sacharozy), części porowej (umożliwiającej przedostanie się cząsteczki na zewnątrz komórki) oraz części krystalizacyjnej (po stronie zewnętrznej, pozwalającej na uwolnienie dojrzałej cząsteczki celulozy).
[32] Celuloza może być rozkładana przez grzyby nadrzewne, gdyż zawierają one specyficzne enzymy – celulazy, zdolne do przecięcia wiązania 1,4-β-glikozydowego. Wśród zwierząt celulozę wykorzystują przeżuwacze, w których układzie pokarmowym znajdują się bakterie trawiące celulozę.
[33] Degradację celulozy można podzielić na cztery etapy:
Odłączenie pojedynczych włókien celulozowych z mikrofibrylli
Hydroliza do nierozpuszczalnych wolnych łańcuchów celulozowych
Hydroliza do rozpuszczalnych cello-oligosacharydów
Hydroliza do cellobiozy
[36] Chityna zbudowana jest z N-acetyloglukozaminy połączonej wiązaniem 1,4-β-glikozydowym. Może ona występować w pancerzach owadów (egzoszkielet).
[37] Syntaza chityny to transbłonowy kompleks enzymatyczny przeprowadzający pełną reakcję syntezy. Zbudowany jest z trzech domen.
[38] Bezpośrednim prekursorem do syntezy jest UDP-GlcNAc. Reakcja zachodzi w chitosomach
[39, 40] Kaskada reakcji prowadzących do powstania chityny
Trehaloza rozkłada jest przez trehalozę do glukozy;
Glukoza zostaje ufosforylowana przez heksokinazę do glukozo-1-fosforanu;
G1P zostaje izomeryzowane przez G6P-izomerazę do fruktozo-6-fosforanu;
G1P ulega przeniesieniu na glutaminę przez aminotransferazę F6:glutaminową do glukozamino-6-fosforanu;
Glc6P otrzymuje grupę acetylową z Acetylo-CoA przez acetylotransferazę Glc6P do N‑acetyloglukozamino-6-fosforanu;
GlcNA6P zostaje izomeryzowane przez mutazę fosfoaccetyloglukozaminy do N‑acetyloglukozamino-1-fosforanu;
GlcNA1 ulega defosforylacji przez pirofosforylazę UDPGlcNAc do UDP-N‑acetyloglukozaminy;
UDP-GlcNac ulega polimeryzacji przez syntazę chityny w błonie komórkowej do chityny.